Текст книги "Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия"

Глава 96

Время задуматься о будущем

Стремительное развитие технологий и массовая индустриализация привели не только к положительным изменениям жизни человека, но и к весьма опасным последствиям. Сегодня мы уже знаем, что нашему общему дому – планете Земля – угрожает катастрофическое изменение климата. Проблем множество. Это и исчезновение озонового атмосферного слоя, и парниковый эффект, и глобальное затемнение, потепление и так далее. Попробуем разобраться в этих мрачных прогнозах.

Одной из самых трудноразрешимых проблем в освоении космоса является защита человека от смертоносного воздействия солнечной радиации. Солнце – гигантский естественный ядерный реактор, испускающий огромный поток радиоактивного излучения. Лунный скафандр, к примеру, имел 28-слойную оболочку, которая уменьшала воздействие радиационного излучения до относительно безопасной для здоровья человека величины.

Но мы, жители Земли, тоже космонавты. Мы также подвергаемся воздействию солнечной радиации. Но наш «скафандр» – это слой озона, расположенный в верхних слоях атмосферы на высоте от 15 до 30 километров. Озон, трёхвалентная форма свободного кислорода, укрывает планету толстым одеялом, задерживая опасное солнечное излучение. Если бы ни озон, жизнь на планете быстро бы пошла на убыль. Ни одно животное не способно существовать в условиях радиационного облучения (кроме, как выяснилось, некоторых насекомых, вроде тараканов).

Но в конце ХХ века учёные забили тревогу. Озоновый слой земли стал истончаться и даже исчезать. Этот эффект проявился над Антарктидой, где образовалась самая настоящая озоновая дыра. Площадь разрыва озонового слоя составляет примерно 29 миллионов квадратных километров. Это обстоятельство, да ещё выводы учёных о загрязнении планеты, о которых мы ещё поговорим, вынудили политиков сесть за стол переговоров. В результате был принят ряд соглашений, вроде Киотского протокола, принятого в декабре 1997 года в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата. К 14 февраля 2006 года этот документ был ратифицирован 161 государством мира (за исключением США и Австралии), на которые приходится 61 процент всех вредных выбросов в атмосферу.

Исследуя проблему озоновой дыры, учёные пришли к выводу, что виновником её возникновения являются холодильники. Точнее, хладагент газ фреон. Это лёгкий инертный газ, который при попадании в атмосферу стремиться вверх. Озон же очень активное и нестабильное вещество, легко вступающее в реакцию. В результате фреон вытесняет озон из верхних слоёв атмосферы. И образуется озоновая дыра.

Ведущие компании мира, выпускающие холодильники, сократили, а затем и вовсе прекратили использовать в своих установках фреон, заменив его нейтральными по отношению к озону аналогами. И в 2005 году учёные, основываясь на новейших исследованиях, заявили – площадь озоновой дыры сократилась до 24 миллионов квадратных километров. И продолжает уменьшаться примерно на 20 процентов за год.

Что же – помогли общие меры по предотвращению попадания в атмосферу фреона? Но учёные, которые и забили тревогу, в своих последних выводах не столь однозначны. Оказалось, что количество выбросов фреона в атмосферу ничтожно мало, чтобы каким-либо образом спровоцировать появление озоновой дыры. Скорее всего, этот природный феномен существовал всегда. Озоновый разрыв в южной полярной области возникал, расширялся, затем сужался и, возможно, вообще исчезал. Причины этого явления не ясны до сих пор. И человек вряд ли способен повлиять на озоновый слой планеты. Возникает, в частности, вопрос – почему именно над Антарктидой? Почему не над самыми промышленно развитыми районами США, Европы, Азии? Говорить о том, что фреон каким-то образом переносится в полярную область не приходится, иначе над Южным полюсом скапливались бы не только лёгкие инертные газы, но и многие вредные промышленные выбросы. И почему того же явления не наблюдается над Северным полюсом…

Тем не менее, одной опасности мы избежали. И тревога была поднята учёными не зря. Климат на нашей планете, действительно, меняется не в лучшую сторону. Согласно исследованиям британского учёного доктора Гэрри Стэнхилла за последние пятьдесят лет количество солнечного излучения, достигающего поверхности Земли через атмосферу, уменьшилось на 22 процента. Мир потускнел. Мы стали получать меньше солнечного света, чем наши ближайшие предки.

Что вызвало эти изменения и чем это нам грозит? Вина лежит на твёрдых частичках несгоревшего топлива, выбрасываемых в атмосферу в виде дыма, в огромных количествах углекислого газа, который не перерабатывается растительностью из-за массовой вырубки лесов. В результате атмосфера утрачивает прозрачность, становится менее проницаемой для солнечных лучей.

Существует два противоположных сценария дальнейшего развития событий – глобальное потепление в результате парникового эффекта, и глобальное похолодание из-за недостатка солнечного света, достигающего земли. Оба сценария катастрофичны и прогнозируют неисчислимые беды. Уже сегодня средняя температура воздуха на Земле увеличивается на 0,2 градуса ежегодно. За столетие температура может подняться на 2—4 градуса. Уровень Мирового океана увеличился на 2 сантиметра, но в 2050 году может увеличиться до 67 сантиметров. Это произойдёт из-за таяния полярных льдов. В результате Антарктида потеряет часть своего ледяного панциря, Северный Ледовитый океан может стать просто Северным океаном, огромные прибрежные территории Европы и Америки будут затоплены и окажутся непригодными для жизни.

Глобальное изменение климата (пока речь идёт, прежде всего, о потеплении) приводит и к другим катастрофическим последствиям. Количество торнадо и ураганов над территорией США увеличилось едва ли ни в 10 раз. Европу год за годом постигают разрушительные наводнения. Зимы становятся тёплыми, а лето знойным…

На этом остановимся. Да, опасность существует. Но не следует её преувеличивать. История нашей планеты знает поистине катастрофические катаклизмы. Уровень воды Мирового океана многократно повышался и понижался уже тогда, когда на Земле жили люди. Америка была заселена от 40 до 15 тысяч лет назад через сухопутный перешеек, образовавшийся на месте Берингова пролива. Причём, этот перешеек появлялся не однажды. В тот же период, около 40 тысяч лет назад, сухопутным перешейком Австралия была соединена с Азией. И тоже была заселена людьми, пришедшими на континент посуху. Говорить же о каком-либо влиянии людей на окружающую среду в то время, когда цивилизации не существовало вообще, вряд ли приходится. (Хотя диких лошадей и верблюдов на территории Америки уничтожили именно те, первые поселенцы).

Да, под воздействием массовой индустриализации природа меняется. Меняется климат, условия обитания, состав атмосферы. Но кто способен доказать, что подобные изменения не происходили на планете и до появления автомобилей? И что мы сейчас не наблюдаем вполне естественные колебания климата, которые не могли наблюдать раньше, поскольку по планетарным меркам, как существа разумные, возникли слишком недавно.

Человечество ещё очень молодо. И главная задача, стоящая перед всеми нами – постараться состариться. То есть просуществовать долго, без разрушительных катаклизмов и грандиозных потрясений. Правда, само по себе это не произойдёт. Ради сохранения жизни придётся немало потрудиться.

Глава 97

Альтернативные виды топлива

Ни для кого не секрет, что главный источник загрязнения окружающей среды – это автомобили. Гигантские города, вроде Москвы, а по их улицам разъезжают миллионы автомобилей. И каждый двигатель внутреннего сгорания, сжигая бензин, выбрасывает в атмосферу углекислый газ, частицы сажи и множество вредных веществ, вроде оксидов свинца, образующихся при сжигании этилированного бензина.

Выхода два – использовать электрические двигатели вместо ДВС, либо искать альтернативные виды топлива. Первый путь выглядит идеальным, но только до момента практической реализации. Во-первых, система «аккумулятор – электродвигатель» обладает очень низким коэффициентом полезного действия. Электромобиль из-за тяжёлого аккумулятора и сам весит гораздо больше обычной машины с двигателем внутреннего сгорания. А запас хода и скоростные характеристики хуже. Во-вторых, использование аккумулятора подразумевает его заряд. Значит, нужен источник электроэнергии – электростанция, которая тоже загрязняет воздух, поскольку большая часть современных электростанций это ТЭЦ. Энергия на них вырабатывается за счёт сжигания газа, мазута, угля (впрочем, уголь из употребления повсеместно выходит). Одна крупная ТЭЦ загрязняет атмосферу не меньше, чем крупный город с развитой транспортной системой.

Получается… замкнутый круг? Нет, всё нормально. У этой проблемы не может быть одного решения. Конструкторы ведут активные поиски и в области емких и безопасных источников электроэнергии (вроде водородных топливных элементов), ёмких аккумуляторов (например, полимерные щелочные батареи), конструируют и «чистые» электромобили, и автомобили с гибридными силовыми установками. Но одним из наиболее реальных способов решить проблему загрязнения не подвергая при этом серьёзным переделкам огромный парк автомобилей – применение альтернативных видов топлива.

Их несколько. Первый – природный газ – давно применяется на транспорте, значительно сокращает вредные выбросы и является очень выгодным с экономической точки зрения. Проблема лишь в том, что природный газ (на транспорте применяется сжиженный пропан-бутан, как в газовых плитах с баллонным газовым оборудованием) ресурс не возобновляемый. Запасы газа, как и нефти, могут быть исчерпаны ещё при жизни нашего поколения. Возможно, поэтому массового перевода автомобилей на газовое топливо и не происходит.

Идеальным топливом для двигателей внутреннего сгорания выглядит водород. Но только на первый взгляд. Дело в том, что добыча водорода – а это самый доступный и возобновляемый природный ресурс – очень энергозатратна. Его добывают электролитическим разложением воды при большом расходе электроэнергии. Затем сжижают и заправляют им баллоны. Положительный эффект применения водородного топлива заключается в том, что вредных выбросов нет вообще – из выхлопной трубы автомобиля в атмосферу выпускается водяной пар (который затем включается в естественный природный кругооборот воды). Но электричество, которое необходимо для промышленного производства водорода, вырабатывается всё теми же загрязняющими воздух электростанциями. А сам водород крайне взрывоопасен. Для его применения на автомобиле требуется серьёзная переделка системы питания (в отличие от газовой системы, где всё очень просто и недорого). Но и в этом случае заправленный водородом автомобиль на дороге крайне опасен. Это, по сути, бомба на колёсах. При столкновении и повреждении баллона или трубопровода подачи водорода, водород переходит в газообразное состояние, смешивается с кислородом воздуха и воспламеняется от малейшей искры.

Настоящей панацеей в борьбе с вредными выбросами в атмосферу являются биологические виды топлива. Их тоже несколько. Это спирты, газ метан и растительные масла.

Спиртовое топливо производится в больших количествах в Бразилии, в стране, где производство сахарного тростника основная отрасль промышленности. Спирт обладает отличной энергоёмкостью (большей, чем бензин). Он недорог и прост в производстве. Он сводит количество вредных выбросов к минимуму (в атмосферу выбрасывается только углекислый газ и минимальное количество примесей, которые разлагаются микроорганизмами). Для перевода на спирт систему питания бензинового двигателя приходится подвергать минимальным переделкам. Но спирт опасен для людей. Он ядовит (в качестве автомобильного топлива обычно применяют метиловый спирт). А в странах с неразвитым производством сахаросодержащих сельскохозяйственных культур его производство в качестве топлива нерационально – например, у нас в России.

Метановое топливо – это газ метан, получаемый путём биологического разложения органики. Этот вид топлива в промышленных количествах производится в южных штатах США, где развито животноводство и растениеводство. Навоз животных и растительные отходы выдерживаются в специальных ёмкостях, выделяемый микроорганизмами метан собирается и сжижается. Автомобили работают на метане так же, как и на пропан-бутане (то есть система питания машины такая же). Но производственный процесс метанового топлива довольно длителен. Поэтому метан обычно рассматривается как один из видов альтернативного топлива, но не как полная замена бензину.

Наконец, растительные масла. Необычайно перспективный вид топлива, особенно в нашей стране! Растительное масло – рапсовое, подсолнечное, какое угодно – получается самым обычным путём. Его добывают переработкой маслосодержащих семян. Выход масла примерно такой – 1 гектар масличных культур даёт 1 тонну чистого топлива. При огромных неосвоенных территориях России этот вид топлива выглядит почти идеальным. Масличные культуры не требуют сложного ухода и просты в сборе урожая и его переработке. Можно представить себе небольшую ферму, которая содержит поле подсолнечника, полностью обеспечивая топливом и фермерские автомобили, и небольшую дизельную электростанцию.

Растительное масло такой же возобновляемый ресурс, как спирт и метановое топливо. При сгорании масла в атмосферу выбрасывается некоторое количество несгоревших частиц, но по количеству выбросов сажи растительное масло выглядит намного безопасней, чем обычная солярка. К тому же продукты сгорания растительного масла попадают, в конечном счёте, в почву и перерабатываются микроорганизмами. Но обязательно добавим – растительное масло может применяться в качестве топлива только в дизельных двигателях. В бензиновых моторах оно работать не будет.

А насколько велики переделки обычного дизельного мотора под растительное масло? Удивительно, но переделок никаких не требуется. Если взять обычное рафинированное подсолнечное масло (в нерафинированном слишком много частиц клетчатки и воды), залить его в бак автомобиля с дизельным мотором, то машина заведётся и будет работать точно так же, как на обычной солярке. Возможно, придётся отрегулировать систему впрыска, но это мелочи по сравнению с выгодой от применения альтернативного топлива.

Единственное требование к качеству растительного масла – оно должно быть хорошо очищенным. Эта проблема решается применением многоступенчатых фильтров…

В заключение заметим, что пока на планете есть запасы нефти, никто всерьёз на альтернативные виды топлива не смотрит. Бразилия (которой пришлось раньше всех решать проблему нехватки бензина) счастливое исключение. Но рано или поздно за ней последуют и другие государства, в том числе и Россия. И воздух на нашей планете станет заметно чище.

Глава 98

Возрождение ветряных мельниц

Серьёзные учёные и крупнейшие специалисты в области энергетики утверждают, что альтернативы атомным электростанциям нет и в обозримом будущем не будет. Так оно и есть – атомная электростанция самый эффективный, самый экономичный и самый экологически безопасный способ выработки электроэнергии.

Все мы помним трагедию Чернобыля и скандалы вокруг захоронения использованного ядерного топлива. Кстати, исследования Марианской впадины на батискафе «Триест», самой глубокой точки Мирового океана, проводились и с целю изучения возможности захоронения ядерных отходов на дне океана. Считалось, что на огромных глубинах отсутствуют какие-либо течения. Вода якобы не перемешивается, а потому радиационное заражение не будет распространятся дальше места захоронения. Но исследователи обнаружили в самой глубокой точке океана живые существа. А это значит, что даже на такие глубины поступает кислород с поверхности моря. И на идее захоронения ядерных отходов в океане был поставлен крест.

Так вот, даже с учётом этой чудовищной катастрофы АЭС остаётся наиболее безопасным типом электростанции, поскольку не загрязняет окружающую среду. Дело лишь в реализации многоуровневой системы защиты от возможных сбоев и строгое выполнение условий безопасной эксплуатации. Именно ошибка персонала стала причиной разрушения Чернобыльской АЭС. Так стоит ли отказываться из-за этого от самой атомной энергетики? Не лучше ли сосредоточиться именно на безопасности эксплуатации атомных станций? Впрочем, именно это в конце ХХ и в начале нашего столетия и происходит…

И всё же альтернативные способы производства электроэнергии есть. Это электростанции иного типа, нежели традиционные тепловые, гидроэлектростанции и АЭС. Речь об электростанциях небольшой мощности с использованием природной энергии. К ним относятся ветровые, приливные, солнечные и миниатюрные гидроэлектростанции. Это очень любопытная и перспективная техника. Но её значение не следует переоценивать – это не альтернатива большим электростанциям, а лишь удобное и выгодное дополнение.

Бум развития ветровых электростанций пришёлся на вторую половину ХХ века. Особое распространение они получили в полупустынных и пустынных штатах США, где дуют постоянные ветры, а населённые пункты располагаются на достаточно большом друг от друга расстоянии. Ветровые электростанции выгодны там, где тянуть многокилометровую линию электропередач слишком накладно. Энергии ветра вполне достаточно для энергоснабжения небольшого городка или отдельно стоящей сельскохозяйственной фермы. Очень часто ветряк является не основным источником энергии, а дополнительным средством энергосбережения, позволяющем сэкономить на оплате централизованного подвода электричества.

Устроена ветряная станция по принципу ветряной мельницы. Лопасти ветряка приводятся во вращение воздушным потоком. Ось ветряка соединена с осью электрического генератора небольшой мощности через повышающую механическую передачу. Наиболее совершенные ветряные станции оснащаются компьютерным управлением и специальным приводом, поворачивающим ветрогенератор по направлению ветра. (Есть и другие типы ветряков, например, с вертикальным ротором, который не приходится ориентировать к направлению ветра). Добавим, что один ветряк может обеспечивать энергией отдельный дом и заряжать аккумулятор, который включается в общую систему в безветренную погоду, но не более того. Настоящая ветряная электростанция – это комплекс ветряков, состоящий из десятков и сотен ветрогенераторов.

Приливные электростанции используют энергию перемещения массы воды во время приливов и отливов. Они устанавливаются на морском побережье и соединены с морем каналом, по которому приливная волна заполняет водохранилище приливной станции, а во время отлива вода из этого водохранилища возвращается в море. Приливная станция относится к электростанциям периодического действия и постоянно работать не может. Электростанции подобного типа обычно заряжают аккумулятор большой ёмкости, который и питает электрическую сеть.

К электростанциям периодического действия относятся и солнечные станции (потому что ночью они тока не вырабатывают, а в пасмурную погоду работают не в полную мощность). Они представляют собой большие селеновые пластины, направленные плоскостью перпендикулярно солнечным лучам. При облучении светом селеновые элементы генерируют электрический ток. Солнечные электростанции пока слишком дороги и неэффективны. Но зато в них отсутствуют движущиеся детали, а потому такие станции очень долговечны. Любопытно, но в проекте строительства обитаемой лунной станции предусмотрено создание солнечной электростанции. Именно на Луне, где отсутствует атмосфера, а исходный материал – селен – в буквальном смысле лежит под ногами, солнечная электростанция будет самым эффективным способом обеспечить энергией и жилище лунных космонавтов, и будущее производство (если оно, конечно, будет на Луне организовано).

Самые маленькие солнечные электростанции – это солнечные батареи для портативных радиоприёмников, а также встроенные в наручные часы и калькуляторы солнечные панели питания. Даже если взять только калькуляторы, то можно прийти к парадоксальному выводу, что солнечные батареи (на самом деле световые панели, но разницы никакой) самый популярный альтернативный источник электроэнергии. Одна крошечная панель вырабатывает энергии в доли милливатта. А миллион таких панелей? А сто миллионов? Между тем, объёмы выпуска калькуляторов с подобным питанием невообразимо огромны…

Ещё один тип небольшой электростанции – миниатюрная гидроэлектростанция. Они выпускаются в небольших количествах, гораздо меньших, чем небольшие дизельные и бензиновые электрогенераторы. А представляют собой генератор с крыльчаткой, помещённые в корпус-трубу. Этот блок устанавливается на дне ручья или небольшой реки, на самой стремнине. Набегающий поток воды приводит крыльчатку во вращение, и генератор вырабатывает ток, который подаётся на берег по изолированным проводам. И лесной домик, дача, сельский или фермерский дом получают электроэнергию. Совсем немного, но вполне достаточно для освещения дома, для работы радиоприёмника или телевизора.

Никто пока не говорит, что описанные типы электростанций когда-нибудь вытеснят большие АЭС. Наоборот, АЭС, скорее всего, вытеснят и тепловые, а возможно, и гидроэлектростанции. Но и эти необычные станции-малютки найдут применение. На островах, в отдалённой от центров цивилизации местности, на фермах, дачах – везде, где обычная сеть энергоснабжения отсутствует, либо её использование на полную мощность невыгодно, маленькая электростанция обеспечит жильё человека электричеством.

Правда, в тех же Соединённых Штатах ветровые станции вырабатывают электроэнергию во вполне промышленных масштабах. То же можно сказать о приливных электростанциях. И в будущем это направление энергетики будет только развиваться.

Действительно, ветер дует, река течёт. Почему бы и не использовать эту природную силу людям во благо?