Семь элементов, которые изменили мир
Шрифт:
В книге «Pirotechnia», изданной в XVI в., Ванноччо Бирингуччо вспоминает о беседе с другом, изготовившим зеркало диаметром почти 70 сантиметров. Однажды, наблюдая за парадом войск в германском городе Ульме, этот человек стал развлекаться тем, что постоянно направлял отражаемый зеркалом солнечный свет на железные доспехи одного из солдат. В результате их температура повысилась настолько, «что стала почти невыносимой… а одежда под доспехами вспыхнула и сгорела, причинив ему ужасные страдания» [52].
В XVI в. Леонардо да Винчи придумал новое применение для солнечных лучей в мирных целях. Как всегда амбициозный, Леонардо намеревался изготовить вогнутое зеркало диаметром шесть километров, которое концентрировало бы солнечную энергию в точке главного фокуса, чтобы нагревать воду или плавить металлы [53]. Как и многие его изобретения, этот проект остался на бумаге. Лишь с наступлением промышленной революции в Великобритании появилась возможность изготавливать линзы и зеркала больших размеров, хотя и не таких, о каких мечтал Леонардо. В последние годы своей жизни Генри Бессемер построил солнечную печь для плавки металлов. Отражатель, установленный внутри башни высотой 10 метров, направлял солнечный свет на расположенное на крыше вогнутое зеркало площадью четыре квадратных метра. Зеркало направляло сфокусированный с помощью линзы поток света в нижнюю часть башни на тигель. Бессемеру удавалось плавить медь и испарять цинк, но в целом это весьма дорогое устройство оказалось не очень эффективным. Спустя несколько лет даже Бессемер «разочаровался в солнечной печи и отказался от ее использования» [54].
По другую сторону Атлантики, в Филадельфии, американский изобретатель Фрэнк Шуман обратил внимание на проблему концентрации солнечной энергии. На рубеже XX в., используя способность стекла удерживать тепло, он поднимал температуру воды в придуманном им «солнечном нагревательном резервуаре» почти до точки кипения, даже когда на земле лежал снег [55]. «Я уверен, что мое изобретение будет иметь успех во всех жарких странах, – писал он. – Оно принесло бы пользу и здесь в любой из солнечных дней, но сами знаете, какая у нас погода» [56]. В Египте, где погода более подходящая, его солнечные нагревательные резервуары нагревали воду для паровых машин, с помощью которых перекачивалась вода для орошения полей. Другой изобретатель, Обри Энеас, построил гигантские конические отражатели площадью в несколько квадратных метров, чтобы улавливать энергию солнца в таких солнечных штатах, как Калифорния и Аризона. Энеаса также воодушевили параболические вогнутые рефлекторы, изобретенные Джоном Эриксоном, американским инженером шведского происхождения, который построил броненосец Monitor во время Гражданской войны в Америке, а последние 20 лет жизни посвятил созданию устройств, использующих солнечную энергию. Бессемер и Эриксон, безусловные новаторы в производстве и применении железа, были озабочены тем, что запасы каменного угля для плавки железной руды и работы паровых машин постепенно истощаются, и поэтому искали альтернативные источники энергии. План Энеаса состоял в том, чтобы предоставить дешевый источник энергии жителям пустынь, не имеющим возможности закупать каменный уголь. Увеличив масштаб своих систем, оба изобретателя надеялись производить более дешевую солнечную энергию, но даже в этом случае системы ее концентрации не могли производить электричество, как на традиционных электростанциях. И здесь мало что изменилось и в наши дни. В Испании, на засушливых равнинах вблизи Фуэнтес де Андалусия, было установлено более 2500 зеркал площадью 120 квадратных метров, направляющих солнечный свет на башню в центре. Там расплавленная соль нагревается до температуры почти в 600 °С. Расплавленная соль может храниться в цистернах, пока не потребуется, чтобы привести в действие паровые турбины и выработать электричество. Но без значительных субсидий даже это современное предприятие неконкурентоспособно.
О солнечной энергии на время забыли и вспомнили о ней вскоре после Второй мировой войны, когда ученые из Белловских лабораторий в Нью-Йорке начали исследовать некоторые необычные свойства кремния. Исследования Джеральда Пирсона, Дэрила Чейпина и Калвина Фуллера привели в 1954 г. к созданию первого кремниевого фотоэлектрического элемента.
Дэрил Чейпин получил задание от Белловских лабораторий разработать новый портативный источник электропитания для систем телефонной связи, предназначенных для работы в тропическом климате, где традиционные батареи из сухих гальванических элементов садятся очень быстро. Он начал исследовать в качестве возможных вариантов ветряные электрогенераторы, паровые двигатели и солнечную энергию. Вместо того чтобы улавливать энергию солнца с помощью зеркал и тепловых резервуаров, Чейпин решил исследовать возможность преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта.
Александр-Эдмон Беккерель, отец Анри Беккереля (прославившегося открытием радиации), обнаружил фотоэлектрический эффект в 1839 г. [57]. Беккерель помещал две латунные пластины в электропроводящий раствор и освещал его солнечным светом. Оказалось, что свет вызывает движение электрического тока в растворе между пластинами. Если можно использовать этот ток, значит, можно использовать и энергию солнца. Однако и через 100 лет ученые с помощью фотоэлементов могли уловить всего лишь одну двухсотую долю энергии Солнца.
Это не обеспечивало достаточной мощности для нужд Чейпина, и поэтому он занялся поиском вариантов. Слух об исследованиях Чейпина дошел до Джеральда Пирсона и Калвина Фуллера, также ученых из Белловских лабораторий, экспериментировавших с необычными электрическими свойствами кремниевых полупроводников. Они подумали: разрабатываемые новые материалы могли бы оказаться полезны для создания фотоэлектрических элементов. К всеобщему удивлению, идея не только оказалась правильной, но и позволила создать фотоэлектрический элемент, в пять раз превосходивший все существовавшие до сих пор [58].
В апреле 1954 г. Пирсон и Фуллер объявили о создании «Белловской солнечной батареи» и продемонстрировали журналистам, как она обеспечивает работу радиопередатчика. Новая батарея быстро доказала свою ценность в качестве надежного источника электропитания в тропических условиях. Однако настоящее признание солнечные батареи получили в 1958 г., будучи использованы в космической программе American Vanguard. В то время как химические батареи космического зонда быстро сели, солнечные батареи продолжали работать в течение нескольких лет полета. В космических аппаратах солнечные батареи получили первое широкое применение [59].
Даже сегодня солнечные батареи часто оказываются самым рентабельным средством генерирования энергии в удаленных областях, лишенных других источников энергии, поскольку позволяют избегать больших затрат на строительство линий электропередачи и подвозку топлива. Они могут монтироваться в виде изолированных энергетических установок. В 2001 г. я посетил Индонезию, чтобы познакомиться с тем, как BP реализует в сельском районе один из самых крупных на тот момент во всем мире проектов по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Небольшие панели из кремниевых фотоэлементов были установлены на 40 000 деревенских домов. Электрические насосы теперь использовались для полива полей, а электрическое освещение провели в дома, школы и медицинские учреждения. Солнечные батареи также положительно повлияли на образовательный процесс. Как я заметил, дети стали учиться не только днем, но и вечером.
В отличие от ископаемых видов топлива, рассредоточенных в недрах земли, солнце светит повсюду. В течение года от солнца на землю поступает больше энергии, чем может быть получено из всех месторождений каменного угля, нефти, природного газа и урана. Энергия, получаемая в течение одного дня, в 130 000 раз превышает общемировую потребность в электроэнергии. И при этом доля солнечной энергии в производстве электроэнергии составляет лишь десятые доли процента. Отчасти это обусловлено тем, что использование солнечной энергии печально знаменито низкой эффективностью. Слабый электрический ток возникает каждый раз, когда фотон поглощается кремниевым фотоэлементом. Это происходит потому, что в фотоэлементе энергия фотона передается электрону и его положительному антиподу, называемому «дыркой» [60]. Энергия фотона передается при поглощении, но в действительности поглощаются далеко не все фотоны. Чтобы произошло поглощение, фотон должен обладать достаточной энергией, а она есть лишь у малого процента фотонов. В результате даже в самых благоприятных лабораторных условиях солнечные фотоэлементы захватывают и преобразуют в электричество лишь 40 % падающего света. В фотоэлементах, используемых в обычных рабочих условиях, этот показатель составляет от 10 до 20 %. Это все равно делает их в несколько раз более эффективными, чем первые солнечные фотоэлементы, созданные в Белловских лабораториях в 1954 г. Улучшение, достигнутое в течение всего 60 лет, удивительно: ведь за миллиарды лет эволюции растения, преобразующие свет в энергию с помощью фотосинтеза, достигли эффективности преобразования всего в 3 %.
Однако самое большое препятствие к успеху солнечных фотоэлементов имеет не техническую, а экономическую природу: солнечные батареи производят дорогую электроэнергию, потому что их изготовление стоит больших денег. Ситуация начала улучшаться, по мере того как стали появляться новые технологии изготовления фотоэлементов. Стоимость производства также быстро пошла вниз во многом благодаря экономии от эффекта масштаба, достигаемой китайскими производителями на растущем китайском рынке. Несмотря на это, электричество, полученное с помощью солнечных фотоэлементов, не сравнялось по цене с сетевым. Ведь только в этом случае фотоэлементы смогут конкурировать с невозобновляемыми источниками энергии. Но этот момент становится все ближе. Производится все больше солнечных фотоэлементов, и они продолжают дешеветь; в 2011 г. производственные мощности предприятий, изготавливающих солнечные фотоэлементы, увеличились почти на 75 %, при том что средний рост в этой отрасли за последнее десятилетие составлял 45 %. Продолжающееся развитие будет иметь важное значение для перехода к экономике, использующей меньше энергии углерода [61].