Книга: Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Наше Солнце — наше будущее

Наше Солнце — наше будущее

Энергия непрерывно течет от горячего Солнца в холодную Вселенную с исключительно высокой интенсивностью. Энергия, испускаемая Солнцем, выражается в киловаттах числом 3,8?10²³ кВт; для сравнения заметим, что потребление энергии большинством домашних бытовых приборов составляет 0,3—3 кВт. Столь большие числа тяжелы для восприятия, пока они не переведены в более знакомые понятия. Участок солнечной поверхности размером с большую почтовую марку (5 кв. сантиметров) излучает около 30 кВт. Это значительно больше той энергии, что потребляется небольшим автомобилем. Еще один способ получить представление об излучаемой Солнцем энергии — совершенно справедливое утверждение о том, что за секунду Солнце испускает во Вселенную больше энергии, чем вся энергия, выработанная человеческой цивилизацией за время своего существования. Ясно, что Солнце — наиболее важный источник энергии для людей, если мы рассматриваем достаточно продолжительный период времени.

Настоящее состояние планеты Земля таково, что на ней господствующее положение заняли люди — существа, обладающие развитой технологией, под которой я имею в виду способность создавать машины, потребляющие энергию и материалы для того, чтобы повышать уровень жизни людей выше того уровня, который был бы преобладающим в «чистой» природе (т.е. в мире без машин). Хорошо известно, что средний жизненный уровень людей в различных частях мира зависит от количества энергии, доступной для данного общества. Здесь «доступный» означает «имеющий низкую стоимость по сравнению со стоимостью труда»; так, в сельской Индии, например, большинство различных видов энергии очень дороги, за исключением местного кизяка и дров; ни то, ни другое непригодно для двигателей машин. С другой стороны, в Канаде и США — самые высокие нормы потребления энергии на душу населения, и уровень жизни в этих странах достаточно высок, если мерить его чисто материальными показателями. Современный образ жизни очень сильно зависит от обильного снабжения дешевой энергией; это обеспечивает создание комфортных условий в жилищах, которые мы обогреваем или охлаждаем; они могут быть просторными, если недорога земля, транспорт также дешев и производимые товары относительно недороги. Любопытно, что хотя для производства товаров необходимы и энергия, и сырье, для экономики обычно важнее наличие дешевой энергии в данном месте, чем поставки сырья. Великобритания, например, имеет обильные и разнообразные источники энергоснабжения, но очень мало основных видов сырья.

В своей книге «Десять ликов Вселенной» астрофизик и писатель-фантаст Фред Хойл сделал ряд интересных наблюдений о потреблении энергии людьми. Мы, например, потребляем в пятнадцать раз больше энергии немускульного происхождения (обогрев, топливо, машины), чем получаем непосредственно с пищей. Наличие технологии означает, что в среднем по земному шару люди имеют в своем распоряжении в пятнадцать раз больше энергии, чем существа, запасы энергии которых целиком определяются поглощенной ими пищей. Фактически отношение количества потребляемой энергии немускульного происхождения к количеству энергии, получаемой с пищей, является грубой мерой уровня технологии и той степени, с которой эксплуатируются ресурсы планеты. В качестве другого примера приведем следующий: в античную эпоху основным источником энергии для имущих классов был труд рабов, и отношение энергии немускульного происхождения к энергии мускульного труда было, вероятно, меньше единицы; эта небольшая величина в значительной степени объясняет различие в образах жизни, характерных для цивилизаций Древней Греции и Рима и сегодняшнего индустриального общества. Цивилизация, которая смогла бы достичь того, что потребляемая ею энергия немускульного происхождения была бы, скажем, в тысячу раз больше энергии, определяемой потребляемой ею пищей, была бы или чрезвычайно расточительной, или в значительно большей степени развитой, чем наша собственная.

В настоящее время высокоиндустриальные страны Северной Америки, Европы и Австралии все больше беспокоятся по поводу регулярно повторяющихся энергетических кризисов. Это беспокойство связано с сокращающимися запасами нефти, растущей стоимостью энергии и, как следствие этого, неспособностью правительств сдержать инфляцию. С этим связано и чувство того, что ресурсы вообще истощаются и что мы вот-вот будем погребены под нашими собственными отбросами, задохнемся в загрязненной атмосфере или будем сожжены радиоактивными отходами. В значительной степени эти настроения обязаны своим происхождением политикам, журналистам и людям, отвечающим за рекламу и озабоченным лишь такими весьма краткосрочными проблемами, как выборы в следующем году, завтрашние газеты или очередное возрастание цен. С точки зрения космической перспективы, если рассматривать проблему во всемирном масштабе и на большем интервале времени, в конечном счете не существует никакой действительной нехватки энергии; отсутствуют и какие-либо существенные соображения, согласно которым повторное использование естественных материалов и изобретение искусственных не позволили бы обеспечить достаточное количество материальных благ. Под словами «в конечном счете», «действительная» и «существенные» я имею в виду то, что в конце-то концов ресурсов планеты вполне хватит для всех, если они будут использоваться человечеством мудро и справедливо, что до известной степени предполагает соответствующий учет всех наличных ресурсов на Земле и действительных нужд большей части населения. Конечно, ключом к этой идеальной ситуации является правильная оценка той роли, которую должны играть солнечная, ядерная и получаемая за счет использования горючих ископаемых энергия в мире, планируемом в соответствии с научными принципами и с учетом прав всего человечества. По моему личному мнению, сформировавшемуся под влиянием выводов Хойла, человечество при его теперешней социальной организации по существу устроило бесстыдную свалку с целью захватить все доступные в настоящее время источники энергии (если не принимать во внимание в газетах рассуждений о дне Страшного Суда и условий, в которых мир будет существовать через какие-нибудь пятьдесят лет). По-видимому, кое-кто из экономистов стремится обесценивать будущее на 10 процентов ежегодно: с каждым галлоном топлива, сжигаемым сегодня, обращаются так, как если бы он обходился раз в 200 дешевле того галлона топлива, который предстоит сжечь через пятьдесят лет. Вот почему нефтедобытчики и качают нефть из Земли с такой скоростью, с какой только могут!

Наше энергопотребляющее общество почти полностью обеспечивается энергией за счет топлива из ископаемых останков растений и животных: нефти, угля, газа, хотя ядерные и гидроэлектрические источники энергии приобретают, конечно, все большее значение. Топливо, добываемое из Земли, — это первоначально запасенная в организмах солнечная энергия, которая накапливалась на протяжении сотен миллионов лет. Для образования залежей угля и месторождений нефти потребовалось полмиллиарда лет. Как известно, большая часть этого наследства была сожжена за столетие.

В настоящее время ископаемое топливо все еще представляет собой обильный источник энергии, доступной по исключительно умеренной цене и не требующей для своего производства больших усилий, по крайней мере по сравнению с другими альтернативными или заменяющими источниками энергии. Поскольку правительства западных стран чрезвычайно заинтересованы в поддержании потребительских цен на низком уровне (правда, в случае энергии — искусственно низком), пока еще не существует каких-либо сильных побуждений для переключения на источники энергии, не основывающиеся на ископаемом топливе.

На сколько времени хватит разведанных запасов угля и нефти? Теперешние запасы могли бы дать около 10²³ джоулей (новейший 300-ваттный бытовой прибор, такой, например, как кухонный комбайн, потребляет 10⁶ джоулей в час), которых достаточно для того, чтобы обеспечить снабжение энергией при теперешних темпах ее потребления до 2500 г. Эта экстраполяция предполагает, что никакого роста в ежегодных темпах потребления энергии не происходит, что определенно не так в настоящее время.

Предположим теперь, что предприняты огромные усилия для того, чтобы сохранить топливо: посредством теплоизоляции домов, используя меньше автомобилей, за счет ликвидации отходов в промышленности и так далее. Даже при уменьшении темпов потребления наполовину запасов не может хватить далее чем до 3000 года. Следует помнить также, что некоторые типы месторождений (такие, например, как гудронированные пески, нефтеносные сланцы и бедные углем залежи) могут быть использованы только посредством затраты на стадии добычи значительной части содержащейся в месторождении энергии. Мы видим, что в течение будущего периода, сопоставимого с интервалом времени между Возрождением и теперешним днем, должна произойти существенная реорганизация энергоснабжения и спроса, так как в противном случае ископаемые виды топлива неминуемо будут исчерпаны.

Следовательно, мы приходим к выводу, что если общество с хорошо развитой технологией является желанной целью для всего человечества, совершенно необходимо получить доступ к другим источникам энергии значительно раньше того момента, когда будут выработаны запасы ископаемого топлива. Меры, принимаемые с целью экономии запасов топлива, не избавляют нас в конечном счете от необходимости радикальной замены источников энергоснабжения. Они представляют собой разумный способ выиграть время, даже если и позволят лишь отсрочить дату, при которой это станет неизбежным.

С переключением на источники ядерной энергии проблемы снабжения и резервов по существу станут тривиальными. Запасы тория и урана, используемые в качестве топлива в обычных ядерных реакторах, огромны, возможно в миллион раз больше запасов ископаемого топлива. К тому же имеются фантастические запасы тяжелого изотопа водорода — дейтерия — в океанах. Его достаточно для того, чтобы общество, интенсивно расходующее энергию, функционировало на протяжении многих миллионов лет. Существующая проблема здесь — это проблема технологии.

Солнце легко превращает водород в гелий, но на Земле это пока достигнуто лишь в экспериментах, довольно ограниченных по своим масштабам. Еще ни один эксперимент по синтезу водорода не дал энергии больше, чем та, которая была введена в установку. Удерживать дейтериевую плазму при очень высокой температуре в течение времени, достаточного для того, чтобы начался синтез, до сих пор не удается. Сосуд из любого материала для этого не годится. Много остроумных методов было предложено для удержания горячей плазмы магнитными полями. И хотя правительства многих стран тратят значительные средства на исследования плазмы, термоядерный реактор, который оправдал бы отпущенные на него средства, еще не построен. Тем не менее «Солнце в лаборатории» становится все ближе. Обнадеживающими оказались эксперименты, в которых при помощи мощных лазеров взрывали капельки обогащенной дейтерием воды. Время удержания плазмы все время растет. Возможно, экспериментального реактора, в котором осуществляется синтез ядер, осталось ждать не так уж долго.

Большинство людей испытывают подлинный страх перед ядерной войной. Однако репутация ядерных реакторов на протяжении всей их истории была хорошей. Наиболее серьезная до настоящего момента авария, которая произошла в 1979 году на атомной станции «Три Майл Айленд», была ликвидирована раньше, чем авария приобрела катастрофический характер. Реактор был разрушен за пятнадцать минут, и вся установка получила серьезные повреждения. Случайные аварии такого типа могут служить серьезным уроком для операторов, требуя от них постоянной бдительности и осторожности. В энергетических ядерных установках достигнута достаточно высокая степень безопасности, близкая к теоретически возможной. Аварии более вероятны скорее в результате последовательности человеческих ошибок, чем пороков конструкции. Это также должно учитываться и учитывается на стадии проектирования новых установок.

Я думаю, будет разумно составить предварительное суждение о ядерных установках на основе данных, накопленных к настоящему времени. Ядерная энергия является теперь существенным источником электроэнергии в Европе и США, хотя пока этот источник поставляет лишь небольшую долю всей потребляемой энергии. Ядерная энергетика обеспечивает эти страны энергией в течение ряда лет без каких-либо катастрофических взрывов, драматического, возросшего числа смертей среди операторов установок и без того, чтобы местное население подвергалось уровням облучения, которое заведомо вредно. В настоящее время работает уже достаточно атомных электростанций для того, чтобы какая-либо случайная внушающая страх история достигла газет и телевидения, как серьезная авария на «Три Майл Айленд», упоминавшаяся выше. Были и смертельные случаи облучения, но их было очень мало, и они происходили лишь с людьми, непосредственно работавшими на станциях. Аргументы против атомных электростанций необходимо выслушать и рассмотреть, но они, по-видимому, не могут сыграть роль неотразимого аргумента, если принять во внимание сильно ограниченную потенциальную энергию ископаемого топлива. Проблема ядерных отходов — это проблема, на которую промышленность не должна закрывать глаза. Технология, намного опередившая нашу собственную с точки зрения использования энергии, должна была бы иметь усовершенствованные, надежные методы обращения с радиоактивными кучами отходов. На современном уровне производства отходов нельзя не учитывать огромные возможности океанов по поглощению и рассеиванию опасных и ядовитых веществ, так как они в целом уже обладают значительно большей радиоактивностью, чем та, которую добавят отходы ядерных станций.

Мне кажется, что антиядерное «лобби» часто не учитывает ту дорогую цену в виде человеческих страданий и смерти, которую приходится платить за добычу обычных видов топлива: шахтеры, заваленные в шахтах, погибшие или преждевременно вышедшие на пенсию из-за легочных заболеваний; водолазы, погибшие во время аварий на нефтеочистительных заводах, взрывов танкеров с топливом на море и на дорогах. По всему миру погребальный колокол должен звонить о тысячах погибающих ежегодно. Добавим к этому загрязнение атмосферы и смерти, которые это загрязнение должно вызывать, особенно среди тех людей, жизнь которых уже находится под угрозой из-за заболеваний дыхательных путей. Репутация ископаемого топлива оказывается не такой уж чистой, не так ли?

В споре об атомных электростанциях теоретически наихудший случай аварии на станции приравнивается без учета факторов риска к авариям, связанным с добычей ископаемых видов топлива, которые общество вежливо признает. Риск очень мал (но все еще не равен нулю) для аварий на атомных электростанциях и велик для рабочих, занятых добычей и очисткой горючих ископаемых. Вопрос в действительности сводится к следующему: хотим ли мы, чтобы наше технологическое общество продолжало существовать — в этом случае программы строительства атомных электростанций должны быть ускорены, а людям придется смириться с риском,— или же общество должно перейти к такому образу жизни, при котором потребляется энергии значительно меньше, — со значительным уменьшением материальных благ и ухудшением медицинского обслуживания, следовательно, и с более низким уровнем жизни и выживаемости? Думается, что большинство людей, припертые к стенке, скорее предпочтут смириться с ядерной станцией, чем жить в эксцентричной деревенской бедности.

Несомненно, к любой ядерной программе желательно приступать очень осторожно; к счастью, существует способ отсрочить тяжелые решения и, возможно, справиться с проблемой при минимальной зависимости от ядерной энергии. Время может быть выиграно за счет значительно более разумного использования энергии, текущей бесплатно от Солнца. Когда Солнце находится прямо над головой, каждый квадратный метр поверхности Земли получает более киловатта энергии. Это количество оказывается несколько меньшим для реального случая, когда Солнце освещает поверхность Земли под углом, но тем не менее оно порядка 1 кВт на 1 кв. метр. Площадь крыши даже небольшого дома в течение одного солнечного дня получает около 1000 кВт-час солнечной энергии. Для моего собственного дома три солнечных дня в течение летних месяцев дадут больше энергии, чем необходимо для покрытия всего нашего годового расхода электроэнергии на освещение и бытовые надобности. В течение следующих десяти дней солнечного неба крыша поглотит столько же энергии, сколько водонагреватель потребляет за весь зимний отопительный сезон. Итак, мы видим, что возможная роль солнечной энергии в качестве заменителя кое-каких из существующих источников очень важна уже сейчас.

Необходимо различать два способа использования солнечной энергии. Во-первых, это схемы, в которых используется нагрев Солнцем; во-вторых, генерация электричества непосредственно за счет солнечного света. Основные принципы солнечного нагрева достаточно просты: поглотить и сохранить тепло Солнца, когда Солнце светит, а затем использовать его для нагрева. Существует много способов реализации этого принципа. Чтобы изложить их все, потребовалось бы написать еще одну книгу, так что я просто упомяну некоторые из них.

В самом доме расход энергии на нагрев используемой в домашнем хозяйстве горячей воды может быть уменьшен, если вода, поступающая в основной резервуар, предварительно нагрета, так что газ или электричество потребуются лишь для дополнительного нагрева. Удобный путь для предварительного нагрева — непрерывная принудительная циркуляция воды через помещенную на крыше черную панель радиатора, откуда вода затем поступает в накопительный расширитель в верхней части отопительной системы. В Англии простая система, вроде этой, обеспечит вас летом почти бесплатно достаточным количеством горячей воды. Конечно, для того чтобы предотвратить перегрев всей системы в особенно жаркий день, необходимы электронные контрольные устройства. В течение остальной части года, за исключением, возможно, середины зимы, будет генерироваться некоторое количество полезного тепла.

В настоящее время нагревать весь дом одним лишь Солнцем очень дорого, поскольку дома, использующие солнечную энергию, пока еще являются экспериментальными. Дорогие экспериментальные схемы не выдерживают пока конкуренции с более дешевой энергией. Эта ситуация будет постепенно меняться, когда стоимость ископаемых видов топлива будет расти. Обнадеживающим признаком в Европе и Северной Америке является гораздо большее понимание архитекторами, проектировщиками и теми, кто эксплуатирует здания, выгоды толстой тепловой изоляции и тщательного выбора местоположения окон, чтобы они не мешали проникать в здание солнечным лучам зимой. Дом, в котором основные жилые комнаты смотрят на юг, будет дешевле обогревать зимой, чем тот, окна которых смотрят на север. В жарком климате, скажем на юге США или на севере Австралии, справедливы противоположные соображения: окна необходимо помещать на северную сторону в США и южную сторону в Австралии, чтобы уменьшить стоимость охлаждения летом. Во многих странах уже построены экспериментальные дома для оценки того, чего можно достичь на практике. В данный момент такой дом, вероятно, стоит в два или три раза дороже обычного дома. Если разница в стоимости снизится до 10 или 20% сверх обычной стоимости, то такие дома будут хорошей покупкой. Большие возможности заложены и в более разумном понимании воздействия Солнца на здания. Например, окрашенные стекла теперь являются стандартными в больших конторских зданиях отчасти потому, что они уменьшают стоимость охлаждения в солнечную погоду. Солнечный нагрев применяют также и при организации досуга. Плавательные бассейны на открытом воздухе можно покрывать касающейся воды полимерной пленкой, что уменьшает испарение, основную причину охлаждения, и, следовательно, повышает температуру бассейна.

До сих пор я рассматривал некоторые возможности использования солнечной энергии в домашнем хозяйстве. Большое значение будет иметь получение электричества из солнечной энергии в пустынях, где постоянная солнечная погода является нормой. Если удастся добиться, чтобы процесс получения электроэнергии был достаточно дешев, это упростит решение основной проблемы, связанной с использованием солнечной энергии: вам не нужно много энергии в пустынях, где живет мало людей; в то же время большое количество энергии необходимо в больших городах, расположенных в облачных умеренных зонах (Нью-Йорк, Лондон, Москва); эта энергия легче всего может быть получена в виде электроэнергии, генерированной в пустынях. Например, полную потребность в энергии США можно удовлетворить с помощью собирающих солнечное излучение зеркал — коллекторов, покрывающих одну десятую часть штата Аризона и имеющих коэффициент полезного действия, равный лишь 10 процентам. В Нью-Мексико большая экспериментальная установка уже генерирует энергию, концентрируя солнечные лучи на специальный котел. Пар высокого давления, образующийся в этом котле, может быть использован для приведения в действие генератора точно таким же способом, как и на электростанциях, работающих на обычном ископаемом топливе.

В Альбукерке (Нью-Мексико) в лаборатории фирмы «Сандиа» построена экспериментальная установка для испытаний устройств, предназначенных для получения электричества из солнечной энергии. Коллектор собирает на приемник 5 мегаватт солнечной тепловой энергии. Вещество, переносящее энергию (скажем, вода), циркулирует в приемнике, где при температуре, равной почти 1000 °С, превращается в пар высокого давления, который может быть использован для приведения в действие генератора паровой турбины. В Барстоу (Калифорния) должна быть построена установка, дающая 10 мегаватт. Возможно, это лишь первая из нескольких таких установок.

Никакое зеркало-коллектор на Земле не сможет поставлять солнечную энергию ночью. Чтобы обойти эту трудность, существуют честолюбивые проекты, предлагающие построить огромные солнечные зеркала-коллекторы, которые двигались бы в космическом пространстве по орбите вокруг Земли. Они, вероятно, должны передавать энергию на Землю в виде микроволн. Наземные станции будут настраиваться на это мощное электромагнитное излучение и превращать его в обычный ток. Предварительные исследования показывают, что такие электростанции на орбите Земли не столь уж недопустимо дороги по сравнению со стоимостью той энергии, которую они дадут. Конструкция должна включать в себя технику, уже испытанную в космосе во время экспериментов значительно меньшего масштаба.

Что касается солнечных энергетических станций в космосе, следует упомянуть, что они в принципе могут стать обильным источником энергоснабжения. Но чтобы этого достичь, требуются огромные капиталовложения и использование передовой технологии. Это иллюстрирует то общее положение, согласно которому прогрессивная технология обеспечивает лучшее снабжение энергией, так как при этом изобретается и применяется новая техника. Нет никакой нехватки энергии как таковой, есть лишь нехватка определенных видов энергии. В более длительной перспективе было бы безрассудством, если бы легкодоступные ископаемые виды топлива иссякли до такой степени, что технология, необходимая для строительства ядерных электростанций или космических станций, просто не могла бы быть обеспечена страдающей от недостатка энергии экономикой. Результатом такой глупости была бы катастрофическая и необратимая гибель человечества. По этой причине источники энергии, нуждающиеся в прогрессивной технологии, должны быть введены в действие или широко распространены как можно скорее, прежде чем будет слишком поздно.

Мы все более осознаем теперь, насколько наше сегодняшнее сложное общество зависит от источников энергоснабжения. Мы также знаем, что эти запасы энергии не бесконечны и что в ближайшем будущем они могут стать предметом политического вмешательства. В течение интервала времени значительно более короткого, чем период зарегистрированной истории человечества, должны произойти существенные изменения. Человек должен или научиться обходиться без энергии, и таким образом вернуться к полуживотному состоянию, или научиться покорять два фактически неограниченных источника энергоснабжения: внутриядерную энергию и энергию дневной звезды — нашего Солнца.