Niedoceniany silnik Stirlinga

Tego dnia, kiedy miała się odbyć próba uruchomienia pierwszego prototypowego silnika, w całym warsztacie już od rana panował stan podniecenia i zaciekawienia, nastrój jak przed jakimś bardzo ważnym wydarzeniem. Silnik ustawiony na stanowisku probierczym prezentował się wspaniale. Wysmukły, gładki, bez prądnicy, rozrusznika, iskrownika i gaźnika. Żadnych sterczących akcesoriów i plątaniny przewodów. Przy silniku mistrz coś jeszcze poprawia. Chwila napięcia, przy podgrzewaniu cylindra. Skończony przed minutą prototyp może okazać się porażką lub pokazać swoje możliwości. Temperatura rośnie. Ruch kołem zamachowym i silnik rusza. Wzruszenie zebranych wokół stanowiska probierczego było duże. W oczach perliły się łzy.Po minucie silnik stanął. Dziura w tłoku... Trzeba go było zrobić z balsy, a nie z zakrętki po dezodorancie Lamborghini. Magiczna marka nie zadziałała. Plastik się stopił. Balonik rodem z Chin też okazał się marnej jakości. Drut z płotu i drewno z boazerii wykazały swoje możliwości, podobnie jak żyłka wędkarska ze Stilonu. Trzeba było wcześniej usunąć świeczkę…

Ryszard Romanowski

zabawka
"Zabawka" z puszki (działająca), schemat

Żarty…, może trochę. Skonfabulowałem opis odpalania silnika samochodu CWS autorstwa inż. Józefa Chacińskiego z 1923 roku po to, aby pokazać, że istnieje silnik cieplny, którego działający model można zbudować w 15 minut, ze śmieci, i jego pierwszy rozruch przeżywać podobnie.
robert_stirling Robert Stirling

Wymyślił to urządzenie w 1816 roku, kaznodzieja Robert Stirling. Zapewne wybitny znawca Ewangelii przejął się jej tekstami. Bóg daje nam wszystko, tylko trzeba umieć to wykorzystać. Anglia po Waterloo i Kongresie Wiedeńskim nie była przyjaznym gruntem dla wynalazców i filozofów. Silnik, w którym nic nie dzieje się wewnątrz, a który energię pobiera gdzieś z boku, mógł wydawać się czymś na kształt diabła, lub co najmniej Napoleona. Maszyna parowa Watta już była wystarczająco niesamowita.

Tajemnicze okręty
Wynalazkiem szkockiego duchownego zainteresowali się Skandynawowie. W 1833 roku tanią licencję wykupił Ericsson, obywatel kraju, który poza połowami śledzi i protestanckimi przesądami niczym się nie wyróżniał. Słusznie uważał, że silnik Stirlinga, „przyklejony” do maszyny parowej, wygeneruje dodatkową moc, i złożona z tego hybryda znacznie podniesie sprawność urządzenia.

skuter

Jedno z możliwych zastosowań, podobno jeździ

Dlaczego nikt w pozostałych częściach świata nie rozwijał tego wynalazku, to zagadka, którą może kiedyś rozwiąże jakiś filozof techniki. Łamano bariery prędkości na maszynach parowych, silnikach elektrycznych i spalinowych, co przetrwało do dzisiaj. Jeździmy na przetworach ropy naftowej czyli ekstrakcie ze zwłok roślinnych i zwierzęcych. Podczas gdy czysta energia gdzieś wyparowuje. Promieniowanie słoneczne chętnie by rozgrzało gorący cylinder silnika Stirlinga, ale nie może go odnaleźć. Są za to „przyjazne” stacje koncernów naftowych. Tyle filozofii.

Trzeba było czekać aż do 1938 roku aby archaiczny silnik zainteresował kogokolwiek. Okazało się, że nie był to ani GM, Ford, czy Fiat, ale holenderski Philips. Małe Stirlingi miały napędzać różne urządzenia domowe. Ten niezauważony przez ówczesnych gigantów szczegół miał się zemścić po 20 latach.

W czasie I wojny światowej po raz pierwszy doceniono lotnictwo i okręty podwodne. Druga wojna to już zdecydowana dominacja okrętów podwodnych i samolotów. Samoloty bombardowały okręty podwodne po śladach na wodzie. W końcu trzeba kiedyś doładować dieslami akumulatory. Największym wynalazkiem tych czasów były tzw. chrapy pozwalające ładować baterie na głębokości peryskopowej i w sposób mało widoczny z powietrza pozbywać się spalin. Trzeba jednak było tylko niewielkiej praktyki obserwatorów, aby dostrzec okręt płynący „na chrapach” i precyzyjnie poczęstować go bombą głębinową.
Teoretycznie najlepiej się nie wynurzać, czyli zbudować okręt, który niczego nie emituje.
Zimna wojna zanim się jeszcze zaczęła zaowocowała okrętami nuklearnymi, nad którymi nikt naprawdę nie panuje. Związek Radziecki na bazie niezrealizowanych przez III Rzeszę planów starał się zbudować okręt pozbawiony emisji. Powstał model 601, zwany przez marynarzy zapalniczką. Ciekawe dlaczego?
Później zarzucono wszelkie plany bo powstał napęd nuklearny.
Okręt podwodny Gotland ze Stirlingiem

Tymczasem Szwedzi zbudowali okręty klasy Gotland. Zabójczą broń podwodną, bez energii atomowej. Nikt nie zauważył, że obok amerykańskich i rosyjskich okrętów podwodnych ktoś jeszcze pływa po oceanach. Technologia długo owiana była tajemnicą. Szwedzi zbudowali napęd bez emisji i bez pierwiastków rozszczepialnych. Na świecie było cicho, jak pod wodą. Nikt nie podejrzewał, że kluczem do sukcesu są wynalazki kaznodziei z 1816 roku.

Schemat-napedu-Gotlanda
Schemat napędu Gotlanda

Pierwotna seria Gotland ma już wielu następców. Większość pobiera ciepło z reakcji egzotermicznej NaCl. Coś jak samochód Smoka Wawelskiego z opowieści o Baltazarze Gąbce. Woda, sól i rakiety to cicha recepta Szwecji na światowy pokój.

na-Gotlandzie-przy-silniku-Stirlinga Na Gotlandzie, przy silniku Stirlinga

Silnik Stirlinga napędza okręty, odzyskuje ciepło z gazu w urządzeniach niemieckich firm, i to wszystko. Czyżby lobby naftowe było tak silne, czy też silnik okrętu nie potrafi sprostać szybkozmiennym warunkom ruchu silnika samochodowego? Chyba nie. W 1974 roku Philips zaprezentował gamę pojazdów napędzanych silnikami Stirlinga. Dlaczego nie wyjechały na drogi? Warto do myśli inżynierskiej dodać kontekst historyczny. W 1973 roku rozpoczął się „niby kryzys” paliwowy. Swoistego rodzaju strajk wielkich koncernów naftowych, którym jak zwykle, brakowało pieniędzy. Były to złote lata dla konstruktorów silników. Powstawały Stirlingi, nowej generacji maszyny parowe itd. Kryzys minął i świat wrócił do silników wewnętrznego spalania pojonych przetworami ropy naftowej. Silniki Stirlinga powróciły do sfery ciekawostek. Można na przykład kupić za 300 euro zabawkę, która zaczyna działać pod wpływem ciepła dłoni. Urządzenia zamontowane w Gotlandach i statkach kosmicznych nadal są „passe”. Używam nieco patetycznych sformułowań, ale na podobne trafić można w literaturze poświęconej silnikowi Roberta Stirlinga. Świadczy to o tym, że urządzenie to wyjątkowo działa na wyobraźnię piszących.

Gotland w przekroju

Made in Poland

Schemat działania silnika A. Wąsowskiego

Ostatnio XIX wieczna idea odżyła w Polsce. Krzysztof Nikoluk i Zygmunt Wolski opatentowali płaski silnik Stirlinga z gazowym medium roboczym. Silnik ma odzyskiwać ciepło odpadowe np. z chłodzenia pary w elektrowniach. Olsztyńscy wynalazcy uniknęli podstawowych wad tradycyjnego rozwiązania, takich jak wysoki koszt wytworzenia i problemy z uszczelnieniem. Silnik Nikoluka–Wolskiego wykorzystuje znacznie niższe różnice temperatur i wartości ciśnień. Pozostaje jednak silnikiem wykorzystującym posuwisto-zwrotne ruchy tłoków. Niemal równolegle zupełnie rewolucyjną jednostkę tworzy, trapiony problemami finansowymi, Andrzej Wąsowski. Silnik Wąsowskiego posiada obrotowe tłoki, które precyzyjniej należałoby nazwać wypornikami. Dzięki temu jego konstrukcja jest znacznie prostsza od konstrukcji tradycyjnej. Dlatego też w przypadku produkcji przemysłowej koszt wytworzenia byłby znacznie niższy od silnika tłokowego. Oczywiście uzyskanie odpowiedniej szczelności, będącej podstawą do uzyskania wymaganych ciśnień wymaga wysokiej precyzji wykonania. Niezwykle ważnym elementem silnika jest hydrauliczny mostek Gretza. Na razie jest zbyt wcześnie na ocenę urządzenia, ponieważ twórca kończy budowę prototypu. Postęp prac można obserwować na jego stronie internetowej. Jeżeli konstrukcja spełni założenia teoretyczne będzie to tani i niezwykle sprawny silnik dostarczający energii z marnowanego dotąd ciepła. Andrzej Wąsowski jest automatykiem, stąd zapewne szerokie, niemal interdyscyplinarne podejście do zagadnienia z wykorzystaniem praw hydrauliki i elektryki. Wynalazca nie ukrywa zdziwienia, że nikt dotąd nie wpadł na tak, jego zdaniem, proste rozwiązanie. Być może polskie odmiany silnika Stirlinga tchną nowe życie w patent brytyjskiego kaznodziei.

Silnik inż A. Wąsowskiego oraz jego elementy