В 1976 году в знаменитых стенах Королевского института (The Royal Institution) выдающийся физикохимик Джордж Портер прочитал заключительную лекцию из своего цикла «Выживание под солнцем». Лектор представил масштабный анализ неизбежного исчерпания запасов углеводородов и предложил радикальный пересмотр глобальной энергетической стратегии. Главной темой выступления стал переход цивилизации на прямое улавливание солнечных лучей как единственный надежный способ спасения человечества от грядущего энергетического голода.
📉 «Нефтяная икота» в масштабах человеческой истории 0:34
Для демонстрации текущего положения дел в энергетике Джордж Портер продемонстрировал аудитории график мирового потребления нефти, развернутый во времени от Рождества Христова до 3000 года. На протяжении первых девятнадцати веков кривая остается практически на нулевой отметке, после чего резко устремляется вверх, образуя изолированный пик, и столь же стремительно падает. По оценке лектора, вся углеводородная эпоха — это лишь кратковременная «икота» или возмущение в многотысячелетней истории цивилизации, и человечество сейчас находится на восходящем изгибе этого кратковременного всплеска.
Обращаясь к присутствующему в зале десятилетнему ребенку, ученый спросил, сколько тому будет лет через четверть века, и добавил, что уже к 35 годам этого поколения начнется спад добычи нефти. В случае долгой жизни молодые люди столкнутся с катастрофическим дефицитом жидкого топлива. График потребления угля выглядит схожим образом, представляя чуть более продолжительный всплеск с пиком в районе 2150 года. Джордж Портер подчеркнул, что текущему поколению невероятно повезло жить в период изобилия ископаемого топлива, однако необходимо уже сегодня искать полноценную замену этим ресурсам.
⚡ Три лика энергии и укрощение кремния 3:20
Человечеству требуется энергия в трех основных формах:
- Низкотемпературное тепло для обогрева пространств.
- Электричество для питания приборов и систем связи.
- Химическое топливо для работы двигателей внутреннего сгорания.
По статистике, приведенной лектором, мировое потребление распределяется между этими тремя формами примерно в равных долях — по одной трети на каждую. И если вопросы получения низкосортного тепла с помощью относительно простых черных плоских коллекторов были подробно разобраны в прошлой лекции, то проблема прямой генерации электричества из солнечного света требует куда более сложных технологических решений.
Наиболее эффективным инструментом здесь выступают кремниевые фотоэлектрические элементы, изначально разработанные для космической и военной отраслей, куда правительства инвестировали миллионы фунтов и долларов. Исходным сырьем для них служит обычный песок (оксид кремния), благодаря чему кремний является вторым по распространенности элементом на Земле. Однако создание работающего фотоэлемента требует сложнейшей очистки материала — уровень примесей не должен превышать одной части на миллион. На лекции был продемонстрирован чистейший монокристалл кремния, специально доставленный для этого опыта из Франции, из которого затем нарезаются тончайшие пластины.
Механизм работы такой пластины основан на создании p-n перехода:
- Основной объем кристалла легируется элементами с пятью валентными электронами (например, мышьяком или фосфором), которые легко отдают «лишний» электрон в структуру.
- На поверхность диффундирует тонкий слой элемента с тремя валентными электронами (например, бора), стремящегося захватить электроны.
- На границе этих слоев возникает спонтанное разделение зарядов.
Когда на поверхность падает солнечный свет, он выбивает свободные электроны кремния, которые под воздействием внутреннего электрического поля устремляются к положительно заряженному слою, создавая постоянный электрический ток.
Для практической демонстрации инженер господин Коутс развернул в лаборатории действующую модель солнечной железной дороги. При освещении кремниевой панели мощными лампами игрушечный поезд набрал высокую скорость, наглядно доказав реализуемость концепции. В качестве примеров реального использования технологии Джордж Портер привел съемочную группу BBC, которая поднимала аналогичные панели на Эверест для зарядки аккумуляторов телекамер, устав возить их в Катманду, а также автономные морские буи в Ла-Манше, способные работать годами без обслуживания.
Кульминацией раздела стала демонстрация настоящего космического спутника, предоставленного Королевским авиационным институтом (Royal Aircraft Establishment). Помощники лектора, господин Дори и господин Даннат, настроили макет, и под присмотром школьника по имени Мартин, симулировавшего команду с Земли, система сжатого воздуха развернула огромную 17,5-фунтовую панель из 20 000 ячеек. В условиях космоса, где нет гравитации и ветра, такие конструкции могут быть сверхлегкими, выдавая около 300 ватт мощности с одного крыла. Текущая эффективность коммерческих кремниевых элементов составляет около 15% при теоретическом максимуме для данного материала в 23%.
🧪 В поисках дешевизны: от тонких пленок до фотогальваники 16:13
Главным недостатком монокристаллического кремния остается его чрезвычайно высокая стоимость. В качестве альтернативы исследователи пытаются использовать сульфид кадмия, хотя его эффективность пока не превышает 6%. Другое перспективное направление — создание поликристаллических тонких слоев кремния на углеродной подложке. Разработки компаний Phillips Industries и французской лаборатории LEP позволяют достичь эффективности в 5–6%, но при этом потенциально снижают стоимость производства до уровня печати обычных газет.
Отдельным классом устройств выступают фотогальванические элементы, названные в честь Луиджи Гальвани. В отличие от твердотельных полупроводников, электрохимические процессы здесь протекают в жидких растворах, что делает их производство невероятно дешевым. Джордж Портер продемонстрировал классический жидкий элемент с синим красителем и солями железа: под действием света раствор обесцвечивается, так как электроны переходят от железа к красителю, а в темноте реакция идет вспять.
Если погрузить в такой раствор два электрода и осветить лишь одну сторону, электроны устремятся к металлической поверхности до того, как успеют рекомбинировать в объеме жидкости. Исследовательница Изабель Феррейра, работающая в лаборатории института уже три года, продемонстрировала компактную ячейку из двух слоев металлизированного проводящего стекла, скрепленных обычными канцелярскими скрепками. При освещении прибор выдал устойчивый ток, показав эффективность в 1,5%. Несмотря на скромный КПД, копеечная стоимость исходных материалов делает фотогальванику грозным конкурентом кремния.
🌾 Зеленая фабрика: водородная экономика и энергия лондонских нечистот 22:15
Химическое топливо обладает уникальным преимуществом перед теплом и электричеством — его можно запасать и хранить неограниченно долго. Солнечный свет крайне нестабилен, особенно в Великобритании, поэтому консервация энергии в химических связях критически важна. Самым перспективным направлением в этой сфере ученые считают «водородную экономику», основанную на расщеплении воды на водород и кислород. Полученный водород можно закачивать напрямую в существующие газораспределительные сети.
Для иллюстрации Портер подключил кремниевую батарею к электродам в подсоленной воде, вызвав бурное выделение газов. Собрав образующуюся смесь в мыльную пену прямо на своей ладони, лектор поднес к ней огонь — раздался громкий хлопок, доказавший, что под действием «солнечного» тока вода распалась на гремучий газ.
Существуют и прямые эндотермические фотохимические реакции, способные запасать свет без промежуточного электричества. Примером служит антрахиноновый краситель: под воздействием ультрафиолета он забирает электроны из раствора и меняет цвет, переходя в высокоэнергетическую форму гидрохинона. При контакте с воздухом вещество мгновенно окисляется, возвращаясь в исходное состояние и выделяя тепло. К сожалению, эффективность этого процесса в чистой воде крайне мала, поскольку антрахинон поглощает лишь синий и ультрафиолетовый спектры, тогда как основной поток солнечной энергии на Земле приходится на зеленый и красный участки.
В этом отношении человеку стоит поучиться у живой природы. Четверть всей солнечной энергии, достигающей поверхности планеты, поглощается зелеными растениями и водорослями. В лабораторных условиях эффективность фиксации света растениями может достигать 16%, а в живой природе одним из лучших аккумуляторов является сахарный тростник. В среднем за год он фиксирует 1,5% солнечной энергии, а в пиковые периоды роста — до 4%.
Джордж Портер продемонстрировал стебель сахарного тростника, выращенный в Редингском университете, отметив, что четверть его массы составляет чистый сахар. Путем ферментации половину этого сахара можно превратить в спирт. Лектор привел в пример опыт Бразилии, где на законодательном уровне введена норма добавлять 10% этанола в бензин для всех автомобилей, что обеспечивает колоссальную экономию нефти.
Еще один естественный путь утилизации биомассы — анаэробное метановое брожение, протекающее на дне застойных прудов. Господин Нидхэм и господин Уоррингтон представили действующую модель биореактора, которая целый месяц успешно перерабатывала лондонский канализационный шлам непосредственно в лаборатории Королевского института. Подняв газовый мешок, Портер поджег выходящий метан, который загорелся ровным синим пламенем.
Статистика метанового брожения:
- Один человек производит за сутки объем отходов, достаточный для генерации 1 кубического фута метана.
- Население Большого Лондона (8 миллионов человек) требует работы очистных сооружений общей емкостью 100 миллионов галлонов.
- Около 100 гигантских резервуаров-вываривателей, работающих в столице, полностью обеспечивают внутренние энергетические нужды самих очистных станций за счет вырабатываемого газа.
🍃 Искусственный лист: как превзойти эволюцию растений 38:41
При всей гениальности природного фотосинтеза, растения никогда не эволюционировали ради того, чтобы их сжигали в топках. Их главная цель — выживание, защита от ветра и размножение. Именно поэтому живые организмы избыточно сложны. Профессор Дэвид Холл и доктор Рао из Кингс-колледжа в Лондоне работают над тем, чтобы «взломать» природный механизм и заставить растительные структуры производить чистый водород в один этап.
В процессе естественного фотосинтеза свет переносит электроны с молекул воды на промежуточный белок — ферредоксин, который затем восстанавливает углекислый газ до углеводов. Профессор Холл сумел замкнуть эту цепь накоротко, добавив к выделенным из шпината хлоропластам и ферредоксину особый фермент — гидрогеназу, полученную из молочных бактерий или красных водорослей. Гидрогеназа перехватывает электроны у ферредоксина и выделяет их в виде газообразного водорода.
Дэвид Холл продемонстрировал этот процесс, взяв шприцем 20 микролитров газа из пробирки, где реакция шла около двух часов, и введя образец в газовый хроматограф. Всего через 12 секунд прибор выдал два отчетливых пика: первый — водород, второй — кислород. На текущий момент микрореактор производит всего 1 кубический сантиметр водорода в час, а сами биологические компоненты крайне капризны и недолговечны, поскольку лишены механизмов клеточного деления и регенерации.
Чтобы избавиться от нестабильных белков, ученые пытаются создать полностью искусственный лист. За основу берется структура природной мембраны — липидный бислой из молекул с гидрофильными («водными») головами и гидрофобными («жирными») хвостами. Исследовательница Шина Карлин продемонстрировала классический метод Ленгмюра: капля масла со специальным ПАВ, нанесенная на поверхность воды, мгновенно растягивается в мономолекулярную пленку толщиной в одну молекулу. Эту пленку можно аккуратно перенести на стеклянную пластину, создавая упорядоченные слои любой конфигурации.
Еще более перспективным и технологичным методом химической инженерии Портер назвал создание везикул (липосом), рецепт которых до смешного прост: вода, жир и ультразвуковое перемешивание. Гарет Филлипс создал стабильную прозрачную эмульсию, внедрив молекулы зеленого хлорофилла внутрь жировых оболочек везикул. Диаметр этих полых шариков составляет всего 250 ангстрем, что в 20 раза меньше длины волны зеленого света. Разделяя растворы внутри и снаружи везикулы, ученые заставляют свет перекачивать электроны строго через мембрану. Это полностью блокирует обратную рекомбинацию зарядов и открывает путь к промышленному синтезу искусственного топлива.
📊 Экономика солнечного века: глобальные вызовы и расчеты 50:21
Для оценки масштаба проблемы Джордж Портер обратился к «энергетической лестнице» человечества. В 1976 году мировая экономика потребляла чуть более $10^{20}$ джоулей в год. Прогнозировать будущее крайне сложно, однако, по сдержанным расчетам лектора, население Земли в обозримой перспективе вырастет минимум в три раза от текущих 4 миллиардов. Кроме того, жители развивающихся стран, таких как Индия, сейчас потребляют в среднем в 30 раз меньше энергии, чем граждане западных государств.
Для достижения справедливого уровня жизни среднемировое потребление на душу населения должно вырасти в 6 раз. Перемножив эти факторы, Портер получил умеренную оценку: в ближайшем будущем спрос на энергию вырастет в 18 раз. При таких темпах все разведанные мировые запасы нефти и газа будут сгорать за один только год.
Ресурсов угля хватит примерно на 150 лет. Запасы урана для обычных ядерных реакторов тоже жестко ограничены. Переход на реакторы-размножители (бридеры) увеличивает отдачу урана в 60 раз, однако для покрытия будущих потребностей человечеству пришлось бы строить по два атомных реактора каждый день на протяжении следующих 50 лет. Развертывание сети из 30 000 ядерных реакторов по всему миру порождает колоссальные проблемы с захоронением радиоактивных отходов. Кроме того, лектор выразил сомнение в том, что человечество психологически и политически достаточно повзрослело, чтобы ему можно было доверить такое количество расщепляющихся материалов, пригодных для создания оружия.
Единственной земной альтернативой остается управляемый термоядерный синтез (слияние ядер водорода с образованием гелия). Однако на момент 1976 года ученые не получили из термоядерных установок ни одного полезного ватта мощности. Намного разумнее использовать уже готовый, идеально работающий термоядерный реактор, расположенный на безопасном расстоянии в 93 миллиона миль — наше Солнце.
Экономические расчеты Портера для солнечной энергетики выглядят следующим образом:
- На границе атмосферы Земли солнечный поток составляет 1353 Вт/м², а у поверхности, с учетом поглощения воздухом, — около 800 Вт/м².
- Усредненная по всей площади планеты круглосуточная мощность составляет около 200 Вт/м².
- Строительство традиционной электростанции обходится примерно в 400 фунтов стерлингов за киловатт установленной мощности. Человечество всегда будет покупать самую дешевую энергию, невзирая на любые сопутствующие опасности.
- При средней солнечной мощности в 200 Вт/м² и скромном КПД улавливающих систем в 10% (что ниже возможностей кремния), допустимая стоимость солнечной фермы не должна превышать 8 фунтов стерлингов за квадратный метр. Только в этом случае гелиоэнергетика станет экономически конкурентоспособной.
При эффективности в 10% для удовлетворения всех текущих нужд человечества достаточно покрыть коллекторами крошечную, едва заметную точку на карте мира, а для обеспечения гигантских потребностей будущего потребуется площадь чуть побольше. Солнечные контуры Земли распределены неравномерно: если дождливая Великобритания получает в среднем всего 125 Вт/м², то пустыни, занимающие одну восьмую часть суши, аккумулируют по 300–350 Вт/м². Эти бесплодные земли практически не используются. По мнению Джорджа Портера, обеспечение планеты энергией столь же жизненно важно, как и производство продовольствия, и задача следующего поколения ученых — радикально снизить стоимость солнечных технологий до того, как нефтяные скважины окончательно иссякнут.
