58
суха, где-то идут пользовные джди…
Специалисты из Гидрометцентра предупреждают нас в программе «Время»: похоже, меняется климат — сказывается «парниковый эффект», земная промышленность выделяет в атмосферу сликом много углекислого газа. В газах пишут об экологическом кризисе, который то ли уже наступил, то ли вот-вот наступит…
Так, может, и правда не в меру расточительное человекачество превращилось в угрозу нашей нестоль уж большой планете, и его промышленная деятельности в состоянии нарушить климатические равновесие, установленшее на ней миллионы лет назад?
Обратимся к цифрам. В развитых странах сегодня потребление первичной энергии такое, что на душу населения приходит около 10 кВт. В других регионах — значительное меншше: в Китае, например, в 10 раз, в странах черной Африки даже в 50. Совершенно ясно, что такое положение неSTRAINAET JENTELEN ETHX STRAN. Вопрос только в том, сколько лет им потребуется, чтобы добиться кардиальных перемен к лучшему. Следует думать, что в XXI веке положение изменится: скорее всего, 10 кВт можно будет отнести к среднему жилой планеты.
Откроем демографические справочки: специалисты предсказывают, что в середине XXI века на Земле будет проживать примерно 10 миллидов человек. Переможим две последние цифры и получим 10^14 Вт — приблизительно столько первичной энергии будет ежекуndно потреблять человекаство в середине следующего столета. Много это или мало?
Опять раскроем справочки: мощность солнечного излучения, поглощенного атмосферой и поверхностью Земли, составляет 10^17 Вт. Значит, в XXI веке «антропогенная» энергия — энергия, связанная с техническим деятельностью человекаства, — будет добавлять к этой величины всего 0,1 %. Каждый, не очень много. А сегодня эта добавка меньше еще в 12 раз. Но ознакомет ли это, что, посмотрев на цифры, можно вздохнуть спокойно и не слушать больше паникеров, которые попадаету поднимают тревогу?
Энергетическая баланс земной биосферы отработан в ходе миллионов лет эволюции. Значительное увеличение выражаются энергии без использования солнечной энергии, поступающей на Землю, через сервисы последствия для биосферы и для жизни людей.
Несоклько лет назад в ВЫчислительном центре АН СССР под руководством академика Н. Н. Монсеева разработана система математических моделей биogeochemical*). Она получила название «система Гей». Эта система математических моделей позволяет расчитывать процессы в атмосфере и в океане, а также поведение биоты (всей живой природы на Земле).
Результаты расчетов позволили сделать важные выводы. Увеличение средних температур планеты на 4—5 градусоврозит экологической катстрофой. Но даже если эта температура изменится всего на 0,5°, следует ожидать значительное перестройки климата в средних широтах и изменения продуктивности биоты. А чтобы не допускать перегрева атмосферу на 2—3°, произвольство добавления энергии на Земле не должно превышать 10^14 Вт. Полячается, что в XXI столении человекаство вплотную подойдет к опасному рубежу…
Но, быть может, не следует придавать излишебное большого значения этим расчетам? Ведь даже погоду на следующий день предсказывают не слишком точно. Дадим слово специализм по истории климата и атмосферы нашей планеты. Благодаря исследованием академика А. Л. Янишина, М. И. Будыко, Н. А. Ясаманова и других стало ясно, что в истории Земли были эпохи, которые совершенное человекаство восприняло бы как крайне неблагоприятные. Возникновение соответствующих условий пределялось небольшими — порядка 0,1% —
*) Биogeochemical — взаимосвязанные и взаимодействующие компоненты живой и неживой природы.
59
колебаниями энергии солнечного излучения, поглощаемой Землей. Но 0,1 % — это как раз 10¹⁴ Вт, т. е. снова та же самая критическая величина!
Но это еще далеко не все. В обшем загрязнения атмосферы на долю энергетики приходится 60 %. Скорость снижения biomассы за счет хозяйственной деятельности человека, что ежегодное уменшение биоты составляет 2 миллиарда тонн. Площадь лесов на планете ежегодно сокращается на 1 %. Нарастает антиполегное загрязнение мираого океана (вредные отходы, пленки нефти и масел и т. д.). Выbros в атмосферу больших количеств дыма, пыли, сульфат-аэрозоль, выхлопных газов авна- и автотранспорта ведет к увеличению глобального альбедо*) Земли и к источению защитыного озонового слоя atmosферы. Результатом всех этих процессов может оказаться снижение концентрации кислорода в атмосфере Земли. Не ожидает ли наших потоков парадокальная ситuation, когда им придется создавать специальные растительные фермы для пополнения в атмосфере кислородных запасов?
Но и это еще не все. Повышение качества жизни людей требует роста материального производства, а это, в свою очередь, требует роста энергопотребления. Однако удаленный вес полезного продукта по отношению к использовым минеральным ресурсам не превышает 10 %, более 90 % идет в отходы. В результате с ростом энергопотребления непропорционально быстро возрастает загрязнение окружающей среды.
Итак, цифры подтверждают: основания для тревоги есть. Где же искать выход? Об этом сейчас тоже много пишут: надо переводить промышленное производство на энерго- и ресурсосберегающие процессы, шири использовать безотходные технологии, самим строим и неукоснительным образом выполнять комплекс производства мероприятный.
В энергетике существует такой показатель — эластичность спроса на энергии по валовому национальному продукту (BHII). Он отражает связи между ростом ВНII и увеличением производства энергии. В течение многих лет в промышленно развитых странах этот показатель был близок к единице, иными словами, чтобы увеличить ВНII на 1 %, требовалось поднять производство энергии также на 1 %. В 80-е годы за счет внедрения энергосберегающих технологий коэффициент эластичности удалось снить примерно вдвое. Вряд ли, однако, можно рассчитывать на дальнейшие значительные успехи в этом направлении: стоимость первых источников энергии не снижается, а, скорее, растет.
Тут перед нами встает еще одна проблема, причем сложнейшая. В настоящее время 87 % всех первичных потребляемых энергоресервов обеспечивается за счет сжигания органических источников энергии — нефти, газа, угля, дров. Согласно прогнозу Мировой энергетической конференции, такая структура энергопотребления в целом сохранении и в первые десятилетия XXI века. Ожидается, что вклад ограниченных топлив в мировой энергобаланс к 2020 году увеличится в 1,6—2,0 раза, но его доля снижится с 87 % до 70 %. Именно здесь и возникнет указанная проблема: учитывая масштабы развития новых энергоресервов, добавучи нефти на современном уровне удестра поддерживать еще на протяжении всего 30 лет, пригодного газа — 50 лет, угля — 240 лет.
Оптимисты утверждают: выходом является ядерная, а затем и термодерная энергетика. Основания для таких утверждения у них есть, в особенности в части термодерной энергетики: она потребует минимального количества энергоресервов (тяжелый изотоп водорада, содержащийся в водах Мирового океана) и относительно безопасна. Что касается ядерной энергетики, то здесь после Черновы следовало бы, наверное, более винательно прислушивать скорее к голосам скептиков, чем энтузиастов.
60
Однако и с «термоядерным Эльдорадо» все пока не так просто. Исследования по программе управления термоядерного синтеза ведутся уже около 35 лет, но все еще далеко от реализации отдачи. Стоимость экспериментальных термоядерных установок современного поколения превышает 300 миллионов dollars, а на следующем этапе возрастет еще на порядок. По оценкам американских специалистов, произвольное энергии переымкоммерческим термоядерным реактором начнет не ранее 2020 года. При этом, несмотря на длительный срок исследований, до сих пор отсутствует убедительные доказательства экономической конкуренtocosобности термоядерных электростанций будущего.
Так где же все-tаки искать выход из этого клубка сложных энергетических и экономических проблем? Есть одно перспективное направление, о котором почему-то незаслуженно мало говорят. Это направление — космические энергосистемы. О них еще в начале нашего века мечтал основоположник космонавтики К. Э. Циолковский, который писал, что люди сумют освить «солнечную энергию, в два миллиарда раз боблышую, чем та, которое человекство имеет на Земле». В его работе развретут детальный сценарий промышленного освобения человекаством космического пространства, включая сооружение орбитальных энергосистем различного типа и назначения.
Для передачи на поверхности Земли концентрированных потоков энергии можно использовать расположенные на околоземных орбитах отражательной солнечного излучения. Впервые на эту возможность обратил внимание в своей рукописной работе (1918—1919 г.) Ю. В. Кондраток, один из пionеров ракетной техники в СССР.
В 1943 году известный советский электротехник профессор Г. И. Бабат предложил и обосновал способ передачи энергии на борт летательного аппарата с помощью хорошего сфоксированного пути СВЧ-излучения.
В 1960 году был сделан еще один шаг: инженер Н. А. Варваров выступил с проектом использования орбитальной гелюэлектростанции для энергоснабжения Земли. А в 1968 году американский инженер П. Глазер, работа независимо, обединил идеи Бабата и Варварова — он выдвинул проект сооружения на геостационной околоземной орбите солнечной электростанции для снабжения Земли электрозергией.
С тех пор этому проекту было посвящено немало исследований. Приляли в этом участке и авторы настоящего статьи, выступив с несколькоими конкретными предложениями. В частности, было показано, что с помощью таких станций можно выводить грузы в космос. В чем же особенность и преимущества проекта космических солнечных электростанций (КСЭ)?
Если говорить совсем коротко, предлагается следующие. На геостационной орбите высотой 36 000 км размещается спутник массой 5·10⁴ т. Панели устанавливаются на спутнике солнечных батарей площадью 100 км² преобразуют энергию солнечного излучения в электрический ток, который, в свою очередь, преобразуется в СВЧ-излучение. Хорошо сфоксированный передающий антенной пучок этого излучения направляется на Землю, улавливается там приемной антенной, диаметр которого составляет 20 км, а затем еще раз преобразуется в электрический ток для передачи потребителя. Параметры пучка СВЧ-излучения — частота 2,45 Гц, плотность потока энергии 10 мВт/cm² — выбираются, исходя из требований безопасности и минимального поглощения в атмосфере. Таковые особенности проекта в самом общем виде. Разумеется, есть и многочисленные варианты, но не будем оставлять здесь на частных вопросах.
Теперь о преимуществах. Их по крайней мере четыре: экономическая чистота, безопасности, обеспечение экономии минеральных ресурсов, автономность (включая отсутствие необходимости в противных линиях электропередачи — приемные антенны-
61
ны можно располагаать не очень далеко от потребителя). Пятое преимущество связано с экономией минеральных ресурсов: КПД преобразования СВЧ-энергии на Земле очень высок — около 90 %, следовательно, доля рассеиваемой антипогенной энергии при том же уровне энергопотребления будет заметно снижения. А это очень важно — «антропогенное давление» на окружающую среду удестуются от опасной черты вблизи 10¹⁴ Вт.
Разумеется, проектов, у которых они достопинства и нет недостатков, не былиет. Есть они и у КСЭ, причем серbezные. Во-первых, это высокая стоимость вывода в космос столбчательных по массе конструкций. Во-вторых — высокая стоимость самих преобразателей энергии. В-третьих — опасность вредных воздействий на атмосферу выбросов двигатательных установок транспорных космических систем. Несомненно, все это весна серbezные проблемы, однако они носят технический характер. А потому в принципе разрешимы.
На каких путях можно найти решение этих проблем? Есть основания ожидать, что по мере развития пакетно-космической и электронной промышленности к началу XXI века будут созданы новые космические транспортные системы и разработаны высокоэффективные недорогие фотопредобразовательы. По оценкам американских специалистов, в перспективе стоимость вывода на околоземную орбиту полезных грузов массой 300—500 т удестуются до сотен и десять доларов в расчете на 1 кг, а стоимость солнечных батарей — до 100 доларов в расчете на 1 кВт производимой электрической мощности. С учетом этих цифр КСЭ мощностью 5—10 ГВт приобретет шестое преимущество — экономическую конкуренtocпособность.
А как бы с опасностью загрязнения атмосферы, которыйрозит запуск многочисленного флота пакетносителей? Имеется выход и здесь: профессор Пристонского университета в США Дж. О’Нейл предложил использовать для строительства сети околоземных КСЭ минеральные ресурсы, добавляемые на Луне. О’Нейл образно назначал свою идею методом «ботиночного шнуровки»: первый КСЭ сооружают, опираясь на земные ресурсы, а затем использует ее в качестве орбитальной базы для создания на спутнике нашей планеты горнодобьявшего и промышленного комплекса.
Не слишком ли мы удалились от современности? — возможно, спросит нас внимательный читатель.— Не лучше ли оставить эти вопросы на рассмотрение нашим потомкам, который предстоит жить в XXI веке? А у нас хватит и свои проблемы…
Напомним скептикам несколько цифр. Запасов нефти осталось на 30 лет, а газа — на 50. Время же перестройки энергетики на новые энергоресуры, как показывает опыт, весма значительно — порядка 50 лет. Вдумайте в эти цифры и судите, какие решения можно оставить потомкам, а какие предстоит принять нам самим.