Fake News Detection: может ли дорога бесплатно вырабатывать электричество?

Идея, которая кажется гениальной

«Автомобили в любом случае давят на дорогу. Встроим в покрытие пьезоэлементы и получим бесплатную электроэнергию для уличных фонарей. Расход топлива у машин при этом не изменится».

Звучит безупречно: энергия будто валяется под колёсами, надо лишь наклониться и подобрать. Первая половина утверждения — чистая правда: пьезоэлектрические устройства, преобразующие деформацию покрытия дороги в электричество, существуют, их исследуют десятки лабораторий, а первые опытные участки уложены ещё в 2008 году.

Фейком является ровно одно слово — «бесплатная». Разберём, откуда берётся иллюзия, инструментами ТРИЗ: ресурсный вопрос, функция расплаты, границы системы, физическое противоречие. Заодно получится универсальный детектор энергетических фейков — их в сети гораздо больше одного.

Первый вопрос любого разбора: кто платит?

В ТРИЗ есть простой и очень неудобный для фантазёров вопрос: какой объект совершает работу?

Пьезоэлемент энергию не создаёт. Он преобразует механическую работу деформации в электрическую. Значит, у деформации есть автор. Выстроим цепочку целиком:

топливо или тяговая батарея → двигатель → колесо → деформация дороги → пьезоэлемент → электричество → фонарь.

Источник стоит в самом начале, и это не дорога. Это химическая энергия топлива, либо заряд аккумулятора, либо потенциальная энергия автомобиля на спуске, либо его кинетическая энергия при торможении.

Пьезоэлектрическая дорога — не источник, а преобразователь. Ровно как шестерёнка или трансформатор: она может передать энергию, изменить её форму, но не может её добавить.

Сила — это ещё не энергия

Здесь прячется главная логическая ловушка, на которую попадаются почти все.

Работа равна произведению силы на перемещение точки её приложения:

На жёстком покрытии автомобиль давит с силой в полтора десятка килоньютонов, а работа над дорогой близка к нулю: точка приложения силы почти не опускается.

Чтобы выработать энергию, дорожный элемент обязан деформировать пьезоматериал. И вот это перемещение уже стоит топлива. Не давление, а именно движение вниз — вот что оплачивается из бака.

Спрятанная функция расплаты

В ТРИЗ идеальность системы оценивают как отношение полезных функций к функциям расплаты — затратам, потерям и вредным эффектам, которыми мы платим за полезный результат.

В рекламных роликах про дорогу-генератор показывают числитель: вольтметр, светящийся диод, счётчик киловатт-часов. Знаменатель не показывают никогда. А он есть, и выглядит так:

дополнительная деформация покрытия под колесом;
небольшое вертикальное покачивание автомобиля;
рост сопротивления качению;
гистерезис и нагрев материалов;
необходимость двигателя компенсировать потерю скорости.

Механика прозрачна: если элемент прогибается под колесом и возвращается обратно, то при подключённой электрической нагрузке возврат будет неполностью упругим — часть энергии ушла в провода. Эта разница и есть счёт, выставленный автомобилю.

Физическое противоречие, которое нельзя заговорить

Сформулируем строго. Дорожное покрытие должно:

деформироваться и сопротивляться колесу — чтобы отдать энергию;
не деформироваться и не сопротивляться колесу — чтобы не увеличивать расход топлива.

Это классическое физическое противоречие, и оно жёсткое. Нет сопротивления — нет извлекаемой энергии. Есть заметная энергия — есть дополнительная сила сопротивления. Заклинание «машины всё равно едут» противоречие не разрешает, оно лишь уводит взгляд в сторону.

Сильное возражение: «но дорога и так деформируется!»

Вот это уже серьёзный аргумент, и его стоит принять всерьёз.

Реальная дорога не идеально жёсткая: она прогибается, вибрирует, нагревается, рассеивает энергию в покрытии и шинах. Эти потери автомобиль оплачивает уже сегодня, и они уходят в воздух бесследно.

Если генератор собирает только ту энергию, которая и без него превратилась бы в тепло и вибрацию, дополнительная расплата действительно может быть очень малой. Поэтому такие устройства грамотнее называть сборщиками рассеянной энергии (energy harvesters), а не генераторами бесплатного электричества; дорожное ведомство США исследовало пьезоэлементы именно в этой логике.

Шесть типовых ошибок в одном фейке

Разобранная идея — редкая удача для методиста: в ней собран почти полный набор типовых ошибок сразу.

Подмена источника энергии. Источником называют «давление автомобилей», хотя реальный источник — топливо, батарея или движение машины.
Игнорирование функции расплаты. Демонстрируют выработанные ватты, но не измеряют дополнительное сопротивление движению.
Заужение системы. Рассматривают только дорогу и фонарь. Правильная надсистема — дорога + генератор + автомобиль + двигатель + источник топлива или батарея.
Смешение силы и энергии. Большую силу давления принимают за наличие бесплатной энергии, забыв про перемещение.
Смешение полезных и безвозвратных потерь. Часть энергии обычной деформации действительно теряется, но отсюда не следует, что любое увеличение деформации остаётся для автомобиля бесплатным.
Несогласование масштабов. Крошечная деформация под редкими машинами преподносится как источник питания для протяжённой системы освещения.

Корректная формулировка

Пьезоэлектрические устройства в дорожном покрытии могут преобразовывать в электричество часть энергии деформаций, вибраций, торможения или вертикального перемещения транспортных средств. Их целесообразно применять для локального питания маломощных датчиков и сигнализации. Получаемая энергия не является бесплатной: она берётся либо из уже существующих потерь, либо из кинетической, потенциальной или тяговой энергии автомобилей.