Человечество по-прежнему критически зависит от ископаемого топлива, хотя его использование неэкологично, а запасы не бесконечны. С развитием технологий актуальность приобретают альтернативные проекты, которые еще недавно казались фантастическими. В случае их реализации люди могут получить доступ к «неиссякаемым» источникам энергии.
Микроволновка на орбите
Ученых и писателей-фантастов давно будоражит идея перенести сбор солнечной энергии в космос, где он был бы гораздо эффективнее, чем на поверхности планеты. На орбите не бывает смены дня и ночи, как и плохой погоды, поэтому космическая ферма может работать непрерывно. Передавать энергию на Землю предлагают, в частности, с помощью микроволн на специальную антенну (так называемую ректенну).
У концепции космической солнечной энергии (space-based solar power, SBSP) есть несколько существенных недостатков — от необходимости строить гигантское по площади принимающее устройство до возможных протестов людей, которых беспокоит перспектива микроволнового облучения с орбиты. И тем не менее ведущие технологические державы активно работают в этом направлении.
В начале июня китайские ученые провели испытания наземной установки SBSP, сообщается в отчете Университета Сидянь (город Сиань). Стальная конструкция высотой 75 метров — прототип приемника энергии. В ходе тестов исследователям удалось, в частности, передать энергию на уловитель с помощью микроволн. Правда, пока только с расстояния 55 метров. По данным South China Morning Post, в случае дальнейшего успеха Китай запустит космическую солнечную ферму уже в 2028 году.
Разработки подобной технологии идут и в США. Десять лет назад НАСА представило концепциюSPS-ALPHA («спутника солнечной энергии с произвольно большой фазированной решеткой»), согласно которой орбитальная СЭС также должна передавать энергию на Землю посредством микроволнового излучения.
В 2020-м американцы запустили на орбиту секретный беспилотник X-37B, на борту которого установили 12-дюймовый квадратный фотоэлектрический модуль (PRAM) для проверки жизнеспособности орбитальных солнечных энергосистем, преобразующих свет звезды в микроволновую энергию.
Россия старается не отставать. В начале 2022-го проект солнечной электростанции представили «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). Космический беспилотник площадью 70 квадратных метров накапливает и транслирует солнечную энергию на наземную сеть ректенн с аккумуляторами, которые затем передают электроэнергию по сети. В отличие от китайских и американских коллег, отечественные инженеры предлагают переносить энергию с помощью лазера, а не микроволнового излучения. Независимые специалисты, впрочем, считают этот способ ненадежным. Из-за того, например, что лазерный луч хуже проходит сквозь облака.
Звезда в гараже
Солнце греет нас благодаря происходящему внутри него термоядерному синтезу. Воспроизведение этого процесса в реакторе на Земле дало бы человечеству неиссякаемый источник чистой энергии. К тому же, в отличие от атомных станций, не несло бы угрозы ядерной катастрофы. Мировому научному сообществу до сих пор не удалось построить термоядерную установку, которая производит больше энергии, чем потребляет. Однако в последние годы появилась надежда на перелом. В феврале международный коллектив ученых из лаборатории JET сообщил об успешном эксперименте: за пять секунд они получили 59 мегаджоулей полезной энергии (около 11 мегаватт). В абсолютных значениях это мало, но важен сам факт — он доказывает, что создание таких электростанций в принципе возможно.
Ядерный синтез в Солнце обеспечивается мощнейшей гравитацией, и ее нельзя воспроизвести в земных условиях. Выход — разогреть вещество до температуры в 100 миллионов градусов, что в десять раз больше, чем на Солнце. Но ни один материал, подходящий для строительства реактора, не выдерживает таких температур. Поэтому советские ученые в 1960-х придумали токамак — тороидальную камеру с магнитными катушками, в которой сверхгорячая плазма не соприкасается со стенками.
В мире сейчас строят несколько токамаков. Один из крупнейших проектов — Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР), который возводят во Франции с участием специалистов из России. Он должен заработать в 2025 году. А к 2030-му в Китае запустят самый большой токамак в мире. Его конструкцию проектируют в том числе ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ).
Тем временем недавно компания Zap Energy из Сиэтла получила инвестиции на сумму 160 миллионов долларов на создание компактного термоядерного реактора FuZE-Q. Он работает на альтернативном принципе: в устройстве под названием Z-пинч два электрода пропускают через плазму сильный ток в направлении оси Z. Ток создает кольцевое магнитное поле, которое сжимает и нагревает плазму. Такая система считается куда менее стабильной, нежели токамак. Но руководители стартапа уверяют, что преодолели недостатки этого подхода. В ходе испытаний устройство выработало силу тока 500 килоампер, тогда как окупаемость возможна при 650 килоампер (согласно расчетам, это предельный показатель мини-реактора). Такие цифры должно обеспечить новое поколение установок. В случае успеха компания обещает наладить массовый выпуск термоядерных реакторов, способных поместиться в гараже.
Океан энергии
Если энергию рек люди осваивали еще в древности, то эффективно генерировать тепло и электричество с помощью морей до сих пор не удавалось. Изменить ситуацию может проект японских инженеров. В начале июня объявили об успешном завершении испытаний подводной турбины, которая использует мощь океанического течения.
Прототип механизма под названием Kairyu весит 330 тонн и представляет собой одиннадцатиметровую турбину, соединенную с двумя цилиндрами, в каждом из которых расположена система выработки электроэнергии. Огромное устройство «парит» под водой, соединяясь с морским дном якорным тросом, по которому вьется силовой кабель. Детище японской корпорации IHI способно изменять положение, подстраиваясь под движение воды так, чтобы производить энергию максимально эффективно.
Машину испытывали в тихоокеанском течении Куросио у юго-восточного побережья Японии. Согласно заявлению IHI, эта морская «река» могла бы дать 205 гигаватт электроэнергии — ровно столько генерируют сейчас во всей стране. Но сделать это непросто. Самые быстрые воды находятся у поверхности, однако разместить там электростанции проблематично из-за частых тайфунов, во время которых высота волн достигает порой 20 метров.
Стремясь избежать разрушительного воздействия стихии, Kairyu спроектировали так, чтобы механизм держался на безопасной, но продуктивной глубине — около 50 метров под поверхностью воды.
Выяснилось, что при скорости течения в один-два метра в секунду (два-четыре узла) Kairyu способен производить 100 киловатт мощности. Это довольно мало по сравнению со средним показателем оффшорной ветряной турбины — 3,6 мегаватта. Однако вдохновленные успехом японские инженеры теперь планируют испытать более крупную модель — с двадцатиметровой турбиной, которая может генерировать два мегаватта энергии.
Согласно плану компании-производителя, ферма подобных генераторов, подающая электричество в сеть, появится в следующем десятилетии.
Пробурить до пекла
Потенциально бесконечный источник энергии — буквально у нас под ногами. Речь о геотермальной энергии. И воспользоваться ею могут не только жители вулканически активных регионов, например Исландии и Камчатки: горячее нутро планеты способно дать свет и тепло каждому, кто достаточно глубоко копнет. На трех километрах закипает вода, на одиннадцатом — плавится свинец (327°С), на двадцатом — алюминий (659°С), на шестидесятом — платина (1773°С).
Полный тепловой поток изнутри Земли — примерно 26 тераватт. Это в десять раз больше энергии, чем можно добыть из всех предполагаемых запасов угля, нефти и природного газа. Однако сегодня доля геотермальных источников в мировой генерации электроэнергии менее 0,5 процента.
Есть несколько проектов по развитию этого мало освоенного направления. Один из самых ярких — американский стартап Quaise, который планирует добывать энергию на глубине в 20 километров. Весной Quaise, дочерняя компания Массачусетского технологического института, привлекла финансирование в размере 63 миллионов долларов.
Бурение на такую глубину — сложная инженерная задача. Необходимо придумать, как перемолоть материал, сжатый десятками километров верхней породы, а затем поднять его на поверхность. И все это при крайне высоких температурах. Рекорд, достигнутый на Кольской сверхглубокой скважине, составляет около 12,3 километра.
Американская компания нашла выход в приборе под названием гиротрон, изобретенном в советское время в Научно-исследовательском радиофизическом институте (город Горький). Это электровакуумный СВЧ-генератор, который, по мысли инженеров, может плавить твердую горную породу, которую затем легче будет выкапывать. Подключив мегаваттный гиротрон к новейшим режущим инструментам, Quaise рассчитывает достичь заявленной глубины за несколько месяцев.
На этом уровне порода нагревается до 500°С — достаточно, чтобы преобразовать перекачиваемую туда воду в парообразное сверхкритическое состояние, которое идеально подходит для выработки электроэнергии.
По плану рабочее устройство будет готово в течение следующих двух лет, а к 2026-му появится система, производящая электроэнергию. Еще через два года компания надеется приобрести старые угольные электростанции, превратив их в объекты, работающие на пару.
Стоит отметить, что у геотермальной энергетики есть серьезные недостатки. Добыча тепла из-под Земли может спровоцировать землетрясения, загрязнение подземных вод, токсичные выбросы. Неизвестно, к каким последствиям приведет развитие нового проекта, поскольку так далеко вглубь Земли еще никто никогда не забирался.