О чем рассказывает свет

Суворов Сергей Викторович

Естественно, что научная мысль все более обращалась к исследованию солнечной энергии и ее роли на Земле. Уже давно стало ясно, что Солнце и другие звезды являются источником колоссальной энергии. Эта энергия в виде света переносится в мировое пространство на огромные расстояния, исчисляемые миллиардами световых лет.

Наше Солнце за одну секунду испускает в мировое пространство энергию, которая, по подсчетам С. И. Вавилова, эквивалентна массе в 5 миллионов тонн. На Землю падает лишь небольшая ее часть, равная примерно сорока тысячам миллиардов больших калорий. Но и эта энергия чрезвычайно велика. Ее хватило бы, чтобы нагреть от 0° С и затем испарить более 75 миллионов тонн воды в секунду, а за сутки — 6500 миллиардов тонн. Нигде больше в природе на Земле человек не встречается с таким огромным количеством энергии.

Что

же делается с этой энергией на Земле?

Два круговорота вещества и энергии на Земле

Достигнув Земли, солнечная энергия способствует осуществлению на ней ряда процессов, без которых была бы невозможна органическая жизнь в ее высокой стадии. Особенно замечательны два круговорота веществ и энергии на Земле, происходящие под действием солнечного света.

Один из них — круговорот воды. Он связан с тепловыми действиями света. Солнечный свет нагревает и испаряет воду, поднимает с поверхности рек, морей и океанов и из почвы миллионы и миллионы тонн воды до верхних слоев атмосферы. Создавая в атмосфере, опять-таки благодаря тепловому действию, разность температур и давлений, он перемещает эти тонны воды, распределяет ее по всем широтам и долготам и способствует ее выпадению на поверхность Земли в виде осадков. В силу этого непрерывно питается почва и земные водоемы, не пересыхая, текут реки, вода снова и снова стремится перейти на низший уровень. На этой основе создана гидроэнергетика. В ней человек использует в конечном счете не что иное, как преобразованную солнечную энергию.

Но полезная работа солнечного света не ограничивается только этим. Растворяя различные соли в почве, вода способствует усвоению растениями различных питательных веществ, необходимых для их роста. Без этого круговорота воды, вызываемого действием солнечного света, жизнь на Земле была бы невозможной.

Солнечный свет вызывает на Земле и другой не менее важный круговорот — круговорот углерода и кислорода. Он связан с химическими действиями света.

Углерод С необходимо входит в состав органических клеток животных и растений и их преобразованных остатков — угля, нефти, древесины и пр. С другой стороны, повсюду в природе сгорание этого элемента, т. е. его соединение с кислородом О (окисление), дает энергию, необходимую для жизнедеятельности организмов, а равно и для производственной деятельности человека.

Сгорание углерода, а следовательно, уменьшение в природе свободных углерода и кислорода происходит всюду и в больших масштабах (дыхание человека и животных, горение топлива, гниение органических остатков и т. п.). Если бы этот процесс шел только в одну сторону, то в конце концов свободный углерод, т. е. один из существенных строительных материалов, из которого образуются органические клетки, исчез бы. Исчез бы также и кислород, необходимый для получения энергии в организмах. В результате окисления углерода получилась бы углекислота CO₂, обладающая в обычных условиях большой стойкостью и отравляющими свойствами.

Однако, к счастью, в природе создаются и условия, при которых идет и обратный процесс. Он связан с растительным царством. Растения вырабатывают хлорофилл, в зернах которого под воздействием солнечного света происходит расщепление углекислоты CO₂. В результате этого процесса вновь образуются свободные углерод и кислород (потому-то в лесах «легко дышится»).

Таким образом, получается вечный круговорот: углерод и кислород то соединяются, давая энергию животным и человеку, но переходя при этом в инертное состояние, то вновь расщепляются и становятся свободными, создавая возможность растительным и животным организмам строить свои клетки и при новом окислении углерода получать все новые количества энергии.

Этот круговорот непрерывно повторяется, непрерывно создается энергия и потенциальная возможность жизни. Но это — не «вечный двигатель»; этот круговорот — результат работы солнечного света, проявление его энергии, преобразуемой в определенных условиях (хлорофилл) в потенциальную энергию углерода и кислорода, которые, соединяясь, приводят к дальнейшему преобразованию энергии в теплоту.

Энергию, выделяемую при сжигании углерода, равно как и энергию падающей воды, можно рассматривать как преобразованные формы солнечной энергии. Эти формы энергии под действием солнечного света непрерывно в природе возобновляются. В недрах Земли в течение миллионов лет накоплены огромные запасы преобразованной солнечной энергии. Но, как уже было сказано, потребности в энергии в наше время весьма велики, и они быстро растут. Ни энергия накопленных в Земле угля и нефти, ни гидроэнергия в перспективе не такой уж далекой не смогут эти потребности удовлетворить. Где же искать новые, более перспективные источники?

Солнечные батареи

Обращает на себя внимание весьма малый коэффициент использования солнечной энергии при сжигании топлива. Очень уж многозвенен этот процесс: солнечная энергия — химический процесс расщепления углекислоты и получение потенциальной химической энергии кислорода и углерода — последующее окисление углерода и образование тепловой энергии — преобразование полученной теплоты в двигателе внутреннего сгорания в механическую энергию движения ротора — преобразование механической энергии ротора в динамомашине в электрическую энергию, — наконец, передача электроэнергии на производство и новое ее преобразование в соответствии с потребностью.

Во всем этом цикле превращений участвует только крайне малая часть солнечной энергии, дошедшей до Земли. Но, кроме того, в каждом звене этой цепи превращений теряется много энергии на побочные процессы. В каждом звене коэффициент полезного действия представляет собой малую дробь, а общий коэффициент полезного действия солнечной энергии тем более мал, ибо он представляет собой произведение нескольких малых дробей.

Естественно, что научно-техническая мысль работает над сокращением длинной цепи превращений по крайней мере до одного — двух звеньев. Потери солнечной энергии резко сократились бы, если бы она была непосредственно превращена в электрическую энергию. Да и долю используемой на это солнечной энергии можно было бы резко увеличить.

Но в принципе такая проблема уже решена в фотоэлементах (см. опыт Столетова). В них как раз и происходит непосредственное превращение световой энергии в энергию потока электронов, т. е. в электрический ток. Надо только изготовить достаточное количество надежно и экономично работающих фотоэлементов и покрыть ими крыши домов и все свободные площади. Но это «только» — легко сказать. На деле задача эта не проста. Для ее выполнения потребовалось бы большое количество редких химических материалов. Их надо подвергнуть весьма тщательной химической очистке и добиться почти абсолютной однородности. Изготовление фотоэлементов в больших масштабах технически сложно и пока дорого. Пока они изготовляются лишь в количествах, необходимых для приборостроения и автоматики. Конечно, когда маленький фотоэлемент полностью заменяет человека, как это имеет место, например, в автоматических контролерах, стоящих при входе в московское метро, это выгодно. Еще более выгодно применять системы фотоэлементов на космических кораблях. Там они используются для ориентации корабля (по Солнцу или по Луне), а также для получения электротока от солнечных лучей (солнечные батареи). На космических кораблях фотоэлементы имеют особое преимущество, поскольку они обеспечивают длительное действие приборов и не утяжеляют корабль. Однако пока они дают немного энергии и применяются на космических кораблях лишь как дополнение к обычным химическим батареям.

В этом методе непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую есть еще много технических и экономических трудностей. Но в принципе здесь все уже ясно. Поэтому многие ученые видят в нем главный и перспективный источник получения энергии для нужд человека. Эти идеи особенно активно развивал выдающийся русский физик академик А. Ф. Иоффе (1880—1960).

Превращение вещества в свет как источник энергии

Рождаясь в недрах вещества, свет раскрыл перед мыслящим человеком огромные кладовые энергии, связанной в атомах. Без изучения языка света, несущего информацию о сложной структуре атома, нельзя было ни осознать этот факт, ни поставить и решить проблему высвобождения атомной энергии. Частично эта задача уже решена. Мы уже построили и строим атомные электростанции, атомные ледоколы и подводные лодки.