Przemysł motoryzacyjny od zarania dziejów próbuje znaleźć optymalny sposób napędzania pojazdów. W ciągu dziesięcioleci zmieniały się nieco priorytety,
ale zasadniczo najważniejsze cele pozostają takie same. Silnik pojazdu powinien dostarczyć moc i moment obrotowy wystarczające do zaspokojenia
potrzeb klientów. Co więcej, powinien to zrobić tanio, cicho i komfortowo, gwarantując jak największy zasięg i możliwość szybkiego odnowienia
zapasów nośnika energii.

Żyjemy w okresie przełomowym: dobrze znane silniki spalinowe, dzięki którym przemysł samochodowy zbudował swoją potęgę, zostały skazane na wymarcie w imię ochrony przyrody i zabezpieczenia planety przed zgubnymi skutkami efektu cieplarnianego. W niedalekiej perspektywie widać dwie drogi rozwoju „czystej” motoryzacji: napęd elektryczny wykorzystujący energię zgromadzoną w akumulatorach oraz napęd elektryczny bazujący na ogniwach paliwowych zasilanych wodorem.

Warto jednak pamiętać, że od czasu do czasu w branży pojawiały się pomysły dziwne, a nawet dziwaczne, których nie można było porównywać z niczym znanym wcześniej. Wiele z nich istniało wyłącznie na deskach kreślarskich inżynierów, niektóre doczekały się wykonania niejeżdżących modeli albo egzemplarzy koncepcyjnych. Kilka wprowadzono do niskoseryjnej produkcji, a kierowców poproszono o ocenę efektu.

Być może w przyszłości będziemy świadkami podobnych prób odejścia od głównego nurtu motoryzacji, tym razem opartej na silnikach elektrycznych, nie spalinowych. Część z nich zapewne pozostanie w sferze wstępnych projektów: zbyt drogich albo zbyt skomplikowanych, aby je zrealizować. Nie można wykluczyć, że znajdzie się wśród nich kilka perełek wyprzedzających epokę, które odegrają swoją rolę po dłuższym czasie, kiedy przemysł i technologia dorosną do wprowadzenia ich w życie.

Reaktor na pokładzie

Bardzo ambitne propozycje napędu samochodów osobowych przedstawiono około roku 1957. Prawdopodobnie najczęściej wspominaną koncepcją z tego okresu jest Ford Nucleon, który miał być napędzany silnikiem parowym. Wytwornicą pary w tym samochodzie miał być niewielki reaktor jądrowy zamontowany za kabiną.

Możemy patrzeć na tę koncepcję z przymrużeniem oka, ale całkiem nieźle oddaje ona ducha Zachodu, zwłaszcza Stanów Zjednoczonych w latach 50. i 60. Od wybuchu pierwszych trzech bomb atomowych minęło ok. 10 lat, tempa nabierały badania nad pokojowym i wojskowym zastosowaniem energii jądrowej, rosło poczucie zagrożenia kolejnym konfliktem zbrojnym. Wzmagała je świadomość, że Związek Radziecki dysponuje wiedzą, surowcami i specjalistami niezbędnymi do skonstruowania broni jądrowej. Oprócz prowadzenia badań koncentrujących się na aspektach wojskowych i energetycznych wielkich elektrowni jądrowych rozważano miniaturyzację źródeł energii jądrowej i wykorzystanie ich do napędzania pojazdów.

Istniał program badań nad napędem jądrowym dla samolotów wojskowych (przerwany dopiero w 1958 roku). Prowadzono dość zaawansowane prace, np. zainstalowano w pełni funkcjonalny reaktor jądrowy na pokładzie samolotu NB-36H. Nie wykorzystano go do zasilania silników samolotu, tylko do testów osłon zabezpieczających załogę przed promieniowaniem. Okazało się, że skuteczne osłony byłyby zbyt ciężkie. Nie do zaakceptowania było też ryzyko skażenia terenu podczas ewentualnego wypadku.

Były to lata fascynacji energią jądrową i jednocześnie strachu przed konsekwencjami wojny atomowej. Zaledwie kilka lat wcześniej, 1 marca 1954 roku, Amerykanie przeprowadzili na atolu Bikini próbny wybuch termojądrowy o kryptonimie Castel Bravo. Wyniki testu przeszły najśmielsze oczekiwania: wybuch miał siłę piętnastu megaton trotylu (zamiast planowanych sześciu). Niewiele brakowało, a sytuacja wymknęłaby się spod kontroli, gdyż bunkry, w których ukryli się żołnierze nadzorujący test, zostały poważnie uszkodzone.

O atomowych samochodach myśleli nie tylko Amerykanie. W 1958 r. we Francji powstała koncepcja Arbel Symétric – samochodu, który miał wykorzystywać efekt termoelektryczny; źródłem ciepła miał być materiał promieniotwórczy. Tego samego roku powstał projekt kolejnego samochodu przyszłości – Simca Fulgur: napędzanego reaktorem, sterowanego głosem, wykorzystującego do nawigacji radar. Podobne futurystyczne projekty to Studebaker-Packard Astral oraz druga propozycja Forda – Ford Seattle-ite XXI z 1962 roku.

Ostatecznie reaktory jądrowe sprawdziły się jako ruchome źródła energii tylko w jednym środowisku: na morzu. Od dziesięcioleci z powodzeniem zasilają one w energię elektryczną i parę wodną okręty podwodne, lotniskowce czy lodołamacze. Tam masa osłon chroniących przed promieniowaniem nie jest problemem i stanowi niewielki procent masy całej jednostki.

Pod wysokim ciśnieniem

Istnieje wiele konstrukcji silników, które z powodzeniem sprawdzają się w zastosowaniach stacjonarnych, ale wykorzystanie ich do napędu pojazdów oznacza na tyle poważne problemy konstrukcyjne, że kończy się porażką. Tak było z pomysłem indyjskiego koncernu Tata, który ogłoszono około roku 2012. Firma słynąca z ambicji produkowania najtańszych i przez to najbardziej dostępnych samochodów świata postanowiła wykorzystać w jednym z modeli sprężone powietrze. Inspiracją i licencjodawcą miała być firma MDI z Luksemburga, która opracowała linię pojazdów miejskich zasilanych sprężonym powietrzem przechowywanym w butlach wykonanych z włókna węglowego. Katalogowy zasięg takiego pojazdu, którym mogłyby podróżować dwie osoby, wynosił do 120 km, a maksymalna prędkość 80 km/h.

Informacje o przesunięciu terminu premiery samochodu Tata publikowano kilka razy. Ostatecznie program upadł w 2014 roku i nie wyprodukowano ani jednego pojazdu tego typu; przez długi czas nie publikowano także informacji o dalszych losach projektu. W roku 2017 pojawiła się obietnica premiery w 2020 roku, ale nic takiego się nie wydarzyło.

Idea była prosta, gdyż wydajne silniki tłokowe i turbinowe wykorzystujące tę formę przekazywania energii są znane od dawna i z powodzeniem wykorzystuje się je, jeśli tylko mogą być zasilane z sieci stacjonarnej. Przeszkodą na drodze do wykorzystania sprężonego powietrza przez silniki na ruchomych platformach są właściwości fizyczne powietrza, a przede wszystkim jego głównego składnika – azotu.

Przewiezienie wystarczającego zapasu powietrza w samochodzie wymaga stosowania butli o dużej objętości albo bardzo wysokiego ciśnienia ładowania. Dużą butlę trudno wkomponować w samochód osobowy, a bardzo wysokie ciśnienie stwarza ryzyko jej pęknięcia.

Warto przypomnieć, że w latach 50. w Polsce produkowano parowozy „bezogniowe”, pozbawione paleniska, działające na podobnej zasadzie. Co pewien czas parowóz ładowano przegrzaną parą wodną pod wysokim ciśnieniem. Stosowano je w rafineriach, fabrykach produkujących lub składujących materiały łatwopalne lub wybuchowe. Para wodna jest lepszym medium niż powietrze, ale ma też istotną wadę: musi być przechowywana nie tylko pod wysokim ciśnieniem, ale także w wysokiej temperaturze. Te warunki wykluczają ją z użycia w samochodach, zwłaszcza osobowych.

Turbiny

Konstrukcja turbiny jest prosta. Z jednej strony mamy wlot powietrza, z drugiej wylot, a między nimi po kolei: łopatki sprężarki, komora spalania i łopatki… turbiny napędzającej sprężarkę.
Do tego trzeba dodać rozrusznik: silnik, najczęściej elektryczny, który rozpędzi wał sprężarki do prędkości zapewniającej odpowiednie ciśnienie powietrza w komorze spalania podczas uruchamiania „zimnego” silnika.

Powietrze jest doprowadzane do komory spalania, a następnie mieszane z paliwem i… zapalane. Spalanie jest ciągłe, nie ma żadnych cykli pracy w rozumieniu „ssanie, sprężanie, praca, wydech”. Gazy spalinowe wydostają się z komory i uderzają w łopatki turbiny, która jest połączona wałem ze sprężarką. Tak więc po uruchomieniu silnika ciśnienie powietrza na wlocie podtrzymuje się samo: prędkość sprężarki jest (w najprostszym przypadku) równa prędkości turbiny.

Podobne podejście sprawdziło się w czołgach M1 Abrams. Ich zespoły napędowe oparte na turbinach gazowych są bardzo tolerancyjne jeśli chodzi o rodzaj zastosowanego paliwa, pod jednym warunkiem: ma być go dużo. Nie ma wielkiego znaczenia, czy będzie to benzyna, olej napędowy czy też paliwo lotnicze dla samolotów z silnikami tłokowymi lub odrzutowymi. Przyglądając się wskaźnikom umieszczonym na desce rozdzielczej, można było dojść do wniosku, że coś tutaj poszło nie tak. Obroty? 50 000 na minutę. Temperatura powietrza na wlocie turbiny? 2000°C.

Turbina zmienia wszystko, włącznie z techniką prowadzenia pojazdu. Daje solidną porcję mocy i adrenaliny, ale zmusza do przewidywania. Naciśnięcie pedału gazu (w odróżnieniu od silników tłokowych) nie powoduje skokowego przyrostu obrotów i mocy. Turbina potrzebuje czasu, aby się rozpędzić, i kierowca musi to brać pod uwagę z wyprzedzeniem, dając znać, że za chwilę będzie potrzebował dodatkowych kilowatów. Podobny problem mają piloci samolotów przesiadający się z mniejszych, tłokowych maszyn na większe turbośmigłowe. Oni również uczą się, że trzeba rozporządzać mocą z wyprzedzeniem, a spóźnienie może grozić katastrofą, bo jeśli już dolecą w pobliże przeszkody terenowej, silnik może zareagować zbyt późno, żeby udało im się wznieść ponad nią.

Prawdopodobnie największe doświadczenie w pracach nad zastosowaniem turbin gazowych w samochodach osobowych ma Chrysler. Na potrzeby przemysłu lotniczego inżynierowie zaczęli badać turbiny w latach 30. XX wieku. W 1954 r. zainstalowano turbinę gazową w samochodzie Plymouth Belvedere. Próby budowy samochodów eksperymentalnych i wyścigowych napędzanych turbinami gazowymi kontynuowano w latach 60. W 1963 r. powstał Chrysler Turbine, którego wyprodukowano w liczbie 55 egzemplarzy. 50 sztuk przekazano do testów użytkownikom, którzy mieli podzielić się opiniami o eksploatacji tego nietypowego napędu. Kolejne generacje turbin Chrysler projektował do lat 80.

W październiku 1975 roku podczas The 21st Tokyo Motor Show Toyota zaprezentowała Toyota Century Gas-Turbine Hybrid, a dwa lata później Toyota Sports 800 Gas-Turbine Hybrid – samochody o napędzie hybrydowym, napędzane silnikiem elektrycznym zasilanym energią elektryczną wytwarzaną przez generator sprzęgnięty z turbiną gazową.

Podobnych prób było wiele, m.in. w 1949 roku prowadził je brytyjski Rover, a w 1972 roku Volkswagen. Fakt, że żaden z tych samochodów nie wszedł do powszechnej, wielkoseryjnej produkcji, nie oznacza, że pomysły były złe. Być może najbliższa optymalnego rozwiązania była Toyota ze swoją hybrydą. Przy odpowiednio wysokiej temperaturze w komorze spalania turbina wytwarza spaliny o bardzo przyzwoitym składzie. Kto wie, może jeszcze usłyszymy o turbinach.

Piotr Kołaczek