Текст книги "Занимательно об энергетике"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 13 страниц)

В конце 1972 года в солидных научных журналах замелькали странные заголовки статей: «Опускание массы в гравитационную яму»... «К опусканию веревки в «черную дыру»...

Почти одновременно английский математик Р. Пенроуз и американский физик Дж. Бекенштейн высказали простую идею. Если со звездолета (он облетает «черную дыру» по достаточно удаленной, а потому и безопасной орбите) бросить в направлении «черной дыры» камень, то под действием могучего притяжения камень будет падать все быстрее и быстрее, пока при скорости, близкой к световой, не исчезнет в «дыре».

Осталось немного. Привязываем к камню конец веревки, намотанной на вал динамомашины, и вот при падении камня начнет вырабатываться совершенно бесплатная электроэнергия.

Прием, предложенный теоретиками для понимания физического явления, так называемый «мысленный эксперимент» ненов. Еще в прошлом веке великий Максвелл, чтобы изучить законы термодинамики, придумал маленького чертика («демон Максвелла»), который мог бы сортировать отдельные молекулы и атомы. Но энергетика – это не шутки! Больной вопрос человечества! Неожиданный кульбит теоретиков подвергся вдруг серьезной разработке учеными с более практической жилкой.

Вскоре появляется статья профессора Ванкуверского (Канада) университета Дж. Шелтона. Он занялся подсчетом той энергии, которую можно было бы получить, опуская камень в «черную дыру».

Результаты были ободряющими: выделится, оказывается, вся (100 процентов!) энергия, заключенная в массе бросаемого в «черную дыру» груза. Как если бы произошла полная аннигиляция его массы!

Шелтона вскоре поправили люди с более развитым, чем у профессора, инженерным чутьем. Г. Гиббоне из Кембриджа (Англия), рассуждая как практик, показал: во-первых, часть выделяющейся энергии (37 процентов) потратится на натяжение веревки, а во-вторых, по мере опускания груза, притяжение «черной дыры» будет возрастать. Поэтому, как бы прочна веревка ни была, рано или поздно она оборвется. Даже самые прочные тросы из стальной рояльной проволоки. И поэтому выделяемая энергия (расчеты Гиббонса) должна быть в тысячу миллиардов раз меньше, чем вычислил Шелтон. Но ведь эта малая доля берется от гигантской величины! Для землян и она представляла бы существенный интерес.

Тема «энергетика и «черные дыры» на этом, однако, не закончилась. Правда, продолжалась она уже в иной плоскости. Дело в том, что согласно одной из космогонических гипотез наша вселенная, возможно, порождена «черной дырой», взорвавшейся по неизвестным причинам 10—12 миллиардов лет назад. Звезды и галактики, образовавшиеся в результате этого катаклизма, до сих пор разбегаются от эпицентра взрыва. Раз так, то вполне вероятно, что какие-то осколки этой первоначальной «Черной Дыры» остались в сверхсжатом состоянии – этакие малюсенькие «черные дырочки»! – и разлетаются вместе с обычным веществом.

Подсчитана даже плотность, с которой эти остаточные «черные дыры» распределены в пространстве – одна «черная дыра» на куб со стороной в 1000 километров. В объеме земного шара может находиться несколько сот «черных дыр». Маленькие «черные дыры» способны затеряться где угодно – в земле, в воздухе, в океанах. Если все это действительно так и человек вдруг обнаружит «черные дыры» не в космосе, а у себя на Земле, то могут возникнуть уже вполне утилитарные вопросы: как использовать ту колоссальную энергию, которая сосредоточена в «черных дырах», как ее оттуда извлечь, и так далее...

Вероятные невероятности

Каменный век, бронзовый, железный – они длились тысячелетия. Век пара, кончающийся век двигателей внутреннего сгорания – тут дело пошло уже быстрее! А в последние десятилетия и вообще наблюдается какая-то чехарда из эпох: век электричества, век радио, пластмасс, кибернетики, генной инженерии...

Нет ничего удивительного, если в этой сумятице вскоре наступит век мезонов, век нейтрино, гравитонов, кварков, глюонов... Сейчас основной носитель энергии – электроны, завтра может быть водород, а что потом?

Все говорит за то, что мы, несомненно, находимся в начале новой эры, эры тончайшей техники, в которой человек будет манипулировать все более мелкими единицами, вплоть до атомных и субатомных размеров.

Такая техника еще находится в колыбели. Но несомненно, что физика высоких энергий (помянем добрым словом ускорители!), изучая крохотные расстояния и мельчайшие интервалы времени, будет источником новых идей и новых руководящих принципов, и они дадут совершенно новую технологию.

Только один пример.

Уже почти 30 лет физики штурмуют термоядерный синтез. Температуру ионов удалось довести до многих десятков миллионов градусов. Осталось повысить плотность плазмы и увеличить время ее удержания примерно в 40 раз. Специалисты обещают сделать это лет через 10—20.

Такой путь к термоядерному синтезу можно сравнить с лобовой атакой. А нет ли обходных путей? Есть! Катаклизм реакций ядерного синтеза с помощью мю-мезонов.

Долго и сложно рассказывать, как эта довольно старая (с 1949 г.) идея постепенно прокладывала себе дорогу. Укажем лишь на ее преимущества перед «классическим термоядом».

Тут, оказывается, не нужны температуры в десятки миллионов градусов, не нужны и хитроумные магнитные поля. Мезонный реактор представляет собой просто сосуд с газом – смесью дейтерия и трития, в который впрыскиваются мезоны.

Размеры сосуда зависят от давления газа, и при давлении в десятки атмосфер диаметр реактора составит около десяти сантиметров.

Карманный реактор! На его основе можно, к примеру, сделать термоядерный автомобильный двигатель!..

Трудности «холодного термояда»? Только в том, что пока нет дешевого источника мю-мезонов. И он должен быть не только экономичным, но, главное, компактным: не то что используемые сейчас гиганты-ускорители. (Минимальная энергия, необходимая для получения мю-мезонов – 100 МэВ).

Мезонные реакторы строить рано, но надо помнить: все революционные идеи обычно проходят три стадии:

«Это сумасшедшие мечты и пустая трата времени»;

«Собственно, это осуществимо, но стоит ли овчинка выделки?» (как раз такой этап переживает сейчас идея «холодного термояда»);

3. «Я всегда утверждал и всегда буду утверждать, что это блестящая мысль!»

Трудно говорить о будущем энергетики. Ибо энергетика быстро вовлекает в свою орбиту все самые новейшие завоевания науки и техники. Скажем, почему бы основой энергетики будущего не стать... вакууму? Ведь вакуум – это отнюдь не «ничто», а, как утверждают ученые, некая динамическая субстанция с очень сложными физическими свойствами.

Удивительно, но об этом догадывался еще Аристотель. Он писал: «...Надо признать, что дело физика – рассмотреть вопрос о пустоте, существует она или нет и в каком виде существует или что она такое...»

Ему много веков спустя вторил (о эта интуиция великих умов!) Р. Декарт: «...Все пространства, которые обычно считают пустыми и в которых не чувствуется ничего, кроме воздуха, на самом деле так же наполнены, и притом той же самой материей, как и те пространства, где мы чувствуем другие тела...»

Этот перечень цитат, где прозревается грядущее научное и практическое значение вакуума, можно было бы легко продолжить, сославшись на И. Ньютона, Д. Менделеева и других ученых.

Да, корифеи науки не заблуждались: физический вакуум становится сейчас непосредственным объектом многих исследований физиков во всех концах мира.

Но прежде чем исследовать вакуум, его надо создать! И не просто откачать воздух, удалить даже следы газов, необходимо, чтобы в экспериментальной установке не было никаких реальных частиц.

Хорошо, допустим, мы «держим в руках» уголок мира, где нет ни фотонов, ни пионов, ни пи-мезонов, – словом, нет ничего. Частиц нет, но поля остались! Согласно законам квантовой механики не может быть во вселенной участка, где нет полей.

Итак, мы достигли желаемого: реальных, долгоживущих (хотя бы в масштабах микромира) частиц в физическом вакууме нет. Однако раз есть поле, пусть без частиц, то оно должно колебаться. А при этих колебаниях рождаются и тут же исчезают кванты – те самые, которых, по определению, нет.

Колеблется электромагнитное поле – рождаются и пропадают фотоны. Колеблется электронно-позитронное поле – появляются и исчезают электроны и позитроны. И вообще все виды частиц, соответствующих любым полям.

И вот физический вакуум предстал перед нами отнюдь не пустым, но заполненным частицами особого рода, неполноправными, гибнущими (исчезающими) сразу после рождения. Одновременно и существующими и нет, воистину эфемерными.

Такие квазичастицы в физике носят название виртуальных. Их в принципе вроде бы невозможно зафиксировать в вакууме. Но – опять парадокс! – эти призраки микромира, почти фантомы, тем не менее могут взаимодействовать с частицами реальными, настоящими, влиять на их поведение.

Вот оно «окошко» в вакуум, в это загадочное Нечто по имени Ничто!

Сейчас физики исследуют вакуум на современных ускорителях. В них элементарные частицы разгоняются по тоннелям, в которых создается высокий вакуум. Подобные эксперименты начаты сравнительно недавно, но уже удается заглянуть (правда, пока больше мысленно) в открывающиеся тут «дали» микромира.

Если проникнуть в глубины микромира еще дальше – на 20 порядков меньше масштабов, доступных сейчас физике высоких энергий, то там пространство-время уже имеют сложную топологическую и геометрическую «мелкозернистую» структуру с невиданными свойствами.

Плотность энергий там фантастическая: в одном кубическом микроне этой среды содержится энергии столько, что ее хватило бы на образование многих и многих триллионов галактик!

Почему же эти чудовища себя не проявляют? Потому что при таких плотностях энергии и на таких малых расстояниях гравитационные силы становятся чрезвычайно мощными: они искривляют пространство-время и как бы «запечатывают» эту энергию. Так что стороннему человеку, который наблюдает эту «мелкозернистую» структуру среды, все кажется пустым пространством, то есть вакуумом, в обычном понимании этого слова.

Квантовая теория гравитации, таким образом, утверждает, что вакуум обладает бесконечной внутренней энергией, «запертой на замок» колоссальными силами внутреннего притяжения. «Холодный термояд», антивещество, кварки, «черные дыры», вакуум... что еще? Что готовит будущее энергетике и нам? Если, как говорится, доживем, то и увидим! Сейчас ясно лишь одно: творческие силы человека безграничны.

В этом легко убедиться. Радар, реактивный двигатель, атомный реактор, баллистические ракеты... Каждое из этих изобретений изменило наш мир. А ведь все эти замечательные новшества были созданы за какие-то шесть лет! В жаркий и стремительный период, когда гремела вторая мировая война. Стимулом к их созданию в столь рекордные сроки явилась Большая Необходимость.

Несомненно, что и энергетические трудности, стимулируя мысль ученых, изобретателей и инженеров, ускорят переход нашей цивилизации на новые, еще более высокие энергетические рубежи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину.

Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма».

Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти. И вот, как в сказке, появились самолеты, забегали автомобили, иным стал флот, активнее стала развиваться промышленность.

А между тем нефти в недрах земли во много раз меньше, чем каменного угля. Значит, дело не в запасах, а в том, насколько экономична добыча того или иного топлива, его транспортировка к потребителю, сколь удобно его использование.

И вот новый виток: в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.

Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.

А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю...

Всегда было так: следующий источник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться, «воинствующая» линия энергетики. (Часто она шла рука об руку с военными приложениями: атомная бомба, скажем, водородная.)

В погоне за избытком энергии (увы, все ускользающим!) человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.

Но времена изменились. Сейчас, в конце XX века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая». Построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики (этой основной магистрали!) получит широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Яркий пример тому – быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, за висит от нее.

Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, – это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.

Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед.

Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим, что мы на пути к Эре Энергетического Изобилия и что все препоны, преграды и трудности будут преодолены.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Энергетика глазами физика

Глава 2. Энергетика глазами эколога

Глава 3. Солнце в энергетической упряжке

Глава 4. Динозавры энергетики?

Глава 5. «Холодное» горение

Глава 6. Энергетика электрохимическая

Глава 7. Энергохимия, или Угольный ренессанс

Глава 8. Эра водорода

Глава 9. Гелиостанции на орбите

Глава 10. Энергетика: фантазии и фантастика

Заключение

Чирков Ю. В.

Занимательно об энергетике. М.: Мол. гвардия, 1981. – 207 с, ил. – (Эврика). В пер.: 50 к. 100 000 экз.

Солнечные батареи, гиганты ГРЭС, ветроэнергетика, топливные элементы, «Токамаки»... Какое место в этой шеренге занимает тот или иной вид энергии? В чем достоинства каждого? Где его применить? О тенденциях в энергетике, о том, как лучше удовлетворить бурно растущие потребности в энергии, о «конкурсе» источников тока рассказывает доктор наук Ю Чирков.