|
|
Всю акваторию Мирового океана
пересекают тече-ния. Они имеют самые различные направления: на север и юг,
восток и запад. Некоторые из них описывают траекто-рии, представляющие собой
огромные окружности. Под этими поверхностными течениями есть и другие –
глу-бинные. Их направления и скорость – самые различные. И только небольшое
количество течений можно считать медленными. Энергия течений весьма велика.
Именно по-этому в последней четверти двадцатого века передовые
ученые-океанологи предложили использовать энергию наиболее быстрых течений с
целью преобразования ее, в электрический ток. Предложения породили планы,
кото-рые привели к исследованиям и разработке проектов. Од-нако для
разработки проекта необходима обширная ин-формация, а для того чтобы собрать
ее, потребовалось много времени – выяснялось, где имеются течения, насколько
велика их скорость, насколько они устойчивы, какова в них температура воды в
разное время дня и ночи.
Первое известное упоминание об океанских течениях было
сделано Колумбом, плывшим к Сан-Сальвадору в быстрых водах попутного западного
течения. «Я считаю доказанным,– записал он в своем дневнике,– что воды морей,
как и небеса, движутся с востока на запад». Одна-ко с тех пор мореплаватели
обнаружили много других те-чений, имеющих самые разные направления.
В 1513 году испанский исследователь Понсе де Леон,
разыскивавший Источник Молодости, стал свидетелем странного феномена. Он плыл
южнее побережья Флориды во время ужасного шторма. Несмотря на то что ветер
дул в нужном направлении и парусник, казалось, двигался вперед, случайно
обернувшись, испанец обнаружил, что на самом деле он приближается к берегу.
Океанские де-моны? Злые духи? Нет. Понсе де Леон не знал того, что его
маленькая шхуна попала в мощное течение, которое позже назвали Гольфстримом и
которое именно в той ча-сти Атлантического океана течет на север. Поэтому,
хотя ветры гнали суденышко на юг и были довольно сильны, течение оказалось
сильнее.
Спустя годы, в целях увеличения скорости передви-жения по
океану, Бенджамин Франклин нанес это течение на карту с точностью, возможной для
того времени. Ему пришлось это проделать, потому что возник вопрос, на
который он не смог дать ответ. Во время одного из путе-шествий в Англию его
спросили: «Почему британские ко-рабли, плывущие в Нью-Йорк, а затем на юг,
затрачивают на это на две недели больше, чем те, которые плывут к
Род-Айленду?» Франклин не знал ответа и поэтому спро-сил об этом своего
кузена – китобоя Тимоти Фолджера. Фолджеру было известно то же, что и всем
китобоям: в той части океана в восточном направлении проходит теп-лое, быстрое
течение, которому киты отдают особое предпочтение. «Однако капитаны-англичане
руковод-ствуются своими картами, на которых течение вовсе не обозначено»,–
объяснил Тимоти. «Поэтому они попадают прямо в поток и плывут все время
против течения». Он также добавил, что американские суда быстрее добирают-ся
до Европы, двигаясь на восток, потому что плывут по течению. Возвращаясь, они
умышленно избегают его. По-сле этого Фолджер обозначил место прохождения
течения Гольфстрим настолько точно, насколько это сам пред-ставлял.
После окончания американской революции Франклин, имея в
качестве основы рисунок Фолджера, задумал со-ставить более точную карту
Гольфстрима. Во время своих многочисленных плаваний через Атлантику он
постоянно измерял температуру воды за бортом. Одетый в тяжелые зимние одежды,
меховую шапку и теплые ботинки, он выходил на палубу, забрасывал в океан
пустые бутылки и наполнял их морской водой, температуру которой затем измерял
термометром. Таким путем он выяснил, что воды течения теплее, чем окружающие
их океан и воздух.
Сегодня океанографам известно, что вода океанских течений
отличается от остальной морской воды по мно-гим параметрам. У них другая
температура, скорость, со-держание соли. Они отличаются и запасами
кинетической энергии, протекая словно «морские реки» через все океа-ны мира.
Они вызываются ветрами, имеющими неизмен-ное направление, вращением Земли,
различиями в темпе-ратуре и плотности воды. Однако среди поверхностных
течений Гольфстрим – наиболее примечательное. Офицер американского
военно-морского флота Мэтью Мори пи-сал о нем в своей книге «Физическая
география моря» в 1855 году:
«В океане существует река. Она не пересыхает в
же-сточайшую засуху и не переполняется во время полово-дья. Ее дно и берега
состоят из холодной воды, в то время как само течение – теплое. Оно берет
свое начало в Мек-сиканском заливе и исчезает в Арктике. Эта могучая река –
Гольфстрим. В мире нет другого такого удивительного водного потока. Скорость
его быстрее, чем у Миссисипи или Амазонки, а объем перемещаемой воды – больше
в тысячи раз... Его воды еще от берегов Каролины имеют цвет индиго. Они
отличаются от окружающих вод столь сильно, что могут быть замечены
невооруженным глазом. Зачастую одна половина судна может плыть в
Гольфст-риме, другая – в морских водах, так резко отличаются во-ды течения;
насколько похожи свойства вод внутри Голь-фстрима, настолько же сильно их
отличие и нежелание смешиваться с окружающим океаном».
Описание Гольфстрима, сделанное Мори, теперь счи-тается
классическим, привлекает внимание и огромная кинетическая энергия этого
течения. Однако исследова-ния океанских течений были весьма ограниченны еще в
девятнадцатом веке и велись лишь с точки зрения навига-ционных проблем или из
простого любопытства отдель-ных ученых. Соответственно и данные собирались
хоть и старательно, но очень медленно во время плаваний через океаны.
В дальнейшем информация собиралась учеными-океанологами
Военно-морского флота США, Береговой охраны, Берегового и геодезического,
топографического управления США, а также частными исследователями. Имея в
своем распоряжении современную измерительную аппаратуру, они смогли вычертить
карты и схемы, пока-зывающие температуру, ширину, места протекания
Голь-фстрима в зависимости от времени. Разумеется, результа-ты сбора таких
данных были не совсем надежны, так как Гольфстрим изменял свое направление.
Некоторые при-писывали это влиянию Луны. Однако в 1884 году адмирал Джон
Эллиот Пилсбари смог разрешить многие из таин-ственных загадок. Во время
прохождения службы у бере-гов Флориды он ставил свое судно на якорь то в
одном, то в другом месте и снимал показания с помощью новейших по тем
временам приборов. Среди них было одно особен-ное устройство – изобретенный
им самим измеритель скорости течения, который одновременно фиксировал и
направление потока.
Со времен Пилсбари во всех океанах мира продолжа-лись
исследования, которые, правда, не давали убеди-тельных результатов. Со
временем инструменты, облада-ющие большой точностью измерений, появились на
мно-гих океанских судах, автоматически фиксируя скорость, температуру,
местоположение и химический состав тече-ний. В 1969 году хорошо оснащенная
научно-исследовательская подводная лодка «Бенджамин Фран-клин», находящаяся в
ведении правительства, значитель-но обогатила библиотеку сведений об
океанских течени-ях. Два года спустя свой вклад в их изучение внес и
про-фессор Института исследований моря и атмосферы в Ро-зенстьеле (Флорида)
Уолтер Дьюинг. В своем фундамен-тальном труде он проанализировал огромный
запас ин-формации о Флоридском течении, являющемся частью Гольфстрима.
Впервые в отношении исследуемого тече-ния были получены данные об «изменениях
во времени и пространстве».
В 70-х годах центр внимания исследований сместился. Ввиду
того, что ископаемые виды топлива стали доро-жать, все чаще стали
поговаривать об энергии океанских течений: ее доступности, запасах и
возможности превра-щения в дешевую электроэнергию.
Обычно считается, что извлечение энергии океанских течений
должно быть весьма выгодным делом. Оно не за-грязнит окружающую среду, не
потребует, в свою оче-редь, больших затрат энергии и, так как течения
находят-ся в движении двадцать четыре часа в сутки, энергия бу-дет
поставляться постоянно и непрерывно. Надежды воз-лагаются и на то, что
энергоустановки будут производить значительные количества достаточно дешевого
электри-чества, станут долговечными и эффективными.
Первые проекты по преобразованию энергии океан-ских
течений в электроэнергию появились очень скоро. Однажды в теплый солнечный
день три друга-океанолога затронули в своей беседе проблемы исследований
Уолте-ра Дьюинга.
Это происходило в 1973 году в офисе директора
Ат-лантических океанографических и метеорологических ла-бораторий
Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами, доктора
Харриса Б. Стю-арта-младшего.
Из окон офиса им был виден Гольфстрим – светло-голубой
поток среди зеленого Атлантического океана. Доктор Стюарт позднее в интервью
журналу «Попьюлар Сайенс», рассказывал издателю Артуру Фишеру, что вна-чале
трое друзей праздно восхищались голубизной Голь-фстрима, и только. Они знали,
что это течение, проходя-щее близ Флориды между Майами и Бимини, несет в
пятьдесят раз больше воды, чем все реки мира. «Мы знали и то, что течение
постоянно и ночью, и днем, что оно имеет приличную скорость – 4 узла. И тут
нас осенило: почему бы не исследовать Флоридское течение как весьма
перспективный источник энергии... Мы подсчитали, что если удастся извлечь
лишь 4% энергии этого потока, вы-ходная мощность составит 1000-2000 мегаватт,
что при-мерно эквивалентно производительности ядерной элек-тростанции. Таким
образом, мы решили, что проблемой стоит заняться».
Вскоре после этого Стюарт и его коллеги встретились опять,
чтобы сделать первые наброски проекта электро-станции, использующей энергию
Флоридского течения. Им уже виделись огромные подводные пропеллеры –
преобразователи энергии. Газеты узнали об этой встрече, и первые полосы
запестрели историями о «подводных мельницах».
Чикагский миллионер Джон Б. Мак-Артур также об-ратил
внимание на проект. Ему, практичному бизнесмену, идея неистощимого,
безвредного источника энергии вблизи Майами показалась интересной. Мак-Артур
выле-тел в Майами и имел беседу с доктором Стюартом.
Мак-Артур предложил ему набросать план работ и со-став
специалистов: морских инженеров, экспертов по тя-желому морскому
оборудованию, проектировщиков тур-бин, экономистов-энергетиков, экспертов по
коррозии и загрязнению окружающей среды для исследования под-водного
функционирования установки.
Когда Комитет Мак-Артура собрался в 1974 году, специалисты
были уже подобраны. В наличии имелись деньги, профессиональный опыт и
изобретательность. Прибыли делегаты от Флоридской электрической компа-нии,
Вестингхауза, «Эллис-Чалмерс» и лабораторий «Ла-ке корризьен» из «Интернейшнл
никель». Морские инже-неры представляли три весьма престижных университета: Род-Айлендский,
Массачусетский и Калифорнийский университет в Беркли. Присутствовали
заинтересованные представители частного сектора и правительства.
После трех дней дискуссий, выслушивания аргумен-тов и
контраргументов делегаты пришли к выводу, что энергия Флоридского течения
эквивалентна энергии, вы-рабатываемой двадцатью пятью электростанциями
мощ-ностью 1000 мегаватт, и что это течение определенно мо-жет быть
использовано для получения электричества.
Присутствовавшие специалисты по охране окружаю-щей среды,
однако, возражали против неограниченного преобразования энергии течения. Как
заявил один из них, «извлечение 200 мегаватт энергии охладит Флоридское
течение, что повлияет на климат востока Соединенных Штатов и Северной
Европы».
В то же время инженеры-практики предлагали такие
устройства, как двухлопастные пропеллеры (которые вна-чале и называли
подводными мельницами), роторы с во-гнуты ми лопастями и системы гигантских
водяных тур-бин. Однако наибольшее внимание привлекла система подводных
парашютов, изобретенная Гари Стилманом, приехавшим из окруженной со всех
сторон сушей Айовы.
Стилман – фермер, не имеющий специального техни-ческого
образования, впервые использовал парашюты для преобразования энергии
небольшого ручья, протекающе-го через территорию его фермы. Поскольку
устройство там работало, он предложил ту же идею с условием уве-личения
размеров парашютов для преобразования энер-гии Флоридского течения. Его
изобретение столь же про-сто и дешево, сколь и оригинально. Оно предназначено
для превращения энергий низкого уровня в электрический ток и называется WLVEC
(Water Low–Velocity Energy Convertor) – «водяной энергопреобразователь,
работаю-щий на низких скоростях». WLVEC состоит из двух ком-понентов: колеса
на оси, закрепленного на судне или пла-вучей платформе, и вытянутой петли,
непрерывно вра-щающейся вокруг колеса, словно конвейерная линия. Вдоль петли
закреплены паруса, выполненные в виде па-рашютов. Они расположены так, что
раскрываются при встречном потоке воды и закрываются, когда поворачи-ваются
на петле в противоположном направлении. Когда это устройство опускается в
воду, парашюты автоматиче-ски вытягивают петлю и приводят систему в действие
под влиянием силы течения. Петля, в свою очередь, вращает колесо, передающее
вращение турбогенератору, который и вырабатывает электрический ток.
Группа Мак-Артура в заключение пришла к оптими-стическому
выводу: весьма возможно, что в середине 80-х годов из Флоридского течения
будут извлекаться значи-тельные количества энергии, причем цена ее будет
доста-точно низкой. Использовать ее можно тремя способами: как электрический
ток, передаваемый на берег по подвод-ному кабелю, как водород (извлеченный из
морской во-ды), который можно перекачивать по газопроводу или пе-ревозить
судами в криогенных резервуарах, или как сжа-тый газ, хранимый в «подводных
баллонах».
Перед окончанием своей работы группа Мак-Артура выступила
с рекомендациями относительно программы исследований и развития. Вскоре после
этого было уста-новлено, что скорость океанских течений изменяется как во
времени, так и в пространстве, а величина ее в боль-шинстве случаев невелика.
Значит, и энергетический уро-вень тоже.
Энергия низкого уровня? Для изобретательных инже-неров
такая проблема не являлась непреодолимой. Они знали, что океанские течения
содержат в себе огромные запасы энергии и что она может быть извлечена с
помо-щью больших низкоскоростных водяных турбин. Ряд возможных проектов таких
турбин подвергся рассмотре-нию. Один из них – создание турбины с вертикально
рас-положенной осью – был признан в то время наиболее эф-фективным. Он имел
два плюса: возможность подстраи-ваться к интенсивности потока и изменениям в
его направлении. Однако уже в 1980 году Стилман объявил, что его новая модель
WLVEC с парашютами размером 5 футов (1,5 м) работает превосходно. «Ее выходная мощ-ность,– заявил он,– 10 лошадиных сил при скорости пото-ка, составляющей два
узла». Согласно его последним оценкам, «не существует верхней границы
мощности энергостанций типа WLVEC. Все зависит лишь от проч-ности
используемых материалов. При цене на нефть, рав-ной 30 долларам за баррель,
станция WLVEC, располо-женная у берегов Майами, будет производить
электриче-ство на 1,5 миллиона долларов в день».
Говоря о создании электростанций, использующих энергию
океанских течений, мы имеем в виду, что для этого необходимы крупные денежные
средства и государ-ственная поддержка. Лишь один раз, в 1979 году,
прави-тельством США были предприняты конкретные шаги в этом направлении. Они
заключались в том, что вице-президент компании «Аэровиронмант Инкорпорейтед»
(Пасадена, Калифорния) доктор Питер Б. С. Лиссамэн пы-тался продолжить работу
и исследования с того момента, на котором остановилась группа Мак-Артура. Его
цель – создать энергосистему на основе так называемых «под-водных мельниц» –
океанских турбин, изобретенных дву-мя инженерами – Дэвидом Томпсоном и
Уильямом Маутоном.
«Представьте себе,– говорит Лиссамэн,– огромную подводную
турбину размером в два городских квартала, имеющую в центре гигантский ротор.
Пусть 250 таких турбин будут погружены в Гольфстрим на глубину 75 фу-тов и
заякорены кабелями длиной почти в две мили. Про-текающий поток воды приведет
роторы в движение, в ре-зультате чего турбины станут вырабатывать
электриче-ский ток. Передаваемый во Флоридскую энергосистему по подводным
кабелям, он легко покроет значительную часть общегосударственных потребностей
в энергии».
Этот проект – энергосистема из океанских турбин – назван
программой Кориолиса в честь французского уче-ного XIX века Гюстава Гаспара
Кориолиса. Будучи мате-матиком и инженером, он стал известен своей теорией,
описывающей движения океанских и воздушных течений в зависимости от вращения
земного шара. Согласно этой теории течения Северного полушария смещаются
вправо, т. е. по часовой стрелке, а течения Южного полушария смещаются влево,
т. е. против нее.
Менеджер программы Кориолиса Роберт Рэдки опи-сывает
систему с большим энтузиазмом. «Мы рассчиты-ваем на то, что у нас не будет
больших проблем с реали-зацией проекта – установкой и закреплением турбин и
ге-нераторов. Так как турбины представляют собой огром-ные трубы,
напоминающие по форме кофейные банки, у которых отсутствуют донышки, они
обладают значитель-ной стабильностью. Количество полученной энергии бу-дет
больше. Что касается коррозии под действием мор-ских организмов (называемой
впоследствии биофулин-гом), то следует отметить, что они очень редко
закрепля-ются на предметах, находящихся в проточной воде. А Гольфстрим
как-никак имеет скорость 4 мили в час».
В ответ на вопрос: меняется ли скорость Гольфстрима в
зависимости от времени года и как это влияет на выра-ботку электроэнергии,–
Рэдки говорит: «Мы знаем, что существует разница в скорости потока зимой и
летом. Мы изучили это явление, и сейчас, на начальных стадиях раз-работки
программы, считаем, что средняя производитель-ность Кориолиса составит 57%.
Это совсем неплохо».
Проблема, выдвинутая специалистами по защите окружающей
среды,– изменение климата Соединенных Штатов и Северной Европы в результате
похолодания Гольфстрима – не принимается всерьез как Лиссамэном, так и Рэдки.
«Кориолис не извлекает тепло, а наши маши-ны используют лишь кинетическую
энергию текущей во-ды.
Существуют ли проблемы, связанные с замедлением течения?
При взаимодействии турбин с течением они уменьшают его скорость только на 1%.
И хотя мы не счи-таем, что 1 % – это существенно, мы продолжим изучение
данного вопроса».
На основе своих исследований представители компа-нии
«Аэровиронмант» уверены в том, что осуществление программы Кориолиса даст
возможность производить 10 000 мегаватт энергии без загрязнения окружающей
среды. Что касается влияния работы турбин на океан, то исследования показали,
что создаваемые при этом волны не превосходят обычных морских волн у берегов
Флори-ды. Утверждается также, что изменения скорости и тем-пературы потока
будут менее значительны по сравнению с естественными флуктуациями.
Между тем возникает необходимость в новых иссле-дованиях.
Нужно построить и испытать 39-футовую (12 м) модель океанской турбины. К промышленной эксплуа-тации в полном объеме можно будет приступить через тридцать
шесть месяцев после начала ее строительства.
Как уже отмечалось, океанские течения несут энер-гию,
которой достаточно, чтобы электрифицировать весь мир. Является ли это
решением проблемы нехватки энер-гии?
Вообще говоря, сейчас еще рано оценивать будущий потенциал
этого источника энергии. И большинство тех организаций или частных лиц,
которые вложат свои день-ги в реализацию таких проектов, будут вынуждены
нахо-диться в положении, когда известна еще далеко не вся информация об
океанских течениях: их скорость и темпе-ратура, постоянство и энергетический
уровень.
Организатор группы Мак-Артура доктор Харрис Б.
Стюарт-младший думает иначе. В телефонном разговоре с автором этой книги он
сказал: «Не стоит ждать, когда будут собраны все сведения обо всех течениях в
мире. Начнем с Флоридского течения. Энергии в нем предоста-точно. Мы это
знаем и знаем, как ее извлечь. Не нужно концентрировать все усилия лишь на
одном источнике энергии. Наша задача – использовать локальные источни-ки
энергии. В Калифорнии мы извлекаем геотермальную энергию, в Аризоне –
солнечную, в заливе Кобскук – при-ливную, в Северной Атлантике, у побережья
Шотлан-дии,– волновую. Близ Флориды мы будем использовать энергию океанского
течения».
Спокойно, но весьма убедительно Стюарт добавляет: «Что мы
не должны делать, так это следовать примеру Министерства энергетики США,
которое в настоящее время направляет все средства и усилия на развитие
ис-пользования только одного энергоресурса – ОТЕС – пре-образования
термальной энергии океана».
|