Альтернативные источники электроэнергии
солнечных лучей электроэнергию, сравнимую по стоимости с производимой за
счет сжигания традиционного ископаемого топлива. Разумеется, нереально в
таких условиях рассчитывать хотя бы в обозримом будущем перевести всю
энергетику на гелиотехнику. Пока ее удел – набирать мощности и снижать
стоимость своего киловатт-часа. При этом не стоит забывать, что с точки
зрения экологии солнечная энергия действительно идеальна, поскольку не
нарушает равновесия в природе.
Водородная экономика
Один из самых необычных и, пожалуй, самых привлекательных сценариев
энергетического будущего человечества открывает проект «Водородная
экономика». Его суть заключается в замене ископаемого топлива водородом.
Физический и химический смысл проекта ясен: основная энергия в нефти, газе,
каменном угле и дереве запасена в виде углеводородов – соединений углерода
с водородом. И не углерод, а именно водород дает при сжигании наибольшее
количество тепловой энергии, превращаемой затем в механическую.
Водорода на земле огромное количество, причем огромные его запасы
сосредоточены не в углеводородах, а в воде. Но если для получения энергии
из нефти, газа, каменного угля и дерева их достаточно сжечь, то с водой так
поступить нельзя: слишком прочно связаны в ней водород и кислород.
Современной науке известны два основных способа разложения воды на
составляющие ее химические элементы: пиролиз (от греч «пир» – «огонь» и
«лизис» - «разложение»), когда воду нагревают до очень высокой температуры,
и электролиз, когда через воду пропускают электрический ток.
Однако оба этих способа очень энергоемки, а потому непригодны для
получения больших количеств водорода. Но представьте себе, сто удастся
найти метод легкого разрушения молекул воды. Тогда в технике произойдет
настоящий переворот. В реактивных двигателях, двигателях внутреннего
сгорания, турбинах, топках котельных установок перестанут сжигать сотни
миллионов тонн нефти, угля и их производных. Превратится выброс в атмосферу
вредных для жизни продуктов внутреннего сгорания топлива: ведь выхлоп
двигателя, работающих на водороде, - чистая вода. Полезные ископаемые можно
добывать гораздо в меньших количествах и использовать только как сырье для
химической промышленности, производящей пластмассы, лекарства и другие
необходимые людям вещи. Как тут не вспомнить великого русского химика Д.И.
Менделеева, который еще в XIX в. говорил о том, что сжигать нефть в топках
– все равно, что топить печи ассигнациями.
В наши дни проблему промышленного получения дешевого водорода пытаются
решить разные специалисты. Химики ищут катализатор, при помощи которого
вода станет разлагаться при меньших затратах энергии. Физики разрабатывают
способы получения дешевого электричества, что сделает экономически выгодным
электролиз воды. Не остались в стороне и биологи. Они пытаются вывести
бактерии, способные разлагать воду на кислород и водород с помощью
солнечного света. Ученым давно известны микроорганизмы, выделяющие водород,
но в таком малом количестве, что о промышленном их применении говорить не
приходится. Если же производительность бактерий удастся повысить, то у
человечества появится шанс пережить еще одну энергетическую революцию и
получить новый, практически неисчерпаемый, к тому же экологически чистый
источник энергии.
Энергия из космоса
Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности
Земли мешает атмосфера. Само собой напрашивается решение: разместить
солнечные энергостанции в космосе, на около земной орбите. Там не будет
атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые
конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии солнца. У таких
станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в
другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос
позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.
Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции
(СКЭС), сегодня точно сказать нельзя. А к проектированию СКЭС конструкторы
приступили еще в конце 60-х гг. ХХ в.
Путь энергии от приемника электромагнитного излучение Солнца к розетке
в квартире или блоку питания станка может быть различным. В самых первых
проектах предлагался такой: солнечные батареи, вырабатывающие электричество
– сверхвысокочастотный (СВЧ) передатчик на СКЭС – приемник на Земле –
распределительные электрические подстанции. На практике это выглядело бы
следующим образом: многокилометровые плоскости солнечных батарей на прочном
каркасе; решетчатые антенны передатчиков; похожие на них (и тоже
многокилометровые) приемники энергии на поверхности Земли… Вариант, как
быстро выяснилось, далеко не идеальный.
Инженеры попытались вообще отказаться от использования солнечных
батарей. Например, предлагалось с помощью различных преобразователей
(скажем, зеркал) на станции превращать солнечный свет в тепло, кипятить
рабочую жидкость и ее паром вращать турбины с электрогенераторами. Но и в
таком варианте процесс получения энергии остается очень долгим: солнечный
свет через тепло и механическое движение превращается в электричество,
потом снова в электромагнитные волны для передачи на Землю, а затем опять в
электричество. Каждый этап ведет к потерям энергии; приемные антенны на
Земле должны занимать огромные площади. Но хуже всего то, что СВЧ-луч
негативно влияет на ионосферу Земли, пагубно сказывается на десятках живых
организмах. Поэтому пространство над антеннами необходимо закрыть для
полетов авиации. А как уберечь от гибели птиц?
Те же проблемы возникают и при передаче энергии по лазерному лучу,
который к тому же сложнее преобразовать снова в электрический ток.
Полученную в космосе энергии более целесообразно использовать в космосе же,
не отправляя ее на Землю. На производство тратится около 90 %
вырабатываемой на планете энергии. Основные ее потребители – металлургия,
машиностроение, химическая промышленность. Они же, кстати, и главные
загрязнители окружающей среды. Обойтись без таких производств человечество
пока что не в состоянии. Но ведь можно убрать их с Земли. Почему бы ни
использовать сырье, добываемое на Луне или астероидах, создав на спутниках
и астероидах соответствующие базы? Задача, безусловно, сложнейшая, и
сооружение солнечных космических электростанций – только первый шаг к ее
решению. С производством же электроэнергии для бытовых нужд справятся
ветряки, бесплотинные ГЭС и другие экологически чистые энергоустановки.
Любой вариант проекта солнечной космической электростанции
предполагает, что это колоссальное сооружение и причем не одно. Даже самая
маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу
необходимо будет запустить на отдаленную от Земли орбиту. Современные
средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту
необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы
уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно
сделать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных
конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической
станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к
«месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит
только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.
Но Солнце не единственный космический источник энергии, которым могут
воспользоваться земляне. Не исключено, что на других небесных телах есть
энергоносители, по своей мощности во много раз превосходящие имеющиеся на
нашей планете. В поверхностных слоях лунного грунта, например, найдены
запасы гелия-3, который на Земле отсутствует. Предполагается, что получить
термоядерную энергию из этого изотопа проще, чем из других. Между тем
считанные килограммы гелия-3 удовлетворят годовую потребность в энергии
всего человечества.
Термоядерная энергия
Одним из перспективных источников получения электричества является
освоение термоядерной энергии, т.е. энергии трития и дейтерия, содержащихся
в неисчерпаемых количествах в воде океанов.
Во время химической реакции изменяются электронные оболочки атомов. В
результате ядерной реакции иным становится строение атомного ядра – гораздо
более прочного, чем атом. Поэтому при распаде тяжелых ядер (в реакции
деления) или, наоборот, при слиянии легких (в реакциях синтеза), когда
образуются ядра элементов средней массы, выделяется огромное количество
энергии.
Например, при делении одного атома урана – реакции, используемой для
получения энергии в современных атомных станциях, - выделяется около 1 МэВ
энергии на каждый нуклон. (Нуклонами называют протоны и нейтроны,
являющиеся составными частями ядер атомов.) В ходе реакции дейтерия D
(тяжелого водорода, атом которого содержит в ядре нейтрон n) с протоном p
синтезируется изотоп гелий-3, излучается ?-частица и выделяется примерно 5
МэВ энергии на один нуклон, т.е. в 5 раз больше:
1D2 + p > 2He3 + ?.
В природной воде один атом дейтерия приходится на 7 тыс. атомов
водорода, но дейтерия, содержащегося в стакане воды достаточно, чтобы
произвести столько же энергии, сколько можно получить при сгорании бочки
бензина. В Мировом океане 4·1013 т дейтерия; его хватит всем жителям Земли
на 4 тыс. лет.
Еще больше энергии выделяется в реакциях сверхтяжелого изотопа
водорода – трития Т, в ядре которого два нейтрона:
1T3 + p > 2He4+ ? + 19,7 МэВ
1T3+1D2 > 2He4 + n + 17,6 МэВ
Трития в природе нет, но в достаточных количествах его можно получить
в атомных реакторах, воздействуя потоком электронов на атомы лития:
N + 3Li7 > 2He4 + T
Однако осуществить эту реакцию весьма непросто: она начнется лишь в
том случае, если ядра атомов сблизятся настолько, что возникнут силы
ядерного притяжения (так называемого сильного взаимодействия). Это
расстояние на пять порядков меньше размеров атома, и, пока электроны
остаются на своих орбитах, они не позволят ядрам атомов сблизиться. Да и
сами ядра до начала сильного взаимодействия расталкиваются кулоновскими
силами.
Заключение
Итак, спор о том, что опаснее, а что выгоднее в производстве
электроэнергии пока что не завершен. Да и вряд ли буде окончательно
завершен в ближайшее время. Человечество постоянно совершенствует способы
получения так необходимой ему энергии, в том числе электрической. Но будет
ли у этого и другого нового способа будущее, и насколько они окажутся
безопасными для человека и природы? Эти вопросы необходимо решать намного
раньше, не дожидаясь аварий и катастроф, которые становятся более опасными
по мере проникновения человеческого разума в тайны природы.
Несмотря на внешнюю привлекательность «нетрадиционных» видов получения
электроэнергии, иногда называемых «малой энергетикой», у них есть ряд
недостатков. Само это второе название говорит, прежде всего, о том, что с
их помощью пока, на современном уровне развития техники и экономики,
невозможно получить так же много электроэнергии, как с помощью тепловой,
гидро- или атомной энергетики. Но, возможно, этот недостаток преодолим в
ближайшие десятилетия. А вот какие могут быть вредные последствия от
развития такой нетрадиционной энергетики?
Например, существует в мире несколько электростанций, которые
используют энергию приливов и отливов в океанах и морях. Казалось бы, что
может быть лучше – практически безотходный способ получения энергии, почти
вечный двигатель. Но, оказывается, если таких станций построить много, они
могут существенно замедлить вращение Земли вокруг своей оси! Вред от такого
вмешательства в природу может совершенно непредсказуемым и непоправимым.
Солнечные электростанции так же, как и ветряные, и геотермальные пока могут
быть построены далеко не везде.
А в Германии чрезмерное использование энергии ветра привело к
ослаблению ветров, которые раньше выдували смог и вредные отходы,
выделяемые в окружающую среду фабриками и заводами, с территории городов.
Теперь экология этих населенных пунктов заметно ухудшилась.
А главный их недостаток на сегодня – это дороговизна, в большой
потребности количества материалов и в очень обширной территории, которая
тоже не везде может быть найдена. Строят солнечные станции на крышах домов
и в космосе, на орбитальных станциях. При этом используют самые современные
солнечные батареи. Но, к сожалению, заменить собой традиционные виды
получения электроэнергии в нужном количестве они пока не могут.
В наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за
каждым новым кубометром газа или тонны нефти нужно идти все дальше на север
или восток, зарываться все глубже в землю. Не мудрено, что нефть и газ
будет стоить все дороже. Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им,
несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана, если сравнить их с
запасами угля, вроде бы не столько уж и велики. Но зато на единицу веса он
содержит в себе энергию в миллионы раз большую, чем уголь. А итог таков:
при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить в сто тысяч раз меньше
средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее
приходит на смену нефти и углю…
Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным. То была
«воинствующая» линия энергетики. Часто она шла рука об руку с военными
приложениями: атомная бомба, водородная. В погоне за избытком энергии
человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-
то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Но
времена изменились. Сейчас, в конце ХХ века, начинается новый, значительный
этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так,
чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже
сильно поврежденной биосферы.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя
самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно:
энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, зависит
от нее. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические
электростанции, энергия, находящаяся в кварках, «черных дырах», вакууме, -
это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи того сценария, который пишется
на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.
Список используемой литературы
«Энергия будущего» А.Н. Проценко, М., «Мол. Гвардия», 1980
«Ключ к Солнцу» Е.Б. Борисов, И.И. Пятнова, М., Мол. Гвардия, 1964
Энциклопедия для детей. Техника, М., «Аванта+», 1999
Энциклопедия для детей. География, М., «Аванта +», 1994
«Энергетика: проблемы и надежды», Л.С. Юдасин, М., «Просвещение», 1990
«Энергетика сегодня и завтра», А.Н. Проценко, М., «Мол. Гвардия», 1987
«Занимательно об энергетике», Ю.Г. Чирков, М., «Мол. Гвардия», 1981
«Человек и океан», Громов Ф.Н., Горшков С.Г., С.-П., ВМФ, 1996
г.
