Альтернативные источники энергии

Получитьэнергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований издругих форм в соответствие с определенными законами. Вечные двигатели, якобыпроизводящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. Аструктура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем жеспособом, которым пользовался первобытный человек для согревания, то есть присжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловыхэлектростанциях. Но, способы сжигания топлива стали намного сложнее исовершеннее.

Возрастаниетребований к защите окружающей среды, возросшие цены на нефть, быстрое развитиеатомной энергетики, , потребовали нового подхода кэнергетике.

Энергетическуюпрограмму разрабатывали виднейшие ученые нашей страны, специалисты различныхминистерств и ведомств. С помощью новейших математических моделейэлектронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структурыбудущего энергетического баланса страны. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики страны на грядущие десятилетия.

Но все-таки воснове энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика нане возобновляемых ресурсах, хотя структура ее изменится. Должно сократитьсяиспользование нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии наатомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантскихзапасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широкобудет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходятзапасы в других странах.

Основа нашейтехники и экономики в канун 21 века — Энергетическая программа страны. Ноученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, установленных Энергетическойпрограммой, учитывают реальности будущего. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовалисьмиллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире сталивсерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земныхбогатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. Ксожалению, многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещаднорасходуют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, незадумываясь, что через несколько десятковлет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда -, аэто рано или поздно случится, — когда месторождения нефти и газа будутисчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не толькоэнергетике, но и транспорту, и химии, заставило задуматься о других видахтоплива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались тогда тестраны, где нет собственных запасов нефти и газа и которымприходится их покупать.

Все большеученых инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников, которыемогли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжениючеловечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут на разных путях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемыхисточников энергии-энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомнойэнергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающихв звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

1.1. Источникиразвития энергетики

Анализируяисторию развития, может показаться, что совершенствование человека происходилоневообразимо медленно. Ему в буквальном смысле слова приходилось ждать милостейот природы. Он был практически беззащитен перед холодом, ему непрестанноугрожали дикие звери, его жизнь постоянно висела на волоске. Но постепенночеловек развился настолько, что сумел найти оружие, которое в сочетании соспособностью мыслить и творить окончательно возвысило его над всем живымокружением. Сначала огонь добывали случайно — например, из горящих деревьев, вкоторые ударила молния, затем стали добывать сознательно: за счет трения друг одруга двух подходящих кусков дерева человек впервые зажег огонь 80−150 тысячлет назад. Животворный, таинственный, вселяющий уверенность и чувство гордости огонь.

После этоголюди уже не отказывались от возможности использовать огонь в борьбе противсуровых холодов и хищных зверей, для приготовления с трудом добытой пищи. Сколько ловкости, настойчивости, опыта да и простовезения это требовало! Представим себе человека, окруженного нетронутойприродой — без построек, которые бы его защищали, без знания хотя быэлементарных физических законов, с запасом слов, не превышающим несколькихдесятков. (Кстати, многие ли из нас, даже обладающие солидной научнойподготовкой, смогли бы зажечь огонь, не прибегая к каким-либо техническим средствам-хотя бы спичкам?) К этому открытию человек шелочень долго и распространялось Оно медленно, ноознаменовало собой один из важнейших переломных этапов в истории цивилизации.

В процессеразвития люди научились получать тепло, но не располагали никакой силой, кромесобственных мускулов, которая помогала бы им подчинить себе природу. И все жепостепенно, мало-помалу они стали использовать силу прирученных животных, ветраи воды. По данным историков, первые тягловые животные была запряжены в плугоколо 5000 лет назад. Упоминание о первом использовании водной энергии -запуске первой мельницы с колесом, приводимым в движение водяным потоком,-относится к началу нашего летосчисления. Однако потребовалась еще тысяча лет, прежде чем это изобретение получило распространение. А древнейшие из известныхсегодня ветряных мельниц в Европа были построены в XIв.

На протяжениистолетий степень использования новых источников энергии — домашних животных, ветра и воды — оставалась очень низкой. Главным же источником энергии, припомощи которой человек строил жилье, обрабатывал поля, «путешествовал», защищался и нападал, служила сила его собственных рук и ног. И так продолжалосьпримерно до середины нашего тысячелетия. Правда, уже в 1470 г. был спущен наводу первый большой четырехмачтовый корабль; около 1500 г. гениальный Леонардода Винчи предложил не только весьма остроумную модель ткацкого станка, но и проектсооружения летающей машины. Ему же принадлежат многие другие, для того временипросто фантастические идеи и замыслы, осуществление которых должно былоспособствовать расширению знаний и производительных сил. Но подлинный перелом втехнической мысли человечества наступил сравнительно недавно, немногим болеетрех столетий назад.

Одним изпервых гигантов на пути научного прогресса человечества, несомненно, был ИсаакНьютон. Этот выдающийся английский естествоиспытатель всю свою долгую жизнь инезаурядный талант посвятил пауке: физике, астрономиии математике. Он сформулировал основные законы классической механики, разработал теорию тяготения, заложил основы гидродинамики и акустики, взначительной мере способствовал развитию оптики, вместе с Лейбницем создалначала теории исчисления бесконечно малых и теории симметричных функций. ФизикуXVIII и XIX столетий по праву называют ньютоновской.Труды Исаака Ньютона во многом помогли умножить силу человеческих мускулов итворческие возможности человеческого мозга.

Вслед закембриджскими исследованиями Ньютона в Лондоне в 1633 г. вышла книга «Стопримеров изобретений». Ее автором был мало кому известный сегодня лорд Эдвард Сомерсет (маркиз Вустер). Один изпримеров, приведенных в этой книге под номером 68, настолько напоминает водянойнасос с паровым приводом, что многие специалисты приписывают Сомерсету честь изобретения паровой машины.

Промышленнаяреволюция — эпоха великих открытий — существенно изменила течение жизни нанашей планете. Одним из ее последствий было окончательное падение феодализма, который уже не мог приспособиться к развитию новых производительных сил, иупрочение капиталистических производственных отношений. Джеймс Уатт изобрелпаровую машину, которая раскрутила колесо истории до небывалых прежде оборотов.

Паровую машинунизкого давления Уатта совершенствовали многие мастераи инженеры. Среди них следует выделить американца Оливера Эванса. Преодолевмногие препятствия, этот талантливый механик, полный энтузиазма и смелых идей, в 1801 г, приступил к сооружению малой паровой машины, в которой давление парав десять раз превышало атмосферное. Уже первые две машины получились необычайноудачными, и в 1802 г. Эванс открыл в Филадельфии первый завод паровых машинвысокого давления. Он поставил заказчикам до 50 машин мощностью от 7,4 до 29,4кВт (10−40 л. с.).

В 1807 г. американский изобретатель Роберт Фултон сконструировал первый пароход «Клермонт», который совершал регулярные рейсы по реке Гудзонмежду Нью-Йорком и Олбани. Успех «Клермонта"оказался настолько убедительным, что в 1819 г. в США был спущен на воду морскойпароход.

Английскийтехник Джордж Стефенсон в 1823 г. основал завод по изготовлению подвижногосостава для общественного транспорта, и в 1825 г.- через шесть лет после смертиУатта — на трассе Стоктон — Дарлингтонначала действовать первая железная дороганаши дни паровую машину скоро можно будет увидеть только в технических музеях, но и там мы будем смотреть на нее с уважением.

Итальянскийфизик Алессандро Вольта родился в 1745 г. Он продолжилэксперименты своего земляка ЛуиджиГальвани и прославился изобретением электрической батареи (1800). В его честь мы называем основную единицу электрического напряжениявольтом. (В). Вольтову батарею-так называемыйэлемент-составляли два разных проводника электрического тока (электроды), погруженные в жидкость (электролит), через которую протекал электрический ток.В качестве электродов Вольта использовал медь и цинк, а электролитом служиласоленая вода. Долгим и трудным был путь от этого первого источника постоянноготока до современной электрификации большей части нашей планеты. Остановимся нанекоторых знаменательных событиях из истории электричества.

Первымубедительным доказательством полезности вольтова элемента было изобретениеэлектрического телеграфа, которое чаще всего приписывают немецкому врачу инатуралисту СамуэлюЗеммерингу(1809). Через два года английскому физику и химику ГемфриДэви удалось получить между двумя угольными электродами электрическую дугу-светящуюся струю электрически заряженных частицнеобычайно высокой температуры. Дэви был автором и ряда других открытий взарождающейся области науки-электрохимии, изучающей связь между электрическимии химическими процессами и явлениями.

Затемпоследовало множество открытий, связанных с магнитными свойствамиэлектрического тока. Французский физик Андре Ампер стал основоположником новойнауки — учения об электромагнетизме. Отсюда оставался один шаг до созданияэлектродвигателя, Этот решающий шаг помогли сделать великий английский физик ихимик, бывший ученик переплетчика Майкл Фарадей, немецкий физик, живший иработавший в России, Герман Якоби и многие другиеизвестные и неизвестные механики, физики и химики. Первые электродвигателиработали от усовершенствованных вольтовых элементов. Они обладали малоймощностью и постепенно были вытеснены двигателями переменного тока. Для этогопотребовалось создать новые источники такого тока — генераторы, а затемтурбины, чтобы приводить их в движение.

Путь квсеобщей электрификации проходил через множество крупных и мелких открытий иизобретений. Но это был логичный и целенаправленный путь. Электрическую энергиюлегко можно передавать на большие расстояния и непосредственно использовать длясамых разнообразных целей. Все прежние машины и механизмы требовали «топлива», т. е. источника энергии, непосредственно на месте: паровая машина не всостоянии работать без достаточного количества топлива, ветряная мельница — безветра, водяная мельница — без потока воды. А электрический двигатель работает иза сотни километров от источника потребляемой им энергии.

Необходимостьэнергетических ресурсов

Рождениеэнергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научилисьиспользовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения иоптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощникомв земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т. д.

На протяжениимногих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т. п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огняископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

Прекрасный мифо Прометее, даровавшем людям огонь, появился в древней Греции значительно позжетого, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренногообращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональнымиспользованием топлива.