Альтернативные источники энергии человечества

Альтернативные источники энергии человечества

Введение

Человечество вступило в третье тысячелетие. Чем оно будет ознаменовано? Что ждет человечество в 21 веке? Многие глобальные проблемы, решить которые человек должен во что бы то ни стало.

Ученые – статисты подсчитали, что уже к 2050 году численность населения на Земле увеличится почти в 2 раза и составит 10 – 11 миллиардов человек. Причем 94% прироста дадут развивающиеся страны и только 6 % - развитые страны. Кроме того, авторы ряда прогнозов полагают, что наука в скором времени сумеет установить контроль над процессами старения и существенно увеличит среднюю продолжительность жизни человека. Если это произойдет, то вопрос о численности населения в 21 веке необходимо пересмотреть в сторону его резкого увеличения.

Какие же проблемы возникнут перед человечеством в связи с ростом его численности?

В первую очередь, нужно всех накормить. Даже сейчас около 50 миллионов человек ежегодно умирают от голода, более 600 миллионов голодают. А для обеспечения нормальным питанием 11-миллиардного населения необходимо увеличить производство продуктов питания более чем в 10 раз.

Немаловажной станет проблема поиска энергии и сырья для обеспечения 11 миллиардов человек. Чтобы в полной мере обеспечить каждого человека в будущем, нужно будет увеличить в несколько раз добычу сырья и топлива.

Вряд ли Земля способна выдержать такую нагрузку!

А проблема загрязнения окружающей среды? Наращивая темпы производства, мы не только обедняем земные ресурсы, но и постепенно изменяем климат нашей планеты. Выбросы в атмосферу углекислого газа заводами, электростанциями, машинами могут привести к парниковому эффекту, т. е. к увеличению средней температуры на Земле. А это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана и, конечно же, неблагоприятно скажется на жизнедеятельности человека.

Ядерное оружие и атомная энергия уже сейчас доставляют проблемы захоронения радиоактивных отходов.

Одним из решений всех этих глобальных проблем является космос.

Переместим заводы в космос, там же добудем энергию, освоим Луну, Марс…

И оживут страницы научно-фантастических романов и фильмов. А почему бы и нет?!

1. Энергия из космоса.

В настоящее время 9/10 всей энергии люди получают, сжигая топливо в котлах электростанций, в автомобильных двигателях, в печах домов.

Бурное развитие промышленности и быстрый рост населения Земли вызывают увеличение потребности в топливе и рост его добычи.

Удвоение потребления энергии происходит примерно через каждые 20 лет. Совершенно естественно возникает вопрос: на сколько лет хватит природных ресурсов для быстрорастущих нужд земного шара? По прогнозам ученых, углем человечество обеспечено на 100-150 лет, запасов нефти хватит на 40-50 лет, а запасы газа будут израсходованы уже через 30-40 лет. сегодняшнюю атомную энергию следует также отнести к исчерпаемым источникам.

Теоретически проблему поиска энергии решили еще в 30-х годах 20 века. Когда была осуществлена ядерная реакция (реакция, при которой тяжелое ядро распадается на два легких и выделяется энергия), ученые обнаружили и ее противоположность - - реакцию термоядерного синтеза. Термоядерная реакция заключается в соединении ядер двух легких элементов, например, дейтерия и трития, вследствие чего выделяется колоссальная энергия, в несколько раз большая, чем при ядерной реакции.

По общему мнению, именно реакция термоядерного синтеза может стать основой энергетики будущего. К великому сожалению, от «может быть» до «стала» дистанция огромного размера. Дело в том, что для осуществления управляемой термоядерной реакции ядро нужно нагреть до нескольких миллионов градусов, затем удержать неминуемый взрыв, «растянуть» его и заставить отдавать энергию не мгновенно, как в водородной бомбе, а в течение длительного времени.

Осуществление управляемой термоядерной реакции в настоящее время является грандиозной задачей науки.

Предположим, что эта задача решена. Тогда будущая энергетическая индустрия сможет обеспечить любое нужное ей количество энергии. Но не так все просто. Дело в том, что существует предел производства энергии, перешагнув который, человечество будет готовить себе погибель. Рост производства энергии приведет к перегреву Земли и атмосферы.

За последнее столетие идет устойчивый рост энергопроизводства – в среднем 3% в год. При таком темпе потребуется всего 50-60 лет для достижения предела теплового загрязнения планеты. С освоением термоядерной энергии темпы роста энергопроизводства еще более увеличатся, что существенно сократит и этот срок. Темп производства энергии будет возрастать не только за счет НТП в целом, но и за счет увеличения населения. При численности населения 11 миллиардов человек тепловой порог будет превышен на 30%, что приведет к необратимому действию на климат планеты.

Один из радикальных путей преодоления указанных трудностей состоит в переходе от «двумерной» индустрии на поверхности планеты к «трехмерной» - переносу значительной части энергетики, а также некоторых энергоемких производств в космос.

Представим себе космическую электростанцию на расстоянии 36000 километров от Земли – на стационарной орбите. Такая станция будет освещаться солнечными лучами более 99% времени. При этом поверхность солнечных батарей площадью 1 м² будет получать каждую секунду от Солнца около 1400 джоулей энергии, и даже если только 18% солнечной энергии удастся преобразовать в электрическую, то солнечная космическая электростанция с двумя солнечными батареями размером 6х4 километров каждая, будет иметь мощность 10 миллионов киловатт. При этом масса батарей площадью 48 км² составит примерно 50000 тонн, масса всей электростанции 70000 тонн.

Рис. 1 Солнечная космическая электростанция (СКЭС)

Предположим, что мы сумели произвести электроэнергию в большом количестве. Но как передавать миллионы киловатт-часов на Землю?

Есть два способа беспроводной передачи больших мощностей на дальние расстояния: посредством либо лазерного луча, либо высокочастотного излучения.

Наиболее реален, пожалуй, второй способ. На Земле монтируется чаша приемной антенны, которая принимает высокочастотное излучение, преобразует его в обычный переменный ток и передает потребителю.

Данный проект базируется на реальных расчетах и экспериментах. Для сборки, развертывания, доставки на рабочие орбиты и обслуживания космической электростанции потребуется создание специальных транспортных и сборочно-монтажных комплексов, а также мощных носителей, способных выводить на орбиту грузы массой до 100 и более тонн в сотни раз меньше стоящих, чем сейчас.

Рис. 2 Передача электроэнергии на Землю

Одним из возможных путей преодоления трудностей является использование Луны и астероидов в качестве поставщиков строительного материала. По оценкам специалистов, космическая электростанция на 90% может быть изготовлена из лунных и других внеземных материалов. В этом случае отпадает необходимость в выведении с Земли больших грузов, снижается проблема засорения атмосферы.

Однако тогда в космическом пространстве должны быть созданы эффективные системы добычи, переработки и транспортировки сырья, производственные и сборочные комплексы, что потребует в свою очередь создания больших орбитальных станций.

Существует еще принципиально другой способ разрешения основных проблем, мешающих широкому развитию космических энергетических систем. Идея этого способа заключается в том, что космические электростанции создаются не у Земли, а в областях, приближенных к Солнцу, например, на расстоянии орбиты планеты Меркурий. Тогда солнечных батарей потребуется почти в 100 раз меньше, чем для электростанции, расположенной на орбите Земли.

Интерес вызывает также предложение о вынесении приемных устройств с поверхности Земли в стратосферу, что позволит осуществить эффективную передачу в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. При этом резко сократятся размеры передающих и приемных антенн, существенно снизятся затраты на создание систем приема и передачи энергии. Подъем приемной антенны предполагается осуществить с помощью аэростатических аппаратов (дирижаблей) большой грузоподъемности, управляемых автоматически.

Итак, принципиальная схема космической электростанции ясна. С точки зрения техники можно было бы приступить к ее конструктивной разработке уже сегодня. Тормозит это стоимость проекта.

Если бы космические электростанции стали строить при современном уровне техники, то стоимость полученной электроэнергии была бы в 200 раз дороже электроэнергии, получаемой от тепловых, атомных электростанций. Однако прогресс науки и техники может существенно изменить размер капиталовложений.

За последние 20 лет масса и стоимость солнечных батарей значительно снизились. Именно стоимость солнечных батарей и их доставки на орбиту определяет стоимость космической электроэнергии. Процесс удешевления не остановился – цена 1 м² солнечных батарей может быть снижена еще в 10 раз. По прогнозам специалистов, КПД солнечных батарей можно существенно увеличить, изготавливая их из сульфида кадмия или арсенида галлия.

Таким образом, можно сделать вывод: создание солнечных космических электростанций представляет собой реализуемую задачу, на пути решения которой нет непреодолимых трудностей. А если все народы планеты возьмутся за этот проект, то энергетическая проблема в скором времени будет решена.