Текст книги "Энергия волн"
Автор книги: Дэвид Росс
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц)
Главной целью работ в это время являлось оказание помощи руководителю профессору Дербишайеру в создании метода прогноза высоты волн. Если известна сила ветра, длина и время разгона, то можно вычислить высоту волны. Но чтобы разработать метод, предварительно требовались данные о волнении.
Лишь только ИОН осознал ценность своих первых синхронных записей волнения, он обратился в Тринити-Хаус и в 1959 г. получил разрешение снять приборы, находящиеся в Ирландском море, и установить их на маяке «Смит Нолл» в Северном море. Был получен новый ряд волнограмм. Затем собраны данные маяков Бристольского канала Лендс-Энд[12]12
Лендс-Энд – мыс на полуострове Корнуэлл, крайняя юго-западная точка Великобритании. – Прим. пер.
[Закрыть] и еще одиннадцати станций, иные из которых работают и сегодня.
В одном месте сбор информации встретил неожиданные трудности. В глубоком море со стороны Шотландии нет плавучих маяков, ибо, как сообщил м-р Дрэйпер, «там маяки расположены на этих уютных маленьких островках». Однако он случайно наткнулся на отчет норвежского спасательного судна. Оно вело наблюдения, и англичанам в свое время предлагалось участвовать в них, но после отказа все как-то забыли о его существовании. М-р Дрэйпер написал в Норвегию и рассказал о своих целях. Ему удалось убедить норвежцев, что данные будут полезны всем. К счастью, норвежцы проявили меньшую узость во взглядах, чем англичане; прибор был установлен на судне в 1969 г. и оказался важным источником информации, внесшим свой вклад в безопасность платформ, поставленных впоследствии в норвежско-британском секторе моря.
Позднее стал завоевывать популярность другой самописец волнения. Это было датское изобретение, названное Вэйврайдер-буем, – яркий желто-оранжевый шар, 80 см в диаметре, на эластичном тросе, заякоренный на дне. Сейчас работают уже дюжины таких буев[13]13
Преимущества радиоволнографов особенно заметны при измерениях в условиях жесткого шторма. Кроме того, они позволяют получить длительные непрерывные записи волн, что существенно обогащает экспериментальный материал. – Прим. ред.
[Закрыть], один – в море у Бенбекулы. Для передачи информации используется радиосвязь, и единственный недостаток буя – уязвимость со стороны курсирующих судов или любопытных моряков. Антенна привлекает вороватых джентльменов.
Сбор данных начался по счастливой случайности, но оказался своевременным. Открытие нефти в Северном море уже висело в воздухе и нефтяные компании отчаянно нуждались в информации. Она была предоставлена в их распоряжение, но, стоит заметить, благодарность компаний не облеклась в принятые формы. Некоторые компании хотели получить данные о волнении бесплатно, и это заставляло самых осведомленных исследователей, не имевших финансовой поддержки, прикидываться, будто они опасаются, что утечка информации может пригодиться конкурентам, и волнограммы являются коммерческим секретом. Они оказались владельцами информации, получение которой субсидировало лишь правительство в те дни, когда практическая ценность информации была неочевидна. Но бизнес есть бизнес, даже если в его обеспечение вложены общественные средства.
Высотой волн характеризуется их энергия. Попросту говоря, энергия существует в двух формах: потенциальной (энергия положения) и кинетической (энергия движения). Известно, что количественно они равны и, следовательно, амплитуда волны является показателем всей энергии. Другой важной характеристикой служит частота волновых колебаний, зависящая, в частности, от разгона ветра – расстояния по прямой линии, на котором действует ветер от берега до данной точки. Зная разгон и скорость ветра, можно вычислить амплитуду волны. Сохранились данные столетней давности о полях ветра над морем. Имея сезонный прогноз скорости ветра, длину его разгона и время действия, можно при минимуме технических знаний воспользоваться номограммой для прогнозирования поля волнения. С аналогичных номограмм можно снять также данные о периоде волны, т.е. о времени между появлением двух последовательных гребней волны в заданном районе.
Период ветровых волн может изменяться от двух до двадцати секунд. Отсчитывая время между прибытием волн различного периода, можно определить место зарождения волны. Так, например, оказывается возможным иногда утверждать, что волна, достигшая Корнуэлла, зародилась в Антарктике.
Морские волны отличаются от радиоволн, движущихся с неизменной скоростью. Чем больше период волн, тем выше их скорость. Если расстояние от места шторма достаточно велико, то первыми прибывают волны с 20-секундным периодом, которые опережают волны с периодом 19 секунд, а те в свою очередь приходят быстрее волн 18-секундного периода и т.д. Чем большее расстояние прошла волна, тем больше дистанция, отделяющая волны различного периода. Это похоже на два аэроплана, взлетевших одновременно, один из которых имеет скорость 300 км/час, а второй – 600 км/час. Ложась на одинаковый курс, они находятся близко один от другого, но по мере продолжения полета разрыв между ними растет.
Если известны периоды волн и время их прибытия в некоторую точку, то можно определить, откуда они пришли. Возьмем, воспользовавшись номограммами ИОН, ветер скоростью 50 узлов и длиной разбега 100 км. Тогда то, что принято называть характерной высотой волны[14]14
Иногда ее называют высотой значительных волн. В отечественной практике характерной считают такую высоту, которую превышают 3 волны из 100. Эта высота в 1,32 раза больше видимой. – Прим. ред.
[Закрыть], составляет 6 м. Допустив, что скорость ветра составляет 50 узлов при разгоне 1000 км, получим характерное значение высоты волны – 8 м. Каждому, кто знаком с алгебраическими уравнениями, очевидно, что, зная две из этих величин, можно определить третью. Но решение подобных задач, определяющих некоторые наши перспективы, потребовало длительного времени и незаурядных способностей. Я намеренно упрощаю проблему. Почему, например, штормовые волны столь различны по высоте? Ответ м-ра Дрэйпера содержит некоторые указания на трудности, с которыми сталкивались он и его коллеги и их предшественники, занимавшиеся этим предметом: «Каждая отдельная волна порождена одним и тем же ветром, одновременно действующим над однородной средой, и все же высота их может отличаться в отношении 1:10. Объяснение состоит в том, что существует волна очень недолго; ни одна штормовая волна как идентифицируемое индивидуальное образование не живет более двух минут. Даже 80-футовые чудовища имеют короткий период триумфа, и если можно было бы проследить за их эволюцией, то было бы видно, как они уменьшаются и за пару минут опускаются до уровня остальных, приняв участие в случайной сумятице волн на морской поверхности и никогда не возвращаясь к первоначальным формам. Такое поведение является следствием того, что энергия морских волн распределена по очень широкому спектру волновых компонент, каждая из которых имеет свою амплитуду и период.
Каждая компонента движется со скоростью, определяемой ее периодом, так что более быстрые компоненты (имеющие больший период) постоянно опережают более медленные. Представим на момент простейший случай волновой системы, состоящей из двух компонент с несколько различными скоростями. Когда вершина одной волны настигнет вершину другой, временно возникает волна, превышающая по высоте и ту и другую; аналогично когда вершина одной волны попадает в подошву другой, то поверхность относительно сглаживается, В реальном море не две, а миллионы волновых компонент (бесконечное число, если перейти к их математическому пределу), и каждая движется со своей собственной изначальной скоростью. Если бы когда-нибудь, чисто случайно, очень большое число компонент совместилось в одной пространственно-временной точке и наблюдатель, к несчастью, оказался поблизости, он узрел бы волну огромных размеров[15]15
Предельное значение высот для морских волн составляет примерно 30-35 м. Более высокие волны неустойчивы. – Прим. ред.
[Закрыть].
Отсюда можно понять, что задача идентификации волн – действительно задача. В этом одна из причин того, что инженеры и ученые, занимающиеся волновой энергетикой, проявляют осторожность даже сегодня, когда потребность в дополнительных энергетических источниках выше, чем в прошлом. Самые тщательные эксперименты в модельных условиях, на озерах или в бухтах никогда не в состоянии воспроизвести ярость открытого моря.
Все же факт, что викторианские инженеры, не обладавшие познаниями о надежности, умели строить гавани, волноломы и дамбы, которые противостоят морю уже 150 лет и более. Большая волна, которая в январе 1978 г. снесла часть Маргейского пирса, явилась свидетельством не того, что море непобедимо, а – показателем инженерных возможностей в 1800 г.; при этом следует учесть, что тип сооружений, устоявших до нашего времени, может строиться сегодня значительно лучше.
Не следует забывать, что пирс, как и нефтяная платформа, конструируется таким образом, чтобы испытывать возможно меньшее воздействие моря, в то время как генераторы волновой энергии предназначены для противоположной цели. Они будут, следовательно, подвержены большим нагрузкам. Но техника строительства прошла большой путь с тех пор, как возникли гидротехнические сооружения, и в том числе нефтяные платформы Северного моря.
Мы не можем быть уверенными в надежности, генераторов, пока не проверили их в реальных условиях. Вполне может быть, что те из нас, чья осторожность опирается лишь на интуицию, окажутся более правы, чем специалисты, настаивающие на безотлагательных действиях. Действительность рассудит нас.
Я упоминал о характерной высоте волны, определяемой как среднее от 1/3 наибольших значений из общей совокупности высот волн. Это понятие возникло в результате анализа волнограмм. Замечательно, что современные данные, полученные с помощью сложной электронной аппаратуры, появившейся в последние два десятилетия, подтверждают рассказы старых моряков о волнах. Как утверждает м-р Дрэйпер, «если замерить 99 последовательных волн, то их характерной высотой будет средняя величина 33 наибольших из общего числа и эта величина будет очень близка к той, которую назовет опытный моряк, если попросить его оценить волнение[16]16
Высота значительных волн (или, иначе, видимая высота) в 1,6 раза превышает среднюю высоту всех волн и только 14% волн имеют высоту больше видимой. – Прим. ред.
[Закрыть]”.
Так, в 1839 г. капитан Роберт Фицрой докладывал о виденной им в Атлантике волне высотой 18 м, а экипаж американского судна «Рампапо» утверждал, что в Тихом океане в 1933 г. наблюдалась волна высотой 34 м. Можно было бы счесть это фантазией, но не сегодня. В наши дни существует достоверное свидетельство о волне высотой 27 м, снесшей буровую вышку на острове Ванкувер в Тихом океане, а в 1971 г. волна высотой 26 м была зарегистрирована кораблем погоды в Северной Атлантике. Таким образом, то, что видели старые морские волки, подтверждается современной наукой. Внешние впечатления не всегда ошибочны.
С другой стороны, м-р Дрэйпер позволил себе усомниться в почтенном мифе. Могут возникнуть, он утверждает, «искаженные» волны, существующие короткое время как результат сложения большого числа волновых компонент. Они редко бывают изолированными и обычно представляют собой одну огромную волну, сопровождаемую несколькими меньшими волнами, вытянутыми на расстояние сотни футов, «следующими послушно друг за другом упорядоченной цепочкой по озеру Лох-Несс, прежде чем исчезнуть при попадании в противофазу (или ныряя за пищей, если вы предпочитаете такую интерпретацию)». И он добавляет как добросовестный ученый: «Следует заметить, что такое правдоподобное объяснение не может считаться доказательством того, что лохнесское чудовище является лишь плодом воображения последователей этой версии».
Когда в 1971 г. он писал это, то еще не мог знать, что через 7 лет появится проект, позволяющий с помощью самой современной техники проводить испытания волноэнергетических конструкций в озере Лох-Несс с побочной перспективой обнаружения чудовища, если оно действительно там существует.
Глава 3. Назад – к водяному колесу
Волновая энергетика означает в определенном смысле, что мы возвращаемся к водяному колесу. Мы оказываемся, таким образом, в ирреальной обстановке отголосков шума, сопровождавшего появление гидроэнергетики, шума, в котором звучали «религиозные» возражения и протесты против использования водяного пара. Можно провести параллель с концом XVIII в., когда паровая машина Джеймса Уатта выдавала энергию мощностью только 11 кВт, а текстильной фабрике требовалось 190 кВт. В то время была нужна немалая проницательность, чтобы понять, что основным источником энергии станет пар, одержав победу над водой. Водяная мельница была самой ранней формой механизации труда, освободившей животных и рабов от однообразной механической работы и крестьян от перемалывания зерна вручную. Гидроэнергетика жила в сознании поколений. Она неохотно освободила место пару, но и сегодня вода в гидроэлектростанциях представляет основной источник электроэнергии.
К 1086 г. – во времена «Книги судного дня»[17]17
«Книга судного дня» – основной кадастровый документ при разборе земельных тяжб времен Вильгельма Завоевателя. – Прим. пер.
[Закрыть] – в Британии было 5624 действующие мельницы, почти все – водяные, обслуживающие двухмиллионное население, т.е. одна мельница приходилась на 400 человек. Затем начался прогресс. Пар был пленен, и его притягательная сила оказалась непреодолимой. Но стало ли это прогрессом?
М-р Давид Брайсвэйт, архитектор и издатель, суммирует ситуацию в своем введении к «Ветряным и водяным мельницам» Джона Рейнольдса. «Если верно то, что открытие новых источников энергии составляет основу развития цивилизации и скорость прогресса определяется изменением количества энергии, приходящейся на человека, то вытеснение энергии воды и ветра энергией пара следует безусловно приветствовать. Но неопровержимый факт состоит в том, что использование сил огня и пара для моторов и турбин будет расточительством и невообразимо загрязнит нашу атмосферу». Заметим, что м-р Брайсвэйт не считает наше ископаемое топливо достойным упоминания. Он писал это в 1930 г., до наступления энергетического кризиса.
Великое обещание волновой энергетики состоит в том, что впервые после изобретения водяного колеса появилась возможность осознать концепцию, именуемую прогрессом, не проливая слезы по поводу ее побочных нежелательных эффектов. Все экологические последствия, насколько это известно сегодня, в нашем случае благоприятны и проблемы, связанные с ними, разрешимы. Вопросы ставятся так: могут ли волны когда-нибудь стать основным источником энергии? Какой тип или типы устройств предпочтительней? Каковы социальные последствия? И наконец, говоря о том, что почти всегда замалчивается, является ли морально приемлемым безнаказанное использование природных ресурсов? Последний аргумент выражает современное преломление взглядов древних римлян на гидроэнергию – «религиозный» аргумент, вновь сегодня появившийся и отягощенный коллективным чувством вины. Попросту говоря, в этом чувствуется заковыка.
Первое водяное колесо, известное как персидское колесо, восходит к 200 г. до н.э. Оно работало точно так, как представляет себе это большинство людей сегодня, если вообще себе это представляет. Колесо, помещенное в поток, приводилось в движение текущей водой. С обода колеса свисали бадьи, подобно сиденьям в аттракционе «Большое колесо». Бадьи черпали воду и при подходе к наивысшей точке опорожнялись либо на площадь, подлежащую ирригации, либо в акведук. Прошло еще сто лет, прежде чем в 85 г. до н. э. появилось первое упоминание об использовании колеса в его обычном механическом назначении.
В поэме Антипатра из Фессалоник говорится:
«Девушки, впредь не трудитесь на мельнице, тяжко страдая,
Нимфам велела Церера исполнить всю вашу работу».
Мельницей называлось место, где девушки перетирали зерно между камнями вручную. Первые мельницы, работавшие по принципу пестика и ступки, эволюционировали в примитивные седловые – ручные мельницы; нижний камень имел углубление, а верхний камень, хорошо пригнанный, вращался на нижнем, перетирая зерно. Затем к верхнему камню приделали рукоять и приспособили ослов вращать его, как добрый пес Миро вращал вертел в харчевне «Королева Гуселапа». И наконец, человеческий гений соединил воедино водяное колесо, вращаемое силой природы, и жернов. Человечество получило хлеб и гидрохозяйство.
В нашем распоряжении нет источников, свидетельствующих о реакции девушек Антипатра на техническую революцию, но впоследствии использование водяного колеса в Риме для облегчения труда вызвало заметное смятение. В «Архитектуре» Витрувия имеется ссылка на колесо, причем он упоминает о зубчатой шестерне, что указывает на значительное усовершенствование римлянами первоначальной идеи. Но они не внедрили ее. Одна из причин состояла в том, что рабы, занятые на молотьбе, воспротивились этому, а при обеспеченном рынке рабов никто особенно не был заинтересован в механизации. Другой же причиной, по-видимому, был страх перед вмешательством в естественный порядок в природе.
Джон Рейнольдс в цитированной работе говорит об этом так: «Механизация встретила сильную официальную оппозицию. Было объявлено, что государству будет грозить опасность, если большое количество рабочей силы окажется незанятой». Что касается зубчатых передач, представлявших еще большую угрозу естественному порядку, то римляне, по-видимому, обрели собственное равновесие в использовании их для тех целей, где средства оправдываются результатом, т.е. целей, которые, по выражению м-ра Рейнольдса, «кажутся непонятно легкомысленными, по современным представлениям, такие как управление воротами храмов или театральная техника. Древние смотрели на силы природы с глубоким религиозным благоговением, которое породило тенденцию запрета экспериментов, использующих силу воды. Если каждая река или водопад заселены своими собственными genius loci,[18]18
Местными божествами (лат.). – Прим. пер.
[Закрыть] то устанавливать водяное колесо в водоемах означало бы заставлять богов служить людям. Однако чисто практические соображения, возможно, в сочетании с растущим цинизмом постепенно сделали водяные мельницы приемлемыми».
Закономерно, что самые первые акты кощунства совершались далеко от Рима, в Британии. «По-видимому, в Хедриэн-Уолле[19]19
Хедриэн-Уолл – защитная каменная стена на севере Англии постройки начала II в. – Прим. пер.
[Закрыть], – где местное население, поставляющее рабов, относительно немногочисленно, – испытывались некоторые затруднения в содержании большого гарнизона, – пишет составитель «Индустриальной археологии водяных мельниц и гидроэнергии». – Таким образом, в Хедриэн-Уолле имелся побудительный мотив для развития механизации, экономящей труд, и именно вблизи Хедриэн-Уолла располагались две мельницы, более ранние, чем те, что были обнаружены в Риме».
Когда император Константин принял христианство, рабство было уничтожено и тяжесть обмолота уменьшилась. Вдобавок языческое почитание духов воды прекратилось. Дорога для развития гидроэнергетики оказалась расчищенной.
Римляне первыми осознали преимущества водяного колеса, вращающегося потоком воды, стекающей сверху, когда к напору течения добавляется вес падающей воды. Коэффициент полезного действия выброса водяного колеса, как мы говорим сегодня, может достигать 70-90%, тогда как коэффициент выброса обычного колеса составляет лишь 30%. Стоит остановиться и прикинуть, что потребовалось около 200 лет, прежде чем был осознан эффективный путь использования водяного колеса. Но даже и сегодня большинство людей представляет себе водяное колесо не иначе, как колесо у края старой мельницы в плоском, непроизводительном потоке.
Это приобретает значение сегодня, когда различные конкурирующие устройства претендуют на внимание в области волновой энергетики. Проекты разительно отличаются друг от друга, и некоторые из них вызывают естественный скептицизм. Почему же, удивляется непосвященный, потребовалось так много времени, чтобы построить нечто столь привлекательное, простое, бросающееся в глаза? Но, как это видно на примере водяного колеса, очевидность иллюзорна. А двухсотлетний срок ретроспективы еще не истек.
В Англии обращение к гидроэнергетике вызвало значительное общественное трение. Мельник был видной социальной фигурой, но в средние века почти всю свою продукцию он передавал феодалу, владевшему мельницами, оставляя себе незначительную ее часть в качестве платы за помол. Никому другому не разрешалось молоть зерно, но крестьяне, нарушая закон – как всегда бывает, когда он переступает некоторую черту, – тайком пользовались дома каменными ручными мельницами. Настоятель монастыря св. Олбанса как-то, конфисковав их у владельцев, вымостил ими монастырский двор. Во время Крестьянского восстания камни были выворочены и разбиты.
Колесо, так сказать, совершило полный оборот, когда пар бросил вызов воде. Долгое время мощь воды была больше. Не далее как в 1854 г. водяное колесо было установлено Лэксейской угольной компанией на острове Мэн для откачки воды из главной шахты. Оно имело в диаметре 21 м, весило 100 т, а мощность составляла 172 кВт. Спустя десять лет другое колесо мощностью 190 кВт было поставлено в Ришворт-Миллс, вблизи Галифакса. В Соединенных Штатах одно водяное колесо имело мощность 7,5 МВт, т. е. 7500 кВт. Но пар победил.
Сила пара оказалась такой, что по производству энергии он одержал верх над водяным колесом в большинстве стран. Дренаж почвы изменил режим рек, ставший неустойчивым, и потребность в воде возрастала с ростом населения. Глядя в прошлое, можно заметить, что у промышленности не было реальной альтернативы. Прогресс XIX и XX вв. не достиг бы действительного уровня без паровой энергии, однако многие нежелательные последствия ее использования были обнаружены потом.
Сегодня мы находимся в другой поворотной точке. Едва ли кто-либо сегодня, знакомый с фактами, сомневается, что нам остается либо преодолеть кризис, вызванный истощением природных ресурсов, либо примириться с ним. Есть немало приверженцев концентрации основных усилий на ядерной энергетике; они будут говорить и утверждают сейчас, что опасность ее гиперболизирована. По иронии судьбы Руководящий комитет по волновой энергетике расположен в Харуэлле[20]20
Харуэлл – местечко в графстве Беркшир, где расположен центр научно-исследовательских работ по физике атомного ядра и ядерной энергии. – Прим. пер.
[Закрыть], где считается святотатством представлять радиацию иначе, чем нечто весьма хорошее и дешевое. Вас проведут до учреждения, где сидят специалисты по волновой энергии, мимо буквенных кубиков, сложенных в предостережение: ОПАСНО – РАДИАЦИЯ, и ваш провожающий примется уверять, что беспокоиться совершенно не о чем, что это безопаснейшее место в мире. Брр…
Апологеты угля, перекопав Вэйл и Йорке и сделав Селби угольной ямой, – что вызывает сегодня гораздо больше возмущений, чем объявление о начале работ, – смотрят вперед, призывая день, когда могут приняться за Вэйл в Бельвуаре. А геологи управления угольной промышленности сделали некоторые интересные открытия, о которых предпочитают не особенно распространяться. Поговаривают, что город Оксфорд уселся на верхушку богатого угольного пласта и потому не будет ничего удивительного, если нас начнут уверять, что ему не грозит оседание и эти старые здания находятся в полной безопасности.
Национальный профсоюз горняков, да и управление, похоже, обеспокоены тем, что все больше мужчин должно будет всю жизнь работать под землей, в опасных и неприятных условиях, неприемлемых для человеческого существования.
М-р Артур Скаржил, этнолог, возможно, несколько неожиданно побил все рекорды, когда оказалось, что ядерная энергетика может стать вероятным соперником угольной промышленности по числу предоставляемых рабочих мест. Требуется все-таки умственное усилие, чтобы представить этнолога, верящего, что работа в шахте есть показатель цивилизации.
Почти любой альтернативный источник энергии находит потенциальных оппонентов среди специалистов по окружающей среде, преданных делу. Сами-то они, конечно, не замечают этого и далеки от таких намерений. Действительно, они в первых рядах борцов за альтернативные источники. Но многие из них склонны предполагать, что и с дополнительными источниками конец света близок. Они представляют собой современный эквивалент религиозных фанатиков в языческом Риме, считавших кощунством обращаться к духам воды, если надо удовлетворить потребности человека. Можно уважать аргументацию пессимистов и восхищаться их готовностью вернуться к патриархальным условиям существования. К несчастью, всем не хватит места, если вернуться к природе.
Сегодня есть инженеры и ученые, работающие над решением, может быть, не менее революционным, чем изобретение парового котла. Правительство, несмотря на свою осторожность, признало, что для Англии развитие волновой энергетики – наиболее перспективно. Против этой немногочисленной и не влиятельной группы выступают современные эквиваленты рабов, крестьян и мельников, которые потеряли работу с появлением водяных мельниц и небрежно игнорировались обществом.
То же самое может случиться и теперь, если общество проявит равнодушие к будущему. Любое развитие техники либо угрожает занятости, либо обеспечивает большой досуг. Найти правильное решение – наша общая задача. Идейные позиции рабов и крестьян в этом вопросе сегодня занимают ядерщики, руководители управления угольной промышленности и национального профсоюза горняков; этой идеологии служит инстинкт самосохранения общественных деятелей и политиков вкупе со смятенными эмоциями людей, не доверяющих никаким формам технического прогресса. Вместе они образуют устрашающий конгломерат. Но волны не отступают от препятствий.
