В погоне за Солнцем

Коэн Ричард

Стремясь скорее применить эти изобретения на практике, французское правительство решило, что лучшим полигоном станет Алжир – колония, купающаяся в почти не гаснущем солнечном свете, но полностью зависящая от угля, который был там баснословно дорог. Мюшо с радостью отправился туда. “Рано или поздно промышленности в Европе не хватит ресурсов для удовлетворения своей стремительной экспансии, уголь, безусловно, закончится. Что дальше?” Вскоре Мюшо изобрел портативную солнечную плитку для французских войск, а также солнечный двигатель, который мог приводить в движение печатный пресс. Но высокая стоимость этих изобретений вкупе с растущей дешевизной английского угля вынесла им приговор – индустриальная революция ревела дальше. В те дни ничто не предвещало глобального потепления.

В 1891 году Кларенс Кемп, изобретатель из Балтимора, “настоящий отец американской солнечной энергии”, запатентовал “Климакс” – первый коммерческий водонагреватель на солнечной энергии, который соединял старую практику нагревания металлического контейнера на солнце с научным принципом термостата, увеличивая тем самым их способность к поглощению тепла [674] .

К 1897 году, как гордо утверждали биографы, “30 % нагревателей в Пасадене, штат Калифорния, были производены Кемпом”, но это лишь подчеркивало тот факт, что подобные изобретения имели успех лишь в рамках штата. Когда в 1902 году Кемпу удалось с помощью рефлектора из тысячи семисот восьмидесяти восьми отдельных зеркал произвести достаточно энергии для пятнадцатисильного [675] солнечного насоса, чтобы оросить страусиную ферму в Пасадене, об этом сообщалось лишь как об эксцентричном эксперименте.

674

См.: www.californiasolarcenter.org/history_solarthermal.html

675

Термин “лошадиная сила” появился благодаря шотландскому изобретателю Джеймсу Ватту (1736–1819), который создал современный паровой двигатель. Обнаружив, что потенциальные покупатели с трудом понимают, что могут такие устройства, он переформулировал их мощность в более понятных терминах. Его клиенты были шахтовладельцами, которые использовали лошадей для вывоза угля и откачивания грунтовых вод из-под земли. Проверив некоторое количество лошадей на шахтах, Ватт вычислил, что средняя английская лошадь могла тащить уголь с энергией в 22 тыс. фут-фунтов силы в минуту на протяжении десяти часов в день (1 фут-фунт силы – это количество работы, необходимое для подъема одного фунта на высоту в один фут). Ватт произвольно увеличил эту цифру на 50 %, и появилась единица “лошадиной силы” – показатель работы, равный 33 тыс. фут-фунтов силы. Лошадиная сила до сих пор используется для сравнения мощности всего на свете, от газонокосилки до космического челнока.

Европейская традиция выращивания деревьев вдоль фруктовых шпалер насчитывает столетия – это сохраняет солнечный жар, постепенно выпуская его на исходе дня, когда солнце заходит; примерно столько же и использованию парников с южными скатами в Англии и Голландии. Первым коммерческим использованием солнечной энергии, видимо, было выпаривание соли из морской воды, а первым масштабным применением стала дистилляция питьевой воды из солоноватых колодцев или изолированных участков морской воды. Опреснитель, установленный в Чили в 1872 году, более сорока лет производил 6 тыс. галлонов воды в день из 4,7 тыс. кв. м водной поверхности.

Печатный станок Огюстена Мюшо, работающий на солнечной энергии, на Всемирной выставке 1878 года в Париже (The Granger Collection, New York)

История приручения Солнца продолжала развиваться резкими скачками. В конце 1870-х Уильям Гриллс Адамс, мелкий чиновник английской короны в Бомбее, написал получившую несколько премий книгу Solar Heat: A Substitute for Fuel in Tropical Countries (“Солнечное тепло: замена горючему в тропических странах”) и попытался внедрить эти технологии в Британской Индии, но без малейшего успеха. Затем эстафету перехватили французы, а именно инженер Шарль Теллье, “отец охлаждения”, который в 1885-м установил себе на крышу сборщик энергии, похожий на современные солнечные панели. Для производства пара вместо воды он использовал жидкий аммиак, который обращается в пар при более низкой температуре. Будучи выставленным на солнце, такой контейнер вырабатывает достаточное количество газообразного аммиака, чтобы работал водяной насос, способный поднять 300 галлонов воды за дневное время. Но Теллье решил посвятить себя разработке систем охлаждения (в хранении пищи было больше денег), и Франции пришлось распрощаться с развитием преобразования солнечной энергии на своей территории вплоть до ХХ века [676] .

676

См.: Charles Smith, Revisiting Solar Power’s Past, Technology Review. Июль. 1995.

Несколькими годами спустя, в 1900 году, бостонский предприниматель Обри Энеас основал первую компанию, занимающуюся солнечной энергией, и начал производить машины на этой энергии, орошающие аризонскую пустыню. В 1903 году он переехал в Лос-Анджелес, ближе к потенциальным клиентам, а уже в следующем году продал свою первую систему за 2160 долларов. Не прошло и недели, как шторм свалил раму котла прямо на рефлектор. Привыкший к неудачам Энеас построил новый насос. Осенью 1904-го хозяин ранчо в Аризоне купил улучшенную модель, но и ее уничтожил шторм, на этот раз сопровождавшийся градом. Стало ясно, что большой параболический рефлектор слишком уязвим, и компания свернула свою деятельность. У Энеаса были последователи (в частности, Генри Э. Уилси, действовавший в Сен-Луисе и Нидлсе (штат Калифорния), который создал систему ночного функционирования машин на тепле, сохраненном в течение дня), но их компании также не смогли принести никакой прибыли.

Несмотря на мрачные истории, изобретатели продолжали считать, что, если обнаружить правильную технологическую комбинацию, можно будет производить энергию без ограничений. Одним из тех, кто разделял эту мечту, был инженер из Бруклина Фрэнк Шуман (1862–1918).

Его первый солнечный двигатель, построенный в 1897 году, показал себя не очень хорошо, поскольку даже при значительном давлении пар производил недостаточное усилие. Вместо того чтобы попытаться произвести больше тепла, Шуман заменил трубы котла на плоские металлические контейнеры, похожие на контейнеры Теллье, и разработал дешевые рефлекторы – два соединенных ряда зеркал, удваивающих объем улавливаемого солнечного света. Кроме того, он сконструировал крупнейшую на тот момент систему преобразования энергии, способную выдавать 55 лошадиных сил и питающую водяной насос, перекачивающий около 12 тыс. л в минуту, по цене в 150 долларов за лошадиную силу. Для сравнения, обычная система на угле стоила 80 долларов за одну силу. Шуман полагал расходы вполне приемлемыми, учитывая, что вложения быстро окупятся из-за бесплатного горючего. Еще одной причиной, по которой он не слишком беспокоился о высокой цене энергии, вырабатываемой его машиной в сравнении с угольными или нефтяными двигателями, было то, что, как и другие французские предпиниматели, он планировал использовать свое изобретением в огромной, залитой солнцем Северной Африке.

В 1912 году в Египте, некогда центре солнцепоклонничества, он начал работу над первой в мире солнечной электростанцией. Местом был выбран пригород Маади, в 15 милях к югу от Каира; предметом гордости были семь вогнутых отражателей, 60 м в диаметре каждый, а также паровой двигатель в тысячу лошадиных сил. Но все закончилось не начавшись. Через два месяца после финальных испытаний был убит эрцгерцог Франц Фердинанд и началась Первая мировая война. Инженеры, работавшие на шумановской станции, вернулись каждый на свою родину для выполнения разнообразных военных заданий, а сам Шуман умер еще до наступления перемирия. После конца войны с падением цен на нефть интерес к солнечным экспериментам в очередной раз испарился.

К тому времени нефтяные и угольные компании развили серьезные инфраструктуры, имели стабильные рынки и богатые запасы углеводородного горючего. Пионеры солнечной энергии, напротив, еще только пытались совершенствовать свою технологию и сталкивались с дополнительной трудностью убеждения скептиков в том, что солнечная энергия была чем-то большим, чем просто курьез. Обнаружение огромных залежей природного газа в бассейне Лос-Анджелеса в 1920-е и 1930-е уничтожило на корню всю местную индустрию солнечных водонагревателей. Георгий Гамов в 1940-м мог пренебрежительно комментировать: “Прямое употребление солнечного тепла… используется только в нескольких хитроумных устройствах – в холодильниках, которые охлаждают напитки в аризонской пустыне, и в нагревателях воды в публичных банях в восточном городе Ташкенте” [677] . Некий всплеск интереса к солнечным водонагревателям произошел во Флориде, к 1941 году в Солнечном штате их использовалось около 6 тыс. штук. Бестселлер Yo u r Solar House (“Ваш солнечный дом”, 1947), куда вошли работы сорока семи архитекторов, отражал реальный спрос. Однако после Второй мировой войны электрическая компания Florida Power and Light вела агрессивную кампанию по увеличению потребления электричества и предлагала электрические водонагреватели по бросовым ценам. Солнечной энергии опять пришлось отступить.

677

George Gamow, The Birth and Death of the Sun: Stellar Evolution and Subatomic Energy. N. Y.: Viking, 1949. Р. 1.

Такая же ситуация была повсюду. В Японии, где выращивающим рис фермерам остро требовалась дешевая горячая вода, одна компания начала продвигать простой нагреватель, сделанный из резервуара, накрытого стеклом, и к 1960-м в ходу их было уже более сотни тысяч, но индустрия рухнула из-за изобилия дешевой нефти, так же как это случилось в Калифорнии и Флориде. Даже в Австралии с ее богатым солнечным освещением нагревательные устройства, работающие на солнце, исчислялись всего несколькими тысячами. В Израиле в первое время после основания электричество было нормированным, поэтому люди стремились удовлетворить свои нужды другими способами, и к середине 1960-х одно домохозяйство из двадцати человек имело солнечный водонагреватель; но затем дешевая нефть с промыслов, захваченных во время Шестидневной войны, вновь отодвинула солнечную энергию на вторые роли.

Вращающийся солярий в Экс-ле-Бен, Франция, сентябрь 1930 (Fox Photos / Hulton / Getty Images)

В Соединенных Штатах первое офисное здание, отапливаемое солнечной энергией, было построено в начале 1950-х, затем появились первые дома, отапливаемые солнцем и им же охлаждаемые (цена такой модификации доходила до 4 тыс. долларов – около 30 тыс. в сегодняшних деньгах), а некоторые компании вновь принялись производить солнечные элементы и водонагреватели. В 1953–1954-м исследователи в Bell Laboratories (сегодня входящих в AT&T) сделали удивительное открытие, основанное на старой технологии. В 1839 году французский физик Александр Эдмон Беккерель установил, что, если два электрода погрузить в кислоту и пустить ток через один из них, ток пойдет и через второй. В 1873 году британский инженер Уиллоуби Смит обнаружил, что элемент селений меняет электрическое сопротивление под воздействием солнечного света, но ему не удалось достичь эффекта хоть сколько-нибудь значительного уровня. Сотрудники Bell Labs, экспериментируя с различными материалами, обнаружили, что кремний обладает тем же свойством, только в пятикратном размере, так что самым эффективным методом конвертации солнечных лучей в электричество оказалось использование кремниевых фотоэлектрических пластин.