Молния нагревает воздух вокруг себя до 20 тысяч градусов — это больше, чем на поверхности Солнца. В теории такая колоссальная энергия могла бы стать очень полезна, но использовать ее пока не научились. Выясним, почему эта и многие другие идеи альтернативной энергетики зашли в тупик.
Биодизель из микроводорослей
Микроводоросли — это одноклеточные организмы, которые живут в пресной и соленой воде. Энергию они хранят в виде липидов (жиров). Извлечь ее можно механически, отправив биомассу под пресс, или с помощью химических растворителей. После переработки и очистки получается биодизель — аналог традиционного топлива.
Микроводоросли можно выращивать в естественных водоемах или специальных бассейнах. Они неприхотливы и быстро размножаются — их масса может увеличиться на 40% за час. Не содержат токсины, а при свете солнца улавливают углекислый газ.
Топливный потенциал водорослей изучают во многих странах с середины XX века. В реализованных проектах микроводоросли обеспечивают электроэнергией или теплом максимум несколько зданий. Для их эффективной работы в промышленных масштабах нужны огромные площади. Естественные водоемы не могут давать нужный урожай круглый год, на рост и качество зеленого топлива влияют другие организмы и загрязнения. Чтобы выращивать водоросли в искусственных условиях, нужно обеспечить световой и температурный режимы, подачу воздуха и необходимый для фотосинтеза уровень CO₂ — все это делает процесс неоправданно дорогим.
«Энергичные» грозы
При грозовом разряде выделяется больше пяти миллиардов джоулей энергии. Она тратится на создание ударной волны, световую вспышку, нагрев воздуха. Каждую минуту в мире гремит примерно 1500 гроз. Что, если «поймать» эту энергию и перенаправить в электросеть?
Для «ловли» молний можно направить в грозовые облака мощные лазеры. Они создадут в воздухе проводящие каналы, по которым небесная электроэнергия будет попадать в земные накопители. Первый прототип такой системы разработали в 2006 году, а в 2013-м ученые зарядили смартфон от искусственного источника, аналогичного природной молнии.
Развитию грозовой энергетики мешают несколько факторов. Грозы трудно предсказывать, и даже там, где они бывают часто, улавливающие установки нужно размещать на большой площади. Для быстрого запасания энергии разрядов необходимы огромные конденсаторы длиной в два футбольных поля — таких устройств пока не существует. Чтобы не уничтожить оборудование, заряд важно эффективно распределить, а для этого требуются мощные дорогие преобразователи. В общем, опять упираемся в деньги.
Топливо из бактерий
Микроорганизмы умеют преобразовывать энергию химических связей молекул органических веществ в электричество. Работать на благо человека крошечных трудяг можно заставить при помощи микробного топливного элемента (МТЭ). В устройстве две камеры, разделенные полупроницаемой мембраной. В одной находятся электрод и бактерии, взятые из естественной среды. Они получают «сухой паек» в виде органического субстрата и окисляют его, производя электроны. Эти электроны по проводу движутся ко второй камере, создавая электрический ток.
Голодными жители МТЭ точно не останутся — для «пайка» подойдут сточные воды городов и предприятий, отходы животноводства, побочные продукты пищевой промышленности. Бактерии неприхотливы и трудолюбивы.
Сложность в том, что мощность МТЭ пока достигает нескольких микроватт (миллионных долей ватта). Для сравнения потребляемая мощность чайника — 1–2 тысячи ватт. Технология микробного топливного элемента находится на этапе лабораторных экспериментов, а чтобы ею хотя бы дополнить существующие энергетические системы, придется серьезно увеличить масштаб МТЭ-систем. Пока образцов, способных удовлетворить промышленные потребности, не существует.
Люди-генераторы
Кинетическую (механическую) энергию человеческого шага можно использовать для получения электроэнергии. Например, в 2009 году создали тротуарную плитку-генератор. Прогибаясь при каждом нажатии на несколько миллиметров, она заставляет встроенный преобразователь генерировать электричество. Энергия может храниться в аккумуляторе или сразу направляться на освещение витрин, остановок и рекламных вывесок. Успешное тестирование плитки прошло во время летней Олимпиады 2012 года.
Другие похожие системы, которые используют движения людей для выработки электричества, — турникеты и двери торговых центров, оснащенные генераторами.
Минус таких способов электрогенерации — в большей по сравнению с обычным асфальтом затратности и том, что для стабильного производства энергии нужен постоянный интенсивный пешеходный поток. В нелюдных местах использовать их экономически бессмысленно. Иностранные и отечественные ученые работают над повышением мощности подножных генераторов и их внедрением.
Просто осмос
Осмотическая электростанция (ОЭС) — это стационарная энергетическая установка, которая работает на принципе диффузии жидкостей, или осмоса. ОЭС включает две камеры, разделенные полупроницаемой мембраной, которая пропускает только молекулы воды. В одну камеру подают морскую воду, в другую — пресную. Система стремится к равновесию — балансу концентрации солей по обе стороны мембраны. Соль в морской камере «вытягивает» воду из пресной, и давление в морской камере возрастает. Вода из нее воздействует на гидротурбину, та вращается и приводит в действие электрогенератор.
Идея использовать осмос для производства энергии зародилась в 1970-е, а первую осмотическую электростанцию запустили в 2009 году. В случае успешного завершения испытаний планировалось сделать проект коммерческим, но спустя четыре года станцию закрыли.
Работа осмотической электростанции не зависит от ветра и солнца, не требует специальных инженерных сооружений, не связана с выбросами парниковых газов и загрязняющих веществ — это плюсы. При этом строить ОЭС имеет смысл только в местах, где встречаются морская и пресная вода, например в устьях. Еще один недостаток — низкая мощность современных мембран. Единственная в мире экспериментальная осмотическая станция вырабатывает четыре киловатта в час — среднестатистическому россиянину такого количества энергии хватит чуть больше чем на сутки.
Уверены, что придет время, и ученые обязательно справятся с описанными проблемами, наладив масштабное производство одной из технологий. Пока же этого не произошло, мир будет использовать в основном традиционные источники энергии.