Труд: Цивилизация подсолнухов

Главная Жизнь 08:55 17 Августа 2011 2908

Цивилизация подсолнухов

На смену ядерным технологиям в скором времени могут прийти особо чистые кварциты

Напечатать

Солнечный круг

Основным и первичным источником энергии для нашей планеты всегда была и долго еще будет самая близкая к нам звезда — скромный желтый карлик, носящий имя Солнце. Именно его лучистой энергией взращивается 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 трлн. тонн животных и бактерий.

Сегодня человечеству, для того чтобы удовлетворить свои постоянно растущие потребности, ежегодно необходимо около 10 млрд. тонн условного топлива (читай — каменного угля). Многие специалисты полагают, что при нормальном развитии уже к 2020 году этого топлива потребуется в три с половиной раза больше. А теперь внимание: энергия, поставляемая на нашу планету Солнцем за год, если перевести ее в то же условное топливо, составляет примерно 100 трлн. тонн. В 10 тысяч раз больше, чем нам нужно. Считается, что на Земле запасено 6 трлн. тонн различных углеводородов. Если это так, то сопоставимую с содержащейся в них энергию Солнце дарит нашей планете всего за три недели. И резервы нашей звезды настолько велики, что такое энергоснабжение она сможет поддерживать еще 5 млрд. лет.

Земные зеленые растения и морские водоросли утилизируют примерно 3–4% поступающей от Солнца энергии. Если бы человек смог взять для своего внутреннего потребления хотя бы еще один дополнительный процент, это решило бы многие проблемы на века вперед.

На один процент

И человек уже знает, как его взять. Все началось, как это не раз было в современной физике, с Альберта Эйнштейна. Многие помнят, что этот великий ученый был удостоен в 1921 году Нобелевской премии. Но мало кто знает, что получил он ее не за свою теорию относительности, а за объяснение законов внешнего фотоэффекта. Еще в 1905 году он опубликовал работу, в которой, опираясь на гипотезу Планка, описал, как именно и в каких количествах кванты света «вышибают» из металла электроны.

Впервые получить с помощью фотоэффекта электрический ток удалось в 30-е годы прошлого века советским физикам. Произошло это в физико-техническом институте, руководил которым знаменитый академик А. Ф. Иоффе. Правда, КПД тогдашних солнечных сернисто-талиевых элементов еле дотягивал до 1%, то есть в электричество обращался лишь 1% падавшей на элемент энергии. Но задел был положен. В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали первый элемент с приемлемым (порядка 6%) КПД. А с 1958 года солнечные батареи, сделанные из кремния, стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах. К середине 70-х годов КПД солнечных элементов подполз к 10-процентной отметке и… почти на два десятилетия замер на этом рубеже. Для космических кораблей этого вполне хватало, а для наземного использования производство весьма дорогих солнечных батарей (1 кг кремния необходимого качества стоил тогда до 100 долларов) по сравнению со сжиганием дешевой нефти выглядело непозволительной роскошью. Как следствие — большинство работ по освоению новых технологий в области солнечной энергетики было свернуто, а финансирование оставшихся сильно сокращено.

В начале 90-х годов прошлого века будущий лауреат Нобелевской премии академик Жорес Алферов на годичном собрании АН СССР заявил, что если бы на развитие альтернативной энергетики (а солнечная энергетика у нас считается одним из ее видов) было потрачено хотя бы 15% тех средств, что мы вложили в энергетику атомную, то АЭС нам бы сейчас вообще были не нужны. Судя по тому, что даже на тех крохах, что выделялись, удалось к середине 90-х поднять КПД солнечных элементов до 15%, а к началу нового века — до 20%, утверждение академика недалеко от истины.

Кремниевая соната

В качестве материала для производства солнечных элементов сейчас используется кремний — второй по распространенности на Земле (после кислорода) элемент. В нашей планете его 15,2%, а в земной коре и вообще почти треть. Это хорошо. Плохо то, что встречается он в виде окиси — SiO2. Это тот самый песок, на котором люди любят нежиться на пляже. Извлечь из него чистый кремний весьма сложно. Настолько сложно, что стоимость силициума (так химики называют кремний), в котором не более 1 грамма примесей на 10 кг продукта, сопоставима со стоимостью обогащенного урана, используемого на атомных электростанциях. Запасы кремния превышают запасы урана почти в 100 тысяч раз, однако хорошего «солнечного» вещест-ва человечество добывает в шесть раз меньше, чем хорошего атомного урана.

Кремний по сию пору в промышленности извлекают и очищают теми же способами, что и в конце 50-х годов прошлого века. А из несовершенства технологий вытекает высокая стоимость, высокие энергозатраты, низкий выход и высокая экологическая опасность. Из тонны кварцевого песка по самой распространенной на сегодняшний день хлорсилановой технологии получают 50–90 кг относительно чистого силициума. При этом на извлечение 1 кг расходуется столько энергии, что киловаттный чайник мог бы на ней непрерывно работать в течение 250 часов.

Все это тем более странно, поскольку новые, гораздо более удачные технологии уже существуют, и существуют давно. Еще в 1974 году немецкая фирма Siemens научилась получать чистый кремний с помощью карботермического цикла. Не будем вдаваться в подробности — просто скажем, что в этом случае энергозатраты падают на порядок, а выход продукта увеличивается в 10–15 раз. Соответственно, и стоимость получаемого кремния падает до 5–15 долларов за килограмм.

Тут-то и кроется особая выгода для России. Для немецкой технологии простой песок уже не подходит, тут нужны так называемые особо чистые кварциты, самые крупные залежи которых находятся в нашей стране. Кроме того, по мнению тех же специалистов из Siemens, наши кварциты наиболее качественные. По всем расчетам их вполне должно хватить на то, чтобы покрыть все ближайшие потребности человечества в особо чистом кремнии.

Сколько крыть в километрах

Электричество относится к числу весьма капризных и плохо запасаемых продуктов, поэтому производится его всегда практически столько же, сколько и требуется. Общая мощность всех земных электростанций составляет примерно 1000 ГВт-то есть один тераватт. Для того чтобы получить этот тераватт от Солнца, стандартными кремниевыми панелями нужно «замостить» территорию в 40 тысяч км². Это с учетом того, что работать станция будет только днем. Квадрат со стороной 200 км — это примерно одна двухсотая часть пустыни Сахара. Задача, с которой современное человечество вполне может справиться.

Однако решать ее в лоб нельзя, так как при этом возникают сразу две огромные проблемы. Первая — это хранение энергии. Производить энергию такая гигастанция сможет только днем, а человечеству она нужна круглые сутки. Значит, на ночь ее дневные излишки нужно в чем-то запасать. В аккумуляторах, в гигантских конденсаторах, в супермаховиках. Такие «энергохранилища» будут стоить ненамного дешевле, чем сама СЭС. Вторая проблема — изменение климата в месте постройки. Если раньше солнечная энергия здесь шла на нагрев почвы и воздуха, то теперь ее часть пойдет на получение электричества. Температура в районе электростанции, а 40 тысяч км2 — это немало, практически вся Московская область, — несколько упадет. В центре этой территории появится то, что климатологи называют бароцентром — область постоянного пониженного давления, в которой обычно формируются мощные циклоны. Нечто наподобие красного юпитерианского глаза. Циклоны эти будут окроплять территорию электростанции и прилегающие районы дождями, а небо над нашими батареями заволокут грозовые тучи. Соответственно, и выработка энергии уменьшится в десятки раз.

Обе эти глобальные проблемы имеют одно простое решение. А именно: надо строить не одну электростанцию на 40 тысяч км², а 400 электростанций по 100 км². И располагать их по земному экватору в наиболее солнечных районах (ученые говорят — в районах с наиболее высокой соляризацией). Тогда в то время, пока часть станций будет отдыхать на ночной стороне Земли, противоположные будут обслуживать планету. Каких-то особых погодных отклонений в пятачках 10×10 км происходить не должно.

Космические перспективы

Если не считать высокой стоимости солнечных батарей, то главная помеха развитию солнечной энергетики на Земле — земная атмосфера. То небо совсем не вовремя затягивается облаками, то дым от соседнего завода закрывает Солнце. Да и при совершенно ясном небе свет, просто проходя через атмосферу, теряет две трети своей энергии. Если бы человечеству удалось построить электростанцию в космосе, то вполне можно было бы обойтись батареей площадью в 6000 км².

Но тут опять перед нами встают два вопроса. Во-первых, как туда эти батареи поднять, а во-вторых, как доставить полученное электричество на Землю.

Проблемы эти были теоретически решены еще в 1968 году, когда идея космической СЭС возникла впервые, а в 1973 году эти решения были оформлены соответствующим патентом. Доставка элементов в космос по патенту, естественно, осуществляется космическими кораблями, другого способа мы пока не знаем. А энергию на Землю планируется переправлять в виде особого электромагнитного излучения с длиной волны от 1 мм до 1 м — такого своеобразного космического радара. В отличие от солнечного света, этот СВЧ-луч при прохождении атмосферы потеряет не более 2% энергии.

Недавно космическую задумку воскресил профессор Института космических систем (Хьюстон, США) доктор Дэвид Крисвелл. Правда в его проектах она приобрела несколько иные черты.

Главное отличие состоит в том, что Крисвелл предложил разместить солнечные электростанции не в открытом космосе, а на поверхности нашего верного спутника — Луны. Таскать на спутник солнечные батареи не планируется. Предлагается построить на Луне небольшой заводик и производить элементы прямо на месте, из подручного сырья. Ибо на Луне кремния тоже более чем достаточно.

Доставка энергии на Землю будет осуществляться уже описанным выше способом. Для ее приема надо будет построить несколько довольно простых и дешевых антенн размерами примерно 10×13 км. Сам луч будет совершенно безопасен, и ни облака, ни тучи не будут для него препятствием. Потери энергии по пути (без малого 400 тысяч км) составят не более 40%. Таких станций на лунном экваторе нужно построить пять, тогда в любой момент две или три из них будут находиться на дневной стороне нашего спутника.

Этот проект, после реализации которого жители Земли будут обеспечены электричеством на ближайшие столетия, по подсчетам доктора Крисвелла, обойдется в 60 млрд. долларов. Это в три раза дороже, чем программа «Аполлон» (19,5 млрд. долларов), но зато в десять раз дешевле войны в Ираке (567 млрд.)

А ведь, наверное, лучше строить станции на Луне, чем воевать на Земле за нефть. Да и денег можно в будущем немало сэкономить.

Цифры

1 квадриллион тонн растений взращивается на энергии солнца
10 млрд. тонн условного топлива ежегодно необходимо человечеству для развития
100 трлн. тонн условного топлива составляет энергия, поставляемая на нашу планету Солнцем за год

Напечатать

Жизнь 00:01 / 10 Июня 2026 14998

«Не талант, не традиции, не школа - вода. Много воды!»

Эрнст предложил «Ленфильму» покинуть центр Петербурга

Ирина Смирнова

Труд

На завершившемся Петербургском международном экономическом форуме много чего было сказано яркого и судьбоносного, направленного не в будничную хмарь, а к сияющим горизонтам. Однако некоторые дерзкие идеи вызывают...