Чирков Ю. Занимательно об энергетике

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1
ЭНЕРГЕТИКА ГЛАЗАМИ ФИЗИКА

В старой сказке колдунья варит в котле волшебное зелье. Но ни в одной сказке нет такого котла, который построили ученые, чтобы добыть атомную энергию.
М. Ильин
В 1945 году, когда первые атомные бомбы были уже взорваны, крупным американским специалистам был задан вопрос: «Когда удастся использовать атомную энергию в мирных целях?» Почти все ученые назвали одну цифру: 50 лет (1995 год). Но, как известно, первая советская (и первая в мире) атомная электростанция в Обнинске дала ток уже 27 июня  1954 года.
Такой грубый просчет! Тем более странный, что в самих США с 1942 года работал ядерный реактор с графитовым замедлителем — модель будущих электростанций.
Оказывается, американские специалисты исходили из соображений не столько технических, сколько экономических. Атомная электростанция, рассуждали они, дороже ГЭС или тепловой (теперь цены сравнялись). А следовательно, у нее нет шансов. А вот лет через 50, когда запасы нефти начнут истощаться...
Отчего же в последние десятилетия, вопреки скепсису экономистов, во всем мире атомная энергетика развивается опережающими темпами? Почему у нас в стране прирост мощностей в этой области составляет около 35 процентов? (Такого не знает ни одна из отраслей народного хозяйства!)
Отчего? Почему? Зачем? — на все эти вопросы ответит нам физик. Физика подарила человечеству энергию делящегося атома и сейчас пытается приручить еще и термоядерные реакции. Физик видит мир в особом свете, мыслит строгими количественными категориями. Поэтому его мнение представляет особый интерес. Послушаем же его прогноз о ближайшем будущем земной энергетики.
Плата — энергия
Один царь, гласит восточная легенда, решил отблагодарить мудреца и предложил ему самому назначить награду. Тот попросил зерна: одно зернышко — на первый квадрат шахматной доски, два — на второй, четыре — на третий, и так далее, удваивая каждый раз предыдущую цифру. Царя поразила скромность просьбы, но... скоро выяснилось: выполнить ее он не в силах. Суммарный вес зерен, если бы заполнить все 64 клетки доски, составил бы около ста миллиардов тонн — более чем десятикратный годовой мировой сбор/ зерна!
Мы не случайно вспомнили эту историю. Горькая мораль древней притчи близка и созвучна нашему времени. Многие из проблем человечества, оказывается, имеют точно такую же природу.
Физик скажет: число зерен росло в геометрической прогрессии, или, что фактически то же самое, по экспоненциальному закону. Так же, добавит он, растет из года в год добыча руд, и число научных публикаций, и количество автомобилей, и многое иное, что связано с жизнью человека.
К примеру, население планеты. Оно за год возрастает на 2 процента: много это или мало? Вроде бы немного. Однако, по прогнозам ООН, к 2000 году народонаселение Земли увеличится в 1,5 раза и достигнет колоссальной цифры — приблизительно 7 миллиардов человек!
Но еще стремительней растет выработка энергии — 5 процентов ежегодно! Это наиболее высокий показатель роста в мировом хозяйстве. Почти во всех странах капиталовложения в энергетику доминируют. (5 процентов — это очень много. Французский энергетик и математик Р. Жибра сделал любопытные подсчеты. Полное превращение материи в энергию по формуле Эйнштейна Е = mc2 — это, кажется, максимум того, на что человек вправе рассчитывать. Так вот, если бы способ превращения материи в энергию был в наших руках и если б мы захотели им воспользоваться, то при теперешнем удвоении электрической энергии каждые десять лет вещества Земли хватило бы ненадолго!)
Стремительный рост потребления энергии закономерен.
Рост населения Земли сам по себе требует увеличения количества продукции, что связано с дополнительными расходами энергоресурсов. Кроме того, процесс индустриализации, идущий в мире, требует дополнительного расхода материалов — металла, пластмасс и т. д.— на душу населения, что неминуемо ведет к росту энергозатрат.
Есть и другие причины. Как известно, запасы минерального сырья быстро истощаются. Источники серебра, олова, меди и других крайне нужных человеку цветных металлов скудеют. Вот и приходится извлекать эти металлы из все более бедных по содержанию руд. Уже сейчас магний добывают из морской воды. И каждая крупица этого металла обходится в большие энергозатраты.
Отношение человека к веществам довольно прихотливо. Мода тут непрерывно меняется. Академик А. Ферсман когда-то писал, что в отдаленном будущем, возможно,  в   основу  промышленности   будет  положена   глина.
Но какие бы элементы ни использовал человек, к чему бы он ни испытывал пристрастие, поставить их себе на службу он сможет, лишь обладая достаточно мощной энергетикой.
Следующая причина быстрого роста энергетики — это загрязнение окружающей среды. Оно уже достигло глобальных масштабов и требует срочных мер.
Лучшее средство здесь — создание циклических, замкнутых производств  (по образцу природных процессов), где бы вредные отбросы полностью отсутствовали. Но подобные установки требуют все того же — энергии!
В ней нуждается и сельское хозяйство. Производство во всевозрастающих количествах минеральных удобрений, связывание азота воздуха. А скажем, химическая технология: и ей подавай энергию! Химическая технология обещает нам многое — вплоть до создания искусственной пищи. Но, чтобы скомпоновать из неорганических веществ органику, годную в пищу, к примеру белки, опять же потребна энергия.
Так вот и получается: к чему бы человек ни притронулся, за что бы он ни взялся, что бы он ни затеял, тотчас же незримая «рука» подставляет свою ладонь — плати!
И не только за комфорт, но даже за создание хотя бы сносных условий существования человеку постоянно приходится платить, а плата всюду одна — энергия.
Академик, лауреат Нобелевской премии П. Капица последние годы в своих докладах и статьях («Глобальные проблемы и энергия», «Энергия и физика») неоднократно выступал с обсуждением и вопросов энергетики.
В одной из своих статей П. Капица приводит красивую аналогию. В организм человека, пишет он, попал микроб. Он размножается делением каждый час... И вот число микробов во времени — болезнь прогрессирует! — начинает бешено расти, как и число зерен на шахматной доске. Та же геометрическая прогрессия! Нетрудно подсчитать, что за три дня число микробов достигло бы в организме человека астрономической цифры — 1021. И суммарный вес микробов превысил бы вес человека!
Этого, конечно, быть не может. Безудержный процесс размножения микробов должен прекратиться. Здесь есть, говорит П. Капица, три исхода. Либо организм человека поборет болезнь — микробы будут уничтожены, либо же они будут продолжать развиваться, и человек в конце концов погибнет вместе с ними. Есть и третий исход — в организме уничтожается столько же микробов, сколько их возникает. Это хроническое течение болезни, оно может продолжаться неопределенно долго.
Развитие болезни и проблемы энергетики — они во многом схожи (вот она, физика, умеющая обобщать самые разнородные явления!). И в энергетических делах для человека только три дорожки.
Первая — остаться без энергии. В отличие от примера с микробами — исход плачевный, катастрофа!
Другой путь — хроническое топтание на месте, так сказать, перебиваться в энергетике с хлеба на квас: тоже не сахар!
Значит, вроде бы приемлемо лишь одно: путь третий — непрерывный рост энерговооруженности. Да, собственно, так оно и идет: за последние 15 лет годовой прирост энергии, доминируя над всем прочим, держится на уровне пяти процентов. Ближайшая перспектива? О ней вполне определенно высказался один из ведущих советских энергетиков академик Е. Велихов: «Основываясь на докладах (беседа шла в начале 1980 года в Гамбурге: там проходил крупный научный форум) таких организаций, как академии наук СССР, США, Международный институт прикладного системного анализа и других, мы пришли к важному выводу: несмотря на все усилия по экономии, потребление энергии будет возрастать...»
Вроде бы, такой вывод — повод для радости: «организм мира», дескать, крепнет с каждым днем. Все больше энергии становится подвластной человеческой воле...
Но тогда как же понять слова П. Капицы: «Мы сейчас внезапно почувствовали себя больными, и, чтобы не погибнуть, пора подумать, как нам лечиться...»?
Бытовая и промышленная
Понимать слова П. Капицы следует так. Считается, что мы живем в век атомный. Но так ли это? Ведь и сегодня львиную долю энергии дает нам не делящийся атом, не «Токамаки», а, как и встарь, уголь, нефть и газ. Но все, как говорится, течет, все меняется. И эти энергетические закрома в один далеко не прекрасный день будут истощены. Когда? Сказать трудно. Назывались самые различные сроки: и длинные сотни лет, и краткие десятилетия.
Улучшение методов разведки и усовершенствование глубинного бурения (сейчас добыча нефти и газа с глубин в 5—7 тысяч метров уже не считается исключением) много раз вносили существенные коррективы в эти прогнозы.
Опять же — энергия энергии рознь! Желательно, чтобы энергия была дешевой и легкодоступной. Скажем, известно, что ядерное топливо — уран и торий входят в состав обычных гранитов и базальтов. Запасы эти грандиозны. Но трудно представить себе такой уровень техники, при котором будет экономически целесообразно перерабатывать для извлечения урана или тория громадную массу гранитов и базальтов нашей планеты.
Да, запасы могут быть велики, но ясно как день, что когда-то (бессмысленно пытаться указывать точные даты) им все же придет конец. Ибо противоположное утверждение противоречило бы одному из фундаментальнейших законов физики — закону сохранения энергии. И как следствие допускало бы существование вечного двигателя.
Вечный двигатель изобрести невозможно — это факт. Но вечные источники энергии, способные прийти на смену тающим запасам ископаемого топлива, имеются. Достаточно взглянуть на наше светило, уже многие миллионы лет изливающее на Землю обильную и. все не скудеющую энергию.
Рядовые вечной энергетики — это и ветер, и луч» солнца, и сила океанских течений, и тепло земных недр... Что предпочесть?  Какой источник энергии выбрать?
И тут вновь физические соображения, оказывается, могут быть очень полезны. Они помогут отделить пшеницу от плевел: отбросить технические проекты заведомо бесперспективные.
Но прежде чем присяжные физики вынесут свой приговор, полезно уточнить: а о какой, собственно, энергии идет здесь речь? Или, по-другому, куда пойдет энергия? Ведь есть энергия «бытовая» и есть «промышленная». Их нельзя путать. «Бытовая» это то, что обеспечивает нам культурный уровень жизни, ее высокий стандарт. Тут многое, привычное всякому человеку — электроосвещение, электропитание холодильников, телевизоров, электробритв, пылесосов и других приборов, красящих наш быт. Тут энергетический счет невысок — киловатты
Совсем иное — масштаб энергии «промышленной». Металлургия, машиностроение, транспорт, строительство, сельское хозяйство съедают уже многие сотни мегаватт миллионы киловатт! Энергия ни в какое сравнение не идущая с «бытовой».
И когда говорят об энергетическом кризисе, то имеют в виду именно энергию «промышленную». Только она определяет уровень валового продукта и размер национального дохода той или иной страны.
Ита1, нужны мощные и, памятуя о кризисе и невозможности вечного двигателя, неисчерпаемые, неиссякаемые (практически, конечно) источники энергии.
Что же, оглянемся вокруг. Практически вечны солнце, приливы, кипение вулканов.. Да, они вечны, но — увы! — недостаточно мощны. Плотность поступающей от них энергии невелика.
Вот, скажем, солнце. Этот великан ежесекундно расходует на тепло и свет 4200 тонн своего вещества. Каждые сутки масса солнца уменьшается почти на 400 миллиардов тонн: циклопические количества! Солнце тает на глазах, однако волнения тут преждевременны.
Вес солнца настолько грандиозен, что оно будет поддерживать «огонь в своих топках» еще примерно 100 миллиардов лет. На наш век, как говорится, хватит!
Хуже с плотностью энергии, падающей от солнца на землю. Солнце далеко. На один квадратный метр освещенной поверхности приходится лишь 100 ватт. И это оптимум: максимум того, что дает светило. А уж как людям удастся снять этот солнечный урожай — это другой (довольно уязвимый) вопрос!
100 ватт, может быть, и сносно для энергии «бытовой», но ведь нам надо насытить энергию «промышленную». А вот тут для получения, скажем, 100 мегаватт требуется площадь с квадратный километр.
Однако гораздо хуже то, что ни один из методов преобразования энергии солнечных лучей пока нерентабелен. И чтобы это дело пошло, следует снизить затраты на несколько порядков. Пока даже не видно пути, как это можно осуществить.
Возьмем теперь другой пример — энергию геотермальную. Сможет ли она решить проблему? Источник заманчив. Энергетические запасы тут неистощимы, и в отличие от солнечной энергии, которая имеет колебания не только суточные, но также зависящие от времени года и от погоды, геотермальная энергия способна генерировать ток непрерывно.
Многих увлекает идея просверлить землю н добраться до глубинного тепла. К сожалению, не всегда учитывается, что нужна не температура, а энергия, и для того чтобы ее отвести из глубинных слоев, необходимы очень глубоко идущие щупальца в сторону от того отверстия, которое мы просверлили. Другими словами: нужна пористая структура, чтобы по ней можно было бы отбирать энергию от достаточно большого объема.
Еще в начале этого века изобретатель современной паровой турбины английский инженер и предприниматель Ч. Парсонс разрабатывал проект использования тепла земных недр. На глубинах 10—15 километров температура подскакивает уже до нескольких сотен градусов: в принципе можно получить пар и генерировать ток с хорошим КПД.
И вновь осечка! Из-за плохой теплопроводности (и слава богу, а то бы нам пятки жгло) земной коры, говорит физик, геотермальное тепло также не обладает достаточной плотностью потока энергии.
Правда, у нас на Камчатке действует первая в стране экспериментальная Паужетская геотермальная электростанция (сокращенно ГЕОТЭС) мощностью в 5 тысяч киловатт. Эта станция — своеобразная лаборатория, где ученые и инженеры продолжают исследовать свойства термальных вод, «доводят» оборудование, приборы, отрабатывают наиболее выгодные технологические процессы. С момента пуска Паужетская ГЕОТЭС выработала 164 миллиона  киловатт-часов электроэнергии.
И в Италии, где много вулканов и тепловые потоки достаточно мощны, геотепло успешно используется. И все же вносит лишь два процента в энергетический баланс страны. Но таких районов, богатых мощными геотермальными потоками, на планете немного.
А гидроэнергия? Она дает лишь пять процентов в общем энергетическом мировом балансе, и не больше: мощных рек, да еще в горных районах, не так-то много!
Ветер? Он крайне непостоянен, и, главное, плотность энергии опять же ничтожна.
Итак, физик настаивает: ни солнце, ни тепло земли, ни сила падающей воды, ни ветер, ни многие другие источники энергии не насытят аппетита землян. Ибо все они маломощны и могут играть лишь вспомогательную роль.
Спасительный атом
Петербург столетней давности. В первом номере журнала «Природа и охота» за 1879 год читатель мог прочесть следующее: «...Все более и более возрастающая ценность, не говоря о дровах, но даже угля, озабочивает многие ученые и неученые головы. Чем в самом деле будут топить наши потомки? Не должны ли они будут погибнуть с холоду или переселиться под тропики Африки и Южной Америки и вместо дров и каменного угля довольствоваться солнечной теплотой...»
Как видим, разговоры об «энергетическом голоде» начались не вчера.
В 20-х годах нашего века было точно подсчитано: известных запасов нефти хватит не далее чем до 2000 года, угля — до 2100-го. От других источников энергии большого проку не ждали. И полагали, что где-то в конце XXI века людям придется возвратиться, так сказать, к первобытному состоянию — к волам, лошадям, к водяным и ветряным мельницам.
Если бы надвигающийся сейчас на человечество энергетический кризис дал себя почувствовать лет 40— 50 назад, до открытия ядерной энергии, человечество, несомненно, стояло бы перед катастрофой. А человеческая культура зашла бы в тупик. Но надо отдать должное ученым. Крупнейшие из них давно осознали мощь атомного ядра.
В 1922 году в голодном и холодном Петрограде в один из январских вечеров состоялся доклад 37-летнего академика А. Ферсмана. Доклад назывался «Пути к науке будущего» Уже тогда ученый пророчески предсказывал будущее использование    грандиозных запасов внутриатомной энергии. «Надо только суметь завладеть этой энергией, — говорил тогда А. Ферсман, — надо ее суметь извлечь. И что эта мысль не фантазия, а реальная возможность будущего, мы видим из того, что есть вещества, которые сами выделяют эту энергию согласно вековечным и строгим законам...»
Да, это не фантазия. Основу для оптимизма дают оценки физиков. Академик Л. Арцимович некогда писал: «Спасение приносит коэффициент 107. Он определяет отношение энергии, освобождаемой при сгорании ядерного топлива в урановом реакторе, и энергии, выделяющейся при сгорании равной по весу порции органического вещества в топке обычной тепловой электростанции».
Один грамм урана (частила размером с булавочную головку) по запасам энергии эквивалентен почти полутора тоннам высококачественного донецкого антрацита.
В 1979 году атомные станции нашей страны выработали более 50 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Простой подсчет показывает: чтобы получить столько энергии, требуется около 17 миллионов тонн органического топлива.
Прикинем вместимость железнодорожного вагона, и уже мелькает перед глазами череда товарных поездов, которые везут за сотни и тысячи километров уголь и мазут, чтобы не погас огонь в топках ТЭЦ и ГРЭС. Перевозки вынуждают с огромной нагрузкой работать железнодорожный транспорт. И это лишь один из доводов в пользу атомной энергетики.
В делах, связанных с мирным атомом, СССР всегда был впереди. Первая в мире АЭС мощностью в 5 мегаватт была пущена в Калужской области (город Обнинск) еще в 1954 году. Тогда впервые вспыхнули лампочки, зажженные энергией атома, и академик А. Александров (нынешний президент Академии наук СССР, директор Института атомной энергии имени И. В. Курчатова)  произнес знаменитые слова поздравления.
Когда из контрольной трубки появился пар, он, обращаясь к И. Курчатову, шутя произнес: «С легким паром, Игорь Васильевич!»
Это было скромное начало. Первая атомная казалась карликом в стране исполинов энергетики традиционной.
Недавно академик А. Александров вспомнил те дни: «... многие считали, что атомная энергетика — это в общем скорее забава ученых и инженеров и вряд ли найдет когда-либо широкое применение, вряд ли будет конкурентоспособной с энергетикой на обычном топливе — нефти, газе, угле. Теперь так не думают...»
Даже 15 лет назад мечта о «большом атоме» оставалась мечтой, хотя и Белоярская и Нововоронежская станции уже прочно стояли на земле. Они звались опытными, потому что атомные котлы и часть оборудования были экспериментальными. И работу их оценивали не столько киловатт-часами, сколько исследованием режимов эксплуатации, необходимых для создания мощных реакторов. Да и среди обслуживающего персонала было больше физиков, чем в ином научном учреждении. Но сейчас можно сказать: атомная энергетика сделала огромный рывок в будущее.
В отчете МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) опубликованы данные за 1978 год. Вот цифры, характеризующие масштабы атомной энергетики.
В 21 государстве из всех, входящих в МАГАТЭ, работают 227 атомных электростанций. Их суммарная мощность доведена до 110 тысяч мегаватт. Таким образом, мирный атом обеспечивает около 6 процентов мирового производства электроэнергии.
Несмотря на обильные запасы горючих ископаемых, СССР также бурно развивает атомную энергетику.
В донских степях вырастает «Атоммаш» — завод, олицетворяющий уровень техники и технологии XX века.
Волгодонск (Ростовская область), небольшой порт, родившийся вместе с Волго-Донским каналом и морем, числился перспективным. Прежде это был городок химиков, и химический завод, выпускающий синтетические жирные кислоты, построенный в пятидесятые годы, был самым крупным предприятием города. Но пять лет назад (декабрь 1975 года) из промерзших, развороченных котлованов, из донской земли начал подниматься будущий богатырь — «Атоммаш». И сегодня уже поднялись во весь рост  могучие  голубые  корпуса  нового  завода.
Пять лет назад те, кто начинал строительство завода атомного машиностроения, реактор видели только на картинке. А в декабре 1978 года уже состоялся торжественный выпуск первой очереди «Атоммаша». Были введены в строй мощности по выпуску трех миллионов киловатт реакторного оборудования.
Чтобы понять, что это значит, достаточно сказать: мощность в 3 мегаватта равна 18 Цимлянским ГЭС или 12 Днепрогэсам! Так было введено в действие уникальное сооружение в области энергетического машиностроения, не имеющее себе равных в мире. Общее стремление атоммашевцев — дать первый действующий атомный реактор мощностью в один миллион киловатт, источник самой дешевой энергии.
Первый «миллионник» — только начало. Подобные блоки мощностью в миллион киловатт затем будут серийно выпускаться на «Атоммаше» для АЭС, которые вырастут в следующих пятилетках.
Ну а как же все-таки с энергетическим голодом? Достаточно ли велики запасы ядерного горючего?
Урана на Земле вдосталь. Если учесть возможность его экстракции (извлечения) из морской воды — его там что-то около 5 миллиардов тонн! — то этих запасов хватит на тысячелетия.
Однако сравнительно дешевого урана (месторождения, пригодные для разработок), подходящего для энергетических целей, на земном шаре на первый взгляд не так-то уж много.
Оценки дают цифру — 4 миллиона тонн приблизительно.  В общем эти запасы соизмеримы,  например,  с нефтяными ресурсами. Нужно, однако, учесть: в хорошо отработанных и получивших ныне широкое распространение АЭС с реакторами на тепловых нейтронах (тепловые реакторы) практически лишь очень небольшая часть урана (около 1 процента) может быть использована для выработки электроэнергии. «Горит» лишь уран-235, а остальные 99 процентов (другие изотопы урана, например, уран-238) — балласт, идущий в отвал.
А можно ли использовать уран полнее, в идеале — на все 100 процентов? Новейшая наука отвечает — да!
Эта возможность — в широком применении атомных «реакторов-размножителей», работающих не на медленных, как у «старых» атомных реакторов (тепловых), а на так называемых быстрых нейтронах. В этом случае в дело идет и уран-238, и торий-232 (торий тоже может служить ядерным горючим), и другие изотопы.
В результате из килограмма природного урана можно получить в 20—30 раз больше энергии, чем в обычных ядерных реакторах на уране-235. А значит, можно себе позволить не только дешевый уран, но и более дорогой, который находится, например, в океанской воде, в разбавленных (бедных) рудах, в кислых горных породах. И потенциальные ресурсы атомной энергетики станут тогда примерно в 10 раз выше по сравнению с традиционной энергетикой (на органическом топливе). Но это еще не все. Реакторы на быстрых нейтронах (за рубежом их называют бридерами) переводят, оказывается, ядерное топливо из разряда невосполнимого, как уголь и нефть, в разряд практически вечных источников энергии. Попутно в процессе своей работы реактор на быстрых нейтронах перерабатывает уран-238 в плуто-ний-239, а торий-232 в уран-233. Таким образом, в бридерах «зола», «отходы» сами становятся горючим. А это в конечном счете означает практически неограниченное (с точки зрения современных масштабов) расширение потенциальных сырьевых ресурсов атомной энергетики. И реакторы на быстрых нейтронах — это не мечта отдаленного будущего, это наш сегодняшний и завтрашний день.
В молодом городе Шевченко, раскинувшемся на берегах седого Каспия, с 1973 года действует демонстрационный промышленный реактор БН-350. В нем быстрые нейтроны вырабатывают 125 тысяч киловатт электроэнергии и тепло для получения 80 тысяч кубических метров опресненной воды в сутки. А 25 апреля  1980 года

Леонид Ильич Брежнев поздравил всех тех, кто способствовал завершению строительства и вводу в эксплуатацию реактора БН-600 — третьего энергоблока Белоярской АЭС имени И. В. Курчатова. Крупнейший в мире (его мощность составила уже 600 тысяч киловатт) уникальный энергоблок станет у нас в стране прототипом промышленных быстрых реакторов первого поколения.
Атомные котельные и термояд
Но представим себе, что все электростанции стали атомными. Увы, расход природного тепла уменьшится лишь на 20 процентов. Уголь и нефть нужны химической промышленности, металлургии и так далее! А так как значительная часть электростанций СССР работает на угле, то экономия нефти и газа составит не более 10 процентов. Поэтому идет поиск путей применения атомной энергетики и в других областях. В частности, по предложению Совета Министров СССР разрабатывается оригинальная идея — «реакторов для теплоснабжения городов».
Логика вещей, казалось бы, подсказывает совместить на АЭС получение и электроэнергии и тепла. Прежде это делалось на ТЭЦ, по тому же типу будут действовать и АТЭЦ — атомные теплоэлектроцентрали. А котельные, снабжающие жителей теплом, исчезнут ли они, когда век действительно станет атомным? Нет! Останутся. Только называться они будут АСТ — атомные станции теплоснабжения.
Конечно, от прежней котельной останется очень мало. Уже первые АСТ (строительство подобных головных станций уже начато в Горьком и Воронеже) будут гигантами, рассчитанными на мощность в 1000 мегаватт (два блока по 500). Такая махина обеспечит тепловые нужды жилого массива с населением в 250 тысяч человек. Масштабы для прежних котельных недоступные.
Преимущества таких одноцелевых (только выработка тепла) установок в том, что они могут успешно функционировать, имея гораздо более низкие рабочие параметры, чем АТЭЦ. У последних температура должна быть как минимум 300 градусов. В АСТ же для прямого теплоснабжения хватит и 150—200 градусов (в теплосеть пойдут 130—150) К тому же давление вместо обычных 160 атмосфер составит всего лишь 16. Но одно тянет за собой другое. Резко уменьшаются требования к обеспечению безопасности работы таких установок. Скажем, на обычных АЭС для отвода тепла нужна специальная система насосов, их электроснабжение и так далее. В АСТ всего этого нет — достаточно и естественной циркуляции воды. Вот и получается: сам принцип конструкции АСТ, его простота не оставляют места для аварийных ситуаций или же позволяют создать надежные и недорогие защитные устройства. Насос повредился? А его в АСТ нет! Разрушился корпус реактора? А их будет два — второй страховочный.
Поэтому ввиду их полной безопасности АСТ можно будет разместить непосредственно в жилых кварталах, в 2—3 километрах от границы жилого массива. И не последний вопрос — себестоимость. АСТ окупятся за 5—6 лет... Но, может быть, дело тут не только в цене. Котельные, работающие на угле и нефти, дают газовые выбросы, загрязняющие атмосферу городов. Кроме того, АСТ разгрузят транспорт от тяжкого бремени перевозок органического топлива... Небольшие «атомные» котельные могут использоваться для снабжения теплом агропромышленных комплексов, жилья и производства в районах Крайнего Севера и Дальнего Востока. Станцию можно разобрать на блоки, самые тяжелые из которых весят 20 тонн, и доставить в любой уголок страны.
Со временем появится у атома и новая работа. Академик А. Александров, говоря о будущем атомной энергетики, подчеркивал, что атом проникнет в металлургию, химическую промышленность и другие отрасли.
Реактор с тепловой мощностью 1 миллион киловатт способен обеспечить необходимым теплом два химических комбината, выпускающих в год по миллиону тонн аммиака. Или два металлургических завода, производящих более двух миллионов тонн стали. Только вот беда — до сих пор реакторы АЭС работали при температурах 200—300 градусов, а для плавки металлов необходимы температуры выше раз в пять.
Советские ученые и инженеры приступили к разработке подобных, невиданных прежде АЭС. Называться они будут ВТГР — высокотемпературные, газоохлаждаемые реакторы. Вместо воды (она кипит при сотнях градусов) в этих устройствах будет использоваться газ, который удастся нагреть на выходе почти до тысячи градусов. Огненное дыхание позволит получить не только необходимое для промышленности тепло, но и применить на производстве более совершенные технологические процессы. Скажем, в металлургии получать железо прямым восстановлением, отказавшись от доменных печей. С помощью ВТГР можно с успехом извлекать из воды водород, который (водородная энергетика!) без ущерба для окружающей среды заменит традиционные виды топлива на транспорте, в промышленности, в быту.
А если взять такую старую проблему, как газификация угля, то трудами этих новейших реакторов превращение угля в жидкость или газ под действием высоких температур можно будет проводить прямо в шахтах, под землей. А затем уже подавать готовое топливо наверх. Ясно, при этом опасность загрязнения воздуха, земли и воды станет намного меньше.
Конечно, создание атомных установок подобного типа — задача чрезвычайно сложная. Но такая работа а СССР уже начата. Ближайшие планы — разработка опытно-промышленной атомной энерготехнологической станции с реактором тепловой мощности в 1 миллион киловатт.
Но атомная энергия — это не только цепные реакции деления тяжелых атомных ядер. Есть и другая возможность — термоядерный синтез.
Пока он был реализован в неуправляемом виде в термоядерных (водородных) бомбах. Но, видимо, в обозримом будущем ученые добьются и управляемых процессов. Однако может возникнуть естественный вопрос: атомная энергетика уже имеет такие прекрасные перспективы — нужен ли еще и термояд? Да, нужен! Темпы потребления энергии на планете стремительно растут. В начале века потребление энергии в мире удваивалось приблизительно за 50 лет, в середине нашего века это удвоение происходило уже за 30 лет, а теперь — за 15—20 лет! Так что и термоядерной энергии скоро может найтись большое дело.
Следует подчеркнуть, что термоядерный синтез оказался для человека крепким орешком. На первой Женевской конференции по использованию атомной энергии (1959 год) известный индийский физик X. Баба обещал — проблема будет решена через 20 лет.
Сроки прошли, однако предсказание не сбылось. Уж очень трудную задачу (сейчас эта проблема физики номер один) взвалили на свои плечи ученые и инженеры. Ведь надо здесь, на Земле, создать условия, реализующиеся лишь на далеких звездах.
Смесь газов тяжелого водорода необходимо нагреть до температуры в 100 миллионов градусов Цельсия (в советских «Токамаках» пока достигнута цифра 60 миллионов) и удержать в этом состоянии плазму достаточно долго, чтобы реакция между водородными ядрами происходила со скоростью, достаточной для выделения энергии большей, чем затрачено на нагревание смеси. Пока же дело ограничивается секундами...

ГЛАВА 2
ЭНЕРГЕТИКА ГЛАЗАМИ ЭКОЛОГА

Аэродромы, пирсы и перроны,
Леса без птиц
И земли без воды.
Все  меньше — окружающей природы,
Все больше —  окружающей среды...
Р.  Рождественский
«Экология» — слово новое. Термин этот, правда, еще в 1866 году предложил немецкий зоолог Э. Геккель — как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде...». Однако прежде слово использовали лишь узкие специалисты, в основном ботаники и зоологи, изучавшие растения и животных. Но вот пришла «взрывная» вторая половина XX века. Пора, когда всюду дружно и враз заговорили о всевозможных кризисах, подстерегающих человека. Планета вдруг сделалась маленькой и уязвимой. Выяснилось: масштабы природных явлений и человеческой деятельности уже стали почти сопоставимыми.
Один пример. Солнце посылает в среднем на один квадратный километр земной поверхности 4-Ю5 киловатт. Колоссальную энергию! Но уже сейчас в отдельных регионах Земли энергетический «товарооборот» человека вполне сопоставим с природным. Например, в районе Рура, густонаселенной промышленной области ФРГ, где добывается собственный уголь и имеется высокоразвитая промышленность, потребление энергии составляет 2-Ю4 киловатт с квадратного километра. Цифра лишь в 20 раз меньше солнечной! Это сегодняшний день. А что будет завтра, скажем, в 2000 году? Сохраним ли мы нашу планету зеленой и хотя бы сносной для жизни на ней?
Конечно, эти вопросы волнуют всех. Но ответы на них прежде всего должны дать те, кто изучает экологию человека. А их, естественно, тревожит проблема энергетики. Энергия должна быть дешевой. Несомненно. Второе: источники ее должны быть неисчерпаемы. Кандидатур много: практически вечны солнце, ветер, геотепло, атом... Однако важно еще и третье качество энергии: ее источник должен быть достаточно мощным. И вот тут почти все рядовые энергетики должны посторониться, уступив дорогу делящемуся атому.
Атомная энергетика оказалась вне конкуренции. Это наше энергетическое завтра. Все это так, но, кроме трех перечисленных качеств — дешевизны, неисчерпаемости, мощности, есть и четвертое, и немаловажное — экологичность! Не навреди! Эта заповедь должна свято соблюдаться и при поиске и отборе новых источников энергии. (Уже давно получил права гражданства термин «экологическая энергетика». В нашу литературу его ввели член-корреспондент Академии наук СССР Н. Лидоренко и профессор Г. Мучник — они успешно выступили в ЮНЕСКО по этому вопросу.). Итак, энергетика глазами эколога.
Атом излучающий
Сейчас (это уже становится общепризнанным) вся надежда на решение глобального энергетического кризиса связана с использованием ядерной энергии. И надежда вполне обоснованная. Но также хорошо известно и то, что на пути перевода всей энергетики планеты на атомную (пока она дает вклад лишь в несколько процентов) имеется ряд трудностей. Характера чисто экологического. Они уже не раз анализировались во многих статьях, докладах, работе различных комиссий. На эту тему выступали и известные физики.
Первая вполне очевидная проблема — это радиоактивность. Начинкой ядерного реактора служит смесь двух изотопов урана: урана-235 и урана-238. В результате цепной реакции, которая сама себя поддерживает, при распаде ядер урана (при этом образуются всевозможные радиоактивные осколки) выделяется тепло, его потом преобразуют в удобную для потребления электроэнергию. В отличие от угля ядерное топливо «горит» гораздо медленнее. Ядерное горючее превращается в радиоактивные шлаки лишь по истечении трех лет.
Так вот, первая проблема — это извлечение шлаков из реактора и их хранение.
Последовательность тут такова. Вначале бывшее топливо выдерживается несколько месяцев, чтобы произошел радиоактивный распад короткоживущих изотопов (особенно опасен йод-131. К счастью, его период полураспада невелик — всего 8 дней). Следующий шаг — отправка ядерного шлака на завод химической переработки, где его растворяют в кислотах и в ходе мудреных превращений извлекают из него ценные уран и плутоний: они будут повторно использованы как ядерное топливо. Все остальное становится ядерными отходами. Они радиоактивны (и остаются таковыми в течение долгих лет). От них надо поскорее избавиться.
Обычные отходы мы бросаем в мусоропровод. С ядерными отходами все гораздо сложнее. Их надо захоронить (слово-то какое!) надежно, так, чтобы по прошествии и многих сотен лет они оставались безопасными для землян. Одни эксперты считают, что самое лучшее было бы отправить радиоактивные шлаки на ракете в космическое пространство. Этакий бездонный «мусоропровод»! Другие авторитеты предлагают на эту роль земные недра. Советуют прятать радиоактивные шлаки глубоко под землей.
Так, в США есть проект создания национального хранилища радиоактивных отбросов. И место ему уже отведено — юго-восточная часть американского штата Нью-Мексико, где контейнеры с отходами должны опускаться на глубину 600 метров в геологически стабильные гигантские соляные пласты. Считается, что даже при тотальном переходе к ядерной энергетике (400 электростанций по 100 мегаватт каждая) США потребовалось бы «кладбище» размером всего около квадратного километра.
В существующем проекте предлагается вводить шлаки в состав боросиликатного стекла типа «пирекса», из которого затем будут изготовляться цилиндрические стержни длиной в 3 метра и диаметром 30 сантиметров. Каждый такой стержень будет, в свою очередь, заключен в толстую оболочку из нержавеющей стали, И уже стальные контейнеры с отходами будут затем транспортироваться в национальное хранилище для захоронения.
Однако радиоактивны не только шлаки, но и нутро, требуха действующего реактора.
В случае аварии (например, если в реактор перестанет поступать охлаждающая его вода, он чрезмерно разогреется, его защитная оболочка разрушится и содержимое может вырваться наружу) проникшая за пределы реактора радиоактивность может на площади многих квадратных километров загубить все живое не меньше, чем атомная бомба Хиросимы. Поэтому-то и предлагались радикальные меры, например, спрятать реакторы глубоко под землей, вынести на небольшие незаселенные острова в океане.
Трудности, неожиданные проблемы — их все-таки не следует преувеличивать. Возникающие преграды не носят фатального характера. Все эти препятствия можно успешно преодолеть. Но, конечно, уже сейчас, на пороге Большой Атомной Энергетики, следует отдавать себе полный отчет в возможных последствиях.
Необходимо помнить и следующее. Приближающееся исчерпание мировых запасов нефти и газа превратилось сейчас на Западе в острейшую политическую и экономическую проблему. Многие крупные капиталистические страны импортируют почти всю потребляемую ими нефть главным образом из арабских стран Ближнего Востока.
Невозможность получения этой нефти означала бы для таких стран полный крах в течение 3—5 лет.
Острейшей ситуацией умело пользуются нефтяные монополии и картели. Нефтяные спекулянты уже основательно погрели себе руки на этом деле. Поэтому они яростно борются против атомных электростанций, которые дают  возможность  построить  энергетику  на  новых основах. Этим в большой степени и объясняется подоплека шума, поднятого в последние годы в США ч странах Западной Европы вокруг строительства атомных станций. Ведь мощное развитие атомной энергетики может поставить под угрозу получение монополиями баснословных прибылей.
Атом чистый
В 1945 году под грохот взрывов атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки человечество вступило в атомный век. Страшные картины мгновенной гибели японских городов с многочисленным населением глубоко запечатлелись в людских сердцах.
Первое практическое использование атомной энергии вызвало во всем мире тяжелый нравственный кризис. Неудивительно, что все последующее развитие атомной техники и науки проходило под пристальным, а порой даже и пристрастным вниманием общества.
К грузу тяжелых воспоминаний об атомных бомбардировках позднее добавились и мрачные оценки генетической опасности ядерных испытаний в биосфере, проводящихся в эпоху «холодной войны» и гонки ядерных вооружений.
В результате широкая общественность оказалась детально ознакомленной с отрицательными эффектами использования атомной энергии и в значительно меньшей степени с ее преимуществами и положительными сторонами.
Однако имеющийся четвертьвековой опыт работы атомных электростанций развеял много мифов и ложных предубеждений.
Уже при создании первой АЭС была поставлена сложная задача: станция должна иметь безупречную репутацию с точки зрения радиационной безопасности. И это удалось сделать: на советских АЭС и вокруг них радиационный фон даже ниже, чем, скажем, вокруг обычных промышленных предприятий.
Расчеты экологов показывают: при прогнозируемом бурном развитии ядерной энергетики к концу XX века годовая доза, обусловленная газообразными и жидкими отходами перерабатывающих заводов не превысит 1 мбэр. Это одна сотая доля дозы естественного радиационного фона, воздействие которого безопасно для человека. Такая годовая доза в три раза меньше радиационного воздействия, которому подвергается человек за время одного только полета на современном реактивном самолете!
Еще цифры. По профессиональной заболеваемости и частоте несчастных случаев практическое мирное использование атомной энергии в послевоенные годы стоит в одном ряду со швейной и ткацкой промышленностью. Подчеркнем: несчастные случаи в основном связаны с обычными причинами: строительством, пожарами и тому подобным.
Теперь о надежности атомных реакторов. Те же количественные оценки свидетельствуют: вероятность гибели при аварии АЭС сравнима с вероятностью падения крупного метеорита. Этот риск приблизительно в 100 000 раз меньше, чем риск получить увечье в автомобильной катастрофе.
Опыт эксплуатации двух сотен энергетических ядерных блоков в течение последних десятилетий оказался положительным: атомная промышленность и ядерная энергетика относятся к отраслям деятельности человека с наиболее благоприятными условиями труда и минимумом воздействия на окружающую среду.
Совсем не то другие, широко применяемые технологии. Экологический кризис вызвала отнюдь не ядерная энергетика, а традиционная вкупе с промышленностью. Привычными деталями пейзажа XX века стали дымящиеся трубы тепловых электростанций, металлургических, цементных и химических заводов. Выбросы вредных газов из них уже сопоставимы с газовыми шлейфами вулканов. Особо печальную известность получили случаи возникновения смогов — скопления в воздухе смеси высококонцентрированного сернистого газа с дымом и фотооксидантами. Случаи летальных исходов были неоднократно зарегистрированы в Лондоне, Токио, Гамбурге, Нью-Йорке и других крупных городах мира.
Давно стало ясным: дальнейшее использование атмосферы как свалки для промышленных отходов угрожает самому существованию жизни на Земле.
В последних строках книги «Загрязненное небо» американский метеоролог Л. Баттан афористически четко сформулировал грозную альтернативу: «Одно из двух: или люди сделают так, что в воздухе станет меньше дыма, или дым сделает так, что на Земле станет меньше людей». Во  всем  мире  теплоэлектростанции  выбрасывают  в атмосферу ежегодно 200—250 миллионов тонн золы и около  60  миллионов тонн  сернистого  ангидрида.
К 2000 году эти цифры могут возрасти соответственно до 1,5 миллиарда и до 400 миллионов тонн. Вот они, истинные виновники! Следует еще иметь в виду, что по мере истощения запасов угля энергетика будет вынуждена использовать угли низких сортов, с меньшей теплотворной способностью, с большей зольностью и с большим содержанием серы. И выброс в воздух угольной золы и сернистого газа будет еще больше возрастать.
Еще одно немаловажное соображение. Традиционная энергетика и промышленность Земли поглощают громадные порции кислорода. Так что уже возникает законный вопрос: исчерпаемо ли небо?
В самом деле, индустрия США, например, потребляет в год кислорода на 40 процентов больше, чем его вырабатывает поверхность этой страны. Очевидно, США потребляют кислород, вырабатываемый растениями, которые покрывают территорию Мексики, Канады и воды океанов... И все эти трудности в основном создает энергетика, базирующаяся на ископаемой органике.
Иное (с экологической точки зрения) — атомные электростанции. В отличие от тепловых, загрязняющих воздушный бассейн золой, копотью к дымом, АЭС зарекомендовали себя как самые гигиеничные, самые «чистые» станции.
При одинаковой электрической мощности ТЭС, работающие на органическом топливе, загрязняют в 500—1000 раз больший объем воздуха, чем АЭС.
Если теперь взять делящиеся вещества (вроде бы самое слабое место энергетики ядерной!), то и тут результаты не в пользу энергетики на органическом топливе. АЭС загрязняют внешнюю среду радиоактивными веществами, оказывается, в 10 000 раз меньше!
Подведем итоги: именно развернутое строительство АЭС станет мощным фактором защиты атмосферы от вредных промышленных отходов. И будет также способствовать (ядерная энергетика не нуждается в кислороде воздуха! Термин «горение» тут чисто условный!) сохранению неизменного геохимического режима нашей планеты.
Атом сливающийся
В апреле 1975 года на территории АЭС в Страсбурге (Франция) были взорваны две бомбы. Расследование показало: то была диверсия — враги развития ядерной энергетики пытались вызвать аварийный выброс радиоактивных веществ, накопившихся в реакторе, и намеренно загрязнить окружающие районы. Эта акция была приурочена по времени к открывающейся в Париже первой Европейской конференции по ядерной энергетике.
Вблизи зала (а иногда и в самом зале!) заседаний этого форума действовал хорошо отлаженный и отрепетированный ансамбль «демонстрантов». Они страстно выкрикивали: «Долой ядерную энергетику!», «Стоп радиоактивным отходам!», но не забывали единодушно, как по расписанию, уходить на обеденный перерыв.
Несомненно: кампания была инспирирована. И организовали ее конкуренты быстро развивающейся ядерной энергетики. Те, кому она мешала получать прежние, очень высокие прибыли. Враги ядерной энергетики пользовались и пользуются тем, что действительно не все проблемы взаимодействия этого нового вида энергетики и окружающей  среды  полностью  решены.  Ну, скажем, проблема удаления радиоактивных отходов из реакто ра. (Об этом уже говорилось выше, но тема эта крайне важна: добавим еще несколько слов.) Для перевозки приходится сооружать контейнеры с мощнейшей защитой и системами охлаждения. А весь процесс транспортировки организовывать так, чтобы эти отходы путешествовали мелкими партиями, — при этом вероятность аварии на единицу расстояния уменьшается до ничтожной величины, и все это требует немалых затрат.
Однако важно не только увезти ядерный «пепел», но и надежно упрятать его в особых «могильниках». Где их устроить — тоже проблема. На дне океанов? Во льдах Антарктиды? В кратерах давно потухших вулканов? В космосе? Сторонники последнего предложения рассуждают так. Особую опасность представляют долгоживущие радиоизотопы — цезий, стронций, самарий, америций и кюрий. Но их немного: порядка 100 килограммов на 10 миллиардов киловатт-часов выработанной в АЭС электроэнергии. Так вот их (если не будут разработаны достаточно надежные методы окончательного захоронения отходов на нашей планете), дескать, легко удалить с Земли путем вывода на вторую космическую скорость и сброса во внешний космос. Но не всесогласны с успехом подобных проектов. По современным оценкам, надежность успешного вывода космического корабля за пределы земной атмосферы близка к 0,8 — иными словами, в 20 процентах случаев радиоактивные отходы вместо отправки их к солнцу вернутся на земную поверхность, но уже распыленными!
Еще один необычный проект — отправить радиоактивные отходы к центру Земли.
Для плавления горных пород, сквозь которые должен опускаться контейнер с опасным грузом, в принципе можно использовать тепло радиоактивного распада подлежащих уничтожению материалов. Начинать погружение можно было бы, скажем, с вертикально восходящей из недр к поверхности соляной залежи — соль хорошо плавится. Что будет с этим предложением, гадать тут трудно. Пока же испытана модель: разогревающийся изнутри металлический шарик диаметром в 5 сантиметров положили на блок парафина. Шар плавил под собой парафин и исправно в него погружался.
Нет, видимо, лучшим решением энергетических проблем было бы осуществление управляемого термоядерного процесса. Пока он реализован лишь в водородных бомбах, которые в сотни раз опаснее, чем урановая или плутониевая атомные бомбы. В бомбе все заканчивается взрывом, для энергетики же необходимо, чтобы термоядерные реакции шли непрерывно и, по сравнению с водородной бомбой, в небольших масштабах.
Достоинство этого источника энергии не только в том, что он вечен (основное горючее — изотоп водорода дейтерий — можно добывать непосредственно из вод океана, в которых он составляет 1/6000 запасов обычного водорода), необычайно мощный (более мощен, чем атом делящийся: 1 грамм дейтерия в термоядерной реакции выделяет тепло, эквивалентное сжиганию при-' мерно 10 тонн угля), но главное — он безвреден для окружающей среды. Здесь не образуется в ощутимых количествах радиоактивных шлаков, нет большой опасности для населения при аварии термоядерной установки, и этот процесс не может быть использован для изготовления кустарных бомб.
Еще одно несомненное преимущество термоядерной энергетики — в наименьшей степени обезображивается лик Земли. Даже если главным источником лития на первом этапе эксплуатации термоядерных АЭС будет являться  земная  кора, то  и  тут площади  земель,  подвергаемых разрушению при добыче сырья, оказываются в сотни раз меньше, чем при обеспечении сырьем электростанций той же мощности на ископаемом угле. Если же получат развитие дейтериевые реакторы и сырье будет добываться из морской воды (любимый пример популяризаторов: энергия дейтерия, заключенного в стакане воды, эквивалентна сжиганию 300 литров бензина!), то ущерб, нанесенный биосфере, будет и совсем ничтожным.
Все говорит «за». Мешает лишь ядовитый вопрос когда? Как скоро этот процесс покорится воле исследователей?
Вначале ученым все казалось простым и доступным. Тогда физики праздновали одну победу за другой. Были созданы в рекордные сроки сначала атомная, затем водородная бомбы; еще позднее атомные электростанции. Казалось, от водородной бомбы до управляемого термоядерного синтеза, где при слиянии самых легких элементов (дейтерия или же трития) начнет, как это и происходит на солнце, выделяться обильная река энергии, казалось, эти два родственных процесса разделяет лишь короткий шаг. Однако тут самоуверенности физиков был нанесен сильнейший удар. Проходили годы, а до финишной ленточки было все еще крайне далеко. Дело дошло до того, что некоторые футурологи стали относить момент создания термоядерных электростанций чуть ли не в XXX век!
Но жизнь распорядилась по-иному. Советские «Токамаки» проложили путь к быстрому прогрессу.
Сейчас ученые уже научились нагревать плазму до «космических» температур, удерживать ее изолированной от стенок в течение секунд, научились создавать очень крупные сверхпроводящие магниты для удержания плазмы... Успехи налицо. И все же проблема остается адски сложной. Сил даже таких крупных держав, как СССР или США, уже не хватает. Поэтому за последние годы, благодаря инициативе советских специалистов, наметилось широкое международное сотрудничество. В результате разделения научного труда прогресс в этой области ускорился. Ученые рассчитывают в ближайшие годы (называют сроки 4—5 лет) в новой серии крупных установок (они будут введены в СССР, США, Японии и других странах) достигнуть всех параметров, необходимых для реального воплощения термоядерного реактора. Следующий шаг — проектирование уже международного токамака «Интор». Оно началось под эгидой Международного агентства по атомной энергии. Цель проекта — продемонстрировать техническую осуществимость термоядерного синтеза. Успехи неоспоримы, однако вопрос когда? по-прежнему порождает споры и дискуссии.
Планете жарко
Обычно слово «тепло» располагает к неге, навевает приятные мысли. Ласково тепле солнца, тепло дружеских объятий... Но если заглянуть в ГОСТ «Охрана природы и гидросферы», слово это зазвучит угрожающе. Тепловым загрязнением, оказывается, называется поступление тепла в водный объект, вызывающее нарушение качества воды. А от нарушений, ясно, хорошего не жди!
Средняя атомная электростанция берет из реки за сутки что-то около миллиона кубов воды и возвращает ее уже подогретой на 12—15 градусов. Река утепляется. Если станций много, река, гляди, и закипит!
К примеру, на Рейне (ФРГ) есть места, где вода в 38 градусов (по Цельсию) никого не удивляет. А в штаге Огайо (США) летом вода в речках кое-где прогревается до 50 градусов.
К чему это приводит? Река буквально мертвеет. Впрочем, гибель начинается при температурах гораздо более умеренных. Ежели вода теплее естественной нормы только на три градуса, то для водных жителей уже начиняются неприятности. Сказывается недостаток кислорода, начинается нежелательное ускорение химических и биологических превращений. В теплой воде резко усиливается чувствительность рыб к токсичным веществам, а их, увы, в реках подчас вполне достаточно.
В утепленной реке хищные рыбы быстрее накапливают в своих телах вредоносные химикаты — ДДТ, ПХБ (полихлорированные бифенилы) и так далее. Тоже можно сказать и про тяжелые металлы — свинец, ртуть, кадмий, кобальт...
Есть, говорят, бактерии, способные жить даже в кипятке. Но человек ведь не бактерия! Что же произойдет, если благодаря все более усиливающемуся коллективному тепловому воздействию фабрик, заводов, ТЭЦ, атомных электростанций,  ГРЭС,  промышленных объектов и т. п. земному шару станет жарко? И его температура начнет неуклонно подниматься?
В деталях ответить на это нелегко, но общая картина ясна. Повышение средней температуры планеты всего на несколько градусов вызовет резкое изменение климата. Скорее всего благодаря таянию льдов Антарктики и Гренландии начнется новый всемирный потоп. Впрочем, это лишь первое, что приходит в голову. А можно было бы указать еще на многое другое. Например, нарушение в глобальном масштабе процесса фотосинтеза, что прервет кругооборот кислорода и других газов. И это также чревато различными катастрофами.
Теперь другой (спорный) вопрос: какая именно степень разогрева планеты повлечет необратимые последствия? Единого мнения нет. Кто называет критическим повышение температуры на один градус, кто — на пять. Интересно в этом отношении мнение академика, лауреата Нобелевской премии Н. Семенова. Он ставит вопрос так: «Есть ли предел использованию термоядерной энергии?» Точнее, до каких пределов могут земляне наполнять свои «закрома» энергией?
Н. Семенов рассуждал так. Пусть допустимое увеличение температуры Земли будет равно 3,5 градуса. Такой разогрев, можно подсчитать, произойдет, если тепло, выделяющееся от всех действующих на планете энергетических установок, достигнет 5 процентов от всей солнечной радиации, поглощаемой поверхностью Земли и прилегающими к ней нижними слоями атмосферы.
Сколько энергии дает Земле солнце известно (Н. Семенов называет цифру 2-1013 килокалорий в секунду). Это число теперь надо сравнить с энергией всего добываемого топлива (нефть, газ, уголь) — 4,2-1016 килокалорий в год (оценки также Семенова).
Остается простая арифметика. Итог же таков. Максимум, что можно будет взять от термоядерных установок, когда они заработают в полную силу, так это энергию, лишь в 700 раз превышающую ту, которой мы, земляне, владеем теперь. В 700 раз — это очень много. Но это и предел. Потолок для дальнейшего энергетического роста!
А что же дальше? Свертывание цивилизации на Земле? Новый, еще более устрашающий, чем теперь (в связи с исчерпанием запасов органики), энергетический кризис? Не все согласны с оценками академика  Н. Семенова. Одни полагают, что «тепловой барьер» будет достигнут человечеством еще очень не скоро — через многие сотни лет. Другие и вовсе считают: этот «потолок» просто не будет достигнут.
Академик М. Стырикович считает: «Мировой опыт показывает, что при достижении странами определенного уровня развития темпы роста населения и приросты удельных расходов энергетических ресурсов на человека снижаются...»
И далее: «...можно считать, что рост потребления энергоресурсов уже в ближайшем будущем будет идти медленнее, чем в последние десятилетия, а затем, вероятно в конце XXI века, постепенное замедление роста приведет в удаленном будущем практически к постоянному уровню мирового потребления энергоресурсов, когда население планеты стабилизируется, а медленный рост душевого потребления полезной энергии будет компенсироваться повышением КПД, ее преобразования и использования».
Так что до «теплового барьера» дело, в общем, может и не дойти.
Оценки показывают: как итог развития земной энергетики   к 2120 году  в среднем  может быть достигнута тепловая нагрузка около 2 ватт на квадратный метр. Немного: солнце на тот же квадратный метр посылает энергию в 100 ватт.
До «теплового барьера» вроде бы далеко, но «теплые» острова на планете существуют уже сейчас. Так, например, в Манхаттане — центральной части Нью-Йорка, расположенной на одноименном острове, — тепловые выбросы составляют 117 ватт/м2.
Города расплываются подобно масляному пятну. Давным-давно перекрыта численность идеального города, которую Платон с помощью математики Пифагора определил в 5040 граждан. Ныне городом с миллионным населением никого не удивишь. Крупные города подобны асфальто-бетонной грелке: они на несколько градусов теплее окружающей местности.
В локальный разогрев планеты вносим вклад и мы. Каждый человек выделяет столько тепла, сколько дает горящая стопятидесятиваттная лампа накаливания. А в уличной сутолоке и давке это уже сотни тысяч горящих ламп!
Но, конечно, это лишь крохотная капля в море тепла, изливаемом заводами, машинами, электростанциями.
Тепловые пятна на планете могут быть локализованы не только на маленьких площадях: города или, скажем, крепости Гибралтар (6 квадратных километров]. Вся Япония (территория 600x600 км2) представляет собой очаг сплошной тепловой интенсивности.
Такой «остров» тепла уже в состоянии повлиять на динамику региональных атмосферных процессов — существенно изменить местный климат.
Переселение, в космос!
Проблема рационального размещения на земном шаре энергетических установок стала в последние годы актуальной.
В декабре 1975 года Всемирная метеорологическая организация провела в Женеве специальное совещание экспертов. Тема — «Метеорология, производство и потребление энергии».
Как с экологической точки зрения оптимально разместить топливно-энергетические комплексы? Чтобы избежать локальных перегревов, исключить радиационную опасность, уменьшить загрязненность воздуха вредными газами. Вопросы эти непросты. Возьмем, к примеру, атомную энергетику. До сих пор в числе основных преимуществ АЭС прежде всего называли возможность исключить перевозку сотен и тысяч тонн обычного топлива и размещать станции в непосредственной близости от источников потребления электроэнергии.
Соответственно при этом сокращаются и ее потери на передачу по ЛЭП. Однако, как полагает академик Н. Доллежаль, уже в обозримом будущем, в некоторых случаях от этого преимущества, видимо, придется отказаться.
Анализ намечающихся проблем ядерной энергетики заставляет прийти к выводу, что в будущем не исключен вариант, когда наиболее рациональным, оправданным как с экономической, так и с ряда других точек зрения, станет не строительство отдельных АЭС в разных районах, а их объединение в крупные ядерно-энергетические комплексы.
На одной площадке можно будет разместить и предприятия по радиохимической переработке топлива, его нейтрализации и захоронению. А возможно, и заводы, использующие радиоактивное излучение в полезных целях.
Высокий уровень автоматизации, короткие расстояния и специализированные транспортные средства, выгоды концентрации строительных сил, экономия земель — все это с лихвой окупит затраты на передачу энергии к потребителям.
Тем более что такие ядерно-энергетические комплексы можно привязать к наиболее масштабным проектам или народнохозяйственным задачам. Объединение АЭС в комплексы создает предпосылки и возможности для обеспечения максимальной радиационной безопасности ядерной энергетики.
Далее, возможность резкого увеличения мощностей АЭС, их блоков, значительно большая свобода от ограничений, связанных с внешними сторонами их функционирования, когда отдельные процессы топливного цикла предельно воссоединены в один общий технологический процесс, несомненно, бы открыли дополнительные или даже новые перспективы для прогресса в энергетическом реакторостроении, реализации новых идей.
Например, можно было бы осуществить радиационное воздействие на долгоживущие продукты деления с целью перевода  их в короткоживущие или стабильные изотопы (так называемое «радиационное пережигание»). Или, скажем, использование тепла радиоактивного распада осколков деления для промышленного и коммунального бытового теплоснабжения.
Где же разместить такие комплексы? Если говорить о нашей стране, то, видимо, место надо выбирать в районах с меньшей плотностью населения, с меньшей дефицитностью и ценностью земельных ресурсов, где есть обилие воды.
Однако необходимо, чтобы комплексы располагались сравнительно недалеко (на расстоянии 1500— 3000 километров) от сложившихся и перспективных центров потребления энергии.
К таким районам относятся земли севера и северо-востока европейской части страны.
Подобного же рода проблемы стоят и перед энергетикой США.
В американской практике реакторостроения в последние годы получило официальное признание предложение строить АЭС вблизи морского побережья на плаву, что дает явные преимущества: повышение безопасности АЭС относительно сейсмологических воздействий и снижение потенциального влияния тепловых сбросов на водную среду. Защита от волн в обычных, и особенно штормовых, условиях достигается сооружением кольцевого волнореза.
Планируется все оборудование АЭС, в том числе реактора мощностью 1150 мегаватт, размещать на стальной платформе размерами 150X122 м2, высотой 13,5 м. Ее после монтажа отбуксируют в море и установят на якоря на расстоянии 4,8 километра от берега.
В американской литературе обсуждаются и вопросы экологической безопасности радиохимических заводов По мнению лауреата Нобелевской премии Г. Сиборга, до конца нашего века количество их вряд ли превзойдет цифру в 25—30 заводов. Поэтому проще всего изолировать их на специально выделенном «плутониевом острове».
Итак, мы видим: экологические соображения заставляют пересмотреть многие традиционные взгляды на энергетику. Кроме того, оказывается, не так-то прост найти для энергетики подходящее место на планете. Создание мощных топливно-энергетических комплексов решает многие проблемы, но не станут ли они на теле Земли своеобразными «черными дырами»?
Законы физики безжалостны: на каждую единицу полученной полезной энергии в окружающую среду должны быть отведены 2—3 единицы энергии тепловой. А это значит, что в зоне, где расположен комплекс, неизбежен колоссальный локальный перегрев.
Но из этих же рассуждений следует и неожиданный вывод: абсолютно экологически чистой энергии быть не может! Энергетическое производство по своей природе не может быть безотходным! Так как в любом источнике энергии согласно второму началу термодинамики тепловые потери неизбежны. А рост теплового загрязнения, его размеры будут, словно тень, следовать за неуклонно растущей энергетикой землян. И где-то непременно ситуация станет взрывоопасной. Поэтому говорить можно лишь о том, какой источник энергии экологически более опасен, а какой опасен менее.
Еще замечание.
Стихийность происходящих на Земле процессов и явлений (они пока лишь отчасти поддаются управлению) связана не только с тем, что человек, еще не везде живет по науке, но также с разобщенностью людей, государств, наций. Трудность та, что многие проблемы необходимо  решать в  масштабе всего  человечества.
Надо создать такие социальные условия во всем мире, которые сделали бы возможным проведение в жизнь путей развития техники и промышленности на научной основе, обеспечивающей уравновешенное развитие цивилизации без риска катастрофы взрывного характера.
(Поразительно, но даже на Западе ряд социологов-экономистов, например крупный голландский экономист С. Маншолт, приходят к выводу: решение технико-экономических и иных проблем в глобальном масштабе может быть осуществлено только на основе социалистической организации промышленности.)
Но это уже тема для отдельного большого разговора. Нас же пока интересует энергетика и экология.
Если бы человечество навсегда было приковано к Земле, то едва ли оно могло бы решить энергетическую проблему и проблему загрязненности всей планеты. Биосфера Земли рано или поздно обязательно бы нагрелась до недопустимого уровня. Если бы... Если бы 20 лет назад для человека не началась Эра Космоса.
Производство энергии за пределами планеты — вот, видимо, выход из кризиса. Размещать энергетические установки не на Земле, а в космосе предлагает академик А. Благонравов. Есть и другие необычные идеи. Некоторые специалисты считают, что для стабилизации климата лучше отводить тепло с Земли в космос. Они говорят, что это позволит осуществить дешевая термоядерная энергия. Парадокс! Нам нужна будет энергия для отвода избыточного тепла — энергии же!
В перспективе (может быть, не такой уж отдаленной) даже самую обычную продукцию — давно известные технологические операции — выгодно будет производить в космосе.
Цель? Вывести за пределы Земли производство, которое все больше загрязняет атмосферу, водоемы, почву, изменяет в неблагоприятную сторону тепловой баланс планеты.
И первые шаги в этом направлении уже сделаны В нашей стране работы, связанные с созданием средств и методов космической технологии, были начаты еще в 1969 году экспериментом по сварке на корабле «Союз-6».
В настоящее время эта программа занимает одно из основных мест при длительных экспедициях космонавтов на станциях «Салют». И может быть, скоро наступит время (не столь уж отдаленное!), когда какая-то часть тяжелой промышленности будет перебазирована в космос, когда горнорудные предприятия, атомные и термоядерные (кстати, в условиях полного вакуума осуществить этот процесс гораздо проще) электростанции, металлургические комплексы перекочуют, возможно, на Луну или, скажем, на Марс.

ГЛАВА 3
СОЛНЦЕ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УПРЯЖКЕ

Он восемь лет вынашивал идею получения солнечной энергии из огурцов, для чего поме-щал их в банку и в прохладные летние дни извлекал их для обогрева воздуха.
Д.  Свифт
Машину времени придумал английский писатель-фантаст Г. Уэллс. Еще в 1895 году.
Очень удобно: сидя в кресле с книгой в руках, мчаться сквозь временные дали, вольно обращаясь с Прошлым и Будущим.
Подобный мысленный эксперимент доступен и для нас с вами, читатель. Перенесемся в Ашхабад, столицу Советской Туркмении. На его окраине, Бикрово, дорога приведет в городок Солнца — к Институту солнечной энергии Академии наук Туркмении и его исследовательскому полигону.
Институт солнечной энергии создан в феврале 1979 года. Это как бы знамение времени.
И вот мы сразу оказываемся где-то между эрой ископаемого топлива и эрой топлива звездного — термоядерной энергией. Вы догадались: в Бикрово уже царит эра солнца.
Солнечное тепло здесь заменяет нефть, уголь, газ, даже... лед. Оказывается, солнцем можно отапливать дома и теплицы, плавить металлы, опреснять воду, кондиционировать воздух не только в ясный день, но в пасмурную погоду, да и ночью тоже.
 В последние годы энтузиасты-конструкторы создали целое семейство транспортных средств, получающих энергию для движения от солнца. Уже полетел в Англии первый «солнечный самолет» (поговаривают и о «солнечном дирижабле»). В ФРГ побежала «солнечная тележка». Они работают по одному принципу — панели с фотоэлементами вырабатывают электрический ток, который подается на электродвигатели.
Недавно житель Калифорнии Д. Дюнан сконструировал и «солнечный мотоцикл». Сверху, над сиденьем, укреплена панель с 40 фотоэлементами. Когда светит солнце, вырабатываемой ими энергии достаточно, чтобы мотоцикл мчался со скоростью до 50 километров в час. Если же солнце скрывается за тучами, в действие вступают аккумуляторы, их заряда достаточно для стокилометрового пробега.
Создана (в Италии) даже «солнечная... зажигалка». Ее не нужно заправлять ни бензином, ни газом. Она использует энергию солнечных лучей — так же, как использовал ее Сайрус Смит в романе Ж. Верна «Таинственный остров». В фокусе вогнутого зеркальца — стеклянный колпачок. Если в него поместить сигарету и направить зеркальце в сторону солнца, «экономичное» прикуривание обеспечено.
Конечно, все эти солнечные поделки погоды не делают. Гораздо серьезнее работы Института солнечной энергии — головного в научно-производственном объединении «Солнце» Академии наук Туркменской ССР, куда часто совершают паломничества специалисты из Азербайджана и Узбекистана, из Австрии и Чехословакии, с Кубы и из Латинской Америки.
Хотя Туркменистан и богат горючими ископаемыми (здесь вдоволь и нефти и газа), но гораздо более внушительно его солнечное богатство. 240 дней в году жители не знают, куда спрятаться от палящих лучей. А между тем 80 процентов территории республики занимают пустыни и пастбища для ценных каракулевых овец. Так что потребители воды и энергии разбросаны на громадных пространствах. И обеспечить их централизованным снабжением — задача технически трудно осуществимая. Это одна сторона проблемы. Другая, может быть, еще более важная — необходимо помочь сельскому труженику пользоваться всеми теми благами и удобствами, которые имеет горожанин.
Так сама жизнь заставила туркменских ученых прежде всего подумать о солнечных опреснителях — воды под песками много, но она соленая, непригодная для питья. И эту задачу успешно решают сотрудники Института солнечной энергии. Опытные образцы уже работают в чабанских бригадах в Овез-Шихе и других местах.
Но особый интерес представляют проекты гелиокомплексов, над которыми трудятся ученые института. Это двухквартирный дом. Его можно установить в пустыне или в степи, в горных или других труднодоступных районах. Домашнее отопление и охлаждение, водоснабжение горячее и холодное, все современные удобства. Рядом опреснитель, водоподъемник, теплица и кошара для отар — все на гелиоэнергетике.
В Ашхабаде разрабатываются и другие заманчивые проекты: гелиотехнические устройства для охлаждения производственных и бытовых помещений в городах, выращивания микроводорослей, богатых белковыми веществами, гелиотеплицы с замкнутым циклом водообеспечения для цитрусовых культур.
Возможно, что именно в этом институте будет осуществлена мечта биологов о гигантском синтетическом «зеленом листе», полностью закрывающем поверхность водоема и вырабатывающем тепло или электроэнергию по рецептам фотосинтеза.
Солнечная энергия привлекает людей не только своим обилием: ее количество, непрерывно получаемое Землей от солнца, чудовищно велико, оно примерно в сто тысяч раз превышает энергию, которую человечество потребляет в настоящее время! Гораздо важнее другое: сама по себе энергия солнца даровая, вечная и, видимо, экологически безвредная.
Солнечная радиация — один из естественных элементов теплового баланса земного шара независимо от того, используется ли она человеком, или нет. Поэтому она — единственный источник энергии, не связанный с риском теплового загрязнения, чем грешат и уголь, и нефть, и делящийся атом.
Отчего же люди до сих пор так слабо используют солнечные лучи? В чем тут трудности? Есть ли у солнечной энергии перспективы и какие? В этом мы и попробуем разобраться.
Спутники
Марк Клавдий Марцелл негодовал, рассматривая с высоты утеса свои горящие корабли. Поистине загадочной была эта история. Стоило его судну приблизиться к стене осажденного города, как оно вспыхивало, словно зажженная свеча.
Есть легенда, что Архимед, фокусируя слабые солнечные лучи с помощью зеркал, сжег римский флот, осаждавший Сиракузы. Во всяком случае, он оставил нам книгу «О зажигательных стеклах».
Преобразовать солнечную энергию в тепло заманчиво, но гораздо лучше сразу получать электрический ток. Фотоэффект в  полупроводниках был    открыт    еще    в 1876 году, в химическом элементе селене. О применении фотоэлементов в солнечной энергетике мечтал советский академик А. Иоффе, основатель физико-технического института Академии наук СССР. В этом институте в 30-е годы советские исследователи создали серно-таллиевые фотоэлементы с рекордным для тех времен КПД в 1 процент. Американские физики Пирсон и Фаулер в 1952 году создают кремниевые фотоэлементы с p-n-переходами. Первый успешно работающий солнечный элемент был продемонстрирован в 1953 году, а пять лет спустя для него уже нашлась серьезная работа — на спутниках.
Третий советский ИСЗ и американский «Авангард-1» (из серии ИСЗ «Эксплорер») — соответственно май и март 1958 года — были первыми космическими аппаратами, снабженными солнечными батареями.
И немудрено. В космосе солнечные лучи — естественный источник энергии. И привлекательный, ибо не требует топлива. Поэтому-то голубоватая чешуя кремниевых пластинок и покрывала часть поверхности третьего советского ИСЗ.
Но энергия, необходимая для питания приборов и для обеспечения быта космонавтов, быстро росла. И тут обнаруживается уязвимое место солнечной энергии: плотность ее потока мала. Следовательно, для орбитальных станций требуются солнечные батареи с общей площадью во многие сотни квадратных метров! Трудно поставить такой «парус» над космическим кораблем, но, по-видимому, еще труднее найти для него место во время вывода корабля на орбиту. Эту задачу пытались решить двумя способами.
В первом варианте солнечные элементы должны были укладываться на поверхность длинного нейлонового мешка. Он, как пожарный рукав, накручивался на барабан.
После выхода на орбиту рукав, полагали, автоматически будет развертываться, заполняясь газом, подаваемым под давлением, и батарея начнет работать.
Вторая конструкция была проще. На Земле солнечные батареи складывались в гармошку — в космосе такая гармошка разворачивалась.
Пока обсуждали, подсчитывали, прикидывали эти варианты, неожиданно нашелся и более мощный, и более компактный, и обладающий еще рядом других привлекательных свойств источник электроэнергии для космических аппаратов — топливные элементы. (О них мы еще будем подробно говорить в следующих главах.) Эти электрохимические источники тока и стали в космосе основным энергетическим подспорьем. Правда, лишь временно. Ибо потребляемые в космосе мощности продолжают быстро расти. Растет и продолжительность полетов. Поэтому в будущем преимущество солнечных батарей, не требующих никакого топлива и окислителя, может стать неоспоримым.
Земля
То, что кажется трудным в космосе, легко реализовать на Земле. Большие площади для солнечных батарей? Их вам предложит в изобилии любая пустыня — пустыни вроде бы самой Природой созданы для гелиоустановок.
Казалось бы, ибо тут возникает новое обстоятельство — экономика дела. В космосе проблемы «дорого», «не по карману», «слишком расточительно» — таких упреков не было.
Солнечные батареи были одним из самых дорогих источников энергии, но не надо забывать: в космосе солнечные батареи требовались почти что в единственном экземпляре — это не массовое производство!
Не то на Земле. Здесь в вопросах использования источников энергии физики и энергетики часто вступают в спор. Физику может казаться, что если открыт способ преобразования, например, солнечной энергии в электричество с достаточно высоким КПД, то это, собственно, уже решает все проблемы.
У энергетика же немедленно возникает вопрос: а сколько стоит такое устройство? Вопрос этот, может быть, и тривиальный, но справедливый. Энергия рек, например, тоже ничего не стоит, ее не нужно добывать, как, скажем, нефть или уголь, но энергия электростанции все же не бесплатна: сооружение ГЭС обходится достаточно дорого.
В площадях для солнечных электростанций гелиотехников не ограничивают. Нужны сотни гектаров пустыни? — берите, не жалко! Но ведь при этом потребуются груды монокристаллического кремния — исходного материала для солнечных фотопреобразователей. Вот тут-то будет загвоздка: цена такого кремния еще совсем недавно приближалась к цене чистого золота. Но технология изготовления кристаллов кремния неуклонно совершенствуется и упрощается. Фотоэлементы становятся все дешевле.
Теперь более подробно о площадях, потребных для солнечной энергетики, если бы она вдруг вошла «в моду». Размеры площадей зависят от величины КПД фотопреобразователя. Расчеты физика-теоретика академика М. Леонтовича показали, что максимально возможный КПД солнечного пребразователя энергии довольно велик — 93 процента. (Максимальный же КПД, скажем, двигателя внутреннего сгорания лишь 30 процентов!)
Однако пока реальные КПД кремниевых батарей обычно лежат в пределах 10—16 процентов.
Так вот, несложная арифметика показывает, что при КПД в 10 процентов (типичное значение для кремниевых фотоэлементов, освоенных в серийном промышленном производстве для нужд космической энергетики), чтобы произвести всю электроэнергию, необходимую США, скажем, на уровне 1974 года, потребовалось бы покрыть фотоэлементами 12 с половиной тысяч квадратных километров поверхности земного шара.
Это лишь доли процента от территории США — один только магистральные автомобильные дороги в этой стране занимают существенно больше места: 50 тысяч квадратных километров.
Для того чтобы полностью удовлетворить сегодняшние потребности СССР в энергии, нужен квадрат пустыни со стороной примерно в 100 км. Это будет меньше 1 процента той территории, которая занята у нас под сельскохозяйственные пашни, что также меньше площади, занятой угольными шахтами, нефтяными промыслами и нефтепроводами.
Да, места для солнечной энергетики требуется не так-то уж много. Однако с экономической точки зрения (большие количества кремния, металлов) реализация подобных проектов затруднительна.
Для удовлетворения нужд Большой Энергетики все же проще жечь уголь, ту же нефть, строить новые атомные электростанции.
Конечно, понятия «дорого» и «дешево» довольно относительны.
На площадях, ограниченных сороковыми параллелями, проживает около 80 процентов населения планеты. И количество солнечной энергии, которое можно было бы получить в этих районах, стоило бы сравнить не с годовой производительностью современной электростанции — около 3х109 киловатт-часов, — а с работой, совершенной парой волов — 1000 киловатт-часов в год.
Полезно также сопоставить годовую стоимость получения солнечной энергии и затраты на 25 тонн фуража, необходимого для питания этих волов!
Все это так. Критерии при подходе к энергетике у индустриальной державы и у развивающейся страны, конечно, разные. И тем не менее пока гелиотехники все же предпочитают не расстилать полупроводниковые ковры.
Электроэнергия от солнечных батарей в 100(!) раз дороже, чем поступающая с тепловых электростанций. Поэтому-то экономика вроде бы напрочь закрывает солнечным батареям путь в практику.
Казалось бы, неодолимое препятствие? Да, если использовать фотоэлементы традиционным образом. А нетрадиционный путь, новый взгляд на старые вещи дали ленинградские ученые.
Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе, или просто физтех. Из его стен вышло около 30 академиков. Вот в этой «кузнице» советской физики в лаборатории контактных явлений и полупроводников, которой руководит академик Ж. Алферов, и родилась радикально новая идея по использованию солнечных батарей.
Поток солнечных лучей слаб — нужны гигантские площади, покрытые фотоэлектрическими преобразователями, что крайне дорого. А что, если предварительно усилить солнечное излучение? «Усилить» солнце с помощью вогнутых зеркал и уже потом направлять на преобразователи концентрированные пучки лучей?
В установке, которую создают ленинградцы, на фотоэлементы будет падать теперь в 2500 раз большая энергия. А это означает, что во столько же раз можно уменьшить и площадь солнечных коллекторов. Или, наоборот, при том же количестве фотоэлементов получить мощности в 2500 раз большие! Но, главное, при этом «солнечное» электричество станет дешевле, чем от обычных электростанций.
Но серьезных проблем пока немало.
Ленинградцы любят показывать приезжим такой эффектный опыт. Берут пинцетом лезвие безопасной бритвы и помещают его в фокусе одного из зеркал. Минута, другая — и лезвие, стремительно пройдя все стадии нагрева, начинает плавиться, роняя ослепительно белые капли металла. И все это при вовсе не жарком ленинградском солнце.
Лезвие сделано из великолепной стали, можно представить, что сначала творилось с фотоэлементами в потоке столь яростного света, — они вспыхивали как солома. Пришлось ученым создавать новые фотоэлектрические преобразователи — достаточно жаропрочные. Но даже им потребовалась система для отвода избыточного тепла.
Ученые из физтеха считают, что их разработки уже в ближайшее время могут быть с успехом применены в портативных энергетических установках, например, для геологических партий, ведущих разведку вдалеке от населенных пунктов. Работая «на солнце» в течение дня, такая установка даст тепло и ток не только для бытовых нужд, но и для питания поисковой техники.
А дальше появятся и стационарные электростанции большой мощности. Разместившись в южных районах страны, они внесут ощутимый вклад в энергетику. Первый шаг в этом направлении уже сделан: в содружестве с коллегами из Ташкентского физико-технического института Академии наук Узбекистана ленинградцы сооружают серию крупномасштабных  опытных  фотоэлектрических установок.
Но использование для ловли солнечных лучей фотоэлементов — это лишь один из возможных вариантов, есть и другие. В любом дачном поселке можно встретить такую нехитрую гелиоустановку. Сорокаведерный металлический, окрашенный темной краской бак, водруженный на деревянный помост или крышу сарая. Солнечным летним днем вода в баке может нагреваться до 40—50 градусов. Эта идея стара как мир.
Еще в 1878 году на Всемирной выставке в Париже демонстрировалась солнечная паровая электростанция, основной частью которой было большое зеркало, фокусирующее солнечные лучи на специальный котел. Такие установки затем были построены в Калифорнии (1901г.), в Египте  (1913 г.).
В 50-х годах у нас, в СССР, в лаборатории гелиотехники Энергетического института имени Г. М. Кржижановского, была спроектирована для Араратской долины (близ озера Айгерлич) в Армении станция подобного же типа.
Предполагалось на вершине 35-метровой башни установить плоский котел, вращающийся за солнцем вокруг вертикальной оси. Башню должны были окружать железнодорожные пути — 23 концентрически расположенных колеи. Идущие очень медленно (в ритме солнца!) по рельсам поезда везли бы тележки-вагоны с отражателями (всего около 1300 зеркал).
Рисунки общего вида этой грандиозной станции были очень эффектны, в свое время они обошли страницы всей мировой научно-популярной печати. 2,2 миллиона киловатт-часов электроэнергии в год должна была давать эта одна из самых крупных в мире солнечных электростанций. Цифра внушительная. Однако эксперименты на уменьшенных макетах электростанции не радовали: общий КПД установки достигал лишь 5 процентов.
Кроме малого КПД, были и другие трудности. Система (большое количество движущихся частей и необходимость строгой синхронности) оказалась очень сложной и малонадежной, требующей большого ухода и надзора. Так что дальше опытной установки дело не пошло.
Но эта заманчивая научная мечта не умерла. Летом 1980 года в Алуште, на Южном берегу Крыма, где щедрое солнце и ясное небо, началось строительство первой в СССР экспериментальной базы по использованию солнечной энергии. Важно то, что алуштинская база будет продолжать    эксперименты    уже    в    производственных условиях
Так, к примеру, начато проектирование солнечных электростанций следующего типа. Тысячи огромных зеркал образуют гигантскую плоскую чашу, в центре которой взметнется к небу трехсотметровая башня. На ее вершине укрепят парогенератор. Отраженные солнечные лучи нагреют воду до кипения. Образовавшийся пар приведет в действие турбину. Мощность этой электростанции 5 мегаватт. Но уже следующая станция будет в 40—50 раз мощнее.
До сих пор мы рассуждали о том, сможет ли и когда солнечная энергетика удовлетворить нужды энергетики «промышленной», где еще немало нерешенных проблем. Иное дело — энергетика «бытовая». Тут «желтый уголь» в большом почете и уже довольно широко используется.
У нас в стране, особенно в республиках Средней Азии — Узбекистане, Туркменистане, существуют проекты домов, которые должны обогреваться и охлаждаться с помощью солнца. В них широко используются и фотоэлементы.    Особенно    в    небольших    источниках    тока, питающих автономные установки, расположенные где-нибудь вдали от населенных мест. Сюда относятся, например, маяки и навигационные знаки на морях и озерах. Приборы, работающие высоко в горах, в пустынях и так далее.
Правда, и здесь возникают неожиданные проблемы и осложнения. К примеру, оказалось необходимым периодически чистить концентраторы и приемники солнечных лучей от... загрязнения! Возможно, со временем, если солнечная энергетика войдет в силу, даже появится новая специальность «солнечных чистильщиков», или как там их окрестят!
Другой пример. На одном весьма авторитетном техническом совещании кто-то однажды забеспокоился: а вдруг верблюды или овцы (речь шла о гелиоустановках для пустынных пастбищ) будут чесаться о зеркала? Что тогда? Не закроет ли их шерсть поверхности отражателей?.. Да, в новом деле могут быть всякие сюрпризы.
Консервированное солнце
От древних греков пришла к нам легенда о титане Прометее, который похитил на небе огонь и принес его людям. А нельзя ли подобно Прометею похитить солнечное тепло, законсервировать его, а через день, неделю, даже месяц, словом, когда понадобится, использовать эту энергию?
Можно! В нашей стране с таким принципиально новым направлением в науке, названным солнечной тепло-химией, еще лет двадцать назад выступил азербайджанский ученый Г. Мамедбейли.
Предложенный им рецепт консервации солнечного тепла был прост. Возьмем кусочек известняка и выставим его на солнце в летний знойный день. Под действием солнечной энергии из известняка (он состоит из трех элементов: кальция, углерода и кислорода) начнет бурно выделяться углекислый газ.
Но это еще не все. Кладем теперь кусочек обожженной солнцем извести в воду. Известняк начинает кипеть, выделяя большое количество тепла и превращаясь при этом в так называемую гашеную известь. Следовательно, обжигая известняк летом солнечными лучами, мы даже  через   длительный   промежуток  времени   сможем получать тепловую энергию. Следует подчеркнуть, что известняк можно использовать многократно.
Не только известняк обладает таким замечательным свойством — умением консервировать солнечное тепло. Если расплавить солнечными лучами гидрид лития, а затем остудить его, то в процессе кристаллизации выделится тепло, которое ранее было затрачено на его плавление. Это свойство солей лития и некоторых других солей используется гелиотехниками при создании солнечных батарей — аккумуляторов тепла.
Уже существуют экспериментальные дома, обогреваемые установками, похожими на парники. Только под стеклом не вода, как в теплицах, а соли лития. Днем, нагреваясь на солнце, они плавятся, а ночью, затвердевая, через теплообменники и систему центрального отопления отдают свое тепло домам.
Интересно сравнить тепловые аккумуляторы по энергетическим характеристикам с нефтью, углем и дровами. Возьмем для примера тот же гидрид лития: у этого вещества одно из самых больших значений скрытой теплоты плавления. Всего за 17 циклов аккумулирования (за счет поглощения дарового солнечного излучения) один килограмм практически не расходуемого вещества накапливает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании килограмма нефти. Если провести такое же сравнение с углем и дровами, то получим соответственно 10 циклов и 3—4 цикла зарядки.
Подсчитано и другое: чтобы обеспечить бесперебойное снабжение планеты энергией за счет солнечной радиации, необходимо было бы иметь тепловой аккумулятор, рабочее вещество которого весило бы несколько миллионов тонн. Тогда как ежегодная добыча топлива (в расчете на условное) составляет сейчас многие миллиарды тонн!
Но исследования «плавящихся» тепловых аккумуляторов ведутся не только на бумаге. Эти работы у нас в стране возглавил член-корреспондент Академии наук СССР Н. Лидоренко. Прежде всего были перепробованы многие вещества-кандидаты — фторид лития, окислы бериллия, магния, алюминия, кремния и так далее. Все они, как и гидрид лития, могут стать рабочим телом будущих тепловых аккумуляторов. Кроме экспериментов и теоретических расчетов, на Северном Кавказе проводятся и натурные испытания тепловых аккумуляторов — прототипов промышленных. Уже сейчас можно сказать, что эти устройства выходят за пределы лабораторий и скоро будут использованы для бытовых нужд и в сельском хозяйстве.
До сих пор мы говорили о том, что солнечная тепло-химия способна давать людям тепло, но с помощью аккумуляторов, оказывается, можно получать и ток! Вот один из вариантов подобных систем.
Рабочим органом установки служит параболическое зеркало, оно постоянно перемещается за солнцем с помощью специальной следящей аппаратуры. Создать требуемую высокую температуру в 800—1000 градусов Цельсия в энергопоглотителе, расположенном в фокусе зеркала, можно только при условии высокой концентрации солнечных лучей. Под действием созданных в зоне энергопоглотителя высоких температур серный ангидрид SО3 (в качестве исходного материала можно использовать и другие вещества, например, аммиак или соединения метана) разлагается на сернистый ангидрид SO2 и кислород. Продукты реакции подаются в емкости для регенерации. В регенерационных печах в присутствии специально подобранного катализатора происходит реакция соединения компонентов в исходное вещество. При этом температура повышается до 500 градусов Цельсия.
Итак, цикл замкнулся, но при этом мы получаем уже не тепло, а желаемый ток. Для вращения турбин электростанций можно использовать или непосредственно сернистый ангидрид, или пар, полученный за счет тепла, выделяющегося при реакции восстановления.
Часть сернистого ангидрида без особых трудностей можно вывести из технологического процесса регенерации, перевести в жидкое состояние и поместить в емкости на долгосрочное хранение. Чтобы потом в удобный момент использовать химическую энергию этого соединения. И это лишь один из многих вариантов по использованию консервированного солнца.
Зеленый головастик
Аккумуляторы солнечных лучей — а ведь они уже есть и существуют на Земле миллионы лет. Это растения. Действительно, растительность развивается, усваивая лучистую энергию солнца и преобразуя ее в химическую энергию углеродистых соединений. Сжигая древесину, человек преобразует тем самым эту энергию в тепловую (чем не аккумуляторы тепла!). В сверкающем черном угле, в нефти и сланцах нам снова светит солнце, которое веками (!) запасало там свою лучистую энергию.
И, возвращаясь теперь от тепловых аккумуляторов к проблеме фотоэлементов, заметим: то, что пока в солнечной энергетике не удается человеку — создать на Земле грандиозные площади, покрытые дешевыми фотоприемниками, — то для изобретательной природы давно уже пройденный этап.
Известно: хлорофилл растений умеет ловко улавливать солнечные кванты. И, говорят, общая площадь листвы растений планеты, этого конденсатора солнечной энергии,  равна  поверхности  планеты-гиганта  Юпитера!
При этом Природа использует не дорогой монокристаллический кремний, а дешевую органику. Отчего же не последовать этому примеру?
Но тут, чтобы хорошо понять дальнейшее, следует хотя бы кратко вспомнить ту главу из долгой двухвековой истории исследований фотосинтеза, которая посвящена хлорофиллу.
В 1817 году французские фармацевты Пельтье и Каванту впервые выделили из листьев их зеленую начинку — хлорофилл.
И вот уже полтора столетия ученые многих стран упорно исследуют это загадочное вещество. По числу публикаций хлорофилл, вероятно, занимает первое место среди всех химических соединений, и этот список непрерывно пополняется.
Сейчас в любом учебнике по физиологии растений можно найти «портрет» этой молекулы. Структурная формула хлорофилла занимает целую страницу. Хотя истинные его размеры предельно скромны — 30 ангстрем (ангстрем — одна стомиллионная доля сантиметра).
Молекула хлорофилла похожа на... головастика. У нее плоская квадратная «голова» (хлорофиллин) и длиннющий «хвост» (фитол). В центре головы, словно глаз циклопа или алмаз в царской короне, красуется атом магния.
Зачем нужна столь сложная конструкция? О, этот вопрос вызвал долгие споры.
Еще Фламмарион поставил изящный опыт. Растения росли у него в оранжереях под светофильтрами, пропускавшими только определенные лучи солнечного спектра. Под голубыми лучами растения развивались хуже всего, лучше при зеленом, и наиболее пышный рост наблюдался при красном освещении.
Мнение Фламмариона — красные, лучи наиболее желательны растениям — оспаривали немецкие ученые Их глава, профессор Юлиус фон Сакс, считал: ростки в основном поглощают желтые лучи. В то время все восхищались тем, как просто продемонстрировал Сакс факт образования в листе крахмала. Углерод, взятый растением из углекислого газа воздуха, откладывается в крахмал, учил Сакс, и доказывал это положение экспериментально.
Он брал зеленый лист, выставлял одну его половину на солнечный свет, другую же закрывал непроницаемым экраном. Спустя некоторое время он, опустив лист в спирт, обесцвечивал его (лишал хлорофилла), затем обрабатывал весь лист йодом. И вот в той половине листа, которая была выставлена на свет, обнаруживался крахмал: она синела или чернела от йода. Однако другая, затемненная, часть листа цветной реакции с йодом не давала: крахмала в ней не было!..
Но вот в спор Фламмариона с Саксом вмешался русский ученый К. Тимирязев. В серии блестящих экспериментов он дал полное решение этой проблемы.
К. Тимирязев заставил растение, так сказать, собственноручно «расписаться» в том, что прав был Флам-марион. Он использовал оружие своих научных противников — «крахмальную пробу» Сакса.
К. Тимирязев сумел-таки уложить на отдельном листе весь солнечный спектр, целиком! После обработки йодом он получил амилограмму (по-гречески «амил» — «крахмал», «грамм» —«оттиск», «запись»).
На листе был виден ряд полосок. Среди них выделялась одна наиболее темная: она была расположена не в том месте, куда, пройдя сквозь призму, падали желтые лучи, а там, где должна была бы красоваться красная полоска спектра...
Но и в спектр электромагнитных волн входит не только видимый свет — также инфракрасное излучение, ультрафиолет, космические лучи гигантских энергий... Отчего же растения обходятся лишь видимым светом?
Ответ прост: инфракрасные лучи несут фотоны (световые корпускулы) очень малых энергий. Крошечных: они не способны вызвать химических изменений в молекулах. (Так фотолюбители проявляют в красном свете, чтобы не засветить фотопленки.)
На другом полюсе ультрафиолетовое излучение настолько богато энергией, что способно погубить зеленый росток: эти лучи вызывают ионизацию и разрушение химических связей. Это «дубинка», все сокрушающая на своем пути.
К счастью, для всего живого слой озона в атмосфере почти полностью задерживает ультрафиолетовую часть солнечного спектра.
Вот и получилось: «питаться» растения могут лишь энергией видимого света. Но и этот участок непрост: есть желтые, зеленые и другие лучи. Отчего же растение предпочитает красные? И тут нашелся ответ. Красные лучи наиболее интенсивны (слабее всего рассеиваются атмосферой). Так в процессе длительной эволюции растения постепенно выбрали для себя наиболее подходящий участок энергии.
Но удивительнее всего в исследованиях хлорофилла то, что человек уже научился получать хлорофилл искусственно.
Это сделал в 1960 году американский химик-органик Р. Вудворд. То был крупный успех: одно дело разгадать состав и структуру этой знаменитой молекулы, совсем иное — синтезировать ее искусственно!
Вудворд создал множество шедевров органического синтеза. Он воссоздал хинин, стрихнин, кортизон, резерпин, холестерин и ланостерин, хлорофилл и витамин В12, тетрациклин и другие важные и чрезвычайно сложные природные соединения.
В 1965 году за эти работы Вудворд был удостоен Нобелевской премии.
Над синтезом хлорофилла Вудворду пришлось изрядно потрудиться Он возглавил громадный коллектив ученых-химиков. Ведь полный синтез хлорофилла включал в себя до 30 стадий!
Завет  Фредерика Жолио-Кюри
Зеленый цвет вовсе не обязателен для каждого фо-тосинтезирующего организма. Так, водоросли в большинстве случаев желтые, бурые, оливковые, красные или синие, но не зеленые. И на суше некоторые растения имеют желтые или красные,  а не зеленые листья.
Но в какие бы одежды ни рядились фотосинтетики, ключевую, доминирующую роль в них играет зеленый пигмент — хлорофилл. Всякий раз, когда пигментная система «цветного» фотосинтетика подвергалась тщательному научному анализу, в ней обязательно находили и хлорофилл.
Невольно рождается мысль: хлорофилл — это избранник Природы, ее «любимчик». В нем чувствуется даже нечто мистическое. Словно эта молекула — ключ к разгадке какой-то глубокой тайны живого, так много сулящей практике.
С исследованиями хлорофилла всегда были связаны большие надежды. Люди давно мечтают о техническом воплощении фотосинтеза, о дне, когда маститый ученый на глазах у благоговеющей публики совершит чудо.
Солнечный луч создаст из углекислого газа и воды «ложечку сахара» в пробирке, и мы перестанем быть в рабской зависимости от плодов, поставляемых биосферой. От капризов погоды, скудости почв... Так рассуждали не только простые неученые граждане. Сам К. Тимирязев писал:
«Тогда явится находчивый изобретатель и предложит изумленному миру аппарат,  подражающий хлорофилловому зерну, — с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого — подающий печеные хлебы...»
Поэтому-то искусственный синтез хлорофилла Вудвордом был принят «на ура». То была научная сенсация. В популярной литературе того времени это замечательное достижение приравнивалось к решению (и окончательному) всей проблемы фотосинтеза, и даже революции в производстве пищи!
Увы! Революция не состоялась. Ученые знатоки фотосинтеза давно уже поняли всю неизмеримую сложность грандиозной проблемы. Двухсотлетний опыт исследований показывает: не существует одной загадки фотосинтеза, а есть целый ряд ключевых вопросов. И  механизм  действия  хлорофилла  лишь  один  из  них.
Блестящий синтез хлорофилла, осуществленный Вудвордом, ничего не решал окончательно, и потому человек еще не может создать «ложечку сахара» в пробирке.
Однако в последние десятилетия наметился еще один заманчивый путь. Ученые пытаются создать технические устройства особого рода, которые бы помогли нам обуздать солнечную энергию, воспользоваться ее неисчерпаемыми запасами. Фотосинтез захотел породниться с энергетикой!
У нобелевских лауреатов, всемирно известных физиков Ирен и Фредерика Жолио-Кюри были дочь Элен и (младший) сын Пьер. Элен, окончив, как и отец, с отличием Школу физики и химии, тоже посвятила себя ядерной физике: пошла по стопам родителей. Но Пьер... Он занялся биологией! Его увлекли загадки фотосинтеза, тайны зеленого листа.
Каприз? Бунт? Дух противоречия? Вовсе нет! Оказывается, любимой научной идеей Ф. Жолио-Кюри, ученого-атомника, одного из «крестных» атомной энергетики, была мысль о непосредственном использовании энергии падающего на Землю света.
Как-то в один из приездов в Советский Союз в беседе с нашими учеными Ф. Жолио-Кюри здесь же, у доски, сделал простейшие подсчеты.
Вышло: если бы на малой части пустыни Сахары (скажем, территория Египта) при помощи соответствующего оборудования молено было бы использовать хоть 10 процентов солнечной радиации, то этой энергии с лихвой хватило бы для нужд всей планеты. Но еще поразительнее слова Ф. Жолио-Кюри, оставленные им как завещание будущим поколениям ученых: «Хотя я верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более высокого   качества...»
Странные все-таки слова для физика-ядерщика! Человека, который одним из первых создал атомный реактор — сердце атомной электростанции.
Что это, причуда гения? Прихоть беспокойного, вечно мятущегося ума? Научное кокетство? Ни то, ни другое, ни третье. Это, как сейчас выясняется, трезвый взгляд в будущее.
Обыкновенный полупроводник
А началось все с практического вопроса: как помочь промышленности в борьбе против выцветания красителей.
Вещества, которыми красят, например, ткани, поглощают свет. Мельчайшие порции световой энергии — фотоны разбивают молекулы красителя, и он разрушается, выцветает.
Когда в первые послевоенные годы в лаборатории академика А. Теренина в Ленинграде стали изучать эти процессы, неожиданно выяснилось, что красители типичные полупроводники.
Но если на минуту отвлечься от проблем собственно фотосинтеза и взглянуть на дело широко, то все пигменты, которыми наполнены листья растений, также предстанут перед нами как рядовые великой армии красителей!
Среди многообразных соединений органической химии, красители выделяются интенсивным поглощением видимого света. Это и обусловливает их яркие цвета: поэтому их и используют с давних пор для крашения.
(Получение знаменитого в древности пурпура было связано с действием света и представляло, несомненно, фотохимическую реакцию. То же можно сказать и про беление тканей.)
Но, кроме эстетики, тут кроется и физика: красители — мощные приемники солнечной радиации, именно они способны превращать ее в иные формы. А. Теренин, всю жизнь изучавший взаимодействие света и вещества, не мог не увлечься красителями и пигментами. Эта тема на долгие годы становится одной из  ведущих  на  его  фотохимических семинарах.
И вот в ходе этой работы флёр таинственности начал спадать с хлорофилла. А что, если хлорофилл тоже всего лишь типичный полупроводник? И действует в зеленом листе по тем же прописям, что и его технические собратья? Но как это доказать?
Дело, начатое А. Терениным, было продолжено уже в Москве, в Институте биохимии Академии наук СССР, его сотрудником, ныне академиком, А.  Красновским.
Надо было создать простейшие модели тех сложных явлений, которые идут в живом листе, что и сделали советские ученые. И внешне эксперимент выглядел весьма эффектно. Если зеленый лист опустить в спирт, то хлорофилл в нем растворяется, а лист, лишившись хлорофилла, становится бесцветным. Зеленый раствор хлорофилла и в пробирке, как это ни удивительно, служил для ученых моделью живого листа.
А теперь главное. (Научные тонкости и подробности мы опускаем.) Поставим пробирку на окно, на солнце — она вскоре начинает краснеть. Минут через десять жидкость становится совсем красной.
Убрали пробирку снова в темноту — и о чудеса! Красный цвет раствора постепенно вновь сменяется зеленым...
В этих превращениях заключен глубокий смысл. А. Теренин и А. Красновский показали: хлорофилл — всего лишь полупроводник. Это тот «насос», который в зеленом листе, повинуясь энергии солнечных лучей, «перекачивает» электроны.
В сказке про глупых жителей одного города говорится, будто они сначала построили дом без окон, а потом долго и упорно таскали в него мешками солнечный свет.
Абсурд, нелепица! Но хлорофилл и другие пигменты как раз и являются такими «световыми мешками», или лучше «антеннами», способными улавливать излучение солнца и преобразовывать его в химическую энергию продуктов фотосинтеза.
Квант света образует в этой молекуле пару: электрон — дырка. В листе по «электронно-транспортной цеги», словно по медной проволочке, течет микроток. И структура молекулы хлорофилла, обладающей очень развитой системой сопряженных связей, прекрасно приспособлена для этого дела. Поэтому-то для возбуждения электронов молекулы хлорофилла достаточно квантов красного света с довольно скромным запасом энергии.
Другая, не менее замечательная особенность хлорофилла — способность легко отдавать окислителям электрон, возбужденный в результате поглощения светового кванта. Благодаря этой особенности хлорофилл и восстанавливает — конечно, не напрямую, а через множество промежуточных этапов — углекислый газ воздуха до углеводов.
Вот эти замечательные свойства (один из центральных процессов, составляющих суть фотосинтеза) и удалось искусственно воспроизвести А. Теренину и А. Красновскому.
То был крупный успех советской науки. Не случайно работа ученых демонстрировалась в 1958 году в Брюсселе на Всемирной выставке.
Вот наконец мы в состоянии оценить слова, сказанные когда-то Ф. Жолио-Кюри. Энергетика и фотосинтез, оказывается, они не столь уж далеки друг от друга.
Ведь если хлорофилл — полупроводник, то появляется надежда создать особые «зеленые фотоэлементы», в которых под действием света будет образовываться и совершать работу электрический ток.
Природе можно бросить вызов
Ф. Жолио-Кюри скончался в 1958 году. А в 1959-м американские исследователи В. Арнольд и Е. Маклей впервые предложили и сконструировали батарею, содержащую пигменты растений — хлорофилл и каротин. Это устройство уже умело преобразовывать свет в электричество. Правда, оно было еще очень и очень несовершенным.
Работы в этом направлении велись и в СССР в Институте химической физики Академии наук СССР под руководством доктора физико-математических наук Г. Комиссарова.
В 1968 году эта группа построила «фотовольтаическую батарею». Это была модель зеленого листа, способная осуществлять трансформацию световой энергии в электрическую. Ее параметры год от года улучшались. Сейчас КПД уже достиг нескольких процентов. (Любопытно, что в соответствии с заветом Ф. Жо-лио-Кюри советские исследователи вместо хлорофилла использовали его аналог — фталоцианин. Молекулы эти менее капризны, чем хлорофилл, более доступны и лучше вписываются в технику, совместимы с ней.)
В 1961 году американскому химику М. Кальвину была присуждена Нобелевская премия за изучение так называемых «темновых процессов»: в них в зеленом листе из углекислоты воздуха образуются углеводы. (Этот процесс называют «циклом  Кальвина».)
А теперь Кальвин предложил использовать хлорофилл (идея Ф. Жолио-Кюри!) непосредственно в технике.
Кальвин и его сотрудники обнаружили, что хлорофилл способен под действием света отдавать свои электроны некоторым полупроводникам, находящимся с ним в контакте.
Использовав в качестве полупроводника окись цинка, ученые создали хлорофилловый фотоэлемент, в котором на свету возникает ток плотностью около 0,1 микроампера на квадратный сантиметр поверхности элемента. Не много! Да и хлорофилл уже через несколько минут «выдыхался» — десенсибилизировался: терял способность отдавать электроны.
Правда, и в растении случается такое, но в листе на смену «сгоревшим» молекулам хлорофилла синтезируются новые.
Тогда, чтобы продлить действие зеленого фотоэлемента, ученые добавили в электролит (вода с примесью солей, в которую был погружен хлорофилл) еще и дополнительный источник электронов — гидрохинон.
Считается, что в такой системе хлорофилл действует как «электронный насос»: он отнимает электроны у гидрохинона, переводит их на более высокий энергетический уровень и отдает полупроводнику.
По оценкам Кальвина, такой вариант «зеленою фотоэлемента» площадью в 10 квадратных метров мог бы уже дать мощность около киловатта.
Ученые полагают: лет через 20—30 может стать реальностью промышленное производство хлорофилла и стеклянных листьев. И те, кто ходит сейчас в школу, возможно, пойдут работать на фабрики, производящие дешевые (раз в сто дешевле, чем нынешние кремниевые батареи) зеленые фотоэлементы.
Подобный прогноз может показаться слишком смелым. Однако не следует забывать, что синтезировать искусственно хлорофилл мы уже умеем.
Давайте помечтаем.
Земной шар опоясан желтой лентой пустынь. Чтобы окинуть взглядом этот пояс, не обязательно быть космонавтом. Достаточно крутануть рукой миниатюрную модель нашей планеты — школьный глобус. Лента пустынь вдоль экватора волнует воображение не только школьников. Она давно уже приковала внимание ученых-гелиотехников, энергетиков.
Как мы представляем себе, скажем, Аравийскую пустыню — безжизненное, выжженное солнцем пространство, покрытое бескрайними песчаными волнами. Редко-редко встретишь здесь закутанных в белоснежный бурнус арабов. Это бедняки. Они пасут скот, ловят рыбу и ныряют в прибрежных водах за жемчугом.
Нефтяной бум смазал идиллическую картинку. Жизнь этих краев резко изменилась. Вот, к примеру, маленький Кувейт, расположенный на западном побережье Персидского залива. Миллион триста тысяч жителей всего, а добывается тут 100 миллионов тонн нефти в год. Каждая тонна стоит 150 долларов — поэтому на жителя Кувейта приходится что-то около 10, а то и 15 тысяч долларов в год.
Но ничто не вечно под луной! Несколько лет назад по Кувейту разнесся слух, будто бы запасы нефти истощатся через 15 лет. Началась паника: кому охота поменять службу в банке на занятие полуголого ныряльщика за жемчугом!
Но, быть может, главное богатство Кувейта и других, расположенных в пустынных областях стран не быстро исчезающие нефть и газ, а неисчерпаемое, вечное солнце? Его горячие, щедрые лучи?
Конечно, при нынешнем уровне техники, чтобы перекрыть пустынные земли гигантской сетью коллекторов солнечного света, потребуется столько металла, сколько не смогут дать все известные ныне месторождения. А сколько потребуется дорогостоящего монокристаллического кремния!
Другое дело, если техника будет опираться на зеленые фотоэлементы, обходящиеся без металлов и полупроводников, действующие по рецептам живой природы, построенные из дешевой органики' и недефицитных материалов.
Не станут ли тогда пустыни и расположенные на них страны самыми богатыми областями Земли? И не сбудется ли тогда пророчество советского академика А. Иоффе, который некогда говорил и писал: