Наука и техника: прошлое и настоящее

Лицом к Солнцу

Если бы я хотел иметь веру, я обоготворил бы Солнце.
Наполеон

Солнечная энергия – самая древняя, экологически чистая форма энергии, данная нам от сотворения мира. Земля миллиарды лет купается в солнечных лучах, несущих ей свет и тепло, создавших ископаемые источники топлива (каменный уголь, нефть, газ), накопивших на Луне, как выяснилось недавно, большие запасы изотопа гелий-3, необходимого топлива грядущих термоядерных станций. Солнечная энергия, по-видимому, породила земную жизнь.

Солнце – наше всё

Солнцу мы обязаны всем. Эта карликовая звезда спектрального класса G2, затерявшаяся среди мириад звёзд Галактики, удивительно пригодна для неспешной эволюции на её третьем спутнике. Солнце – одиночка, тогда как большинство звёзд входит в двойные и множественные ассоциации, переменная светимость которых несовместима с развитием жизни. Источник энергии нашей звезды – термоядерные реакции «горения» водорода, а водород – самый распространённый элемент в природе. Его запасов в центральной зоне – солнечном реакторе – хватит на миллиарды лет неторопливого «горения». Солнечная система планет, тоже, как по заказу, очень спокойная: малые, лёгкие – в начале, большие, тяжёлые – в конце, – они не возмущают звезду, не заставляют её вспыхивать, что тоже на руку эволюции жизни. В результате солнечная светимость (4 · 10³³ эрг/с) постоянна с точностью до долей процента. Важно для нас и то, что земная орбита почти круговая (эксцентриситет 0,017), – всегда на неё приходит строго определённый поток, 1,37 ·10⁶ эрг/(см² · с) = 1,37 кВт/м², называемый солнечной постоянной. И лишь наклон оси вращения Земли (23,4°) к плоскости орбиты вносит приятное разнообразие – смену времён года в средних и высоких широтах. На экваторе, где Солнце каждый день бывает в зените, – вечное летнее благополучие с равной длительностью дня и ночи.

Из этих многочисленных случайностей, по-видимому, следует, что жизнь – довольно редкое явление, что, конечно, не исключает возможности других обитаемых миров, как предсказал ещё Джордано Бруно. Даже здесь, в удачно подогнанной Солнечной системе, она существует только на Земле, тогда как в иных обителях царит либо кромешный ад (Венера, Меркурий), либо жуткий холод (тяжёлые планеты и их спутники, совершенно не пригодные для жизни). Остаётся непонятным, почему на соседнем Марсе, во многом схожем с Землёй, получающем лишь в два раза меньше солнечного света, не видно признаков жизни. Возможно, там сработал какой-то другой – ударный, астероидный – механизм её подавления.

Ударный механизм проявился и на нашей планете. Как считают палеонтологи, 65 млн лет назад астероид, врезавшийся в район Юкатана, породил многолетнюю ядерную зиму – поглощение солнечного света огромными выбросами пыли и газов в атмосферу – и избавил наш мир от господства динозавров, оставив для назидания только варанов и крокодилов. И Тунгусский метеорит, столетие которого отмечалось в прошлом году, – тоже проявление ударного механизма: каменный астероид размером 100 м и весом 15 млн т протаранил атмосферу (тела меньших размеров тормозятся в верхних слоях и, сбросив скорость, благополучно достигают поверхности) и взорвался на высоте 10 км, распылив вещество по всему земному шару. (Это лишь одна из версий объяснения тунгусского события. – Ред.) В этом случае энергия столкновения была намного меньше, последствия для экосистемы не столь катастрофичны. Ударный механизм, как видно, весьма радикален и, к счастью, очень редок, по крайней мере в нашей части Галактики (8 кпк от её центра). Он может приводить к кардинальным изменениям хода жизни, особенно в тех местах, где велика концентрация космических тел. Здесь опять повезло Земле, куда камни-пришельцы залетают сравнительно редко.

Солнечная погода

Итак, Солнце, снабдившее третью планету достаточным количеством света и тепла, одарившее её обильной гидросферой и толстым слоем атмосферы, сделало, казалось, всё для возникновения жизни, ход которой время от времени подправляют удары космических тел. Что ещё можно ожидать от скромной долгожительницы?

Солнце, определённо, влияет на земную погоду. Самое сильное проявление этого влияния – великие оледенения. Палеонтология насчитывает по крайней мере четыре глобальных оледенения, захватывавших оба полушария, когда ледники, спускаясь с полярных шапок, достигали средних широт. Период между ледниковыми эпохами составлял 200–250 млн лет, а их длительность около 10 млн лет. Совершенно ясно, что такое глобальное явление не могло не влиять на флору и фауну, став ещё одним мощным фактором земной жизни. Высказан ряд гипотез. Солнце движется по круговой орбите вокруг центра Галактики с периодом, совпадающим с последовательностью ледниковых эпох. Отсюда можно предположить, что в некотором месте этого кругового маршрута оно проходит через газовое облако, уменьшающее солнечную постоянную. Однако наблюдательной астрофизике не известны такие гигантские облака, поглощающие свет. Другая, более изощрённая, гипотеза связывает великие оледенения с процессами в солнечном ядре, где происходят реакции термоядерного «горения» водорода с превращением его в гелий. При температуре Т_ц = 1,3 · 10⁷ К, точно определённой по модели Солнца, водород «горит», а гелий, требующий более высокой температуры, – нет и забивает термоядерную топку, как зола домовую печь. Звезда – саморегулирующаяся система. Группа английских физиков во главе с нобелевским лауреатом У.Фаулером провела компьютерный расчёт: когда гелия скапливается достаточно много, в ядре происходит бурная конвекция, в результате которой балластный гелий выносится и заменяется свежим водородом. Время между последовательными проявлениями конвекции и их длительностью совпало с временами оледенений. Температура Т_ц из-за замены гелия водородом, согласно уравнению состояния вещества, должна падать на 10⁶ К, что обязательно сказывается на уменьшении солнечной постоянной и на климате Земли. Интересно отметить, что последнее, четвертичное, оледенение произошло 3 млн лет назад. Следовательно, мы живём в эпоху восстановления нормального темпа термоядерных реакций на Солнце, а всё, что происходило за это время, существенно повлияло не только на облик Земли, но и на её обитателей. Именно 3 млн лет назад возник род homo sapiens! Солнце создало на Земле и жизнь, и разум. Чем оно ещё может одарить нас?

Солнечная энергетика

Доля солнечной энергии в общем балансе земных источников пока крайне мала – не больше 0,1%. Раньше человечество обходилось дровами, торфом, каменным углем. Сейчас используется в основном (на 80%) ископаемое углеводородное топливо (нефть, газ), запасы которого подходят к концу. За последние десятилетия не найдено заметных залежей материковой нефти, открытые месторождения заметно истощаются. Нефть качают с прибрежного шельфа морей (Каспийского, Северного и других), можно добывать нефть благодаря потеплению климата со дна Ледовитого океана (Норвегия уже получает нефть со дна Баренцева моря). Дешёвое ископаемое топливо, опора энергетики ХХ в., уходит в прошлое ещё и потому, что работающие на нём тепловые станции (ТЭС) не удовлетворяют сегодняшним требованиям по предотвращению загрязнения окружающей среды. Добыча и транспортировка огромных масс топлива, вредные выбросы парниковых газов, тяжёлых металлов, радиоактивных элементов, сжигание атмо­сферного кислорода – неизбежные следствия работы ТЭС. На смену им приходят атомные станции (АЭС) – на уране и плутонии, на тепловых и быстрых нейтронах. Высокая калорийность атомного топлива, в миллионы раз больше, чем газа и нефти, независимость от атмо­сферного кислорода – важные козыри в энергетическом соревновании. Наша страна – родоначальница АЭС: первая атомная электростанция, преобразованная из экспериментального ядерного реактора, заработала в Обнинске в 1959 г. Доля атомной энергии в общем мировом балансе будет, несомненно, возрастать, но и она экологически неприемлема. АЭС потенциально опасны, как показал взрыв 4-го блока Чернобыльской станции и продолжают показывать неизбежные, хоть и не столь опасные, аварии на атомных реакторах в разных странах. Проблема захоронения радиоактивных отходов АЭС, содержащих огромные дозы и полный набор радиоактивных элементов с периодами распада вплоть до миллионов лет, до сих пор не решена. Их надо содержать длительное время в подземных хранилищах, оберегая от разрушения (из-за землетрясений и возможных террористических актов) и от контакта с водой, что неизбежно привело бы к отравлению водных ресурсов. Атомные электростанции, вполне приемлемые экономически (цена единицы энергии даже ниже, чем на ТЭС), достигшие мощностей в десятки гигаватт, рассматриваются как переходный этап к термоядерным электростанциям (ТЯЭС), над созданием которых учёные бьются уже более 50 лет.

Преимущества термоядерной энергетики очевидны: запасы топлива – дейтерия (D) и трития (T), получаемого из изотопа ⁶Li – намного превышают запасы природного урана (их хватит на тысячелетия), экологическая чистота – на порядки лучше, чем на АЭС, хотя первичный вариант (реакция D + T → ⁴He + n), уже достигнутый в экспериментальных установках, не будет экологически чистым из-за активности самого трития и наведённой активности при захвате нейтронов в стенках реактора. Абсолютно чистый вариант даёт реакция D + ³He → ⁴He + p, где нет первичной активности (³He и D – стабильные ядра) и все продукты (⁴Не, протоны) удерживаются магнитным полем. Но эта реакция требует более высокой температуры и запасов 3Не, которого нет на Земле. Вот тут опять проницательная забота Солнца о нас. В солнечном ветре – потоке плазмы, испускаемом звездой, – содержится много изотопа ³Не, который накапливается на Луне и планетах, лишённых атмосферы. Как подтвердил анализ, лунный реголит, доставленный астронавтами миссии «Аполлон», – руда, богатая гелием-3. В недалёком будущем его могут начать там добывать и в баллонах отправлять на земные ТЯЭС.

Из всевозможных путей термоядерного синтеза (открытые и замкнутые магнитные ловушки, инерциальный «термояд» – лазерный, электронный, ионный, ректоры взрывного действия) наиболее перспективным стал метод токамака (ТОковая КАмера с МАгнитными Катушками), предложенный и разработанный у нас, в Институте атомной энергии им. И.В.Курчатова. Идея токамака крайне проста. Тороидальная камера, наполненная газовой смесью дейтерия и трития, служит вторичной обмоткой трансформатора. Когда в первичной создаётся мощный импульс тока (миллионы ампер за микросекунду), индукционный ток в камере ионизует газ, образуя высокотемпературный плазменный шнур, сжатый собственным магнитным полем и удерживаемый в центре без соприкосновения со стенками. Высокая температура (10⁸ К, что эквивалентно энергии взаимодействующих частиц 10 кэВ) и долгое (порядка секунд) сохранение температуры плазмы обеспечивает высокий темп реакций синтеза. На экспериментальных установках Т-7, Т-10, Т-15 в нашей стране, TFTR (США), JET (Европа), JT-60 (Япония) были получены необходимые значения давления, температуры и времени сохранения плазмы для энергетически выгодного синтеза (выделяемая энергия превышает потери на разогрев и удержание плазменного шнура). Считается, что все принципиальные вопросы токамака решены. Сделан расчёт международного экспериментального ТЯ-реактора (ITER) – прообраза будущих ТЯЭС, на котором должны быть «обкатаны» инженерные задачи и получен режим непрерывного горения. Сейчас выбрано место для ITER – атомный центр в Кадараше (Франция), где уже начато строительство этой гигантской установки размером 20 × 30 × 30 м, объёмом плазмы 3000 л (прежние установки содержали 2 л) – огромного индустриального скачка стоимостью 8 млрд евро. В международную кооперацию ITER входят Россия, Европа (Англия, Франция, Германия), Япония, США и недавно вступившие Индия, Китай и Корея. По намеченному плану, с 2016 г. начнутся эксперименты, которые должны дать ответ на нерешённые вопросы. Одновременно в Японии создаётся установка DEMO, цель которой – демонстрация реальной возможности ТЯЭС. Если всё пойдёт по плану и не возникнет новых трудностей, первая ТЯЭС появится к 2030 г., и на Земле вспыхнет «искусственное Солнце».

Возможно, к этому времени на геостационарной орбите будет введена в строй первая космическая солнечная электростанция (КСЭС) такой же экологической чистоты и не меньшей трудности реализации, проекты которой разрабатываются уже 40 лет. Эти два энергетических гиганта XXI в. поделят между собой мировой рынок, если, конечно, к этому времени не появится какая-нибудь новая сногсшибательная идея, на что горазд наш век.

Малая солнечная энергетика

Пока гиганты растут и созревают, на повестке дня – использование Солнца в энергетике малых мощностей (до 10 МВт), непосредственно связанной с солнечными домами, которые появляются не только в областях с «хорошим солнцем», но и в северных странах. Солнечный дом – это культура современного домостроения или попросту реализация совета «не бросать тепло на ветер». Установлен ряд правил, как сохранить тепло: определённая ориентация дома (большая стена с окнами на юг, глухая наклонная – на север), применение тройных рам и двойных тамбуров на входе, массивная, служащая аккумулятором тепла, стена за южными окнами, вентиляция с подвальным теплообменником выходящего воздуха, использование теплиц на верхних этажах (атриумов), тоже аккумуляторов тепла. За счёт этих пассивных элементов можно сэкономить до 50% расходов на обогрев дома, при всего лишь 10%-ном увеличении стоимости строительства.

Активный элемент – тепловые и фотоэлектрические преобразователи солнечного света или другие возобновляемые источники, чаще всего ветряки. В завершённом виде солнечный дом – это хозяйство, полностью обеспечивающее себя энергией, которому не нужны внешнее электропитание, запасы угля, мазута, газа. Самым распространённым элементом служит плоский тепловой коллектор – система зачернённых труб на крыше здания, в которых протекающая вода нагревается до 80–90° при объёме, достаточном для всех хозяйственных нужд, обогрева здания и даже плавательного бассейна. Такие солнечные дома давно прижились в средних, богатых солнцем широтах. Их продвижение на север затруднено из-за уменьшения потока солнечного света и ухудшения погодных условий (ветры, облака, туманы). И всё же прогресс техники продвигает их в северные регионы. В США они в массе встречаются не только в Калифорнии и Аризоне, но и в Нью-Джерси, Пенсильвании и Нью-Йорке. Фирма Sandia сообщила о рекордной эффективности теплового коллектора (КПД = 31,2%, пиковая мощность 26,7 кВт). Движению на север способствует разработка вакуумных коллекторов, более сложной и потому дорогой техники. Вакуум создаётся вокруг системы трубок (поглощающих свет и пропускающих воду), чтобы снизить потери тепла. Вакуумные коллекторы нагревают воду до 90–170° и способны работать при низкой температуре окружающего воздуха.

Более прогрессивным средством для солнечного дома, открывающим ему дорогу в северные дали, служат давно принятые на космических станциях панели солнечных батарей. Это прямые полупроводниковые (в основном кремниевые) преобразователи энергии фотонов видимого света в электроэнергию, эффективность которых неуклонно растёт. Открытые ещё в 1930-х гг. А.Ф.Иоффе, они имели КПД около 1%, а сейчас он дорос до 30%. Лучшие из них – гетерогенные, разработанные академиком Ж.И.Алфёровым, который был удостоен за это открытие Нобелевской премии в 2001 г. Сейчас предложены новые составы (TiO₂ и др.) и формы (поликристаллические, плёночные, волоконные). Главное их достоинство – работа на рассеянном солнечном свете, практически при любых погодных условиях. Фирма Sandia выпускает солнечные панели с рекордным КПД – 42,8%.

Индустрия солнечных домов

Солнечные дома приобретают другой вид. Для их изготовления стали использовать не дерево, бетон и кирпич, а блоки пенополистирола – материала, обладающего в 100 раз меньшей теплопроводностью. Стоимость такого дома меньше на 35%, расходы на отопление ниже на 75%. Появилось множество фирм, изготовляющих как сами дома, так и необходимый инвентарь для них. Интернет заполнен предложениями, способными удовлетворить любой эстетический вкус, требования к размерам и месту установки. Издаются журналы по энергосберегающим домам. Правительства многих стран (США, Канада, Западная Европа) проводят политику активной поддержки солнечного домостроения, предоставляя дотации, снижая налоги, всячески содействую развитию этой полезной индустрии. Помимо всего прочего солнечные дома способствуют уменьшению концентрации СО₂ в атмосфере, что, возможно, противодействует потеплению климата.

Меняется эстетика солнечных домов, вытекающая, как приятно отметить, не из случайной моды, а из стремления к большей эффективности и экологической чистоте. Фирма SunPower (США) предлагает дома с системой солнечных батарей на крыше, полностью заменяющих черепицу (solar roof tile system). На рис. 1 показан такой дом. Мощность энергоустановки позволяет отказаться от принятой консервативной концепции солнечного дома (с необходимой ориентацией, тройными рамами, двойными тамбурами и т.д.), что даёт простор архитектурному замыслу и желанию владельца. Современный солнечный дом становится образцом комфортного жилья XXI в.

Самый большой и необычный из солнечных домов, построенных в Англии, расположен в промышленном центре Манчестер (рис. 2). Это высотная башня страховой компании CIS, сверху до низу покрытая солнечными панелями. 7244 плоские фотопанели общей мощностью 0,58 МВт не только предохраняют здание от дождя и смога, но и снабжают энергией близлежащие дома, освещают улицы и улучшают экологию. Башня, заменяя ТЭС, уменьшает выбросы СО₂ на 100 т в год. Потребовались, конечно, большие расходы, частично взятые на себя правительством и рядом региональных организаций через гранты, а также выпуск займовых облигаций. Сейчас, через 3 года после ввода башни, облигации вдвое повысились в цене. Солнечная энергия нашла понимание всего населения страны. Башня CIS – символ экологической чистоты и веры в солнечную энергетику.

Россия, хоть и с заметным опозданием, тоже включилась в солнечное домостроение. Если десять лет назад говорилось о такой возможности для южных областей (Ставропольский и Краснодарский края, Нижнее Поволжье), то теперь граница солнечных домов доведена до Москвы. Появились учреждения для их строительства и обеспечения: фирма «Ваш солнечный дом», предприятие «Солнечный ветер». По-прежнему, однако, рекламные проспекты заполнены финскими, шведскими и прочими солнечными домами, которые, конечно, заметно дороже наших. Но вот и отечественная новинка – переносная станция на солнечных панелях ЭПС-50-2, – очень скромная (U = 1,5–12 В, P = 100 Вт), предназначенная для автомобильных загородных поездок.

Средняя солнечная энергетика

Уже давно идея солнечного дома выросла до солнечных посёлков. В Германии, самой передовой стране Европы по солнечному домостроению, введены в строй многоквартирные дома, учебные заведения и учреждения, частично или полностью обеспеченные солнечной энергией. Путь от солнечных домов к городам Солнца медленно, но верно претворяется в жизнь. Солнечная энергетика, необходимая для современной средней индустрии, осваивает интервал в десятки и сотни мегаватт.

Раньше упоминались экспериментальная установка СЭС-5 в Крыму, солнечная станция с гелиостатами в Пиренеях (Испания), солнечные электростанции в Калифорнии и Израиле. Сейчас о них не слышно, – наверное, не выдержали конкурентной борьбы с более дешёвыми ТЭС. Однако технические новшества (в союзе с экологической чистотой) прокладывают солнечной энергетике дорогу и в этом диапазоне. Разработаны и широко внедряются стирлинг-генераторы. Большая спутниковая тарелка фокусирует солнечный свет на нагреватель с жидким водородом, приводящим в действие поршневую систему Стирлинга (рис. 3). Эта новая техника идёт на смену простым солнечным панелям космических кораблей. В 2007 г. в Испании вступила в строй первая СЭС со стирлинг-генераторами мощностью 11 МВт. В Неваде (США) завершается строительство станции мощностью 64 МВт.

В Калифорнии создаётся установка из 70 тыс. тарелок суммарной мощностью 1,75 ГВт – солнечная энергетика набирает обороты. Сейчас это самая быстро развивающаяся энергетическая отрасль, не только по экологическим, но и по экономическим показателям. Считают, что к 2020 г. она достигнет 1%, а к середине века не меньше 30% в мировом производстве энергии.

Рис. 3. [www.democraticunderground.com/discuss/duboard]

Для электростанций в десятки гигаватт, требуемых современной индустрией, солнечная энергетика не сказала ещё своего веского слова. В наземном варианте такие СЭС, занимающие огромные территории и, как и ТЭС, ведущие к перегреву планеты, теряют свою экологическую привлекательность. Эту проблему может решить только КСЭС на геостационарной орбите, но технически она оказалась ещё более сложной, чем термоядерное «искусственное Солнце» на Земле. Пока не предложено ни одного реального проекта КСЭС.

Другие возобновляемые источники

Есть определённый прогресс и по другим энергетическим методам. Ветровые двигатели (рис. 4) обогнали даже солнечные установки, их доля в мировой энергетике несколько больше. Нестабильная погода последних лет с возросшим числом циклонов и ураганов, кажется, благоприятствует их внедрению. Экономически они вполне оправдывают себя в энергетике малых и средних мощностей. Из-за производимого шума их размещают в пустынных местах (Египет) и на шельфе, подальше от берега (Балтика, Северное море). Рать гигантских ветряков с многометровыми лопастями – заветная мечта современных донкихотов.

Рис. 4. [www.alxlabs.ca/articles/cact/artc2.html]

Предпринимаются попытки использования геотермальных источников, и не только там, где их много (Камчатка, Исландия). Предложен и проходит испытания проект Базельской ЭС (Швейцария). Вода закачивается по трубам на глубину 5 км, где нагревается до сотен градусов и, под напором выталкиваясь на поверхность, приводит в действие паровую турбину.

Есть проекты, основанные на использовании энергии океанских приливов и морских течений в современных крупных установках. В целом доля возобновляемых источников в общем энергетическом балансе, очевидно, будет расти. И всё же прогнозы на XXI в. дают явный приоритет экологически чистой солнечной энергетике (рис. 5).

Рис. 5. Прогноз развития мирового энергоснабжения, по сценарию МГЭИК (Бюллетень МАГАТЭ, 2000, т. 42, № 2)

Солнце всё-таки – наше всё.

 

Литература

1. Лучков Б. Солнечный дом – солнечный город. – Наука и жизнь, № 12/2002.
2. Петрукович А. Луна и грош, или история гелиевой энергетики. – Наука и жизнь, № 3/2004.
3. Толочко А. Солнечная энергетика на службе человека. – http://sunterm.narod.ru/simple.html.