Реферат
Энергетика будущего. Альтернативные методики будущего
План
Термоядерный синтез
Нанотехнологические солнечные элементы
К солнечной эре энергетики
Создание атомной техники по праву признано революцией в энергетике, и ее творцы не без оснований утверждают, что сердцевиной энергетики будущего должна стать и станет атомная энергия. Так можно ли в этих условиях вести речь о каком-то «солнечном веке» энергетики? Да, еще совсем недавно такие разговоры были бы безосновательны. Но сегодня при быстром сокращении легкодоступных запасов нефти и газа и постоянном ужесточении требований к химической, радиационной и тепловой чистоте энергопроизводства уже очевидно, что скоро развитие земной энергетики будет сдерживаться не техническими, а экологическими барьерами, и мощные термоядерные электростанции скорее всего придется располагать вне Земли. В то же время идет быстрое совершенствование процессов улавливания и преобразования абсолютно чистой во всех отношениях солнечной энергии.
Еще более замечательные перспективы открываются перед солнечной энергетикой в космосе. Не случайно о развитии этого направления очень заботился, будучи руководителем советской космической программы, академик М. В. Келдыш. «На совещаниях у него, — вспоминает академик В. С. Авдуевский, — не раз рассматривались различные варианты конструкций орбитальных солнечных электростанций, способы выведения и сборки в космосе, вопросы создания пленок для солнечных батарей, проблемы преобразования энергии и передачи ее на Землю с учетом охраны окружающей среды и экономического эффекта».
В наши дни проблема овладения солнечной энергией космоса становится одним из основных стимулов развития внеземного производства, подобно тому как в конце прошлого века она послужила основой самого рождения научной космонавтики. Тогда К. Э. Циолковский поразился общеизвестному факту, что почти вся энергия Солнца пропадает бесполезно для людей, и целеустремленно стал искать способ овладения всей этой энергией. В результате им была создана теория реактивного движения и изобретена ракета на жидком топливе как реальное средство осуществления космических полетов. Мечта о полете к звездам превратилась в науку — теоретическую космонавтику. Опубликованную в 1912 году вторую часть своей основополагающей работы «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Циолковский завершил словами: «Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле.
Лучшая часть человечества, по всей вероятности, никогда не погибнет, но будет переселяться от солнца к солнцу по мере их погасания»...
Исторический оптимизм ученья Циолковского вдохновил многих на самоотверженный труд по осуществлению его идей. А в СССР после победы Октября эти идеи получили всенародное признание, по всей стране стали возникать кружки, общества, группы по изучению межпланетных сообщений и реактивного движения. Проблеме стали уделять внимание дипломированные инженеры и ученые. Один из них, академик Д. А. Граве, в 1925 году посчитал необходимым ободрить энтузиастов космонавтики своим авторитетным приветствием, в котором писал: «Кружки исследования и завоевания мирового пространства встречают несколько скептическое к себе отношение во многих общественных кругах. Людям кажется, что дело идет о фантастических необоснованных проектах путешествий по межпланетному пространству в духе Жюля Верна, Уэллса или Фламмариона и вообще других романистов.
Профессиональный ученый, скажем, например, академик, конечно, не может стоять на этой точке зрения.
Мое сочувствие к вашему кружку покоится на серьезных соображениях. Уже пять лет тому назад я указывал на страницах газеты «Коммунист» на необходимость использовать электромагнитную энергию Солнца. При этом я руководствовался не какими-нибудь фантастическими соображениями, а неумолимой логикой совокупности фактов...
Единственный способ практического подхода к использованию электромагнитной энергии Солнца намечен русским ученым К.Э. Циолковским при помощи реактивных приборов или межпланетных аппаратов, которые вполне уже разработаны для этих целей и являются реальной действительностью завтрашнего дня. Так что организация данных кружков своевременна и целесообразна».
Сам Циолковский и его последователи, кроме исходной цели овладения энергией Солнца, выявили для космонавтики множество других, сравнительно более просто достижимых и потому более актуальных целей и задач по исследованию и освоению космического пространства в интересах науки и народного хозяйства, ставших основным стимулом для бурного развития ракетно-космической техники. Но основоположник космонавтики постоянно обращал внимание и на проблемы, связанные с решением исходной цели. Вот фрагменты его работ.
1920 год. Электрический ток можно получать в эфире теми же разнообразными способами, как и на Земле. Непосредственно с помощью солнечной теплоты, при посредстве термоэлектрических батарей. Последнее будет неэкономично, хотя со временем, может быть, найдут такие вещества для термоэлектрических батарей, которые почти всю теплоту Солнца будут превращать в электричество.
Надежнее для добывания электричества солнечные двигатели, которые могут утилизировать очень высокий процент (до 50 и более) солнечной энергии. Сущность их устройства такая же, как обыкновенных паровых двигателей с холодильником... Как и на Земле, большой многосильный двигатель почти целиком превращает свою энергию с помощью динамо-машины в электричество.
1926 год. Мы можем достигнуть завоевания солнечной системы очень доступной тактикой. Решим сначала легчайшую задачу: устроить эфирное поселение поблизости Земли, в качестве ее спутника... Поселившись тут устойчиво и общественно, освоившись хорошо с жизнью в эфире, мы уже более легким путем будем изменять свою скорость, удаляться от Земли и Солнца, вообще разгуливать, где нам понравится. Энергии же кругом великое изобилие в виде никогда не погасающего, непрерывного и девственного лучеиспускания Солнца. Этой энергии сколько угодно, и улавливать ее нетрудно в огромном количестве протянутыми от ракеты проводниками или иными неизвестными средствами...
1927 год. Солнечная энергия — главное; только мы не умеем ею пользоваться, и мешает тому еще атмосфера, ничтожное население (Циолковский считал, что население Земли в будущем должно возрасти во много раз. — Примеч. ред.), незнание и прочее. Эта энергия подобна электрической, и потому найдут средства ее почти целиком переводить в механическую, химическую и прочие виды энергии. Только наше невежество заставляет нас пользоваться ископаемым топливом. Да и надолго ли хватит минерального горючего?
1929 год. Какие выгоды может извлечь человечество из доступности небесных пространств? Многие воображают себе небесные корабли с людьми, путешествующими с планеты на планету, постепенное заселение планет и извлечение отсюда выгод, какие дают земные обыкновенные колонии. Дело пойдет далеко не так. Главная цель и первые достижения относятся к распространению человека в эфире, использованию солнечной энергии и повсюду рассеянных масс. Из них создается сфера, которую может занять человек! На двойном расстоянии от Солнца она в 2,2 миллиарда раз больше всей поверхности Земли. Во столько же раз эта сфера получает больше и солнечной энергии сравнительно с Землей.
И вот началась предсказанная Циолковским космическая эра человечества. Хотя полеты первых спутников преследовали чисто научные цели, они вдохнули новую жизнь и в солнечную энергетику. Уже в 1958 году третий советский и первый американский спутники были оснащены солнечными батареями. С ними в реальных многомесячных условиях космического полета не мог конкурировать никакой другой источник энергии. С развитием практической космонавтики шло быстрое совершенствование и солнечных генераторов. Опыт работы орбитальной станции «Салют-6» показал, что проблема снабжения электроэнергией очень энергоемкого оборудования современных космических аппаратов за счет солнечной энергии полностью разрешена. Успехи космонавтики открыли перспективы создания в будущем грандиозных космических солнечных электростанций (КЭС) для снабжения энергией не только аппаратов и сооружений, работающих на орбитах, но и Земли.
Мы уже немного писали о проектах КЭС (см. «ТМ», № 3 за 1973 год), представляя их как возможную к 2050 году, но маловероятную из-за низкой экономической эффективности область развития космической техники. Но представления меняются. На сегодня сформировалось мнение, что энергетические потребности человечества могут сделать рентабельными КЭС уже в самом начале XXI века. В результате эта тема превратилась в одну из наиболее обсуждаемых на международных и национальных конгрессах и симпозиумах по космонавтике. Например, на Циолковских чтениях 1980 года было 5 научных докладов по КЭС.
XXVI съезд КПСС поставил задачу, с одной стороны, сосредоточить усилия на дальнейшем изучении и освоении космического пространства в интересах развития науки, техники и народного хозяйства, а с другой — увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии. Выполнение его решений, несомненно, приблизит время «солнечной эры» энергетики.
В начале февраля 2006 г. под председательством РФ в «Большой восьмерке» и в рамках Международного партнерства по водородной экономике (IPHE) состоялся всемирный форум «Водородные технологии для производства энергии», генеральным спонсором которого стали Национальная инновационная компания «Новые энергетические проекты» и ГМК «Норильский никель».
Национальные программы по развитию данной отрасли приняты сегодня в странах Евросоюза, в России, США, Японии, Индии и др. Стратегия разработана до 2050 г., однако масштабные сдвиги в энергетике требуют большой подготовительной работы, частью которой и стала данная конференция. Она собрала ученых, промышленников, предпринимателей, которые не только обсудили планы развития отрасли, но и затронули ее экологические и социально-экономические аспекты, а также представили научные разработки, готовые проекты и образцы оборудования. Собравшиеся отмечали, что отечественная программа по водородной энергетике отражает имеющийся в стране научный и энергетический потенциал, но требует тщательно продуманного финансирования.
Развернутая в залах Московской мэрии выставка водородных и альтернативных технологий производства энергии наглядно продемонстрировала, что конкурентоспособные продукты будут способствовать оздоровлению экологической обстановки в крупных городах, смогут снизить потребление традиционных источников энергии, реализовать ряд технологических решений, таких как использование водородно-метанных двигателей в общественном транспорте и т.д.
В ходе выставки состоялась презентация национальной инновационной компании «Новые энергетические проекты» (НИК НЭП), работающей в области водородных технологий. НИК НЭП (генеральный директор член-корреспондент РАН Борис Кузык) - инвестиционная и управляющая компания по реализации комплексной программы «Водородная энергетика и топливные элементы», инициированной ОАО «ГМК
«Норильский никель» и Российской академией наук осенью 2003г. Результаты первого этапа сотрудничества науки u1080 и бизнеса показали, как можно эффективно управлять различными видами деятельности по созданию, коммерциализации и реализации на внутреннем и внешнем рынках современных продуктов водородных технологий.
На первом этапе своей деятельности НИК НЭП организует разработку, изготовление и проведение в 2006 г. демонстрационных испытаний низко- и высокотемпературных энергоустановок с топливными элементами (ТЭ) различных типов, а также ряда наиболее важных компонентов водородной техники — топливных процессоров газообразных и жидких углеводородных топлив. Для решения этой задачи НИК НЭП ведет разработки совместно с более чем 50 научно - исследовательскими институтами РАН, высшими учебными заведениями, конструкторскими и промышленно-производственными объединениями.
На выставке уже была представлена производимая компанией продукция промышленного и бытового назначения - это альтернативные источники электроэнергии, аппараты для получения водорода, системы его хранения и отпуска потребителям.
Чтобы и дальше наслаждаться образом жизни, к которому все мы так привыкли, человечеству придется начать технологический марафон, финишная черта которого едва различима сквозь дымку грядущих десятилетий. Американские ученые набросали стратегический план первых 50 лет борьбы за сокращение выбросов углекислого газа, столь необходимой после многих десятилетий необузданного загрязнения атмосферы.
Это так называемый план «А».
Однако успех задуманного зависит от того, сможет ли общество использовать весь спектр технологий сокращения выбросов CO2, чтобы устранить заветные 7 секторов, каждый из которых соответствует захоронению 25 млрд. т углекислого газа в подземных хранилищах. Любая отсрочка старта — и мы можем сойти с дистанции. Даже если план «А» сработает, и нынешняя молодежь к выходу на пенсию завершит первый этап марафона, состязание будет выиграно лишь наполовину. В 2056 г. эстафета будет передана новому поколению, которому предстоит пройти следующую, более трудную часть забега и сократить объем выбросов углекислого газа в 2 раза по сравнению с 2016 г.
Рано или поздно мир осознает необходимость плана «Б», заключающегося в разработке новых технологий, которые позволили бы получать 10-30 ТВт электроэнергии, не выбрасывая ни одной тонны углекислого газа. Сейчас настало время заняться им всерьез. Если мы не начнем создавать инфраструктуру для революционного изменения энергетической системы, то безнадежно опоздаем. Но что именно мы должны создавать? Давайте рассмотрим несколько наиболее перспективных проектов, а также пару заманчивых, но, к сожалению, фантастических идей.
Термоядерный синтез
Физики мечтают о получении неограниченной энергии с минимальным количеством вредных отходов. Однако политики бледнеют, когда слышат, во что обойдутся первые киловатт-часы такой энергии.
Высотный ветер
Ветра, дающие наибольшее количество энергии, дуют гораздо выше того уровня, на котором находятся турбины современных ветровых электростанций. Новые проекты метят в заоблачные выси, возможно, даже в высотные ветровые потоки.
Космическое зеркало
Если разместить гигантскую солнечную батарею на околоземной орбите, где солнце светит наиболее ярко и непрерывно, то наземная солнечная энергетика станет ненужной. Однако не все так просто.
Нанотехнологические солнечные элементы
Используя материалы со специально спроектированной молекулярной структурой, можно повысить весьма скромную производительность солнечных батарей.
Глобальная суперсеть
Революция энергосистемы немыслима без создания всепланетной сверхпроводниковой электросети.
Волны и приливы
Бушующий океан — очень мощный, но практически невостребованный источник энергии. Поэтому некоторые компании работают над тем, чтобы обуздать энергию волн.
Микробиологическая энергетика
Генные инженеры верят в возможность создания синтетической формы жизни, которая позволила бы нам выращивать энергию, как сейчас мы выращиваем продукты питания.