Человечество тысячелетиями мечтало об избавлении от тяжелого физического труда, обладании большой мощностью, силой и скоростью. Отсюда сказания о семимильных сапогах-скороходах, коврах-самолетах и волшебниках, в мгновение ока переносящих человека за тридевять земель. Отсюда бесчисленные попытки создания вечного двигателя.
Проходили века, на смену ушедшим являлись новые поколения, а мечты так и оставались мечтами. В неустанных попытках облегчить передвижение с места на место человек сначала изобрел колесо (катить легче, чем тащить на себе или волочить), потом приспособил животных — лошадей, волов, оленей, собак. Использовал течение рек и силу ветра, надувавшего паруса каравелл. Позже изобрел паровые и электрические машины.
Но еще сто лет назад, по подсчетам академика А. Берга, 98 % потребляемой на Земле энергии приходилось на мускульную силу человека и животных. Энергия, вырабатываемая ветряными мельницами, водяными колесами, паровыми и электрическими машинами, составляла лишь малую долю.
В наше время титанические усилия изобретателей и ученых, призванные облегчить жизнь людей, избавить их от изнурительного труда, наконец-то принесли обильные плоды. Создание мощных генераторов энергии, всеобщая механизация и автоматизация привели к тому, что сегодня уже меньше 1 % энергии производится мускульной силой людей. Почти всю тяжелую работу теперь выполняют машины.
Океанские лайнеры бороздят морские просторы, самолеты со сверхзвуковой скоростью преодолевают расстояния между континентами, пилотируемые космические корабли готовятся к межпланетным полетам. А на земле воплощением тысячелетней мечты человека о сапогах-скороходах стал легковой автомобиль.
Автомобиль — символ современной цивилизации. Это предмет мечтаний и олицетворение промышленного развития. Он задает Ритм экономической жизни, определяет стиль и поведение отдельных людей и целых обществ. Он наложил свой отпечаток на весь ^ век.
Мировой автопарк ежегодно пополняется 40 млн. новых автомобилей, продолжающих насыщать и без того плотные транспортир потоки на городских улицах и автомагистралях. Рядом с автотестами, как грибы после дождя, вырастают бесчисленные авто-°кзалы, автоцентры, автостоянки, автомагазины, автозаправочные
станции. Каждый, кто еще не приобрел автомобиль, мечтает стать автовладельцем.
К 2000 г. лентой из выставленных бампер к бамперу 800 млн. автомобилей мирового автопарка можно будет сто раз опоясать земной шар по экватору. Суммарная мощность автомобильных двигателей достигнет 25 млрд. кВт, а вырабатываемая ими ежегодно энергия — примерно 30 000 млрд. кВт-ч.
В современном автомобиле воплощены последние достижения машиностроения, химии, электротехники и электроники. Ведущие компании мира выпускают легковые автомобили, до предела насыщенные электронным оборудованием, заимствованным из арсеналов авиационной и космической техники. Их оборудуют бортовыми компьютерами, автопилотами, стерсорадиоаппаратурой, цветными телевизорами, лазерными локаторами и кондиционерами. Сенсорные системы контролируют давление в шинах. Элемент активной аэродинамики — способствующий торможению спойлер — автоматически выдвигается при резком нажатии на тормозную педаль.
Синтезаторы голоса уведомляют водителя о неполадках, подсказывают, как вести себя в сложных ситуациях, "узнают" голос автовладельца и автоматически выполняют только им произносимые команды. Приборы из космоса прочно обосновались в салонах автомобилей. Используя сигналы спутниковой системы навигации, бортовой компьютер определяет положение движущегося автомобиля с точностью до 15 м и воспроизводит его на высвеченной на экране дисплея карте дорог.
Предложены навигационные системы, которые не только умеют "читать" дорогу впереди, но и следят за нею боковыми камерами и расположенными сзади сенсорами. Они способны идентифицировать дорожные знаки и различать сигналы светофоров. Они сами остановят автомобиль, если водитель едет на красный свет, на "кирпич", не дадут ему превысить разрешенную скорость. Новейшие автомобили оборудуют радарными системами, но не для того, чтобы вовремя заметить автоинспектора, а чтобы сделать езду максимально безопасной. Радар различает объекты ночью, "щупает" так называемые мертвые зоны и исправно выполняет роль опытного лоцмана.
На одном из японских концептуальных автомобилей встроенная в приборную панель видеокамера следит за выражением лица и глазами водителя. Как только прибор подмечает, что глаза слипаются, человек часто зевает или не может удержать голову, клонящуюся ото сна, раздается резкий звуковой сигнал и в салон впрыскивается возбуждающий ароматизатор, после вдоха которого спать уже не захочется. Ну а если водитель все-таки заснул, автоматика замедлит скорость автомобиля и самостоятельно направит его в безопасное место.
Специалисты Государственного центра робототехники и кибер' нетики в Санкт-Петербурге и известной фирмы Фольксваген (Германия) начали совместную разработку автомобиля-робота, который сможет, соблюдая все правила движения, разъезжать по автомагистралям и улицам без водителя. Такой авторобот можно будет вызвать по телефону и дать ему указание отвезти детей в школу или жену за покупками, пока вы будете заниматься другими делами. Авторобот сможет встретить вас в аэропорту или на вокзале, а дальше вы уже сами поедете по нужному маршруту. Если авторобот больше вам не понадобится, по вашему указанию он самостоятельно вернется на свою стоянку.
Полагают, что бортовой компьютер на автомобиле будет вытесняться искусственным интеллектом. Через систему датчиков он изучит привычки й особенности водителя и, накапливая информацию в процессе езды, постепенно приспособит к его индивидуальной манере все "поведение" автомобиля — работу рулевого управления, тормозной системы, трансмиссии и подвески.
Поистине волшебные возможности предоставляет нам автомобиль — любимое дитя современного человека!
Этому можно было бы безоглядно радоваться, если бы в мире на каждый миллион автомобилей ежегодно не приходилось до 500 погибших и тысячи пострадавших в дорожно-транспортных происшествиях. В 1993 г. в России в автомобильных авариях погибло 60 тыс. чел., травмировано более 300 тыс.
"Замена конского транспорта автомобильным имеет большое значение для городской гигиены. Лошади очень загрязняют мостовые и дворы. Автомобиль, правда, портит городской воздух запахом отработанных газов. Но при употреблении хороших сортов бензина этот недостаток почти устраняется", — писали газеты на заре автомобильной эры. Сейчас общепризнано, что автотранспорт — основной источник загрязнения окружающей среды, самый крупный генератор шума и вибраций, главный потребитель невосполнимых природных ресурсов. Он потребляет 96 % всех производимых нефтепродуктов.
Выбросы токсичных веществ только грузовыми автомобилями на 100 тыс. ткм пробега по городу составляют: окиси углерода — 1,6 т; углеводородов — 200 кг; окислов азота — 160 кг; сажи и соединений серы — по 10 кг. Автомобиль выбрасывает в окружающую среду теплоту, практически эквивалентную всему сжигаемому автотранспортом топливу.
Пыль от изнашивания шин покрывает землю вдоль дорог, угнетает растительность. В среднем при предельном износе каждой шины образуется 3 кг пыли, а шины с шипами с 1 км2 дорожного покрытия ежегодно срезают до 30 т асфальтобетонной пыли. Каждый год около 60 млн. шин выбрасывают в карьеры, отвалы, водоемы, закапывают, сжигают.
Еще не так давно одна из самых чистых столиц мира, Москва загрязнением атмосферы на 70 % обязана автомобильному транспорту. За последние три года прирост парка автомбилей в столице
побил все мыслимые рекорды, достигнув 25 %. На 1 января 1994 г. в Москве числилось 1505 тыс. автомобилей. Более миллиона из них — частные. Частые заторы и "пробки" в центральной части города стали повседневной реальностью. В безветренные дни теплая прослойка воздуха над городом мешает отработавшим газам рассеяться, уйти за пределы столицы. В этот период максимальная концентрация окиси углерода и окислов азота над Садовым кольцом и другими магистралями превышает нормы в десятки раз. Отработав- шими газами отравлены все великие столицы, древние и современные: Рим, Париж, Мехико, Токио, Берлин. Некоторые из них уже I ограничивают въезд автомобилей в центральную часть города.
На каждый миллион легковых автомобилей отчуждается 20— 40 км2 земли, на 1 млн грузовых — 150 км2 — под тысячи километров дорожных полос, стоянки и гаражи, заправочные станции, центры технического обслуживания, мотели и ремонтные заводы. Автомобиль потеснил городские скверы и парки, заполнил стоянка- » ми все свободные территории, дворы и даже тротуары. Густая сеть транспортных артерий нарушает естественный сток воды, дробит и И душит леса просеками, отпугивает диких животных, расчленяет! природный ландшафт на слишком мелкие участки, не пригодные для полноценного развития биоценоза — сообществ растений и животных. Но самое страшное, говорят экологи, что дороги способствуют распространению технически вооруженных, но экологически невоспитанных людей в уязвимой природной среде.
Автомобиль внес свою немалую лепту в распространение "болезней цивилизации". Главная опасность автомобилей, по словам американского кардиолога Д. Уайта, заключается не в том, что они могут служить причиной несчастных случаев, а в том, что они отучают людей самостоятельно передвигаться. В этом медики видят одну из главных причин роста сердечно-сосудистых и других заболеваний.
Когда-то автомобиль приобрел заслуженный успех как самое скоростное индивидуальное наземное транспортное средство, воплотившее мечту человека о свободе передвижения. Сегодня свобода за рулем стала проблематичной. Скопление автомобилей убило скорость. Быстроходные красавцы, способные развивать скорость до 200 км/ч, еле плетутся по перегруженным магистралям, то и дело застревая в чудовищных дорожных "пробках". Кажущаяся власть над пространством и временем превратилась в бессмысленную трату времени и денег. Американцы шутят: "Если вам некуда девать время, поезжайте на машине, а если торопитесь, то идите пешком". Насколько большая доля правды в этой грустной шутке, по-Я казали испытания: средняя скорость легкового автомобиля в боль-Я шом городе не превышает 20 км/ч. Я
Сопоставляя транспортные возможности современного легково-Я го автомобиля с уровнем его использования, специалисты отмечаюгЯ колоссальную избыточность, общественно недопустимую расточительность его ресурса по числу мест, грузоподъемности, скорости, мощности двигателя, трудовым, энергетическим и материальным затратам на изготовление и эксплуатацию. Общественная ценность личного автомобиля как транспортного средства чрезвычайно завышена. Историк автотранспорта Ю. А. Долматовский подсчитал, что личных автомобилей в развитых странах примерно втрое больше, чем это необходимо для удовлетворения транспортных потребностей.
За 100 лет со времени своего появления автомобиль обеспечил человеку невиданно высокий уровень мобильности. Но ее экологическая и социальная стоимость оказалась слишком высокой: расплачиваться приходится загубленными природой и здоровьем. Загрязнение окружающей среды, истощение ресурсов органического топлива, многочисленные дорожно-транспортные происшествия, в результате которых уже пострадало больше людей, чем в иных кровопролитных войнах, поставили в наши дни под вопрос сам смысл существования автомобиля. Не слишком ли дорого он обходится человечеству? Энтузиасты экотранспорта (экологически чистых транспортных средств) прогнозируют проводы последнего автомобиля "на свалку истории" уже в первой половине грядущего столетия. Однако в обозримом будущем равноценной альтернативы автомобилю не предвидится. Ему предстоит еще долгая жизнь, хотя он, вероятно, претерпит существенные изменения.
Что же ожидает автомобиль? Прежде всего необходимо решить связанные с ним экологические проблемы. Основным качеством автомобиля двадцать первого века должна стать экологическая чистота.
Тысячи ученых, конструкторов и изобретателей ломают головы над тем, как снизить токсичность отработавших газов, уменьшить шум и повысить безопасность движения, изыскать новые топливные ресурсы, заменить хотя бы часть автомобилей экологически чистыми транспортными средствами.
В последние годы благодаря снижению аэродинамического сопротивления автомобилей на 30 % расход топлива уменьшился примерно на четверть. В массовое производство запущены модели автомобилей с коэффициентом аэродинамического сопротивления меньше 0,3. Уменьшить расход топлива позволяют снижение веса автомобилей за счет применения высокопрочной листовой стали, алюминиевых сплавов, полимерных и композитных материалов; совершенствование двигателей с целью максимально полного сжигания топлива; внедрение электронных приборов контроля за процессами его сгорания; уменьшение сопротивления качению благодаря применению новых типов покрышек, новых смазок и улучшение всех конструктивных узлов автомобилей. Снизить расход топлива позволяют также совершенствование методов управления движением, модернизация автомагистралей и оптимизация поведения водителей.
До недавнего времени высокое содержание двуокиси углерода в отработавших газах рассматривали как индикатор хорошего качества топлива. Сегодня повышенное содержание двуокиси углерода и других газов считают главной причиной потепления атмосферы — парникового эффекта. Ожидаемое к 2030 г. среднее потепление : всего на 1,5—3,0° приведет к подъему уровня морей и океанов на 20—30 мм и создаст серьезную угрозу для обширных прибрежных территорий. Реальную возможность уменьшить содержание СОг в 1 атмосфере дает лишь сокращение потребления нефти и нефтепродуктов. Этим целям служит развитие новых направлений экономии топлива и замены нефтепродуктов .альтернативными энергоносителями — спиртом, сжатым природным газом, водородом, биомассой, смешанным топливом. Фирма "Мерседес-Бенц" (Германия) уже разработала технологию получения водорода с использованием солнечной энергии. Однако автомобильная промышленность еще не готова к широкому применению водородного топлива, хотя первые образцы автомобилей с водородными двигателями успешно прошли испытания.
Все это вселяет надежду, что удастся рассеять смог из отработавших газов, за которыми не видно солнца.
Солнце... Именно к нему как неисчерпаемому источнику возобновляемой и экологически чистой энергии все чаще обращаются мысли ученых и инженеров-транспортников.
ЧЕЛОВЕК И СОЛНЦЕ
Ветер, воду и солнце иногда называют нетрадиционными источниками энергии, но более подходящее для них определение — возобновляемые источники энергии, в отличие от невозобновляемых — угля, нефти и газа. Ведь ветряные и водяные мельницы известны с незапамятных времен, и в этом смысле они — самые что ни на есть традиционные. Но, пожалуй, нет на Земле более традиционного источника энергии, чем Солнце.
Одно из первых дошедших до нас преданий о практическом применении энергии солнечных лучей связано с Древним Египтом. Оно гласит, что еще в XV в. до н. э. существовала статуя фараона Аменхотепа III, издававшая при восходе Солнца звуки, подобные цитре — древнему музыкальному инструменту. Не меньшее удивление вызывала одна из гробниц фараонов. На ней сидела каменная птица, которая начинала петь "человеческим" голосом при освещении солнечными лучами. Божественное происхождение этих чудес древнего мира не вызывало сомнений в течение тысячелетий.
В XVIII в. немецкий натуралист А. Кирхер нашел, вероятно, наиболее близкое к истине физическое объяснение "музыкальных" способностей каменных скульптур: при нагреве солнечными лучами воздух в порах расширялся и выходил через тонкие отверстия в камне, рождая музыкальные звуки. Этим же эффектом Кир-хер объяснил действие солнечно го фонтана известного изобретателя древности Герона Александрийского (рис. 1). Устройство было удивительно простым: воду поднимали не механический насос или какой-либо двигатель, а солнечные лучи.
На протяжении многих веков все попытки практического использования солнечной энергии не шли дальше утилизации тепла, приносимого на Землю солнечными лучами. Люди сушили овощи, фрукты, табак и древесину, выпаривали соль из морской воды. С глубокой древности известны попытки использования солнечной энергии с Рис L Солнечный фонтан Герма ПОМОЩЬЮ разнообразных фоку- ександрииского
сирующих устройств, таких как зеркала или линзы.
Плутарх в биографии Архимеда рассказал о том, как великий ученый помогал защитникам Сиракуз отражать нападение отборных римски войск во главе с Аппием Клавдием и флота из 65 галер под командованием Марцелла. Три года осаждавшие не могли взять город лишь потому, что против них сиракузцы применили военные машины, изобретенные Архимедом. Он изготовил также множество хорошо отполированных металлических зеркал и, призвав на помощь женщин Сиракуз, приказал сконцентрировать солнечные "зайчики" на карнизах и снастях судов Марцелла. Солнечный жар превратил в пепел римские галеры, хотя они и стояли на расстоянии полета стрелы. Некоторые суда сгорели полностью, и весь флот захватчиков обратился в бегство.
Долгое время рассказ Плутарха об уничтожении римского флота считали романтической легендой, прославляющей изобретательность Архимеда и могущество Солнца. Думали, что Архимед не мог создать зеркала-гиганты, к тому же идеально отражавшие солнечные лучи. Лишь современная техника, располагая мощным арсеналом инженерных средств, в состоянии сделать это. В 1973 г. группа греческих физиков под руководством Ионнаса Саккаса поставила эксперимент по проверке древней легенды. В ясный день 70 человек вышли на берег моря с отполированными медными щитами в руках и по команде Саккаса одновременно сконцентрировали отраженные ими лучи на макете древнеримского корабля. Через несколько мгновений корабль вспыхнул ярким пламенем. Физики
XX в. убедились, что древнегреческие воины могли сжечь римский флот, если у них были медные щиты в достаточном количестве. Возможно, что и женщины Сиракуз не испытывали недостатка в отполированных до блеска медных тазах и кастрюлях.
Среди трудов Антемуса де Тралля, выдающегося архитектора VI в., имеются четыре трактата о воспламеняющих зеркалах. Один из трактатов называется "Как создать аппарат, способный с помощью солнечных лучей воспламенить предмет на расстоянии". Английский философ Роджер Бекон в конце XIII в. также работал с воспламеняющими зеркалами.
В 1615 г. французским инженером Соломоном де Коси был изобретен солнечный насос. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором. Тогда же А. Пифф сконструировал паровой двигатель мощностью 500 Вт с концентратором площадью 10 м2. Этот двигатель приводил в действие печатный станок в типографии, где издавалась газета "Ле солей" ("Солнце").
В 1860 г. профессор Огюст Мушо сконструировал параболическое зеркало, которое использовал для приведения в действие небольшого парового двигателя, за что получил от французского правительства один из первых патентов по применению солнечной энергии. В 1866 г. он построил солнечную насосную установку, а позже солнечную печь, в которой за 20 мин сварил полкилограмма мяса. На Всемирной парижской выставке 1878 г. Мушо демонстрировал брикет льда, намороженного в солнечном холодильнике. Его перу принадлежит первая книга, посвященная использованию солнечной энергии, которая вышла в свет в 1869 г.
Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен Ш. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и давал энергию двигателю, работавшему на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем коллектор был смонтирован на крыше пристройки к дому. В 1871 г. в Чили американский инженер Ч. Уилсон построил первую крупномасштабную гелиоустановку для дистилляции воды. В течение 30 лет она снабжала питьевой водой близлежащий рудник.
В 1860 г. профессор Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболическим зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 °с.
В последующие годы гелиотехнические изобретения сыпались как из рога изобилия. И все же ученые недооценивали энергетическое значение мощного солнечного излучения, в таком изобилии приходящего на Землю. Только теперь они поняли, какую непростительную расточительность проявляли на протяжении многих столетий их предшественники, не пытаясь всерьез овладеть солнечной энергией. Сегодня они стремятся исправить этот просчет и на-10
правляют усилия на решение актуальных задач овладения энергетической кладовой Солнца.
Солнечная энергия используется на Земле сотни миллионов лет. Солнцу обязано своим существованием все живое на Земле. Солнце согревает сушу, водные пространства и атмосферу. Практически все движение живой и неживой материи, за исключением, быть может, океанских приливов и вулканических явлений, осуществляется благодаря поступающей на Землю энергии Солнца. Без энергии солнечных лучей не могли бы идти реакции образования органических соединений. До пуска первых атомных электростанций человечество использовало для своих нужд исключительно энергию Солнца — начиная от энергии, заключенной в растительной и животной пище, и кончая энергией, получаемой при сжигании органического топлива.
Ежегодно Солнце посылает к Земле около 1,6 1018 кВт-ч лучистой энергии. Это в 10 тыс. раз больше, чем современный уровень мирового энергопотребления. Вклад Солнца в энергетический баланс земного шара в 5 тыс. раз превышает суммарный вклад всех других источников энергии.
Солнечную энергию отличают экологическая чистота, возобновляемость и огромные ресурсы. Однако практический вклад гелиоэнергетики в топливно-энергетический баланс пока ничтожно мал не только по сравнению с тем, что вообще может дать Солнце, но и по сравнению с другими источниками энергии, такими как нефть, газ, уголь, ядерное топливо. Причина здесь в том, что до недавнего времени наличие необозримых, как казалось, запасов сравнительно дешевого органического топлива не стимулировало развития исследований в области гелиоэнергетики. Только в последние годы взгляды на использование органических энергоносителей и ядерного топлива существенно изменились.
Победное шествие по планете технического прогресса, неразрывно связанное с небывалым ростом потребления невосполнимых запасов органического топлива, привело к тому, что сегодня катастрофически возросла нагрузка на окружающую среду, на глазах тают запасы ценнейших природных ресурсов, увеличивается загрязнение воздуха и воды, избыток пыли и углекислого газа в атмосфере увеличивает парниковый эффект и угрожает пагубным из-мением климата.
Все виды энергии, включая топливную, атомную и термоядерный синтез, в конечном счете трансформируются в тепловую энергию, а ее производство в количестве 5 % от поступающей на Землю солнечной радиации может привести к необратимым изменениям теплового баланса и климата нашей планеты. В этом и состоит Угроза "теплового загрязнения" при производстве энергии на осно-ве ископаемого топлива или ядерных реакций.
Решение трех основных проблем, стоящих перед человечеством, — обеспечение пищей, энергией и сохранение пригодных для
жизни природных условий — в значительной степени зависит от развития гелиоэнергетики. Солнечное излучение является исключительно "чистым" видом энергии. Оно не вызывает загрязнения окружающей среды и не нарушает теплового баланса планеты. Ресурсов Солнца вполне достаточно, чтобы удовлетворить энергети-' ческие потребности будущего.
Валовой потенциал солнечной энергии для всей нашей планеты составляет 123-1012 т условного топлива в год, в том числе для России примерно 3,25-1012 т условного топлива в год. Технический потенциал солнечной энергетики зависит от эффективности гелиоустановок, уровня солнечной радиации, режимов работы потребителей, возможности аккумулирования энергии и других факторов.
В целом с известным приближением можно принять технический потенциал равным 0,1 % валового, что для России составит около 3,25 млрд. т условного топлива ежегодно.
Солнечное излучение весьма рассеянно и имеет низкую плотность у земной поверхности — в среднем 0,25 кВт/м2 и только в благоприятных условиях около 1 кВт/м2. Из-за вращения Земли и облачности создается нерегулируемый режим поступления солнечной радиации к поверхности планеты. Низкая плотность, зависимость от погоды и времени суток, необходимость преобразования в какую-либо форму, удобную для промышленного и бытового использования солнечной энергии — все это порождает значительные технические проблемы, которые тем не менее в принципе могут быть решены сегодня или в обозримом будущем.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
