В поисках энергии. Ресурсные войны, новые технологии и будущее энергетики - Мацак Олег (читаем книги .TXT) 📗
Каким бы ни был путь, одним из препятствий являются масштабы. Чтобы солнечная энергетика стала масштабной, т. е. чтобы солнечные батареи появились на крышах большинства домов в мире, необходимо существенно снизить стоимость. А это требует инноваций. Стоимость, конечно, уменьшается, но пока она все еще выше, чем стоимость энергии из других источников. Массовое производство пока еще не снизило стоимость до уровня, который делает возможными реальные масштабы.
Фотоэлементы конкурентоспособны там, где отсутствует инфраструктура передачи электроэнергии, например в космосе или в затерянных в джунглях поселениях, а также могут быть конкурентоспособны в условиях высоких цен на электроэнергию. В противном случае они нуждаются в значительной поддержке со стороны государства и дотациях, поскольку их энергия во много раз превышает стоимость электроэнергии, генерируемой традиционным образом. Вся индустрия сосредоточена на одной цели – дальнейшее снижение стоимости.
Тщательное исследование
Ученые и инженеры наблюдали фотоэлектрический эффект, т. е. появление электрического заряда под действием света при определенных условиях, задолго до того, как Эйнштейн написал свою знаменитую работу, но они не могли объяснить его. Ряд ученых и инженеров, работая с таким химическим элементом, как селен, получали электрический ток при воздействии солнечного света и даже света свечи. Вернер Сименс, основатель компании Siemens, заявил, что «прямое преобразование энергии света в электрическую энергию является совершенно новым физическим явлением», которое требует «тщательного исследования». Объяснить, почему это происходит, смог только Эйнштейн5. Свет, писал он в своей работе, посвященной фотоэлектрическому эффекту, состоит из крошечных частиц, квантов (или фотонов), которые перемещаются со скоростью 300 000 км в секунду и являются неделимыми.
Когда солнечный свет падает на фотоэлементы, фотоны поглощаются. Они выбивают электроны в полупроводнике. Свободные электроны вытекают из кремния по мельчайшим каналам – почти как вода – в виде электрического тока. Фотоны – это одна форма энергии, а электроны – другая.
Нобелевскую премию в 1922 г. Эйнштейн получил не за работу, которая заложила основы для атомной энергетики, а за работу о фотонах и квантовой механике – за «открытие закона фотоэлектрического эффекта», как было сказано на церемонии ее вручения6.
Но теория это одно, а практика – совсем другое. Только полвека спустя произошел прорыв в практическом применении теории. Это случилось в 1953 г. в лаборатории Bell Labs компании AT&T в штате Нью-Джерси. Двое ученых, Джеральд Пирсон и Кэлвин Фуллер, хотели усовершенствовать транзистор для радиосвязи – устройство, которое несколькими годами ранее было изобретено тоже в Bell Labs. В процессе работы они неожиданно обнаружили, что в кремниевых пластинах, легированных галлием, т. е. содержащих галлий, происходит алхимическая реакция, описанная в работе Эйнштейна, – свет превращается в электричество.
Год спустя после еще ряда экспериментов эти ученые из Bell Labs представили на суд общественности «первые солнечные батареи, способные генерировать электроэнергию в полезных количествах». Во время представления открытия в Национальной академии наук в 1954 г. они наглядно продемонстрировали его значимость – при помощи солнечных батарей обеспечили энергией небольшой радиопередатчик. Bell Labs объявила, что новые солнечные батареи «окажут существенное влияние на образ жизни». «Энергию солнца теперь можно использовать при помощи батареи, на основе компонента песка», – возвестила The New York Times, отметив, что это изобретение «может ознаменовать начало новой эпохи» и «осуществление мечты человечества – использования практически безграничной энергии солнца для потребностей цивилизации». Но первый шаг на коммерческом пути был более приземленным – обеспечение электроэнергией сельских телефонных линий в штате Джорджия7.
Однако эффективность этих фотоэлементов была невысокой, а стоили они очень дорого. Где, помимо сельских телефонных линий, их можно использовать?
Космическая гонка
В октябре 1957 г. Советский Союз запустил в космос первый искусственный спутник Земли. Для США это стало неожиданностью. Запуск спутника на орбиту расценивался как важнейшая политическая и военная победа СССР и стратегическая катастрофа для США. СССР не только превзошел США в области науки, но и разрушил ощущение неуязвимости американцев. Теперь, когда над территорией страны могли летать советские космические аппараты, США уже не были защищены двумя огромными океанами.
Для генсека Никиты Хрущева запуск первого искусственного спутника Земли был возможностью продемонстрировать силу страны и скрыть ее слабые стороны. Но в США на это событие смотрели по-иному. Успех Советского Союза породил там то, что впоследствии охарактеризовали как «близкую к истерии реакцию» со стороны «американской прессы, политиков и общественности». «Тот, кто контролирует космос, господствует в мире», – заявил лидер сенатского большинства Линдон Джонсон. Физик Эдвард Теллер, которого называли «отцом водородной бомбы», сказал президенту Эйзенхауэру на встрече в Белом доме, что первый искусственный спутник Земли – это более серьезное поражение США, чем Перл-Харбор. Специально созданная национальная комиссия порекомендовала президентской администрации построить столько противоатомных убежищ, сколько нужно для размещения всех без исключения американцев.
В то же время правительство развернуло ряд программ, которые существенно повлияли на развитие американских технологий. В 1958 г. было создано Агентство перспективных научных исследований при министерстве обороны (DARPA). В том же году было создано Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Государственные ассигнования на научные исследования существенно возросли.
Самым спокойным человеком в Америке в первые дни после запуска спутника был президент. «Сам спутник, – сказал он спустя пять дней после запуска, – не вызывает у меня абсолютно никаких опасений». Тогда, в разгар рецессии, Эйзенхауэра больше заботила возможность безудержного увеличения бюджетных расходов. Он отклонил предложения по самолетам на ядерной тяге и космическому кораблю на ядерной тяге, который предполагалось запустить на Луну, пояснив: «Мне, конечно, хотелось бы узнать, что там на другой стороне Луны, но я не выделю средства на это в текущем году».
Спокоен он был отчасти потому, что знал: у США есть своя программа по созданию ракет и спутников, даже несколько конкурирующих программ под крылом разных военных служб. Эйзенхауэр сознавал, что Америке очень важно запустить в космос свой спутник и сделать это как можно быстрее. При первой попытке запуска, в декабре 1957 г., ракета-носитель со спутником взорвалась спустя всего две секунды после старта. Спутник этот окрестили «капутником». А вот второй спутник, Explorer I, успешно вышел на орбиту в январе 1958 г., правда, он был очень примитивным. По-прежнему требовался такой спутник, который восприняли бы всерьез8. Это означало, что нужно ускорить осуществление программы Vanguard, которая предусматривала выведение на орбиту исследовательского спутника в 1958 г. в рамках Международного геофизического года.
Но вокруг программы Vanguard разгорелись серьезные дебаты. Откуда спутник Vanguard будет получать электроэнергию на орбите? ВМС, в ведении которых находилась программа, хотели использовать традиционные химические аккумуляторы. Но у этой идеи появился противник в лице немецкого ученого Ханса Циглера, который после Второй мировой войны эмигрировал в США, получил американское гражданство и стал работать на вооруженные силы США в сфере средств связи. Когда Циглер посетил лабораторию Bell Labs в штате Нью-Джерси вскоре после изобретения фотоэлектрических преобразователей на основе кремния, он просто влюбился в эту технологию. Уверенный в том, что в конечном итоге главным источником энергии для человека будет солнце, он развернул в вооруженных силах и конгрессе кампанию, нацеленную «на скорейшее использование этого изобретения на благо человечества».
