Анатолий Вассерман: Из Солнца в бензобак
Автор: Анатолий Вассерман
Опубликовано 04 апреля 2011 года
"Компьюлента" сообщает: "Учёные из Массачусетского технологического института создали дешёвый и долговременный аналог растительного листа. С помощью света устройство эффективно разлагает воду на кислород и водород, которые потом используются для получения электроэнергии". Ключевые здесь слова - "дешёвый" и "долговременный".
На квадратный метр поверхности, находящейся на орбите движения Земли вокруг Солнца и перпендикулярной солнечным лучам, падает в виде этих лучей 1400 ватт. До поверхности самой Земли доходит 1100.
Вещества, активно поглощающие инфракрасное излучение (в земной атмосфере это вода, метан и углекислота), перехватывают его из светового потока и далее переизлучают равномерно во все стороны. То есть половина теплопритока от Солнца уходит из атмосферы обратно в космос, не добираясь до нас. Так называемые парниковые газы не нагревают, а охлаждают планету.
Конечно, основная часть солнечной энергии доходит до нас не в инфракрасной, а в видимой части спектра. От нагретой же земной поверхности излучается именно инфракрасный диапазон. Соответственно те же парниковые газы возвращают половину этого потока обратно к Земле. Но основная часть тепла от грунта и воды уводится конвекцией - подъёмом воздуха, расширяемого нагреванием, - и испарением влаги. Излучение же становится основным путём теплоотвода на высоте более 10 километров, и тепло, излучаемое оттуда вниз, по дороге наполовину переизлучается обратно вверх. Так что суммарное действие парниковых газов - именно охлаждающее. И чем их больше, тем ниже итоговая температура земной поверхности.
Эту теорию ещё в 1909-м году подтвердил прямым экспериментом великий американский физик Роберт Вуд. В его биографии опыт описан так: "Он занялся также опровержением распространённой теории о причинах высоких температур, получаемых в парниках и оранжереях; теория эта попала почти во все учебники и книги, в которых затрагивается этот вопрос. Хорошо известно, что стекло совершенно непрозрачно для большей части солнечного спектра за красной границей, то есть в области длинных волн. "Теория" считала, что видимый свет и коротковолновая часть теплового излучения проходят сквозь стекло и нагревают землю. Предполагалось, что нагретый грунт при этом сам излучает волны такой большой длины, что они не могут выйти обратно сквозь стекло и таким образом оказываются "пойманными".
Теория Вуда была очень проста: стеклянная крышка пропускает лучи, нагревающие землю, которая в свою очередь согревает воздух. Этот тёплый воздух заперт в парнике и не может подняться к облакам, как это происходит на открытой земле. Если вы откроете дверь оранжереи, что станет со старой теорией? Он доказал свою правоту следующим простым опытом: сделав две коробки из чёрного картона, он покрыл одну из них стеклянной пластинкой, а другую - прозрачной пластинкой из каменной соли. В каждую коробку был помещён шарик термометра, и обе они выставлены на солнце. Температура поднялась до 130° по Фаренгейту, почти в точности на одну и ту же величину в обеих коробках. Каменная соль прозрачна для очень длинных волн, и, по старой теории, такая крышка не должна была дать эффекта оранжереи, то есть здесь не могли "улавливаться" солнечные лучи, и температура должна была быть меньше".
Сам Вуд в публикации указал: первоначально температура в коробке, покрытой стеклом, была - в полном противоречии с парниковой теорией - ниже, чем в коробке, покрытой солью, ибо стекло не пропускает инфракрасные лучи внутрь, так что суммарный энергоприток уменьшается; только после того, как Вуд поместил высоко над обеими коробками лист стекла и таким образом отсёк инфракрасное излучение и от коробки, покрытой солью, температура вполне уравнялась.
Зная эти азы теплофизики, особенно интересно читать политические фантазии, вроде Кётского протокола, или учёные байки, вроде "Получены новые свидетельства в пользу раннего антропогенного влияния на климат". Впрочем, коммерческие причины парниковой истерии - тема, заслуживающая множества отдельных исследований. Здесь же достаточно запомнить итоговую мощность солнечного излучения, доступного земной энергетике: 1100 ватт на квадратный метр.
Впрочем, о половине этой мощности можно сразу забыть. Земля вращается, и каждый конкретный квадратный метр освещён всего в половину суммарного рабочего времени. Если же учесть ещё, что поддерживать этот квадратный метр постоянно перпендикулярным свету довольно трудно, то реальная доступная мощность падает ещё раза в два. Даже если забыть о тучах и туманах.
Наконец, КПД преобразования света в иные формы энергии тоже далёк от идеальной единицы. Даже 1/4 считается в солнечной энергетике очень завидным и труднодостижимым результатом.
Чтобы собрать сколько-нибудь заметную солнечную мощность, требуются немалые технические - а значит, и коммерческие - усилия. Скажем, солнечные батареи сегодня не дешевле десяти долларов за каждый ватт установленной мощности (то есть, с учётом вращения Земли, четверть ватта реальной). Министерство энергетики Соединённых Штатов Америки намерено за ближайшие шесть лет сократить эту цену вдесятеро. Но даже в этом случае солнечная батарея за весь срок службы выработает немногим больше энергии, чем уйдёт на её производство. Прочие виды новомодной альтернативной (то есть в конечном счёте опирающейся на нынешний поток солнечной энергии, а не на запасённые в недрах результаты её воздействия на нашу планету на протяжении сотен миллионов лет) энергетики столь же катастрофически нерентабельны.
"Искусственный лист" пока очень недолговечен: по сообщению разработчиков, он в лабораторных условиях проработал сорок пять часов без снижения эффективности. Но судя по тональности доклада, это всего лишь следствие спешки при его подготовке к конференции. Если и впрямь удастся наконец создать устройство, способное за время эксплуатации выработать достаточно энергии, чтобы многократно перекрыть затраты на его изготовление, - мировую энергетику ждут радикальные преобразования.
"Лист" разлагает воду на водород и кислород. Экспериментаторы использовали эти газы в топливном элементе. Но электроэнергии в мире и так немало. Особенно если учесть перспективы развития ядерной энергетики. Даже катастрофы вроде Трёхмильного острова, Чернобыля и Фукусимы не отменили очевидного факта: вся ядерная энергетика мира со всеми своими авариями и отходохранилищами выбросила в окружающую среду меньше радиоактивности, чем угольные электростанции (не говоря уж о коксовых батареях и обычных печах) за один год (в виде мельчайших пылинок обычного камня, неизбежно примешанных к углю).
Доступные запасы урана содержат примерно столько же энергии, сколько запасы угля, если даже не прибегать к размножающему циклу. Если же будут сняты нынешние политические ограничения на использование избыточных нейтронов цепной реакции для преобразования неделящихся изотопов тория и урана в делящиеся изотопы урана и плутоний, то суммарный энергозапас ядерных технологий на пару порядков превзойдёт запас солнечной энергии, накопленный за миллионы веков в ископаемой органике на Земле.
Но электропровод можно подвести далеко не повсюду. Даже электрификация железных дорог начата вовсе не везде в мире. А уж проекты электромобилей всё ещё натыкаются на такие технологические и инфраструктурные сложности, что доселе остаются предметом сенсаций да демагогии.
В рамках уже созданных инфраструктуры автозаправок и технологий автостроения оптимальным пока остаётся использование двигателей внутреннего сгорания и жидкого топлива. Только после того, как заметная доля заправок сможет подавать в автомобили не только бензин, но и сжиженный или сжатый водород, можно будет приступать к следующему этапу - замене автомобильных ДВС топливными элементами с соответствующим упрощением систем передачи усилия на колёса и управления этим усилием.
Но есть и возможность ещё надолго остаться в рамках привычных технологий. Всё та же "Компьюлента" ещё месяц назад сообщала: генетическими манипуляциями создан микроорганизм, вырабатывающий полноценное жидкое топливо. Американская биотехнологическая компания с выразительным названием Joule Unlimited сформировала цианобактерии (сине-зелёные водоросли), выделяющие этиловый спирт не разложением более сложной органики (как дрожжи), а синтезом из воды и углекислого газа под действием солнечного света. В перспективе - синтез дизельного топлива.
Если действительно удастся создать в пустынях искусственные озёра (или хотя бы стойки с водонаполненными кассетами), откуда будет вытекать удобное сырьё для получения автомобильного топлива, значительная часть мировой экономики заметно перестроится. А за нею изменится и политика, всё ещё остающаяся, как отмечал ещё Ленин, концентрированным выражением экономики.
