Энергия — это основа нашей жизни и развития. Мы используем ее и для приготовления еды, отопления наших домов, до запуска на орбиту спутников и разгона до световых скоростей частиц в коллайдерах. Что будет, если ее не станет? «Тушите свет, кинА не будет», как сказал классик. Сколько у нас есть, осталось энергии и хватит ли ее на нас, наших детей и внуков. Сегодня рассказать Вам об энергии и разработках ее перспективных и новых источников.
Как и от каких источников сейчас работает наше энергообеспечение.
Нефтяные продукты:
Бензин и дизельное топливо остаются основными источниками энергии для транспортного сектора. Их производство требует переработки сырой нефти, что влечет за собой значительные выбросы углекислого газа.
Мазут — тяжелый остаточный продукт нефтепереработки, часто используется в качестве топлива для отопления и в промышленных котлах.
Уголь:
Каменный уголь и бурый уголь. Каменный уголь выделяется высокой теплотворной способностью и применяется в энергетике и металлургии, тогда как бурый уголь, имеющий меньшую калорийность, чаще используется в теплоэлектростанциях непосредственно рядом с местами добычи.
Природный газ:
Метан — основной компонент природного газа, используется в бытовом и промышленном отоплении, а также как топливо для газовых турбин и электростанций.
Сжиженный природный газ (СПГ) позволяет транспортировать природный газ в регионы, где отсутствуют газопроводы, что расширяет его доступность и сферы использования.
Атомная энергия расщепления атома, наши атомные электростанции.
Но ситуация здесь неоднозначная после Чернобыля и Фукусимы, имею в виду аварий там, последствия одной аварии могут перечеркнуть пользу всех станций, так как это весьма отходоёмкий способ получения энергии.
За последние пару десятилетий развиваются так называемые альтернативные источники энергии.
Биотопливо:
Биодизель производится из растительных масел или жиров и может использоваться в дизельных двигателях без значительных модификаций.
Биоэтанол, получаемый ферментацией сахаров, содержащихся в кукурузе, сахарном тростнике и других культурах, служит добавкой к бензину или его заменителем.
Биомасса, включающая древесину, отходы сельского хозяйства и другие органические материалы, используется для производства тепла, электроэнергии и даже жидкого топлива.
Водород:
Водород можно производить из воды или природного газа, а использование его в топливных элементах позволяет генерировать энергию без прямых выбросов углекислого газа, главным продуктом является вода.
Применение водорода охватывает не только автомобильный транспорт, но и общественный транспорт, космическую отрасль и энергетику.
Электричество:
Аккумуляторные батареи в электромобилях представляют собой прямой способ использования электричества, накопленного из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце.
Регенеративные технологии позволяют восстанавливать энергию при торможении транспортных средств, повышая их эффективность и увеличивая дальность пробега на одной зарядке. Но это всё, конечно, не компенсирует нам пока традиционные нефть, газ и уголь.
Проблема состоит в том, что, возможно, нам надо поторопиться, так как нефть, газ и уголь могут закончиться, а новые стабильные источники энергии не появиться. Мировое потребление нефти в настоящий момент составляет около 90 миллионов баррелей в день. Если считать данные компании BP о размере доказанных запасов верными, традиционной нефти должно хватить при текущем уровне потребления на 40–50 лет, угля — на 200 лет, газа — на 80 лет. Вроде как долго, а вроде как и время летит быстро. Доля же альтернативных источников в мировой электрогенерации достигла пока всего лишь 15,9%.
В начале июня 2024 года Международное энергетическое агентство опубликовало анализ данных об использовании различных источников энергии во всем мире. Согласно этим данным, в 2023 году дополнительная мощность возобновляемых источников достигла почти 560 ГВт, много, но пока недостаточно.
Что еще масштабного мы можем придумать?
На первом месте, конечно, по перспективности стоит термоядерный синтез.
Это процесс, в ходе которого два легких атомных ядра объединяются в одно более тяжелое ядро с высвобождением огромного количества энергии, так работает наше Солнце. При слиянии на Солнце ядра сталкиваются друг с другом при очень высокой температуре, превышающей десять миллионов градусов Цельсия, что необходимо для преодоления взаимного электрического отталкивания.
На Солнце условия для термоядерного синтеза создаются также в результате колоссального давления, создаваемого его огромной массой и гравитацией. Количество энергии, выделяемой при термоядерном синтезе, очень велико — в четыре раза больше, чем при реакциях деления ядер в наших АЭС. На термоядерных реакциях может быть основана работа будущих термоядерных энергетических реакторов. Согласно планам, в термоядерных реакторах первого поколения будет использоваться смесь тяжелых изотопов водорода — дейтерия и трития. В теории с использованием всего нескольких граммов этих реагентов можно произвести один тераджоуль энергии, что приблизительно равно энергии, необходимой одному человеку в развитой стране в течение шестидесяти лет.
Главная проблема термоядерного реактора состоит в том, что мы не можем создать такое огромное давление, как в Солнце, поэтому мы компенсируем это повышением температуры, она значительно превышает температуру на поверхности Солнца.
Показательным примером в этом смысле является китайский термоядерный реактор. Внутри токамака EAST, прозванного «китайским искусственным солнцем», учёные разогрели плазму до ста миллионов градусов. В недрах Солнца газ разогревается всего лишь до 15 млн градусов. Поэтому вещество при такой температуре превращается в плазму – это такое состояние вещества, кроме жидкого, твердого и газообразного. Но физика плазмы и её взаимодействия с магнитным полем пока слабо изучены, а именно магнитными полями и пытаются удержать в реакторе это вещество в состоянии плазмы. Именно по этой причине термоядерная реакция на данном этапе не длится больше минуты. Китайским учёным, по большому счёту, повезло — они смогли удержать плазму и получить некоторое количество энергии в течение 100 секунд, но затем аварийная защита реактора отключила комплекс из-за перегрева.
Профессор физики Войцех Ковалик комментирует, что пока не стоит ждать никакого коммерческого решения ещё лет 30, не меньше. Не развита сама технология, несмотря на суперкомпьютеры и глубокое понимание механизмов, по которым плазма взаимодействует в реакторе. Источник топлива для термоядерного реактора практически неисчерпаем, поскольку дейтерий присутствует в морской воде, а тритий получают в процессе работы реактора. Кроме того, термоядерный синтез не приводит к образованию высокорадиоактивных долгоживущих ядерных отходов. В результате термоядерного синтеза производятся только радиоактивные отходы низкой активности, которые не представляют серьезной опасности. Это основной вид получения энергии, на который мы надеемся в ближайшее время.
А теперь давайте сделаем прыжок в чуть более отдаленное будущее и посмотрим, как, возможно, наши потомки, а может быть, и мы сами, кто знает, будут получать энергию. Черная дыра, думаю, все слышали об этих загадочных астрономических объектах.
Черные дыры.
Еще в 1965 году Роджер Пенроуз доказал, что черные дыры действительно могут образовываться в процессе гравитационного коллапса или смерти больших звезд. Эта работа до сих пор считается самым важным вкладом в общую теорию относительности со времен Альберта Эйнштейна. Английский учёный Стивен Хокинг разработал теоретическую модель «испарения чёрной дыры», да-да, они могут, вероятно, испаряться до полного исчезновения. Согласно этой модели, из-за квантовых законов физики, а именно из-за квантовых флуктуаций, происходящих вблизи горизонта событий чёрной дыры, происходит потеря её массы.
Давайте переведу на простой русский. Вакуум, который в космосе, это не пустое место, там постоянно рождаются и умирают элементарные частицы, как бульон кипящий – это вакуум, а пузырики в нем, которые надуваются и лопаются – это частицы, вот раз возникли, лопнули, произошла флуктуация. А горизонт событий черной дыры – это вот такая условная граница, перешагнув которую ничто вернуться не сможет из черной дыры, такая вот граница Мордора. Эффект испарения черной дыры получил название «излучение Хокинга». Дальнейшее развитие этой идеи показало, что в конце концов чёрная дыра должна испариться полностью. Правда, на это уйдут триллионы лет, поэтому доподлинно известно, что с момента возникновения нашей вселенной ещё ни одна чёрная дыра не исчезла таким образом. Но теоретически это излучение можно поймать и использовать. На какую мощность мы сможем рассчитывать?
Какими будут параметры чёрной дыры с временем существования в 1000 лет?
- Масса – 721 257 тонн;
- Размер – в 1170 раз меньше размеров протона, это элементарная частица, размер которой можно сравнить, сравнивая территорию России и размер всей видимой нами Вселенной;
- Мощность излучения – 685 тераватт.
Мощность излучения такой квантовой чёрной дыры будет в 36 раз превосходить количество потреблённой энергии всей человеческой цивилизацией в 2019 году. Чтобы обеспечить годовую потребность в энергии всего человечества сегодня, такой чёрной дыре понадобится около 10 дней времени. Для стабильного поддержания такой чёрной дыры требуется подпитывать её новой материей, поддерживая тем самым её массу в стабильном состоянии. Такие дыры можно создавать в ускорителях или сжимать материю гравитационными волнами. Может, мы и не так далеко, как кажется, от начала работы данной технологии.
Но вернёмся на Землю к более простым технологиям и перспективам.
Фотосинтез и водоросли.
Земля получает от Солнца примерно в 10 000 раз больше энергии, чем требуется для потребления человеком. Во время фотосинтеза — биологического процесса преобразования солнечной энергии в питательные вещества — водоросли производят электроны, это такие тоже элементарные частицы, в 200 раз меньше протона, их можно использовать для питания электрических устройств. Это открывает в будущем замечательную возможность для батарей на основе водорослей. Хотя масштаб производимой электроэнергии вряд ли сможет перегрузить сетевую энергосистему, он предлагает потенциал для создания экологически чистых возобновляемых источников энергии для сельских автономных мест. Кратко ещё о паре потенциальных источников энергии. Это грозовая энергетика. Это способ использования энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть. Жутко интересно и очень страшно, особенно за тех, кто будет ловить, но метод, судя по всему, весьма перспективный.
Криоэнергетика.
Это способ аккумулирования избыточной энергии посредством сжижения воздуха. Эта уникальная технология использует доступный ресурс, обычный воздух, который охлаждается и хранится в виде жидкости, а затем превращается снова в газ, приводящий в движение турбину и генерирующий электричество. Британско-американская инновационная компания Highview Power первой в мире сумела достичь выдающихся успехов в производстве криогенных систем накопления и использования энергии, полученной таким путем. Ее технология легла в основу первого в истории криогенного хранилища энергии LAES (Liquid Air Energy Storage), построенного рядом с Манчестером в 2018 году. Будучи принципиально новым решением для длительного хранения энергии, LAES способна обеспечивать питание потребителей продолжительностью до 12 часов, легко масштабируется и не имеет географических ограничений. Да-да, это не совсем перспективная технология, она уже в стадии реализации и масштабирования. Технология не использует дорогостоящие металлы и вредные химические вещества. Но теперь давайте сделаем последний на сегодня энергичный рывок опять в далекое будущее.
Энергия нулевой точки.
Это технология или даже, нужно сказать, теория получения неограниченной энергии.
Физики Ричард Фейнман и Джон Уилер рассчитали, что излучение нулевой точки вакуума, а мы помним, что вакуум — это не пустое место, он просто кишит энергией и частицами, так вот, его излучение на порядок превышает ядерную энергию, а энергии одной лампочки будет достаточно для того, чтобы вскипятить весь Мировой океан. Однако, согласно общей теории относительности Эйнштейна, любая подобная энергия должна оказывать гравитационный эффект, так как энергия и масса — это, по сути, одно и то же, помните E=mc2?
Экспериментальные же данные о расширении Вселенной, тёмной энергии и эффекте Казимира – это когда две тонкие пластинки, расположенные близко друг к другу, притягиваются, что доказывает гравитацию между ними за счет энергии вакуума. Так вот, данные показывают, что эта энергия исключительно слабая. В 1990-х годах наблюдения наконец-то стали достаточно хорошими, чтобы дать ответ: да, Вселенная содержит материю и излучение, поскольку сегодня около 30% Вселенной состоит из материи (обычной и тёмной, вместе взятых) и около ~0,01% — из излучения. Но, что удивительно, около 70% Вселенной не является ни тем, ни другим, а скорее представляет собой форму энергии, которая ведёт себя так, как будто она присуща самому пространству: это т. н. «тёмная энергия» или, грубо говоря, энергия нулевой точки пространства.
С учётом предстоящих миссий, таких как «Евклид», наземная обсерватория Веры Рубин и инфракрасная обсерватория Nancy Grace Roman Space Telescope, который должен стать нашей следующей флагманской миссией после запуска Уэбба, мы сможем оценить ограничения на уравнение состояния тёмной энергии с точностью до ~1%, а значит, приблизиться к пониманию, как мы сможем пользоваться этой энергией. Пользоваться ее квантовыми эффектами или черпая энергию напрямую.
Это далеко впереди, дело за физиками и разработками теориями, которые приведут нас к открытию уже технологий, позволяющих пользоваться энергией нулевой точки. Аж дух захватывает от таких перспектив, правда?
Ставьте лайк, если была интересна статья. А так же не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить следующие статьи из мира науки, трендов и высоких технологий. А так же в разделе "Тренды" есть что почитать).