Замена нефти и газу. Где нашли бесконечный источник энергии
- Микроволновка на орбите
- Звезда в гараже
- Океан энергии
- Пробурить до пекла
Человечество по-прежнему критически зависит от ископаемого топлива, хотя его использование неэкологично, а запасы не бесконечны. С развитием технологий актуальность приобретают альтернативные проекты, которые еще недавно казались фантастическими. В случае их реализации люди могут получить доступ к «неиссякаемым» источникам энергии.
Микроволновка на орбите
Ученых и писателей-фантастов давно будоражит идея перенести сбор солнечной энергии в космос, где он был бы гораздо эффективнее, чем на поверхности планеты. На орбите не бывает смены дня и ночи, как и плохой погоды, поэтому космическая ферма может работать непрерывно. Передавать энергию на Землю предлагают, в частности, с помощью микроволн на специальную антенну (так называемую ректенну).
У концепции космической солнечной энергии (space-based solar power, SBSP) есть несколько существенных недостатков — от необходимости строить гигантское по площади принимающее устройство до возможных протестов людей, которых беспокоит перспектива микроволнового облучения с орбиты. И тем не менее ведущие технологические державы активно работают в этом направлении.
В начале июня китайские ученые провели испытания наземной установки SBSP, сообщается в отчете Университета Сидянь (город Сиань). Стальная конструкция высотой 75 метров — прототип приемника энергии. В ходе тестов исследователям удалось, в частности, передать энергию на уловитель с помощью микроволн. Правда, пока только с расстояния 55 метров. По данным South China Morning Post, в случае дальнейшего успеха Китай запустит космическую солнечную ферму уже в 2028 году.
Космическая солнечная электростанция, разработанная университетом Сидянь (Китай)
Разработки подобной технологии идут и в США. Десять лет назад НАСА представило концепцию SPS-ALPHA («спутника солнечной энергии с произвольно большой фазированной решеткой»), согласно которой орбитальная СЭС также должна передавать энергию на Землю посредством микроволнового излучения.
В 2020-м американцы запустили на орбиту секретный беспилотник X-37B, на борту которого установили 12-дюймовый квадратный фотоэлектрический модуль (PRAM) для проверки жизнеспособности орбитальных солнечных энергосистем, преобразующих свет звезды в микроволновую энергию.
Россия старается не отставать. В начале 2022-го проект солнечной электростанции представили «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). Космический беспилотник площадью 70 квадратных метров накапливает и транслирует солнечную энергию на наземную сеть ректенн с аккумуляторами, которые затем передают электроэнергию по сети. В отличие от китайских и американских коллег, отечественные инженеры предлагают переносить энергию с помощью лазера, а не микроволнового излучения. Независимые специалисты, впрочем, считают этот способ ненадежным. Из-за того, например, что лазерный луч хуже проходит сквозь облака.
Звезда в гараже
Солнце греет нас благодаря происходящему внутри него термоядерному синтезу. Воспроизведение этого процесса в реакторе на Земле дало бы человечеству неиссякаемый источник чистой энергии. К тому же, в отличие от атомных станций, не несло бы угрозы ядерной катастрофы. Мировому научному сообществу до сих пор не удалось построить термоядерную установку, которая производит больше энергии, чем потребляет. Однако в последние годы появилась надежда на перелом. В феврале международный коллектив ученых из лаборатории JET сообщил об успешном эксперименте: за пять секунд они получили 59 мегаджоулей полезной энергии (около 11 мегаватт). В абсолютных значениях это мало, но важен сам факт — он доказывает, что создание таких электростанций в принципе возможно.
Ядерный синтез в Солнце обеспечивается мощнейшей гравитацией, и ее нельзя воспроизвести в земных условиях. Выход — разогреть вещество до температуры в 100 миллионов градусов, что в десять раз больше, чем на Солнце. Но ни один материал, подходящий для строительства реактора, не выдерживает таких температур. Поэтому советские ученые в 1960-х придумали токамак — тороидальную камеру с магнитными катушками, в которой сверхгорячая плазма не соприкасается со стенками.
Сооружение, где будет установлен токамак
В мире сейчас строят несколько токамаков. Один из крупнейших проектов — Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР), который возводят во Франции с участием специалистов из России. Он должен заработать в 2025 году. А к 2030-му в Китае запустят самый большой токамак в мире. Его конструкцию проектируют в том числе ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ).
Тем временем недавно компания Zap Energy из Сиэтла получила инвестиции на сумму 160 миллионов долларов на создание компактного термоядерного реактора FuZE-Q. Он работает на альтернативном принципе: в устройстве под названием Z-пинч два электрода пропускают через плазму сильный ток в направлении оси Z. Ток создает кольцевое магнитное поле, которое сжимает и нагревает плазму. Такая система считается куда менее стабильной, нежели токамак. Но руководители стартапа уверяют, что преодолели недостатки этого подхода. В ходе испытаний устройство выработало силу тока 500 килоампер, тогда как окупаемость возможна при 650 килоампер (согласно расчетам, это предельный показатель мини-реактора). Такие цифры должно обеспечить новое поколение установок. В случае успеха компания обещает наладить массовый выпуск термоядерных реакторов, способных поместиться в гараже.
Океан энергии
Если энергию рек люди осваивали еще в древности, то эффективно генерировать тепло и электричество с помощью морей до сих пор не удавалось. Изменить ситуацию может проект японских инженеров. В начале июня объявили об успешном завершении испытаний подводной турбины, которая использует мощь океанического течения.
Прототип механизма под названием Kairyu весит 330 тонн и представляет собой одиннадцатиметровую турбину, соединенную с двумя цилиндрами, в каждом из которых расположена система выработки электроэнергии. Огромное устройство «парит» под водой, соединяясь с морским дном якорным тросом, по которому вьется силовой кабель. Детище японской корпорации IHI способно изменять положение, подстраиваясь под движение воды так, чтобы производить энергию максимально эффективно.
Устройство турбины Kairyu
Машину испытывали в тихоокеанском течении Куросио у юго-восточного побережья Японии. Согласно заявлению IHI, эта морская «река» могла бы дать 205 гигаватт электроэнергии — ровно столько генерируют сейчас во всей стране. Но сделать это непросто. Самые быстрые воды находятся у поверхности, однако разместить там электростанции проблематично из-за частых тайфунов, во время которых высота волн достигает порой 20 метров.
Стремясь избежать разрушительного воздействия стихии, Kairyu спроектировали так, чтобы механизм держался на безопасной, но продуктивной глубине — около 50 метров под поверхностью воды.
Принцип работы турбины Kairyu
Выяснилось, что при скорости течения в один-два метра в секунду (два-четыре узла) Kairyu способен производить 100 киловатт мощности. Это довольно мало по сравнению со средним показателем оффшорной ветряной турбины — 3,6 мегаватта. Однако вдохновленные успехом японские инженеры теперь планируют испытать более крупную модель — с двадцатиметровой турбиной, которая может генерировать два мегаватта энергии.
Согласно плану компании-производителя, ферма подобных генераторов, подающая электричество в сеть, появится в следующем десятилетии.
Пробурить до пекла
Потенциально бесконечный источник энергии — буквально у нас под ногами. Речь о геотермальной энергии. И воспользоваться ею могут не только жители вулканически активных регионов, например Исландии и Камчатки: горячее нутро планеты способно дать свет и тепло каждому, кто достаточно глубоко копнет. На трех километрах закипает вода, на одиннадцатом — плавится свинец (327°С), на двадцатом — алюминий (659°С), на шестидесятом — платина (1773°С).
Полный тепловой поток изнутри Земли — примерно 26 тераватт. Это в десять раз больше энергии, чем можно добыть из всех предполагаемых запасов угля, нефти и природного газа. Однако сегодня доля геотермальных источников в мировой генерации электроэнергии менее 0,5 процента.
Есть несколько проектов по развитию этого мало освоенного направления. Один из самых ярких — американский стартап Quaise, который планирует добывать энергию на глубине в 20 километров. Весной Quaise, дочерняя компания Массачусетского технологического института, привлекла финансирование в размере 63 миллионов долларов.
Бурение на такую глубину — сложная инженерная задача. Необходимо придумать, как перемолоть материал, сжатый десятками километров верхней породы, а затем поднять его на поверхность. И все это при крайне высоких температурах. Рекорд, достигнутый на Кольской сверхглубокой скважине, составляет около 12,3 километра.
Подъем 12-километрового бура. Кольская сверхглубокая скважина
Американская компания нашла выход в приборе под названием гиротрон, изобретенном в советское время в Научно-исследовательском радиофизическом институте (город Горький). Это электровакуумный СВЧ-генератор, который, по мысли инженеров, может плавить твердую горную породу, которую затем легче будет выкапывать. Подключив мегаваттный гиротрон к новейшим режущим инструментам, Quaise рассчитывает достичь заявленной глубины за несколько месяцев.
На этом уровне порода нагревается до 500°С — достаточно, чтобы преобразовать перекачиваемую туда воду в парообразное сверхкритическое состояние, которое идеально подходит для выработки электроэнергии.
По плану рабочее устройство будет готово в течение следующих двух лет, а к 2026-му появится система, производящая электроэнергию. Еще через два года компания надеется приобрести старые угольные электростанции, превратив их в объекты, работающие на пару.
Стоит отметить, что у геотермальной энергетики есть серьезные недостатки. Добыча тепла из-под Земли может спровоцировать землетрясения, загрязнение подземных вод, токсичные выбросы. Неизвестно, к каким последствиям приведет развитие нового проекта, поскольку так далеко вглубь Земли еще никто никогда не забирался.