С тех пор как человек научился добывать огонь, он постоянно овладевает все новыми видами энергии, включая и ту, что рождается в недрах звезд. «Властелином природы» человек стал именно благодаря своему господству над огненной стихией, понятие «энергия» испокон века определяет его бытие, как таковое. А сегодня уровень развития цивилизации определяется уровнем потребления энергии на душу населения. Без поиска новых источников энергии, совершенствования технологий ее производства и доставки не создать условий для нормальной жизни. Иными словами, качество жизни напрямую зависит от развития энергетики, а оно невозможно без активного вклада ученых.
Особенно остро энергетическая проблема встанет через пару десятилетий, когда спрос на энергию увеличится на две трети по сравнению с нынешним. Получение электроэнергии потребует огромных капиталовложений. По подсчетам Международного энергетического агентства (IEA), в ближайшие 30 лет только электроэнергия обойдется населению планеты в 4 биллиона 200 миллиардов долларов. Причем половина производимого объема будет потреблена в развивающихся странах, что в два раза больше, чем за последние 30 лет.
До 90 % получаемой энергии придется на органические носители (нефть и особенно природный газ, спрос на который вырастет вдвое). В то же время загрязнение воздуха продуктами сжигания органических веществ вызывает немалое беспокойство в связи с угрозой окружающей среде и перспективой изменения климата на планете. Согласно прогнозам упомянутого агентства, выброс углеводорода, как ни парадоксально, все время будет опережать рост потребления энергии. Продолжая сжигать органическое топливо, мы накапливаем углеводород в атмосфере, забывая о том, что требуется не менее ста лет, чтобы его концентрация в атмосфере сократилась. Глобальное потепление, к сожалению, уже нельзя объяснить только циклическими процессами потепления и охлаждения, присущими развитию планеты. Уже нет сомнения, что нынешняя фаза потепления – результат деятельности человека. Углекислый газ, метан, некоторые другие продукты жизнедеятельности поглощают тепловое излучение Земли, и когда их концентрация увеличивается, происходит сначала незначительное, а затем все более заметное изменение температуры поверхности планеты. Разрушая тепловой баланс, мы, по сути, без всяких войн ведем человечество к гибели.
Солнце, ветер и вода
Одним из настоятельных требований времени являются поиск новых источников энергии, разработка методов ее преобразования. Эта задача определяет направления работы ученых, инженеров, изобретателей в России и за рубежом. Однако новые источники энергии — это чаще всего не те, которые нам неизвестны, а те, которые пока не нашли своего применения. Важнейшим условием современного применения новых источников энергии являются их экологическая чистота, особые методы преобразования одного вида энергии в другой. При этом акцент делается на энергосберегающих технологиях, возобновляемых источниках, таких, как солнце, ветер, водная стихия. Например, в Европейском союзе поставлена цель: к 2010 году получать 22 % электроэнергии с помощью новых источников. Не случайно ветряная энергия – надежная, экологичная, а в ряде случаев и экономически весьма рентабельная – играет все более значительную роль в жизни многих регионов мира. Так, по данным на конец 2001-го, в Германии с помощью ветровой энергии было получено 8 000 МВт, или 3,5 % всей электроэнергии; в Испании — 3 000 МВт; в США —1 700 МВт. Впечатляют многокилометровые сооружения из ветряков в районе Сан-Франциско. Очевидные успехи в развитии такого вида энергии достигнуты в Дании. Эта страна, где энергетическая политика традиционно направлена на сохранение окружающей среды, стала одной из первых, в которой реализованы программы использования новых источников энергии. Энергия ветра составляет там прямую конкуренцию природному газу. Уже в 2000 году 12,6 % электроэнергии Дания получала с помощью ветряных турбин – больше, чем любая другая страна.
России предстоит многое сделать в этой области, чтобы создать экономически приемлемые системы и найти способы их применения. Действие ветра распределено по планете очень неравномерно, и там, где его скорость незначительна, ветровые станции вообще нет смысла строить. Материковые станции способны обеспечить очень скромный запас ветровой энергии. Зато, скажем, Курильские острова представляют собой, что называется, природную «ветряную ферму», и там есть возможность получать значительное количество электроэнергии.
Водная стихия так же с давних пор привлекает внимание ученых. Вода становится одним из источников энергии. Через какие-то десятилетия в связи с нехваткой нефти и проблемами загрязнения окружающей среды возникнет вопрос об источниках горючего для автомобилей. Сейчас ученые озаботились этой проблемой и думают о воде как источнике получения водорода, размышляют над тем, как в соответствии с требованиями, которые предъявляет водородное топливо, создать более эффективную концепцию двигателя. Существует совместный российско-японский проект, в основе которого лежит идея превращения воды в водород путем электролиза. Получаемый таким образом водород уже как моторное топливо будет перекачиваться по трубопроводам и доставляться на рынок непосредственно потребителю.
Совместные усилия мировой науки стимулировали прогресс и на других важных направлениях. Например, применение международного опыта позволило российским ученым повысить КПД и одновременно удешевить способы получения электроэнергии из природного газа с помощью газотурбинного цикла. Это один из наиболее эффективных способов использования природного газа. Достаточно сказать, что в мире работа в этом направлении позволила повысить коэффициент полезного действия до 50 %. С другой стороны, предстоит изучить другие аналогичные природному газу ископаемые источники, например гидраты, запасы которых превышают объем месторождений природного газа, но надо научиться их добывать, перерабатывать и использовать.
Остров в океане
Несмотря на поиски новых источников энергии, на «издержки», связанные с угрозой изменения климата на Земле, в обозримой перспективе нет равноценной альтернативы такому жидкому топливу, как нефть. Согласно прогнозам IEA, потребление нефти не снизится, а только возрастет (транспортные нужды почти целиком будут удовлетворяться за счет нефти, расход которой будет расти в среднем на 2,1 % в год). Это заставляет правительства разных стран широко использовать достижения науки и технологии, чтобы освоить получение нефти не только путем ее непосредственной добычи, но и также из угля, битумных сланцев, нефтеносных песков и даже из растений. Тем не менее цивилизация продолжает зависеть от дешевых источников природных ресурсов. А это грозит кризисами, связанными с нехваткой нефти, продолжением борьбы за энергоресурсы, время от времени переходящей в политическую плоскость и нередко приводящей к военным конфликтам. Поэтому только развитие науки, технологии, предсказание энергетических кризисов и нахождение технологических способов их предотвращения обеспечат нормальное, самоподдерживающееся развитие экономики. Важно также научиться использовать сочетание различных источников энергии, что позволит избежать зависимости от импорта нефти.
При всем при том на сегодняшний день основными источниками электроэнергии остаются тепловые электростанции, которые работают за счет использования все того же естественного топлива: нефти, газа, угля. В связи с этим полезно вспомнить предупреждение Дмитрия Менделеева о том, что нефть не топливо, топить можно ассигнациями. Нещадно эксплуатируя природные виды топлива, мы, словно доисторические люди, разводим костры на нашей Земле — с той лишь разницей, что теперь они стали гигантскими, в них сгорает все наше достояние.
Есть ли необходимость столь варварски относиться к ресурсам планеты? Ведь мы говорим, что возможности человеческого разума безграничны. Человечеству по силам генерировать поистине особую энергию — интеллектуальную. Совершенно очевидно, что неуклонный рост потребления энергии требует вложения не только капиталов, но и интеллекта. У нас буквально из-под ног бьют разнообразные источники энергии, которые человек способен поставить себе на службу. Как выразился американский ученый Джон Уилер, мы живем на острове знания, окруженном океаном нашей неосведомленности. Так давайте предоставим науке возможность использовать богатства, хранящиеся в недрах этого «острова». Задача, которую предстоит решать международному научному сообществу, под силу только одержимым, целеустремленным, обладающим четким видением проблемы ученым, знающим, как ее решать. Требуется мощный интеллектуальный прорыв, постоянный поиск алгоритмов, применимых в каждом конкретном случае, правильно отражающих пространственную и временную локализацию поставленной проблемы. От этого зависит, насколько эффективным будет вклад науки в развитие цивилизации.
Энергия интеллекта
Энергетика – это сфера, в которой Россия располагает огромным потенциалом. И дело не только в богатстве природных ресурсов, но и в мощной научной базе. Сохранить наше научное лидерство чрезвычайно важно и в экономическом плане. Вклад России признан международным сообществом, наша страна всегда была пионером в области энергетических исследований. Сегодня это и термоядерные реакторы, и система ТОКАМАК, и единственный в мире коммерческий реактор ВФ-600 на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением, и решение такой задачи поистине космических масштабов, какую представляет собой создание Единой энергетической системы. В России сейчас насчитывается 98 крупных ГЭС, есть возможности для строительства еще нескольких станций суммарной мощностью 12—14 млн кВт. Но эффективность использования наших природных ресурсов на самом деле зависит от того, насколько мы сможем связать их с наукой и производством.
Известный американский ученый Томас Кун писал об относительном недостатке конкурирующих школ в развитых науках, об уникальной в своем роде аудитории научного сообщества, об узком круге их идей. История науки свидетельствует о том, что ее необходимо стимулировать, и исследования в области энергетики – как фундаментальные, так и прикладные – не исключение. Наиболее престижными стимуляторами науки всегда являлись международные премии, такие, как, например, Нобелевская, присуждаемая Шведской академией наук, и ряд других. Достойное место в этом ряду должна занять новая международная энергетическая премия «Глобальная энергия», которая начиная с этого года будет ежегодно вручаться в Санкт-Петербурге.
В выдвижении первых номинантов примут участие около 300 крупнейших специалистов всего мира. Учрежден Международный комитет из ведущих российских и зарубежных ученых, в состав которого включены пять нобелевских лауреатов. Выбор энергетики не случаен: ведь это локомотив истории, мотор прогресса, та сфера деятельности, которая приводит к серьезным изменениям в социальной сфере, к развитию наукоемких технологий, определяет развитие любой отрасли промышленности, мирового хозяйства в целом.
Сам механизм присуждения «Глобальной энергии» напоминает механизм отбора и рассмотрения работ Нобелевскими комитетами – простой и открытый. Ведь что определяет престижность Нобелевской премии? Конечно, то, что каждое ее присуждение – это веха, фиксирующая действительно самые выдающиеся достижения. Нобель точно выбрал те области фундаментальных исследований, которые по сей день определяют развитие мировой науки: это физика, химия, физиология и медицина. Известно, что XX век стал веком физики, потому что квантовая физика сформировала современную философию познания. Энергетика вполне может претендовать на звание науки XXI века, так что учреждение международной энергетической премии в дополнение к Нобелевской вполне закономерно. Эта награда будет не только способствовать международному признанию деятельности отдельных ученых и научных коллективов, но и станет «катализатором» процесса превращения исследований в разных странах в единый поток знаний. Наука интернациональна по своей природе, сама жизнь давно раздвинула в ней национальные границы, тем более когда речь идет о такой всеобъемлющей проблеме, как энергетическая. Знаменательно, что идея «Глобальной энергии» возникла именно в России. Отечественная наука занимает прочные позиции на всех основных направлениях энергетики, однако для ее плодотворного развития необходим постоянный обмен идеями с зарубежными коллегами. Премия даст новый импульс развитию энергетики в нашей стране, а это, в свою очередь, позволит приблизиться к решению проблем, с которыми мы сталкиваемся в последние годы, удовлетворить растущий спрос на энергию, от чего напрямую зависит осуществление экономической реформы.
От энергии звезд — к квантовым компьютерам
В середине прошлого века американский физик-теоретик, нобелевский лауреат Ханс Бете высказал гипотезу о том, что источником энергии, которую излучают Солнце и звезды, является термоядерный синтез. А совсем недавно Нобелевской премии были удостоены физики, экспериментально подтвердившие протекание термоядерной реакции в недрах Солнца. По сути, наше светило – это колоссальный термоядерный реактор. Строго говоря, жизнь на планете существует за счет одного главного источника – термоядерной реакции Солнца. Дальше продукты этой реакции поступают на Землю в виде световой энергии, которая нас согревает, преобразуется в электричество либо аккумулируется в виде нефти, газа, угля. Именно благодаря такому огромному потоку энергии, в той или иной форме поступающей от Солнца, можно вообще говорить о таком сложном явлении, как жизнь. Человек нуждается в этом непрерывном потоке энергии, можно сказать, живет в нем, как рыба в потоке воды.
Одним из направлений энергетики будущего является солнечная энергетика. На сегодняшний день наиболее эффективным способом преобразования солнечной энергии является полупроводниковый фотоэффект. С 1876 года, когда в Великобритании был создан первый фотоэлемент, до наших дней ученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ее эффективности. Однако подлинная история использования полупроводниковых преобразователей началась в 1958-м, когда на третьем советском спутнике и американском спутнике «Авангард» в качестве источника энергии были установлены солнечные кремниевые батареи, с тех пор основной источник энергии в космосе. В 1974 году наши ученые приступили к промышленному производству солнечных батарей на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащаться искусственные спутники. Гетероструктуры позволили создать фотоэлементы с КПД 30—35 %. Сейчас в мире идет работа над удвоением мощности солнечных фотоэлектрических установок. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Пока, правда, это самый дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более что такая энергия экологически безупречна и запасы ее практически неисчерпаемы.
Уже сейчас много направлений, на которых солнечная энергия может найти широкое применение. Например, развитие мобильной телефонной связи потребует создания автономных станций для питания антенн, а в нашей огромной стране это также будет способствовать налаживанию широкого производства солнечных батарей. Однако следует признать, что на данный момент результаты наших научных разработок востребованы за рубежом, а не в России. В ближайшем будущем можно ожидать достижения КПД солнечных батарей на гетероструктурах в 40—45 %. По оценкам специалистов, в 2030 году до 10 % мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии.
Наше термоядерное будущее
Усилиями международного коллектива ученых, в том числе россиянина Игоря Курчатова, загадка получения энергии с помощью термоядерной реакции была успешно разрешена. Однако использование термоядерной энергии оказалось задачей необычайно сложной. Много лет назад на одной из первых конференций по термоядерной энергетике руководителю британской программы, лауреату Нобелевской премии Джону Кокрофту, одному из создателей первого ускорителя протонов, был задан вопрос: когда начнется промышленное использование термоядерной энергии? Кокрофт ответил: через 20 лет. Спустя семь лет на аналогичной конференции журналисты задали тот же вопрос, и профессор Кокрофт слово в слово воспроизвел свой прежний ответ. Тогда его упрекнули в том, что он повторяется. На что Джон Кокрофт невозмутимо возразил: «Вот видите, я не меняю свою точку зрения». Сегодня специалисты-термоядерщики оценивают перспективы начала промышленного использования этой технологии как 30—50 лет.
Но уже сейчас те сдвиги, которые происходят в науке, позволили поставить беспрецедентную задачу – создание международного проекта атомной термоядерной электростанции. Одной из глобальных задач, которые будут способствовать выполнению этого проекта, является создание более безопасных реакторов – на быстрых нейтронах (с энергиями свыше 100 кэВ), которые сжигают весь уран без остатка. Не просто в земных условиях получить температуру 150 миллионов градусов, а чтобы ее изолировать, требуются особые магнитные ловушки – тотальные камеры с магнитным полем (ТОКАМАКи). Образующееся магнитное поле необходимо для равновесия и термоизоляции плазмы. Идея крупного международного проекта по созданию реактора с магнитной ловушкой впервые была высказана советскими академиками Игорем Таммом и Андреем Сахаровым. На сегодняшний день проделана большая работа, чтобы продемонстрировать надежность этой технологии, умение управлять термоядерной реакцией. Теперь важно научиться технологически использовать продукт этой реакции — нейтроны, превращать их, к примеру, в электроэнергию, пресную воду, моторное топливо, углеводород. Сейчас закончился этап проектирования первого экспериментального термоядерного реактора (проект стоил около 2 млрд долларов), в котором приняли участие США, Япония, Европа, Канада и Россия. Идут переговоры о его строительстве. После завершения строительства и освоения реактора можно будет приступить к созданию первой в мире атомной термоядерной электростанции.
Современная наука постоянно обогащается. Чем больше решений вы находите, тем больше возникает проблем, потому что жизнь не останавливается. Энергия нужна везде: в компьютере, в биодатчике, в кардиостимуляторе, а в недалеком будущем – и в церебростимуляторе. Потребности растут быстрее, чем наука может их обеспечивать. Пока у нас нет четкого понимания того, как подойти к кардинальным проблемам наподобие аккумулирования электрической энергии, сверхпроводимости. Есть задачи, которые многие годы ждут своего решения. Например, в свое время академик Герш Будкер высказал идею о возможности передавать энергию на большие расстояния без потерь посредством электронного пучка. Сейчас мы стоим накануне решения этой проблемы, что позволит с помощью алюминиевой трубки диаметром в несколько сантиметров передавать гигаватты электрической энергии.
Итак, в распоряжении человечества уже имеются многие новые способы получения и передачи энергии. Это прежде всего управляемый термоядерный синтез, высокотемпературная сверхпроводимость и фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Осталось только не покладая рук работать в этом направлении. Цель международного научного сообщества – превратить безопасную и доступную энергию в основу стабильности мира и достойного будущего для людей нашей планеты. Для России же это будет означать решение основной задачи развития – используя средства, получаемые от природных ресурсов, возродить промышленность, и прежде всего ее наукоемкие отрасли.
