Но даже и в этом случае электроэнергии можно получить в 12 500 раз больше, чем теперь. Если так и сделают, то на одного человека при сегодняшней численности населения Земли придется не по 0,1 квт, а по 1250 квт. Даже если население резко увеличится, и тогда не будет оснований обижаться на энергетиков: при десятикратном увеличении численности людей на душу населения придется 125 квт. Куда уж богаче!

Но это далекий-далекий предел, к которому, повторяем, люди, возможно, не будут и стремиться. Как, однако, они собираются просто улучшать сегодняшнее положение, за счет чего думают извлекать столь нужные им киловатт-часы?

Термоядерные электростанции — это дело будущего, хотя бы и не столь далекого. Есть и другие способы добывать электроэнергию; да и в будущем рядом с термоядерными электростанциями, несомненно, будут действовать другие, основанные на иных источниках энергии.

Исторически не так еще давно всего три стихии — огонь, ветер и вода — были чуть ли не единственными известными человеку источниками энергии. Теперь их гораздо больше.

Среди важнейших современных источников — реки и многочисленные топлива, ископаемые и неископаемые: уголь, нефть, природный горючий газ, горючий сланец, торф, дрова. Делаются попытки запрячь в колесницу человеческого прогресса «новые» стихии: солнечное излучение, приливы океанов, внутреннее тепло Земли. Работает и ветер. Применяется пока что и мускульная энергия человека и его домашнего скота — источник, некогда игравший основную роль в преобразовании природы. Можно назвать и другие источники…

Лет тридцать назад разным видам энергии любили давать названия «цветных углей»: энергия водопадов — «белый уголь», ветра — «голубой уголь» и т. д. Потом почти перестали — много условного. А зря! Условности, конечно, есть, но есть и определенные удобства. Цвета «углей» напоминают их происхождение. «Голубой» — вызывает в памяти образ неба, «красный» — цвет огнедышащего вулкана, «желтый» — солнца, «перламутровый» — переливы пролитой нефти или керосина и т. д. Похоже по существу и поэтично.

Давайте же восстановим образы! Где не было «угля» и цвета, придумаем название. Атомную энергию (расщепляющие материалы) назовем «оранжевым углем» — напоминает цвет урана. Водородно-ядерному горючему (дейтерий, тритий) название придумать трудно, потому что горючее физически не имеет цвета. Что ж, его можно назвать «бесцветным углем».

Не будем отождествлять с цветами спектра мускульную энергию. Как к элементу жизни, к ней неуместно применение терминов неживого. К тому же это отмирающий источник промышленной энергии, он скоро полностью исчезнет.

Еще ряд общих замечаний, и мы рассмотрим основные количественные и качественные характеристики «цветных углей».

При всем своем многообразии известные нам источники энергии могут быть разбиты на четыре группы: вызванные солнечным теплом и светом (все виды топлива, кроме ядерного, солнечная радиация, ветер, реки, тепло морей и океанов, мускульная энергия); вызванные вращением Земли и лунным притяжением (приливы и отливы); вызванные известными нам ядерными перестройками (атомная и термоядерная энергия); последняя группа — внутреннее тепло Земли.

С другой стороны, есть «угли» невосполняющиеся, ограниченные в своих запасах, и есть восполняющиеся ежегодно, то есть в известном смысле неограниченные (они ограничены лишь ежегодной нормой расхода: нельзя, например, сжечь больше дров, чем это позволяют природные ресурсы). Невосполняющиеся — это ископаемое топливо, включая сырье для атомных электростанций (расщепляющиеся материалы) — уран и торий. Восполняющиеся, условно неограниченные — все остальные.

Вообще говоря, к ограниченным источникам относится и сырье для будущих термоядерных электростанций. Однако энергии в них запасено так много, что мы их будем считать неограниченными источниками, поставим в один ряд с источником солнечной энергии.

Люди привыкли иметь дело с ограниченными источниками энергии (хотя и считали их неограниченными). Но, не говоря уж о том, что сжигать их — пережиток (все равно что сжигать ассигнации, деньги, как выразился Д. И. Менделеев), их просто мало: хватит на несколько столетий.

Ученые, инженеры направляют теперь свои усилия на то, чтобы поскорее научиться извлекать энергию из тех неограниченных источников, из которых или еще не умеют ее извлекать, или делают это плохо. Пора кончать с расточительными привычками предков, пора установить с природой связь не одностороннюю — на истощение одного партнера, а двустороннюю, основанную на взаимности; природа обеспечивает людей источниками энергии, люди делают все от них зависящее, чтобы отданное природой возвращалось к ней обильным и доброкачественным.

— Человек тоже тело природы, — говорил один учитель. — Берегите природу, если себя сберечь хотите. Одно взяли, другое отдайте. Греетесь ее угольком — деревцо посадить не забудьте.

Какими запасами энергии располагает все человечество? Каждый год на это отвечают чуточку иначе: находят новые источники, уточняют и исправляют данные по старым… Перелистаем различные — не только наши, но и зарубежные — журналы, газеты, справочники и энциклопедии последних лет, включая год выпуска настоящей книги (1970). Выпишем то, что говорится в них о мировых запасах топлив. Отбросим сомнительные данные, прикинем на глазок, где современных данных нет, но известно, какую долю в общем энергетическом балансе, в общих мировых запасах составляло интересующее нас топливо несколько лет назад. конце концов мы получим приблизительный ответ на вопрос, который задавали.

Разберем полученное.

Посмотрим сперва, как обстоит дело с невосполняющимися, ограниченными источниками энергии.

Невосполняющиеся (ограниченные) источники энергии

таблице собраны последние результаты поисков источников энергии, прячущихся в земле. Разведанные запасы переведены по общей емкости энергии в квт-ч. предпоследней графе указано, сколько энергии в среднем находится в килограмме топлива: эта величина, характеризующая объемную плотность энергии, называется еще теплотворной способностью и по традиции выражается в килокалориях. последней графе — максимально достигаемая теперь (во всяком случае, в массовых масштабах) доля всей энергии, которую удается превратить в электричество.

Как видно, самым богатым источником энергии среди ископаемых топлив являются расщепляющиеся материалы. Считают, что одного из этих материалов — активного урана (урана-235) — 2 миллиона тонн, а другого — тория — 2,74 миллиона тонн. Всего получается 4,74 миллиона тонн.

1 килограмме урана содержится, как известно, 8·10¹³ дж, или 18,9 миллиарда ккал, или 22 миллиона квт-ч энергии (в 2,7 миллиона раз больше, чем в 1 килограмме угля). Это дает общую энергоемкость запасов расщепляющихся материалов 10¹⁷ квт-ч.

К. п. д. атомных электростанций невелик, и мы его принимаем равным 17 %.

Запасов каменного угля на Земле примерно 10 тысяч миллиардов тонн. Считая среднюю теплотворную способность угля 7000 ккал/кг, что соответствует 8,1 квт-ч, делаем отсюда вывод, что всего в земле, в не извлеченных пока еще на-гора угольных массивах, затаено для человека 81 миллион миллиардов квт-ч энергии.

Если уголь содержит в себе еще сравнительно большие запасы киловатт-часов, не очень сильно отличающиеся от запасов атомного горючего, то с остальными ископаемыми топливами дело хуже: сланец, торф, природный горючий газ и нефть таят в себе все, вместе взятые, гораздо меньше энергии, чем один только уголь.

С расчетами этих «цветных углей» дело обстоит сложнее: временами появляются в газетах радующие сознание известия, что то тут, то там открыли новый источник энергии. Богатые, например, запасы нефти открыты в Сибири и в Татарии. Сибири нашли и газ, чего там никогда не видывали. И все же, чтобы не пропустить и эти «цвета» энергии, мы поступим так: воспользуемся соотношением между различными топливами, существовавшими до последнего времени (по опубликованным данным), и, ориентируясь на уголь, высчитаем количества энергии в сланцах, нефти и т. д. Думаю, что принципиальной ломки указанных там соотношений не произошло и вряд ли она произойдет в ближайшем будущем. Для приблизительных подсчетов это подойдет.

Соотношения таковы. Если все запасы ископаемого топлива (кроме ядерного) на Земле выразить в тепловых единицах и принять за 100 %, то:

95,4 % этого тепла будет заключено в каменном и буром угле,

2,4 % — в горючем сланце,

1,9 % — в торфе,

0,3 % — в нефти и в естественном горючем газе (обычно связанном с нефтяными месторождениями).

Выходит, что если 95,4 % соответствует 81·10¹⁵ квт-ч энергии, содержащейся в мировых запасах каменного и бурого угля, то энергии во всем горючем сланце на Земле (2,4 %) — 2·10¹⁵ квт-ч, в торфе — 1,6·10¹⁵ квт-ч, а в нефти и природном газе только 25·10¹³ квт-ч.

таблицу «Восполняющиеся (неограниченные) источники энергии» сведены все основные данные по таким источникам энергии, которые практически вечны, то есть могут считаться неограниченными, если, разумеется, использовать их целесообразно, не переходя известных пределов.

Восполняющиеся (неограниченные) источники энергии

1 Энергия всего дейтерия на Земле.

Здесь лишь запас «бесцветного угля» — топлива для будущих термоядерных электростанций — может быть подсчитан до конца и выражен определенным числом. По остальным источникам энергии мы показали, какое количество киловатт-часов они способны безболезненно отдавать людям ежегодно.

Вот краткие пояснения ко всем девяти «цветным углям».

«Бесцветный уголь». Топливом для будущих термоядерных электростанций являются тяжелые разновидности (изотопы) легчайшего элемента — водорода. Эти разновидности — дейтерий и тритий. Тритий в природе практически не существует, он получается искусственным путем, дейтерия же в общей сложности очень много. На каждые 5–6 тысяч молекул воды морей, океанов, рек приходится одна молекула «тяжелой воды»; в ней вместо обыкновенного водорода — тяжелый водород: дейтерий.

каждом литре, или килограмме, воды содержится около 0,02 грамма дейтерия. Кажется, немного, а теплотворная способность этой порции соответствует 3800 квт-ч, то есть теплотворной способности примерно 300 литров бензина. Это значит, что если бы все наши океаны, моря, озера и реки были бы наполнены не водой, а бензином, то в этом случае мы оказались бы беднее энергией раз в триста против того, чем фактически располагаем (точнее, будем располагать, когда научимся использовать дейтерий как топливо для электростанций).

Приняв во внимание общий вес воды во всех земных водоемах 14·10²⁰ килограммов, мы с помощью простых арифметических действий получим, что общие запасы термоядерной дейтериевой энергии на Земле близки к 5·10²⁴ квт-ч — в 50 миллионов раз больше запасов расщепляющихся материалов.

Если положить ежегодные затраты на выработку энергии для всевозможных нужд в 5·10¹⁵ квт-ч, то есть в 100 раз больше современной ежегодной выработки, то получится, что дейтерия в качестве топлива для электростанций хватит на миллиард лет.

«Желтый уголь». Солнечные лучи — родоначальник большинства других восполняющихся источников энергии. Это солнечные лучи, как мы говорили, поддерживают постоянную многоводность рек. Это они, неравномерно нагревая атмосферу, приводят к различию ее плотностей и тем порождают ветер. Каменный и бурый уголь, торф, нефть, природный газ — все это аккумуляторы солнечной энергии: они образовались в далекие или недалекие времена в результате поглощения лучистой энергии листьями и стеблями растений.

«Запасы» солнечной энергии во много раз превосходят все остальные восполняющиеся источники. Струясь непрерывным благодатным потоком на Землю, солнечные лучи приносят на каждый квадратный метр земной поверхности в среднем 1 квт мощности. Если это перевести в энергию, учтя неравномерность солнечного освещения в зависимости от времени года и дня, а также от географической широты, то получается, что годовой приход солнечной энергии на Земле составляет 15·10¹⁶ квт-ч. Это в десятки тысяч раз больше той энергии, которую вырабатывают сейчас все электростанции планеты.

За три минуты Солнце дает столько энергии, сколько расходуется ее на нашей планете за год.

К сожалению, к солнечной энергии, как к никакой другой, подходит выражение: «По усам течет, а в рот не попадает». Очень трудно сконцентрировать эту наиболее обесцененную из-за ее равномерной рассеянности энергию. Вогнутые зеркала и зачерненные поверхности для поглощения солнечной энергии, кассеты со светочувствительной жидкостью и другие ловушки солнечных лучей — все это не дает пока желаемого эффекта.

Только в самые последние годы в этом смысле появились перспективы: стали создавать полупроводниковые генераторы, способные превращать лучистую энергию в электричество. К. п. д. их сравнительно (против обыкновенных гелиоустановок) высок — до 11 %.

Недавно был обнаружен аккумулятор солнечных лучей буквально у нас над головой — в верхних слоях атмосферы. Выяснилось, что на высоте 150–200 километров над землей кислород под действием солнечных лучей находится не в молекулярном, как обычно, а в атомарном состоянии — его молекулы расщеплены на атомы. Расщепленные атомы сравнительно нетрудно объединить снова. Зачем? При этом выделяется немалая энергия. Ее запасы таковы, что если взять на той высоте пятидесятикилометровый слой, то он способен дать энергию 10¹² ккал — столько, сколько освобождается при сгорании нескольких миллионов тонн угля.

Впрочем, и здесь тот же недостаток, что у солнечной радиации, — малая объемная плотность.

«Зеленый уголь». Растения, их зеленые листья, стебли и лепестки — это разбросанные по всей планете маленькие фабрики по переработке молекул воды и углекислого газа при помощи энергии солнечных лучей в органические вещества с большим запасом энергии в молекулах.

Процесс этот имеет малый к. п. д. — всего 1 %, но в целом ежегодно улавливаемая от Солнца и запасаемая растениями энергия составляет около 2 миллионов миллиардов квт-ч. Это в сотни раз выше выработки энергии всеми электростанциями Земли. Если бы, не касаясь основных зеленых фондов, люди научились использовать (сжигая, как дрова, перерабатывая сперва на горючий газ, и т. д.) ¹/₁₀ энергии растений, это давало бы ежегодно 2·10¹⁴ квт-ч.

«Синий уголь». Приливы и отливы обладают довольно большой общей мощностью. К сожалению, заставить их работать на человека пока довольно трудно: они «пульсируют» и поэтому не могут дать равномерного притока энергии. Приходится создавать новые типы горизонтальных турбин, работающих в четырех режимах: турбинном и насосном, один раз при прямом, другой раз при обратном направлениях потока через машину. Есть и другие технические трудности, о которых здесь можно не распространяться.

Затрудняет использование энергии приливов и то, что береговая линия морей очень вытянута, а также, что не везде приливы достаточно высоки. При небольшой же высоте объемная плотность энергии воды невелика, добывание энергии становится невыгодным.

Пока в различных странах (Аргентина, Франция и др.) работают небольшие приливные электростанции (ПЭС), крупнейшая из них — недавно пущенная около порта Сен-Мало (Франция). Строительство очень крупной — на 340 тысяч квт — ПЭС заканчивается во Франции на северо-западном побережье, в устье реки Ранс (высота приливов достигает там 8–9 метров).

На долю нашей страны приходится небольшая часть приливной мощности земного шара: 72 миллиарда квт из примерно 8000 миллиардов квт. СССР строится в Кислой Губе, в районе Мурманска, первая ПЭС. На основе ее опыта будут сооружены уже проектируемые приливные электростанции в Лумбовском и Мезенском заливах Белого моря.

«Белый уголь». Энергия текущей, в частности падающей воды — один из стариннейших источников обузданной энергии. Древнегреческий поэт Антипатр настолько был восхищен водяным колесом, что воспел его в следующих стихах:

«Дайте отдых своим рукам, о работницы, и спите безмятежно! Напрасно будет петь петух, возвещая вам о наступлении утра. Део поручила работу девушек нимфам, и они легко теперь прыгают по колесам, так что сотрясаемые оси вертятся вместе со своими спицами и заставляют вращаться тяжелый жернов. Будем же жить жизнью отцов и без труда наслаждаться дарами, которыми нас наделила богиня».

Тысячи лет водяные колеса были основными преобразователями энергии падающей воды. И лишь с конца прошлого столетия их стали вытеснять, пока не вытеснили почти совершенно, водяные турбины — колеса с изогнутыми лопастями, вращающиеся под влиянием напора протекающей через них воды.

настоящее время гидроэлектростанции (ГЭС) вырабатывают примерно 7 % всей мировой электроэнергии. Эта сравнительно небольшая цифра бесспорно будет расти, особенно у нас в Сибири и на Дальнем Востоке. Могучие реки наших восточных областей — Обь, Ангара, Лена, Енисей, Амур — и их многочисленные притоки несут в себе запасы «белого угля», в девять раз превышающие запасы всех остальных рек страны.

Мощность всех рек земного шара составляет примерно 4 миллиарда квт. Это значит, что ежегодно они способны вырабатывать 4 х 10⁹ х 8760 (число часов в году) приблизительно 35·10¹² квт-ч энергии. Фактически же используется лишь 1 %.

Потенциальная мощность рек Советского Союза — 400 миллионов квт, а используется пока около 20 миллионов квт.

Чтобы получить расчетную плотность энергии речной воды, взяты данные Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина. Турбины, установленные там, развивают мощность каждая 75 тысяч квт при расчетном напоре 36,3 метра. Максимальный расход воды — 240 кубометров в секунду.

Итак, 240 кубометров, или тонн, падающей воды вырабатывают 75 тысяч квт-сек, или 75 000 : 3600 = 20,8 квт-ч электроэнергии. Но 1 квт-ч равен 861 ккал. Значит, в переводе на килокалории 240 тысяч килограммов воды на Днепровской ГЭС вырабатывают 20,8 х 861 = 17 900 ккал. С учетом к. п. д. — 94 % — плотность этого источника энергии составляет: ^17 900/_{240 000 х 0,94} = 0,083 ккал/кг.

«Голубой уголь». Океан газов, омывающий нашу Землю, весит 5·10¹⁵ тонн. Огромные газовые массы заряжены а соответствующей энергией: полная кинетическая энергия их движений равна примерно 10²⁰ дж (то есть 28·10¹² квт-ч). А используется эта мощь людьми крайне недостаточно.

Ветер как источник энергии стал применяться много раньше, чем энергия каменного угля и нефти. Когда-то ветряные и водяные мельницы были чуть ли не единственными промышленными механизированными предприятиями Европы. Сейчас их, однако, много только в странах, бедных другими видами энергии, например в Голландии.

Главный недостаток ветряных двигателей — именно их «ветреность», непостоянство: количество вырабатываемой ими энергии зависит от случайностей и потому неравномерно. Инженер, работающий на ветросиловой установке, похож на рыбака на паруснике в открытом море: он может попасть в штиль, сидеть сложа руки и ожидая ветра; может, наоборот, оказаться в страшном шторме.

Многие из-за непостоянства голубой стихии не верят в будущее воздушной энергетики. Есть, однако, идеальные условия для работы ветряков. Академик А. И. Берг однажды привел пример возможного использования «голубого угля»: подъем воды на поля из глубоководных подземных морей Казахстана. Эта республика стоит на воде, а по ее степям и пустыням «бродит» неприкаянный ветер. Почему бы ему не дать хорошую работу, почему не создать на плодородных, но сухих пространствах этой большой среднеазиатской республики лес ветросиловых установок, высасывающих подземную воду для полей? Тем более, что как раз здесь строгой периодичности, постоянства ветра вовсе и не нужно.

За образец для расчета плотности энергии воздушного потока принята установка, работающая с учетом скорости ветра в 13,3 м/сек. этом случае 1 килограмм воздуха несет в себе 6,7 ккал энергии.

Смирить как-то ветер, направить его в русло порядка, сделать бесперебойным источником полезной для людей энергии — задача, которую еще предстоит решить.

«Красный уголь». На Земле свыше 400 действующих вулканов, множество гейзеров и других горячих источников. Энергия рвется из глубоких недр, ее там много. Но пока «красный уголь» не нашел себе еще достаточного и достойного применения.

Сравнительно давно работающая геотермическая установка расположена в городе Лордерелло в Италии. Вырывающийся из земных недр пар с довольно высокой температурой и под значительным давлением очищается и пускается на лопасти паровых турбин. Тепловая плотность пара — 670 ккал/кг. других местах подземное тепло идет просто на отопление домов. Так, столица Исландии — Рейкьявик — отапливается вообще исключительно таким теплом. Удачные опыты в том же направлении ведутся в некоторых городах Советского Союза: в Грозном, Махачкале, Тбилиси и др.

Первая опытная электрогеотермическая станция на 5 тысяч квт построена на Камчатке на горячих источниках Паужетской долины, в 300 километрах от Петропавловска. Там же, недалеко от местечка Паратунки, строится Больше-Банная геотермическая электростанция мощностью 25 тысяч квт.

У «красного угля» большое будущее и как у источника энергии, способной вырабатывать электричество. Принципиально этот источник энергии позволяет строить электростанции мощностью до 10–20 миллионов квт.

«Фиолетовый уголь». Использование термической энергии морей основано на температурной разнице в 10–20 градусов между верхними и нижними слоями воды в некоторых жарких странах. Электрическую энергию можно вырабатывать с помощью термоэлементов, помещаемых в холодный и теплый слои воды. Есть и другой способ: создавать вакуум в котле и пускать туда горячую воду; она будет превращаться в пар при температурах меньше обычной точки кипения; если такой пар пропускать через лопасти турбины, а затем охлаждать холодной водой, получится настоящая установка, способная вырабатывать электрический ток.

Именно такая установка построена в Абиджане — столице Берега Слоновой Кости (Западная Африка). Для турбин мощностью 7 тысяч квт там требуется около 30 тысяч кубометров в час глубиной воды с температурой 8 градусов (температура же поверхностной воды колеблется от 26 до 30 градусов). Плотность энергии получается очень низкой — 14 ккал/кг. Другие недостатки этого способа извлечения энергии — крайняя ее рассеянность, а также низкий к. п. д. — 1–1,4 %.

Мускульная энергия. Три с лишним миллиарда человек — сегодняшнее население Земли — владеют примерно равноценным по физической силе поголовьем тяглового скота. Общая приблизительная годовая энергетическая отдача грубой силы работающих существ составляет не больше 3 миллиардов квт-ч. Однако и это число практически стремится вниз: машины повсеместно, хотя и не всюду одинаково быстро, принимают на себя физические работы.