9.1. Роль энергии в истории человечества
Весь длительный процесс освоения энергии человеком можно разделить, хотя бы для удобства обсуждения, на четыре-пять этапов [по Алексееву, 1983, с модификациями].
Первый — этап мускульной энергии, он уходит в глубь тысячелетий и длится до V–VII в. н. э. Одним из самых замечательных достижений этого периода является овладение огнем: вначале поддержание костра, а затем добывание огня и запасание первого энергетического ресурса — дров.
Второй этап (VII–XVII вв.) относится к использованию энергии движущей воды и ветра, он связан с изготовлением специальных, порой очень непростых сооружений, требовавших коллективного труда и творчества. Техническая основа разработок этого времени — колесо.
Третий этап (с XVIII в. до начала XX в.) соответствует все более широкому применению «движущей силы огня», источником которого является химическая энергия топлива, накопленного в былых биосферах: каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев и т. д.
Четвертый этап (с «XX в. наравне») не зря называют «золотым веком электричества». Благодаря его открытию, а главным образом созданию многочисленных приборов и движителей для человечества оказалось возможным освоить и энергетически обеспечить практически все уголки нашей планеты, более или менее пригодные для жизни.
Пятый этап развития энергетики, основанной на использовании энергии распада атома и синтеза ядра, практически станет определяющим только в следующем веке или (более осторожно) в следующем тысячелетии. Рассмотрим развитие энергетики человека в историческом плане.
Вспомним, что иссушение климата и уменьшение площадей лесов в конце третичного — начале четвертичного периода вынудили предков-гоминид перейти от древесного к наземному существованию. Только социальный образ жизни, развитие систем коммуникации, обучения и приготовления примитивных орудий защиты и труда позволили некоторым линиям гоминид, не имевшим ни густого меха, ни мощных когтей, твердо обосноваться в степях и саваннах, используя естественные укрытия и пещеры как убежища. Примитивные орудия труда, обнаруженные археологами вместе с человеческими останками, относятся к дальней дали веков. (Например, орудия, найденные при раскопках вблизи древнего греческого города Птолемаис в Македонии, изготовлены более 3 млн лет назад.) Конечно, первые орудия очень примитивны. Это камень с острым сколом, дубина, очищенная от сучьев, и позднее — копье, сильное смертоносное оружие. Но со временем они все более совершенствовались, с их помощью первобытный человек мог охотиться на диких животных, выкапывать съедобные корни, строить укрытия из деревьев. Сто лет назад были проведены сравнения, какой топор лучше: каменный или железный. Оказалось, что каменный топор ненамного хуже; дерево толщиной 17 см было им срублено за 7 мин, а железным — за 5.
Самым великим событием в развитии человечества на этом этапе было «приручение» огня. Точной даты нам не узнать, да ее, видимо, и не было: в различных регионах земли это происходило неоднократно и в разное время.
Недаром в мифах и легендах всех народов мира говорится о божественном происхождении огня. Огню очень долго поклонялись как божеству; не умея его добывать, старались сохранить в одном месте на долгие годы. В одной из пещер вблизи Пекина археологи обнаружили следы костра, который непрерывно горел в течение 500 тыс. лет на одном месте! Огонь зажигали от лесных пожаров, возникших от ударов молний, реже —от извержения вулканов.
Следующий огромный шаг в овладении человеком силами природы — это умение добывать огонь. Ф. Энгельс писал, что добывание огня трением впервые доставило человеку господство над определенной силой природы и тем окончательно отделило человека от животного царства. Постоянное применение огня резко изменило жизнь человека. Учеными доказано, что уже неандертальцы ели жареное мясо. Приготовление хлеба, вареного и жареного мяса существенно облегчило пищеварение, высвободив время и энергию для активных действий (т. е. в соответствии с ЭПИР доля активной энергии у человека возрастала по сравнению с другими млекопитающими; непосредственное увеличение потока использованной энергии по ЭПЭР в связи с использованием огня очевидно).
Однако прямые энергетические возможности человека определялись главным образом мощью его мускулов и крепостью костей. Средняя мощность мужчины около 0,1 л.с. Первыми машинами, преобразующими и запасающими энергию, по-видимому, можно считать самодействующие ловушки. В них использовалась сила тяжести животных (ямы) либо упругостные силы отогнутых ветвей, согнутых деревьев. Самый яркий пример облегченного варианта такой «машины» с дистанционным действием — это лук и стрелы.
На протяжении 3–4 млн лет технологическая эволюция человека протекала довольно медленно. Сотни тысяч лет, согласно данным раскопок в разных регионах Земли, традиции изготовления каменных орудий сохранялись почти неизменными. Но около 40 тыс. лет назад скорость эволюции значительно возросла. Неоценимую помощь человеку, прежде всего по энергетике, оказали первые прирученные животные и среди них — собака. Она помогала и выследить добычу, и охранять жилье, могла использоваться как тягловая сила, а в тяжелых случаях — и как подручный запас еды. Приручение различных животных, а с ними и разведение домашнего скота резко изменило весь образ жизни человека: от простого собирания «благ» дикой природы он перешел к их производству. Постепенно вместо собирания злаков он начинает их охранять, выращивать, а потом и сеять.
Десять — двенадцать тысяч лет назад с переходом к земледелию и скотоводству произошла так называемая неолитическая революция. Местом наиболее раннего ее проявления считается Передняя Азия. В этом регионе были не только необходимые дикорастущие злаки, но и животные, легко поддающиеся одомашниванию,— свиньи, козы, овцы, коровы. Сезонный сбор урожая однолетних растений вынудил человека делать запасы зерна, фуража, а отсюда и появилась возможность содержать животных. Потребовались новые орудия труда, не только каменные топоры, но серпы, мотыги, потребовались могучие быки, чтобы тянуть повозки с урожаем или перевозить домашний скарб при переселении с места на место, когда земля переставала родить. Неолитическая эволюция в течение нескольких тысячелетий распространилась по всему миру.
Используя действие огня, человек научился выплавлять из руды твердые металлы, на смену каменному веку пришел бронзовый, а за ним и железный. Неолитическая эволюция и прогресс энергетики привели к тому, что впервые в истории производство пищи и орудий труда стало постоянно превышать минимальные жизненные потребности. Появился прибавочный продукт, а с ним — собственность и государство. Уже не требовалось каждому человеку участвовать в добывании и производстве пищи. Появились квалифицированные специалисты, ремесленники, целиком занятые изготовлением определенных орудий труда и производства. Возросла роль знания, умения, специализации, расширился обмен товарами и идеями, улучшалось энергетическое обеспечение.
Изобретение колеса было одним из самых значительных изобретений этого времени (5–6 тыс. лет назад). Можно сказать, что первые государства и почти вся техническая цивилизация въехали в историю «на колесах». С их развитием потребовались новые источники энергии — простых мускульных сил не хватало. Государство, этот «аппарат насилия», позволяло решать задачу просто: заставить работать на себя другого, сделать его своим рабом, использовать его силу, брать от него больше, чем давать (таков только один из аспектов развития рабовладения — энергетический).
Мускульная сила рабов резко увеличила энергетические возможности рабовладельческих государств. Меньшинство захватило орудия производства, власть и стало эксплуатировать большинство, используя его труд и энергию,— образовались классы рабов и рабовладельцев. С помощью рабов прокладывались каналы для орошения земель и для отвода воды с затопляемых территорий. Создавались искусственные плотины, изменяющие течение крупных рек. Широко известны грандиозные сооружения, «чудо света», техники и рабовладения того времени,— египетские пирамиды. Удивляет количество труда, вложенного в них. Пять тысяч лет назад за 20–30 лет была построена одна из самых знаменитых пирамид — пирамида египетского фараона Хеопса. Ее высота соответствует высоте современного 50-этажного дома, длина 230 м. Ее возвели сто тысяч рабов из 2,3 млн блоков со средним весом 1,5 т, а некоторые — до 10–15 т. Щели между блоками меньше 0,5 см, грани пирамиды точно обращены на четыре стороны света. Какой яркий пример огромной энергетической мощности государства и... бессмысленного ее применения.
Труд рабов широко использовался в ткачестве, которое постепенно становилось одним из наиболее распространенных ремесел вплоть до создания ткацких мастерских — первых коллективов специалистов. На рабском труде было основано и тяжелое горное дело.
Рабство с течением времени стало тормозить процесс развития энергетики, как источник энергии оно изживало себя. Человек стал искать новые источники, и, естественно, что он обратил внимание на те, что всегда были перед ним: текущую воду и ветер. Мы знаем, что источником этой энергии, движителем круговорота воды и воздуха является поток солнечной энергии, но для древних людей первопричина не была особенно важной. Они уже давно эпизодически пользовались силой движущейся воды и ветра. Так мы переходим к описанию второго этапа развития энергетики, используемой человеком.
Этот этап, как и полагается по законам диалектики развития, давно вызрел в недрах первого периода. Доподлинно доказано старыми документами, что парус применялся не менее 4 тыс. лет назад, а водяное колесо, вращаемое потоком воды, насчитывает более чем двухтысячелетнюю историю.
Но широкое использование энергии воды и ветра относится к фазе повсеместного перемещения народов в Европе, к V—VII вв. н.э.
С гибелью Римской империи и с фактическим затуханием рабовладения физический труд и энергия стали цениться гораздо дороже и старая энергетическая основа — мускульная сила потеряла ведущую роль. Становление нового феодального строя связано и с развитием новой техники. Если первое документальное упоминание о водяной мельнице относится к IV в., то к XI в. их насчитывались десятки тысяч. Добавим к этому, что если лошадь в технической установке заменяла 10 рабов, то хорошее водяное или ветряное колесо — до 100. Ветряные мельницы, хотя и появились позднее водяных, тоже быстро получили широкое распространение, но из-за непостоянства энергоносителя — ветра не могли заменить более непрерывно действующие водяные. Водяные колеса совершенствовались со временем, и к XI в. для их работы использовалась даже сила приливов (в Англии, Франции и позднее, при Иване Грозном, в России, на берегу Белого моря).
Средние века как раз и характеризуются переходом от ручного производства к машинному. Создаются прядильные и ткацкие станки, маслобойные и бумагоделательные машины, металлический сельскохозяйственный инвентарь, лесопильные установки. На все это требовалось огромное количество металла, а добыча руды и угля все усложнялась. Из-за выработки древесного угля, необходимого при выплавке стали (до изобретения кокса), сводились на нет огромные площади лесов. В наиболее промышленно развитой Англии практически не оставалось лесов. Можно говорить о первом серьезном экологическом кризисе, связанном с развитием промышленности.
Но гораздо более серьезным и угрожающим был энергетический кризис. Всем новым машинам нужны были мощные, постоянно действующие движители, независимые ни от положения, ни от сезона в отличие от ветряных и водяных колес. Идея надежного двигателя недаром занимала умы мыслителей того времени.
Своеобразным отражением энергетического кризиса являются многочисленные в то время попытки создать вечный двигатель. Видя кажущееся «самодвижение» воды и воздуха (реки, приливы — отливы, ветра), легко можно было представить, что хитроумная комбинация машин способна к вечному движению, а следовательно, и к постоянному совершению работы.
Естественно, что наибольшее число «изобретений» относилось к использованию энергии воды и воздуха. Среди них наиболее популярны комбинации спирального подъемника воды — архимедова винта и обычного водяного колеса, которые вращают друг друга; колесо, вращающееся под действием неуравновешенных грузов; и т. д. Попытки создания вечного двигателя крайне заманчивы. Они не прекращаются до сих пор, правда, уже на других сочетаниях движущих сил. Еще в 1775 г. Парижская академия приняла решение не рассматривать утопических проектов вечных двигателей из-за невозможности их создания. Это — крупное достижение науки того времени, очень важна его гносеологическая роль. По сути оно означает отказ от самодвижения во всех формах, необходимость учета внешней накачки энергией всех преобразователей энергии. Не мешает напомнить, что идея самодвижения и саморазвития любых систем автоматически приводит, с энергетической точки зрения, и к возможности существования самоисточников энергии, т. е. вечных двигателей, чего, как известно, в природе не обнаружено.
Выход из энергетического кризиса средневековья был найден с помощью приручения «движущей силы огня», использования перехода химической формы энергии в тепловую, применения силы сжатого пара. Это — третий этап развития энергетики человечества. И опять мы не знаем, когда была построена первая паровая машина. Может быть, это был эолопил Герона или одна из первых паровых пушек Архимеда. Хотя древние греки и были знакомы с действием паровых машин, но объяснения принципа их действия тогдашняя схоластическая наука дать не могла. Не была известна сущность происходящих при этом физических процессов (считалось, например, что воздух превращается в пар), а без этого создать серьезную, эффективно работающую машину было нельзя.
Только научная революция XVI–XVII вв., вызванная требованиями развивающихся капиталистических отношений, привела к возникновению опытной науки, сформулировавшей правила разработки и создания разнообразных энергетических движителей.
На стыке XVII и XVIII вв. были созданы первые длительно работающие паровые машины, вначале пригодные лишь для откачивания воды из шахт (одной из самых тяжелых задач того времени). Они были громоздкими и неэффективными, с к.п.д. не выше 0,3%! Фактически это были паровые насосы. Настоящая паровая машина непрерывного действия была разработана в Англии знаменитым изобретателем Джеймсом Уаттом во второй половине XVIII в. (Параллельно в России был разработан двухцилиндровый паровой двигатель умельцем-механиком с Урала Иваном Ползуновым, но со смертью автора изобретение было забыто.) В Англии, этой мастерской мира того времени, где две трети населения работали в промышленности, паровые машины распространились необычайно быстро; к началу XIX в., т. е. через 25 лет после изобретения Уатта, их насчитывалось более 1500, они заменяли работу 180 тыс. лошадей. За Англией поспешили континентальная Европа и Северная Америка. В России первая после двигателя И. Ползунова машина заработала на Урале в 1799 г. Паровая машина, по словам Энгельса, оказалась поистине интернациональным изобретением. И это неудивительно, так как она была единственным в то время средством решения проблемы энергетического кризиса. Паровые машины повышенного давления можно было поставить на колеса и получить самодвижущиеся по рельсам повозки; довольно быстро по рекам и внутренним водоемам пошли пароходы, а в 1838 г. Атлантический океан пересекли два парохода, использующие только паровую тягу. Таким образом, к середине XIX в. паровые машины практически везде пришли на смену естественным источникам энергии — воде и ветру. Наступил «золотой век пара», который, казалось бы, мог длиться очень долго. Но... чем больше возможностей, тем быстрее растут потребности. Быстрый количественный рост числа паровых машин, их непрерывные модификации (хорошая аналогия с ЭПЭР и ЭПИР в биологии) уже за хронологических полвека не смогли удовлетворять потребности в энергетических мощностях экспоненциально растущей экономики. Перечислим самые существенные недостатки паровых машин: низкий к.п.д. при увеличении числа и мощности машин приводил к громадному расходу топлива; передача движения от машины к станкам осуществлялась через целые системы трансмиссий, сложные и ненадежные; атмосфера городов с тысячами заводских дымовых труб становилась непригодной для жизни горожан.
В недрах XIX в. зрели новые способы преобразования и использования энергии, но только в XX в. электричество вступило в права основного энергодателя, энергопреобразователя и энергопереносчика. Существует рассказ о том, что когда Майкла Фарадея, открывшего явление электромагнитной индукции, спросили: «А зачем это надо?», он ответил: «Не знаю, но когда-нибудь вы это обложите налогом». Имелось в виду, что это явление будет широко применяться на практике. Но вряд ли и сам великий экспериментатор и все исследователи, изучавшие природу электрических и магнитных явлений, могли предвидеть, как широко войдет электричество в нашу экономику, в быт каждой семьи. Применение электричества резко повысило энергообеспеченность человечества, в том числе и удельную. Электрическая энергия имеет большие преимущества перед другими видами: она быстро и с малыми потерями передается на большие расстояния; может легко преобразовываться в другие виды энергии; к. п. д. электропреобразователей может быть очень высоким, вплоть до 100%. Источником ее может служить как энергия падающей воды, так и энергия органического топлива. Отметим, что около 80% получаемой в мире энергии, большая часть которой превращается в электрическую на огромных ТЭЦ и ГРЭС, производится на основе паровых турбин. Схема превращения энергии органического топлива (угля, нефти, газа, мазута) в электрическую энергию многоступенчата. Например, тепло сгорающего топлива нагревает воду в котле, вода превращается в пар высокого давления, он приводит в движение паровую турбину, турбина — ротор электрического генератора, находящийся в сильном магнитном поле, тоже создаваемом током.
Интересно отметить, что и для пятого этапа развития энергетики, основанного на использовании атомной энергии, основным энергоносителем тоже является пар. Современная атомная и, возможно, будущая термоядерная электростанция — это типичные тепловые станции. В них тапка парового котла заменяется на атомный или термоядерный реактор, а «тепловое тело» — пар — остается. А это значит, что к. п. д. таких станций, как и ранее, не будет высоким. Характерно резкое критическое высказывание по этому поводу профессора А. Китайгородского: «...Сегодняшняя атомная электростанция напоминает мне телегу, которую движет великолепный восьмицилиндровый двигатель» (цит. по [Чирков, 1981, с. 75]). «Дедовские» способы превращения тепла в электроэнергию через посредство пара действительно резко тормозят развитие новых методов производства энергии в наше время. Вот почему в нашем веке остается невысоким вклад атомной энергетики в общую энергетику человечества, не более 5% по прогнозам к 2000 г., хотя ее экологическая безвредность очень привлекательна при безаварийной работе.
Заканчивая обзор развития энергообеспеченности человечества в его эволюции, обратим внимание на то, что к настоящему моменту человек использует и рассеивает энергию, в десятки раз большую, чем среднее млекопитающее его размера. Это означает, что рост энергетических показателей является одним из важнейших факторов в эволюции человека и развитие всех его технологий связано с совершенствованием энергетики. По воспоминаниям соратника К.Маркса В.Либкнехта, познакомившись с работой одного из первых электродвигателей и действием модели железной дороги, К.Маркс сказал, что теперь результаты необозримы: за экономической революцией должна последовать политическая, так как вторая служит только выражением первой (цит. по [Карцев, Хазановский, 1984, с. 135]).
9.2. Будущее человека и перспективы энергетики
Вопрос о будущем развитии энергетики человечества можно по праву считать одним из самых главных в настоящее время. Для этого имеются две основные причины. Во-первых, наше время можно считать переломным из-за близкого истощения сырья, накопленного в былых биосферах. Вскоре, действительно, мы уже не сможем паразитировать на несовершенствах круговоротов прошлых биосфер и будем должны побеспокоиться о более падежных (возобновляемых или имеющих большие запасы) источниках. Во-вторых, следует подумать о гармоническом «вписывании» человечества в глобальный круговорот, пока он не нарушен в его основе (об этом—подробнее в следующей главе). Под этим углом зрения мы и рассмотрим некоторые возможные варианты совершенствования энергетики человечества.
Рис. 14. Рост народонаселения и удельного энергопотребления в XX в. [Скалкин и др., 1981].
1 — народонаселение, млрд чел.; 2 — удельные энергозатраты (% к 1900 г.).
К теперешнему моменту разработано несколько вариантов прогнозов развития энергетики на период до конца века и более отдаленные времена. Все они сходятся в том, что рост энергетики будет наблюдаться в любом случае, несмотря на призывы к его ограничению. И характер этого роста, по крайней мере в ближайшем будущем, остается экспоненциальным. Несмотря на рост народонаселения (рис. 14), и это следует подчеркнуть особо, (удельные расходы (или производство) энергии все же будут возрастать опережающими темпами [Скалкин и др., 1981]. Человек с мощностью основного обмена около 100 Вт рассеивает в 50—100 раз больше энергии в результате развития техники и энергетики, и этот показатель явно возрастает.
Приведем данные прогноза развития энергетики на XXI в. (рис. 15). Если к концу XXI в. атомная и ядерная энергия станут основными в энергопотреблении человечества (на рис. 15 область 4 заштрихована), то конец XX в. будет характеризоваться главным образом еще применением органического топлива, накопленного в прошлых биосферах. Рассмотрим подробнее некоторые аспекты роста и изменения структуры энергетики.
Ископаемым топливом № 1 нашего времени является нефть. Производимые из нее бензин, керосин, дизельное топливо используются в большом числе энергетических машин в качестве основного горючего. Добыча нефти к концу XX в. может достигнуть громадных величин — до десятка миллиардов тонн. И хотя разведанные ее запасы растут, нет сомнения, что более чем на 100 лет ее не хватит. По оценкам экспертов, скорость извлечения нефти из земных глубин п миллион раз превышает возможные максимальные скорости ее накопления в прошлом. Все труднее добывать нефть из недр, все сложнее до нее добираться, да и доля ее экономически выгодного изъятия не превышает 30—60% от имеющейся. Падают и энергетические характеристики. Хотя еще Д. И. Менделеев говорил, что сжигать нефть — это «все равно, что топить ассигнациями».
Рис. 15. Прогноз развития мировой экономики и изменение ее структуры [по Легасову и др., 1985, модифицировано].
Области: 1 — уголь; 2 — нефть; 3 — природный газ; 4 — ядерное и атомное топливо; 5 — остальные источники энергии, включая возобновляемые источники.
Согласно простому, но очень показательному расчету, проведенному Линдсеем Грантом, консультантом Экономического фонда США, нефти при теперешних темпах ее потребления не хватит надолго. Даже если предположить, что вся масса Земли состоит из нефти (?!), то она будет исчерпана за срок около 350 лет, если скорость увеличения ее потребления останется такой же, какой она была до 1973 г. (цит. по [Литературная газета, 1984, 18 апр., № 16 (4978)]).
Примерно то же самое можно сказать об угле, невозобновляемом горючем этого же типа. В начале XX в. он был лидером по использованию в энергетике мира. Запасы его примерно в 10—20 раз больше, чем нефти. Однако он, особенно его наиболее распространенный вариант — бурый уголь, обладает пониженной калорийностью. При сжигании от него остается много отходов и сильнее загрязняется окружающая среда, главным образом ядовитыми оксидами серы и азота, а также зольными выбросами.
Перспективен в настоящее время природный газ, широко используемый в быту и промышленности, но его запасы не превышают запасов нефти, и он тоже заслуживает внимания как химическое сырье, но не как топливо. То же самое относится и к горючим сланцам, торфу и другим ископаемым «подаркам» прошлых биосфер. Сроки их использования ограничены даже в не столь отдаленном будущем.
Принципиально новым видом энергии, перспективным для использования человеком, является ядерная. Основы для ее применения были разработаны в результате достижений одной из самых развитых наук — теоретической и экспериментальной физики. К сожалению, первой серьезной демонстрацией мощи атома были взрывы в военных целях в конце второй мировой войны в японских городах Хиросиме и Нагасаки.
Пионером мирного применения энергии атомного распада стал СССР. 27 июня 1954 г. вступила в строй первая в мире атомная электростанция (АЭС) в г. Обнинске. Ее мощность достигала всего 5 тыс. кВт, но главное достоинство заключалось в практической проверке мирной атомной технологии. В настоящее время мощность одного блока стандартной АЭС составляет 1 млн кВт (т. е. в 200 раз больше первенца), а общее производство энергии в мире с помощью атома достигло в 1980 г. 8 млрд МВт·ч, что приблизилось к 5% от ее общего производства. В 70-х годах более сорока стран пришли к решению о создании у себя атомной энергетики. По некоторым оценкам, к 2000 г. на атомных станциях будет производиться до 30—50% всей электроэнергии. Преимущества применения урана ясны: 1 кг этого горючего дает энергии почти столько же, сколько железнодорожный состав каменного угля.
При использовании энергии атома на одно из первых мест выдвигаются проблемы безопасности. Действительно, опасность атомного взрыва очевидна и, увы, уже продемонстрирована на людях. На АЭС взрывного деления тяжелых ядер урана или плутония не происходит, скорость атомного распада строго регулируется с помощью графитовых поглотителей избыточных нейтронов. Теоретически опасность нерегулируемого взрыва почти нулевая (по расчетам — один случай на миллион лет). Более опасно радиоактивное загрязнение среды при возможных авариях, что и показала трагедия Чернобыля. Далеко не просты проблемы надежного захоронения радиоактивных отходов реакции. Радиоактивные шлаки после извлечения из них ценных урана и плутония для повторного использования необходимо тщательно упрятать поглубже, так как они остаются радиоактивными в течение целого ряда лет.
При должных мерах безопасности средний радиационный фон около АЭС ниже, чем около обычных промышленных предприятий. Правда, цена этому немалая: около 1/3 всех отпускаемых средств должно тратиться на природоохранительные цели, и экономия здесь недопустима.
Упомянем еще одну положительную сторону применения мирного атома. Работа АЭС не связана со сгоранием топлива, а это значит, что не потребляется кислород и не образуется избыточный углекислый газ, как при работе тепловых электростанций. Кроме того, не требуется подачи и нет загрязнения большого количества воздуха (подробнее об этом — в следующей главе).
Имеются ли серьезные ограничения на широкое распространение атомной энергии? Поскольку источник невозобновляем, то надолго ли хватит урана? По самым осторожным расчетам, его хватит на несколько столетий. Особые перспективы в этом смысле сулит разработка реакторов на «быстрых нейтронах». В реакторах этого типа с повышенным удельным тепловыделением балластный уран-238 превращается в плутоний, который тоже является атомным горючим. Параллельно с расходом топлива может идти его накопление в удобной для использования форме и даже в нарастающих количествах. Пока реакторы такого типа сложны и дороги, но это уже обычные задачи совершенствования технологий.
Еще более эффективным, а главное химически и радиационно безопасным источником энергии для человечества может стать термоядерный синтез. Наверное, это — одна из самых сложных технологических задач, стоящих перед человечеством. Академик И. В. Курчатов называл ее «величайшей». С конца 50-х годов по инициативе Советского Союза работы по управляемому термоядерному синтезу стали вестись по международным программам, были сняты все завесы секретности с этой поистине интернациональной задачи. Поступательное движение по пути к управляемой термоядерной реакции становится все более ощутимым. Чтобы «зажечь» реакцию термоядерного синтеза, надо сжать плазму до плотности 10 триллионов ядер дейтерия и трития в 1 см3 и удерживать ее при температуре не ниже 200 млн °С в течение одной секунды. На современных токамаках, тороидальных камерах с аксиальным магнитным полем, удерживающим плазму, удалось достичь в начале 80-х годов либо нужного времени удержания плазмы с температурой около 20 млн °С, либо разогрева плазмы до 100 млн °С при более коротком времени удержания.
Имеется и другой путь к управлению термоядом — это инерциальное удержание плазмы. По этому способу на поверхность таблетки из смеси дейтерия и трития «обрушивается» огромная энергия в виде импульса лазерного излучения. Это приводит к гигантским температурам и давлениям в толще таблетки, при которых может начаться термоядерная реакция. На установках с мощными лазерами получены температуры в 100 млн °С. Для использования термоядерной энергии этим способом потребуется решить ряд дополнительных технологических задач, так как по сути, в данном случае, будет работать серия микровзрывов, в отличие от стационарного состояния плазмы в токамаках. Независимо от способа в начале 90-х годов нашего века можно ожидать разработки демонстрационного термоядерного реактора, т. е. такого, в котором полученная энергия будет не ниже энергии приложенной. И тогда путь к овладению «идеальным» источником энергии будет открыт. В самом деле, этот источник практически неисчерпаем, дейтерия в морской воде хватит на миллионы лет. Химического и радиоактивного загрязнения тоже практически нет, так как работа идет с водородом и гелием. Однако одна из самых сложных проблем, связанных с воздействием человека на биосферу, все же остается. Она относится к применению и атомного, и ядерного горючего. Это — проблема теплового загрязнения, или избыточного тепловыделения.
В конечном счете вся энергия, полученная человеком, превращается в тепло. А это означает, что возможен «перегрев» оболочки Земли со всеми последствиями: опустынивание в теплых регионах, таяние антарктических льдов и подъем уровня Мирового океана и т. д. По оценкам академика Н. Н. Семенова и ряду прогнозов, производство дополнительной энергии можно довести лишь до 3—5% от поступающей на Землю энергии Солнца. Это превышает современный уровень лишь в несколько сот раз. Следовательно, стабилизация должна наступить уже в ближайшие 200 лет, если мы будем использовать ядерное или ископаемое горючее.
Есть и другая перспектива роста энергетики, совершенно безопасная экологически: это более полное использование солнечной энергии, непосредственно поступающей на Землю. В этом случае не будет никакого загрязнения, включая и тепловое, так как работает энергия, уже пришедшая от Солнца и ранее бесполезно терявшаяся в виде сразу выделившегося тепла.
Широкое применение солнечной энергии, или развитие гелиоэнергетики, связано с преодолением ряда трудностей. В основе их лежит низкая концентрированность потока солнечной энергии. Несмотря на огромное общее количество энергии, поступающей от Солнца (более чем в 1000 раз выше энергопотребления человека), на каждый квадратный метр поверхности Земли приходится 100—200 Вт, в зависимости от географических координат. К этому надо добавить нерегулируемую облачность, изменения в течение дня и перерывы на ночное время. Низкая итоговая плотность потока солнечной энергии делает ее неконкурентоспособной с нынешними источниками, по крайней мере в ближайшие 15—20 лет. По современным экономическим оценкам энергия, полученная от солнечных батарей, пока в 100 раз дороже, чем поступающая с теплоэлектростанций. Однако, даже при теперешних способах преобразования солнечной энергии в электрическую, для удовлетворения СССР в энергии нужно «всего лишь» 10 тыс. км2. Много это или мало? Это — квадрат пустыни со стороной 100 км. Это меньше 1% территории, занятой под сельское хозяйство, и меньше площади, запятой в настоящее время угольными шахтами, нефтяными промыслами, нефтепроводами. Есть смысл приложить усилия для овладения солнечной энергией. В настоящее время существует несколько путей ее прямого использования. На физических и химических способах мы не будем останавливаться.
Заслуживают особого внимания направления работ, связанные с получением энергии из органики, накопленной не в прошлых биосферах, а образуемой в нашей биосфере под влиянием непосредственного потока энергии от Солнца. Пример такой возобновляемой органики давно известен — это древесина. Не зря ее доля в общем энергопотреблении резко упала уже к середине нашего века. Низкая калорийность — главная тому причина. А нельзя ли выращивать или получать продукт, близкий по теплотворной способности к самой нефти? Оказалось, что идея далеко не фантастическая, а вполне осуществимая. Есть целый ряд тропических деревьев, обычных кустарников и сорных трав, которые могут выделять в больших количествах соки — легкие углеводороды, близкие по энергетическим свойствам к типичным бензинам. Самые перспективные среди них — растения семейства молочаевых, чертополохи и многие сорта кактусов. Культивирование «нефтеносов» очень перспективно: при культивировании бразильских деревьев, и прежде всего знаменитого каучуконоса — гевеи, с одного гектара можно получить в год до железнодорожной цистерны жидкого топлива. При этом деревья практически не повреждаются, а древесина может использоваться в строительстве и для производства бумаги. Эксперименты показали, что себестоимость «выращенной» нефти приближается к себестоимости традиционной нефти.
Большие надежды возлагаются также на получение водорода с помощью биологических процессов. Водород привлекает внимание энергетиков из-за своей огромной энергоемкости. Не зря его называют топливом помер один для будущего, так как экологическая его чистота очевидна. Если его получать из воды электролизом, то при его сгорании, т. е. соединении с кислородом, снова образуется вода. Получается цикл. Если его осуществлять с помощью химического расщепления воды, то это энергетически невыгодно. Мы знаем, что растения умеют это делать быстро и хорошо, надо только научиться забирать у них хотя бы часть водорода до того, как он вступит в реакцию синтеза. Наибольшие надежды в этом направлении связываются с хорошо знакомыми нам синезелеными водорослями. Разрабатываются также синтетические аналоги живых фотосинтезирующих систем. Трудно сказать, на каком пути ждет наибольший выигрыш, но уже по современным оценкам с квадратного метра поверхности, освещаемой Солнцем, можно получить за день около 20 г фотоводорода, т. е. около 20 т с квадратного километра. И снова, по ориентировочным расчетам, участок пустыни 140×140 км сможет удовлетворить все энергетические нужды страны. До реального осуществления таких проектов очень далеко, сделаны лишь первые шаги. В самое последнее время удалось увеличить выделение фотоводорода у цианобактерий более чем в 20 раз, используя новые штаммы. Развитие методов генной инженерии позволяет надеяться на быстрое продвижение на этом пути.
Заканчивая анализ развития энергетики человечества, подчеркнем несколько наиболее существенных моментов. Прежде всего это ускорение роста энергообеспеченности человека, непосредственно связанное с развитием общественно-экономических отношений. Если политика — это концентрированная экономика, то экономика — это концентрированная энергетика. Производительность труда как главный показатель уровня экономики базируется на энергообеспеченности. Однако экспоненциальный рост энергетики не может продолжаться, как мы видели, даже в течение ближайших столетий.
Второй показатель, который, в отличие от первого, уже связан с качественными изменениями,—это переход на все более энергетически емкое топливо. Если принять теплотворную способность нефти за единицу, то для угля она составит менее 0,5, а дрова имеют коэффициент только 0,2, по зато водород в 3 раза более калориен, а атомное и термоядерное горючее более энергоемки уже в миллионы раз.
Рис. 16. Тенденции развития энергетики человечества.
1 — энергия, вовлеченная в орбиту деятельности человека; 2 — потери энергии во времени. Внизу заштрихована и отдельно построена область, соответствующая энергии, непосредственно используемой человеком.
Заботы о повышении к.п.д. энергетических машин также можно считать одним из важнейших аспектов развития энергетики человечества на всем ее протяжении. История человечества показывает, что переходы с одного типа источников энергии на другой никогда не происходят плавно, процесс этот полон драматизма и противоречий: периоды быстрого прогресса и количественного роста (гигантизма) сменяются периодами замедления, в которые очень важное значение приобретает экономичность использования источников. Общие тенденции роста энергетики человечества качественно можно представить в виде возрастающей негладкой кривой (рис. 16) с фазами быстрого развития и замедления роста. Видно, что с использованием нового источника общая величина энергии резко возрастала, но при этом возрастали и потери. По мере освоения источника данного типа (и его исчерпания) рост замедлялся, но снижались потери, а значит, росла экономичность. Наиболее гладкая кривая роста соответствует величине использованной энергии, т. е. разнице между всей вовлеченной в деятельность человека энергией и бесполезно потерянной. Эта тенденция имеет характер общебиологический, мы ее отмечали раньше в виде энергетических принципов.
Возможно, что в настоящее время, с крупномасштабных позиций, мы находимся перед очередным скачком — овладением термоядерной энергией. Но и здесь проявятся все те же принципы: наряду с количественным ростом будет наблюдаться и качественный. К снижению теплопотерь нас настоятельно призывает еще более насущная, чем рост энергетики, проблема нашего сосуществования с биосферой, нашего гармоничного вписывания в глобальный круговорот. Этому и посвящена следующая глава.