|
Поскольку эта книга посвящена
энергии, находящей-ся в океане, обсудим прежде всего, что же такое энергия,
для чего она нужна, откуда ее можно получить. Рассмот-рим также условия, при
которых ее можно извлечь и ис-пользовать.
В нашем индустриальном обществе от энергии зави-сит все. С
ее помощью движутся автомобили, улетают в космос ракеты. С ее помощью можно
поджарить хлеб и сварить яйца, обогреть жилище и привести в действие
кондиционеры, осветить улицы, вывести в море корабли.
Могут сказать, что энергией являются нефть и при-родный
газ. Однако это не так. Нефть и газ – виды топли-ва. Чтобы освободить
заключенную в них энергию, их необходимо сжечь, так же как бензин, уголь или
дрова.
Ученые могут сказать, что энергия – это способность к
совершению работы, а работа совершается, когда на объект действует физическая
сила (такая, как давление или гравитация). Согласно формуле, работа равна
произ-ведению силы на расстояние, на которое переместился объект. Попросту
говоря, работа – это энергия в действии.
Вы не раз видели, как подпрыгивает крышка закипа-ющего
кофейника, как несутся санки по склону горы, как набегающая волна
приподнимает плот, кувыркает у бере-га ребятишек. Все это примеры работы,
энергии в дей-ствии, действующей на предметы.
Подпрыгивание крышки кофейника было вызвано давлением
пара, возникшем при нагревании жидкости. Санки ехали потому, что существуют
гравитационные си-лы. Энергия волн двигала и плот, и детей, играющих у
бе-рега.
В нашем работающем мире основой всего является энергия,
без нее и не будет совершаться работа. Когда энергия имеется в наличии и
может быть использована, любой объект будет совершать работу – иногда
созида-тельную, иногда разрушительную. Даже музыкальный инструмент – рояль –
способен совершать работу.
Представьте себе, что вдоль внешней стены
много-квартирного дома поднимают сияющий рояль. Пока люди тянут за веревки,
они прилагают силу, заставляющую ро-яль двигаться. В этом случае работу
совершают люди, а не рояль. Он лишь накапливает потенциальную энергию по мере
того, как все выше и выше поднимается над зем-лей. Когда, наконец, рояль
достигает шестого этажа, он сможет висеть на этом уровне до тех пор, пока
люди вни-зу поддерживают его с помощью веревок и блоков. Одна-ко представьте,
что веревки обрываются. Немедленно проявится сила гравитации, и потенциальная
энергия, накопленная роялем, начнет высвобождаться. Рояль рух-нет вниз. Он
расплющит .все, что попадется на его пути, ударится о тротуар и разобьется
вдребезги. Вся ситуация, разумеется, случайна, и тем не менее служит примером
того, что и рояль может совершать работу. В данном слу-чае – разрушительную,
но все же работу.
Мир наполнен энергией, которая может быть исполь-зована
для совершения работы разного характера. Энер-гия может находиться в людях и
животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в
реках и озерах. Однако самыми большими резервуарами накопленной энергии
являются океаны – огромные про-странства беспрерывно перемещающихся водных
пото-ков, покрывающих около 71% всей земной поверхности.
Энергия может быть извлечена, но источником будет являться
не океан вообще, а каждая из различных форм энергии, в нем содержащихся.
Ученых-океанологов осо-бенно интересуют следующие формы энергии: приливная,
волновая и энергия течений; тепловая, накопленная в во-де; химическая; запасы
энергии, содержащиеся в водо-рослях.
Однако приливы, волны и течения постоянно изменя-ются: они
то быстрые, то медленные, то более спокойные, то более бурные, так же
изменчивы и температура океана и его химический состав. Поэтому энергосистемы
не мо-гут находиться в состоянии устойчивого равновесия. Они скорее пребывают
в состоянии постоянной неуравнове-шенности. Эта неуравновешенность неожиданно
оказа-лась ключом, открывающим доступ к извлечению энер-гии.
Октав Левеншпиль, инженер-химик, ставший профес-сором
университета штата Орегон, считает: «Если систе-ма не находится в состоянии
равновесия, то именно в та-ком случае вы можете с ее помощью совершать
работу. Это – главный принцип, лежащий в основе всех способов извлечения
энергии: из семейных отношений, топлива, океанов – из чего угодно».
В океане отсутствие равновесия проявляется в трех основных
формах: различиях в уровнях воды, разницах в температурах и химического
состава. Именно эти разли-чия делают возможным извлечение энергии.
Разница в уровнях воды с готовностью признается
ис-точником энергии. Кто из нас не испытывал воздействия водяных струй в
душе, не наблюдал приливов и высоких гребней волн?
Кое-где разница между уровнями воды во время при-ливов и
отливов незначительна. Однако в некоторых ме-стах, например в устье реки Ранс
или в заливе Фанди, эта разница огромна: 44 и 60 футов (13 и 18 м) соответствен-но. Инженеры прекрасно знают, как использовать ее во время приливов
и отливов. Они строят дамбы, чтобы за-держивать поднимающуюся воду в
резервуарах. Когда начинается отлив, ее пропускают через турбину, которая
начинает вращаться за счет энергии падающей воды, и та-ким образом приводят в
действие генератор. Такой способ позволяет превращать часть приливной энергии
в элек-тричество.
Инженерам так же известно и как извлечь энергию волн,
постоянно меняющих свою высоту. Они работают в настоящее время над
строительством волновых или мор-ских помп и специальных экспериментальных
плавучих станций для получения электроэнергии. Но в любом слу-чае каждая
установка работает лишь потому; что поверх-ность океана постоянно вздымается
и опускается, никогда не находясь в состоянии равновесия.
Разницу в температуре воды океана труднее предста-вить в
качестве источника энергии. Если вы, идя купаться на море, захватите с собой
термометр, то обнаружите, что на поверхности вода одинакова тепла или
одинаково хо-лодна – в зависимости от погоды. Но стоит вам войти в нее – и вы
вскоре ощутите разницу. На глубине 5 футов (1,5 м) вода уже холоднее. Теперь, если хотите, вспомни-те, что в тропиках температура воды на поверхности 82° по
Фаренгейту (28°С), а на глубине 2000 футов (600 м) – 35-38° по Фаренгейту (2-4°С). Разница температур, со-ставляющая около 45° по Фаренгейту,– еще один
пример системы, которая находится в состоянии неуравновешен-ности.
Если бы в океане не существовало разницы темпера-тур, если
бы показания термометра были одинаковыми и на поверхности, и на глубине,
океан находился бы в со-стоянии термального равновесия. В таком случае
извлечь энергию было бы невозможно, как невозможно и совер-шить работу.
Инженеры готовы воспользоваться разницей темпера-тур. Они
уже разработали технологию строительства уни-кальных и остроумных по своей
конструкции плавучих энергостанций, производящих электроэнергию и переда-ющих
ее на берег по кабелю.
Инженеры настолько уверены в возможностях ис-пользования
разницы температур в целях получения элек-троэнергии, что некоторые из них
даже занимаются тео-ретизированием относительно условий, существующих в аду.
Согласно преданиям, ад должен быть изотермален. А это значит, что температура
там должна находиться в со-стоянии равновесия, то есть быть одинаковой во
всем объеме. Если бы ад не был изотермален, то есть разница температур
существовала бы, любой сообразительный инженер, попавший в это весьма
неуютное, жаркое и душное местечко, сумел бы быстро воспользоваться та-ким
обстоятельством. Он соорудил бы воздушный конди-ционер и превратил бы ад в
место, не лишенное приятно-сти, прохлады и удобств. (Однако в
действительности подразумевается, что все должно быть как раз наоборот.)
Есть и еще один источник энергии, который пока что никем
не используется,– химические контрасты. Они наблюдаются в устьях рек, где
пресная вода смешивается с соленой водой моря. Оказывается, что и в этом
случае можно вырабатывать энергию, используя ее для размола зерна, для
производства электричества или в любых дру-гих целях. Технология такого
метода такая же, какая при-меняется при опреснении воды, с той лишь разницей,
что действовать она должна наоборот, в обратную сторону. Существует только
одна трудность – для широкомас-штабного получения энергии в устьях рек пока
не разра-ботан эффективный и недорогой метод.
По общему мнению, энергию, накопленную в океане, можно
извлечь. Точно так же все согласны с тем, что сто-ит это очень дорого, многие
считают, что слишком дорого для того, чтобы этим заниматься.
Вопрос заключается в том, как уменьшить эту стои-мость?
Ответ же находится в применении законов, управ-ляющих теплообменом, законов
термодинамики.
Термодинамика – слово греческого происхождения. «Термо» –
значит тепло, а «динамика» – движение тел под действием приложенных к ним
сил. Хотя это звучит сложно, объяснить смысл можно очень просто:
термоди-намика – наука о тепловой энергии и ее связи с другими видами
энергии.
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не
возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь видоизменяться,
трансформироваться или перехо-дить из одной формы в другую. Рассмотрим
следующий пример. В угле, погруженном в кузов грузовика, содер-жится
определенное количество химической энергии. При сгорании угля она
преобразовывается в тепловую. Теперь используем ее для того, чтобы вскипятить
котел воды. Тепловая энергия превратится в энергию водяного пара. Если
использовать ее для вращения турбины генератора, она перейдет в механическую,
а та, в свою очередь,– в электрическую энергию, которую можно использовать
для того, чтобы привести в действие проигрыватель, пы-лесос, пишущую машинку
или приготовить обед.
Согласно первому закону термодинамики мы можем подсчитать,
какое количество энергии было заключено в угле, оценив, сколько мы получили
энергии тепла, пара, механической и электрической энергии, энергии
акусти-ческих колебаний, производимых проигрывателем. Мы сможем также оценить
и потери энергии на каждом этапе. Таким образом, использование первого закона
позволит нам подвести баланс в энергетических расчетах.
С древних времен алхимики и приверженцы магии пытались
получить дополнительную энергию с помощью «вечного двигателя». Они старались,
трудились, создава-ли удивительнейшие устройства. Однако каждый раз тер-пели
поражение, потому что не могли нарушить строгого правила, вытекающего из
первого закона термодинамики- количество энергии в мире постоянно. Она не
может ни создаваться, ни исчезать.
Кое-кто может успокаивать себя существованием это-го
закона. Действительно, если постоянно обнаруживают-ся новые источники энергии
(особенно в океане), как же может возникнуть ее дефицит? Конечно же,
энергетиче-ский кризис – просто миф.
Энергетический кризис – не миф. Кстати говоря, он может
проявляться постоянно, в той или иной степени. Причина?
Второй закон термодинамики гласит, что напрасно пытаться
превратить всю теплоту
в полезную работу с помощью энергосистемы. Какое-то
количество энергии все равно будет истрачено на не-нужный нагрев или трение.
Это неизбежно. Это налог, ко-торый человек платит природе при любом
преобразова-нии энергии.
Приведем характерный пример. Сейчас даже самый совершенный
автомобильный двигатель использует всего 20% химической энергии бензина.
Остальное идет на охлаждение цилиндров водой, трение и тепловое рассеи-вание.
Короче говоря, если вы пользуетесь своим автомо-билем с эффективностью 20%,
вы платите энергетический налог в 80%. Двигатели будущего могут стать
совершен-нее, но платить какой-то налог за бесполезно растрачен-ное тепло
придется всегда.
И еще один пример того, как велики потери энергии при
любых ее переходах из одной формы в другую. Вер-немся к ситуации с углем и
будем считать, что вначале вы имеете в наличии 100 единиц энергии. После сгорания
уг-ля и образования пара останется лишь 60 единиц. Прого-ните пар через
турбину – и вы генерируете всего 40 еди-ниц электроэнергии. Пропустите их по
линиям электро-передач к вашему дому – и вы получите только 35 еди-ниц.
Зажгите свет в своей комнате, сосредоточьте некото-рую его часть, положим, на
силиконовом элементе сол-нечной батареи питания – и вы получите всего одну
еди-ницу энергии. Если с помощью этой солнечной батареи вы приведете в
действие свой проигрыватель для получе-ния удовольствия от прослушивания
пластинки «Битлз», у вас останется только одна десятая часть энергоединицы.
Чем не энергоналог?
В реальном мире второй закон термодинамики всегда приводит
к возникновению этого налога на преобразова-ние энергии, и он никогда не
равен нулю. Однако не бу-дем отчаиваться. Даже при условии, что мы должны
пла-тить природе энергетический налог и что мировые по-требности в энергии
будут вновь и вновь удваиваться, всегда будет существовать море – этот
огромный резерву-ар возобновляемой энергии. Пока светит солнце, дуют ветры,
накатываются приливы, вздымаются волны, тече-ния перемещают массы воды, океан
всегда будет напол-нен энергией, потому что он сам получает ее из
неиссяка-емого источника – из космоса. Но потребуется еще одно десятилетие, а
может, и больше, чтобы найти пути ее эко-номического и безопасного извлечения
конкретными дей-ствиями.
|