Настольные черные дыры, зеркала вокруг Солнца и другие источники энергии будущего
Угля в одной только России хватит на три с половиной тысячи лет. Пик потребления нефти и газа не пройден, хотя его прогнозировали на начало этого столетия. Атомной энергией при существующих технологиях люди смогут пользоваться еще тысячи лет. И все же: что будет, когда все эти источники энергии иссякнут?
Завтра
— Дальше на какое-то время основными станут два источника энергии, — рассказывает старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга Владимир Сурдин. — Один из них — Солнце. Его энергии хватит на три миллиарда лет. Потом оно по мере расширения и разогрева начнет доставлять жизни на Земле слишком много проблем. Технологии солнечной энергетики нами уже освоены — осталось решить задачи по ее транспортировке и накоплению.
Существуют станции аккумулирования солнечной энергии — одну такую в 2019 году запустили в Китае. Это огромная башня, заполненная солью, на которую отраженными солнечными лучами светят 12 тысяч зеркал. За счет фокусировки потока соли внутри башни разогреваются и плавятся. Температура превышает 800 градусов. За счет накопленного тепла станция может производить энергию даже в темное время суток.
Второй источник — энергия вращения Земли. Ее уже используют приливные электростанции, но можно пойти дальше. В XIX веке физик Майкл Фарадей изобрел униполярный генератор — устройство для преобразования механической энергии в электрическую с помощью токопроводящего диска, вращающегося между двумя полюсами магнита. В виде такого генератора можно представить и нашу планету. Из-за вращения Земли силовые линии магнитного поля пересекают ее недра, поверхность и все слои атмосферы. За счет этого в них протекают электрические токи, которые в теории можно снять и направить на полезное дело.
Превращать энергию вращения Земли в полезный источник пока не научились, но ее собираются использовать для движения космического лифта, который будет доставлять грузы на околоземную орбиту. Запустить лифт планируют к 2050 году.
Еще один способ черпать энергию из Земли предлагает геотермальная энергетика. Существуют электростанции, которые поднимают тепло недр на поверхность — например, за счет циркуляции воды в вулканических районах. У геотермальной энергетики много плюсов: она обеспечена ресурсами, пока существует планета, и не зависит от окружающей среды, времени года и суток.
Однако есть и минусы, поэтому доля геотермальной энергии в мире невелика — около 0,4%. Пока установки по добыче земного тепла обладают низким КПД — при температуре воды 40 градусов он составит всего 6%. Сложно найти место для строительства геотермальной станции: подходит далеко не каждый участок земли. Чаще источники геотермальной энергии располагаются в сейсмически активных районах. Кроме того, скважины зачастую требуются глубокие, наклонные или сложной формы. С их бурением и обслуживанием геоэнергетикам могли бы помочь нефтяники — разрабатывая трудные запасы углеводородов, они овладели искусством строительства сложнейших скважин.
Послезавтра
Термоядерный реактор, который будет давать людям энергию за счет плазмы, раскаленной до температуры выше солнечной, уже не фантастика, но и не технология завтрашнего дня: ученые исследуют управляемый термоядерный синтез более 60 лет и пока практических результатов не достигли. С 1980 года над проектом Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) совместно трудятся специалисты из множества стран.
— Термоядерный реактор нельзя считать бесконечным источником энергии, потому что для его работы нужны дейтерий и тритий, запасы которых ограничены, — отмечает Владимир Сурдин. — Использование лунного гелия выглядит сомнительно, потому что для начала реакции он требует температуры в 5–6 раз выше, чем дейтерий. К тому же неизвестно, сколько его на Луне, будет ли его доставка осуществимой и целесообразной.
Запуск и работу будущего термоядерного реактора можно сделать экономичнее, чтобы расходовать меньше дейтерия или гелия. Например, сжимать маленькие порции топлива лазерными лучами: так, по расчетам Владимира Сурдина, из-за повышения давления даже в крошечной порции начнется реакция.
Далекое будущее
В 1970-х британский физик Стивен Хокинг выдвинул гипотезу, что черные дыры могут понемногу «испаряться», выбрасывая в пространство потоки элементарных частиц. Этот процесс назвали излучением Хокинга.
— Есть теории, согласно которым, если создать микроскопическую черную дыру размером меньше ядра атома и массой примерно в мегатонну, она может стать практически неограниченным источником энергии, — рассказывает ведущий научный сотрудник НИИ ядерной физики имени Скобельцына МГУ Александр Панов. — Пока черная дыра «светит» излучением Хокинга, она постепенно испаряется: перерабатывает в энергию собственную массу. При этом можно ее «подкармливать» обыкновенной материей — например, облучать пучком протонов и электронов (дыра должна оставаться электрически нейтральной) и получить в итоге практически вечный двигатель, который уместится на письменном столе!
Энергии такого миниатюрного двигателя, по словам Александра Панова, хватило бы на несколько таких планет, как Земля. Мощность черной дыры массой в одну мегатонну составит примерно 1017 ватт. Загвоздка лишь в том, что существование излучения Хокинга еще не доказано. Да и создание рукотворной черной дыры на нынешнем уровне технологий пока невозможно, хоть теоретически и обосновано.
… и сфера вокруг Солнца
В прошлом веке физик Фримен Дайсон предложил построить вокруг Солнца искусственную сферу с очень тонкими стенками. Ее внутреннюю поверхность нужно выстлать зеркалами или кремниевыми панелями, чтобы улавливать 100% звездной энергии. Сейчас нашей планеты достигает одна миллионная часть солнечной энергии — примерно 1500 квадриллионов киловатт-часов в год.
Сфера Дайсона прижилась в научной фантастике и получила множество интерпретаций: от кольца Нивена (то же самое, только в форме кольца, чтобы конструкция не разрушилась из-за колоссальных размеров) до структуры Крисвелла, имеющей фрактальную поверхность для максимального накопления энергии.
— Сфера Дайсона — разумный вариант развития солнечной энергетики, — отмечает Владимир Сурдин. — Правда, если ее строить, то жить лучше за пределами Земли — например, на самой сфере: так пользоваться энергией будет удобнее всего.
Какая технология сменит сферу Дайсона? Настолько далекие прогнозы не даст ни один ученый, и нужно ли? Ведь за миллионы лет изменится не только энергетика, но и сам человек. Возможно, он превратится в самый совершенный генератор, черпающий энергию из света звезд.