Fizica și Automobilul Viitorului

Automobilul a schimbat lumea secolului XX. Deşi din punct de vedere al tehnologiilor automobilele s-au dezvoltat exponenţial, principalul inconvenient îl constituie poluarea voluntară a planetei. Cu toate că sistemele de ecologizare ale acestora sunt într-o continuă dezvoltare, un alt aspect este legat de epuizarea combustibililor fosili (cca. 30-50 ani).

Majoritatea automobilelor funcţionează pe baza unui motor cu combustie interna (motor

termic) care foloseşte drept combustibil benzina (motorul cu aprindere prin scânteie sau motorul Otto) sau motorină (motorul cu aprindere prin compresie sau motorul Diesel). Randamentul unui motor Otto modern este de 20-25 %, adică doar acest procent din energia calorică a combustibilului este transformat în energie mecanică utilă, 38% din energie se pierde prin căldură emanată, 36% prin încălzirea apei iar 6% prin frecare.

Toate avantajele aduse de automobile au fost însoţite de: poluare, probleme de trafic, dependenţa de petrol şi preocuparea pentru siguranţă. Îngrijorările privind epuizarea resurselor de zăcăminte petroliere, creşterea continuă a costului combustibilului şi standarde de emisii din ce în ce mai stricte sunt principalele motive pentru care inginerii implicaţi în dezvoltarea motoarelor caută în acest moment soluţii inovatoare pentru producerea unor automobile care să emită mai puţini poluanţi şi să depindă de surse de energie diferite, nepoluante.

Între maşinile recent apărute, un loc special îl ocupă vehiculele electrice care, promit experţii, vor domina în totalitate în viitorul apropiat. Cercetările privind aceste sisteme de transport se axează pe două direcţii principale:

- realizarea unor noi surse de stocare a energiei şi dezvoltarea celor existente

- dezvoltarea unor sisteme de propulsie electrică optimale din punct de vedere al consumului energetic, ţinând cont de faptul că sursa de energie este limitată.

Automobilul electric este un vehicul cu motor electric alimentat de un sistem de baterii

reîncărcabile. Mecanismul de funcţionare este mai simplu şi mai durabil decât cel al autovehiculelor

care folosesc motorul cu ardere internă. Motorul electric se poate prezenta ca o interacţiune între un magnet permanent şi un electromagnet alimentat intermitent de la o sursă electrică, având ca rezultat rotirea unui ax. Din aceasta simplitate tehnologică rezultă şi principalul avantaj, şi anume randamentul superior (raportul dintre energia mecanică produsă şi energia electrică folosită). În majoritatea cazurilor acest raport este mai mare de 90%. Acest tip de motor poluează mai puţin decât cele ce folosesc benzina pe post de combustibil şi este foarte silenţios. Automobilele electrice din ziua de azi sunt mai eficiente fiind considerate o modalitate mai uşoară şi eficientă de a utiliza sursele de energie existente – orice sursă de energie poate fi convertită în electricitate.

Automobilele electrice pot fi obţinute prin transformarea celor ce folosesc motoare cu ardere internă.

Principalul avantaj al maşinilor electrice este acela că nu produc emisii nocive în atmosferă, fiind absolut inofensive pentru mediu. Automobilele electrice realizează o reducere de cca. 90% a emisiilor de noxe, comparativ cu vehiculele cu motor Diesel, în timp ce emisiile de dioxid de carbon sunt reduse aproape la jumătate. În timp ce un vehicul cu motor termic elimină în atmosferă 140 – 215 g de CO2 la un kilometru parcurs (g CO2/km), pentru un automobil electric această valoare oscilează între 15 – 20 g CO2/km în cazul în care curentul electric provine de la centrale nucleare sau hidro. Pentru centralele electrice pe bază de gaz metan, ţiţei sau cărbune, valorile cresc la 30 – 60 gCO2/km. În ceea ce priveşte securitatea, maşina electrică are un mai mic pericol de explozie în timpul funcţionării şi o mai mare rezistenţă la foc.

Dacă la un motor termic, aproximativ 65% din energia oferită de carburant se pierde prin căldură disipată şi frecări (piston, bielă-manivelă, cutia de viteze etc.), la motorul electric toate aceste pierderi nu apar, iar cele câteva procente nefolosite se datorează efectului Joule (trecerea curentului prin bobinele de magnetizare). Faptul că la un motor electric, axul motorului acţionează direct reduce aproape la zero pierderile prin transformări mecanice (inclusiv eliminarea cutiei de viteze). Un simplu mecanism electronic, controlat de un calculator, poate reduce numărul de turaţii al motorului electric şi, deci, al roţilor motoare ale vehiculului.

Principalul dezavantaj este autonomia redusă de deplasare la o singură încărcare. În condiţii optime, drumuri fără denivelări, trafic normal şi o corectă gestionare a bateriei, automobilul ecologic electric poate să parcurgă 50 km cu baterii cu plumb, 80 -100 km cu baterii de nichel-cadmiu, iar bateriile pe bază de litiu îi conferă o autonomie de până la 200 de kilometri.