site.btaБългарски учени разработват авангардни методи за конвертиране на възобновяема морска енергия

Около 70% от земната повърхност е покрита с вода и в продължение на години учените по света търсят начини за ефективно използване на огромния природен ресурс на енергия. Във връзка с настъпващите климатични промени, както и с експанзията на човечеството към морските територии, Европейската комисия финансира изследвания в областта на декарбонизацията на морския транспорт. Учените от цял свят търсят решения за ефективно използване в морския транспорт на енергия от възобновяеми източници.

Три уникални технологии за преобразуване на природна енергия представят учените от Центъра по хидро- и аеродинамика към Института по металознание, съоръжения и технологии на БАН:

• нови преобразуватели на вълнова енергия;


• нови преобразуватели на енергия от реки и океански течения;


• квантово задвижване на плавателен съд.

1. Нови преобразуватели на вълнова енергия

Целта на технологията е да се използват пасивни методи за помощна пропулсия, която ще снижи значително разходите на гориво и вредните емисии на кораби с конвенционални двигатели с вътрешно горене.

Основната идея е да се използва привнесената от вълните енергия на вертикалните колебания на кораба при движение на вълнение за генериране на допълнителна пропулсия и/или на електрическа енергия.

Използването на вълнова енергия за генериране на електричество не е нова идея. Иновативността на тази разработка се състои в това, че вместо да се строят нови специализирани плаващи структури за производство на енергия, технологията може да се използва при конвенционални кораби, което ще улесни приложението й. Учените предлагат използване на помпен тип решение за директно конвертиране на хилядите тонове инерционни сили, възникващи при вертикалните колебания на кораба, в хоризонтална сила на задвижване. Този подход би спестил загубите за преобразуване на механичната енергия на клатене в електричество, а след това обратно в механична енергия на задвижване. Решението на българските учени не включва подвижни или стърчащи извън корпуса на кораба структури, което улеснява проектирането, изработката и поддръжката му. Идеята е да се използват криви и отворени към морето отсеци на кораба, изградени в краищата на корпуса, които да отклоняват събраното вследствие вертикалните колебания на отсека количество вода в хоризонтална посока. Това генерира хоризонтални сили, подобно на силите, които създава водата в кривки на водопроводни тръби. Разликата тук е, че голяма маса вода осцилира вътре в „кривката“ вследствие на вълновите движения на кораба. Анализът на показаната опростена „кривка“, валидиран с експерименти, дава надежда, че отсек с около 3% от подводния обем на кораба (водоизместване), може да създаде пропулсивни сили, компенсиращи добавеното съпротивление при движение на вълнение. Това би спестило значително количество енергия, тъй като добавеното съпротивление понякога достига над 50% от съпротивлението на кораба на тиха вода.

2. Нови преобразуватели на енергия от реки и океански течения

Пространствени структури, съставени от удължени елементи, изложени на океански и речни течения, предизвикват завихряне на потока и знакопроменливо откъсване на вихри, което пък създава осцилираща напречна сила. Досега това явление (наричано често „флатер“) се считаше за нежелателно и се предприемаха мерки за подтискането или премахването му. Новата идея е да се използва ефекта за предизвикване на принудени вибрации на цилиндрични елементи с еластично окачване. Енергията на тези вибрации може да се използва ефективно, тъй като значителни амплитуди на колебанията могат да се постигнат дори при ниски скорости на обтичане. Това позволява извличане на енергия, без да са необходими значителни инвестиции и прави метода по-екологичен от стандартно използваната технология във водно-електрическите централи. Концентрацията на енергията е подобна или дори по-добра от тази на конкурентни възобновяеми източници на енергия  от течения, вълни и вятър.

Патентована разработка на Мичигънския университет показва, че вибрациите на потопена в поток група от цилиндри може ефективно да се използва за генерация на енергия. Разработката предполага, че под въздействието на потока цилиндрите се движат независимо един от друг. Българските учени предлагат нов метод за значително увеличение (10%-20%) на ефективността чрез въвеждане на еластични връзки между съседни цилиндри. В метода цилиндрите вече не се движат независимо. Целта е да се използват вибрациите на даден цилиндър за усилване на вибрациите на други цилиндри, чрез въвеждане на случайна „нестабилност“ в еластичността на системата.

За тази разработка научният екип е носител на награда „Варна“ в областта на техническите науки за 2020 г.

3. Квантово задвижване

Иновативни квантови технологии се разработват бурно в областта на комуникациите, изчисленията и сензорите. Проектът на учените от Центъра по хидро- и аеродинамика има за цел да разшири приложението на квантовата технология в областта на пропулсията (задвижването). Квантовата пропулсия се предвижда да работи във всякакви среди - вода, въздух и вакуум. Тя разчита на уникалната азотна инверсия на амоняк (NH₃) - феномен, който в миналото е бил използван в първите атомни часовници (1949г.) и мазерите (1953г.). Азотната инверсия е квантов тунелен процес, при който газовите NH₃ молекули спонтанно променят формата си милиарди пъти в секунда. Пълнен с амоняк компактен контейнер  може да съдържа 10²⁰ такива молекулни „бутала“. Освен това, NH₃ молекулите са полярни и могат да бъдат организирани с помощта на външни електрически полета и/или лазери, дори при стайни температури. Работните цикли на всяко молекулно бутало биха били както следва: ориентация-инверсия-ориентация-инверсия... Учените ще ориентират квантовите тунелни преходи на относително тежкия азотен атом в NH₃ в избрана от тях посока. Ориентираните "бутала" биха повлияли на молекулярните сблъсъци, създавайки динамични разлики в налягането по стените на контейнера, и съответна задвижваща сила на макро ниво. Скорошни експерименти с амоняк в електрическо поле демонстрират концепцията с бавно транслационно и ротационно движение на 1-килограмов контейнер.

В нов тригодишен проект ще се оптимизира квантовото задвижване и ще се направи оценка на неговата ефективност чрез прилагане на алтернативни лазерни резонансни и нерезонансни подходи за ориентация на амонячните молекули. В рамките на проекта българските учени ще работят съвместно с партньори от Лондонския университет (UCL) и лазерни институти в Унгария и Швейцария. Оптималните теоретични решения се очаква да бъдат валидирани в лабораторни условия. На финала ще се проведе пилотен демо тест с мащабиран модел на кораб, каквито обикновено се използват за проектиране на конвенционално задвижване.

БАН