Жестокость нашего небезопасного друга, этим, однако, не ограничивается. Автомашины отбирают у нас кислород, недостаток которого в нашей атмосфере мы уже скоро почувствуем из-за постоянно уменьшающихся площадей, занятых лесами и зелеными насаждениями. Один легковой автомобиль на 1000 км пути потребляет столько же кислорода, сколько нужно семье из четырех человек на целый год. С каждым опустевшим бензиновым баком автомобилист «рассыпает» по пути 32 г свинца, который смывается дождем в почву и реки. А результат? Салат, выращиваемый в ФРГ неподалеку от автострад, содержит в себе свинца в 4 раза больше допустимой максимальной нормы. В США ежегодно около 3 тыс. человек, главным образом детей, умирает от отравления рыбой, содержащей свинец или ртуть.
На закате рабовладельческого строя один из его апологетов с горечью воскликнул: «Рабы завладевают нами, и нет нам уже спасения!» Но современный человек жалобам предпочитает дело, он начал бороться за свое спасение.
В мерах по борьбе с вредными веществами наметились два направления: прежде всего это мероприятия, связанные с заменой (в перспективе) двигателей внутреннего сгорания другими видами двигателей, а также источников энергии, кроме того, это стремление усовершенствовать существующие сегодня двигатели и применяемые топлива.
Радикально мыслящие специалисты надеются, что найти замену современным двигателям внутреннего сгорания удастся сравнительно скоро. Надо преодолеть лишь известный консерватизм. Человек уже давно обращается к опыту авиационной техники и железнодорожного транспорта. Однако газотурбинные двигатели, без которых теперь трудно представить современный самолет и которые по выделению вредных веществ (особенно окислов азота) имеют некоторые преимущества, не пригодны для легкового автомобиля. Создание турбин малых размеров находится пока в зародыше, хотя в этой области и достигнуты определенные успехи.
Более широко ведутся работы по созданию электромобиля. В СССР, США и ряде других стран, например в Болгарии, уже сконструированы электромобили с хорошими эксплуатационными характеристиками. Но пока они очень тяжелы. Автомобиль типа фольксвагена с таким двигателем, по подсчетам должен был бы весить 3 т! Учитывая это обстоятельство, можно предположить, что электромобили найдут применение главным образом в городском транспорте.
Топливный электролитический элемент дорог, а поэтому пока применяется лишь в космонавтике. Он требует также (на современном техническом уровне) электродов из платины — отнюдь не самого дешевого из металлов. Если бы не это, такое решение было бы действительно идеальным. Ведь подобный топливный элемент бесшумен, а его коэффициент полезного действия значительно выше, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Ведутся работы и по созданию паровых машин, в частности в Японии. До сих пор, правда, они были малоуспешными. Машина имеет небольшой коэффициент полезного действия и отнюдь не идеальна с точки зрения вредных выделений. — Ее реализация весьма проблематична, хотя в опыты и вложены уже большие средства. Очевидно, для создания качественно нового парового двигателя еще нет достаточных конструктивно-технологических предпосылок.
Многообещающим является известный ротационный двигатель внутреннего сгорания Ванкеля. Хотя он и производит много углеводородов, их можно обезвредить дополнительным сжиганием. Такое решение показывает, что в ближайшем будущем можно рассчитывать на усовершенствование современных поршневых двигателей.
Уже сегодня удалось значительно улучшить бензиновые двигатели, что позволяет уменьшить удельное количество вредных выбросов. Однако достижения в этой области были настолько преувеличены, что побудили конгресс США по меньшей мере к преждевременному требованию, согласно которому к 1975 г. в выхлопе двигателей всех видов машин (как старых, так и новых марок) количество углеводородов должно сократиться на 98 %, а количество соединений, содержащих окись азота и твердые частицы — на 90 %!
Улучшение бензиновых двигателей достигается, например, за счет изменения состава смеси, подачи в выхлопную трубу воздуха под давлением, подогрева воздуха при пуске двигателя и иных усовершенствований почти 60 параметров современного автомобиля.
Много резервов скрыто в системе зажигания. Реализация их позволит значительно снизить выброс вредных веществ. Не будем разбирать все возможные пути, рассмотрим лишь те направления, осуществление которых реально уже в недалеком будущем.
Очень важной мерой является использование небольших реакторов, в которых несгоревшие и недоокислившиеся углеводороды вместе с угарным газом подвергаются дополнительному сжиганию. В настоящее время известны два вида таких реакторов: термальные и каталитические.
Над термальными реакторами работают в СССР, США и других странах. Двигатель с термальным реактором использует богатую смесь, причем около 20 % выхлопных газов рециркулируется. В выхлопную трубу вторично подается воздух, и смесь сгорает в реакторе. Термальные реакторы пригодны для бензиновых и дизельных двигателей. Недостаток их — в повышенном потреблении топлива (на 18 %), и, хотя делаются они из благородных конструктивных материалов, содержащих много хрома, долговечность их не соответствует долговечности машины. В СССР разрабатываются специальные приспособления для сжигания сажи в выхлопе дизельных двигателей.
С каталитическими реакторами работают двигатели при умеренно обогащенной смеси. Выхлопные газы поступают прежде всего в реактор, содержащий катализатор, который превращает окись азота в азот. Другой реактор с катализатором для добавочного окисления Ожигает углеводороды. Реакторы имеют последовательное соединение.
Основным достоинством каталитических реакторов является их способность эффективно ликвидировать фотохимически активные углеводороды. Преимущества их перед термальными реакторами в том, что они повышают потребление топлива лишь на 3 %. В отличие от термальных реакторов для них требуется бензин, не содержащий свинца. Изготовленные на основе дорогих металлов, особенно платины, каталитические реакторы выдерживают пробег до 80 тыс. км.
Над совершенствованием обоих видов реакторов ведутся усиленные работы. Так, реакторы вступают в действие лишь через 2 мин. после разогрева двигателя, а именно при старте образуется особенно много вредных веществ. Все катализаторы превращают окислы азота, хотя бы частично, в аммиак, который сам по себе вреден. А существующие катализаторы, как мы уже видели, не переносят — совсем или в какой-то мере — повышенной концентрации свинца в бензине. Недостаток пытаются устранить с помощью платиновых фильтров, однако они повышают противодавление в выхлопной трубе, что, пусть незначительно, но влияет на мощность двигателя. Немалой проблемой является и высокая стоимость платиновых фильтров. В будущем, по-видимому, получат развитие катализаторы на основе марганца и окислов меди. В бостонских автобусах уже сегодня используются катализаторы из дорогих металлов, которые выдерживают без регенерации — так же как и советские промышленные катализаторы — пробег около 20 тыс. км.
Хотя проблема дополнительного сжигания вредных веществ в реакторах окончательно не решена, очевидно, что это один из реальных путей, позволяющий обезвредить выхлопные газы независимо от рабочего режима двигателя. А это, бесспорно, самое большое преимущество данного решения. Оба типа реакторов при этом можно объединять. Такого рода разработки ведутся в СССР, в частности, для дизельных двигателей. Но и проблема дополнительного сжигания вредных веществ могла бы отпасть, если бы был улучшен состав топливных смесей. Сейчас в этом направлении во всем мире идут интенсивные изыскания.
По аналогии с усовершенствованием двигателей в работах по созданию топлива тоже наметились два решения: радикальное, связанное с полным исключением бензина, и умеренное, направленное на улучшение современных горючих смесей, в том числе и бензина.
Радикальное решение сводится к тому, что, пока речь идет о бензиновых двигателях, следует перейти к иным углеводородам — к сжатому или сжиженному метану или сжиженным газам. Для дизельных двигателей рекомендуется двойное топливо — воздух, обогащенный в карбюраторе легкими углеводородами, и моторное топливо.
Метан имеется в природе. У него высокое октановое число (до 130), поэтому он позволяет обеспечить высокую компрессию. Сжиженный метан охлаждает воздух и повышает мощность двигателя. Из всех углеводородов он обладает наинизшей фотохимической активностью и воспламеняется в более широких температурных границах, чем бензин. Именно эта особенность позволяет использовать для двигателей обедненные смеси, в которых не только активнее сжигаются углеводороды, но и образуется меньше окислов азота.
Аналогичные свойства и у пропана и пропан-бутана, хотя тут приходится считаться с более низким октановым числом. В Лос-Анджелесе, городе знаменитого белого смога, метан и пропан-бутан применяются как топливо главным образом в городском и грузовом транспорте.
Специалисты задумываются и над применением этанола. У него высокое октановое число, хорошая летучесть и самые высокие температуры сгорания, чуть ниже, чем у бензина. Однако использование этанола возможно лишь при перевороте в технологии его производства, которая обеспечила бы достаточно низкую себестоимость продукта.
Так же обстоит дело и с водородом, который с точки зрения охраны окружающей среды был бы идеальным топливом для транспорта. Однако водород не только дорог, но и небезопасен, а в сжиженном состоянии очень труден для транспортировки. Его можно лишь иметь в виду на случай, если появятся миниатюрные устройства по превращению углеводородов в водород. Но реальность этого пока минимальна.
Каждый из «конкурирующих» углеводородов в сравнении с бензином имеет не только преимущества, но и значительные недостатки. Поэтому надежда перехода на пропан, пропан-бутан, этанол или водород очень мала. И человеку — если он хочет в борьбе с загрязнением пойти не только реальным, но и кратчайшим путем — остается сочетать совершенствование двигателей с совершенствованием существующих топлив, особенно бензина и моторного топлива.