Вадим Панин
Научные открытия, меняющие мир
Не бойтесь АЭС!
Наконец, «третий кит» современной энергетики – одиозные атомные электростанции. Впрочем, одиозными их можно назвать только у нас: после Чернобыльской трагедии мы боимся атомных станций как огня. И совершенно напрасно. Вся планета пользуется «мирным атомом», во многих странах АЭС – основной источник электричества. Опасность аварии, безусловно, существует. Но, во-первых, мы же не отказываемся от автотранспорта только потому, что на дорогах возможны катастрофы (и вероятность их гораздо выше), а, во-вторых, в случае масштабной аварии на ТЭС или ГЭС последствия для регионов, где они расположены, будут еще страшнее, чем Чернобыль.
Чем же выгодны атомные электростанции?
Во-первых – и это очень важно, – площадями и объемами. Тепловая электростанция большой мощности «съедает» в день несколько железнодорожных составов каменного угля. АЭС, дающая такой же объем энергии, расходует в год один-два кубометра топлива, причем его можно будет после переработки применять повторно. Значит, топливо проще хранить и перевозить, а сами электростанции можно размещать где угодно. Это в противовес огромным площадям, которые нужны каждой теплостанции для хранения топлива, а также для его добычи.
Во-вторых, объем вредных выбросов во время нормальной работы атомной станции ничтожен. Как ни парадоксально это звучит, но он меньше, чем у электростанций, работающих на каменном угле. В угле естественным образом содержатся радиоактивные элементы, которые с отработанным дымом попадают в атмосферу.
Кроме того, атомные станции не вторгаются в экологический баланс Земли: не выедают недра, не снижают скорости ветров и течения рек. За одним, но очень важным исключением – до сих пор стоит ребром вопрос переработки и хранения радиоактивных отходов. По существу, именно он и тормозит всеобщий мировой переход на «атом» в качестве источника энергии.
Решение – термоядерный реактор
Проблема отходов, равно как и аварийности, со временем будет решена. Нет, не усовершенствованием существующих атомных электростанций, а переходом на реакторы другого типа – термоядерные. Не буду вдаваться в сложные вопросы физики, описывающие разницу между старыми и новыми атомными электростанциями. Просто скажу, что обычные ядерные реакторы изобрел человек. А примеры термоядерного синтеза есть в природе. Самый простой из них – наше Солнце.
Термоядерные реакторы обладают массой преимуществ и не имеют недостатков по сравнению с нынешними электростанциями любого типа. В качестве топлива для них нужен водород, запасы которого практически неисчерпаемы. Опасность аварии – нулевая, причем это не красивые слова. Термоядерный реактор просто выключается и перестает работать, если происходит его разгерметизация или сбой в работе оборудования, – такая это «капризная» технология. Продуктов сгорания реакция не производит, к тому же отходов получается гораздо меньше, а время, через которое они станут безопасны в радиационном плане, сокращается.
Хотя до этого еще далеко, но сейчас уже можно размышлять о термоядерных источниках электричества, не превышающих по размеру современную аккумуляторную батарею для автомобиля. При этом энергии такая «батарейка» вырабатывает достаточно, чтобы обеспечивать светом и теплом целый район современного города. И проблема «неоткуда взять энергию» будет уже звучать как «некуда ее девать».
Так почему же, спросите вы, у нас до сих пор не воцарился энергетический рай? Ответ прост – вкладывать деньги в реакторы завтрашнего дня невыгодно для того, кто хочет прибыли «как можно больше и прямо сейчас». Такие инвесторы скорее обратятся к нефтедобывающей промышленности. А без большого финансирования атомной энергетике очень трудно двигаться вперед: на компьютерных моделях технологии не опробуешь, поэтому нужно строить настоящие реакторы.
В поисках альтернативы
Помимо основных путей развития энергетики, в мире идет постоянный поиск новых источников энергии. Причем желательно таких, которые «не заканчиваются», как, к примеру, не заканчивается река, питающая гидроэлектростанцию. Энергия будущего должна быть условно бесконечной и при этом экологичной. Поиски ведутся в самых разных направлениях, ни одно из которых не является однозначно приоритетным. Ведь сами подумайте – «что русскому хорошо, то немцу смерть», и для разных регионов годятся разные методы добычи энергии. Это правило соблюдается и сейчас – там, где нет источников топлива, не построишь ТЭС, а там, где нет рек, не установишь водяную турбину.
Что произойдет в случае распространения альтернативных методов добычи энергии, расписывать не нужно. Просто будет гораздо больше дешевой электроэнергии для любых человеческих нужд. Описывать экологические плюсы перехода с тепловых электростанций на любые другие – тоже пустое дело. Всем очевидно: чем меньше тяжелых металлов и парниковых газов попадает в атмосферу, тем чище воздух, лучше защита от ультрафиолетовых лучей и меньше проблем со здоровьем.
Но у каждого из альтернативных путей есть недостатки, способные вызвать настоящую техногенную катастрофу. О них и поговорим. И начнем с «дедовских» методов, улучшенных силами современной науки. То есть с энергии ветра и воды.
«Безобидные» мельницы
Современную ветряную мельницу видели все – не в жизни, так в кино. На огромном поле стоят гигантские вентиляторы и неспешно вращаются под бризом. Чем ветряки выше, тем лучше: ветер на высоте сильнее и почти никогда не прекращается.
Теоретически такие мельницы можно даже устанавливать на крышах городских зданий. Каждый ветряк питает электроэнергией «свой» дом. Более того, дополнительные модули ветряной электростанции могут производить метеорологические измерения и даже добывать из воздуха лишнюю влагу, помогая разумно расходовать запасы воды. В общем, сплошные плюсы. Но это лишь на первый взгляд.
Итак, какие беды ждут нас от распространения во всех отношениях прекрасных «вертушек»?
Первое – шум. Ветряные энергетические установки гудят почище автострады. Шум издают и соприкосновение ветра с лопастями установки, и работа механических частей ветряка. К тому же станция производит еще и низкочастотные вибрации – в домах, расположенных близко к таким установкам, непрерывно дребезжат стекла и быстрее изнашиваются электроприборы. Вибрация влияет и на здоровье людей. Поэтому пока ветряки в основном устанавливают в полях, и люди разве что проезжают мимо них по автотрассам. Но в ближайшем будущем такое расположение мельниц станет нерациональным – людей становится все больше, а площадь суши не увеличивается. Так что придется либо «переселять» ветроэлектростанции поближе к людям, либо совсем отказываться от них. Выходит, что человечество меняет шило на мыло: вместо заболеваний дыхательных путей (вызываемых выбросами ТЭС) будут сердечно-сосудистые (вызываемые вибрацией). Устранить же шум и вибрацию полностью невозможно – таковы законы физики, и с ними не поспоришь.
Второе – климат. Ветрогенераторы «крадут» у ветра часть его энергии. Кое-где в Европе уже заметны местные погодные изменения: воздух становится суше, а урожайность – меньше. К сожалению, спохватились ученые сравнительно недавно, и серьезных исследований, касающихся вреда для климата, еще не появилось. Раньше этот вред считали минимальным и пренебрегали им – новейшая история учит нас, что такого рода ошибки сильнее всего сказываются в будущем. Что говорить, если большую часть проблем с климатом для нас «заработали» чадящие заводы XIX века и бездумное распространение бытовой химии в 70-е годы прошлого века…
Если же ветряки будут установлены в городах, снижение скорости ветров скажется в виде «застаивания» приземного воздуха. Это только кажется, что все вредные вещества, выплевываемые заводами и автомобилями, остаются с нами и мы всей этой пакостью дышим. На самом деле большая их часть уносится ветром. Ветрогенераторы же устроят в мегаполисах настоящий штиль – и вот тут-то горожане прочувствуют, насколько свежим был воздух раньше. Постоянный смог 365 дней в году станет непременным спутником каждого города-миллионника.
Сила воды
От энергии ветра перейдем к энергии воды. О том, что дамбы на горных реках полезны для энергетики, но страшно губительны для экологии, человечество уже догадалось. В этой сфере идет поиск новых способов добычи тока, теперь уже с тем прицелом, чтобы они были безопасны для окружающей среды.
ГЭС нового типа бывают двух видов, и оба ориентированы не на речную, а на морскую и океаническую энергию. Первый тип работает на энергии приливов и отливов (ПЭС), второй – на энергии волн (ВЭС). Как вы понимаете, зависимость от активности Мирового океана делает такие виды станций доступными далеко не всему населению планеты Земля. Зато можно предположить, что при строительстве плавучих городов или новых мегаполисов на островах – в том числе островах искусственного происхождения – ПЭС и ВЭС станут основными производителями электроэнергии. Использование силы океана для добычи электроэнергии – новая и еще не до конца, можно сказать, освоенная концепция.
Приливные станции работают фактически за счет энергии вращения Земли. Дважды в сутки гравитация Луны и Солнца изменяет уровень воды в Мировом океане: вода движется к берегу или от него. Это движение и используется в работе станции. В общем-то, здесь принцип тот же, что и в ветроэлектростанции. Ветряки, расположенные под водой, вращаются под давлением воды и передают вращение на электрогенераторы. Преимущество ПЭС состоит в том, что, в отличие от переменчивого ветра, приливы и отливы случаются каждый день ровно по часам. А вот главный недостаток – в том, что в остальное время суток электростанция не добывает никакой энергии, так что полагаться в деле электроснабжения только на нее, увы, невозможно.
Волновые станции используют схожий эффект. В воде располагаются своеобразные качели, двигающиеся туда-обратно вместе с движением волн. Сверху к качелям прикреплены поплавки, которые и тянут их вверх-вниз. А снизу раскачивание заставляет двигаться специальный механизм, который, в свою очередь, крутит генератор. В миниатюре конструкция станции похожа на водяной насос, который заставляют работать волны, а не человеческие руки.
Функционировать ВЭС может круглосуточно; единственное, что не дает ей трудиться, – полный штиль, но он бывает относительно редко.
Пока что с волновыми электростанциями только экспериментируют, и серьезную ставку на них делать рано. Но, поскольку энергия волн больше, чем приливная, и может использоваться одновременно с энергией ветра в том же регионе (ведь без ветра нет волн), у метода есть будущее. В том числе – в качестве источника энергии для транспорта. Волновые движители, разработкой которых занято несколько флотских конструкторских бюро в разных точках земного шара, уже могут добывать энергию для турбин небольшой мощности. «Борясь с волнами», океанский лайнер «набирается сил», а потом использует их для своих нужд.
Солнечные станции
Сравнительно недавно – во второй половине XX века – человек додумался получать и запасать энергию главного небесного светила. Самый простой вариант такой станции знаком каждому из нас – это фотоэлементы в калькуляторах, которые мы называем солнечными батарейками. Такие же фотоэлементы, но гораздо больших размеров, используются в промышленных солнечных электростанциях (СЭС), называемых также гелиостанциями.
СЭС можно устанавливать на крышах домов, административных зданий, водной поверхности, а можно просто располагать на местности – их преимущество в том, что они могут занимать любые площади. Расположенная на доме солнечная батарея вполне способна снабжать «свой» дом электричеством. Причем такая добыча энергии стопроцентно экологична, ведь никаких вредных отходов не производится.
Во многих городах США уже появились «сверкающие крыши», на которых расположены такие фотоэлементы. Помимо света, в ход идет и тепло солнечных лучей, которое используется в «котлах». «Котлы» – это такие же паровые турбины, что и 100 лет назад, но для их нагревания не используется никакое топливо, кроме солнечного света.
Таким образом, дом, оборудованный по последнему слову гелиотехники, в ясный погожий день добывает энергию буквально «из ниоткуда», и ее достаточно, чтобы функционировало центральное отопление, горели лампочки и работали компьютеры. Предполагается, что компьютеризированный «дом будущего» будет устроен именно так.
Есть, конечно, нюанс – как быть в дождливые и просто пасмурные дни? Откуда брать энергию по ночам? Но не следует складывать все яйца в одну корзину – у самообеспечивающегося энергией дома должно быть несколько источников электричества.
Помимо сказанного, неудобство солнечных электростанций состоит еще и в загрязнении окружающей среды. Нет, сами они, напомню, очень экологичны. А вот их производство требует большого количества вредных веществ – мышьяка, свинца, олова и т. д.
Альтернативное предложение – размещение солнечных станций на орбите, где много места и никто не мешает. Энергия в виде микроволн будет передаваться на Землю. Но это еще более авантюрное предприятие – последствий появления в атмосфере такого количества управляемых микроволн никто пока оценить не может. Благое дело может обернуться и всемирным потопом, и мировым обледенением. Наконец, «шальные» микроволны будут просто-напросто опасны для людей, а также птиц, пролетающих через луч, идущий от спутника к принимающей станции. Вместо микроволн пытались использовать лазер, но он так сильно нагревает атмосферу, что изменения климата в районе электростанции просто не избежать.
Тепло нашей планеты
Еще один возможный вариант решения энергетической проблемы – геотермальная энергия. Ресурс этот условно бесконечен, и называется он – тепло планеты Земля. Ядро Земли, как знает каждый школьник, раскалено и состоит из жидкой магмы огромной температуры. Этот жар нагревает подземные моря и реки, расположенные на большой глубине и состоящие из кипятка и горячего пара. Следует пробурить скважину глубиной несколько километров – и поток горячего пара ринется вверх. Его можно использовать как для турбин теплоэлектростанций, так и для непосредственного обогрева жилищ. Например, в Исландии все центральное отопление основано на использовании таких подземных горячих источников. В России же первая геотермальная электростанция была запущена еще в 1966 году. С каждым годом строительство подобных станций становится дешевле, так что их повсеместное использование – дело ближайшего будущего.
Энергия лично для тебя
Вокруг нас происходит множество процессов, способных вырабатывать энергию. Мы просто не пользуемся ими. Вот, скажем, из крана льется вода – думаете, энергии падающей воды недостаточно ни для каких нужд? Или в жару работает вентилятор – разве создаваемый им ветер нельзя использовать, как это делают на ветряных электростанциях? Разумеется, можно. И всякие «беспокойные умы» все время стремятся найти такие «тонкие места», где энергия расходуется зря, и улучшить все, что можно улучшить.
Препятствие, правда, есть, и оно весьма существенное – закон сохранения энергии не обманешь. Затраченной силы всегда будет больше, чем полученной полезной работы. В этом кроется причина того, что вечный двигатель собрать невозможно. Энергия все равно должна откуда-то поступать. Но «сэкономить» можно прекрасно. Скажем, уже сегодня различные мелкие устройства научились работать без батареек. Насадка на кран или разбрызгиватель душа подсвечивают воду разными цветами, потому что внутри их находится маленькая динамо-машинка. В Японии пульты дистанционного управления для самых новых телевизоров тоже работают без батареек – находящийся внутри их миниатюрный генератор «добывает» энергию, когда мы нажимаем на кнопки, как бы «качая» пульт мышечным усилием. Энергии немного – но ведь и усилие небольшое.
К сожалению, пока самый яркий пример такого рода – современный велосипед, в котором фары светятся за счет энергии, которую мы добываем, крутя педали. Но такая «побочная» электроэнергия, которая может производиться человеком одновременно с каким-либо занятием, имеет большое будущее. Над тем, чтобы «энергетизировать» различные движения человека, трудятся ученые всего мира.
Нет, речь не идет о том, чтобы, как в миниатюре Аркадия Райкина, «прикрепить к писателю рычаг», чтобы он, когда в раздумьях бродит взад-вперед по кабинету, вырабатывал электричество. Но запитать все маленькие устройства, которые постоянно носит при себе человек, от движений самого человека вполне возможно. Вспомните хотя бы наручные механические часы. Да, работают они потому, что мы все той же мускульной силой заводим пружину. Но в современных часах имеется «автоподзавод», который правильно называется «эксцентрик». Принцип его работы таков: внутри корпуса находится миниатюрный ротор, который вращается при любом движении руки и сам заводит пружину. Поэтому, если вы постоянно носите механические часы, то не нуждаетесь в том, чтобы время от времени их заводить. Ведь колебания, нужные для работы эксцентрика, происходят при каждом нашем шаге и движении руки. Только полежав на полке несколько дней, часы остановятся.
«Персональные электростанции»
Механическую энергию, как вы понимаете, несложно преобразовать в электрическую – точно так же, как у упомянутого выше пульта дистанционного управления. А потом передать другим устройствам с помощью электромагнитной индукции или аккумулятора. Существует несколько концепций такой «персональной электростанции».
Первый проект (разумеется, японский) предполагает наличие нескольких «энергетических таблеток», вшитых в разные места вашей одежды. Каждая таблетка – это пружина, эксцентрик и генерирующий электрический ток элемент. Ток вырабатывается при каждом шаге, движении руки, повороте головы. Вся эта энергия запасается и передается к индукционным панелям, расположенным в карманах одежды. Подзарядка всех электронных устройств происходит как бы сама собой: пока вы носите плеер в кармане, он питается энергией ваших движений.
У «энергокостюма» лишь один существенный недостаток – он предназначен для человека, который постоянно двигается. Сидя сиднем, все-таки много механической энергии не выработаешь.
Второй из проектов «персональной энергии» разработан в США и не связан с часовыми механизмами. Но тоже не годится для людей, ведущих сидячий образ жизни. Американские исследователи предложили технологию, благодаря которой можно производить электроэнергию при ходьбе. Маленькие пластмассовые вставки в каблуках обуви, сжимаясь и растягиваясь во время шага, будут передавать энергию на носимый при себе аккумулятор размером с мобильный телефон. И ваши телефон, аудиоплеер, часы, а также другие мелкие устройства будут получать питание от этого аккумулятора. В дальнейшем, можно предположить, аналогичным образом будут питаться электродвигатели в имплантатах и протезах инвалидов.
В обоих случаях, конечно, требуется специальная «сбруя», по которой будет перемещаться электроток, или особая одежда, в которой будут спрятаны электроэлементы и провода. В случае с «электрокроссовками» выглядеть это будет примерно так: к штанине изнутри крепится тонкий проводок, который плотно прилегает к ней и не отстает при движениях ноги. Одна «прищепка» снизу фиксирует его к кроссовке, другая – сверху – к ремню. В ремне расположен аккумулятор, запасающий энергию, а его разъем подведен к чехлу вашего мобильного телефона или наладонника, находящемуся на том же ремне. То есть телефон подзаряжается каждый раз, когда вы кладете его в чехол.
Создадим электричество своими ногами
Можно предположить и «общественную» электроэнергию, добываемую с помощью механических колебаний. Проект «дорожной энергии» предложили израильские ученые, и уже в ближайшие годы экспериментальные участки дорог и тротуаров будут введены в эксплуатацию.
Представьте себе – тротуар состоит из подвижных панелей, наступая на которые вы «качаете» электрогенератор, как если бы жали на педали велосипеда или двигали рычаг. При этом амплитуда колебаний совсем маленькая – миллиметр-другой, больше не нужно – так что «прогибание» мостовой под вами вы даже не ощущаете. А в это время под ногами добывается электричество, которое затем идет на освещение улиц или какие-либо другие коммунальные нужды. Фактически – та же мускульная сила, что и несколько тысяч лет назад, но уже на совершенно другом идейно-техническом уровне.
Как это работает? Вспомните пьезоэлектрические зажигалки для газовых плит. Сжатие кристаллического элемента вызывает электрический разряд. Сам по себе он невелик, но на то и аккумуляторные батареи, чтобы запасать такие разряды.
«Электропокрытие» прячется под асфальтом или брусчаткой и может быть расположено где угодно – на тротуарах, трассах, даже в железнодорожном полотне. Разработали этот проект русские ученые-эмигранты, так что можно надеяться, что второй после Израиля страной, где будет много дешевой электроэнергии, добытой буквально ногами граждан, станет Российская Федерация.
Тепловые элементы
Другая форма «персональной» энергии, в области которой ведется множество научных исследований, – тепловые элементы. Вам знакома солевая грелка (ее обычно еще называют «химической»)? Твердая пластинка или палочка погружается в кипяток и постепенно размягчается. Потом вы сгибаете ее пополам – и грелка начинает постепенно твердеть до исходного состояния, одновременно выделяя большое количество тепла.
Работает эта грелка за счет солевого раствора – в кипящей воде он расплавляется, а под механическим воздействием (сгибанием) начинает кристаллизоваться, выделяя тепло. У солевой грелки теоретически неограниченное количество циклов использования.
Где в перспективе могут понадобиться такие «химические обогреватели»? Для начала – в пищевой промышленности. Представьте, что на дне ваших тарелок размещены небольшие «таблетки», которые начинают нагреваться, когда полная еды посуда стоит на столе. Полчаса-час «тепловая таблетка» не дает еде остыть, а потом «дозаряжается» во время мытья в горячей воде.
Там же, на кухне, найдется место и домашним солнечным электростанциям – солнечным коллекторам. Температура в очаге коллектора достигает 150 °C, при этом это тепло берется буквально из воздуха и не стоит ни копейки. Такие же нагреватели будут использоваться в системах центрального отопления и водоснабжения.
