"Техника-молодежи" 1978 г №9, с.7-9

ЧЕЛОВЕЧЕСТВО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАРЬЕР

НИКОЛАЙ ПЕТРОВИЧ, профессор, доктор технических наук

Однако человечество в целом можно рассматривать как систему регулирования с обратной связью. Люди способны подчинять своей воле силы природы. Истощение ресурсов и опасность нарушения климата планеты заставят их перейти на более спокойную кривую роста получения энергии традиционными способами и побудят найти новые ее источники.

Какие же новые источники энергии могут в близком и далеком будущем обеспечить успешное развитие земной цивилизации?

В первую голову это лучшее использование той даровой энергии, которая буквально встречается на каждом шагу. Это, конечно, энергия нашего Солнца, ветра, бушующих морей и океанов, рек, термальных вод, теплых течений в океанах... Это энергия даровая и, главное, кристально чистая, не отравляющая среду. Но нужны принципиально новые способы ее использования.

Стучится в дверь, к примеру, так называемая водородная энергетика. Ее основа элементарна — школьный опыт разложения воды Н₂О на Н и О. Оказывается, водород отличное горючее. Это его пламя вывело первый в истории советский спутник на орбиту. Воды у нас неограниченное количество — дело за использованием. На практике не все так просто. Пока это горючее дорогое. У него повышенная взрывоопасность. Требуются холодильные установки для сжижения, разработки новых двигателей. Конечно, если не будет найден более легкий путь получения энергии, то все эти трудности наши ученые и изобретатели преодолеют.

А атомные электростанции? Ведь они уже работают. Значит, нужно лишь умножить их число? Но для работы атомных электростанций необходимы расщепляющиеся материалы — уран и торий... Оказывается, их не так уж много. Энергия, которую можно получить от всех запасов урана и тория в земной коре, того же порядка, что и энергия всех обычных видов топлива. Исследования по ядерному синтезу ведутся развернутым фронтом, особенно в СССР и США. Но трудности здесь настолько велики, что, по оценкам специалистов, потребуются по крайней мере десятки лет для их преодолений. Использовать энергию самого нашего светила — природного реактора? Изобретатели бьются над этим давно, но задача очень сложная.

Солнце излучает энергию равномерно по всей сфере, в одной из точек этой сферы находится небольшая горошина — Земля. На эту горошину приходится лишь половина от одной миллиардной всего получения Солнца! Какая малость!

Солнечные лучи легко, можно сказать «шутя и играючи», пронизывают толщу космоса в 150 млн. км не теряя своей чудодейственной силы. Это они сотворили жизнь на нашей планете, создали наши энергетические кладовые — дрова, уголь, нефть, газ, торф...

Американские специалисты со свойственным им коммерческим подходом подсчитали, что при солнечной погоде в США энергия, падающая от нашей звезды только на один квадратный километр за день, по цене один цент за киловатт-час стоит 200 тыс. долларов!

Следовательно, энергия у нас под ногами. Остается нагнуться и поднять ее. И люди пытаются сделать это. Например, на крыше экспериментального дома расстилается черная алюминиевая фольга с тонкими трубочками, по которым проходит вода. Нагреваясь, она переходит в систему труб, спрятанных в стенках. Эти трубы и обогревают комнаты. Солнце светит, к сожалению, не круглые сутки и не каждый день, поэтому необходим накопитель. Им может быть бак с водой или песком. Для практической реализации этого метода необходимы значительные капитальные затраты. Но истощение земных ресурсов ускорит промышленную разработку таких «солнечных» домов, которые и не загрязняют среду, и используют даровую энергию. Опытная эксплуатация показывает, что в летние месяцы в средних широтах отопление и освещение дома можно полностью осуществлять за счет солнечного света, а в другие времена года получить экономию топлива на 50—70%.

А нельзя ли создать солнечный двигатель? Заставить лучи крутить машины, двигать транспорт? Принципиально можно, но... Все тепловые двигатели — внешнего и внутреннего сгорания — требуют высокого перепада температур. Расширившийся газ должен начинать свой цикл при высокой температуре, а заканчивать при низкой. Чем больше эта разность температур, тем выше коэффициент полезного действия. Трудность создания солнечного двигателя связана с большим рассеянием солнечной энергии. Непосредственно лучи нашего светила не могут нагревать до высокой температуры рабочее тело.

Чтобы создать высокую концентрацию солнечных лучей, необходимы гигантские линзы, следящие за перемещением солнца по небосклону. Для этого нужен свой двигатель и следящая система.

Одна из солнечных печей, построенных в США, улавливает лучи с помощью гелиостата, содержащего 365 зеркал. Вся эта зеркальная витрина поворачивается вслед за Солнцем. Но это еще не все. Для дальнейшей «прессовки» энергии луч гелиостата падает на концентратор из 130 зеркал, который сводит размер солнечного зайчика до кружка диаметром в 10 см. Он падает в камеру, где создает температуру в 5000°! Этот зайчик шутя прожигает дырки в толстых железных балках. Его легко можно заставить вращать и двигатель. Однако капитальные затраты на такие установки значительно больше, чем при добыче энергии от угля, нефти, газа... Поэтому необходимо продолжать поиск конструкции более дешевого солнечного двигателя.

Вот одна из интересных находок в этом направлении — двигатель, работающий при перепаде температур всего лишь в 23°С! До сих пор ни одна машина не могла работать при столь незначительном перепаде. В основе работы двигателя лежит новый принцип. Представим себе колесо со спицами, которое при вращении погружается то в теплую, то в холодную воду. «Собака зарыта» в спицах колеса. Они сделаны из нитинола, нового сплава из никеля и титана. Сплав обладает удивительным свойством — памятью. Помнит ту форму, которую ему придали в нагретом состоянии. Когда спица из нитинола погружается в ванну с холодной водой, она изгибается, но, перейдя в ванну с теплой водой, она снова выпрямляется и толкает колесо. Затем она снова попадает в холодную воду, снова изгибается, а на ее место в теплую ванну приходит новая изогнутая спица и дает новый толчок — импульс... Специалисты считают, что на этом принципе, возможно, будут созданы устройства, более эффективно использующие солнечную энергию.

А может быть, наиболее перспективно непосредственное преобразование солнечной энергии в электрическую? Этот путь широко используется на искусственных спутниках Земли и других космических кораблях. При действии света на полупроводниковый кремниевый элемент благодаря фотоэффекту на нем возникает небольшая разность потенциалов. Многие видели макет или фотографию нашего спутника «Молния», у которого огромные, как у старинной мельницы, крылья. Они и служат для размещения большого числа этих элементов.

Основная беда кремниевых преобразователей — низкий коэффициент полезного действия, равный приблизительно 10%.

Кроме низкого коэффициента полезного действия, солнечные элементы имеют еще один дефект — они не выдерживают высоких температур и поэтому не могут работать в комплексе с концентраторами.

Советские изобретатели создали оригинальную сотовую конструкцию солнечной батареи, которой не страшны высокие температуры. Это позволяет ее использовать совместно с концентраторами солнечных лучей. В этом случае можно будет получать несколько десятков киловатт электроэнергии с квадратного метра поверхности батареи.

А если оторваться от Земли и вынести солнечные батареи гигантских размеров в космос? Ведь там солнечные лучи почти в два раза богаче энергией (нет поглощения атмосферой), всегда царит день и нет ночи. Но как передать оттуда полученную энергию на Землю, к потребителям? Протянуть электросиловой кабель или линию электропередачи на спутник не удастся. А радиоволны? Пока их профессия — перенос всяческой информации. А могут ли они транспортировать электроэнергию, заменить линии электропередачи?

Оказывается, могут! Это, конечно, потребует сооружения огромных антенн и использования сверхвысоких частот. Так, по сообщениям американской печати, в Лаборатории реактивного движения (США, штат Калифорния) был проведен успешный эксперимент по передаче с помощью радиоволн электрической мощности в 30 кВт на расстояние 1,5 км.

Уже есть несколько проектов построения такой солнечной электростанции в космосе. Вот один из них. Электростанция выводится на так называемую стационарную орбиту, когда спутник как бы неподвижно висит над одной н той же точкой поверхности Земли (для этого он должен двигаться по круговой орбите в экваториальной плоскости Земли с радиусом орбиты 36 000 км и совершать точно один оборот за сутки). Выйдя на такую орбиту, спутник должен «расправить» свои могучие крылья, напоминающие крылья сверхгигантской бабочки. Судите сами, их размер 10 X 20 км! Эти крылья покрыты солнечными батареями, преобразующими свет в постоянный электрический ток. Для передачи на Землю он преобразуется в колебания сверхвысокой частоты и по радиоканалу отправляется на Землю. Но тут нас ждет еще один сюрприз. Для эффективного выдавливания этой «золотой электрической рыбки» необходима особая сеть приемных антенн диаметром в восемь километров. При этом точность изготовления ее поверхности должна быть очень высока, чтобы все посылаемые на Землю лучи и лучики складывались точно в одинаковой фазе и не ослабляли друг друга.

Трудности в создании таких электростанций, безусловно, велики, но успешное освоение космоса не оставляет сомнений в том, что эта задача может быть решена.

Ведь размеры сооружений, которые человек может строить в космосе, практически ничем не ограничены: там нет ни ветра, ни бурь, ни ураганов. Правда, ограничен вес конструкций, которые ракета может вывести на орбиту. Но, используя разборные системы, можно преодолеть и эту трудность. Появился ряд проектов гигантских сооружений в космосе, в том числе искусственных обитаемых городов. Эта область исследований получила внушительное название — астроинженерия. Среди интересных проектов — создание искусственных светил на небе.

Известный американский ученый К. Эрике предложил использовать в разных вариантах гигантские зеркала на околоземной орбите для отражения солнечного света на ночную сторону планеты. Его проект представлен на рассмотрение в одну из подкомиссий палаты представителей конгресса США. Система, которую К. Эрике называет «Лунетта», могла бы дать свет, в 10— 100 раз превышающий по силе лунный. Эту систему, заявляет ученый, можно создать к 1987—1989 годам, н ее строительство обойдется в 15 млрд. долларов.

«Лунетту» можно расположить на так называемой стационарной орбите. Тогда она будет как бы неподвижно висеть в небе, как вторая Луна. Но все точки этой орбиты удалены от центра Земли на 36 000 км. Такое большое удаление зеркал вызывает большое рассеяние света. Поэтому К. Эрике предлагает использовать для своих систем «Лунетта» орбиты с меньшим удалением. Он считает, что идеальной была бы орбита с удалением около 8 км от поверхности Земли, проходящая в поясе от 55-го градуса северной до 55-го градуса южной широты. Аппарату потребовалось бы три часа, чтобы совершить виток вокруг Земли, и в заданном районе он каждый раз бы находился в небе на протяжении часа. Чтобы обеспечить непрерывное освещение в течение всей 8-часовой ночи, требуется от 8 до 10 таких спутников. Они, например, могли бы освещать ночью целые городские районы так сильно, что не потребовалось бы уличного освещения.

На следующем этапе доктор К. Эрике предусматривает создание еще более мощной отражающей системы, которая частично выполняла бы роль Солнца, и поэтому ее окрестили «Солетта». Главное ее назначение — увеличить производство сельскохозяйственных культур путем продления периодов освещения растений солнечным светом. Ученый считает, что эту задачу можно решить к 1998—2005 годам, затратив 30—60 млрд. долларов.

Применяя «ночные солнца» для ускорения роста сельскохозяйственных культур, необходимо учитывать потребности различных видов растений. Особую пользу из подсветки можно извлечь для повышения урожайности культур, которые предпочитают длинный световой день, например, пшеницы, сахарной свеклы, шпината, салата и т. д. Орбиты «Солетт», естественно, должны рассчитываться таким образом, чтобы зеркала оставались в сфере солнечного света всю ночь; но кратковременных периодов, когда относительное положение Земли и Солнца обречет космические зеркала на бездействие, полностью избежать не удастся.

Более экономичным способом круглосуточного освещения максимальных площадей был бы вывод нескольких зеркал на орбиту одно за другим. Каждое из них было бы ориентировано таким образом, чтобы луч света фокусировался в одном и том же заданном районе. Чтобы обеспечить освещение, достигающее 20—50% силы света Солнца, потребовались бы гигантские отражающие поверхности площадью от 500 до 6000 км². При этом в космос необходимо поднять материалы весом в несколько сотен тысяч тонн.

К. Эрике считает, что производство сельскохозяйственных культур во всемирном масштабе в случае использования системы «Солетта» увеличилось бы настолько, что покрыло бы строительные расходы меньше чем за 20 лет. Кроме того, «Солетта», по мнению ученого, могла бы выполнять роль регулятора земного климата.

Многие столетия ветер был добрым помощником человека: двигал корабли, молол зерно и качал воду...

Мы привыкли к вращению лопастей ветродвигателей в вертикальной плоскости. Но вот какой-то изобретатель сконструировал ветряной двигатель, у которого лопасти, расположенные горизонтально, вращают вертикальную ось. Это сразу дало новые качества: работа двигателя не зависит от направления ветра, электрогенератор можно расположить прямо на земле, конструкция опорной башни упрощается. В результате стоимость всей установки уменьшилась в 5—7 раз. Специалисты считают, что ветряки с вертикальной осью найдут широкое применение, особенно в труднодоступных районах.

Теперь несколько слов об утилизации энергии морской стихии.

Вот один из завершенных японских проектов. Представьте себе стальной плавучий буй в форме призмы. Это та самая призма, которую показывают на уроках геометрии, только увеличенная в тысячи раз. Основание 350X20 м. Высота 20 м. Буй заякорен в океане широкой стороной к набегающим волнам. Эта сторона призмы открыта и ловит волны. Внутри призма разделена на 17 конусных камер, каждая из них заканчивается цилиндром с поршнем. Обрушивающаяся на буй волна приводит в действие поршни, те сжимают воздух, а он движет турбогенератор. Электростанция может иметь мощность 100 тыс. кВт. Для этого нужны волны высотой не менее трех метров и длиной от ста до полутора метров. Как раз такие волны у берегов Японии бывают не менее 150 дней в году, и «меланхолия от безделья» такой призме не грозит.

По расчетам английских ученых, тысячу километров морского побережья можно «заселить» особыми ежами-волноулавливателями. Теоретически плавучие электростанции могут удовлетворить почти половину нынешней потребности Англии в электроэнергии.

Электрогенератор размером менее полуметра уже установлен на плавучем маяке близ мадрасского порта, и каждый вечер автоматически исправно зажигается его яркий «глаз».

Энергию океанов и морей можно отбирать не только от бушующих волн. Есть возможность получать ее даже при полном штиле. Для этого надо использовать разность температур поверхностных и глубинных слоев воды. Ведь Мировой океан поглощает более половины солнечной энергии, падающей на Землю. Она аккумулируется в верхних слоях воды, нагревая ее. Перепад температур вблизи тропиков составляет более 20°С.

Кстати, заметим, что температура поверхности Земли ниже температуры ее глубинных слоев на тысячи градусов. Остается «мелочь»: использовать эту разность температур для получения энергии. И нет сомнений, способ будет найден. Первый скромный шаг в этом направлении — использование горячих подземных вод.

Однако эффект от использования геотермальных вод выглядит незначительным по сравнению с возможностью использования тепла вулканов.

В относительно недавние вулканические образования, где температура достигает 300°, можно нагнетать воду и откачивать ее после закипания. Так, по расчетам специалистов, горячий скальный участок диаметром всего в один километр может давать в течение 100 лет как минимум столько тепла, сколько вырабатывается на атомной станции мощностью 100 МВт.

Все это лишь некоторые перспективные источники энергии. Но при рода поистине неисчерпаема. Будущие поколения ученых найдут новые способы преодолеть энергетический барьер.