Snižování tření spoří energii

30. 10. 2007

Tento odpor sám o sobě spotřebovává celou třetinu světové energie

Zkoušeli jste někdy vypít mléčný koktejl tenkým brčkem? Tváře vás z toho mohou pálit, ale efekt bude nepatrný. Když použijete silnější brčko, líčka nebudete muset prakticky vůbec namáhat. Co způsobí takový rozdíl? Tření. Kapalina se otírá o brčko. A úplně stejná síla zpomaluje průtočnost všech druhů trubek v celé naší ekonomice. Ač se to může zdát divné, energetické důsledky tenkých trubic jsou obrovské: více než čtvrtina elektřiny, kterou spotřebovává americký průmysl, pohání čerpadla a ventilátory, jež tlačí nepoddajné plyny a kapaliny. Takže potřeba kratších, baculatějších trubek nebyla nikdy větší.
Tlusté roury jsou součástí málo uznávaného odvětví, které se brzy může stát mnohem významnějším: odvětví zaměřeného na snižování tření. Odhady naznačují, že na překonávání odporu se vynakládá celá jedna třetina energie, kterou spotřebováváme na této planetě! Dnes, kdy cena ropy přesahuje 80 dolarů za barel, náklady na překonání každé překážky, zádrhele nebo poryvu protivětru prudce stoupají. Avšak takové náklady rovněž přinášejí příležitosti pro ty, kteří mají špičková technická řešení… Boj proti tření se dostává z garáží a opravárenských dílen rovnou na strategická jednání v ředitelských kancelářích. Podněcuje inovace v celé globální ekonomice. Například nové nanotechnologie bojují proti tření a přilnavosti pohybujících se předmětů důmyslnými tenkými povlaky a kuličkovými ložisky, jež nedosahují ani velikosti molekul. Obří chemické firmy, jako DuPont a BASF, jež mají vůdčí postavení na trhu mazadel představujícím čtyřicet miliard dolarů, vyvíjejí nové polymery a plasty s nízkým třením do automotorů a letadel. A designérské firmy, jako Rumsey Engineers z kalifornského Oaklandu, instalují – ano, uhádli jste – tlusté trubky. Zmíněná společnost je nedávno použila ke zdvojnásobení účinnosti klimatizace v Oaklandském muzeu. „Snížili jsme tření na polovinu,“ uvádí prezident společnosti Peter H. Rumsey.

INSPIROVÁNI PŘÍRODOU

Designéři bojující proti tření si berou ponaučení z aerodynamických tvarů rostlin a živočichů. Například jeden tým firmy Mercedes-Benz vymodeloval koncepci automobilu podle hladkého plovoucího tvaru havýše, zvaného také „krabicová“ ryba. A „bionický“ automobil se čistě prořezává silným větrem na otevřené dálnici. Lepší aerodynamika vede k automobilům, jimž dle Mercedesu vydrží galon benzinu (zhruba 3,8 litru – pozn. překl.) na sedmdesát mil (něco přes sto kilometrů), což je o 30 procent více, než ujedou automobily se standardním designem. Příležitosti k úsporám jsou ještě vetší u nákladních vozů. Při jízdě na dálnicích spálí dvě třetiny pohonných látek jen k tomu, aby překonaly odpor větru. Badatelé z institutu Georgia Tech informují, že aerodynamický design nákladních aut by mohl tento odpor snížit o dvanáct procent, čímž by se v USA ročně uspořilo 1,2 miliardy galonů pohonných látek.
Hráči z oboru nanotechnologií se zaměřují hlavně na nové hmoty. Společnost ApNano Materials vyrábí chemické kuličky zvané fullereny, z nichž každá je tak malá, že několik miliard jich stěží naplní jednu kávovou lžičku. Když se smíchají s tradičními motorovými oleji, tyto kuličky vytvářejí na kovu, jehož se dotknou, jemný povlak o tloušťce několika atomů. Testy provedené izraelským technickým institutem Technion pak ukazují, že mohou snížit tření až o polovinu. Menachem Genut - zakladatel ApNano - prohlašuje, že jeho fullereny budou během jednoho roku k dostání jako přísady značkových směsí olejů.

V obrovské Experimentální stanici firmy DuPont v delawarském Wilmingtonu je tření odvěkým protivníkem. (Teflon, který byl vyvinut nejprve jako zbraň proti přilnavosti na smažicích pánvích, se později stal mazivem v tryskových motorech.) Současná snaha o palivovou účinnost vytváří nové trhy pro ty nejexotičtější výrobky DuPontu – včetně jednoho pozůstatku z období studené války.
Koncem 50. let badatelé firmy DuPont obchodně využili molekulu s ohromujícími vlastnostmi. Odolávala i v podmínkách podobných vysoké peci, kde se běžná maziva rozkládala. Nazvali ji Krytox. Jediný háček byl ten, že se vyráběl z fluoridu vápenatého, tedy minerálu, jehož těžba je drahá; výroba Krytoxu byla příliš nákladná. Společnost DuPont ji odložila. Avšak nakonec se roku 1967 objevil kupec: po hrozivém požáru při testu odpalovací rampy potřebovala kosmická agentura NASA nehořlavé mazivo, jež by odolalo obrovskému žáru.
Krytox je pořád ještě drahý. V některých formách může sotva půl kila stát přes tisíc dolarů. Ovšem trh pro něj vzrůstá dvojciferným tempem a už zdaleka ho nepoužívá jen NASA. Proč? Výrobci automobilů stojí před spoustou problémů, jež vyžadují lepší mazání. Zaprvé jsou pod tlakem, aby vytvářeli rozehřátější motory, které jsou palivově účinnější než motory chladnější, ale obtížněji se promazávají. Zároveň jsou dnešní motory lehčí a menší, čímž je méně prostoru pro chlazení proudem vzduchu. Tyto rozpálené motory musejí pracovat nehlučně – což je klíčový požadavek při prodeji luxusních automobilů – a musejí vyhovovat běžné záruce 100 tisíc ujetých mílí. Aby výrobci automobilů tyto specifikace splnili, platí tu nejvyšší cenu za Krytox a na nejdůležitější součástky nanášejí olej Space Age. Vypadá to, jako kdyby si svět začínal uvědomovat, kolik ho stojí tření, prohlašuje Carl Walther, vedoucí technik společnosti DuPont: „Trh přichází k nám.“

Vazby Snižování tření se netýká jen firem z odvětví těžkého průmyslu Málokdo zkoumá tření se zanícením cyklistů, kteří musejí usilovně šlapat, aby nahradili každý kousek energie, o nějž je připraví protivítr nebo břinkot převodů. Tření může oddělit vítěze od pelotonu. Lennard Zinn, technický redaktor časopisu VeloNews, se této vědecké disciplíně věnuje ve svém rozboru Tour de France z 29. července, kde se soustředí na Američana Leviho Leipheimera. „Ze strany má kapitán stáje Discovery Channel velice hladký aerodynamický profil a zepředu má paže velmi blízko u sebe. Právě zepředu je však vidět jeho nejnápadnější aerodynamickou slabinu, a sice kolena, jež má vystrčená do mnohem větší šířky nežli paže.“ Odpor větru se zvyšuje přímo úměrně s rychlostí jezdce, takže i vlající řemínek na bradě může způsobit, že usilovně šlapající šampion skončí jako šnek.