Нефть содержит сложную смесь разных молекул, которую разделяют во время переработки. Из самых тяжелых и плотных получается вязкий мазут – топливо, которое используют некоторые морские суда. Более легкая часть идет на дизельное топливо, на котором часто ездят грузовики. Еще легче керосин, он сейчас используется как топливо для самолетов, а из самой легкой части нефти получается обычный бензин.
За год все человечество вместе тратит целое море энергии. Примерно половину от этого количества расходует промышленность: машины, добывающие полезные ископаемые, станки на заводах и фабриках, техника, которая помогает выращивать урожай. Еще четверть отдается транспорту: автомобилям, самолетам, поездам и так далее. Остальное уходит на домашнее и городское хозяйство.
Несмотря на то что сжигание ископаемого топлива наносит вред природе, оно до сих пор остается главным источником энергии в мире. Примерно три четверти ее мы получаем из угля, нефти и газа. На солнечные и ветряные электростанции приходится меньше десятой доли.
Чтобы получить всю энергию, которая нужна человечеству каждый год, создавать и расходовать приходится намного больше. Пока электростанции сжигают топливо, провода передают электричество, а цистерны перевозят нефть, на каждом шаге часть энергии теряется. Поэтому производить ее нужно с запасом.
Какая-то доля энергии теряется всегда, что бы мы с ней ни делали. Ее отбирает трение между деталями генератора или двигателя. Летящая стрела тормозится о воздух. Часть тепловой энергии, полученной на угольной электростанции, поднимается в небо вместе с горячим дымом. Даже в батарейке, которая ждет в магазине, пока ее купят, заряд понемногу уменьшается. Такие потери неизбежны, но инженеры и ученые находят хитрые способы их снизить.
При нагревании воды в открытой кастрюле теряется очень много тепловой энергии. Но ведь можно просто накрыть ее крышкой, которая удержит тепло внутри. Расходы электричества на нагревание будут меньше в 2–3 раза.
Для уменьшения трения двигатель смазывают маслом. Теплом дыма дополнительно подогревают воду. Даже автомобили и домашние электроприборы стараются делать «энергетически эффективными» – то есть такими, которые расходуют энергию бережно, почти без потерь. Например, светодиодная лампочка светит так же ярко, как старая лампа накаливания, но тратит на это примерно в десять раз меньше электричества.
В обычной лампе накаливания есть металлическая нить. Когда через нее проходит ток, она раскаляется настолько сильно, что начинает светиться. В светодиодных лампах используются специальные кристаллы полупроводников. Крошечный, как песчинка, такой кристалл превращает электрическую энергию в свет напрямую, без нагревания. Поэтому потерь на тепло практически нет, и светодиод расходует намного меньше электричества, чем лампа накаливания.
Если получать электроэнергию не из розетки, а прямо на месте, можно не терять ее при передаче по проводам. А получить ее можно из чего угодно. Ведь, как мы знаем, все на свете – это превращения энергии, и некоторые из них происходят вокруг нас постоянно. Человеческая нога сгибается, а тело вырабатывает тепло. Проезжая по дороге, автомобили заставляют ее слабо трястись. Все это может послужить источником энергии.
Если человек сидит спокойно и не двигается, его тело вырабатывает около 100 ватт тепловой энергии. Этого слишком мало для обогрева даже крошечной комнатки, но может хватить для питания какого-нибудь микроскопического медицинского датчика, прикрепленного на кожу.
Конечно, ее далеко не так много, как в топливе, и вряд ли она поможет вскипятить чайник. Но для многих мелких устройств этой энергии хватит.
Поэтому в будущем нас будут окружать крошечные генераторы и зарядки, работающие от городского шума, от тепла нашей кожи, от давления, с которым нога наступает на подошву обуви. Они смогут давать энергию для наручных часов, смартфонов и других устройств. Можно будет обойтись без проводов и батареек – и не ждать у розетки, пока зарядится смартфон. Удобно!
Глава 5.Какое у энергии будущее?
Не только будущее, но вся история людей – это история энергии. Когда-то наши древние и косматые предки грелись вокруг костра, запрягали в повозки буйволов и лошадей. Тысячи лет главными источниками энергии были мускульная сила животных и дрова – самое простейшее топливо.
Они служили нам верой и правдой, но были далеко не такими мощными, как уголь и нефть. И едва люди догадались, как можно собрать двигатель и использовать ископаемое топливо, дрова быстро утратили свою важную роль. Сегодня их используют все меньше. Лошадей в поле и на дороге тоже уже почти не встретишь: их заменили тракторы и автомобили, неутомимые и намного более сильные.
Всю историю человечества можно представить как движение от одних источников энергии к другим, более мощным. От старых машин – к новым, более мощным и удобным. Такой переход происходит и сегодня. Ископаемое топливо заменяется энергией Солнца, ветра и атомного ядра. Взамен автомобилей с обычными двигателями появляются электрические, которые не выбрасывают в атмосферу никакого дыма.
Ученые думают, что скоро нам удастся совершить еще шаг вперед и научиться использовать новый, почти неисчерпаемый источник «чистой» энергии. Она называется термоядерной, и именно она делает Солнце таким ярким и горячим.
Ядерная энергия выделяется, когда разделяется тяжелое ядро, как у урана. А если ядро легкое, с ним можно поступить наоборот. Если очень сильно сжать пару таких маленьких ядер вместе, они сольются в одно большое и выделят очень много тепла и света. Солнце состоит из таких мелких ядер водорода. Их сжимает огромная сила притяжения звезды – и термоядерное тепло заставляет ее светиться.
Сделать то же самое на Земле пробуют, сжимая небольшое количество водорода с помощью супермощных магнитов. И если все получится, то мы сможем получать целое море энергии на термоядерных станциях. А когда людям станет мало и этой энергии, они найдут что-нибудь еще. Некоторые физики даже заранее думают над тем, как можно будет получать электричество из притяжения звезд и черных дыр!
Черные дыры – объекты с огромной плотностью. В небольшой размер помещается так много вещества, что его притяжение становится просто гигантским. Оно затягивает все, что движется рядом, даже свет. Поэтому рядом с черной дырой может скапливаться очень много космической пыли и обломков. Они крутятся и постепенно приближаются к ней, все сильнее ускоряясь и нагреваясь. Здесь можно найти больше энергии, чем у любой звезды.
От пружины до автомобиля, от Солнца до черных дыр – все на свете связано с потоками энергии и ее превращениями. У энергии множество форм, словно у какого-нибудь древнего бога с тысячью переменчивых лиц. Она может быть грозной, как при выстреле, взрыве или во время страшного урагана, ударяющего силой кинетической энергии. Но у энергии не меньше и добрых «лиц».
Без нее ничего бы не работало, не ездили бы машины, не светили лампы и звезды. Все, что происходит вокруг нас, – это разные превращения энергии. Без нее мир навсегда бы замер и остановился: энергия, словно волшебная мана, запускает его в движение. С нее начинается любое чудо: на подоконнике распускаются цветы, в кухне булькает чайник, а на планшете запускается любимая игра.
Найди на картинке, что производит энергию, что ее хранит, что передает и что использует.
• Производство энергии
• Хранение энергии
• Передача энергии
• Расход энергии
Послесловие политехнического музея
Наверняка, пока ты читал эту книгу, у тебя возникли новые вопросы. Искать на них ответы можно в Политехническом музее. В этом году он открывается после реконструкции. И в обновленном музее целый раздел будет посвящен энергии.
Экспозиция поможет представить, что происходит с энергией во Вселенной. Ты исследуешь, как одна форма энергии переходит в другую. Поймешь, как приручить Солнце, и даже попробуешь управлять энергетикой страны. А еще увидишь сценарии решения одной из важнейших проблем человечества – проблемы нехватки энергии. Может быть, стоит покрыть пустыню Сахару солнечными батареями? Или разводить бактерии, которые будут питаться пластиком и вырабатывать газ?
Ждем тебя в музее!