В поисках энергии. Ресурсные войны, новые технологии и будущее энергетики - Мацак Олег (читаем книги .TXT) 📗

Одна инициатива – это ARPA-E, Агентство перспективных исследований в области энергетики. Оно было создано по образцу Агентства перспективных исследований при министерстве обороны (DARPA), в задачи которого входило выявление новых потребностей и проблем, а также «далеких идей», и их финансирование на долгосрочной основе. Благодаря DARPA стали возможными многие из важнейших достижений в области вычислительной техники, в том числе GPS и Интернет. Но даже в случае с Интернетом с момента формулирования проблемы и до запуска технологии в эксплуатацию прошло почти три десятилетия.

Если финансирование и концентрация сил в сфере исследований и разработок останутся на высоком уровне, результаты могут быть весьма существенными и даже удивительными²⁰.

Природа эксперимента

Одна из заповедей венчурного капитала – «Не занимайся научными экспериментами». Однако сам венчурный капитал, как и все другое в сфере энергетических исследований, является частью очень крупного эксперимента, который должен дать ответ на важный вопрос: может ли сегодняшняя мировая экономика, оцениваемая в $65 трлн, быть уверенной в том, что у нее будет энергия, необходимая для роста в течение двух десятилетий до $130 трлн? И в какой мере такая экономика, 80 % энергетических потребностей которой удовлетворяется за счет углеродсодержащего топлива, может перейти на другие источники энергии? Ответы на эти вопросы не очевидны.

Этот эксперимент – дело не только будущего. Он уже начался. Сегодня он принимает несколько форм, в том числе использование энергии ветра, энергии гигантской печи под названием «Солнце», энергии, того, что растет на земле, повышение эффективности использования энергии и преобразование транспорта, на котором мы ездим.

Глава 28

Алхимия солнечного света

Альберт Эйнштейн, как известно, был настолько гениальным, что в конечном итоге перевернул наше представление о вселенной. Однако летом 1900 г. у него была более неотложная проблема. Ему, дипломированному специалисту, пришлось искать работу. Надежды на должность в университете не осуществились. Ни один из профессоров Эйнштейна не согласился дать ему положительную рекомендацию в какой-то мере из-за посредственной дипломной работы, а также из-за того, что он имел репутацию, как выразился один из его профессоров, «ленивого пса». А ведь этот студент, бунтарь по натуре, обладал не только незаурядными способностями к математике и физике, но и умением добиваться результатов. Однако этого оказалось недостаточно, чтобы получить работу.

Одновременно с поисками работы Эйнштейн пытался зарабатывать на жизнь частными уроками математики и физики. Он даже дал объявление в местной газете, предложив потенциальным ученикам бесплатные пробные уроки. Его родители, которые жили не в роскоши, не могли оказать финансовой поддержки, но переживали за него. Его отец Герман втайне от Альберта даже обратился к профессору химии с просьбой о помощи. «Мой сын, – писал он, – очень несчастен, с каждым днем он все больше утверждается в мысли, что его карьера не сложилась, и он не может найти того, кто посодействовал бы ему. Еще больше его угнетает мысль, что он – обуза для нас, людей не слишком состоятельных».

Но затем Эйнштейну улыбнулась фортуна. Он получил работу в швейцарском патентном бюро в Берне. В июне 1902 г. Эйнштейн прибыл в офис патентного бюро в новом здании почты и телеграфа неподалеку от железнодорожного вокзала. Рассмотрение патентных заявок было не очень сложной работой для любознательного молодого физика, однако давало ему уверенность в завтрашнем дне и время.

Патентное бюро оказалось для Эйнштейна идеальным местом работы. Его интересовали как практические, так и теоретические аспекты всего, что имело отношение к электричеству, – ведь его отец был инженером. Герман и его самый младший брат Якоб управляли электрогенерирующей компанией в Мюнхене. Как представители первого поколения предпринимателей, воспользовавшихся революцией Эдисона в электроэнергетике, они находились на переднем крае высоких технологий того времени и конкурировали с такими компаниями, как Siemens, за контракты на организацию освещения в небольших и крупных городах Европы. К сожалению, Герман и Якоб Эйнштейны не сумели получить контракт на организацию освещения центральной части Мюнхена, а потому дела у них шли не слишком хорошо. Но по крайней мере Герман Эйнштейн мог теперь не переживать за сына¹.

Десять недель, которые потрясли мир

Обосновавшись в патентном бюро и располагая временем, Эйнштейн в конце концов приступил к работе над проблемами, о которых постоянно размышлял. Всего за 10 недель летом 1905 г. он написал пять работ, которые трансформировали представление людей о вселенной и изменили мир, в котором мы живем. Одна из них называлась «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». Это была работа, содержавшая, наверное, самую знаменитую из всех известных нам формул: e = mc². Она закладывала теоретические основы для изучения потенциала ядерных реакций в атомной бомбе и для использования ядерных реакций в целях производства мирной энергии.

Другая работа называлась «Об эвристической точке зрения на генерирование и преобразование света». В этой работе, как писал Эйнштейн своему другу, «рассматривается излучение и энергетические свойства света, и она является поистине революционной». В ней Эйнштейн выдвинул гипотезу, что материя и излучение могут взаимодействовать только при помощи обмена отдельными «квантами» энергии. Он продемонстрировал, что эта гипотеза объясняет целый ряд явлений, в том числе то, что в его лексиконе называлось «фотоэлектрическим эффектом»².

Эта работа стала теоретической основой сегодняшней быстрорастущей индустрии фотоэлектрических преобразователей, индустрии, которую многие считают будущим возобновляемых источников энергии. Значимость данной работы лаконично подчеркнул более чем столетие спустя один из ведущих технологов этой индустрии.

«Эйнштейн, – сказал он, – объяснил все»³.

Солнечные батареи

Сегодня ни одна другая составляющая индустрии возобновляемых источников энергии не представляет такой интерес для ученых, как солнечная энергетика, в частности фотоэлементы, которые также называют солнечными батареями.

Во многом солнечные батареи олицетворяют идеал возобновляемой энергетики. Солнечный свет – это ресурс, имеющийся в изобилии. После изготовления солнечных батарей сложные промышленные установки для их эксплуатации не требуются. Солнечные батареи – базовая система, которая может располагаться на крыше дома, – устанавливаются за считаные часы. Для них не требуются линии электропередачи. Они просто преобразуют солнечный свет в электричество.

Сам процесс преобразования чем-то напоминает работу средневековых алхимиков по превращению обычных металлов в золото. Однако в отличие от магии средневековых колдунов эта современная алхимия реальна: свет проникает в материал, и появляется электричество. Это – фундаментальная физика, великое открытие Эйнштейна.

Рынок фотоэлементов, хотя и существенно вырос с середины 2000-х гг., по-прежнему гораздо меньше рынка ветрогенераторов. Однако ни на что иное в индустрии возобновляемых источников энергии не возлагаются такие большие надежды, как на возможность непосредственного использования энергии солнца, особенно на фотоэлементы. И не случайно – это позволяет не ждать сотни миллионов лет, за которые органические вещества превращаются в ископаемое топливо.

Многие уверены, что солнечная энергия, как выразился министр энергетики США Эрнест Мониц, в конечном итоге станет «самым высоким шестом палатки», основным источником электроэнергии. Но когда? И трансформируют ли фундаментальным образом фотоэлектрические преобразователи нашу электроэнергетическую систему? Превратится ли сеть электростанций и линий электропередачи в систему, где каждый дом и административное здание будет мини-электростанцией, вырабатывающей электричество без угля, природного газа, атомной энергии и даже энергии ветра? Или же распространение получат электростанции нового типа, где электроэнергия производится при помощи солнечных батарей?⁴