Текст книги "Знание-сила, 2003 № 05 (911)"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 12 страниц)

Знание-сила, 2003 № 05 (911)

Издается с 1926 года

«ЗНАНИЕ – СИЛА» ЖУРНАЛ, КОТОРЫЙ УМНЫЕ ЛЮДИ ЧИТАЮТ УЖЕ 77 ЛЕТ!

Заметки обозревателя

Александр Волков

Позади зима. Впереди век водорода?

Уильям Роберт Грев, изобретатель топливного элемента

Зима кончилась даже в Сибири. Она еще долго не наступит.

О ней не будут вспоминать три летних месяца, три осенних месяца... Сколько же нужно времени, чтобы совсем не подготовиться к зиме?

Когда она опять внезапно нагрянет, нам останется лишь ждать милостей от природы. Не надеяться же на ведомство энергетиков!

Как хорошо было нашим предкам: печь, камин, костер...

Каждый мог сам обогреть жилище. Теперь мы угодили в паутину теплотрасс и по полгода мучаемся в зябких квартирах от летнего головотяпства властей. Что остается делать? Хоть оборудуй каждую многоэтажку маленькой электростанцией, чтобы ни от кого не зависеть! А ведь так оно и будет в XXI веке – иначе не жить нам в тепле и при электрическом свете. Ради подобных станций – домашних котельных, – без которых прошлой зимой мерзли многие тысячи россиян, вспомнили одну старую идею: открытие, о котором забыли.

Более полутора веков назад, в 1839 году, английский изобретатель Уильям Роберт Гров придумал «гальваническую газовую батарею», или, как назвали ее позже, «топливный элемент» (ТЭ). Эта батарея вырабатывала электрический ток за счет соединения водорода с кислородом.

Открытие было сразу замечено. В ближайшие месяцы о нем сообщили научные журналы Швейцарии, Франции, Германии и Италии – сообщили и забыли. Для электрификации Европы эта курьезная батарея не понадобилась. Напрасно немецкий физик Вильгельм Оствальд в конце XIX века убеждал «в преимуществах топливного элемента над электрогенератором», добавляя, что последний «пора бы сдать в музей». Его похвалы не услышали.

Прошло еще полвека. Лишь с развитием космонавтики, когда понадобился легкий и эффективный источник тока, выбор пал на ТЭ. В 1965 году бортовая аппаратура американского корабля «Джемини» работала от ТЭ мощностью 1 киловатт. Позднее аналогичный источник питания использовали на кораблях «Аполлон», участвовавших в «лунной программе» США, а также на космических челноках.

И вот на рубеже XXI века изобретение Грова – экологический чистый и эффективный источник энергии – обретает новую жизнь. Давний курьез находит широкое применение. Появились экспериментальные модели автомобилей, телефонов, ноутбуков и даже подводных лодок, оснащенных ТЭ. С его помощью можно отапливать и освещать коттеджи и многоэтажные дома. С ним не страшны даже сибирские холода.

Что же такое топливный элемент? Это – батарея, которая преобразует химическую энергию топлива сразу и в тепловую, и в электрическую, например греет трубы и тут же освещает дом.

Состоит батарея из двух емкостей с водородом и кислородом, разделенных электролитом. Эта «перегородка» мешает образованию гремучей смеси. Реакция протекает под контролем; ее называют «холодным сжиганием водорода». Его молекулы благодаря катализатору теряют свои электроны. Зато, лишившись их, ионы водорода проникают сквозь электролит и соединяются с кислородом. В емкости с кислородом электроны оказываются в дефиците, а с водородом – в избытке. Появляются положительный и отрицательный полюса. Возникает электрический ток. Основным побочным продуктом этого технологического процесса является вода. Что же касается безопасности ТЭ, то, по оценкам экспертов, привычное для нас бытовое топливо – пропан и бутан – взрывоопаснее водорода.

Со временем водород и кислород могут стать неисчерпаемым источником тепла и света. На смену «углеродному веку» – эпохе нефти, бензина и угля – грядет «водородный век». Но тут начинаются проблемы.

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Однако в природе он встречается в основном лишь в виде различных соединений, и главное из них – вода. Получать водород можно путем электролиза воды – ее разложения на водород и кислород, – но этот процесс очень энергоемкий. Поэтому в выигрыше окажутся страны, обладающие запасами возобновляемой энергии. Так, экспортерами водорода могут стать страны Азии и Африки, если использовать для его электролиза солнечную энергию. На специальных танкерах водород будут доставлять в Европу для заправки автомобилей и домашних котельных.

В Исландии планируют приступить к промышленному электролизу воды, используя геотермальную энергию, которой страна изобилует. Власти Исландии надеются, что со временем все ее жители будут пользоваться лишь автомобилями, работающими на водороде. Излишки его станут важной статьей экспорта. Чем не пример для Камчатки с ее Долиной гейзеров?

Пока же водород можно получать за счет переработки (риформинга) природного газа, ведь этот газ содержит метан (СН₄). При его реакции с горячими водяными парами образуется смесь, насыщенная водородом. Этот технологический цикл намного дешевле электролиза. Поначалу домашние электростанции будут работать именно на метане.

Такая электростанция невелика она чуть больше холодильника. Ее подключают прямо к газовой колонке. Сейчас в ряде стран ведутся эксперименты по отапливанию домов подобными агрегатами. Так, в нидерландском Арнхейме вот уже шестой год действует домашняя электростанция мощностью 100 киловатт. В немецком Эссене похожая станция проработала более 20 тысяч часов, обогревая один из местных павильонов. Это – рекордный показатель! Свои опытные образцы «водородных котельных» есть в Торонто, Милане, Марбахе, Нюрнберге.

Так выглядит топливный элемент

1 – он представляет собой батарею из двух емкостей с водородом и кислородом, разделенных электролитом (в рамочке показан топливный элемент в разрезе по линии 1);

2 – биполярная пластина;

3 – газодиффузионный слой;

4 – катализатор;

5 – полимерноэлектролитическая мембрана;

6 – ионы водорода проникоют сквозь электролит и соединяются с кислородом

В 2005 году планируется начать серийный выпуск домашних миниэлектростанций. Немецкая фирма «Vaillant», один из пионеров этой отрасли, надеется уже к 2010 году продать около 100 тысяч подобных агрегатов, рассчитанных, как минимум, на 40 тысяч часов работы. К этому времени в Германии, например, каждый десятый дом можно будет отапливать с помощью ТЭ.

Со временем мини-электростанции станут доступны каждому, как в наши дни – мобильные телефоны. Основным топливом для них будет биомасса, например навоз или силос, ведь при ее брожении выделяется метан.

Кстати, домашние ТЭЦ могут вырабатывать гораздо больше тока, чем нужно в обычном хозяйстве. Ведь даже топливный элемент мощностью 5 киловатт покроет вашу обычную потребность в горячей воде и электроэнергии примерно на 80 процентов. Очевидно, излишки тока будут перераспределять, связав в единую сеть десятки тысяч топливных элементов. Так образуется виртуальная электростанция – назовем ее «Интертэц».

Массовое внедрение домашних котельных позволит децентрализовать энергетическую систему и защитит население от диктата крупных компании-монополистов и просчета городских и областных коммунальных служб. В энергетике возобладает та же тенденция, что в информатике (появление сети персональных компьютеров, потеснивших прежние ЭВМ) и в связи (появление сотовой связи).

Переносной топливный элемент

Исландские траулеры будут оснащены топливными элементами

Топливный элемент – универсальный источник питания. Он не только обогреет ваш дом, но и способен на многое другое.

*Так, американская фирма «Моторола» разработала ТЭ, который может служить раз в десять дольше, чем обычный аккумулятор мобильного телефона. Заряжают его сжиженным метанолом.

*В Германии создан миниатюрный ТЭ для ноутбука. Он рассчитан на десять часов непрерывной работы – аккумулятор сядет быстрее.

*Фирма «Боинг» ведет испытания ТЭ, которые могли бы питать бортовую аппаратуру самолета в случае ее аварийного отключения.

*В июне 2000 года со стапелей верфи в Гамбурге сошло на воду прогулочное судно «Гидра», работающее на ТЭ. Оно может принять на борт до 22 пассажиров. Запасов водорода на нем хватит на двухдневную морскую экскурсию.

*В марте 2002 года в Германии была спущена на воду первая в мире подводная лодка, оснащенная ТЭ. До 2006 года планируется выпустить шесть подводных лодок U31. Подобное судно может неделями находиться под водой. Его двигатели работают бесшумно, и потому противник не так легко обнаружит его, как обычную подлодку. Интерес к новой технике уже проявляют в Южной Корее, Испании, Португалии, Греции.

*В настоящее время в Японии ведется разработка ТЭ, которыми будут оснащены исландские траулеры. Сейчас 30 процентов всей нефти, закупаемой Исландией, идет на нужды рыболовного флота. Стремясь сэкономить на импорте нефти, власти страны обратились с необычной просьбой к японским инженерам.

Так выглядит домашняя электростанция

«Мерседес», работающий на товарных элементах, развивает спорость до 120 километров в час

Топливными элементами можно оснастить любые виды транспорта: мотоциклы, велосипеды, автобусы. Так, американская фирма «Palcan» выпускает ТЭ мощностью до одного киловатта, рассчитанные на любителей поберечь силы во время поездки на велосипеде. В некоторых городах США и Европы в последние годы появились автобусы, оснащенные ТЭ мощностью свыше 200 киловатт. Подобный транспорт может преодолевать расстояния до двухсот километров без всякой подзарядки. И конечно, нельзя забывать про обычные автомобили!

Правда, для них, по большому счету, нужно менять всю инфраструктуру, созданную в XX веке: вместо сети бензоколонок – строить такую же сеть станций, где заправляют водородом. По оценкам экспертов, только в Германии на это придется потратить около ста миллиардов евро. Пока там имеются всего две «водородные» колонки: в Мюнхене и Гамбурге. Не лучше положение и в других странах.

Получается замкнутый круг. На автомобили, работающие на водороде, нет спроса, потому что с ними мороки не оберешься – сервис для них не создан. А инвесторы не хотят вкладывать деньги в развитие сервиса, потому что на эти машины нет спроса. Впрочем, оптимисты считают, что уже лет через десять начнется серийный выпуск «водородных авто».

Выход все же есть: автомобиль – как и домашняя «котельная» – должен сам вырабатывать водород. В принципе, топливом для такой машины может стать любое вещество, содержащее атомы водорода: природный газ, метанол, бензин. Надо лишь оснастить ее «риформером», преобразующим соединения водорода в чистый водород.

В 2004 году фирмы «Опель», «Даймлер-Крайслер» и «Тойота» намерены начать выпуск электромобилей, работающих на топливных элементах. Так, «HydroGen 1» фирмы «Опель» успешно выдержал серию испытаний. Например, осенью 2001 года он участвовал в США в ралли для автомобилей с альтернативными двигателями, причем преодолел трассу длиной 442 километра, лишь однажды остановившись на заправку. «HydroGen 3» развивает скорость до 150 километров в час. Вместо выхлопных газов подобные машины выбрасывают в воздух клубы водяных паров.

Когда-то в романе «Таинственный остров» Жюль Верн предсказывал, что вода станет «углем будущего», «неисчерпаемым источником тепла и света». В ту пору эти слова казались фантастикой, но в XXI веке им наконец суждено сбыться.

Оптимисты добавляют: «Зачем цепляться за старые технологии? Если бы наши предки не изобретали ничего нового, а жили по старинке, мастеря каменные топоры да уповая на то, что запасов камня хватит надолго, мы бы все еще жили в каменном веке». Эта эпоха, как и многие другие, пройдена нами. Мы спешим навстречу «водородному веку».

Вехи внедрения топливных элементов

1839 – сэр Уильям Гров открывает принцип работы топливного элемента.

1965 – американский космический корабль «Джемини» впервые оснащен топливными элементами.

Середина 1980-х годов – в научных кругах пробуждается интерес к топливным элементам.

1991 – американская фирма ONSI впервые приступила к коммерческому выпуску топливного элемента тепловой мощностью 220 киловатт.

1999 – в США начато использование автобусов, работающих на топливных элементах. В 2003 году подобные автобусы появились на улицах восьми европейских городов: Амстердама; Барселоны, Гамбурга, Лондона, Люксембурга, Стокгольма и Штутгарта.

2001 – начаты испытания мини-электростанций (топливных элементов мощностью до пяти киловатт), рассчитанных на отопление и снабжение электрическим током многоквартирных домов и коттеджей.

2002 – в Германии начат выпуск подводной лодки U31 – первой серийной подлодки, оснащенной топливными элементами.

2006 – планируется закончить испытания миниэлектростанций и приступить к их серийному выпуску. 2010 – ожидается заметный рост интереса к домашним мини-электростанциям.

Адреса в Интернете

Все о топливных элементах: www.initiative-brennstofTzelle.de

Транспорт, работающий на топливных элементах:  www.fuelcelltoday.com

www.daimlerchiysler.de/news/– top/2002/t20204a_jg.htm (автобусы)

www.isi.fhg.de/pi/bz/index.htm (автомобили)

Подводные лодки, оснащенные топливными элементами: www.hdw.de/bau/marine.html

ЧИТАТЕЛЬ СООБЩАЕТ, СПРАШИВАЕТ, СПОРИТ

Игорь Андрианов

Усложнять просто, упрощать – сложно

В интереснейшей заметке М. Арапова «Когда текст обретает смысл» («Знание – сила», 2003, К© 1) отмечается: «Идея «грубой оценки» отсутствует в нашем курсе школьной математики. И органично ввести ее туда – очень сложно».

Затронутый вопрос настолько важен, что хочется продолжить разговор.

Эта проблема актуальна не только для нашей школьной математики и не только математики, и не только школьной. Известный физик Р. Пайерлс настаивал: «В процессе обучения физике мы переоцениваем роль совершенно исключительных проблем, поддающихся точному решению, и не уделяем достаточного внимания гораздо более общей ситуации, в которой используются различные приближенные методы решения. Искусство выбора подходящего приближения, проверки его непротиворечивости и отыскания, по крайней мере интуитивных соображений по поводу удовлетворительности данного приближения, является куда более утонченным, чем искусство нахождения строгого решения уравнения». Так что и в университетских, и в вузовских курсах мы сталкиваемся с такими же проблемами, причем не только в России.

Перед учениками школы встает, на мой взгляд, большая психологическая проблема Действительно, в реальной жизни нет ничего строгого и окончательно известного, с детства нам приходится действовать в условиях неполной информации. Исследования психологов показывают, что наш мозг отдает предпочтение быстрым приближенным алгоритмам, а не точным, но медленным. «Человеческий мозг работает предельно эффективно и экономно. Именно поэтому он совсем не заинтересован в накоплении максимума возможной информации об объекте. У Бонгарда я впервые прочла о том, что принципиальная задача любой узнающей системы – это не получение всей информации об объекте, а наоборот, способность системы выбросить всю несущественную информацию, то есть дать вырожденное описание объекта» (Р. Фрумкина, «Знание – сила», 1996, № 6).

Между тем в школе ничего подобного на уроках математики и физики мы не встречаем. Здесь царствуют законы природы: Ома, Гука, Бойля – Мариотта и т.д. Какова точность этих законов, область их применимости, идеализацией каких реальных процессов они являются – все это остается за кадром.

Эйнштейн высказывался резко: «Чтобы понять физические законы, мы должны усвоить себе раз и навсегда, что все они в какой-то степени приближенные».

Школьник должен сознавать, что в любой физической теории мы работаем с идеальными моделями реальных вещей и процессов. Здесь не место обсуждать конкретные детали, но, поверьте, накопленный прикладными и особенно асимптотическими математиками опыт позволил бы сделать это без особых проблем!

Речь идет – назовем вещи своими именами! – о введении асимптотических понятий уже в школьные курсы физики и математики. Вот это была бы подлинная революция школьного образования, а не бурбакистско– схоластическая «революция» преподавания математики, нанесшая такой вред. Я не идеалист и понимаю, насколько это сложно осуществить с практической точки зрения, особенно сейчас. Попробуй преодолеть многовековую инерцию преподавания и консерватизм учителей, да еще в то время, когда им приходится регулярно голодать, чтобы получить свои жалкие гроши-зарплаты, и преподавать в холодных школах! В этой части я полностью согласен с М. Араповым. И все же я оптимист и надеюсь, что в обозримом будущем ситуация изменится и понятия, позволяющие примирить реальное представление о мире ученика с его школьной обязаловкой, найдут свое место в российской школе.

Новости науки

Новые исследования показали, что черная дыра в центре нашей галактики – особенная. Выброс радиации из ее окрестностей намного меньше, чем от черных дыр в центрах других галактик. Ученые объясняют это тем, что наша черная дыра, видимо, поглощает окружающее вещество непрерывной струей, а не из обращающегося вокруг дыры диска, как в других галактиках.

До сих пор считалось, что насекомые «дышат» благодаря чисто механической циркуляции воздуха по микроскопическим тубулам, проходящим внутри их наружного скелета. Сейчас удалось, с помощью тончайших методов исследования, установить, что эти тубулы периодически сокращаются и расширяются, вполне подобно нашим легким.

Китайские археологи обнаружили несколько скелетов небольших динозавров, у которых перьями были покрыты все четыре конечности. Эта находка заставляет думать, что предшественниками птиц были динозавры, прыгавшие с деревьев на деревья, и крылья возникли в помощь таким прыжкам. Ранее считалось, что крылья развились из перьев на передних конечностях, помогавших динозаврам бегать.

Весной нынешнего года биологи из шести стран объявили, что достигнута окончательная расшифровка генома человека – опознаны все три миллиарда букв-нуклеотидов в хромосомах человека. На очереди более сложная задача: прочитать слова-гены, записанные этими буквами.

А далее – еще более сложная задача: понять, как гены и их продукты осуществляют жизнедеятельность живой клетки, органа, всего организма. О трудностях, которые встречаются на этом пути, рассказывает публикуемая заметка. О сложнейшем мире внутриклеточных процессов – статья И. Лалаянца "РНК: о, новый дивный мир" на с. 65.

Михаил Вартбург

Не все кошки серы

Будучи сам заядлым кошатником, вынужден разделить с собратьями– фелинолюбцами свое огорчение: Сс не похож на свою маму.

Напомню, кто такой Сс. Это котенок. Его странное название образовано из первых букв двух английских слов «Carbon сору», что можно перевести как «под копирку». Как легко понять, он скопирован, то есть склонирован из другой кошки, своей матери, одна из клеток тела которой была подвергнута обычной при клонировании обработке: ее ядро вместе со всеми содержащимися в нем генами было пересажено в предварительно освобожденную от своего ядра яйцеклетку другой кошки, «приварено» к этой яйцеклетке с помощью электрического или химического импульса и после недолгого развития в пробирке, до эмбрионального состояния, подсажено в организм суррогатной матери, другой кошки. В результате этой процедуры 22 декабря 2001 года на свет появился первый в истории котенок– клон. Сегодня ему год с небольшим.

Его маму зовут Рэйнбоу, то есть Радужка. У нее белая шерсть, испещренная коричневыми, рыжеватыми и золотыми пятнами. Действительно, радуга. У Сс на белой шерсти серая полосатая попонка. Типичная полосатая кошка. Маминой радужки нет и в помине.

Мама у Сс – кошка сдержанная, серьезная. Сс – игривый и любопытный.

Мама у Сс – волохатая, округлая. Сам Сс – продолговатый, прилизанный.

Этот список можно продолжать. Но незачем. Суть ясна и без этого. Котенок-клон – не стопроцентная копия своей матери. Хотя и сделан «под копирку».

«Уж сколько раз твердили миру», что гены – это еще не все, что определяет индивидуальную особь. В том числе и кошку. В том числе и человека. В великом споре, кто важнее, природа или воспитание, «nature or nurture», правы обестороны. В формировании индивидуальной особи участвуют и гены, и среда. Поэтому не следует думать, что клон Моцарта в пять лет сядет за рояль, и клон Эйнштейна откроет то, чего не дооткрыл папаша. Не получится вырастить армию клонированных гитлерят. И слава богу. Не получится вырастить и копии любимой кошки или собаки взамен умершей или погибшей. А жаль.

Собственно, с этой «задумки» все и началось. Четыре года назад некто Джон Сперлинг, миллионер, основавший университет в аризонском городе Финикс, дал некой техасской компании (Texas А&М) 3,7 миллиона долларов на создание копии любимой собаки – колли по имени «Мисси». Увы, Мисси умерла раньше, чем попытки создать ее копию увенчались успехом. Тогда Стерлинг перевел свои деньги фирме Genetis Savings & Clone. Эта калифорнийская фирма основана со специальной целью собирать деньги у богатых любителей кошек и собак для клонирования их любимцев. К чести компании следует упомянуть, что ее ученые откровенно предупреждали вкладчиков, что создать точную копию их домашних животных невозможно даже методами клонирования. «Мы могли бы им пообещать, – объяснил представитель компании. – Но это было бы не этично. Рано или поздно владелец сказал бы нам: послушайте, это не моя собака, она не умеет проделывать те фокусы, которым я научил свою».

Еще бы. Овечка Долли тоже не была похожа на свою маму. Но она – ее истинный, научно удостоверенный клон. И котенок Сс – тоже клон своей матери. Это тоже удостоверено научными методами. В отличие от недавней Евы, якобы родившейся в секте раэльян. Ту вообще никто так и не видел. И какой она расцветки, не известно. Там денежки были собраны без особых забот об «этичности».

Клонирование домашних животных оказалось более трудным делом, чем предполагалось. На данный день Сс – единственный удачный кошачий клон. Собак клонировать пока не удалось вообще. Мечты фирмы уже в нынешнем году выйти на коммерческое клонирование кошек не реализовались.

Так что, друзья-кошатники, даже сомнительная копия любимой кошки или кота нам пока не светит. Поэтому призывают вас – берегите тех, кто есть.

А вот животноводов ни к чему такому призывать не нужно. Их требования к копиям своих животных куда скромнее, чем наши. Была бы, как поется, страна родная и нету других забот. То есть давал бы клон столько же молока, что мать-клониха, а какой он расцветки и характера – какая разница.

Руководствуясь этим прагматичным подходом, новозеландские биологи сделали недавно новый важный шаг в клонировании коров. В отличие от американских коллег из Калифорнии, они ограничились воспроизведением лишь одной особенности клонируемого животного. В их случае – способности коровы давать молоко с повышенным содержанием протеинов (белков) под названием бета-казеин и каппа-казеин. Повышенное содержание бета-казеина в молоке резко ускоряет процесс образования сыра. Каппа-казеин был взят для контроля.

Как это обычно во всех экспериментах по клонированию, процент выживших эмбрионов был очень низок. Из 126 трансгенных клонов выжили лишь 11; 9 из них обладали той способностью, которой добивались экспериментаторы: их молоко содержало от 8 до 20 процентов больше бета-казеина и дважды столько контрольного каппа-казеина.

Перспективы нового достижения очевидны. Но реализуются они не скоро. Сначала молоко должно пройти апробацию в Управлении пищевых и лекарственных ресурсов, которое запрещает продажу молока или мяса генетически модифицированных и клонированных животных, пока не выработает все необходимые правила. Предстоит еще проделать эксперименты по проверке безопасности нового молока для людей. Возможно, по полям и лугам загуляют стада клонированных и генетически модифицированных коров. Сыру будет досхочу.

Или не будет. Ибо это уже от науки не зависит.

ГЛАВНАЯ ТЕМА