* * *

Пусть не напрасно греет и светит Солнце, пусть не напрасно течет вода и бьются волны о берег. Надо отнять у них бесцельно расточаемые дары природы и покорить их, связав по своему желанию…»

Пять с половиной веков назад написал эти слова великий флорентиец, автор «Божественной комедии» Данте Алигьери. И сегодня это может быть девизом для энергетиков. Ибо, несмотря на стремительнейший рост энергетики, растет и потребность в ней.

Всего сто лет назад 94 процента всей располагаемой человеком энергии давали мускульные усилия людей и животных. И только 6 процентов — водяные колеса, ветряные мельницы и редкие паровые машины.

А сейчас в энергетическом балансе человечества его собственные силы и усилия домашних животных составляют едва один процент. Как же выросло количество энергии, предоставляемой человеку механическими двигателями! И как обогатило, улучшило человеческую жизнь овладение энергией! Ведь это оно сократило расстояние между материками с месяцев, понадобившихся Колумбу, до нескольких часов, затрачиваемых на трансатлантический перелет реактивным самолетом. Это обилие энергии сделало общедоступными алюминий и искусственные ткани. Это обилие энергии сделало возможными передачу движущихся изображений по радио и запуск искусственных спутников Земли и космических кораблей. Это обилие энергии подняло на несоизмеримый уровень производительность человеческого труда.

По некоторым прогнозам ученых, в ближайшие сто лет выработка энергии во всем мире вырастет в 90 раз. Какие же еще более удивительные чудеса станут возможными, общедоступными!

Туннель под Атлантическим океаном вроде описанного в романе Келлермана? Да, станет возможным! Если понадобится.

Утепление тундры и освобождение Гренландии из-под километрового слоя льда? Осуществится! Если только будет признано целесообразным.

Полет на соседние планеты, а может быть, и к соседним звездам? Да, вполне вероятная вещь.

Нет, пожалуй, ни одной фантазии, которую рано или поздно не осуществят человеческие разум и руки. И в большинстве случаев воплощение этих фантазий связано либо с возможностью располагать огромными количествами энергии, либо с необходимостью концентрировать ее большие количества в небольшом объеме. И поэтому борьба за энергию стала знаменем века.

Энергия — всюду. Это и золотые потоки солнечных лучей, и волны бьющего о берег прибоя, и яростная конвульсия ядерного расщепления, и незримое гравитационное поле, разлитое по бескрайним просторам Вселенной. Но как мало природных источников энергии мы научились использовать! И как еще плохо используем те, которые считаем освоенными! Как много увлекательнейших проблем стоит перед различными отраслями энергетики — науки, которая должна обеспечить человечеству его силу!

Производству энергии, энергетике уделено огромное внимание в нашем семилетнем плане. Дело не только в том, что более чем в два раза должна вырасти за эти годы установленная мощность электростанций. Нет, запланировано качественное изменение энергетики. Будет осуществлено строительство гигантских тепловых электростанций. Будут построены и гигантские, невиданных мощностей гидроэлектростанции. Вступят в строй мощные атомные электростанции. Еще шаг будет сделан на пути создания Единой энергетической системы Советского Союза. Многие неясные еще сегодня вопросы найдут свое конкретное воплощение в электрических машинах, ацпаратах, устройствах.

Еще величественнее перспективы нашей энергетики, запланированные в новой Программе КПСС. До 2700–3000 млрд. квт-ч вырастет производство электроэнергии в нашей стране к 1980 году. Эту цифру просто не с чем сравнивать, как не с чем сравнивать ширь океана или глубину неба… Мировое производство электроэнергии в настоящее время не достигает и половины этой величины.

Вот почему посвятили мы целую главу этой книги проблемам энергетики.

 

От истоков

Академик Александр Васильевич Винтер — его суховатое лицо с острой бородкой и прямым взглядом глаз из-под нависших черных бровей не надо описывать: оно слишком хорошо известно по портретам — постучал вечным пером по зеленому сукну стола. На мгновение он задумался. Мы поняли, что в его памяти вставали картины давно прошедшего, давно пережитого.

— После победы Великой Октябрьской социалистической революции молодая Советская республика получила в наследство от царского режима весьма слабо развитую промышленность. Особенно плохо обстояло дело в области электроснабжения. Ведь в дореволюционной России не было построено ни одной более или менее значительной гидроэлектростанции, несмотря на то, что наша страна является первой в мире по возможностям использования гидроэнергии. Владимир Ильич Ленин с самого начала установления Советской власти заявил, что социализм может быть построен в нашей стране только при условии перестройки всей промышленности, сельского хозяйства и транспорта на базе электрификации. Я напомню классическую формулу Ленина о том, что коммунизм есть Советская власть плюс электрификация всей страны.

Уже в 1918 году мы начали строить Волховскую и Нижне-Свирскую гидроэлектростанции. Но последнюю из них пришлось законсервировать и развить работы только на Волховской гидроэлектростанции. В 1926 году Волховская станция вступила в строй действующих. Ее установленная мощность казалась тогда колоссальной — 56 тысяч киловатт.

В феврале 1920 года по указанию Ленина была организована Комиссия по электрификации России, известная под названием ГОЭЛРО. Эта комиссия должна была разработать план электрификации и реконструкции всего хозяйства нашей страны на ближайшие десять-пятнадцать лет. Комиссия закончила свою работу к концу 1920 года; представленный ею план был доложен VIII Всероссийскому съезду Советов в декабре 1920 года и одобрен. Началось его осуществление.

План ГОЭЛРО предусматривал постройку в течение ближайших 10–15 лет 30 электростанций, в том числе 10 гидроэлектростанций и 20 тепловых электростанций общей мощностью в полтора миллиона киловатт. Кроме того, было намечено произвести реконструкцию уже существующих станций на мощность в 250 тысяч киловатт. Этот план был разработан и принят в год 1920-й, в течение которого было произведено всего 500 тысяч киловатт-часов!

План ГОЭЛРО был осуществлен полностью через 10 лет, а через 15 он был перевыполнен почти в 3 раза.

В феврале 1927 года Советское правительство вынесло решение о постройке крупной гидроэлектростанции на Днепре в районе острова Хортицы, на участке реки, носящем название Волчьего горла. Проект этой станции был разработан профессором Александровым. Он предусматривал сооружение плотины и гидростанции с 13 агрегатами, каждый по 30 тысяч киловатт. Вся мощность была определена в 390 тысяч киловатт.

Однако вскоре после начала строительства техническая часть проекта была переработана. Выбрали более мощные машины в 62 тысячи киловатт каждая, а количество их сократили до девяти. Таким образом, получилось более компактное, более дешевое и более мощное сооружение. Мощность Днепровской гидроэлектростанции определилась в 557 тысяч киловатт.

Эта станция была сооружена в кратчайший срок — пять лет и явилась самой крупной станцией в Европе. И это первенство она держала до последних дней. Только после вступления в строй агрегатов Волжской ГЭС имени Ленина она уступила это первенство…

За окном кабинета зеленела только что вырвавшимися из ночек юными листьями весна 1957 года. А перед нами сидел человек, который вот такой же нежной весной 1901 года двадцатитрехлетним юношей был сорван со студенческой скамьи и после четырехмесячного заключения отправлен под надзором полиции в Баку. Уже тогда он был революционером. Революционером и в политической жизни и в науке. В Баку, в ссылке, он принял участие в установке первых в России паровых турбин и электропередачи напряжением в 20 тысяч вольт. Тогда это казалось гигантской цифрой!

Вернуться в институт «политически неблагонадежному» Винтеру удалось только в 1907 году. А сразу же но окончании его в 1912 году он становится сначала помощником, а затем и начальником строительства первой в России электростанции на торфе.

Затем — Великая Октябрьская революция, открывшая невиданные горизонты, сделавшая близким и возможным все, что совсем недавно казалось немыслимым. Винтер становится одним из создателей величайшей в мире советской энергетики. Он начальник строительства Шатурской электростанции, Днепростроя. Его заслуги в науке находят высочайшую оценку: в 1932 году он избирается действительным членом Академии наук СССР.

Как много интересного видел и знает этот человек, и, конечно, не в короткой беседе передать хотя бы малую долю накопленного им опыта! И, словно ему пришли в голову те же мысли, Винтер сокращает и до этого сжатый рассказ.

— Я не буду перечислять все те электростанции, которые были построены в нашей стране за последующие годы, вплоть до недавнего времени.

Мне хочется обратить внимание на другое. Настанет время, и все энергетические ресурсы европейских рек будут использованы.

Так что же, на этом и остановится развитие нашей энергетики, и в частности гидроэнергетики? Конечно, нет! Ведь подавляющая часть гидроресурсов, которыми располагает наша страна, находится за стеной Уральского хребта, в Сибири. Поставить силу могучих сибирских рек на службу народному хозяйству — решение этой задачи займет не один десяток лет. Как раз к началу XXI века она и будет, вероятно, в основном решена. Ангара, Лена, Енисей, Амур и другие реки Сибири будут так же превращены в цепи следующих друг за другом водохранилищ, подпертых плотинами гидростанций, как сегодня Волга.

Мы уже приступили к использованию этих рек. Все знают о первых электростанциях, встающих на великих реках Сибири. Только на Ангаре каскад электростанций составит мощность около 9 миллионов киловатт, будет производить ежегодно более 60 миллиардов киловатт-часов. То же самое можно сказать о Енисее, на котором сейчас начинаются работы по сооружению Красноярской гидроэлектростанции мощностью около 5 миллионов киловатт. Видимо, на этой реке встанет одна из крупнейших в мире электростанций с установленной мощностью 6 миллионов киловатт.

Производство на сибирских реках большого количества электрической энергии, чрезвычайно дешевой, предопределяет возможность организовать именно там в широких масштабах производство электроемких товаров, таких, как алюминий, каучук, магний, высококачественные стали и т. д. Можно с уверенностью сказать, что в течение ближайших десятилетий центр тяжести нашей промышленности переместится в Сибирь, к ее энергетическим и ископаемым богатствам.

Будет ли продолжаться и впредь рост выработки электроэнергии в нашей стране? Да, несомненно. Ведь электроэнергия — это и есть богатство народа, а оно не может не расти в наших условиях, условиях социалистического развития. Я думаю, что уже в 1970 году мы будем вырабатывать свыше 1000 миллиардов киловатт-часов и, вероятно, вскоре обгоним Соединенные Штаты Америки, от которых в этом отношении сегодня еще сильно отстаем. А к началу XXI века выработка электроэнергии в нашей стране, видимо, достигнет цифры 12–15 тысяч миллиардов киловатт-часов в год.

Таков путь электрификации нашей страны — от крохотной лампочки, светившей в кабинете Ильича в дни разработки плана ГОЭЛРО, до гигантов мировой энергетики, вступивших и вступающих в строй. И таковы наши мысли о будущем.

Вспоминая мои встречи с Владимиром Ильичем, я думаю, как бы он был горд нашими сегодняшними достижениями, как воодушевляли бы его — стремительного, пылкого — наши грандиозные, поистине фантастические перспективы!

 

Энергобаланс 2007 года

Член-корреспондент Академии наук СССР Валерий Иванович Попков встретил нас на середине кабинета и уже не садился в продолжение всей беседы. Энергичный, быстрый, он просто не мог усидеть на месте, и его высокая фигура непрерывно находилась в движении.

Если говорить о поколениях, то Попков принадлежит к младшему поколению советских ученых. В 1930 году, когда Винтер уже был всемирно известным строителем крупнейшей в Европе Днепровской станции, Попков только окончил Московский энергетический институт. Ему не пришлось уезжать в поисках работы в Америку, как Бардину, его не ссылали, вырвав из института, как Винтера. Его творческий талант развился и окреп в условиях социалистического общества.

Основные научные работы В. И. Попкова посвящены вопросам высоковольтной техники и электрическому разряду в газах при высоких напряжениях, дальним электропередачам, изучению физических процессов в электрофильтрах. За этим сухим перечнем — сотни и тысячи опытов, расчетов, исследований, которые помогли и строительству волжских гигантов и созданию невиданных по длине и напряжению энергопередач и которые во многом еще помогут будущей энергетике.

— Энергетика XXI века будет, вероятно, еще больше отличаться от энергетики нашего времени, чем наша энергетика от энергетики конца XIX века. Развитие техники идет не по наклонной прямой, а по круто взлетающей вверх ветви параболы. Люди поняли и на опыте почувствовали, как важно располагать в труде большими количествами энергии. И я убежден, что цифра годовой выработки электроэнергии, названная Александром Васильевичем, — 12–15 тысяч миллиардов киловатт-часов — будет достигнута еще в этом веке. А к началу XXI века мы будем, я думаю, вырабатывать уже около 20 тысяч миллиардов киловатт-часов в год.

Вы спрашиваете, за счет каких источников энергии будет достигнута эта цифра. По всей вероятности, в общем энергетическом балансе доля тепловых электростанций снизится с 85 процентов в наше время примерно до 50 процентов. Теснить теплоэнергетику будут не только гидроэлектростанции — по моему мнению, они вместе с новыми возможностями «вечных» или возобновляемых источников энергии не смогут давать больше 10–15 процентов от выработки энергии в стране. Значительно более серьезными конкурентами станут атомные станции. К 2007 году на них будет вырабатываться, как мне кажется, не менее 40 процентов всей электроэнергии.

Изменятся ли принципиально сами электростанции? Думаю, что гидростанции останутся без существенных изменений, — их коэффициент полезного действия достаточно высок. А вот в конструкции и тепловых электростанций и атомных должны произойти весьма существенные изменения.

Остановимся сначала на тепловых электростанциях. В чем их главный недостаток? В низком-коэффициенте полезного действия (КПД). Действительно, в электрическую энергию наши тепловые электростанции, снабженные паровыми котлами, турбинами, генераторами, как ни считай, превращают всего около трети заключенной в угле энергии. Один из реальных путей улучшения коэффициента полезного действия, по которому идут и сегодня, — это повышение давления и температуры работающего пара. В паровых турбинах мощностью по 150 тысяч киловатт работает пар с давлением в 170 атмосфер при температуре 550 градусов. Представляете себе такой пар? Его температура соответствует началу красного свечения металла. Современная теплотехника, используя достижения металлургии, стремится к дальнейшему повышению и мощности единичных агрегатов (котел, турбина, генератор) до 300–500 тысяч киловатт в единице и параметров пара до давлений в 300 атмосфер при температуре 650 градусов. Это позволит приблизить КПД к 40 процентам. Но это уже «потолок», для преодоления которого нужны либо новые методы преобразования тепловой энергии в электрическую (скажем, использование плазмы в качестве теплоносителя), либо качественные изменения самой цепочки трансформации энергии и прежде всего исключение из нее стадии тепловой энергии — энергии беспорядочного движения молекул.

Электростанции будущего, я убежден, откажутся от необходимого сегодня длинного ряда преобразований энергии. Вспомните: химическая энергия угля превращается в тепловую энергию пара, затем эта тепловая— в кинетическую: сначала струй пара, затем ротора турбогенератора. И только эта механическая энергия превращается в электрическую.

Наши сегодняшние атомные электростанции являются, по существу, такими же тепловыми электростанциями, в которых паровой котел заменен атомным реактором. Вместе с принципиальной схемой работы они унаследовали и низкий коэффициент полезного действия. Ведь у первой в мире атомной электростанции он менее 17 процентов…

Я думаю, что вторая половина XX века ознаменуется двумя революционными открытиями в энергетике: открытием простого, дешевого по первоначальным затратам и экономичного (я бы даже сказал — самого рационального из всех возможных) способа непосредственного превращения химической энергии топлива, с одной стороны, и атомной энергии, с другой, в электрическую энергию.

Такие превращения принципиально возможны. Напомню, что в настоящее время уже существуют — правда, еще только в лабораториях — полупроводниковые элементы, в которых энергия ядерного распада непосредственно превращается в электрический ток.

В принципе химическая энергия, заключенная и в обычном топливе» не ядерном, может непосредственно трансформироваться в электрическую, минуя стадию тепловой энергии, совершенно аналогично тому, как это происходит в обычной батарейке карманного фонаря. Но от принципов до практической реализации большого масштаба лежит долгий, трудный и захватывающе интересный путь поисков.

Я представляю себе тепловую и атомную электростанции будущего без многочисленных цехов, в которых обычно располагаются различные машины. По всей вероятности, это будет какой-то закрытый реактор, в который будут постепенно подавать «горючее», а по медным шинам в электрические линии будет литься из этого реактора постоянный ток. Коэффициент полезного действия таких электростанций будет не ниже, чем у сегодняшних ГЭС…

Ученый подошел к карте страны, покрывающей целую стену его кабинета. Острие указки замелькало над зелеными пятнами равнин и коричневыми — горных хребтов.

— Мне хочется остановиться еще на одной технической проблеме — создании единой высоковольтной сети, в которую отдадут энергию все электростанции страны и из которой будут брать ее потребители. Эта сеть охватит всю территорию нашей страны.

Я не думаю, что техника будущего, техника коммунизма пойдет по пути «индивидуальных» атомных или термоядерных батарей. Выгоды централизованного электроснабжения от ультрамощных установок сохранят свою силу. Следовательно, значение дальних и мощных электропередач не уменьшится, а возрастет.

В настоящее время максимальная дальность передачи электроэнергии не превышает 1000 километров. Передача энергии будущей энергосети станет осуществляться на значительно большие расстояния. Соответственно должно будет вырасти и напряжение в линиях электропередач. Сегодня нам кажется удивительной энергопередача Волгоград — Москва с напряжением переменного тока 500 тысяч вольт. А к XXI веку обычным будет, вероятно, напряжение постоянного тока в 1,5–2 миллиона вольт. Дальние же линии смогут работать при еще более высоком напряжении.

Как будут выглядеть линии таких электропередач? Бесспорно, придется совершенно по-новому решать вопрос электроизоляции: нужно заставить и электроматериалы, и, главное, воздух, окружающий электроустановки, и Провода линии выдерживать такое напряжение. Можно уверенно сказать, что наряду с воздушными линями будут применяться для дальних передач и подземные кабельные линии. Наряду с переменным током будут действовать передачи и на постоянном токе…

…Я занимаюсь проблемами высокого напряжения, это моя узкая область в науке. Для меня сегодня terra incognita — неисследованная область— напряжения в несколько миллионов вольт. А для ученого XXI века, занимающегося этой же областью науки, мои сегодняшние искания будут давно пройденным этапом. Десятки миллионов вольт получает и исследует он в своей лаборатории…

 

Тайна солнечной реакции

— Термоядерные электростанции?.. Да, несомненно, они будут построены, — сказал академик Лев Андреевич Арцимович. — И, может быть, не в XXI веке, а в нашем.

Всего четверть века понадобилось человеку, чтобы научиться расщеплять, раскалывать тяжелые ядра атомов радиоактивного урана. Уже дают ток первые атомные электростанции, вышел в плавание первый в мире советский атомный ледокол.

Но сегодня атомная энергетика, основанная на делении ядер тяжелых элементов, уже не является последним словом науки. По общему мнению физиков, следующим шагом энергетики должно быть промышленное использование термоядерных процессов, реакций синтеза, «пережигания» водорода в гелий.

Вопрос стоит так: удастся ли заменить термоядерный взрыв спокойным, управляемым «горением»? Можно ли найти способы постепенного высвобождения термоядерной энергии, чтобы использовать ее не для разрушения, а для мирного созидания? Скажем прямо, за все время своего существования человечество впервые столкнулось со столь сложной научно-технической задачей.

Коротко о топливе для термоядерных реакций. Как известно, у водорода три изотопа — обычный водород, дейтерий, имеющий вдвое больший атомный вес, и тритий — втрое более тяжелый. При соединении ядер этих изотопов друг с другом получаются ядра другого элемента — гелия и выделяются огромные количества энергии.

Изотопы водорода — поистине волшебное по своим качествам топливо, но мы еще не знаем двигателя, в котором мы могли бы это топливо использовать. Мало того, если не считать яростный клубок взрыва водородной бомбы, никому никогда не удавалось осуществить водородную реакцию.

Главная трудность осуществления водородной реакции — создание и поддержание высокой температуры.

Для того чтобы два ядра изотопа водорода, слившись в одно, образовали ядро гелия и выделили при этом энергию, надо их сблизить друг с другом. А сближаться они «не хотят». Ведь оба ядра обладают положительными зарядами, и силы электрического отталкивания не позволяют им сблизиться. Для того чтобы преодолеть эти силы отталкивания, надо разогнать ядра и с очень большой скоростью столкнуть их. Разогнать ядра, сообщить им большую скорость и означает, что их надо нагреть до высокой температуры. Даже при температуре в миллион градусов термоядерная реакция тючти неощутима, ядра почти не сталкиваются между собой. Только при температуре в несколько сот миллионов градусов можно сделать выделение термоядерной энергии заметным.

Но нагреть газ, состоящий из изотопов водорода, до температуры в несколько сот миллионов градусов — это только полдела. Надо этот газ — он имеет совершенно особые свойства, и поэтому его называют плазмой — и удержать при такой температуре, не дать ему охладиться. А плазма охлаждается удивительно легко и быстро. Ее теплопроводность в миллион раз больше, чем у самого теплопроводного металла — серебра;

Конечно, ни одно из известных нам веществ не может выдержать, оставаясь в твердом состоянии, температуру, например, в 100 миллионов градусов. Уже при четырех-пяти тысячах градусов они плавятся и испаряются. Да если бы и нашлось твердое вещество, способное выдержать температуру в миллионы градусов, мы не смогли бы сделать из него сосуд для «хранения» высокотемпературной водородной плазмы. Ведь едва эта плазма пришла бы в соприкосновение со стенкой нашего сосуда, она сразу бы остыла, и термоядерная реакция в ней прекратилась. Как же быть? Из чего сделать сосуд для хранения плазмы, имеющей стомиллионноградусную температуру?

Советские ученые предложили применить для этой цели сосуд из электромагнитных полей — своеобразную магнитную бутыль.

Действительно, ведь плазма состоит из заряженных частиц, и можно создать такое замкнутое электромагнитное поле, сквозь которое частицы плазмы уже не смогут прорваться.

Представьте трубу, которая под очень малым давлением наполнена тяжелым водородом — дейтерием. Пропустим сквозь дейтерий вдоль оси трубы электрический заряд. Он не только раскаляет водород до состояния горячей плазмы, но и заставляет плазму сжаться, собирает ее к оси разрядной трубы в плотно стиснутый «шнур». Ведь при прохождении тока вокруг него возникает концентрическое электромагнитное поле. Оно-то и сжимает дейтерий в «шнур», отодвигает его от стенок трубы к ее центральной оси.

Нужно пропустить через плазму как можно более мощный электрический разряд за возможно более короткий промежуток времени. Тогда брошенные к оси цилиндра ядра водорода получат такой разгон, что смогут сблизиться, преодолеть силы взаимного отталкивания и слиться, вступить в термоядерную реакцию. До этого мы только тратим энергию, а с момента начала реакции будем получать ее. Сейчас уже ставятся опыты, в которых импульсный ток нарастает с очень большой скоростью— 10 миллиардов и даже 100 миллиардов ампер в секунду. Мы наблюдаем излучение нейтронов, которые служат признаком приближения термоядерной реакции.

Надо увеличить силу и быстроту импульсного разряда, чтобы продвинуться дальше в область сверхвысоких температур.

Но тут возникают новые трудности.

Первая и самая главная — неустойчивость плазменного «шнура». Колоссальная теплопроводность и малая теплоемкость плазмы приводят к мгновенному падению температуры, стоит только «шнуру» коснуться стенки цилиндра. Здесь страшен уже не разгон реакции, как в урановом котле, а, наоборот — ее затухание. Затухание это происходит мгновенно, в миллионные доли секунды, и не поддается пока управлению.

Можно и постепенно наращивать величину тока.

Установка, в которой ток нарастает медленно, должна иметь вид не цилиндра, а бублика. Трубу согнули в кольцо. Теоретическое исследование такого «бублика» было широко развернуто в Институте атомной энергии под руководством академика М. А. Леонтовича.

Все шло хорошо до тех пор, пока от этих установок не потребовалась работа на полную мощность. В действие вступили новые факторы, которые нельзя было полностью предвидеть и учесть. Выяснилось, что даже тогда, когда плазменный «шнур», казалось бы, должен быть полностью изолирован от стенок, энергия из плазмы уходит. Потери ее настолько велики, что поднять температуру плазмы до того уровня, который нужен для хода термоядерной реакции, не удается. И мы не знаем точно пока тех лазеек, в которые ускользает энергия. Но, безусловно, и эта загадка будет решена.

Можно представить себе и принципиально иное устройство в качестве сосуда для сохранения высокотемпературной плазмы. Не такое, в которое мы помещаем холодную плазму, а затем ее нагреваем, как воду в самоваре, а нечто вроде термоса, в который мы «наливаем» горячую плазму и который обладает столь высокой теплоизоляцией, что не позволяет ей остывать. Конечно, стенки и такого «термоса» должны состоять из электромагнитного поля.

Такие «термосы» существуют. Их называют магнитными ловушками.

В отличие от других устройств магнитные ловушки удерживают плазму в основном электромагнитными полями, созданными внешними соленоидами. Внутренние токи плазмы не играют тут решающей роли.

Нагревать плазму можно, «впрыскивая» в ловушку быстрые ионы из мощного ускорителя. Можно сделать и по-другому: наполнить ловушку плазмой, а уже затем нагревать плазму динамическими магнитными полями или же током высокой частоты. Наконец, можно получать быстрые ионы и внутри ловушки, ускоряя собственные ионы плазмы постоянным или переменным электрическим полем.

Разработкой такой магнитной ловушки занимались многие советские физики. В 1950 году академик А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм предложили первую конкретную модель магнитного термоядерного реактора, в котором предполагалось ионизировать и нагревать разреженный дейтерий. На внешнюю поверхность камеры-«бублика» навивается проволочная катушка, которая создает внутри нее сильное продольное магнитное поле.

Среди разных типов ловушек интересны ловушки с так называемыми магнитными пробками. Впервые их теоретическое исследование начал в 1953 году советский физик Г. П. Будкер. Возьмите пучок гибких ивовых прутьев и сильно стяните проволокой их концы. Перед вами — грубая схема ловушки с магнитными пробками. Вместо прутьев у нее силовые линии магнитного поля, а вместо проволоки на концах пучка — мощные магнитные связки, или, как говорят, пробки. Частицы заперты в центральной, несколько расширенной части пучка и непрерывно мечутся в пространстве между двумя пробками, отскакивая от «стенок». Но и тут частицы плазмы не удается закрыть наглухо. Как только какая-нибудь из них, столкнувшись с другой, начинает двигаться точно вдоль магнитых силовых линий, магнитные пробки не в состоянии удержать ее, и она уходит из ловушки.

Как построить ловушку, которая удерживала бы все частицы, не знает пока никто. Но можно создать такие магнитные системы, где лазейки-, в которые «удирают» частицы, будут резко уменьшены. И когда их создадут, станет возможным поставить задачу непосредственного конструирования термоядерной электростанции.

Как она будет выглядеть? Рано пока еще фантазировать о ее деталях. Но представить себе ее общую схему уже можно.

Вероятно, это будет довольно компактная установка типа замкнутой довольно сложной «бубличной» камеры. Внутри у этого «бублика» будет пылать сильно нагретый плазменный «шнур», а кругом его обступят сложные машины, подводящие к нему ток, а также питающие обмотку основного магнитного поля. Вокруг «бублика» расположится, очевидно, несколько обмоток, в том числе для создания дополнительной устойчивости плазменного «шнура». Все это будет погружено в водяную рубашку, поглощающую нейтроны, охлаждающую стенки «бублика». Это тепло также можно будет использовать на тепловых электростанциях обычного типа.

Если «бублик» сделать диаметром около 10 метров и толщиной 1–2 метра, то мощность электростанции достигнет примерно миллиона киловатт.

В#принципе возможно и прямое превращение части термоядерной энергии в электрическую. Когда плазма после сильного сжатия расширяется, она отжимает силовые линии магнитного поля к стенкам камеры. Они пересекают провода катушек, оплетающие «бублик». В них возникает ток. Пульсируя, плазма работает, как вращающийся ротор электрогенератора. Если удастся когда-либо перевести работу такой электростанции на чистый дейтерий (а это будет, видимо, очень не скоро), можно ожидать, что половина энергии станции будет непосредственно превращаться в электричество.

Это значит, что электрический коэффициент полезного действия ТЯЭС может превосходить 50 процентов. Как видите, многие технические детали и цифры станции можно легко предвосхитить в теоретических расчетах и предположениях. Но пусть вас не обольщает легкость, с которой сейчас многие говорят о деталях электростанции будущего. Пока еще не решена самая главная проблема — не удается практически получить и удержать в реакторе устойчивый «шнур» горячей плазмы. Некоторые ученые даже высказывают сомнение, удастся ли людям в принципе осуществить управляемую термоядерную реакцию. Ведь время, на которое нам удается ее растянуть, смехотворно мало. Как великую победу физики отметили случай, когда плазменный «шнур» продержался в реакторе не миллионную, а стотысячную долю секунды. Положение осложняется неустойчивостью самого объекта исследований.

Иногда сравнивают открытие физиками термоядерной энергии с подвигом Прометея, который украл огонь у богов и научил людей, как с ним обращаться. Что можно сказать об этом сравнении? Если уж пускаться в рискованные аналогии, то нужно прямо и недвусмысленно поставить все на место: физики сделали меньше чем половину дела. Они «украли» у природы огонь, которым светит и греет солнце, но принесли его на землю не в виде спокойного управляемого пламени, а в виде взрывов термоядерных бомб. Физики еще не научили людей, как использовать этот огонь для мирных дел, потому что сами этому пока не научились. Но научатся! И тогда орел, прилетающий терзать печень прикованного к скале Прометея, улетит и не вернется. Тогда совесть всех честных ученых мира будет спокойна. Их уже не будет мучить сознание, что величайшее открытие науки XX века может быть использовано во вред человечеству. Термоядерная энергия — огонь нового Прометея — станет служить миру и созиданию.

Как видите, впереди еще огромная и трудная работа. Но цель ее бесконечно заманчива!

 

Сверхъемкие аккумуляторы

О таких аккумуляторах мечтают во многих отраслях техники и промышленности. Представьте себе автомобиль. Вместо бака с горючим он возит небольшой ящичек с аккумуляторами. Изредка водитель автомобиля подключает клеммы к электрической сети, а на бензозаправочные колонки и не оглядывается. Ездит такой автомобиль почти бесшумно: ведь в его электрических двигателях нет движущихся возвратно-поступательно частей — поршней, клапанов, обычных для двигателей внутреннего сгорания; нет цилиндров, в которых бы сгорало, а точнее, взрывалось, — так стремительно это сгорание, — топливо. И воздуха обсаженных зеленью улиц не портит выхлопами копоти и сажи такой автомобиль… Нет, определенно, это была бы настоящая греза шофера!

Или представьте еще. Приехали в неисследованный горный район геологи. По обрывистым склонам стремительных горных рек, по обнаженным скалам застучали их молотки. И вот обнаружено место, к которому ведут со всех сторон следы косвенных улик. Да, по всей вероятности, именно здесь, под каменистой, заросшей соснами почвой прекрасной и дикой пади скрыты залежи руд драгоценного металла. Надо убедиться в этом, провести разведочное бурение, установить границы залежи.

Геологи собирают небольшую буровую установку, подключают к ней клеммы сверхъемкого аккумулятора — и поползли вниз, в недра земли, одна за другой колонковые трубы. Не надо к этой буровой установке подвозить горючее на вьючных лошадях по непроходимым горным тропам или даже с помощью вертолетов, как это нередко делается сейчас. Не надо тянуть высоковольтную электрическую линию через горные перевалы и глубокие ущелья.

А в авиации… Сколько дополнительных тонн груза можно было бы перевозить на аэропланах и вертолетах, если бы не нужны были громоздкие и тяжелые баки с горючим, а вместо них стояли бы небольшие легкие ящички со сверхъемкими аккумуляторами!

Да, будь созданы такие аккумуляторы, совершенно по другому пути пошло бы развитие всех транспортных средств. Вместо загрузки углем и водой тендера паровоза просто меняли бы на станциях аккумуляторные батареи. Не было бы паутины трамвайных и троллейбусных проводов над улицами городов — весь городской транспорт работал бы на аккумуляторах. Да, возможно, не было бы и высоковольтных линий электропередачи — дорогих, требующих постоянного контроля.

Вместо передачи по проводам электроэнергию привозили бы в заряженных аккумуляторах.

Как бы ни был удален в этом случае населенный пункт от электростанции и как бы он ни был мал, будь это хотя бы одинокий домик лесника в доброй сотне километров от ближайшего села, он не испытывал бы недостатка электроэнергии. Раз в год привозили бы сюда те же самые ящички с аккумуляторами.

Нет, бесспорно, создание такого аккумулятора произвело бы революцию в целом ряде отраслей современной техники!

Но будут ли когда-нибудь созданы такие аккумуляторы? Возможны ли они вообще? Нет ли закона природы, который утверждал бы невозможность создания такого аккумулятора?

Мы обратились с этими вопросами к академику Александру Наумовичу Фрумкину, известному своими работами в области электрохимических источников тока.

— Сразу же определим, — сказал академик, — круг вопросов, которые мы затронем. Если решим, что нас интересует область электрохимических источников тока, то придется ответить, что наряду со столь важной задачей этого участка фронта, какой является создание сверхъемких аккумуляторов, существуют и другие, в частности задача создания устройства для прямого превращения химической энергии топлива в электроэнергию, причем такого устройства, коэффициент полезного действия которого был бы достаточно высоким.

Многие знают, что четыре пятых всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии производят тепловые электростанции, сжигающие уголь, торф и другие виды топлива. А знаете ли вы, что, если электростанция превращает в электрический ток 30 процентов заключающейся в топливе энергии и теряет «только» 70 процентов, это уже считается отличным показателем! Две трети добытой из-под земли трудом людей химической энергии топлива, как правило, теряется без пользы. Что бы сказал мучимый жаждой человек, если бы, добравшись до воды и зачерпнув полный стакан, ему удалось поднести к губам едва треть его? А ведь именно в таком положении находится человечество: из наполненного до краев кубка энергии ему удается полезно использовать едва четверть!

Есть ли пути повышения коэффициента полезного действия тепловых электростанций? Теплотехники сразу ответят: для этого надо поднять начальные параметры пара — его температуру и давление. И сразу же предупредят, что это дело очень сложное, что практически по этому пути они дошли уже почти до предела, что трубопроводы свежего пара у них и так уже работают чуть ли не при малиновом калении, что для борьбы с крипом — ползучестью металлов при высоких температурах — приходится применять дорогие легированные стали и т. д., и т. п. Повышение электрического коэффициента полезного действия тепловых электростанций до 50 процентов — это почти не осуществимая мечта современных теплотехников.

Дело здесь не в усовершенствовании отдельных узлов и борьбе с отдельными потерями энергии. Дело в принципиальной невозможности повышения коэффициента полезного действия электростанций, в топках которых сжигается топливо, а в турбинах работает водяной пар!

Для того чтобы поднять коэффициент полезного превращения химической энергии топлива в электрическую, следует искать новые пути таких превращений, принципиально отличные от применяемых на современных электростанциях.

…Яростное пламя клокочет в топке гигантского — высотой с восьмиэтажный дом — парового котла электростанции. А что такое пламя? В чем физическая сущность процесса горения?

Топливо состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны. Атомы кислорода, наоборот, приобретают их. Атомы углерода и кислорода соединяются в молекулы углекислого газа. Так как все эти процессы, изложенные здесь в упрощенном виде, происходят очень энергично, атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это означает повышение их температуры. Они начинают испускать свет, а это и есть пламя.

Значит, при горении происходит непрерывный обмен электронами, их движение. А ведь электрический ток — это тоже движение электронов, только упорядоченное. Значит, если упорядочить движение электронов в горящем веществе, можно получить электрический ток. Только надо не позволить электрически заряженным ионам хаотически растратить свою электрическую энергию при взаимных встречах, не дать ей превратиться в тепло.

Кстати, это давно уже научились делать. Ведь электрохимические процессы, происходящие в любом аккумуляторе, в любой батарейке от карманного фонаря, принципиально ничем не отличаются от обычного горения. Там тоже происходит обмен электронами между двумя химическими элементами, происходит «горение». Только движение электронов в аккумуляторе строго упорядоченно, и их энергия не превращается в тепловую в хаосе пламени.

В батарейке карманного фонаря «сгорает» цинк. В свинцовом аккумуляторе— свинец. Есть множество различных электрохимических источников тока — батарей и аккумуляторов различных типов, в которых «сгорают» самые различные элементы. Можно построить, например, батарею, в которой «сгорает» железо, и процесс его окисления, который при ржавлении железа приводит к бесполезной потере металла, сделать источником энергии. Ну, а нельзя ли создать устройство — батарею, аккумулятор, в котором также без огня и пламени медленно «сгорало» бы, порождая электрический ток, наше обычное топливо электростанций — каменный уголь?

Первым энтузиастом этой идеи был известный русский инженер Павел Николаевич Яблочков. Однако техническое осуществление ее оказалось настолько сложным, что и сегодня практически действующих конструкций таких аппаратов еще не существует. Есть только лабораторные образцы устройств, в которых может осуществляться «беспламенное», или лучше сказать «электрическое», сгорание некоторых видов топлива.

Одно из таких устройств — их называют обобщенно топливными элементами — предложил немецкий ученый Бауэр. Здесь «сгорает» порошок кокса, помещаемый и цилиндрическую чашечку из пористой глины. Эту чашечку опускают в большой сосуд, наполненный железной окалиной. Работает такой топливный элемент при температуре около 1000°. К сожалению, этот элемент работает периодически: когда порция кокса выгорит, элемент надо охлаждать и заменять топливо новым. Конечно, этот чисто конструктивный недостаток может быть устранен, но дело это отнюдь не простое.

Дальнейшая работа в том же направлении привела, однако, к выводу, что топливный элемент можно создать пока лишь на основе газообразного, но не твердого топлива.

Имеется целый ряд конструкций топливных элементов, в которых сгорает не твердое топливо, а газ. Английский ученый Бэкон разработал конструкцию элемента, в котором «сгорает» водород. Устроен он следующим образом: в раствор едкого кали опущены два электрода, сделанных из пористого никеля. К одному электроду подводят водород, к другому — кислород. Газы проникают сквозь бесчисленные поры никеля и соприкасаются с электролитом. Этот элемент работает при давлении газов около 50 атмосфер и при температуре 200–240°.

По сообщениям зарубежной печати, батарея Бэкона развивает на каждый кубометр объема мощность до 80 киловатт. Это весьма значительная мощность, позволяющая ставить вопрос о возможности практического использования батарей таких элементов. Описаны в настоящее время и другие аналогичные элементы, работающие на водороде при более низких температурах и атмосферном давлении. Недостатком их является то, что они работают на чистом водороде, который слишком дорог. Очень существенно было бы использовать более дешевое газообразное топливо, в первую очередь генераторный газ. Это, вообще говоря, возможно, но пока все элементы, использующие генераторный газ, работают только при высоких температурах, например 800°. Такую установку для «сжигания» горючего газа построил советский ученый О. К. Давтян. Она представляет собой кожух, в который подаются с одной стороны обыкновенный воздух, с другой — генераторный газ. Потоки воздуха и генераторного газа разделены слоем твердого электролита. С каждого кубометра объема такого элемента можно получить до 5 киловатт мощности. Это в 5 раз больше, чем на современной тепловой электростанции. Коэффициент полезного действия этого элемента высок, но, к сожалению, через некоторое время электролит изменяет свой состав, и элементы делаются непригодными.

Задача огромной важности — создание электролита и электродов для топливного элемента, которые могли бы длительное время работать на природном горючем газе.

Представляете ли вы себе, какие преимущества принесло бы широкое внедрение в будущем топливных элементов? Но до его осуществления еще далеко. Чтобы оно стало реальностью, надо очень и очень много работать.

А теперь вернемся к нашему вопросу об аккумуляторах. Возможно ли значительно увеличить емкость электрического аккумулятора, не увеличивая его объема и веса? Да, возможно.

Оглянемся назад. На самой заре XIX столетия, в 1800 году, известный итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта изобрел первый длительно действующий электрохимический источник тока — Вольтов столб. Он состоял из ряда цинковых и медных кружков, проложенных суконными кружками, смоченными соленой водой. Собственно, с этого времени и надо начинать историю развития современной электротехники.

А уже через год, в 1801 году, открыто явление поляризации, а именно, замечено, что два одинаковых электрода, погруженных в подкисленную воду и находящихся в соединении с полюсами Вольтова столба, способны сами давать ток после того, как их отключили от первоначального источника тока. Так возникла идея аккумулирования, запасания электрического тока. Первым практически использовал аккумулятор русский ученый Якоби.

Однако только в 1860 году французский физик Планте, исходя из представлений Якоби, предложил распространенный и сегодня, конечно, значительно с тех пор усовершенствованный свинцовый аккумулятор. И еще сорок лет должно было пролететь, прежде чем появился изобретенный Эдисоном второй тип аккумуляторов — щелочной аккумулятор с электродами из окиси никеля и железа. Щелочные аккумуляторы ныне распространены так же широко, как кислотные.

Эти два типа аккумуляторов нашли и находят широкое применение и на транспорте. Первое применение электрохимических источников тока — но не аккумуляторов, а гальванических элементов — на транспорте связано также с именем Якоби. Всем памятно интереснейшее событие из истории техники — создание Якоби судна, которое приводилось в движение на Неве электромоторами от гальванических батарей. Хотя и не оправдались полностью ожидания ученых того времени, что электрохимические источники тока станут основными для приведения в движение транспортных машин, уже сегодня есть виды транспорта, использующие в качестве энергоисточника аккумуляторные батареи. Всем, вероятно, известны электрокары, обслуживающие грузовые поезда. Все знают также, что и винты подводной лодки в погруженном состоянии приводят в движение электрические двигатели. Но с бензиновым баком на легковом автомобиле ни свинцовый, ни железо-никелевый аккумулятор конкурировать не может, хотя для железнодорожного транспорта в определенных условиях перевод на питание аккумуляторами может оказаться экономически целесообразным.

В последние годы появился новый вид аккумулятора, способный действительно соперничать с жидким топливом. Это серебряно-цинковые аккумуляторы. Их энергоемкость на единицу веса примерно в четыре раза выше, чем у аккумуляторов других типов. Недостаток их — высокая стоимость. Конечно, сравнивать энергоемкость такого аккумулятора и бензина надо правильно. В серебряно-цинковом аккумуляторе «сгорает» цинк, Эта реакция дает несколько меньше энергии на единицу веса, чем выделяется при сжигании углерода. Но ведь из энергии, освобожденной при сгорании углерода и водорода, заключенных в молекулах бензина, в двигателе автомобиля удается полезно использовать едва 20–25 процентов. А серебряно-цинковый аккумулятор позволит полезно применить 70–75 процентов заключенной в нем энергии. Если мы будем исходить из такого расчета, мы можем сказать, что уже и сегодня килограмм серебряно-цинкового аккумулятора, установленного на легковой автомашине, «полезнее» килограмма бензина, запасенного в баке. Этот килограмм аккумулятора обеспечит более длительный пробег автомашины, чем килограмм бензина. Основной недостаток — дороговизна. Но в некоторых случаях, например при установке на спутниках, — это не препятствие. И действительно, такие аккумуляторы честно работали на третьем советском искусственном спутнике.

В принципе и емкость серебряно-цинкового аккумулятора — не предел.

Но работать над этим придется еще очень много. Последние десятилетия позволили резко продвинуть вперед теорию электрохимических источников тока. Мы уже несравненно отчетливее представляем себе сейчас, что происходит на границе соприкосновения металла и электролита, как раз там, где рождается и устремляется по заранее предписанному руслу поток электронов — электрический ток, и это позволит нам продвигаться дальше в решении прикладных вопросов.

Идей, которые требуют развития, мыслей, которые ждут воплощения, нехоженых путей, которые могут привести к интереснейшим открытиям, в электрохимии бесконечно много.

…Перед нами широкий простор проспекта Ленина. По нему стремительно проносятся многочисленные легковые машины и солидные, тяжеловесные автобусы. За ними клубятся, мгновенно тая, голубые облачка выхлопных газов. Ровно движется полупрозрачная, состоящая из одних плексигласовых окон, коробка троллейбуса. Своими длинными штангами он неотступно касается проводов.

Все эти машины ждут, когда в сером здании энергетического института, из двери которого мы только что вышли, или еще в каком-нибудь месте люди изобретут способ дешево и просто запасать в небольшом объеме большие количества электрической энергии.

Речь идет об аккумуляторе в широком смысле слова. Об аккумуляторе более энергоемком, чем лучшие химические, более энергоемком, чем лучшее современное топливо.

Речь идет именно об этом. И может быть, не химический аккумулятор, а атомный позволит решить эту задачу. Ведь уже существуют атомные батареи, способные в течение многих лет вырабатывать электрический ток. рождаемый распадом крупинки радиоактивного вещества. Еще невелик этот ток — он едва может питать лампочку карманного фонаря. Еще недолго работает и батарейка — тонкий механизм входящих в ее устройство полупроводников разрушает радиоактивное излучение. Но это первая ласточка. Может быть, за ней будущее?

А может быть, будущее за каким-либо другим устройством, сам принцип которого еще ждет своего открывателя?

Во всяком случае, сверхъемкие аккумуляторы энергии — их ждет техника — будут созданы.

 

Пойманные лучи Солнца

Солнце… Сколько посвящено ему стихов, восторженных описаний, научных трудов. Оно дает жизнь всему живому на Земле, да и на других планетах солнечной системы, если на них есть жизнь.

Солнце… Находящееся на расстоянии сотен миллионов километров от Земли, протянутой рукой лучей оно оказывает буквально на все, происходящее на нашей планете, огромнейшее влияние.

Не будь Солнца, Земля была бы холодным мертвым шаром. Температура на ее поверхности лишь на несколько градусов — за счет просачивающегося тепла недр — превышала бы абсолютный нуль. В голубовато-зеленых скалах из замерзшего азота и кислорода атмосферы дробился бы холодный отблеск далеких звезд. Удары метеоров и извержения редких вулканов — вот и все движение, которое оживляло бы ее поверхность.

А сейчас, когда каждое утро всходит Солнце… Пусть стоят возле Оймякона трескучие морозы в 70 градусов, разве не живет — деревьями, травами, насекомыми, птицами, животными — этот стоящий здесь, покрытый серебром инея лес? Пусть страшная жара опаляет среднеазиатские пустыни — и здесь, торжествуя, расцветает жизнь. Эту в среднем почти на триста градусов выше абсолютного нуля температуру на нашей планете, такой удобной для жизни, обеспечивает Солнце.

…Дует ветер. Легкий ли зефир, в жаркий вечер прохладой овевающий лицо, крепкий ли бриз, плотно наполняющий паруса рыбачьих шаланд, неукротимый ли ураган, выбрасывающий на берег суда, срывающий крыши, выворачивающий с корнем столетние деревья, сметающий все на своем пути, — это тоже работа Солнца. По-разному нагрелись различные участки земной поверхности, сместилось равновесие масс в атмосфере, и потекли бесчисленные воздушные течения, завихряясь, сталкиваясь друг с другом, мешая и помогая друг другу.

Могучая энергия ветра, которой издавна пользовался человек, подставивший под его струю крылья ли ветряной мельницы, упругий ли холст паруса, — это тень, осколок от лавины энергии, которая обрушивается на земной шар в виде солнечных лучей.

…Морские волны. С грохотом, подобным орудийной канонаде, набрасываются они раз за разом на скалы приморских берегов, сдвигая камни, переворачивая холмы гальки и песка. Они страшны и могучи даже на наших небольших морях, стиснутых со всех сторон сушей, — Черном, Балтийском, Белом. Какую же могучую энергию несут они в себе там, в 40-х «ревущих» широтах Южного полушария, где нет на их пути никаких преград! А ведь волны порождает ветер, их энергия — только тень тени от энергии солнечных лучей.

…Гигантские океанские течения оплетают земной шар. Пока что человек изучил — да и то не очень подробно — океанские течения поверхностных слоев воды. Только в последние годы были обнаружены донные течения холодной воды из полярных морей в экваториальные. А первоисточником этого всемирного перемещения океанских масс, энергия которого не подсчитана даже приблизительно, тоже является Солнце.

…Люди давно уже, несколько тысячелетий назад, научились использовать и энергию текущих рек. Сегодня, когда человек становится воистину всемогущим, энергия рек является одним из источников его силы. В нашей стране энергия рек дает почти пятую часть используемой электроэнергии.

И ее первоисточником тоже является Солнце. Ведь это оно испарило из океанов, подняло в облака и бросило на возвышенные участки материков воду, которую на обратном пути к морям и океанам и перехватывают лопасти турбин и белые стены плотин гидростанций.

…Остальные четыре пятые доли электрической мощи нашей страны мы получаем от тепловых электростанций. Источником энергии в них является ископаемое топливо — уголь, нефть, природный газ. И как это ни неожиданно, энергия, добытая из черных недр Земли, тоже является одним из превращений солнечного луча, правда, не сегодня, а миллионы лет назад озарявшего дремучие папоротниковые леса, из которых образовался каменный уголь, согревавшего теплую воду лагун, в которых росли и гибли те миллиарды живых существ, тела которых стали нефтью. И торф, и дрова — это превратившиеся в топливо солнечные лучи…

Все известные нам на Земле энергетические источники, кроме атомной энергии, тепла земных недр да еще энергии приливов и отливов, имеют своим первоисточником тепло солнечных лучей. Но почему же должен человек пользоваться только брызгами могучего потока солнечной энергии, собирая их по каплям? Почему не подставить ему под этот водопад энергии свой кубок и не наполнить его сразу до краев?

— Отвечая на этот вопрос, обычно ссылаются на две причины, — сказал нам доктор технических наук профессор Валентин Алексеевич Баум, известный своими работами в гелиоэнергетике. — Во-первых, указывают, что энергия солнечных лучей слишком-де раздроблена, мало концентрирована, да к тому же еще ее интенсивность изменяется в зависимости от времени суток, года, широты, земной поверхности, погоды. Во-вторых, не существу-ет-де пока устройств, с помощью которых можно было бы достаточно экономно, с достаточно высоким КПД превращать энергию солнечных лучей в электрический ток.

Вряд ли целесообразно подробно останавливаться на первом возражении. Да, действительно, количество солнечных лучей изменяется в данной точке земной поверхности в зависимости от многих причин. Но на территории нашей страны есть гигантские области, где Солнце светит ежедневно в течение 8–9 месяцев в году, где работа гелиоэлектростанции может быть вполне устойчивой. Конечно, и там надо подключать на ночное время электростанции другого типа, но при работе в единую высоковольтную сеть это дело вполне осуществимо. Что же касается недостаточной концентрации солнечных лучей… На границу земной атмосферы они приносят мощность почти 1,4 киловатта на квадратный метр. Пусть поверхности Земли достигает всего половина этой мощности, и это не так уж мало. Действительно, мощность Волжской ГЭС имени В. И. Ленина смогла бы развить гелиоэлектростанция с КПД всего 10 процентов, использующая энергию солнечных лучей лишь с 12 квадратных километров среднеазиатской пустыни.

Значительно труднее опровергнуть второе возражение. Да, действительно, устройства, имеющие достаточно высокий коэффициент полезного превращения лучистой энергии в электрический ток, существуют только в лабораториях. В широкое производство они еще не пошли и не скоро пойдут. Но необходимо помнить и о другом.

Всего двадцать — двадцать пять лет тому назад были одинаково проблематичны, сомнительны перспективы развития и гелиоэнергетики и атомной энергетики. За эти годы были приложены в разных странах мира гигантские усилия к тому, чтобы овладеть секретами атомной энергии. И в результате в целом ряде стран уже осуществляется строительство крупнейших атомных электростанций. Можно представить, какой фантастический расцвет гелиоэнергетики наступил бы сейчас, если бы за эти годы на ее развитие была направлена хотя бы часть тех средств, которые были затрачены на атомную энергетику.

Я думаю, что основная причина отсутствия у нас гелиоэлектростанций состоит совершенно в другом. Не пришло еще просто их время. Еще не растрачена сокровищница земных недр — залежи угля, нефти, торфа, урана. Призрак энергетического голода грозит человечеству еще из очень туманного далека — двадцать второго или даже двадцать третьего века. Именно поэтому проблема гелиоэнергетики не стала насущной потребностью дня. Но в будущем гелиоэнергетика может стать важной отраслью нашего народного хозяйства солнечных районов.

Рассмотрим теперь некоторые из возможных сегодня путей использования энергии солнечных лучей.

Первый путь — превращение лучистой энергии в тепловую. Уже обыкновенный парник — устройство для такого превращения. Солнечный луч легко проникает сквозь прозрачное стекло и нагревает дно парника. Нагретое дно тоже излучает энергию, но не в виде световых, а в виде невидимых инфракрасных лучей. Для этих лучей стекло не прозрачно, оно не пропускает их наружу. Стекло предохраняет грунт и от ветра, который выдувал бы тепло. Солнечный луч попал в ловушку.

Усовершенствуя такую ловушку, поставив несколько рядов стекол, можно поднять температуру воздуха в ней и на полсотню-сотню градусов. На таком принципе — его называют оранжерейным эффектом — работают у нас в южных районах страны несколько бань, сушилки для фруктов, опреснители соленой воды. Но, конечно, для целей большой энергетики эти солнечные ящики непригодны. Будущее не за ними.

Второй путь — концентрация солнечных лучей с помощью больших зеркал в одном месте, где располагается обычный паровой котел. Такие установки существуют довольно давно. В некоторых странах с солнечным климатом начинают широко распространяться работающие на этом принципе солнечные кипятильники, солнечные кухни. История техники знает и целый ряд энергетических установок небольшой мощности, работавших на этом же принципе. И, надо сказать, в целом ряде случаев они работали неплохо. Спроектированная в гелиолаборатории Энергетического института им. Г. М. Кржижановского АН СССР солнечная теплосиловая электростанция мощностью 1200 киловатт использует этот принцип. Правда, в ее конструкции воплощен целый ряд оригинальных решений, значительно ее улучшающих, но не меняющих основного. И в ней 1300 «зайчиков», отраженных зеркалами размером три на пять метров, будут направляться автоматически на черную поверхность парового котла и кипятить в нем воду. Образующийся пар с температурой около 400–500° и давлением в 30–35 атмосфер будет работать в турбине, приводящей в действие электрогенератор мощностью 1200 киловатт. Отработанный в турбине пар давлением 2 атмосферы в количестве 13 тонн в час будет использоваться для технологических целей.

Мы надеемся, что эта электростанция будет построена. На ее опыте мы проверим целый ряд теоретических предположений, целый ряд различных схем. Ее расчетный КПД должен составлять 15–17 процентов. Это не так уж мало и, во всяком случае, вполне рентабельно.

Нет ли, однако, других возможных схем солнечных электростанций будущего с особым, своим собственным преобразователем, а не заимствованным из старых котельных ТЭЦ?

Поиски такого преобразователя ведутся давно. В первую очередь логично обратиться к природе: не осуществляется ли где-нибудь в ее волшебных лабораториях необходимое преобразование? И оказывается, такое преобразование осуществляется в огромных масштабах.

Осуществляет его зеленое зернышко хлорофилла в глубине клетки листа растения. Оно аккумулирует энергию солнечного луча, заковывает ее в длинные и прочные цепи органических молекул. Сжигая дрова в печи, мы разрушаем эти молекулы и освобождаем энергию солнечных лучей.

Ученые подсчитали КПД этого совершающегося повсеместно в природе превращения. Он оказался очень небольшим для культурных растений — 1–2 процента. Если мы прибавим еще все те потери, которые неизбежны при дальнейших превращениях энергии в тепловых электростанциях, в которых мы сегодня используем энергию топлива, мы получим еще более мизерный результат. Биологи, растениеводы, работая над важнейшей задачей повышения КПД фотосинтеза, нашли, что очень интенсивно этот процесс идет у некоторых видов водорослей. Опыты с ними проводились в Японии, США и других странах. В условиях максимально благоприятных температур, при повышенном содержании углекислого газа удавалось вырастить очень солидный урожай — до 50 и выше тонн водорослей на гектар бассейна. Подсчеты показывают, что если будет достигнут теоретически возможный КПД фотосинтеза, равный примерно 12,5 процента, и удастся снимать 250 тонн с гектара, то в этом случае электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, сжигающей водоросли — в сухом ли виде, получив ли из них метан в специальных бродильных чанах, — уже не будет слишком дорогой. Но пока использование явления фотосинтеза может считаться перспективным только для получения пищевых продуктов, но не топлива электростанций.

Этот подсказанный нам природой способ преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию пока, однако, с высоким КПД не воспроизведен в неживых искусственных химических системах.

Иногда говорят: «Как все совершенно в природе и как несовершенно в технике…» Так ли это?

Перед нами — обыкновенный бык. Это еще пока основной «двигатель» во многих слаборазвитых странах. Посмотрим на эту «машину» глазами инженера.

Велик ли его КПД? У растения—1 %, а у быка?.. Бык пожирает зелень и на пахоте отдает землепашцу всего 2–3 % от той энергии, что была в съеденной зелени. 2–3 % от 1 %! Это 0,05 %. Иными словами, бык пожирает почти все растения, которые помогает вырастить. Нет, нам не нужны двигатели с КПД, равным нулю…

Физики сумели найти лучшие пути. И даже не один, а несколько.

Первый был открыт еще в 1821 году немецким ученым Т. Зеебеком. Этот ученый установил, что если спаять концы двух проволок из разных металлов, а затем этот спай нагреть, то по проволочкам пойдет электрический ток. Мы обычно называем теперь такой ток термоэлектричеством, а устройство из двух проволочек — термоэлементом.

Во времена Зеебека коэффициент полезного действия термоэлементов измерялся десятыми и сотыми долями процента. Однако в последние годы его удалось поднять до 7 процентов. Вспомним, что это предельный практически достигнутый КПД паровоза. На перспективность такого метода преобразования солнечной энергии в электроэнергию еще в 1924 году указывал академик А. Ф. Иоффе. И действительно, термоэлектрогенераторы уже вышли из стен лаборатории Института полупроводников АН СССР, нашли применение в быту. В скольких селениях нашей Родины, в которые из-за их отдаленности еще не дотянулись линии электропередачи, ныне работают термоэлектрогенераторы, надеваемые в виде абажура на керосиновую лампу или поставленные на керосинку. Вырабатываемый ими электрический ток питает радиоприемники.

Такие батареи термоэлектрогенераторов могут также обогреваться солнечными лучами и вырабатывать электроэнергию. Мощность, даваемая ими, будет тем больше, чем большее количество лучистой энергии в единицу времени будет сконцентрировано на них. Сейчас мы можем сказать, что скоро этого типа устройства будут рентабельными. Солнечный термоэлектрогенератор мощностью 40 ватт, сконструированный в гелиолаборатории Энергетического института АН СССР, был опробован еще в 1955 году.

Второй путь был предложен в 1888 году русским ученым А. Г. Столетовым, сконструировавшим первый фотоэлемент, подробно изучившим фотоэлектрические явления. Суть этих явлений заключается в том, что под действием лучей света в некоторых веществах появляется электрический ток, энергия световых лучей превращается в электрическую энергию.

На первых порах КПД этого превращения тоже был очень мал. Еще в 1953 году считали, что он вряд ли будет превосходить 0,6 процента. А уже в 1954 году кремниевые фотоэлементы позволили осуществлять такое превращение с КПД, равным 6 процентам. В 1955 году он достиг 11 процентов. Такие фотоэлементы сейчас производятся в СССР, США, ФРГ… Есть основания предполагать, что их КПД можно «дотянуть» до 15–20 процентов.

Наверное, не надо добавлять, что эти-то вот фотоэлектрические превращения наряду с термоэлектрическими и являются перспективными для преобразования энергии солнечных лучей в электричество. Тоненьким пластинкам полупроводников, в которых возникает порождаемый солнечными лучами поток электронов, суждено заменить громоздкий, неудобный комплекс устройств, состоящий из парового котла, паровой турбины электрогенератора, конденсатора, насосных установок и т. д.

Мы говорили, что даже при КПД, равном 10 процентам, уже целесообразно начинать сооружение гигантских гелиоэлектростанций, покрывая пластинками фотоэлементов гектары и квадратные километры среднеазиатских пустынь. В чем же дело? Ведь такое превращение уже достигнуто. Перспективы дальнейших работ в этой области блистательны. Почему же еще не запланированы постройки этих электростанций в наших планах?

Вот тут-то и пойдет речь о том, что надо сделать, чтобы открыть широкую дорогу гелиоэнергетике. Первое — разработать дешевую технологию получения сверхчистых кремния и некоторых других химических элементов, свойства которых позволяют их применять в фотоэлектрогенераторах.

Может быть, кремний — редкий элемент? Да ничего подобного! В одном ведре обычного речного песка содержится столько кремния, что его с избытком хватит на то, чтобы покрыть пластинками фотоэлемента добрый десяток квадратных метров площади.

Все дело — в технологии получения. Первые граммы сверхчистого кремния, которые были получены в лабораториях, обходились чрезвычайно дорого. Даже сейчас этот материал дорог. Примерно в 100 раз дороже обычного получается «солнечное» электричество.

Мы очень бегло ознакомились с различными направлениями гелио-энергетики. И везде, куда бы мы ни бросили взор, бездна нерешенных вопросов.

Тепловая энергетика. Постройка бань, прачечных, сушилок для фруктов, которые бы не требовали ни грамма горючего и никакого ухода за своими аппаратами, кроме еженедельной очистки поверхности водонагревателей от осевшей пыли, — разве это не благороднейшая задача, которую мог бы взять в свои руки комсомол Туркмении и Казахстана, Грузии и Узбекистана, да и Украины, Молдавии, ибо рентабельная работа таких установок возможна до широты Харькова и Киева? Какую экономию горючего, труда обслуживающего персонала могло бы принести широкое внедрение таких установок! А ведь постройка таких «солнечных предприятий» может быть осуществлена буквально своими руками, она под силу любой колхозной комсомольской организации.

Не меньшую экономию могло бы принести и широкое распространение солнечных кипятильников, кухонь, холодильников, имеющих рабочую площадь зеркал от одного до десяти-двенадцати метров. Однако такие устройства, к сожалению, распространены у нас еще очень слабо. Выпущено в Ашхабаде, например, всего около полутора тысяч солнечных кухонь. Наладить их производство тоже могла бы помочь наша молодежь.

А разве не могли бы принять участие самые широкие массы нашей молодежи в опытах по повышению коэффициента полезного действия хлорофилла? Отвергнутый энергетикой, этот путь использования энергии солнечных лучей бесконечно перспективен с точки зрения сельскохозяйственного производства. Действительно, ведь если поднять КПД фотосинтеза наших сельскохозяйственных растений с одного до двух процентов — это будет практически означать удвоение урожая. Разве не стоит постараться ради этого?

Примечательно, что когда в Риме в 1961 году собралась международная научная конференция по новым источникам энергии — лучам Солнца, ветру и подземному теплу, — то из 250 сообщений ученых 169 были посвящены Солнцу. На выставках СССР демонстрирует сейчас несколько типов солнечных установок: кухня — плита с диаметром зеркала около 1 метра (она заменяет 800-ваттную электроплитку); термоэлектрогенератор на 10–20 ватт с таким же зеркалом и аккумулятором; фотоэлектрогенераторы, способные питать радиоприемник «Минск»; и, наконец, модель солнечной печи для научных исследований. Она создает в тигле температуру 1500–2000 градусов, плавит металлы…

Улучшать эти конструкции и выпускать их сотнями тысяч — заманчивая перспектива.

Конечно, это все задачи нелегкие. Но они, бесспорно, разрешимы. Мало того, они будут разрешены в ближайшем будущем. И может быть, как раз кем-нибудь из читателей книги.