Энергия и земледелие

Энергия и земледелие

Поскольку Вы, уважаемый читатель, занимаясь земледелием, могли подзабыть школьный курс физики, не помешает начать с определения понятия «энергия». Энергия – это скалярная (выраженная числом) величина, характеризующая движение и взаимодействие различных форм материи. Физики всего мира договорились выражать величину энергии в джоулях. Чтобы «весомо, грубо, зримо» представить, что же такое один джоуль (1 Дж), поднимем массу (любого вещества) в 0,102 кг на высоту в 1 метр, при этом мы и затратим механической энергии ровно в 1 Дж (1000 Дж обозначают как 1 кДж, а 1000000 Дж как 1 МДж).

В данной статье нас будет интересовать механическая энергия, которая затрачивается на перемещение по полю собственных масс трактора и комбайна – самих себя любимых. Если эта энергия окажется большой (а она таковой окажется), мы подумает, как можно её уменьшить, а в идеале вообще свести к нулю (но это не удастся). Акцентирую внимание: рассматривать мы будем не всю энергию, которую расходуют на выполнение всех операций на поле, а только ту, которую затрачивают на передвижение собственных масс трактора и комбайна по полю.

Для начала, как некоторый первый тест, рассчитаем количество энергии, необходимой для перемещения по стерне условного устройства на колёсах с пневматическими шинами, массой в 1 т, на расстояние в 1 км, с помощью двигателя внутреннего сгорания с КПД = 0,3. Расчёт сделаем по формуле E = (m · g ∙ k · L) : d. В этой формуле: Е – энергия в Дж; m – масса в кг; g – ускорение свободного падения у поверхности Земли, равное 9,8 м/с²; k – коэффициент сопротивления качению, для колёс с пневматическими шинами при передвижении по стерне k = 0,1; L – расстояние в м, на которое перемещается масса; d – КПД двигателя. Расчёт показал, что для этого необходимо затратить 3,267 МДж энергии, для чего сжечь в двигателе внутреннего сгорания 0,071 кг моторного топлива, выбросив в атмосферу 0,057 кг угарного газа (СО – оксида углерода, вредного для здоровья человека). Для сведения: при сжигании 1 кг моторного топлива выделяется 46 МДж тепловой энергии и выбрасывается в атмосферу 0,8 кг угарного газа.

Следующим шагом нас может интересовать вопрос: сколько энергии тратят трактор и комбайн на перемещение своих масс по полю – на перемещение самих себя любимых? Расчёт имеет смысл сделать применительно к одному гектару, а уже потом перейти к большим площадям.

Если условное устройство, которое мы рассмотрели выше, для передвижения 1 т на расстояние в 1 км тратит 3,267 МДж энергии, то трактор массой 10 т, пройдя расстояние в 2 км, потратит на передвижение самого себя в 20 раз больше энергии, а именно 65,34 МДж. Если при этом трактор тянет за собой прицепной агрегат для предпосевной обработки почвы с шириной захвата в 5 м, то, пройдя 2 км, он осуществит предпосевную обработку почвы ровно на одном гектаре – на 10 000 м². Сколько всего затратит энергии трактор – нам не важно, нас интересует только та энергия, которую он затратил на передвижения самого себя любимого. Столько же энергии он затратит на передвижение самого себя при севе, если ширина захвата сеялки будет 5 м. Столько же энергии при уборке урожая затратит комбайн на передвижение только 10 т своей собственной массы, если ширина жатки будет 5 м. Если со всем этим согласиться, то в границах только одного гектара, при выполнении трёх видов полевых работ, на перемещение по полю только собственных масс трактора и комбайна будет затрачено 196,02 МДж энергии, при этом сожжено в двигателях внутреннего сгорания 4,26 кг моторного топлива и выброшено в атмосферу 3,41 кг угарного газа. Можно ли снизить затраты энергии на перемещение собственных масс трактора и комбайна? Для поиска ответа обратимся к описанной выше формуле.

Можно снизить массы трактора и комбайна. Двукратное снижение этих масс снизило бы затраты энергии на передвижение их масс в два раза. В этом направлении конструкторы и производители тракторов и комбайнов, вероятно, работают. Можно снизить коэффициент сопротивления качению, например, до 0,001, но тогда трактор и комбайн должны иметь стальные колёса и передвигаться по рельсам, что маловероятно. Можно повысить КПД двигателей, применив вместо двигателей внутреннего сгорания электродвигатели, но этот процесс что-то сильно затянулся, электротракторов и электрокомбайнов на наших полях что-то не видно. Интересным и перспективным путём существенного снижения затрат энергии на передвижения собственных масс трактора и комбайна является полный отказ от них и переход на АМАК-системы (www.amak-sistema.ru). Рассмотрим, как это сделать. Но сначала выполним второй тест.

Второй тест. Если 1 т массы перемещать на расстояние в 1 км по рельсам и с помощью стальных колёс при коэффициенте сопротивления качению k = 0, 001, используя электродвигатель с КПД = 0,9, то будет затрачено 10 889 Дж, а это в 300 раз меньше, чем передвижение такой же массы на такое же расстояние, но по стерне, на колёсах с пневматическими шинами и с двигателем внутреннего сгорания (3,267 МДж, см. первый тест выше).

В АМАК-системе масса АМАК (автоматизированный мостовой агротехнический комплекс) может составлять сотни тонн, однако масса одного погонного метра его длины составляет 2 тонны ( 2 т/пог. м ). АМАК, в зависимости от вида выполняемой полевой работы, поочерёдно транспортирует вдоль поля избранный ряд навесных агрегатов, ширина захвата каждого стандартизирована и равна 5 м. На 5 м ширины навесного агрегата приходится 5 погонных метров АМАК массой 10 т. Чтобы выполнить один вид полевой работы на площади в 1 га (5 ∙ 2 000 = 10 000 м²), АМАК проносит 10 т пяти погонных метров своей массы на расстояние в 2 км, затрачивая в 20 раз больше энергии, чем было рассчитано во втором тесте при перемещении 1 т на 1 км, а именно: 217 780 Дж. При выполнении трёх видов полевых работ на перемещение 10 т части АМАК потребуется в три раза больше энергии, а именно: 653 340 Дж. Это в 300 раз меньше, чем при использовании трактора и комбайна (196,02 МДж).

Если, например, при производстве зерновых и зернобобовых для перемещения по угодьям орудий труда (устройств предпосевной обработки почвы, разбрасывателей удобрений, сеялок, уборочных устройств и т. п.) использовать не тракторы и комбайны, а АМАК, то на каждом гектаре активного угодья можно ежегодно (ежегодно!) экономить 195,37 МДж энергии, а это 4,25 кг не сожженного моторного топлива и не выброшенные в атмосферу 3,40 кг ядовитого угарного газа.

Под зерновые и зернобобовые в России занято примерно 48 млн га земли (47,981 млн га, данные Росстата, 2020). Если всё зерно и зернобобовые производить не в тракторной, а в заводской системе земледелия на основе АМАК-систем, то можно экономить ежегодно 9,378 млрд МДж энергии, не сжигая 204000 т моторного топлива и не выбрасывая в атмосферу 163 200 т ядовитого угарного газа. Для сведения: 204000 т моторного топлива – это поезд длиной 37,7 км с 3139 вагонами, в каждой цистерне которого содержится по 65 т моторного топлива, а 9,378 млрд МДж энергии (2,605 млрд кВт·ч) – столько вырабатывает Братская ГЭС за 42 суток своей беспрерывной работы. Для сведения: 1 кВт∙ч = 3,6 МДж.

Внедрение заводского земледелия на основе АМАК-систем сэкономит не только огромное количество энергии, что само по себе очень важно, но поднимет земледелие на принципиально новую ступень технического прогресса.
Во-первых, позволит осуществить давнишнюю мечту учёных и конструкторов автоматизировать и электрифицировать земледелие, сделать его удобным, комфортным и привлекательным для молодёжи. Более того, сделает его энергоавтономным, работающим только от энергии Солнца.
Во-вторых, полностью ликвидирует вредное уплотнение поверхностного слоя почвы, что позволит повысить качество почвы и, как следствие, – урожайность возделываемых культур.
В-третьих, позволит полностью отказаться от применения ядохимикатов, используя современные новые методы и устройства борьбы с вредителями растений и почвы: электромагнитные, электроискровые, лазерные и другие.

Российскому проекту «АМАК-система» уже 43 года, но до сих пор не изготовлен даже опытный образец, несмотря на то, что и руководство Томского университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) и автор АМАК-системы (13 патентов по АМАК-системе) неоднократно стучались в разные двери высоких инстанций, а «воз и ныне там». Продвижение проекта «АМАК-система» в 1981 году остановил лично первый секретарь Томского обкома КПСС Е. К. Лигачёв, поставив перед проектом жесткий партийный шлагбаум. Но технический прогресс остановить невозможно. Рано или поздно на полях России и других стран появятся АМАК-системы, работающие исключительно на солнечной энергии, не сжигающие нефтепродукты и не травящие людей ядовитым угарным газом.

Выводы

1. В современном тракторном земледелии на перемещение по полям собственных масс тракторов и комбайнов расходуется огромное количество энергии. Расход этой энергии можно снизить в 300 раз, если перейти от тракторного к заводскому земледелию на основе АМАК-систем. Только в зерновом производстве Россия может экономить не менее 200 тыс. тонн моторного топлива ежегодно.

2. Использование АМАК-систем позволит перейти к применению солнечной энергии не только для выращивания растений, но и для выполнения всех технологических операций, сделав заводскую систему земледелия на основе АМАК-систем энергоавтономной, не потребляющей ни капли моторного топлива и не выбрасывающей в атмосферу миллионы тонн ядовитого угарного газа.

3. Факт 43-летнего игнорирования проекта «АМАК-система» Россельхозакадемией и Правительством сначала СССР, а последние 30 лет и Правительством России, является большой ошибкой, но остановить технический прогресс невозможно, и АМАК-системы обязательно появятся на полях России и всего мира.

Ю. Жуков, Томск, 13.11.2020