Электростанция с искусственным торнадо вместо трубы: проект Луи Мишо

Тепловые электростанции превращают в электричество только часть получаемой энергии. Остальное тепло приходится отводить через градирни, водоёмы и другие системы охлаждения. Канадский инженер Луи Мишо предложил использовать этот обычно бесполезный ресурс для создания управляемого атмосферного вихря.

По его замыслу, над большой круглой установкой должна была подниматься вращающаяся колонна тёплого воздуха. Она работала бы как «виртуальная дымовая труба»: создавала разрежение у земли и заставляла наружный воздух проходить через турбины. Так появился проект Atmospheric Vortex Engine, или AVE, — электростанции с искусственным торнадо.

Мишо получил патент, построил несколько прототипов и привлёк финансирование, однако промышленная установка так и не появилась. Главной нерешённой задачей остался переход от небольших демонстрационных вихрей к устойчивой электростанции диаметром в сотни метров.

Как появилась идея управляемого вихря

Луи Мишо работал инженером-технологом на предприятии Imperial Oil в канадском городе Сарния. Он занимался промышленными процессами и системами управления, поэтому был хорошо знаком с проблемой отходящего тепла.

В 1975 году Мишо опубликовал предложение использовать управляемый вихрь для получения механической энергии. Его идея основывалась на том же явлении, благодаря которому возникает тяга в дымовой трубе. Нагретый воздух легче окружающего, поэтому поднимается вверх, а на его место поступает более холодный и плотный воздух.

Высокая труба не позволяет тёплому потоку быстро смешаться с атмосферой. Благодаря этому внутри неё сохраняются подъёмная сила и разрежение. Мишо предположил, что стенки можно частично заменить вращением: закрученная воздушная колонна должна дольше сохранять форму и подниматься гораздо выше самого сооружения.

В 1999 году инженер опубликовал подробное описание вихревого процесса в научном журнале Applied Energy. В 2001 году он подал патентную заявку, а в 2006 году получил американский патент на атмосферный вихревой двигатель.

Зачем использовать отходящее тепло

На тепловой или атомной электростанции пар вращает турбину, после чего его необходимо охладить и снова превратить в воду. Для этого тепло передают системе охлаждения, а затем рассеивают в окружающей среде.

Охлаждающая вода уже недостаточно горяча для обычной паровой турбины, однако всё ещё теплее атмосферного воздуха. Именно это низкотемпературное тепло Мишо предлагал направить в вихревой двигатель.

Нагретый и увлажнённый воздух должен был поступать к основанию установки, подниматься и постепенно охлаждаться. Пока он оставался легче окружающей атмосферы, сохранялась восходящая тяга. Следовательно, источником энергии служил не сам вихрь, а тепло, поддерживающее движение воздуха.

AVE задумывался как дополнение к существующей электростанции. Основной котёл, реактор или турбина продолжали бы работать как обычно, а вихревая установка возвращала бы часть энергии, которая в традиционной системе уходит через градирню.

Как создаётся искусственный вихрь

Основанием AVE должна была стать большая круглая площадка, окружённая вертикальной стеной. По её периметру размещались воздухозаборные каналы, теплообменные секции и регулируемые направляющие лопатки.

Наружный воздух сначала проходил через теплообменники, где нагревался и насыщался влагой. После этого лопатки направляли его внутрь площадки не прямо, а под углом. Поток одновременно приближался к центру и вращался вокруг вертикальной оси.

По мере уменьшения радиуса вращение ускорялось. В центре площадки формировалась закрученная колонна, по которой тёплый воздух поднимался вверх. Возникавшее у основания разрежение втягивало новые порции воздуха, поэтому вихрь мог поддерживать сам себя, пока сохранялась подача тепла.

Стена вокруг площадки требовалась для запуска и стабилизации потока. Она защищала основание вихря от бокового ветра и заставляла воздух проходить через направляющие каналы. Выше стены вращающаяся колонна должна была продолжаться уже без твёрдых границ, выполняя роль высокой атмосферной трубы.

Интенсивность вихря предполагалось регулировать положением заслонок и лопаток. Если прекратить подачу нагретого воздуха или убрать тангенциальное направление потока, вращение должно ослабнуть. Благодаря этому искусственный вихрь оставался бы привязанным к установке и не мог существовать без постоянного притока энергии.

Где находятся турбины

Турбины в проекте Мишо располагались не внутри искусственного торнадо, а в воздухозаборных каналах по периметру площадки.

Восходящий вихрь создавал в центре пониженное давление. Атмосферный воздух устремлялся к нему через периферийные каналы, разгонялся в соплах и вращал турбины. Затем поток проходил через теплообменники, нагревался и поступал к основанию вихря.

Такое расположение позволяло установить несколько турбогенераторов вокруг сооружения. Их было проще обслуживать и защищать, чем оборудование внутри центральной воздушной колонны. Кроме того, изменяя сопротивление отдельных каналов, можно было регулировать общий расход воздуха и устойчивость вихря.

Следовательно, генераторы получали энергию не от удара быстро вращающегося торнадо по лопастям. Они использовали поток воздуха, возникающий из-за перепада давления между атмосферой и основанием «виртуальной трубы».

Зачем в опытах используется огонь

В небольших демонстрационных установках для создания вихря часто используют пламя. Оно одновременно нагревает воздух и делает его движение хорошо заметным. По вытянутому вращающемуся столбу огня можно увидеть форму и устойчивость потока.

Одна из первых моделей Мишо представляла собой цилиндр диаметром около полуметра с тангенциальными отверстиями у основания. Небольшое количество горючего создавало внутри него интенсивный огненный вихрь.

Однако пламя не должно было постоянно гореть внутри промышленной установки. Оно могло использоваться при запуске или в демонстрационных опытах. Основным источником энергии полноразмерного AVE предполагалось сделать отходящее тепло электростанции, тёплую воду либо другой доступный источник низкотемпературного нагрева.

Что показали прототипы

Мишо построил несколько моделей, начиная с настольных установок и заканчивая уличными конструкциями. В 2009 году в канадской провинции Онтарио испытали круглый прототип диаметром около четырёх метров. Он показал, что вихрь можно сформировать под открытым небом и удерживать над заданной точкой.

В 2012 году проект получил около 300 тысяч долларов от фонда Breakout Labs. После этого исследования продолжились совместно с Lambton College в Сарнии. На прототипе установили датчики температуры, давления и скорости воздуха, чтобы изучить влияние погоды и положения направляющих лопаток.

Самые крупные модели создавали вихри высотой примерно 15-20 метров. Этого было достаточно для проверки аэродинамического принципа, но недостаточно для оценки промышленной электростанции. Прототипы не продемонстрировали продолжительную выработку значительной полезной мощности.

Почему проект остался экспериментальным

Главная проблема AVE заключалась в масштабировании. Промышленная станция должна была иметь диаметр в сотни метров и перемещать огромные объёмы воздуха. Поведение небольшого вихря нельзя просто пропорционально перенести на конструкцию такого размера: вместе с масштабом меняются турбулентность, тепловые потери и взаимодействие с ветром.

Расчётная мощность также не была подтверждена испытаниями. В патенте Мишо предполагал, что станция диаметром около 300 метров сможет вырабатывать от 100 до 500 мегаватт. Но эти значения оставались теоретическими оценками автора, поскольку ни одного полноразмерного прототипа не построили.

Дополнительной проблемой стала зависимость от погоды. Боковой ветер способен наклонить или разрушить восходящую колонну. Компьютерные модели показывали, что стены и направляющие лопатки могут повысить устойчивость вихря, однако работа такой системы во время сильного ветра, грозы или резкого изменения температуры на практике не проверялась.

Отходящего тепла на электростанциях много, но оно имеет сравнительно низкую температуру. Для получения заметной мощности необходимо пропускать через установку огромную массу воздуха. При этом часть создаваемого перепада давления теряется в теплообменниках, каналах, заслонках и турбинах.

Наконец, система охлаждения электростанции должна работать постоянно и надёжно. Перед заменой обычной градирни вихревой двигатель требовалось испытать в промышленном масштабе, доказав его безопасность, экономическую выгоду и способность поддерживать нужную температуру воды. Такой эксперимент потребовал бы крупного сооружения и значительных инвестиций без гарантии результата.

Поэтому проект остановился на стадии моделей и расчётов. Он подтвердил возможность создания управляемого конвективного вихря, но не доказал, что такой вихрь способен стать основой рентабельной электростанции.

Возможна ли такая электростанция

Работа AVE не противоречит законам физики. Нагретый воздух действительно поднимается, тангенциальная подача создаёт вращение, а восходящая колонна формирует область пониженного давления. Получаемая энергия при этом поступает от тепла, а не возникает внутри торнадо сама по себе.

Неподтверждённой остаётся промышленная часть проекта. Пока существуют только небольшие экспериментальные установки, а главной нерешённой задачей разработчики называют масштабирование.

Атмосферный вихревой двигатель поэтому остаётся необычным, но технически обоснованным экспериментом. Между вращающимся столбом пламени и настоящей электростанцией находится этап, который Мишо так и не удалось пройти: строительство большого вихря, способного устойчиво работать и выдавать больше энергии, чем требуется всей установке.