Мысль о том, что человечество допустило трагическую ошибку, когда, создавая современную энергетику, пошло по пути все большего увеличения температур, сегодня можно услышать все чаще. Расплата за неудержимый физический экстрим и связанные с ним проблемы уже дают о себе знать — потепление, цунами, таяние льдов на полюсах, бесчисленные пожары… Планета не выдерживает нашего напора и, будем откровенны, нашей жадности. Маховик запущен, и то ли еще будет!..
Видимо, наша Земля вообще не приспособлена для таких игр с огнем, которые затеял человек. Естественное развитие на планете шло совсем иным, более щадящим путем. Органическая жизнь, осваивая планету, обходилась комфортными температурами до 100 °С. При этом она ухитрилась завоевать всю территорию Земли — от экватора до полюсов. С помощью фотосинтеза — весьма нехитрой реакции — ей удалось освоить солнечную энергию в количествах, которые до сих пор недоступны нашей агрессивной энергетике…
А был ли у человечества альтернативный путь?
Был! Более того, если человечество освоит возможности, которые открывает перед ним термоэлектричество, оно вернется на естественный путь развития и получит достаточное количество чистой энергии без загрязнения природы и нагревания планеты. Собственно, об этом и шла речь на очередном Международном форуме по термоэлектричеству, который проходил в середине июля в Черновцах.
Почему именно здесь? — может спросить читатель. Дело в том, что в этом областном центре работает всемирно известный Институт термоэлектричества. Здесь находится штаб-квартира Международной термоэлектрической академии. И ко всему в июле нынешнего года создателю этих учреждений, известному исследователю, профессору Лукьяну Анатычуку исполнилось 70 лет.
Кстати, подтверждением того, что ученый выбрал перспективный путь в науке, является и такой факт: Институт термоэлектричества открыли в Японии, а в настоящее время такой же институт (третий в мире) открывают и в России, ставшей на путь интенсивного развития научных направлений, обещающих огромные достижения в промышленности.
Лукьян Анатычук |
Но так получилось, что человечество решило направить развитие цивилизации по пути, предложенному Джеймсом Уаттом. Оно поставило на тепловые машины и вообще на технику, требующую высоких температур и огромных мощностей. За прошедшие годы эти параметры действительно все увеличивались. Сегодня мы располагаем электростанциями с миллионами киловатт, а в лабораториях работают над еще более мощными монстрами, в которых будут достигнуты температуры в сотни миллионов градусов. Причем над их совершенствованием трудятся миллионы лучших инженеров и ученых…
Однако уже очевидно — наши проблемы на планете будут усугубляться вместе с развитием достоинств этих машин. Понятно и другое — все эти замечательные достижения человечеству нужно как можно скорее отправить на свалку истории техники и найти какой-то другой путь. И постараться при этом не дать убаюкать себя всем этим нефтяным, газовым, угольным, урановым и прочим лобби традиционной энергетики. Иначе — тупик…
Альтернативным направлением энергетики — термоэлектричеством, обнаруженным когда-то Алессандро Вольта, сегодня в мире занимаются около 800 человек. Внешне это явление не выглядит особенно сложным — стоит соединить два разнородных металлических или полупроводниковых материала, затем опустить это соединение в горячую воду, и между ними пойдет ток. Это и есть тот гениальный опыт, который когда-то впервые провел Вольта. Правда, у него не было даже прибора, чтобы измерять появившийся ток, и ему пришлось подключать концы проводов к препарированным ножкам лягушки. Когда они начали дергаться, ученый понял — в цепи возник ток!
По принципу Вольта в Институте термоэлектричества для посетителей музея техники создали термоэлектрическую установку. Правда, уже без препарированной лягушки. Ее роль выполняет вентилятор или лампочка. Стоит поставить стакан с горячей водой на модуль (который заменил соединение двух материалов), как вентилятор начинает вертеться или загорается лампочка.
В этом же музее посетителям демонстрируют не менее поразительный по наглядности опыт: если через соединение двух разнородных проводов пропустить электрический ток, то в месте их соединения вы… ощутите холод. Все посетители музея с наслаждением дотрагиваются до металла, который вмиг охлаждается.
Что особо хотелось бы отметить: в Черновцах сегодня умеют изготавливать лучшие модули в мире. А это — основной элемент любой термоэлектрической установки. С их модулями удается достичь перепада температур в 74 °С. В то время как в Японии и Китае могут добиться пока только 68 °С.
В мире по этому принципу сегодня создано примерно 800 видов холодильников. Поначалу их применяли только в космосе и военной технике — такие холодильники работали на космических станциях, марсоходах, помогали точно наводить ракеты и выполняли еще сотни тончайших работ. В музее в Черновцах все примеры такого применения можно увидеть и даже потрогать руками. А поскольку черновицкие инженеры и рабочие делают такие приборы лучше, чем в других странах, то здесь находятся образцы, которые летали на американских космических кораблях, европейских ракетах и, конечно, «Салютах».
К счастью, в последнее время в Черновцах все интенсивнее создают подобные изделия и для простых смертных. Посетители обычно не могут пройти мимо термоэлектрического столика. Поначалу его заказали японцы. Вскоре подобные столики стали пользоваться в этой стране широкой популярностью. В него вмонтирован обычный термоэлектрический блок. Это позволяет, если вы подаете к столу мороженое, поставить регулятор на 0° С и больше не беспокоиться, что оно растает. Если же вы хотите угостить гостей горячим борщом или кофе, пожалуйста, — щелкните кнопкой на пульте и стол будет поддерживать необходимую вам температуру под чашкой или тарелкой.
Надо ли удивляться, что в Черновцах уже создан охлаждаемый шлем для мотоциклистов. В нем не запаришься в самую жаркую погоду. Видимо, модельерам впору начать экспериментировать с охлаждаемой/нагреваемой с помощью термоэлектричества одеждой. Это открытие позволит устроить кондиционирование в любом костюме.
В музее термоэлектричества |
Вскоре по тому же принципу был сконструирован гинекологический пояс, который используется для снятия болевого синдрома при схватках роженицы. С его помощью создается приятная волна из холодных и теплых импульсов. А после родов такой пояс включается на +4 °С и помогает остановить кровотечение.
Впечатляет и кепка для водителей. За рулем укачивает, и чтобы не заснуть, достаточно надеть такую кепку, включить провода, выходящие из нее, в прикуриватель. После этого расположенные на лобной части две термоэлектрические таблетки начинают в циклическом режиме охлаждать или чуть подогревать точки на лбу. Сон как рукой снимает.
Увы, корабли, выходя в море, до сих пор терпят крушения, и пассажиры, бывает, оказываются в воде. Потерпевшим бедствие подать радиосигнал до сих пор было сложно: аккумуляторные батареи в воде очень ненадежный источник тока. Поэтому в Институте термоэлектричества в спасательный пояс вмонтировали крохотный термоэлектрический генератор. Он будет давать ток всегда и везде, где есть разность температур. Так, если вода — 18 °С, а тело человека — 36,6, то этот перепад уже достаточен для выработки такого тока, чтобы устройство само начало подавать сигнал SOS. Итак, если SOS звучит в эфире, значит, жизнь еще теплится в теле потерпевшего...
Таких примеров использования термоэлектричества для самых разных целей можно приводить бесчисленное множество. И с каждым годом их количество резко увеличивается. И все же главные надежды в институте связывают с получением электроэнергии в промышленных масштабах.
Впервые получать электроэнергию, воспользовавшись перепадом температур воды в разных слоях океана, предложили японцы. В океане температура воды в нижних слоях около 0° С, а на поверхности — 20. За счет такого перепада можно получить электричество. И это абсолютно чистая электростанция!
Таким же образом можно производить электроэнергию и на суше: достаточно закопать капсулу из термоэлектрика на глубину 40 метров, а другую расположить на поверхности грунта.
Впрочем, пока промышленное использование этой идеи — из области научной фантастики. Реальные термоэлектрические генераторы впервые были созданы в 1942 году в ленинградском институте под руководством одного из пионеров термоэлектричества, великого ученого Абрама Иоффе. Во время войны перед институтом было поставлено задание обеспечить… партизан источником электричества для связи с Большой землей, так как аккумуляторные батареи регулярно доставлять в тыл врага было сложно. Тогда физики изготовили котелок с двойным дном, в котором за счет того, что между водой в котелке и костром был перепад температур, работала термоэлектрическая батарея. Она-то и обеспечила током радиопередатчики партизан. КПД был небольшой — около трех процентов, но электроэнергии хватало, чтобы передать или принять сообщение из центра.
Сейчас в Институте термоэлектричества в Черновцах созданы термоэлектрические батареи, работающие на керосиновой лампе, керосинке, примусе. Они обеспечивают уже более высокий КПД — от 7 до 10 процентов. Обычные керосиновые лампы, на которые надеты термоэлементы, вырабатывают 2,5 ватта. Это дает возможность работать транзисторному приемнику. А термогенератор на керосинке дает мощность уже в 15 ватт, что позволяет смотреть телевизор. Еще большую мощность дает объединение парового отопления с термоэлектрическим генератором. Так, на обычных отопительных батареях в небольшом загородном доме можно получать 3,5 киловатт электрической мощности. Этого вполне достаточно, чтобы питать все электрические приборы в таком доме.
— Лукьян Иванович, что ожидает термоэлектричество в связи с применением нанотехнологий? — с таким вопросом обратился обозреватель «ЗН» к Л.Анатычуку во время одного из семинаров.
— Эта тема очень популярна на форуме. Ей даже был посвящен специальный семинар, собравший самых известных в мире ученых, занимающихся нанотехнологиями для термоэлектричества. На этом направлении сейчас испытываются разные подходы. К примеру, компания Марлоу (США) экспериментирует с нанопроволоками, интересные разработки проводят в Кишиневе, Москве. Индийцы запатентовали в США некоторые весьма креативные проекты. Конечно, широким фронтом ведутся исследования в Японии. Здесь эксперименты проводятся сразу в нескольких лабораториях. Но поручиться, что это вскоре даст революционные результаты, вряд ли кто-нибудь возьмется, потому что пока реальных успехов нет, и неизвестно будут ли они вообще.
Следует отметить, что на этом направлении нанотехнологии весьма отличаются от разрабатываемых в электронике. Здесь совершенно другие требования к материалам. Эти искусственно созданные структуры подвержены температурным воздействиям, и в этом есть определенная опасность, потому что все термоэлектричество построено на перепадах температур.
Впрочем, есть области, где нанотехнологии, видимо, смогут сыграть огромную роль. В первую очередь это можно сказать об использовании тепла океана. Здесь наноструктуры будут работать при малых перепадах температур (фактически при комнатных температурах), и это позволит им проявить себя суперэффективно.
— На какой КПД можно будет рассчитывать?
— Видите ли, КПД вряд ли будет больше чем полпроцента. Но это не играет совершенно никакой роли. Здесь важно понять, что в экологически чистой энергетике надо оперировать совсем другими понятиями. А что разве при природном фотосинтезе достигнут высокий КПД? Нет, он где-то около 0,2 процента. Но тем не менее природа пошла по этому пути и эффективно обеспечивает всю органическую жизнь на планете.
Дело в том, что КПД важен там, где борются за высокие температуры, где нужно экономить топливо. А разве нам нужно экономить солнечный поток? Океанического тепла хватит всем, и энергетическая проблема может быть решена таким образом.
В ХIХ веке, когда основы современной энергетики только закладывались, пришлось пойти по опасному пути — погоней за высокими температурами. Но это тупиковый путь для человечества. Теперь паровые машины можно увидеть только в музее техники. Убежден, что там же со временем окажутся и двигатели внутреннего сгорания, тепловые электростанции и другие великие достижения прошлого века. Они попросту исчезнут из жизни людей, и о них будут вспоминать, как об опасном анахронизме. Человечество будет пользоваться электричеством, полученным экологически чистым способом. Оно научится преобразовывать его с очень высоким КПД в механическую энергию. А сама энергия будет добываться с помощью термоэлектричества.
— Но, видимо, прежде придется придумать более вместительные аккумуляторы?
— А они уже есть — с помощью электричества легко производится водород и, пожалуйста, — катайтесь с его помощью сколько хотите. Кстати, водородное направление развивается очень энергично. Так что горизонты новой энергетики уже просматриваются довольно отчетливо.
В сегодняшней ситуации меня волнует другое — кто будет развивать эти достижения? Кадры, оставшиеся в наследство от прежних времен, уже весьма постарели…
К счастью, у нас на кафедре термоэлектричества в Черновицком национальном университете открыта специальность «прикладная физика». Учеба на ней полностью обеспечивается за счет бюджета, и за это особая благодарность президенту НАНУ Б.Патону и Министерству образования и науки, которые вовремя оценили важность развития этого направления в Украине и ходатайствовали перед правительством о выделении необходимых для этого средств. Каждый год на эту специальность набирается группа из 25 человек. Естественно, не все успешно проходят нелегкий путь учебы, хотя мы гарантируем трудоустройство всем учащимся, поступающим к нам на первый курс. За пять лет они осваивают полный курс, проходят через все лаборатории: от выращивания материалов до создания какого-либо прибора. Поверьте — это не просто, так как его нужно уметь рассчитать, сконструировать. А для этого к таланту нужно еще и немалое терпение и недюжинное трудолюбие…
Уже состоялся первый выпуск. У четырех магистров, которые участвуют в нынешнем форуме, есть по три-четыре научные работы, опубликованные в серьезных научных журналах. Для вчерашних студентов это совсем неплохо! Они вскоре будут поступать в аспирантуру. На них наши надежды…
P.S. Клуб интеллектуалов «Девятая цивилизация» очередное (выездное) заседание провел в Черновцах.