Наука Союзного государства
Судя по тому, как лихорадит рынок энергоресурсов, человечество уже столкнулось с их дефицитом. Возможно, для того чтобы справиться с энергетическим голодом на Земле, людям придётся призвать на помощь Луну
По самым приблизительным оценкам, в недрах нашей планеты запасено около 7 трлн тонн углеводородов: нефти, газа, угля и так далее. Это тот самый невозобновляемый ресурс, который мы постепенно сжигаем, чтобы получить тепло, электричество и с их помощью жить в наиболее комфортных условиях. Сопоставимую с содержащейся в этих запасах энергию Солнце дарит нашей планете меньше чем за месяц. И резервы нашей звезды настолько велики, что такое энергоснабжение она сможет поддерживать ещё как минимум 5 млрд лет. Сегодня людям для нормальной жизни в год требуется порядка 15 млрд тонн условного топлива (читай – угля), и эта цифра неизменно растёт. Эксперты считают, что к середине века этого у-топлива нам надо будет уже втрое больше. В то же время энергия, передаваемая на Землю Солнцем за год в том же условнотопливном эквиваленте превышает 100 трлн тонн. Этого запросто хватит на обеспечение более чем 6000 цивилизаций, подобных нашей.
Спасибо Эйнштейну
Земная фауна перерабатывает около четырёх процентов идущей от нашей родной звезды энергии. Если человечество сумеет взять для себя ещё хотя бы один процент, проблема энергетического голода надолго потеряет актуальность. И мы уже знаем, как это сделать.
Имя Альберта Эйнштейна знают все. Многие знают, что в 1921 году он получил Нобелевскую премию по физике. Присуждая учёному престижную награду, люди отмечали вовсе не создание им теории относительности, а опубликованную ещё в 1905 году статью, в которой физик описал законы внешнего фотоэффекта, объяснив, каким образом световые фотоны могут «вышибать» из встретившейся на их пути материи свободные электроны, которые можно использовать для производства электроэнергии.
Первыми ещё в 1930-е годы перевели солнечный свет в электричество советские учёные, сотрудники Физико-технического института под руководством легендарного академика Абрама Иоффе. Созданный ими на основе таллия солнечный элемент не обладал высокой производительностью и превращал в электрический ток лишь один процент падавшего на него света, однако он доказал саму возможность такого фотоэлектрического превращения. Двадцать лет спустя в США был запатентован элемент, КПД (коэффициент полезного действия) которого уже превышал 5%. Созданные на основе кремния солнечные батареи стали основными поставщиками электричества для советских и американских космических аппаратов. К началу 80-х КПД солнечных элементов вплотную приблизился к десяти процентам и... почти на 20 лет застыл на этой позиции. Для космоса этого вполне хватало, а для земного применения производство дорогих солнечных элементов (килограмм кремния нужного качества стоил около 100 долларов) по сравнению со сжиганием дешёвых углеводородов выглядело неоправданной роскошью. В результате большая часть работ по разработке новых технологий в области солнечной энергетики была законсервирована, а финансирование прочих – сильно урезано.
В начале 1990-х будущий лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алфёров на собрании Академии наук заявил, что «если бы на развитие альтернативной энергетики (а солнечная энергетика – один из её видов) было бы потрачено хотя бы 15% из тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС нам бы сейчас вообще были не нужны». Судя по тому, что при самом скудном финансировании удалось к концу XX века поднять производительность солнечных батарей до 20%, а к 2010-му – до 40% (рекорд на сегодня – 47,1% – был поставлен в апреле этого года в США учёными Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии), академик был недалёк от истины.
Песок нынче дорог
В качестве основы для изготовления солнечных элементов сейчас применяется кремний. По распространённости на нашей планете его опережает только кислород: Земля состоит из него на 15%, а земная кора и вообще почти на треть. Однако встречается он в основном в виде окиси (кварцевого песка) – SiO2. Получить из него чистый кремний настолько сложно, что конечный продукт по стоимости сопоставим с обогащённым ураном. В результате «солнечного» кремния сегодня производится впятеро меньше, чем урана. Из тонны кварцевого сырья получают меньше 100 кг «солнечного» кремния. При этом на их извлечение энергии тратится столько, что стандартный чайник мог бы на ней работать без перерыва три года.
Между тем значительно более дешёвые и экономичные технологии получения чистого кремния существуют уже почти полвека. Ещё в середине 1970-х годов компания Siemens разработала цикл его производства, при котором энергозатраты падают, а выход продукта увеличивается в 10–15 раз. В результате стоимость получаемого кремния опускается до 5 долларов за килограмм.
Однако для этой технологии простой кварц уже не подходит, тут нужны особо чистые кварциты, крупнейшие в мире залежи которых находятся в России.
Суммарная мощность земных электростанций превышает 2000 ГВт. Чтобы получить эти гигаватты от Солнца, солнечными панелями с КПД на уровне 40% нужно выложить квадрат со стороной 300 км. Это примерно сотая часть территории пустыни Сахара. Задача, с которой человечество теоретически может справиться.
Но на пути сразу встают две серьёзные проблемы.
Первая – как хранить полученную энергию. Работать такая всемирная СЭС (солнечная электростанция) сможет только днём, а электроэнергия людям нужна круглые сутки. Значит, её нужно будет запасать. Проектов таких «энергетических хранилищ» существует масса. Тут и супермаховики, и мегаконденсаторы, и гидронакопители, вот только стоить они будут дороже самой СЭС, да и места займут не меньше.
Вторая проблема – климатическая. Если до строительства гигантской СЭС, размером с Челябинскую область, солнечная энергия в месте её расположения шла на нагрев земли и атмосферы, то теперь она большей частью уйдёт на выработку электричества. Температура в районе СЭС упадёт на несколько градусов, что приведёт к формированию так называемого бароцентра – области постоянного пониженного давления. В неё непрерывно образующиеся циклоны будут затягивать облака и тучи. Последние не только закроют собою солнце, но и будут почти непрерывно поливать территорию СЭС дождями. Соответственно, и выработка электричества упадёт в разы.
Обе эти колоссальные проблемы имеют одно элементарное решение: надо строить не одну СЭС на 90 000 кв. км, а 9000 по 10. И строить их по экватору в наиболее солнечных районах. Тогда в каждый момент половина станций, на ночной стороне планеты, будет отдыхать, а вторая половина, на дневной стороне, – снабжать землян электричеством. Сколь-нибудь значимых климатических изменения в пятачках 3 х 3 км наблюдаться не должно.
Чем выше – тем меньше
А если бы человечеству удалось построить электростанцию в космосе, где никогда не наступает ночь и где нет ни туч, ни облаков, вполне можно было бы обойтись батареей площадью в 12 000 кв. км.
С вопросом, как туда батареи доставить, всё ясно, поскольку другого способа, кроме ракетного, у нас просто нет. Но как полученную энергию вернуть обратно на Землю? Не тянуть же за тысячи километров космическую ЛЭП?
Хотя, собственно, почему бы не протянуть? Тут важно подобрать правильный материал для кабеля. Впрочем, материал этот был найден ещё в 1968 году, когда идея космической СЭС возникла впервые. Уже тогда учёные предложили переправлять на Землю энергию с помощью направленного электромагнитного луча с длиной волны от одного миллиметра до одного метра. В отличие от солнечного света этот энерголуч при «пробое» атмосферы, с её тучами и облаками, потеряет не более 2% энергии.
Но для того, чтобы начать использовать солнечно-космическую энергию, как метко говорил король в повести Экзюпери «Маленький принц», следовало «сперва дождаться благоприятных условий, ибо в этом и состоит мудрость». В 1970-е годы, как и в 1980-е, и космические полёты, и хорошие солнечные элементы были ещё очень дороги. Благоприятные условия начали складываться лишь в начале нового века. И мир сразу расконсервировал старую идею.
В США консорциум, в который вошли Lockheed Martin, Boeing, JPL, Центр Маршалла, Центр Гленна, а также ряд университетов, объявил о планах по созданию коммерческой гигаваттной космической СЭС (КСЭС). По ним в космосе уже к 2016 году должна была быть размещена солнечная батарея площадью в несколько квадратных километров. Полученная ею электроэнергия преобразовывалась в СВЧ-сигнал, который транслировался на наземную антенну. А уже на Земле этот сигнал превращали обратно в электричество. Ничего принципиально фантастического в таком процессе приёмо-передачи нет, он освоен уже давно и хорошо работает, например, во «вшитых» повсюду RFID-чипах. Собственных батареек или аккумуляторов в последних нет, и они запитываются от получаемого радиосигнала. К сожалению, разразившиеся кризисы заставили консорциум приостановить работы. Но отказываться от планов космоэнергостроители не стали.
О своём намерении поучаствовать в дележе космоэнергетического пирога не так давно заявил Китай, а группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation пообещала в рамках проекта Solarbird построить КСЭС гигаваттного уровня к 2025 году. Общую сумму инвестиций в создание КСЭС оценили в 24 млрд долларов.
Российские учёные и конструкторы также решили не отставать, и в 2013 году головное научное подразделение Роскосмоса, ЦНИИмаш, выступило с инициативой создания российских КСЭС мощностью от 1 до 10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии на Землю. В российском варианте солнечные батареи питают инфракрасные твердотельные лазеры, распределённые по их площади. От лазеров по волоконным световодам энергия собирается к центральной оптической системе, которая и посылает такой сборный лазерный энерголуч на Землю, где она фотоэлектрическими преобразователями снова превращается в электричество.
Ещё более интересную концепцию предложил профессор Института космических систем (Хьюстон, США) доктор Дэвид Крисвелл. В его проекте неземная СЭС располагается не в открытом космосе, а на поверхности нашего неизменного спутника – на Луне. Возить на космических грузовиках солнечные батареи за 400 000 км не потребуется, производить их, по замыслу учёного, будут прямо на месте, из подножного сырья, поскольку на Луне кремния тоже немало, реголит (лунный грунт) состоит из него на 21%.
Передача электроэнергии на Землю будет осуществляться уже описанным выше лазерным способом. Для этого надо будет построить несколько недорогих принимающих антенн размерами примерно 10 на 10 км. Энергетический луч будет совершенно безопасен и нечувствителен к облачным и тучевым преградам, а потери электроэнергии при передаче составят менее 40%. Таких СЭС на лунном экваторе нужно будет оборудовать пять, тогда в каждый момент две или три из них будут находиться на солнечной стороне.
Идею Крисвелла в 2010 году подхватили специалисты японского гиганта строительной индустрии, компании Shimizu. В их версии лунная СЭС выглядит как непрерывный пояс из солнечных батарей шириной 400 км, протянутый по всему лунному экватору (11 000 км), с всё теми же энергопередающими лунными антеннами и земными уловителями. Проект, после осуществления которого люди будут обеспечены электроэнергией на ближайшие века, оценивается примерно в 60 млрд долларов. Это втрое дороже программы «Аполлон» (20 млрд долларов). Зато в 10 раз дешевле войны в Ираке (570 млрд долларов.)
Но вряд ли кто-то будет спорить с тем, что лучше строить электростанции на Луне, чем воевать за нефть на Земле.
Валерий ЧУМАКОВ, Москва
Фото: globallookpress.com, ESA
Материал дан в сокращённом виде. Хотите полную версию - пишите в комментариях.
© "Союзное государство", № 10, 2020
Дочитали до конца? Было интересно? Поддержите журнал, подпишитесь и поставьте лайк!
