|
|
Братья Райт никогда бы не подняли
в воздух свою машину, если бы в 1903 году они должны были бы дей-ствовать
таким же образом, как нынешние изобретатели: представлять правительству
предложения и планы, каса-ющиеся как самой первой модели, так и всех
последую-щих ее вариантов, вплоть до окончательного, полномас-штабного. Более
того, должна была бы быть доказана и техническая осуществимость, и
экономическая целесооб-разность, и безопасность с точки зрения окружающей
среды всех этих проектов перед целой группой лордов, ни один из которых не
верил в возможность полета вообще.
Братья Райт в самом начале имели только идею лета-тельного
аппарата – идею, осуществить которую было возможно лишь в принципе, идею, над
которой люди сме-ялись. Людям вообще свойственно посмеиваться над тем, что
«возможно в принципе», потому что такие идеи, но-вые и неиспытанные, кажутся
им сумасшедшими. Они смеялись, когда пароход «Фолли», построенный Робертом
Фултоном, впервые появился на Гудзоне. Они кричали Генри Форду: «А лошадь-то
лучше!», когда его первые автомобили («Оловянные Лиззи») увязали в грязи
разби-тых дорог. Даже 19 июля 1969 года – за день до того, как Нейл Армстронг
ступил на лунный грунт,– они надсмеха-лись над идеей высадки человека на
поверхность Луны.
По мере того, как все ближе подступает к нам два-дцать
первый век, идеи «возможного в принципе» возни-кают снова и снова. Сферой их
применения являются те-перь и моря и океаны. В них впадают ручейки и речки,
могучие реки и огромные массы дождевой воды. Здесь на границе океана и суши
встречаются два вида воды – соле-ная и пресная – и, встречаясь, естественно,
смешиваются между собой.
Но если соленые и пресные воды смешиваются, зна-чит, возможно
и извлечение энергии из этого процесса смешения. Хотя, разумеется, необходимы
дальнейшие ис-следования, расчеты уже теперь подтверждают тот факт, что разница
в концентрации солей в речной и морской водах является заслуживающим внимания
потенциальным источником энергии.
Ученые уже пытаются создавать простейшие устрой-ства для
превращения этой энергии в механическую или электрическую. Они конструируют
так называемые энер-гопреобразователи, использующие градиент солености (под
градиентом в данном случае понимается разница в концентрации соли в воде).
Действие этих преобразовате-лей основано на физическом явлении, называемом
осмо-сом.
Осмос – процесс, который позволяет жидкости (или газу)
проникать через мембрану, обладающую ограничен-ной проницаемостью. Это
значит, что мембрана, хотя и делает возможным просачивание пресной воды, не
про-пускает растворенные в ней соли.
Осмос – известный, хотя и удивительный феномен, благодаря
которому, например, растения всасывают сво-ими корнями почвенную влагу. Вы
можете наблюдать этот процесс при смешивании речной и морской воды в научной
лаборатории или классной комнате при наличии осмотического резервуара.
Делается он обычно из стекла и разделяется на две половинки вертикальной
полупрони-цаемой мембраной с избирательной пропускной способ-ностью. Наполнив
на одну четверть первую секцию реч-ной водой, а вторую – морской, вы вскоре
увидите прояв-ление процесса осмоса. Пресная вода начнет протекать из своей
секции (так как она содержит лишь незначительное количество солей) через
мембрану в секцию с более соле-ной морской водой. Это происходит потому, что
мембра-на проницаема для малых молекул воды, но непроницае-ма для больших
молекул соли. Это одностороннее пере-текание будет продолжаться до тех пор,
пока в обеих сек-циях уровни концентрации солей не совпадут. Конечно, теперь
жидкости в секции, куда была залита морская во-да, будет больше, и вы сможете
заметить существенную разницу уровней жидкости в секциях. Это создает
разни-цу в давлении, которую ученые иначе называют осмоти-ческим давлением.
Если вы попробуете провести еще один опыт, напол-нив
каждую секцию резервуара на три четверти соответ-ственно речной и морской
водой, вы убедитесь, что уро-вень воды в секции, где концентрация соли выше,
будет подниматься до тех пор, пока вода не перельется через край резервуара.
Осмотическое давление – могучая сила, которая мо-жет быть
использована для производства энергии на ос-нове существования градиента
солености, или, как его иначе называют, энергии солености.
В ряде лабораторий ученые работают над созданием
эффективных и недорогих осмотических преобразовате-лей, которые могли бы
преобразовывать энергию во вра-щение водяного колеса или турбины для
производства электричества.
Профессора Джеральд Уик и Джон Исаакс из Скрип-пского института
океанографии уверены, что с помощью осмотических преобразователей на
океанском побережье в местах впадения рек возможно добывать энергии столь-ко
же, сколько сейчас добывается на всех гидроэлектро-станциях. А
гидроэлектростанции США производят в настоящее время 14% всего используемого
в стране элек-тричества.
На сегодняшний день энергия эта теряется совершен-но
впустую. Возьмем, к примеру, сток реки Колумбия. В ее устье сейчас пропадает
энергии столько же, сколько добывается на всех имеющихся на ней гидроэлектростан-циях.
Она как бы растворяется при смешивании вод Ко-лумбии с океанскими водами. Еще
больше энергии бес-следно исчезает в устье Миссисипи. По расчетам Ричарда
Нормана, профессора биологических наук Коннектикут-ского университета,
соляная электростанция, построенная в устье этой реки, при условии
использования одной де-сятой части ее стока, сможет вырабатывать 1000 МВт
электроэнергии. Такого количества хватило бы на нужды одного миллиона
человек.
Поскольку Норман осмысливает данный процесс гра-фически,
он предлагает нам представить, что все реки в мире впадают в океан с высоты 750 футов (225 м) над уровнем моря. Каждая река стала бы тогда водопадом, в котором высвободилась бы
энергия падающей воды. (Сравните это с плотиной Гувера, высота которой не
пре-вышает 726 футов.) Другие ученые оценивают высоту этих теоретически
созданных водопадов в 760-798 футов (228-240 м). В любом случае цифры поразительные, осо-бенно если представить себе потенциальную энергию,
имеющуюся в потоке воды, падающей с такой высоты. Но так как не существует
одинаково высоких береговых скал, с которых пресноводные реки могли бы,
падая, приводить в действие турбины электростанций, ученые, занимающи-еся
созданием соляных электростанций, выискивают воз-можности извлечения энергетического
потенциала, созда-ваемого осмотическим давлением.
Спрашивается, где же можно отыскать такое гигант-ское
осмотическое давление? На глубине в сотни футов, там, где на дне смешиваются
пресные воды рек и соленые воды океанов, которые в среднем имеют концентрацию
солей, равную 3,5%.
В устье реки ученые мысленно опускают соляную
электростанцию на глубину 750, 760 или 798 футов (вы-бирайте сами), чтобы уровень осмотического давления стал достаточным для вращения
турбины. Тогда электро-станции смогут вырабатывать электроэнергию и
переда-вать ее по высоковольтным линиям в ближайшую энерго-сеть.
Хотя использование осмотического давления на глу-бине в
1/7 мили (1/5 км) под поверхностью океана и воз-можно в принципе, все же это
легче осуществить на сло-вах, чем на практике. В устье реки необходимо будет
по-строить две огромные подводные плотины, вырыть ис-кусственное
промежуточное озеро, сконструировать длинную трубу, подающую речную воду к
электростан-ции (на глубину 798 футов ниже уровня моря), и полу-проницаемые
мембраны, перекрывающие другую трубу, идущую сквозь вторую плотину. Через эти
мембраны ис-пользованная речная вода будет просачиваться в соленое море в
результате процесса осмоса.
В правительственной публикации Соединенных Шта-тов
«Энергия из океана», вышедшей в свет в 1978 году, профессора Уик и Исаакс –
пионеры в этой области – описали двухступенчатый процесс использования
энерго-преобразователей, действующих на основе градиента со-лености в
эстуариях (устьях рек).
На первом этапе речная вода течет через
гидроэлек-трические турбины в резервуар, уровень которого на не-сколько сотен
метров ниже уровня моря. Разность высот поддерживается осмотическим
давлением. В идеале раз-ность высот будет равна 240 м, но она может быть и зна-чительно меньше, чем уровень осмотического равновесия (240 м), чтобы создать движущуюся силу для перехода ко второму этапу – сбросу воды. Он происходит в
результате просачивания пресной воды в соленую через полупрони-цаемые
мембраны. Эти мембраны должны постоянно омываться большими количествами
морской воды с це-лью удаления пресной, чтобы избежать уменьшения
кон-центрации соли вблизи мембран, возникающей вслед-ствие попадания туда
этой пресной воды.
Попросту говоря, пресная вода из реки попадает в трубу в
первой половине, вращает турбогенератор и вы-ливается в озеро. Затем она
«откачивается» в соленое мо-ре через трубу во второй плотине. Такое
откачивание поз-воляют осуществить мембраны, перекрывающие вторую трубу.
Движущей силой при этом, как указывают Уик и Исаакс, является осмотическое
давление, составляющее 240 м.
К 1979 году в ряде стран начали разработку программ
использования соляной энергии, и ученые-изобретатели наводнили учреждения
предложениями о том, как выра-батывать электроэнергию на основе осмотического
дав-ления.
Одно из таких предложений, привлекшее большое внимание,–
преобразователь, действие которого основано на давлении, создающемся в
результате осмоса – PRO (pressure-retarded osmosis). Технология была
разработана Сиднеем Лоебом.
В преобразователе Лоеба пресная вода течет через се-рию
полупроницаемых мембран в камеру с соленой во-дой. Но это не просто соленая
вода – она сжата под дав-лением, создаваемым насосом. Находящаяся под
давлени-ем смесь соленой воды с осмотически добавленной прес-ной водой
направляется затем к турбине.
По мнению автора проекта PRO – преобразователь является,
возможно, наиболее экономичным устройством для осмотического производства
электрического тока. Однако он тут же добавляет: «Проблему нужно
исследо-вать, исследовать и еще раз исследовать для того, чтобы это
устройство, которое выглядит так просто, стало бы приемлемым для
использования с коммерческой точки зрения».
Еще один преобразователь – электробатарея, содер-жащая
соленую и пресную воду,– привлекает внимание многих интересующихся наукой
людей. Действие этого преобразователя основано на электрохимическом
прин-ципе, без использования осмотического давления,– на движении ионов.
(Ионы – атомы, у которых есть один или несколько лишних электронов или,
наоборот, их не хвата-ет).
Ключом к пониманию причины процесса является химическое
строение простой поваренной соли, формула которой NaCl – натрий хлор. Когда
соль растворяется в воде, автоматически образуются ионы хлора и натрия. Ионы
никогда не находятся в состоянии неподвижности, они постоянно перемещаются.
Двое ученых – Джон Вайнштейн из Национального института
здоровья и Франк Лейтц из Министерства внутренних дел США – решили
воспользоваться движе-нием ионов для создания электробатареи, содержащей
пресную и соленую воду. Идея не отличалась абсолютной новизной. Ее пытались
использовать, о ней писали, но в результате предали забвению уже в 50-х
годах. Вайн-штейн и Лейтц внимательно изучили все имеющиеся дан-ные, чтобы
попытаться сконструировать устройство для извлечения соляной энергии в коммерческих
целях.
В электробатарее, созданной ими в конце 70-х годов, ионы
натрия и хлора движутся через несколько чередую-щихся секций с пресной и
соленой водой, которые окан-чиваются электродами (клеммами). Каждая секция
отде-лена от двух соседних мембраной одного из двух типов: первый допускает
прохождение лишь положительных ионов натрия (изображенных символом Na+);
второй –лишь отрицательных ионов хлора (С1–). Положительные ионы двигаются в
одну сторону, отрицательные – в дру-гую, и это направленное движение и
создает электриче-ский ток, получающийся от использования только двух типов
воды – пресной и соленой.
Вернемся к рассмотрению солености как средству
производства электроэнергии и некоторых других пред-ложений изобретателей по
этому поводу. Октав Ле-веншпиль – профессор химико-технологических наук
Орегонского государственного университета в Корвалисе – автор четырех из них.
В личных беседах и на страницах специальных изданий он описал и
проиллюстрировал свои идеи. В их основе лежит использование процесса осмоса.
Левеншпиль считает, что осуществление всех его предложений принципиально
возможно.
Одна из схем предполагает создание двух плотин в устье
реки, другая – лишь одной, третья – замену плотин большим пластиковым листом.
«Однако лучшей является моя последняя схема,– утверждает Левеншпиль.– Для ее
реализации не нужны ни плотины, ни листы, только длинная труба,
полупроницаемая мембрана на ее конце и турбогенератор».
Электробатарея, содержащая пресную и соленую воду, может
быть изготовлена из чередующихся секций с морской и пресной водой,
разделенных полупроницаемыми мембранами. «А» – мембрана, пропускающая анионы,
«С» – пропускающая кати-оны. Анион – это отрицательно заряженный, а ка-тион –
положительно заряженный ион, «катод» – отрицательный полюс электрода
электролитиче-ской секции; «анод» – положительный полюс
Первая схема Левеншпиля напоминает проект Исаак-са и Уика
и позволяет производить электроэнергию прак-тически без эксплуатационных
затрат.
Вторая схема (с одной плотиной) состоит в следую-щем.
Громадная плотина (сравнимая по высоте с плоти-ной Гувера) отделяет океан от
реки и суши. Электростан-ция, расположенная на глубине 700 футов (210 м) ниже уровня моря, снабжается речной водой по трубе. «Мы от-казались от
искусственного озера,– говорит Левеншпиль.– Но система будет работать, так
как пресная вода по-прежнему будет вытекать в океан в результате осмотиче-ского
процесса. Посмотрим же, насколько дешевле и лучше будет такая система. В нее
входит только одна тонкая плотина, тонкой она является потому, что нам не
нужно сдерживать два мощных водных потока».
В третьей схеме плотины вообще не предполагаются. «Мы
перегородим реку большим пластиковым листом до глубины 700 футов (210 м),– говорит Левеншпиль.– Он отделит пресную воду от соленой». (Конечно, необходи-мо
решить некоторые технические проблемы, вероятно, вы уже подумали о некоторых
из них.) Тем не менее про-ект, в основе которого – единственный пластиковый
лист, возможно осуществить в принципе. По трубе длиной 700 футов речная вода попадет к подводной электростанции, а затем – в сравнительно короткую выходную
трубу. Из нее пресная вода в результате осмоса вытекает в соленое море через
полупроницаемую мембрану.
Левеншпиль считает лучшим свой четвертый проект. «В нем не
нужно строить плотины, не требуется и пла-стиковый лист, не возникает
препятствий для судоход-ства. Необходима только труба, верхний конец которой
находится выше приливного уровня. Обратите внимание, что каждая капелька
пресной воды, попадающей через длинную трубу в электростанцию, энергетически
эквива-лентна капельке, падающей с плотины высотой 760 фу-тов».
Еще более простое устройство, предложенное Ле-веншпилем,–
осмотический насос. Об этом насосе (кон-струкция которого была описана в
журналах «Сайнтифик Америкен», «Сайенс», «Кемикл Инжиниринг» и в ряде
учебников) он писал: «Осмотический насос – не что иное, как полупроницаемая
мембрана, натянутая на отверстие большой трубы. Мембрана пропускает пресную
воду, но не воду с растворенными в ней солями. Это и есть насос. Причем его
идея полностью обоснована с научной точки зрения».
На практике этот удивительный насос – длинная тру-ба,
закрытая полупроницаемой мембраной, опущенная глубоко в океан и надежно
закрепленная. Так как работа устройства основана на том, что поток пресной
воды че-рез мембрану вызывается разностью давлений по обе ее стороны, при
глубине опускания, меньшей, чем 760 фу-тов, в трубе вообще не будет воды.
Если же трубу опус-кать ниже, так, чтобы ее нижний конец достиг глубины
большей, чем 760 футов, то давление морской воды пре-высит осмотическое
давление. На такой глубине процесс осмоса будет протекать в обратную сторону.
Пресная во-да просочится через полупроницаемую мембрану в направлении,
противоположном обычному. Как след-ствие, уровень пресной воды, получаемой из
соленой морской, в трубе будет подниматься.
Если осмотический насос работает таким образом, т. е. если
осмотический процесс действительно возможно повернуть вспять на глубине
океана, то на поверхности моря возможно будет получать большое количество
прес-ной воды, которую можно пить, использовать для мытья, орошения и
превращения пустынь в плодородные земли.
«Чтобы получить свежую воду из глубин океана, до-статочно
взять длинную трубу и опустить ее на глубину в 5 миль (8 км),– говорит Левеншпиль.– Вы не только по-лучите пресную воду, она сама будет
выплескиваться из трубы наружу, наподобие фонтана. Хорошо известно, что
морская вода на 3% плотнее, чем пресная. Поэтому после того как уровень
пресной воды в трубе достигнет уровня осмотического давления (760 футов), она будет выталки-ваться наверх и фонтанировать над поверхностью моря».
Для того чтобы использовать осмотические насосы для
выработки электроэнергии (теоретически это тоже возможно), необходимо
опустить на разную глубину уже две трубы. Пресная вода в этом случае
поднимется в них на разные уровни. Дав возможность воде стекать из более
длинной трубы через турбогенератор в более короткую, мы получим возможность
вырабатывать электрический ток.
Реализация всех этих абстрактных схем преобразова-ния
химической энергии в электроэнергию – дело два-дцать первого века, имеющее
большие перспективы. Для того чтобы претворить их в жизнь, требуется
выполнение основного необходимого условия: создания полупроница-емой
мембраны, которая была бы прочной, долговечной, экономичной, не нуждалась в
уходе и не засорялась бы солью и морскими микроорганизмами. Пока что
наибольшее достижение в этой области – мембраны из полых волокон толщиной в
человеческий волос. Эти во-локна выдерживают значительное давление и имеют
большую площадь поверхности. Они уже используются при создании искусственных
почек. Пучок из 13 000 та-ких волокон имеет в диаметре лишь 2 дюйма (5 см). Для этих волокон биофулинг не превратится в проблему, по-тому что, как считают многие
ученые, концы трубок мо-гут быть сделаны мягкими и гладкими, к тому же их
мож-но будет периодически промывать.
Разумеется, ученым понадобятся годы исследований и
экспериментирования (по меньшей мере 10-15 лет), чтобы создать идеальные
дешевые полупроницаемые мембраны для полного решения биофулинга, для
разработки соот-ветствующих технологий.
Не будем забывать и об окружающей среде. Никто пока не
может предвидеть последствий воздействия на окружающую среду в результате
создания преобразовате-лей, помещаемых в устья рек, где смешиваются пресные и
соленые воды.
В настоящее время, а именно в последние десятиле-тия, уже
не предлагается перейти к использованию иско-паемых видов топлива, а,
наоборот, предлагается рас-смотреть возможность перехода к альтернативным,
без-опасным и незагрязняющим окружающую среду формам энергии, первое место
среди которых занимают солнечная и океанская.
Накануне вступления в девятое десятилетие нашего века
ученые-океанологи призывают прекратить пустые дискуссии и отказаться от
надежды на то, что «техноло-гическое развитие разрешит все проблемы на суше».
Они хотят обратить внимание общества на океан, который за-ряжается энергией
внеземного происхождения, энергией доступной, не загрязняющей окружающую
среду и возоб-новляемой.
Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчис-лимы
альтернативные формы ее использования при усло-вии, что мы должны разработать
для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково наше мнение
о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве и себестоимости. Нам,
по-видимому, следует лишь согла-ситься с тем, что сказал ученый мудрец, имя
которого осталось неизвестным: «Нет простых решений, есть толь-ко разумный
выбор».
|