Основной поставщик электроэнергии — мощные и сверхмощные генераторы, вращаемые паровыми и гидравлическими турбинами. Они вырабатывают самое дешевое электричество в огромных количествах. Крупнейший в мире двухполюсный турбогенератор имеет мощность 1200 мегаватт. Одна машина вырабатывает электричества столько же, сколько вырабатывали 2/3 всех электростанций, строительство которых предусматривалось Государственным планом электрификации России в течение пятнадцати лет. Эта рекордная машина, успешно работающая на Костромской ГРЭС, — шедевр сложнейшей работы ученых, конструкторов, производственников.
Но рост мощности генераторов тока влечет за собой увеличение выделения тепла, а это — потери энергии. Проблема охлаждения обмоток генераторов стала препятствием на пути увеличения их эффективности. И как всегда, когда оказываются бессильными опыт и здравый смысл, на помощь приходит научное знание. Необычный для электротехники результат дает применение эффекта сверхпроводимости, еще совсем недавно считавшегося весьма экзотическим явлением, не имеющим особого практического значения.
Применение сверхпроводящих обмоток в электрических машинах позволяет в 2–3 раза уменьшить массу агрегата при коэффициенте полезного действия до 95,5 процента. Первые в истории промышленные криогенные генераторы — машины Будущего — уже построены в Ленинграде.
Но у сверхпроводимости, достигавшейся только при температуре жидкого гелия, есть смертельный враг — тепло. Поэтому проводники из сплава ниобия и титана в медной матрице помещаются в криостат, ведь поток тепла всего лишь в один ватт (столько тепла излучает лампочка карманного фонарика) способен испарить около 1,5 литра жидкого гелия в час. Криостат — своеобразный холодильник, вращающийся с частотой 3 тысячи оборотов в минуту, в который подается жидкий гелий и удаляется гелиевый газ, — конструкция не из простеньких. Поэтому понятно, с каким энтузиазмом встретили энергетики известие об открытии эффекта сверхпроводимости при значительно более высокой температуре. Высокотемпературная проводимость изучается сегодня в лабораториях всех экономически развитых стран мира. Рассказ об увлекательнейших и удивительнейших перспективах, открывшихся в 1987 году перед электротехникой, заслуживает отдельной книги. Уже в ближайшие годы в энергетике будет совершен новый революционный рывок вперед по дороге НТР.
Читатель, конечно, заметил, что создание даже весьма экономичных и небольших по размерам сверхмощных электрогенераторов со сверхпроводящими обмотками никак не отменяет проблему первичных источников энергии. Любой генератор надо вращать — силой ли пара, силой ли воды. Первичные энергоресурсы, как и другое сырье, человек черпает из природы. На производство электроэнергии расходуется около четверти добываемого в мире органического топлива. А запасы нефти, каменного угля и природного газа далеко не безграничны. Исчерпать их — значит оставить человечество без электричества, без энергии, сделать его бессильным — как на заре истории — против природы. Но об этом, конечно, не может быть и речи.
Одолев стихийные силы природы, человек стал мечтать о большем — безграничной власти над Землей. Но для этого нужен и неисчерпаемый источник энергии, электричества. Наращивать энерговооруженность путем добычи и сжигания все большего количества основных первичных энергоносителей — органических природных топлив и урана — бесконечно нельзя. Поэтому перспективы власти человеческого общества над природой связаны с поисками новых энергоносителей, добыча и переработка которых экономически выгодны и не ограничены экономическими проблемами.
В истории энергетики уже известны своеобразные топливно-энергетические революции. В XIX веке ведущую роль в энергетике играл каменный уголь. Примерно в середине XX века на смену ему пришли нефть и ее производные, добыча и переработка которых обходились гораздо дешевле. И вот теперь на очереди новый энергоноситель. Каким он будет? Пока ученые, инженеры и экономисты ищут. Достойных претендентов не так много. Некоторые считают, что будущее могущество человечества должно основываться на атомной энергетике— не современной, использующей обогащенный уран, а термоядерной. Заметим, что у этой идеи есть не только сторонники, но и многочисленные противники, доводы которых против ядерной энергетики слишком серьезны для того, чтобы от них можно было так просто отмахнуться. Да и чисто технических проблем еще чрезвычайно много: экономически выгодное промышленное освоение термоядерных реакций — дело не самого близкого будущего, хотя физики предполагают создать первый опытный термоядерный реактор еще до конца нашего тысячелетия.
Прямое преобразование солнечной энергии в электричество с помощью полупроводниковой техники, такое, как на космических кораблях, в промышленных масштабах не сулит особых экономических выгод. Недостаточны и другие альтернативные источники энергии — приливные электростанции, ветряные двигатели, термоэлектрические преобразователи. Но есть у ученых идея, реализация которой позволит решить энергетическую проблему наилучшим образом. Это использование в качестве первичного энергоносителя самого распространенного во Вселенной элемента — водорода, занимающего, как известно, первое место в периодической системе элементов.
Собственно говоря, сжигая каменный уголь, природный газ и нефть, мы уже используем теплотворную способность водорода. Ведь он поставляет основную часть тепла, получаемого в топках котлов электростанций. Достаточно сказать, что чистый водород дает в 3 раза больше тепла, чем бензин, в состав которого он входит, а о других углеводородных органических топливах и говорить не приходится. Но одно дело — водород в составе угля и нефти, и совсем другое — чистый водород, при сжигании которого в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания в выхлопные трубы поступает… чистая вода. Вся беда в том, что чистый водород сегодня дорог, и получать его в количествах, необходимых для замены других природных первичных энергоносителей, пока что практически нецелесообразно. Но, как мы уже говорили, у ученых есть идея…
На очереди решение одной из великих тайн природы— познание механизма фотосинтеза. Ожидания, связанные с этим, превосходят надежды энергетиков на промышленное использование термоядерных реакций. Фотосинтез — необходимое условие, исходный рубеж жизни на нашей планете, потому что только он обеспечивает использование части потока солнечной энергии живым веществом Земли — сначала растениями, затем всеми другими видами живых организмов. В процессе фотосинтеза, пока что неизвестным нам образом, солнечный свет расщепляет воду на кислород и водород. Кислород выделяется в атмосферу, давая жизнь флоре, а водород (тоже пока неизвестно как) связывается с углеродом в органических химических соединениях— углеводах, строительных материалах растений. Так природа «консервирует» солнечную энергию, запасы которой, накапливавшиеся миллионы лет, мы теперь расходуем с такой поспешностью и неразумием.
Теперь представим себе машину, воспроизводящую механизм фотосинтеза. Для того чтобы разорвать химические связи водорода с кислородом в воде, сегодня нужно затратить колоссальную энергию. Пиролиз (разложение воды теплом, огнем) или электролиз (разложение воды с помощью электричества) в больших масштабах экономически невыгодны. А в процессе фотосинтеза эта задача решается практически без затрат энергии— с помощью солнечного света! Самое же главное — в машине удастся получить и кислород, и водород. Откроется путь превращения солнечной энергии в химическую, а превращать химическую энергию в электрическую мы уже умеем, и очень неплохо.
Человечество ждет фантастическая по своим возможностям водородная экономика. Еще Д. И. Менделеев говорил, что сжигать нефть в топках — все равно, что топить котлы ассигнациями. Энергия водорода легко транспортируема, легко преобразуется в электрическую энергию. Дешевый водород станет прекрасным топливом. Разлагая воду на кислород и водород и сжигая затем водород, мы опять получим ту же самую воду и при этом прекратим загрязнение воздуха десятками вредных газообразных веществ, неизбежно попадающих в атмосферу при сжигании органического топлива.
И это еще не все. Получаемый в больших количествах водород избавит металлургию от доменного процесса. Металлы будут восстанавливаться из руд без плавки: водород отберет у окислов кислород. Можно привести много других доводов в пользу водородной энергетики. Ее преимущества перед развернутым строительством АЭС очевидны. И хотя задача получения дешевого водорода в больших масштабах еще не решена, ученые надеются на успех. Водородно-электрический мир — таким будет следующий век энергетики.
Наследники бога Гефеста
Гефест был хром и безобразен, но жил, как и подобает богу, на горе Олимп. Неизвестно, правда, где располагалась его мастерская, ведь Гефест был еще кузнецом, великим Мастером, владевшим ковкой металлов — искусством таинственным и прекрасным. Творения Гефеста воспеты древними греками в мифах. А Гомер в «Илиаде» рассказал о том, что Гефест первым додумался до идеи, одолевающей с тех пор десятки поколений мечтателей и фантастов, не исключая фантазеров эпохи научно-технической революции. Вот что донесли до нашего времени строки древнегреческого эпоса. Когда дочь Нерея Фетида пришла в гости к богу-кузнецу, он
…Ризой оделся и, толстым жезлом подпирался, в двери
Вышел, хромая. Прислужницы, под руки взявши владыку,
Шли, золотые, живым подобные девам прекрасным,
Кои исполнены разумом, силу имеют и голос…
«Золотые девы» Гефеста в нынешнем техническом просторечии — автоматы-андроиды, роботы с довольно высоким уровнем машинного интеллекта и хорошо развитой системой исполнительных механизмов. По крайней мере, до сих пор никому еще не удалось создать столь же удачную конструкцию. Поскольку более древних упоминаний об автоматах, выполняющих функции человека, до нас не дошло, мы можем с достаточным основанием утверждать, что именно Гефест — родоначальник автоматики, и потому специалисты, создающие, изготавливающие и использующие человекоподобные автоматы — его наследники.