Вечный двигатель — прежде и теперь

DjVu

      ЗАКЛЮЧЕНИЕ. РЕАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЭНЕРГЕТИКИ И ТУПИКОВЫЕ ПУТИ
     
      Природу обмануть нельзя, но договориться с ней можно.
      А. Эйнштейн
     
      Мы познакомились с многовековой историей попыток решить энергетические проблемы «прямым» путем — создать двигатель, производящий работу либо из ничего (ррт-1), либо из того, что есть, но работу произвести не может (ррт-2).
      Эти попытки, естественно, к успеху не привели, хотя и способствовали определенным образом на первых этапах развитию науки об энергии. Более того, весь путь «псевдоэнергетики», занятой поисками вечных двигателей, неразрывно связан с историей настоящей энергетики. Псевдоэнергетика по-своему «отслеживала» стоящие перед настоящей энергетикой задачи, пытаясь тоже решить их.
      Действительно, в начальный период развития энергетики ее задача состояла в том, чтобы создать простой и надежный универсальный двигатель для привода различных машин и механизмов в любом нужном месте. Вечный двигатель первого рода и должен был удовлетворить эту потребность и избавить человечество от необходимости использовать силу людей и животных, а затем воды и ветра.
      После появления тепловых двигателей — паровых машин — перед ррт-1 встала новая задача — избавиться от необходимости все возрастающего расхода дорогого топлива. Задача, связанная с экономией природных ресурсов, четко не ставилась; речь шла только об удобстве эксплуатации, дешевизне и, наконец, о дальности автономного плавания морских судов.
      Другая ситуация начала складываться к концу XIX и началу XX в. Энергетика достигла таких масштабов, что все острее вставал вопрос, с одной стороны, об истощении и удорожании природных энергетических ресурсов1 и с другой, — экологической — об отрицательном влиянии энергетики на среду обитания человека. Вызываемые энергетикой тепловые, химические, а затем и радиационные загрязнения начали приводить к необратимым изменениям этой среды. Вечный двигатель первого рода к этому времени сошел со сцены: его неосуществимость стала очевидной.
      Вот тут соответственно духу времени и появился вечный двигатель второго рода — не только не нуждающийся в топливе, но и экологически чистый. Действительно, «сырье» для него извлекается из равновесной окружающей среды и отдается в нее после использования в том же виде и в том же количестве. Такой «круговорот тепла» — сначала «концентрация» энергии, потом «рассеяние» и снова «концентрация» — как нельзя лучше, казалось бы, разрубает весь узел современных энергетических проблем.
      Именно из такой соблазнительной концепции исходят сторонники «энергетической инверсии». Путь, по которому движется современная энергетика, они считают ложным.
      Приведем здесь две цитаты программного характера из трудов уже известных нам авторов.
      Г. Лихошерстных [3.10]: «Суть ее (энергоинверсии) сводится к поискам путей концентрации бросовой по тра-
      1 Особый акцент на истощение именно энергетических ресурсов, а не ресурсов вообще имеет свои причины. Дело в том, что истощение ресурсов материалов (металлов, пресной воды, сырья для химической промышленности и т. д) всегда может быть так или иначе компенсировано, если в распоряжении общества есть достаточные энергетические (точнее, эксергетические) ресурсы. Тогда можно разрабатывать бедные или глубоко лежащие руды, опреснять морскую воду, синтезировать нужные продукты и т. д. Но истощение эксерге-тических ресурсов не может быть скомпенсировано ничем.
      диционным представлениям энергии водного и воздушного океанов. Это тепловая энергия, которую, как считают эниновцы1, можно концентрировать и превращать в другие виды энергии. Заманчивость этой идеи состоит не только в том, что запасы рассеянной энергии самовос-станавливаются. В то время, как использование химических и ядерных источников энергии вносит в окружающую среду дополнительную теплоту и потому в перспективе грозит «тепловым засорением», использование рассеянной энергии лишь распределяет уже наличествующую в среде энергию».
      Н. Заев [3.5]: «Миллионы и миллионы рублей, долларов, фунтов, франков, марок, дни и ночи многочисленных коллективов, могучая индустрия эксперимента, космический вакуум и холод брошены против угрозы энергетического голода. И все это под единым стягом термодинамики Клаузиуса, Гиббса, термодинамики огня, пара, термодинамики прошлого века. Она задает курс, она задает ежедневный маршрут движения. Она и компас, она и руль...
      Пора осмотреться, сопоставить достигнутое с ценой. Полтора века назад Карно сделал первый шаг к науке о тепле, пора делать следующий».
      Вот так!
      Чего стоят проекты «концентрации энергии» и атаки на «термодинамику огня и пара», мы уже подробно разобрали в соответствующих главах книги. Короткую, но пожалуй, самую точную характеристику «концентрации энергии» и ее приложений дали в свое время академики Л. Арцимович, П. Капица и И. Тамм [2.8], определив все это как «концентрацию невежества».
      На этом разговор о ppm можно было бы и закончить, но в заключение нужно сказать несколько слов о другом. Призыв «осмотреться» по существу ставит под сомнение тот путь, по которому «под единым стягом термодинамики» идет, тратя «рубли, доллары, франки» и другую валюту, современная энергетика. Давайте осмотримся.
      1 «Эниновцы» — в данном случае не сотрудники известного Энергетического института им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН), а так называемого «Общественного института энергетической инверсии», члены которого работают с 1967 г. под руководством проф. В. К. Ощеп-кова над устройствами, которые должны опровергнуть второй закон термодинамики (Г. Лихошерстных называет их членами «таинственного вдохновенного братства»).
      Начнем с того, что напомним истину, с которой согласны сейчас все: единственно правильное, научно обоснованное направление развития энергетики — такое, которое позволяло бы наращивать ее мощности в необходимом человечеству темпе, но так, чтобы сохранить (и даже улучшить) окружающую нас природную среду. Если дальше наращивать энергетические мощности, не задумываясь о локальных и глобальных экологических последствиях, или откладывать заботы об этом на будущее, то последствия могут быть опасными. Каковы же намечаемые наукой пути развития энергетики, позволяющие решить эту задачу так, чтобы одновременно выполнить оба требования?
      Ясно, что при настоящем научном подходе нужно оставить в стороне псевдоэнергетику, которая хотя и обещает все, но, как мы знаем, не сулит в реальности ничего, поскольку надеется «обмануть природу». Остается рассчитывать только на те энергетические ресурсы, об использовании которых «можно договориться с природой».
      Чтобы установить, каковы они, нужно прежде всего с принципиальных позиций рассмотреть энергетический баланс нашей планеты (в широком смысле слова, учитывая не только его количественную, но и качественную сторону).
      Начнем с общего энергетического баланса, не вникая пока в его качественные аспекты. Земля получает от Солнца примерно 1701015Вт энергии [1.11]. Около 34 % этого количества сразу отражается в космос. Остальная часть участвует в различных превращениях в атмосфере, гидросфере и на поверхности Земли, после чего тоже уходит в мировое пространство. Таким образом, вся полученная от солнца энергия независимо от ее путей на Земле в конечном счете излучается в космос. Земля себе ничего не оставляет. Именно этим объясняется относительно стационарное тепловое состояние Земли (W=W\&W=0).
      Небольшие отклонения от этого баланса связаны с двумя факторами.
      Первый из них — это фотосинтез — поглощение излучения растениями Земли с образованием соответствующей органической массы. Эта энергия, колоссальная по абсолютной величине (300-1012 Вт), забирает всего около 0,2 % мощности падающего на Землю излучения.
      Второй фактор — антропогенный, связанный с деятельностью человека. Высвобождая и используя энергию невозобновляемых природных ресурсов — топлива, человечество несколько увеличивает выделение энергии на Земле. Это количество выделяемой энергии относительно невелико (около 7-1012Вт) — почти в 50 раз меньше, чем поглощается при фотосинтезе. Очевидно, что оба фактора (особенно второй) не могут пока существенно сказаться на энергетическом балансе Земли.
      Энтропийный баланс Земли выглядит совсем иначе, чем энергетический. Поступающее на Землю солнечное излучение характеризуется весьма малой энтропией, так как температура этого излучения примерно 5800 К. Напротив, равное количественно получаемому от Солнца излучение Земли соответствует в среднем намного более низкой температуре, близкой к 300 К.
      Очевидно, поэтому отдаваемая Землей энтропия существенно больше, чем получаемая; все проходящие на ней процессы ведут в итоге, как и положено по термодинамике, к возрастанию энтропии. Никакой «энергоинверсией» здесь и не пахнет. Энтропийный баланс, показывая общую физическую картину качественного изменения характеристики энергии, не определяет, как известно, значения полезной, пригодной для использования энергии. Чтобы их выявить, необходимо использовать эксергети-ческий баланс.
      Эксергетический баланс Земли определяется прежде всего его приходной частью. Поток лучистой энергии, поступающей от Солнца, характеризуется высокой эксер-гией, составляющей примерно 0,93 его значения. Следовательно, поступающий на Землю поток эксергии составляет около 0,93 170-1015 Вт= 158-1015 Вт, из которых 34 % сразу отражается в космос. Таким образом, до поверхности Земли доходит эксергетический поток Е= = 158-1015-0,66 = 104 1015 Вт. Покидающий Землю поток эксергии относительно мал. С точки зрения земной энергетики его можно не учитывать, так как для нее средняя температура окружающей среды составляет примерно 300 К (использовать в качестве теплоприемника температуру равновесного излучения космоса можно с определенными ограничениями только вне Земли). Таким образом, «пропуская» всю энергию, получаемую от Солнца, Земля «оставляет» себе ее эксергию. Величина Е пред-
      ставляет собой тот основной резерв1 возобновляемых источников эксергии, который в принципе может быть использован человечеством без влияния на энергетический баланс планеты. Эта эксергия (т. е. все создаваемые ею разности потенциалов — давлений, температур, концентраций) все равно «срабатывается» природой — большей частью бесполезно для человека (за исключением той ее небольшой части, которая идет на фотосинтез, и перепадов давлений воды и воздуха, используемых на гидро- и ветроэлектростанциях).
      К невозобновляемым источникам эксергии относятся все те, которые могут дать ее в результате освобождения «замороженных» в природе разностей потенциалов. Эти источники — химические и ядерные виды топлива — без вмешательства человека не были бы пущены в ход. Полученная при соответствующем их сжигании (химическом или ядерном) эксергия после использования выделяется в конечном счете как низкопотенциальная теплота и присоединяется к потоку отдаваемого Землей излучения, составляя пока примерно одну двадцатипятитысячную часть его. Естественно, даже десятикратное увеличение этого тепловыделения не может привести к существенному нарушению энергетического баланса земли, если оно будет беспрепятственно излучаться в космос.
      Таким образом, с чисто технической стороны перспективы развития энергетической ситуации на Земле выглядят вполне благополучными. Анализ качества ресурсов, как возобновляемых, так и невозобновляемых, показывает [1.11, 1.12], что человечество на обозримый прогнозами срок может обеспечить себя необходимым количеством энергии даже с учетом роста потребности в ней.
      Однако все больше дает о себе знать другая сторона научно-технического прогресса (в том числе и энергетики) — его воздействие на природу Земли.
      До середины прошлого века положение в этой части не вызывало особой озабоченности. Только в отдельных районах возникали ситуации, создававшие такое давление человеческой деятельности на окружающую природ-
      1 Кроме эксергии солнечного излучения (которая может быть использована как непосредственно, так и через энергию воды, ветра, биомассы и т. д) к возобновляемым ресурсам относится эксергия морских приливов и геотермальная. Обе они не связаны с солнечным излучением.
      ную среду, которое приводило к существенно вредным, но все же локальным последствиям. Но позже, в связи с бурным развитием техносферы, ростом населения характер антропогенного1 давления на природу стал изменяться. Оно приняло планетарные масштабы, и его количественные характеристики стали соизмеримы с силами, действующими в самой природе Земли. Нарушение природного равновесия ведется во все возрастающей степени сразу «с двух концов»: с одной стороны, вычерпывание природных ресурсов — полезных ископаемых, пресной воды, биосферы, с другой — загрязнение всех трех составляющих окружающей среды — литосферы, гидросферы и атмосферы. К уже указанным выше химическому, тепловому и радиационному загрязнениям теперь прибавляется и биологическое.
      Свою немалую лепту в большую часть этих «грязных дел» вносит и энергетика. Не говоря уже о ее косвенном соучастии (никакой технический объект не мог бы работать без энергии), она несет за многое и непосредственную вину.
      Для нее извлекаются из недр земли в огромных количествах уголь, нефть и газ, урановая руда; она же выбрасывает в атмосферу диоксид углерода, оксиды азота и серы, а в землю — золу и радиоактивные отходы. Обо всем этом сказано и написано очень много; специальная наука о взаимодействии природной среды и человека — экология — все тщательно подсчитала. Вспомним лишь один показатель: тепловые электростанции, сжигающие органическое топливо, выбрасывают в атмосферу за год более пяти миллиардов тонн диоксида углерода. К этому надо добавить и другие энергетические источники С02, например автомобили, каждый из которых добавляет в атмосферу около 5 т в год. В целом все это составляет больше тонны на каждого жителя Земли!
      Включение выбросов С02 (а также метана) в углеродный цикл планеты создает все возрастающий дисбаланс между выделением и поглощением этих газов (главным потребителем С02 служат растения, поглощающие посредством фотосинтеза углерод и возвращающие кислород в атмосферу). Дисбалансу способствует уничтожение лесов (в основном тропических, площадь которых катастрофически уменьшается). В результате содержа-
      1 Определяемого воздействием человеческой деятельности.
      ние С02 в воздухе за последние 100 лет выросло с 0,030 X Х10~2 до 0,033 10~2 (т.е. примерно на 10%) и продолжает увеличиваться. Это приводит к росту так называемого «парникового эффекта», так как С02 задерживает все большую часть теплового излучения Земли, не давая ему уйти через атмосферу в космос. Это, в свою очередь, ведет к потеплению климата, увеличению площади засушливых зон, таянию полярных льдов, повышению уровня океана, затоплению низменных частей суши. Эти процессы уже идут и темп их нарастает; более того, гигантская инерция Земли такова, что если бы даже накопление С02 в атмосфере сейчас прекратилось, то его последствия все равно еще долго будут продолжаться и даже нарастать. Все это — научно установленные факты: дискуссия идет лишь о том, в каком темпе эти и другие негативные воздействия на природу будут развиваться и когда может наступить катастрофическая ситуация.
      Где же искать выход и существует ли он?
      Очевидно, что всякие рецепты типа «нужно просто повернуть назад» — прекратить развитие техники, приостановить рост народонаселения, отказаться от благ цивилизации и перейти к «простой жизни на лоне природы» — наивны и нереальны. Их авторы первыми попросились бы обратно, если их поселить в курной избе и заставить коротать досуг при свете лучины1.
      Поскольку научно-технический прогресс и связанный с ним рост сил, находящихся в распоряжении человечества, остановить невозможно (да и не нужно), единственное решение, исключающее экологическую катастрофу, лежит в другом. Это разумное, тщательно продуманное и контролируемое использование достижений науки и техники в гармонии с природой с учетом последствий каждого шага. Необходимость этого осознается все полнее; бездумное продолжение прежней технической политики становится явно недопустимым. Экологические вопросы и пути выхода из кризиса широко обсуждаются и комментируются. Люди ждут от науки неотложных решений.
      1 Другое дело — .разумное сокращение потребления сырья и энергии на основе рационализации их использования. Анализ показывает, что без какого-либо сокращения благ цивилизации можно снизить расход энергии в нашей стране на производственные и бытовые нужды минимум в 2 — 2,5 раза. Это, конечно, не снимет экологических проблем в целом — они остаются, но существенно облегчит их решение.
      Но наука при всей ее мощи не может сразу снять все проблемы; нужна серьезная работа с учетом всех технических, экономических и даже политических трудностей. И здесь, на фоне общей тревоги, снова всплывает уже хорошо знакомая нам «энергоинверсия», обещающая одним махом снять все заботы.
      Например, в рубрике «Забор» журнала «Техника и наука» (№ 12, 1988 г.) появилось объявление (№ 229): «Требуется спонсор, который согласился бы финансировать разработку вечного двигателя, непосредственно преобразующего механическую энергию микротел (атомов и субэлементарных частиц твердого тела) — в механическую энергию макротела — вращение вала. Вечный двигатель способен удовлетворить человечество в любом количестве энергией и одновременно ликвидировать полностью перегрев воздушной оболочки Земли. Автор завершил изыскания и гарантирует успех разработки вечного двигателя». В отличие от Ощепкова, который говорит о необходимости исследований, здесь все задачи уже «решены». Эти «скромные» обещания действительно обнадеживают! Тем более, что некоторые люди, искренне болеющие за охрану природы, но далекие от научного мышления, и попадаются на такие приманки.
      На пленуме Союза писателей СССР, посвященном вопросам экологии (см. «Литературную газету» от 25 января 1989 г.), среди других выступил писатель С. Самсонов, выдвинувший ряд вполне обоснованных соображений об охране окружающей среды. Но тут же (естественно, не подозревая об этом), он поддержал идею об использовании для этой цели...вечного двигателя. С. Самсонов сказал буквально следующее: «Два года тому назад появилось в печати сенсационное сообщение: японские инженеры и ученые научились отбирать тепло, рассеянное в воде и воздухе, направлять его заводам и фабрикам. Но для нашего ученого, основоположника отечественной радиолокации и интроскопии П. К. Ощепкова это не было сенсацией, так как он давно занимается этой проблемой. Одна из японских фирм предложила сотрудничество ему, Павлу Кондратьевичу, и его Общественному институту энергетической инверсии — ЭНИН. (ЭНИН занят вопросами использования энергии окружающей среды. Его цель — создание уже сегодня определенной альтернативы тепловым, гидро- и атомным электростанциям.)
      Еще в 1954 г. решением президиума АН СССР лаборатория Ощепкова, подтвердившая его идею о возможности использования рассеянной энергии окружающего пространства, была включена в состав Института металлургии, которым руководил И. П. Бардин. Таким образом, наукой официально была признана возможность его исследований. Уже в 1959 г. исследования были «закрыты, лаборатория расформирована». В заключение С. Самсонов предложил «провести референдум о дальнейшем использовании энергии атомных станций, пригласив и представителей ЭНИН Ощепкова».
      Нетрудно видеть, что «сенсационное сообщение» о японских инженерах и ученых, «которые научились отбирать тепло, рассеянное в воде и воздухе и направлять его заводам и фабрикам» — это самая обычная информация об использовании по прямому их назначению давно и хорошо известных тепловых насосов, описанных нами в § 4.4.
      Все дальнейшее — прямое повторение неграмотных журналистских сенсаций об «исследованиях» П. К. Ощепкова и других изобретателей ррт-2, которые уже подробно нами рассмотрены.
      С. Самсонов идет еще дальше и изобретателей, и поверивших им журналистов, говоря о создании «уже сегодня определенной альтернативы тепловым, гидро- и атомным электростанциям». Поскольку такая «альтернатива» ни сегодня, ни в будущем реализоваться не может — остается только последовать совету А. Эйнштейна — отказаться от попыток «обмануть природу» и все же договориться с ней. Тут, если не касаться вопросов энергосбережения, о которых уже упоминалось, существуют два направления.
      Первое, пока главенствующее, опирается на технику, базирующуюся на освобождении «замороженных» запасов энергии (топлива — химического и ядерного). Она позволяет в нужном темпе наращивать энергетические мощности, и по мере совершенствования техники снижать количество вредных выбросов и отходов. Однако радикального решения экологических проблем это направление обеспечить не может1; накопление избыточной энергии ДW на Земле будет продолжаться.
      1 Даже термоядерные электростанции будущего будут давать мощное тепловое загрязнение, хотя выделение С02 у них исключено.
      Второе направление основано на использовании тех разностей потенциалов, которые все равно срабатываются природой, но без использования для энергетики. К ним относятся как те, которые связаны с действием солнечного излучения, так и те, которые обусловлены вращением Земли и лунным притяжением, а также нагревом внутренних слоев Земли.
      Разности давлений воздуха или уровней воды позволяют создавать ветроэнергетические установки, приливные электростанции (не говоря уже о гидроэлектростанциях). Разности температур дают возможность получать электроэнергию как на севере (более теплая вода в океане — холодный воздух .и лед наверху), так и на юге (теплая вода океана наверху, более холодная — внизу), а также в районах, где глубинные горячие слои подступают близко к поверхности (геотермика). В областях с интенсивным солнечным излучением можно преобразовывать и использовать эту энергию целым рядом способов. Прорабатываются даже способы получения электроэнергии на базе использования разности концентраций соли в морской воде и втекающих в море рек (вспомним осмотический двигатель И. Бернулли, показанный на рис. 1.27). Во всех этих случаях получение энергии, которая снова отдается в конце концов в окружающую среду, никак не меняет AW. Поток энергии просто идет другим, полезным путем; вместо того, чтобы сразу дис-сипировать, рассеяться в окружающей среде, он проделывает полезную работу. Такая экологически чистая энергетика даже при далеко не полном использовании природных потенциалов могла бы снять все экологические проблемы. Но... Это «но» связано с тем, что по разным причинам — либо из-за малых концентраций1 потоков используемой энергии (например, солнечной энергии, ветра), либо вследствие невыгодного географического расположения (например, отдаленность заливов с высокими морскими приливами от мест потребления энергии) затраты на сооружение таких электростанций или передачу электроэнергии оказываются слишком высокими. Каждый киловатт установленной мощности обходится намного дороже, чем на электростанциях с органическим или ядерным топливом. Получается, что
      1 Концентрации в прямом смысле этого слова, а не в том, который в него вкладывают изобретатели ррш-2 (с. 117).
      энергия, которую нужно затратить на получение нужных материалов, изготовление, транспортировку и монтаж оборудования станции и линий электропередачи, больше, чем та энергия, которую она даст в течение всего срока службы. Очевидно, что строить такие станции пока невыгодно. Однако следует иметь в виду, что для многих рассредоточенных на большой площади и не очень крупных потребителей доставка энергии настолько дорога, что экологически чистые источники энергии, расположенные поблизости, уже теперь оказываются предпочтительными. Но главное состоит в том, что возможности совершенствования таких систем только начинают всерьез изучаться. В ближайшей перспективе их стоимость может резко уменьшиться. Поэтому скептицизм некоторых энергетиков, относящих широкое распространение экологически чистых электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии, на середину XXI века, едва ли обоснованы.
      Даже этот краткий обзор показывает, что работа по совершенствованию и преобразованию энергетики во всех ее направлениях очень трудна, но и интересна. Она требует людей, готовых, опираясь на научные знания, проявить себя, смело прокладывать новые пути, не страшась бурь научно-технической революции.
      Все попытки свернуть энергетику на тупиковый путь «энергоинверсии», решить энергетические проблемы путем использования вечного двигателя второго рода совершенно бесперспективны. Они только отвлекают людей от настоящего дела.
      Увлечение вечными двигателями, сохранившееся еще до нашего времени в своеобразной форме ррт-2, несмотря на «научное» оформление долго жить не сможет. Вечный двигатель второго рода, так же как и его предшественник — вечный двигатель первого рода, останется лишь интересным и поучительным эпизодом истории физики и энергетической науки.