Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

Однако самое большое препятствие к успеху солнечных фотоэлементов имеет не техническую, а экономическую природу: солнечные батареи производят дорогую электроэнергию, потому что их изготовление стоит больших денег. Ситуация начала улучшаться, по мере того как стали появляться новые технологии изготовления фотоэлементов. Стоимость производства также быстро пошла вниз во многом благодаря экономии от эффекта масштаба, достигаемой китайскими производителями на растущем китайском рынке. Несмотря на это, электричество, полученное с помощью солнечных фотоэлементов, не сравнялось по цене с сетевым. Ведь только в этом случае фотоэлементы смогут конкурировать с невозобновляемыми источниками энергии. Но этот момент становится все ближе. Производится все больше солнечных фотоэлементов, и они продолжают дешеветь; в 2011 г. производственные мощности предприятий, изготавливающих солнечные фотоэлементы, увеличились почти на 75 %, при том что средний рост в этой отрасли за последнее десятилетие составлял 45 %. Продолжающееся развитие будет иметь важное значение для перехода к экономике, использующей меньше энергии углерода [61].

Когда в 1954 г. появилось сообщение об изобретении в Белловских лабораториях кремниевых солнечных фотоэлементов, New York Times написала: это событие ознаменовало «начало новой эры, которая в итоге позволит реализовать давнюю мечту человечества об использовании практически неограниченной энергии солнца на благо цивилизации» [62]. Эта мечта может стать реальностью, и человечество сумеет избавиться от эмиссии парниковых газов. Но предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем масштаб использования солнечной энергии станет сопоставим с масштабом использования энергии ископаемых видов топлива или атомного ядра. Однако из всех возобновляемых источников энергии оно выглядит на сегодня самым перспективным.

Компьютеры

Анкоридж, Аляска, 1970 г.: красные лампочки отчаянно мигают на панели управления. Только что сломалось устройство памяти компьютера на магнитных сердечниках. В те времена такая поломка была чисто механической: вращающиеся диски начинали цепляться друг за друга и в конце концов останавливались. Постоянные перезапуски компьютера делали выполнение даже простейшей программы крайне трудным. Мне предстояла долгая непростая ночь жесточайшего цейтнота. Я работал на первой инженерной должности в British Petroleum. Благодаря знаниям, полученным в Кембриджском университете, я был в те дни одним из немногих, знавших, как облегчить решение инженерных задач с помощью компьютера. Мой босс собирался на встречу с очень влиятельными людьми из нескольких еще более влиятельных американских нефтяных компаний. Они намеревались обсудить перспективы совместного освоения гигантского нефтяного месторождения Прюдо Бэй. Он хотел, чтобы я нашел ответ на некий важный вопрос и чтобы он, представлявший в то время довольно небольшую компанию, сумел произвести впечатление своей технической подготовленностью на другие, более крупные компании.

Непростая задача. Компании имели договоры аренды на разные участки земли на поверхности месторождения. Таким образом, то, чем владела каждая компания, в значительной мере зависело от распределения нефти на этой территории, очень, как оказалось, неравномерного. Во время раннего завтрака после бессонной ночи мне в голову неожиданно пришло нужное решение, и я отправился в офис. Да, работа по ночам иногда приносит пользу.

Я искал решение в единственном в Анкоридже «компьютерном бюро», которое возглавлял выпускник Стэнфордского университета Миллет Келлер. Здесь имелся всего один компьютер, IBM 1130 – последнее слово вычислительной техники на тот момент. Весь день Миллет писал коммерческие программы на языке программирования COBOL, предназначенные для составления отчетов местными банками. По ночам я получал возможность отлаживать собственные программы, написанные на языке FORTRAN. Этим языком программирования пользовались тогда многие ученые и инженеры. Благодаря использованию передовой техники IBM, выполнявшей 120 000 операций сложения в секунду, я мог моделировать состояние принадлежащих British Petroleum нефтяных месторождений на Аляске для облегчения их промышленной эксплуатации [63]. BP всегда была одним из лидеров в использовании компьютерных технологий. В начале XX в. она разработала программы для расчета наиболее экономичных маршрутов движения нефтяных танкеров. Но изобретение IBM 1130 предоставляло совершенно новые возможности для обработки информации в нефтяной отрасли. Будучи по образованию геофизиком, Миллет интересовался выполняемой мною работой и часто оставался со мной по вечерам, наблюдая за поведением компьютера или вводя в него перфокарты с изменениями в программе.

IBM 1130 был первым компьютером, с которым мне пришлось иметь дело по окончании Кембриджского университета. Он был менее мощным, чем установленный в университете Titan, но более компактным, дешевым и удобным. Titan занимал целую комнату и требовал для обслуживания целую команду лаборантов. IBM пыталась сделать компьютерные технологии более удобными для самых разных отраслей, в которых выполнение сложных расчетов становилось все более необходимым.

Сегодня разведка месторождений и бурение скважин без предварительных компьютерных расчетов кажутся немыслимыми. К тому времени, когда BP вела добычу нефти на месторождении Тандер Хорс, на котором одноименная нефтяная платформа едва не затонула в 2005 г. под ударами урагана «Деннис», уже использовались сейсмические и иные данные для построения трехмерных моделей месторождений глубиной в несколько километров [64]. Необходимая для этого обработка больших массивов информации стала возможна благодаря стремительному росту мощности компьютеров за минувшие 60 лет. А основу технологии обеспечил транзистор – крошечное устройство из кремния.

Кремниевый транзистор

В конце 1940-х гг. Уильям Шокли и его команда из состава группы, занимавшейся в Белловских лабораториях физикой твердого тела, изучала необычные электрические свойства группы полупроводников. В телефонных сетях компании Bell по-прежнему использовались механические коммутаторы, а усиление сигналов обеспечивали вакуумные лампы [65]. Техника была ненадежной и действовала медленно, и поэтому директор по научным исследованиям получил задание разработать альтернативу. Шокли полагал: решение могут дать полупроводники, на основе которых он надеялся создать новые коммутаторы и усилители [66]. Хотя теоретическая база выглядела безупречно, практические результаты оставляли желать лучшего. Его коллега Джон Бардин, блестящий физик-теоретик, также обратился к этой проблеме. Он догадался, что электроны удерживаются на поверхности полупроводника, а это, в свою очередь, останавливает движение электрического тока через устройство [67]. Вместе с Уолтером Бреттеном, чьи умелые руки служили прекрасным дополнением к мозгам Бардина, он сумел справиться с проблемой удержания электронов и, таким образом, перевел идею Шокли в практическую плоскость, что и обеспечило создание первого в мире транзистора [68].

В конце июня 1948 г. руководство Белловских лабораторий объявило: Шокли, Бардин и Бреттен создали первый полупроводниковый транзистор. Позже за выдающееся изобретение они были удостоены Нобелевской премии по физике. На пресс-конференции они объяснили, что транзистор способен заменить электровакуумную лампу – устройство, которое в ту пору использовалось в радиоприемниках и простейших вычислительных машинах. Подобно электровакуумной лампе, транзистор усиливал электрические сигналы и действовал как двухпозиционный переключатель, но работал быстрее, занимал меньше места и потреблял намного меньше энергии [69]. Но пресса сочла изобретение незначительным и уделила ему мало внимания. New York Times «поместила новость на 46-й странице под колонкой с сообщениями о сплетнях и слухах» [70]. Возможности транзистора не были осмыслены широкой публикой. Да и журналисты, должно быть, не понимали, какое влияние устройство и его функции способны оказать на повседневную жизнь. Даже сегодня лишь немногие осознают связь между крошечными кусочками кремния и сложными компьютерами, с помощью которых мы создаем изображения, управляем коммуникациями и генерируем звуки.

Любая вычислительная задача может быть разбита на последовательность простых логических действий, таких как решение суммировать два числа или выбрать одно из них. Эти действия контролируются «логическими вентилями», служащими базовыми строительными блоками цифровых схем. Логические вентили изготавливаются из транзисторов и других простых приспособлений и используют транзисторы как «ключи» для передачи сигналов. Большинство логических вентилей имеет два положения «включено» – «выключено», которые выполняют роль входов. Каждый может быть либо во «включенном», либо в «выключенном» состоянии. Обычно они обозначаются как «0» и «1», и выходной сигнал логического вентиля определяется двумя входными сигналами, а также типом самого вентиля. Например, логический вентиль «И» даст на выходе 1, только если сигнал 1 имеется на обоих входах. Все другие сочетания входных сигналов (0 и 1, 1 и 0, 0 и 0) дадут на выходе 0. Компьютер в простейшем виде представляет собой совокупность таких транзисторных логических вентилей, соединенных для получения сложного выходного сигнала. Мощность и сложность компьютера растут по мере того, как соединяется все больше и больше логических вентилей.