Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Сейчас этими вводными фразами мы оправдываем то, что именно после разговора о строении ядер естественно перейти к беседе об источниках энергии на Земле.

В земных условиях мы можем добыть энергию тремя путями. Во-первых, извлечь ее за счет топлива — химического или ядерного. Для этой цели требуется создать цепную реакцию, в ходе которой происходило бы воссоединение или разрушение молекул или атомных ядер. Химическое топливо, имеющее пока что практическое значение, — это уголь, нефть, природный газ. Ядерное топливо — это уран и торий (разлом частиц) и легкие элементы — прежде всего водород (воссоединение частиц).

Второй путь — это превращение кинетической энергии в работу. Можно заставить производить работу водяные потоки. Гидроэнергия — «белый уголь» — становится важнейшим источником энергии, если заставить воду падать с большой высоты — построить плотину или использовать естественные водопады, такие, как Ниагарский. Этот же путь превращения энергии в работу заставляет вращаться крылья ветряных мельниц.

Мы увидим, что к воздушным потокам — «голубому углю» — надо отнестись со всей серьезностью. Ветряные мельницы возрождаются на новом техническом уровне и внесут заметную лепту в энергетическую кассу. К этой же категории источников энергии относится использование энергии приливных волн.

Законы термодинамики подсказывают нам и третье решение энергетической проблемы. В принципе всегда возможно построить двигатель, который использует разности температур. Как мы знаем, поток тепла, переходя от нагретого тела к холодному, может быть частично превращен в механическую работу. С разностями температуры мы встречаемся как в земной коре и в Мировом океане, так и в атмосфере. Углубляясь в земные недра, мы убедимся в том, что в любом месте земного шара наблюдается повышение температуры.

Все эти три возможности (еще раз повторим) возникают благодаря приходу на нашу планету излучения Солнца. Земля получает ничтожную долю энергии, которую несут солнечные лучи. Но и эта крошечная часть колоссальна, и ее хватит землянам не только на удовлетворение обыденных нужд, но и на осуществление самых фантастических проектов.

Но солнечную энергию можно использовать и непосредственно. Ведь мы научились превращать энергию излучения в электрический ток с помощью фотоэлементов. А получение электрического тока является наиболее важным путем использования энергии для практических целей.

Конечно, во многих случаях и внутренняя энергия вещества, и энергия движения водяных и воздушных потоков могут использоваться непосредственно, минуя стадию превращения в электрический ток. Но, пожалуй, во всех случаях, кроме движения самолетов и ракет, целесообразно получить от первичного источника электрическую энергию на электростанциях, а уж ее заставить служить нашим целям. Значение электрической энергии увеличится еще больше, когда мы научимся изготовлять легкие, маленькие и емкие аккумуляторы, которые заменят современные (тяжелые и малоемкие), стоящие в автомобилях.

Прежде чем перейти к конкретному обсуждению разных источников энергии, обратим внимание читателя еще раз на две важные классификации источников.

Прежде всего, важная граница раздела проходит между топливом и энергией Солнца, белого и голубого углей. В первом случае мы тратим безвозвратно запасы земных богатств. Что же касается Солнца, воздуха и воды, то они — даровые источники энергии. Даровые в том смысле, что использование их энергии не влечет за собой уменьшения каких бы то ни было земных ценностей. Работа ветряков не уменьшает количества воздуха на земном шаре, работа гидроэлектростанций не уменьшает глубины рек, не используются запасы земных веществ и при работе солнечных машин.

И еще одна проблема. Необходимо заботиться об охране окружающей нас флоры и фауны — это задача, важность которой невозможно переоценить. Сжигание топлива обладает не только тем недостатком, что обедняет Землю, оно еще вдобавок засоряет почву, воду и воздух огромным количеством вредных отбросов. И с гидроэлектростанциями в этом отношении дело обстоит не вполне благополучно. Изменение водного режима рек влияет на климат и губит существенную часть рыбного населения Земли.

Без всякого сомнения, оптимальным способом добычи энергии является прямое использование солнечного излучения.

После этих общих слов перейдем к более детальному обсуждению возможностей использования энергии в земных условиях и дадим читателю представление о числах, которые фигурируют в справочниках по энергетике.