Adam Cebula „R20”

Adam Cebula

Czy ktoś pamięta baterie R20? A owszem, tym czymś jeszcze się handluje. Lecz to jedynie wywołanie tematu. Odległa od bateryjek refleksja, że całe SF opiera się na wierze w siłę rozumu w obszarze techniki. Może i czasami ludzie nie są szlachetni, może i wykorzystują wiedzę w niecnych celach, lecz jedno jest pewne: gdy ów cel zostanie wytyczony, to potrafią okiełznać technologię, by poprowadziła prościutko do niego. Ustalamy sobie, że chcemy dolecieć na Księżyc (diabli wiedzą, po co), i w ruch idą kalkulatory, tablice wielkości fizycznych, nie ma miejsca na fantazje. Konstrukcje nie mogą wynikać z jakiegoś indywidualnego widzimisię, jak choćby w wyborze stroju na imprezę.

Pewni będziemy tego, że w księżycowym lądowniku znajdziemy rozwiązania konieczne, lecz z pewnością nie takie, które są jedynie modne. Oczekujemy tego, że gdy zapytamy inżyniera, czemu coś zrobił tak, to usłyszmy, że np. przewidział, że jak to nawali, to coś przejmie jego funkcję, itd. Na pewno nie dlatego, że to rozwiązanie jest „eleganckie”, czy właśnie modne.

Opór wewnętrzny akumulatorków w rozmiarze AA, stosowanych zwykle do zasilania takich urządzeń jak latarki diodowe, czy w moim przypadku lampy błyskowe, powinien być mały – w okolicy 0,06 oma. Jednak rośnie z czasem, z ilością cykli ładowanie-rozładowanie.

Ten opór określa możliwość użycia ogniw do pracy w urządzeniach, które pobierają dużą moc. Bo gdy rośnie pobór prądu, to napięcie na ogniwie siada o wartość określoną równaniem U=R*I, gdzie R to ów wewnętrzny opór, U – spadek napięcia, a I – pobierany prąd.

Dla wniosków ogólniejszych potrzebne jest jeszcze jedno równanie: P=I^2*R. Moc stracona w ogniwie rośnie z kwadratem prądu.

Z tego się wzięły baterie R20. Z racji wielkości mają mały opór wewnętrzny, mniejszy od paluszków, duże pojemności, duże prądy obciążenia. Gdy jest konieczne uruchomić bardziej prądożerne urządzenie, potrzeba zmiany źródła mocy rośnie kwadratowo z tym prądem. Do pewnych wartości nie mamy żadnych problemów, ale gdy się one pojawią, to szybko okazuje się, że musimy coś zmienić, bo maszyneria nie będzie działać. R20 staje się niezbędne.

Wspomniane lampy błyskowe mają czasami możliwość podłączenia „battery packa”. Chyba nie ma polskiej nazwy, chodzi o dodatkowe zewnętrzne zasilanie. W rzeczywistości jest to osobna przetwornica, bynajmniej nie tylko pudełko na baterie, która wspomaga ładowanie się lampy przed kolejnym błyskiem.

Ciekawostka taka, że zazwyczaj w lampie błyskowej mamy 4 paluszki, a w tym baterry packu znajdziemy ich osiem. I gdy pracuje w sumie trzy razy więcej, bo 12 paluszków, to lampa wreszcie dobrze działa. Ciekawostka kolejna: na trzech kompletach akumulatorów działających łącznie uzyskamy wyraźnie więcej błysków niż z tych trzech kompletów ładowanych kolejno do lampy.

Moc tracona jest proporcjonalna do kwadratu pobieranego prądu. Jak łatwo policzyć, jeśli założymy, że przy podłączeniu owego battery packa płyną prądy trzy razy mniejsze przez każdy akumulator, to straty na opór wewnętrzny spadną do mniej więcej 11% strat, jakie mamy przy tylko czterech akumulatorach wsadzonych do samej lampy. To jest tajemnica większej liczby błysków.

Świat techniki, błyskających LED-ami niezwykłych urządzeń, zachwyca celowością, perfekcyjnością, dopóki… czegoś nie policzymy, nie zastanowimy się, dopóki patrzymy nań okiem laika. Chwila zwątpienia czy też szczypta wiedzy technicznej i... Zadziwiająco często odkrywamy, że to czy tamto projektuje się bez głowy. Ktoś potrafi wytłumaczyć – tak, często o tym pisałem – dlaczego przez wiele lat wszystkie urządzenia z bateryjką i akumulatorem umożliwiały wymianę ogniwa w ciągu kilku sekund, bardzo prosto, nawet tępemu użytkownikowi, a tu naraz pojawiły się jednorazówki, drogie jak cholera „ajaj-fony”, generalnie wszystkie prawie komórczaki, w których ta operacja jest praktycznie niemożliwa? Dlaczego jakiś geniusz techniki wpadł na pomysł, dzięki któremu miliony właścicieli telefonów, zamiast wziąć w podróż dwa, trzy zapasowe akumulatorki, kupują kolejny absurdalny gadżet, ów powerbank?

Gdy ktoś projektuje drogie i złożone urządzenie, spodziewamy się, że jego konstrukcja została bardzo dobrze przemyślana. Jeśli stosuje się jakieś rozwiązanie, to zapewne zostało ono wybrane spośród wielu innych. Tymczasem, gdy weźmiemy pierwszą z brzegu znaną nam z z codzienności maszynę, łatwo nabawimy się podstawowych wątpliwości.

Przykład: rozrusznik samochodowy. Kilka razy o tym pisałem, wiedzą to doskonale miłośnicy starych karabinów, że czołg T34 zapalał silnik za pomocą sprężonego powietrza. Trudno chyba nawet powiedzieć, że miał rozrusznik, bo prawdopodobnie powietrze było doprowadzane wprost do cylindrów silnika. Ten sam system był w czołgach IS. Jak to naprawdę działało, nie udało mi się sprawdzić, wiem natomiast, że tak zwany rozrusznik pneumatyczny jest stosowany do dziś w dużych silnikach diesla, m.in. w sprzęcie budowlanym czy na statkach.

Dlaczego sprężone powietrze? Ma jedną właściwość, której są pozbawione inne rozwiązania. Łatwo zmajstrować urządzenie, które może rozwinąć wielką moc, choć będzie pracować przez krótki czas, czyli do wyczerpania się zapasu sprężonego powietrza. Co najważniejsze, taka praca może być powtarzana bardzo często bez szkody dla maszynerii. Akumulator elektryczny ma tylko w części podobne właściwości. Da się z niego wydusić przez chwilę znaczną moc. Niestety, takich eksperymentów nie przeprowadza się bez szkody. Przeciążanie niszczy akumulatory, jest groźne także dla urządzeń wykonawczych, np. dla elektrycznego rozrusznika. Każdy kierowca wie, że wolno „kręcić” tylko kilka, najwyżej kilkanaście sekund.

O przewagach sprężonego powietrza można długo pisać.

Akumulatory tracą pojemność z każdym cyklem ładowanie-rozładowanie, wytrzymują te operacje od kilkuset do maksymalnie trzech tysięcy razy, po czym trzeba je wyrzucić. Zbiornik na sprężone powietrze, czyli po prostu dobrze zaprojektowany mocny baniak, nie czuje ciągłego pompowania i opróżniania, nie traci (jak akumulator) pojemności, niestraszne mu eksploatacyjne katastrofy typu gwałtowne opróżnienie, nie trzeba poddawać go specjalistycznemu recyklingowi i tak dalej… plusów jest jeszcze wiele.

Zamieniając rozrusznik elektryczny na pneumatyczny, likwidujemy za jednym zamachem wiele problemów. Jeśli współczesny samochód potrzebuje źródła elektryczności, bo jest nadziany elektroniką, to w przypadku zapłonu na powietrze wystarczyłby akumulator, zapewne taki z dziesięć razy lżejszy, i można by go skutecznie zabezpieczyć tak, aby nie wywołał pożaru, bo to właśnie silnoprądowy obwód rozrusznika najczęściej jest przyczyną zapalenia się pojazdu.

Nigdy i nigdzie nie doczytałem się, jakie to rozwiązanie miało – czy ma – wady. Przeciwnie, mogę wskazać jeszcze jedną zaletę: w przypadku „nabijania” ze specjalistycznego kompresora moglibyśmy uzupełnić zapas powietrza w kilka minut, podczas gdy bezpieczne ładowanie akumulatora trwa jakieś 10 godzin.

Jak były odpalane pierwsze samochody? Na korbę. Robił to szofer, potem tak zwany zwykły właściciel. Choć pierwszą długą (około sto kilometrów) podróż automobilem miała odbyć Bertha Benz, w głowach projektantów długo jawił się za kółkiem kościsty facet, dla którego zakręcenie korbą nie było problemem.

O ile dobrze zrozumiałem informacje wygrzebane w sieci, to około roku 1911 pierwszy rozrusznik zbudowany według patentu inżynierów General Motors, Clyde’a Colemana i Charlesa Ketteringa, zaczęto montować w cadillacu.

Nie wiem, co to był za cadillac, ale sądzę, że chodziło o to, by samochodem mogła jeździć także kobieta. I oczywiście nie mogła uruchamiać go za pomocą korby, bo nawet gdyby znalazła się taka herod baba, to producentowi chodziło o tak zwanego masowego klienta.

Wsadzenie akumulatora i mocnego silnika elektrycznego do automobila to efekt prostych zasad postępowania: bierzemy to, co mamy pod ręką, i co powinno zadziałać. No i chyba tak zostało. Przy okazji zastąpiono acetylenowe oświetlenie elektrycznym i to był dobry pomysł, ale elektryczny rozrusznik – raczej z tych średnich.

Dotrwało to do naszych czasów, gdzie pojawiła się koncepcja układu start-stop. Który wyłącza silnik podczas zatrzymania się na skrzyżowaniu i włącza automatycznie po naciśnięciu pedału gazu. Aż się prosi, by w tym przypadku coś zrobić mądrzejszego zamiast elektrycznego szofera kręcącego korbą.

Układ pneumatyczny bez kłopotu może samodzielnie samochód rozpędzić i uruchomić silnik już w trakcie jazdy. Nie będzie spalin na skrzyżowaniu. I dla ilustracji, jak myślimy, dodam, że warto by się zastanowić, czy nie nadałby się tu napęd bezwładnościowy, czyli koło zamachowe. A może jeszcze coś innego, co ma podobne właściwości. Byle nie czepić się jednego rozwiązania.

Logicznym następstwem tego rozumowania jest zdziwienie dla powszechnych zachwytów nad hybrydą elektryczno-spalinową. Tu o wiele bardziej potrzebne są odporność na przeciążenia czy trwałość. To właśnie za szybkie zużywanie się akumulatorów topi ekonomiczny sens tych samochodów. Oszczędzamy na paliwie, ale co jakiś czas trzeba wydać od 10 do 30 tysięcy na nowe bateryjki.

Pneumobila nie ma, lecz dla ciekawości policzyłem gęstość energii w masie powietrza (bez zbiornika) i wyszło mi, że przy 200 barach jest większa niż w akumulatorach litowo-jonowych (ok 0,54 MJ/kg). Chyba warto spróbować. Nie tylko możemy zapomnieć o cyklicznej wymianie jakichś akumulatorów, ale jeszcze możemy tankować powietrze w ciągu kilku minut zamiast ładować akumulatory godzinami.

Jeszcze większe zdziwienie budzi entuzjazm dla elektrycznych hybryd w transporcie miejskim. Dziś bez kłopotu da się zrobić tankowanie powietrzem autobusu na przystanku. Niemożliwe jest podładowanie w tak krótkim czasie akumulatora. Potrzebny zasięg takiego pojazdu to pewnie maksymalnie kilkanaście kilometrów. Czy zrobienie takiego pneumobila stanowi problem? Coś mi się zdaje, że już je w XIX wieku konstruowano. To się nazywa system Mękarskiego. Naprawdę inżynier nazywał się Mékarski, ale odrobina polskiego szowinizmu... Już o tym pisałem, ten typ transportu działał prawie 100 lat w kopalniach.

Jednak są pomysły od hybryd są o wiele dziwniejsze i o wiele bardziej nietrafione – biopaliwa. Sprawa wygląda tak, że mają być sposobem na zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery. Sęk jednak w tym, że etanol czy biodiesel dodawany do benzyny jest produkowany z ogromnym nakładem energii, większym niż z niego uzyskujemy. Dokładniej pisałem o tym tutaj. Ponieważ do uprawy potrzebny jest traktor, który chodzi na ropę, to najpierw spalamy ropę, potem z tego, co wyrośnie, robimy bimber albo biodiesel. Lanie bimbru do baku zamiast do gardła daje w sumie wzrost emisji CO2 6,5 raza, a biodiesel zalewie 2,5 raza. Zależnie od ziemi, pogody i innych rolniczych okoliczności będzie... gorzej. Lepiej – raczej nie. Nie trzeba żadnych specjalnych studiów, osobnych badań. Wystarczy pogrzebać w danych. Działalność rolnicza jest znakomicie obmierzona i opisana.

Co spowodowało, że tak absurdalny pomysł został faktycznie wcielony w życie, skoro naprawdę nie da się go obronić na żadnym poziomie? Biopaliwa są drastycznie droższe w produkcji od przetwarzania oleju skalnego, niszczą silniki, trują powietrze, bo się gorzej spalają niż węglowodory. Gdzie tu sens i logika?

Oczywiście sprawa da się częściowo wyjaśnić działaniem grup nacisku producentów rzepaku czy (zapewne) buraków cukrowych. Albo trzciny. Ale... Ktoś przecież się na to zgodził!

Sami ekolodzy powinni narobić rabanu. To przecież zwiększenie nie tylko emisji CO2, ale zatrucie środowiska produktami spalania paliwa do traktorów, środkami ochrony roślin. Uprawy musimy nawozić, przez co zwiększamy ilość azotanów i fosforanów w wodach gruntowych. Trzeba by się gdzieś w poprzek, w proteście, z rozdartą koszulą, Rejtanem położyć.

Zauważmy: o ile pneumobil trzeba dopiero skonstruować, tu wystarczy nic nie robić. No i?

Jakoś od dłuższego czasu moje pisanie obraca się wokół obserwacji, że w technologii idzie nie tak. Może nie wszystko, ale obszary, gdzie dominują dziwne z punktu widzenia techniki rozwiązania, są zadziwiająco obszerne. W tym przywołanym tekście „Miłość bubla” plątała się teza, że jacyś „oni” robią na tym interesy. Afery z planowym postarzaniem produktów są pokłosiem tego, że w liberalnym kapitalizmie często nie opłaca się robić dobrych rzeczy.

Tak, to prawda. Lecz nie opłaca się między innymi z powodu owej miłości bubla. To taki prosty mechanizm, który powoduje, że człek z jakichś pewnie dla niego samego tajemniczych powodów przywiązuje się do danych rozwiązań. Czasami nawet tak funkcjonalnych jak gwóźdź w bucie. Powodem podobnych zachowań można się osobno zająć, lecz najpierw trzeba to zobaczyć. Zachowania człowieka są dalekie od jakiejkolwiek racjonalności, nigdy takie nie były. Budowniczowie okrętów wojennych musieli umieszczać na dziobach i burtach kosztowne ozdoby. Kasę wydaną na snycerza, który dłubał syrenę w klocu drewna, można było wydać na choćby jeszcze kilka sztucerów, które zwiększyłyby szanse na przeżycie. Ale ów galion, czy – jak poucza Wikipedia – aflaston być musiał.

Da się produkować urządzenia z absurdalnymi rozwiązaniami, ponieważ ktoś to kupuje. Ktoś chciał mieć syrenę czy Turka na dziobie okrętu, ktoś chce mieć elektromobilność. Ktoś supercienki telefon, który musi potem włożyć w różową osłonkę z uszkami, żeby go pogrubić, i rajcuje go posiadanie owego powerbanku.

Dlaczego ludzie kupują battery packi na paluszki? Bo to działa. Źle, ale… cóż, lepiej byłoby wsadzić R20, ale wtedy trzeba by się rozumieć na oporności wewnętrznej czy coś. Nigdy się człek nie dowie, czy tak, czy inaczej, bo battery pack jest już tylko na to AA-size.

A tymczasem od sprzedawcy dowiedziałem się, że i battery pack jest już niemodny. Nie tylko nie będzie dodatkowych zasilaczy z rozsądnymi (czyli R20) źródłami zasilania. Konieczność stosowania battery packa została rozwiązana w „elegancki sposób”. To znaczy wyprodukowano paluszki specjalnie do lamp błyskowych. Trochę pojemniejsze, dające większe prądy, ale za to wytrzymujące mniej cykli ładowanie-rozładowanie. Te paluszki są jakieś dwa razy droższe. Więc zamiast battery packa po prostu wsadzamy te bateryjki do lampy i już. Oczywiście częściej je kupujemy i częściej je wyrzucamy do kosza. Elegancko?

Działa to tak, że technologia idzie do przodu, i gdy poprawiamy choćby wydajność źródeł zasilania, to zamiast podciągnąć istotne parametry, psujemy urządzenie, robiąc wersję, która do tej pory nie była możliwa. Diabli wiedzą, z jakiego powodu. To już insza inszość. Jeśli się początkowo nie dawało zrobić lampy błyskowej na paluszki, no to zrobimy ją. Nie dawało się zrobić samochodu na bateryjki – no to go wreszcie możemy zrobić.

Lepsza technologia umożliwia zrobienie kiepskich rzeczy. Takich, co to ledwie zadziałają. Proste? A tak, wiele wynalazków było na początku kiepskich. Sęk w tym, że nieliczne się rozwinęły, a prawie wszystkie inne poszły w zapomnienie. To pozorny paradoks: im lepsza technologia, tym więcej idiotyzmów jest możliwych do zrobienia. To materiały kompozytowe pozwoliły na produkowanie śmigieł wiatraków. Zaawansowana energoelektronika na przyłączanie kapryśnych źródeł zasilania do sieci energetycznej. Akumulatory litowo-jonowe na budowę samochodów na bateryjki. Im technologia doskonalsza, tym więcej takich „wynalazków”. Można? Się zrobi, bo można! Zasada ma dużo większe asocjacje, niż się wydaje. Myślisz, człowieku, że to moda. Nie! Dopóki klient zarabia w pracy dość, bo mu technologia podniosła wydajność pracy, dopóty będziemy sprzedawać dwa razy droższe specjalne paluszki zamiast R20. Choć bez sensu, ale da się, więc jest.

Adam Cebula