Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Идем дальше. На Земле живет более 6,5 миллиарда[23] человек, которые потребляют около 5 × 1020 джоулей энергии в год. Даже сегодня, через сорок лет после введения ОПЕК нефтяного эмбарго, 85 процентов наших энергетических потребностей по-прежнему обеспечиваются за счет ископаемых видов топлива: угля, нефти и природного газа. На США, где проживает немногим более 300 миллионов человек, или двадцатая часть населения планеты, приходится пятая часть мирового потребления энергии. И это, к сожалению, чистая правда: мы самые настоящие энергетические мародеры. Кстати, по этой причине я был невероятно рад, когда узнал, что президент Обама назначил министром энергетики лауреата Нобелевской премии по физике Стивена Чу. Если мы хотим решить свои энергетические проблемы, нам действительно необходимо обратить самое пристальное внимание на физику энергии.

Сегодня большие надежды возлагаются на потенциал солнечной энергии, и я обеими руками за активные разработки в данной области. Но мы должны помнить об ограничениях, с которыми непременно при этом столкнемся. Солнце, несомненно, на редкость эффективный источник энергии. Оно вырабатывает 4 × 1026 ватт (4 × 1026 джоулей в секунду), и большая часть этих мощностей представляет собой видимый и инфракрасный свет. Поскольку нам известно расстояние между Землей и Солнцем (150 миллионов километров), мы можем вычислить, какая доля этой энергии достигает нашей планеты. Около 1,7 × 1017 ватт, или около 5 × 1024 джоулей в год. Если направить солнечную батарею площадью в один квадратный метр прямо на Солнце (в безоблачный день!), до нее дойдет примерно 1200 ватт (я исхожу из того, что около 15 процентов передаваемой мощности отражается и поглощается атмосферой Земли). Ради простоты округляем до 1000 ватт (1 киловатт) на квадратный метр при условии направленности панели прямо на Солнце и полного отсутствия облаков.

Потенциал солнечной энергии поистине огромен. Чтобы собрать количество солнечной энергии, достаточное для общемирового потребления, хватит батареи площадью 2 × 1010 квадратных метра. Это примерно в пять раз больше площади моей родной страны – Нидерландов, отнюдь не самой большой в мире.

Однако не все так просто. Во-первых, сутки делятся на день и ночь, что мы пока не учитывали, так как исходили из того, что Солнце светит всегда. И облака тоже никуда не денешь. И если наши солнечные панели нельзя двигать, они не могут быть все время направлены прямо на Солнце. Имеет значение и то, где именно на Земле вы находитесь. Страны, расположенные на экваторе, получают больше энергии (в них же не зря жарче), чем более северные (расположенные в Северном полушарии) или более южные (в Южном полушарии) страны.

Далее, нужно учесть эффективность устройств для улавливания солнечной энергии. Для этого существует множество разных технологий, и их число постоянно растет, однако максимальная эффективность самых практичных на сегодняшний день кремниевых солнечных батарей (в отличие от изготовленных из дорогостоящих материалов) составляет всего 18 процентов. Конечно, если использовать солнечную энергию для нагрева воды напрямую (не преобразовывая в электроэнергию), эффективность будет значительно выше. Для сравнения скажу, что печи, работающие на жидком топливе, даже не самые современные, могут без особого труда достигать эффективности в 75–80 процентов. Итак, после того как мы примем во внимание все вышеперечисленные ограничивающие факторы, нам потребуется панель площадью более миллиона квадратных километров, то есть в три раза больше площади Германии. И это без учета затрат на строительство батарей и систем для сбора солнечной энергии и преобразования ее в электричество. В настоящее время снабжение электроэнергией благодаря Солнцу обходится примерно в два раза дороже, чем получение ее из ископаемого топлива. И дело не только в заоблачной стоимости преобразования солнечной энергии в электрическую, но и в том, что для реализации такого проекта у нас попросту пока нет технологических возможностей и политической воли. Поэтому еще какое-то время значение солнечной энергии в мировой экономике будет неуклонно повышаться, хотя ее роль относительно невелика.

Впрочем, если начать прямо сейчас, уже в следующие четыре десятилетия мы могли бы сделать огромный шаг вперед. По оценкам Greenpeace International и Международного энергетического агентства, по состоянию на 2009 год при существенной поддержке правительства солнечная энергия могла бы удовлетворять «до 7 процентов мировой потребности в электроэнергии к 2030 году и четвертую часть этих потребностей к 2050 году». А в журнале Scientific American несколько лет назад утверждалось, что революционная программа в этой области и более 400 миллиардов долларов в виде субсидий на протяжении следующих сорока лет приведут к тому, что солнечная энергия обеспечит 69 процентов потребностей в электроэнергии в США и 35 процентов от общей потребности в энергии этой страны.

А как насчет энергии ветра? В конце концов, мы применяем ее с тех пор, как человек построил первую парусную лодку. Ветряные мельницы использовались задолго до появления электроэнергии, может быть, на тысячи лет раньше. И принцип получения энергии у природы и ее преобразования в другой вид энергии для потребления человеком оставался неизменным и в Китае XIII века, и в еще более древнем Иране, и в Европе XX века. Во всех этих странах мельницы помогали людям выполнять самую тяжелую работу: поставляли воду для питья или полива полей или огромными камнями перемалывали в муку зерно. А для работы любой ветряной мельницы необходима энергия ветра – независимо от того, производит она электричество или решает другие задачи.

В качестве источника электроэнергии энергия ветра легкодоступна, возобновляема и не приводит к выбросу в атмосферу Земли загрязняющих газов. В 2009 году объемы выработки энергии данного типа во всем мире достигли 340 тераватт-часов (в тераватт-часе триллион ватт-часов), что составляет около 2 процентов от мирового потребления электроэнергии. И эта отрасль быстро растет; в сущности, производство электроэнергии благодаря энергии ветра удвоилось за последние три года.

Не будем забывать и о ядерной энергии. Прежде всего, она намного более вездесуща, чем многие думают. По сути, она окружает нас повсюду. В оконном стекле содержится радиоактивный калий-40 с периодом полураспада 1,2 миллиарда лет, и энергия, производимая его распадом, вносит свой вклад в нагревание ядра Земли. Весь гелий в атмосфере – результат радиоактивного распада естественных изотопов в земле. То, что мы называем альфа-распадом, на самом деле является излучением ядер гелия из больших неустойчивых ядер.

Я собрал уникальную и очень большую коллекцию посуды Fiestaware – тарелок, мисок, блюдец, чашек и прочего, – которая изготавливалась в Америке начиная с 1930-х годов. Я очень люблю приносить некоторые из тарелок в аудиторию и показывать своим ученикам. В оранжевых тарелках под названием Fiesta red содержится оксид урана, который в те времена был обязательным компонентом керамической глазури. Я подношу к тарелке счетчик Гейгера, и он тут же начинает противно пищать. Это значит, что уран в тарелке радиоактивен и испускает гамма-лучи. После этой демонстрации я всегда приглашаю студентов к себе на обед, но, как ни странно, пока еще никто не принял приглашение.

Деление, или расщепление, тяжелых ядер высвобождает огромное количество энергии, будь то в ядерном реакторе, в котором цепные реакции, расщепляющие ядро урана-235, тщательно контролируются, или в атомной бомбе, в которой цепные реакции неконтролируемы и приводят к огромным разрушениям. Атомная электростанция, производящая около миллиарда джоулей в секунду (109 ватт, или 1000 мегаватт), потребляет около 1027 ядер урана-235 в год, то есть всего около 400 килограммов этого радиоактивного вещества.

Однако уран-235 (99,3 процента – это уран-238) составляет только 0,7 процента природного урана. Поэтому атомные электростанции работают на обогащенном уране; степень обогащения варьируется, но обычно равна 5 процентам. Это означает, что вместо 0,7 процента урана-235 урановые топливные стержни электростанций содержат 5 процентов урана-235. Таким образом, тысячемегаваттный ядерный реактор потребляет около 8000 килограммов урана в год, из которых около 400 килограммов – уран-235. Для сравнения скажу, что электростанция такой же мощности, работающая на ископаемом топливе, потребляет около 5 миллиардов килограммов угля в год.

Обогащение урана – процесс невероятно дорогостоящий: в нем используются тысячи центрифуг. Оружейный уран – это обогащенный по меньшей мере до 85 процентов уран-235. Думаю, теперь вы понимаете, почему мир так обеспокоен деятельностью стран, обогащающих уран до неустановленной степени, и никто не может это проверить!