Ознакомительная версия.
Магнетизм и электричество как природные явления были известны человеку с древних времен. Первая научная теория магнетизма принадлежит Уильяму Гилберту. Около 1660 года Отто Герике построил машину для получения статического электричества, что дало возможность уже проводить эксперименты. В 1745 году Питер ван Мушенбрук изобрел лейденскую банку. Но начало широким экспериментам с постоянным электрическим током положило изобретение Алессандро Вольта, создавшего в 1800 году, по словам другого ученого той эпохи Доменика Араго, «самый замечательный прибор, когда-либо изобретенный людьми, не исключая телескопа и паровой машины». Речь идет о знаменитом вольтовом столбе, долгое время бывшем единственно пригодным для практического применения источником тока. Двадцать лет спустя Ганс Эрстед обнаруживает действие электрического тока на магнитную стрелку, а еще десятью годами позже Майкл Фарадей формулирует закон электромагнитной индукции. 1834 год вошел в историю как год создания первого пригодного для практики электрического двигателя, изобретенного Борисом Якоби. Его коллега по Петербургской академии наук Эмиль Ленц вывел один из фундаментальных законов электромеханики — принцип обратимости генераторного и двигательного режима электрических машин. Целая плеяда ученых и инженеров реализует этот закон в технических конструкциях. Развитие электротехники идет так быстро, что уже в 1867 году один из ее основоположников Вернер Сименс имел основания заявить: «Современной технике предоставляются теперь все возможности, чтобы доступными и дешевыми средствами выработать ток неограниченной силы и получать его всюду, где имеется в распоряжении механическая сила. Этот факт во многих областях будет иметь существенное значение».
Первый Международный электротехнический конгресс в Париже (1881 г.) уже продемонстрировал большое влияние новой отрасли науки и техники на промышленность. «…В действительности это колоссальная революция, — писал Ф. Энгельс Э. Бернштейну в 1883 году. — Паровая машина научила нас превращать тепло в механическое движение, но использование электричества откроет нам путь к тому, чтобы превращать все виды энергии — теплоту, механическое движение, электричество, магнетизм, свет — одну в другую и обратно и применять их в промышленности. Круг завершен».
Так началась электротехническая революция. Вряд ли имеет смысл подробно описывать ее дальнейшее развитие. Электричество стало буквально вездесущим. В быту, в промышленности, на транспорте, в системах обработки и передачи информации, в автоматике. Обратим особое внимание читателя только на одну из новейших областей науки и техники — электрофизико-химические методы обработки материалов. Здесь электричество не только выполняет ставшую для него традиционной роль энергоносителя, но и само непосредственно участвует в технологическом процессе формообразования деталей.
Неудивительно, что производство электроэнергии во всех промышленно развитых странах мира опережает по темпам и рост национального дохода, и общее энергопотребление. Например, в СССР потребление энергии возрастает примерно на 12 процентов в год, в Японии — на 15 процентов. При этом доля первичных энергоресурсов, используемых на выработку электричества, начиная с 1950 года увеличилась с 14 до 50 процентов.
Основной поставщик электроэнергии — мощные и сверхмощные генераторы, вращаемые паровыми и гидравлическими турбинами. Они вырабатывают самое дешевое электричество в огромных количествах. Крупнейший в мире двухполюсный турбогенератор имеет мощность 1200 мегаватт. Одна машина вырабатывает электричества столько же, сколько вырабатывали 2/3 всех электростанций, строительство которых предусматривалось Государственным планом электрификации России в течение пятнадцати лет. Эта рекордная машина, успешно работающая на Костромской ГРЭС, — шедевр сложнейшей работы ученых, конструкторов, производственников.
Но рост мощности генераторов тока влечет за собой увеличение выделения тепла, а это — потери энергии. Проблема охлаждения обмоток генераторов стала препятствием на пути увеличения их эффективности. И как всегда, когда оказываются бессильными опыт и здравый смысл, на помощь приходит научное знание. Необычный для электротехники результат дает применение эффекта сверхпроводимости, еще совсем недавно считавшегося весьма экзотическим явлением, не имеющим особого практического значения.
Применение сверхпроводящих обмоток в электрических машинах позволяет в 2–3 раза уменьшить массу агрегата при коэффициенте полезного действия до 95,5 процента. Первые в истории промышленные криогенные генераторы — машины Будущего — уже построены в Ленинграде.
Но у сверхпроводимости, достигавшейся только при температуре жидкого гелия, есть смертельный враг — тепло. Поэтому проводники из сплава ниобия и титана в медной матрице помещаются в криостат, ведь поток тепла всего лишь в один ватт (столько тепла излучает лампочка карманного фонарика) способен испарить около 1,5 литра жидкого гелия в час. Криостат — своеобразный холодильник, вращающийся с частотой 3 тысячи оборотов в минуту, в который подается жидкий гелий и удаляется гелиевый газ, — конструкция не из простеньких. Поэтому понятно, с каким энтузиазмом встретили энергетики известие об открытии эффекта сверхпроводимости при значительно более высокой температуре. Высокотемпературная проводимость изучается сегодня в лабораториях всех экономически развитых стран мира. Рассказ об увлекательнейших и удивительнейших перспективах, открывшихся в 1987 году перед электротехникой, заслуживает отдельной книги. Уже в ближайшие годы в энергетике будет совершен новый революционный рывок вперед по дороге НТР.
Читатель, конечно, заметил, что создание даже весьма экономичных и небольших по размерам сверхмощных электрогенераторов со сверхпроводящими обмотками никак не отменяет проблему первичных источников энергии. Любой генератор надо вращать — силой ли пара, силой ли воды. Первичные энергоресурсы, как и другое сырье, человек черпает из природы. На производство электроэнергии расходуется около четверти добываемого в мире органического топлива. А запасы нефти, каменного угля и природного газа далеко не безграничны. Исчерпать их — значит оставить человечество без электричества, без энергии, сделать его бессильным — как на заре истории — против природы. Но об этом, конечно, не может быть и речи.
Одолев стихийные силы природы, человек стал мечтать о большем — безграничной власти над Землей. Но для этого нужен и неисчерпаемый источник энергии, электричества. Наращивать энерговооруженность путем добычи и сжигания все большего количества основных первичных энергоносителей — органических природных топлив и урана — бесконечно нельзя. Поэтому перспективы власти человеческого общества над природой связаны с поисками новых энергоносителей, добыча и переработка которых экономически выгодны и не ограничены экономическими проблемами.
В истории энергетики уже известны своеобразные топливно-энергетические революции. В XIX веке ведущую роль в энергетике играл каменный уголь. Примерно в середине XX века на смену ему пришли нефть и ее производные, добыча и переработка которых обходились гораздо дешевле. И вот теперь на очереди новый энергоноситель. Каким он будет? Пока ученые, инженеры и экономисты ищут. Достойных претендентов не так много. Некоторые считают, что будущее могущество человечества должно основываться на атомной энергетике— не современной, использующей обогащенный уран, а термоядерной. Заметим, что у этой идеи есть не только сторонники, но и многочисленные противники, доводы которых против ядерной энергетики слишком серьезны для того, чтобы от них можно было так просто отмахнуться. Да и чисто технических проблем еще чрезвычайно много: экономически выгодное промышленное освоение термоядерных реакций — дело не самого близкого будущего, хотя физики предполагают создать первый опытный термоядерный реактор еще до конца нашего тысячелетия.
Прямое преобразование солнечной энергии в электричество с помощью полупроводниковой техники, такое, как на космических кораблях, в промышленных масштабах не сулит особых экономических выгод. Недостаточны и другие альтернативные источники энергии — приливные электростанции, ветряные двигатели, термоэлектрические преобразователи. Но есть у ученых идея, реализация которой позволит решить энергетическую проблему наилучшим образом. Это использование в качестве первичного энергоносителя самого распространенного во Вселенной элемента — водорода, занимающего, как известно, первое место в периодической системе элементов.
Собственно говоря, сжигая каменный уголь, природный газ и нефть, мы уже используем теплотворную способность водорода. Ведь он поставляет основную часть тепла, получаемого в топках котлов электростанций. Достаточно сказать, что чистый водород дает в 3 раза больше тепла, чем бензин, в состав которого он входит, а о других углеводородных органических топливах и говорить не приходится. Но одно дело — водород в составе угля и нефти, и совсем другое — чистый водород, при сжигании которого в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания в выхлопные трубы поступает… чистая вода. Вся беда в том, что чистый водород сегодня дорог, и получать его в количествах, необходимых для замены других природных первичных энергоносителей, пока что практически нецелесообразно. Но, как мы уже говорили, у ученых есть идея…
Ознакомительная версия.
