Гиперавтомобили

Гораздо более радикальная стратегия — сконструировать автомобиль заново в соответствии с философией «гиперавтомобиля» (см. раздел 1.1).

В США автомобильная промышленность и прямо или косвенно связанные с ней отрасли составляют одну десятую по числу занятых и по уровню потребительских расходов и одну седьмую валового национального продукта. Они потребляют приблизительно 70% свинца, 60% резины, ковровых покрытий и ковкого чугуна, 40% инструментов и платины, 34% железа, около 20% алюминия, цинка, стекла и полупроводников, 14% стали и 10% меди. За последние десятилетия потребление материалов для производства автомобилей изменялось довольно медленно: с 1984 по 1994 г., например, средний американский автомобиль стал на 1% тяжелее и изменился по «массовому составу» только на У/о, в основном за счет перехода со стали на цветные металлы и полимеры. Но с появлением сверхлегких гибридных гиперавтомобилей большая часть громадных материальных потоков в автомобильной промышленности быстро претерпела бы глубокие изменения.

Гиперавтомобили скоро станут весить примерно в 3 раза меньше, чем сегодняшние автомобили, сделанные из стали, благодаря переходу к использованию полимерных композиционных материалов. Согласно обстоятельному исследованию Института Рокки Маунтин (Ловинс и др., 1996), даже очень ранняя, демонстрационная и не оптимизированная конструкция гиперавтомобиля для четырех-пяти пассажиров, в которой применяется двигатель внешнего сгорания с водяным охлаждением мощностью в 20 кВт (15л. с.), металл-гид-ридная буферная батарея на основе никеля весом 50 кг, застекление, кондиционирование воздуха с охлаждением и другие доступные технологии, легко могла бы весить на две трети меньше, чем средний американский автомобиль выпуска 1994 г. — по самым скромным подсчетам, 521 кг вместо 1439 кг. Разработанная ИРМ структура массы со 110 позициями, основанная на сопоставлении с существующими изделиями и опытными образцами, приводит к выводу, что такой гиперавтомобиль по сравнению со средним американским автомобилем выпуска 1994 г. мог бы содержать приблизительно:

q вдвое больше композиционных материалов и других полимеров,

q на одну восьмую больше меди,

q на 92% меньше железа и стали,

q на треть меньше алюминия,

q на две трети меньше резины,

q на четыре пятых меньше платины и нетопливных жидкостей.

Эта ранняя конструкция ориентирована на максимальное применение металлов. Альтернативные электрические буферные аккумуляторы и силовые установки, которые, как ожидалось, будут широко распространены в конце 90-х годов, вытеснили бы около трех пятых металлов, в том числе железо, никель и сплав гидрида металла, половину алюминия и значительную долю стали. (По сравнению с автомобилями, выпускаемыми сегодня, использование железа и стали могло бы тогда сократиться не на 92%, а на 96% или более). Эти и другие усовершенствования позволили бы также уменьшить общий вес машины до 400 кг. Медь использовалась бы умеренно, примерно как сегодня, то же относится к платине. Небольшие, но важные ниши на рынке могли бы завоевать некоторые специфические металлы, например, магний и титан, но в целом металлы в конструкции были бы вытеснены современными полимерами.

Привело бы увеличение использования современных композитов — пластичных смол, армированных сверхпрочным углеродным волокном, — к значительному расширению пластмассовой промышленности? Отнюдь нет. Автомобили сегодня потребляют 7% полимеров, производимых странами ОЭСР, 5% мирового производства и 3% полимеров, производимых в США. Более того, доля полимеров и композиционных материалов достигает 8% (в США) или 9% (в среднем по всему миру) от веса обычной автомашины и, может быть, 20—30% от объема остальных материалов, из которых она изготовлена. Однако эти 8% сегодняшнего автомобиля составляют в среднем 111 кг пластмассы и композитов, что уже превышает вероятный общий вес (равный примерно 100 кг) самой конструкции гиперавтомобиля, кузова и закрывающихся элементов (дверей, крышек капота и багажника), за исключением крепящихся деталей и узлов, относящихся к отделке интерьера и карданной передаче. Это также больше половины общего веса (примерно равного 227 кг) полимеров и композиционных материалов, использованных в первых моделях гиперавтомобиля. Учитывая сказанное, перевод всей автомобильной промышленности США на гиперавтомобили повысил бы суммарное использование полимеров только на 3%, что меньше обычных темпов ежегодного увеличения выпуска продукции. Однако масштабы промышленности, производящей передовые композиционные материалы (годовой оборот которой в 1995 г. составлял около 10 миллиардов долларов), возросли бы на порядок, а пока незначительное производство углеродного волокна — в несколько сотен раз.

Примерно две трети массы гиперавтомобиля составят комплектующие, добавляемые к сделанному из композиционных материалов кузову без покраски и грунтовки. Большинство из них будет аналогично сегодняшним, но значительно меньших размеров и намного легче. Однако многие компоненты с устранением таких элементов, как управление мощностью, тормоза, оси, трансмиссия, сцепление, муфта, дифференциалы, генератор переменного тока, стартер и т. д., исчезнут совсем. Силовая установка на первом этапе могла бы быть двигателем внутреннего сгорания, приблизительно в 10—25 раз меньших размеров, чем сегодняшние, но вскоре, вероятно, ему на смену пришел бы другой двигатель — с умеренными (двигатель Стирлинга или газотурбинный) или принципиальными отличиями (на топливных элементах или термофотогальванический, без движущихся частей). Электрическое буферное аккумуляторное устройство первоначально будет выполнять функции нетоксичной, подлежащей переработке никелевой металл-гидридной батареи, которая примерно в 3 раза тяжелее, чем обычная свинцовая стартерная аккумуляторная батарея в сегодняшних автомобилях, весящая около 14 кг. Но вскоре ее, вероятно, заменит углеродно-волоконный супермаховик (предшественник которого — отпрыск британских центрифуг для обогащения урана — появился на рынке в конце 1995 г.) или ультраконденсатор весом 10—20 кг, или, быть может, даже тонкопленочная литиевая батарея весом всего лишь 5 кг. В любом случае устройство не будет содержать свинца, а лишь очень малое количество какого-либо металла.

Гиперавтомобилям потребуется на порядок меньше жидкостей, чем сегодняшним автомобилям (в основном останутся лишь топливо, расход которого уменьшится примерно в 10 раз, и жидкость для омывания лобового стекла). В хорошо продуманных гиперавтомобилях будут устранены 6—8 из 14 видов жидкостей, необходимых сейчас и нередко частично или полностью попадающих в окружающую среду. Так, использование моторного масла с его бензолом, примесями тяжелых металлов и другими загрязняющими веществами будет сокращено в значительной степени или сведено к нулю, что даст большую выгоду, поскольку средний американский автомобиль потребляет 22 литра такого масла в год. Кроме того, сильно сократятся или совсем не будут использоваться топливно-масляные присадки (для очистки двигателя, продления срока службы или пуска в холодную погоду), дистиллированная вода для аккумуляторных батарей, антифриз (плюс вода с антикоррозионными добавками или, в некоторых случаях, промывающими веществами в обогревателе), тормозная жидкость, жидкость для гидроусилителя рулевого управления, смазки, различные жидкие и твердые смазочные материалы и хладоагент для воздушного кондиционера.

Примерно 12—13 из 21 основной категории регулярно заменяемых механических узлов тоже исчезли бы или служили столько, сколько автомобиль. Остальная часть деталей и узлов значительно уменьшилась бы в размерах и реже требовала замены. Материалы, которые были бы сокращены или сведены к нулю, в зависимости от деталей используемой силовой установки, включают в себя приводные ремни (для вентилятора радиатора и водяного насоса, генератора переменного тока, компрессора кондиционера, насоса гидроусилителя руля, воздушного насоса для рециркуляции выхлопных газов и т. д.);

шланги (для воздуха, хладоагента, топлива, масла, охлаждающей жидкости и вакуума); стартерные аккумуляторные батареи; детали сцепления; зубчатые ремни привода; лампочки (десятки на машину); тормозные колодки; воздушные и масляные фильтры; свечи зажигания. Кроме того, значительно уменьшились бы поток запасных частей, частота и объем ремонта кузова, а в связи с этим — загрязнение окружающей среды.

Что касается самих автомобилей, то каждый год в Северной Америке более 10 миллионов машин, или 94% всех используемых автомобилей, разбираются на части, затем три четверти из них идут на переработку (что составляет 37% стального металлолома США) и одна четверть закапывается в землю в виде гетерогенной и иногда токсичной измельченной смеси (которая обычно состоит из 42% волокна и 19% полимеров). Перерабатываемые металлы эквивалентны по тоннажу примерно всей стали и одной трети цветных металлов, из которых ежегодно изготавливаются новые автомобили (хотя на практике переработанная сталь разбавляется другим металлоломом, который меньше загрязнен медью, и затем повторно используется главным образом как конструкционный материал). Автомобильная пластмасса пока обычно не подвергается переработке, хотя новые немецкие и шведские технологии, сокращающие количество и улучшающие маркировку полимеров, могут изменить эту ситуацию в Северной Америке, как они это сделали в Европе. Однако гиперавтомобили устранили бы стальной кузов и большую часть металлических узлов, стоимость лома которых сейчас вкладывается в переработку.

За исключением стадии демонтажа, да и то после переквалификации работников, гиперавтомобили невозможно перерабатывать в рамках существующей инфраструктуры. Сейчас это не очень беспокоит специалистов, поскольку по меньшей мере еще пару десятков лет им придется избавляться от стальных автомобилей. Если, однако, измельченные отходы будут признаны опасными, большие затраты на их захоронение могут превысить стоимость утилизируемых металлов и приведут к распаду отрасли по переработке автомобилей.

С другой стороны, гиперавтомобили открывают новые привлекательные возможности переработки, состоящей из последовательных стадий:

q продление ресурса на десятилетия и даже «перевоплощение» для различных рынков, быть может, даже для различных обществ; этому помогут программное обеспечение, сменная цветная обшивка и другие возможности повышения качества и «изменения внешности»;

q широкое повторное применение и модернизация;

q первичная переработка, позволяющая извлекать ценные композиционные волокна (в настоящее время посредством сольволиза, в основном метанолиза — разложения смолы под воздействием сжатого и нагретого метанола и извлечения ценного волокна для повторного использования; есть и целый ряд других возможностей);

q вторичная переработка путем измельчения и использования в качестве ценного наполнителя;

q третичная переработка посредством пиролиза для извлечения запаса энергии и молекулярных строительных элементов.

Наиболее ценные процессы оказываются весьма экономичными и уже используются в промышленности, хотя и могут быть значительно улучшены при наличии технологий извлечения длинного волокна для нового применения. Третичная и, вероятно, вторичная переработка, разрушающие ценные длинные волокна, потребуются редко, если вообще потребуются.

Более того, даже если бы каждый автомобиль был гиперавтомобилем и служил не дольше, чем стальные автомобили, а вся масса композиционных материалов и полимеров каждого гиперавтомобиля закапывалась в землю вместо переработки, то получающаяся в результате масса выброшенных полимеров и композиционных материалов была бы все же меньше, чем 331 кг измельченной смеси, которая сегодня подлежит захоронению в Северной Америке, и в отличие от нее была бы по существу нетоксичной. Для получения дополнительной информации по этому вопросу мы отсылаем читателя к работе Ловинса и др. (1996).