Инженеры соревнуются в изобретательности, фирмы конкурируют на рынке и в итоге промышленность непрерывно предлагает электрические новинки и новшества. Появление новой машины — процесс небыстрый, её надо придумать и продумать, сконструировать, выпустив альбомы чертежей, испытать опытные образцы и утвердить их в многочисленных контрольных комиссиях. А некоторые будущие новинки пока ещё находятся на стадии научных поисков и разработок, они, видимо, придут в жизнь (если придут) не очень скоро, так сказать, послезавтра. Но при этом принесут в электротехнику и энергетику принципиально новые подходы к жизненно важным задачам, которые непременно придётся решать человечеству, может быть, уже в ближайшие десятилетия.

Т-232. Стратегия стрекозы: не нужно особо задумываться о будущем, когда появятся проблемы — что-нибудь придумаем. Жить, всякий знает, можно по-разному. Можно проводить время весело и беспечно, не думая о завтрашнем дне, эта стратегия не раз была представлена в художественной литературе, вспомните, например, басню «Стрекоза и муравей». Можно жить по-другому, полностью пожертвовать сегодняшним днём, все мысли, все силы отдать подготовке к неизвестностям будущего. В малых масштабах, в жизни отдельного человека, семьи подобные крайности встретишь редко, разве что вспомнится Плюшкин с его припрятанными на чёрный день сухарями. А вот всё человечество в целом, поглощённое суматохой текущих дел, о будущем нередко старается просто не думать. Посмотрите, с какой лёгкостью мы тратим уголь, нефть и газ, подбадривая себя порциями оптимизма: «Учёные уверены, что в недрах ещё очень много нефти, вполне хватит на 30 лет… А может быть, и на 40… Или даже на 50. Ура!».

Нельзя сказать, что в части энергетики человечество ведёт себя совсем уж беспечно. Кое-что делается, хотя многие специалисты считают, что этого недостаточно, что автомобиль мировой цивилизации может остановиться, не доехав до следующей бензоколонки. А многие профессионалы, наоборот, настроены оптимистично, они отмечают, что поиск новых крупномасштабных источников энергии ведётся на нескольких перспективных направлениях, почти на всех есть обнадёживающие результаты, а кое-где и реальные практические достижения.

Рядовому потребителю энергии наверняка хочется быть оптимистом, и поэтому ему интересно, видимо, хотя бы мельком взглянуть на эти новые перспективные направления и на то, как далеко они уже продвинуты вперед.

Т-233. Бесплатное электричество из бесплатного света. Возможности солнечной энергетики определяются одной цифрой, она имеет собственное имя солнечная постоянная и равна примерно 1,3 кВт/м². Это означает, что 1,3 киловатта солнечного тепла приходится на каждый квадратный метр вблизи Земли, например, на квадратный метр солнечной батареи космического корабля. На Землю через атмосферу приходит поменьше, в жарких странах, наверное, около киловатта, то есть со сравнительно небольшой площади, с квадратного километра, можно в полдень снять неплохой урожай энергии.

Нельзя не сделать и несколько охлаждающих дополнений. Солнце утром и к концу дня светит намного слабее, а ночью его свет на выбранную территорию вообще не попадает. Вместе с тем в малых масштабах солнечное электричество уже используется, не говоря уже о том, что оно кормит микрокалькуляторы и небольшие радиоприёмники, ретрансляторы радиорелейных станций, небольшие водокачки на отдалённых пастбищах и космические аппараты на орбите. Есть также экспериментальные солнечные электростанции без фотоэлементов — несколько десятков зеркал направляют солнечные лучи на небольшой паровой котёл, пар, как обычно, вращает турбину, а она — электрогенератор.

ВК-268. Огромные человеческие силы, внимание и время сберегают миллионы сложных и очень простых (пять-десять деталей) электронных схем, управляющих различными процессами, как, например, движением щёток стеклоочистителя. В последнее время для этого широко используют МПУ — микропроцессорное управление. Его основа — выполненный в виде интегральной схемы сильно упрощённый компьютерный блок микропроцессор, управляющий разными устройствами — от турбины до куклы.

Большая энергетика тоже не отказывается от бесплатного солнечного тепла, в литературе появляются довольно смелые проекты, вот один из них. На стационарную околоземную орбиту выводятся огромные солнечные батареи, и собранную ими электроэнергию мощные передатчики с помощью остронаправленных антенн посылают на Землю в виде луча СВЧ-радиоволн. А вот другой проект. Часть электростанции размещают на аэростате, он поднят выше облаков, а собранную энергию превращают в перегретый пар и по трубопроводу направляют его в паровую турбину, которая стоит на земле и вращает ротор электрогенератора. У подобных фантастических проектов, конечно, сразу же появляются серьёзные критики, но опыт учит, что с отрицательными прогнозами торопиться не нужно.

Т-234. Атомная энергия — из претендентов в конкуренты. В любом источнике энергии, если разобраться, на нас работают одни и те же машины — атомы и молекулы. Многие из них очень давно получили свои энергетические запасы и теперь в разных физических процессах передают их друг другу и отдают нам. При этом работают атомы и молекулы в двух разных режимах — отдают энергию, запасённую либо в своих электронных оболочках, либо в своих атомных ядрах. В первом случае — это химия, в частности, реакции окисления, то есть горение, которым сегодня в основном и питается энергетика. Атомное ядро значительно более мощный источник, чем электронные оболочки, — ядерные реакции позволяют получить от атома в тысячи раз больше энергии, чем при его традиционном сжигании.

Существует два вида ядерных процессов, которые сопровождаются выделением энергии. Первый — это реакции деления, когда крупное ядро разваливается на более мелкие. Второй вид реакций, выделяющих энергию, — это синтез, когда два ядра сливаются в более крупное ядро. Уже много лет работает в энергетике цепная реакция деления ядер урана или плутония, распадаясь в атомных реакторах, они выделяют тепло, а дальше всё идёт по обычной цепочке: пар, паровая турбина, электрогенератор. При распаде уранового ядра из него вылетают нейтроны, некоторые попадают в другие ядра, разваливают их, из тех опять вылетают нейтроны, и процесс сам себя поддерживает — идёт цепная реакция. В атомной бомбе она развивается очень быстро, лавинообразно. В энергетическом реакторе, воздействуя на поведение нейтронов (например, перемещая графитовые стержни-замедлители), автоматика с многочисленными защитными системами управляет ходом цепной реакции, поддерживает медленное, спокойное «горение» урана.

Ещё лет 70–80 назад было понятно, что в принципе можно добывать энергию из атомного ядра, но даже ведущим профессионалам это казалось безнадёжным для практики делом. Вместе с тем через два-три десятилетия появились первые атомные электростанции, а сегодня в мире их уже больше сотни — атомная энергетика стала работающей реальностью. Но оказывается, что урана, который нужен для атомных реакторов электростанций, тоже не так уж много в земных недрах, кто-то подсчитал, что его, как и нефти, хватит на 30, максимум на 50 лет. Так что ядерная энергетика, основанная на реакциях деления, уже тоже должна думать об ограниченности запасов своего топлива. Этой проблемы практически не будет, если энергетика сумеет приручить известную ядерную реакцию синтеза — слияние ядер водорода в ядро гелия. Водород можно брать из воды, а её у нас достаточно — океаны. Для водородного синтеза нужен, правда, не только обычный, а ещё и тяжёлый водород дейтерий (изотоп, у которого в ядре кроме протона есть ещё и нейтрон), но его в Мировом океане тоже немало, хватит на миллионы лет.

Т-235. Термоядерный синтез — сквозь тернии к звезде. При слиянии ядер водорода (на самом деле водорода и дейтерия) выделяется во много раз больше энергии, чем при распаде атома урана, но воспользоваться этим не так-то просто. Электричество — вот главное препятствие на пути получения электроэнергии из реакций водородного синтеза. Ядро водорода — это протон, частица с положительным электрическим зарядом. Чтобы объединить два ядра протона, их надо сблизить, а при сближении этих двух «плюсов» они, естественно, взаимно отталкиваются. В какой-то момент ядерные силы преодолеют электрическое расталкивание, соединят два протона в одно ядро гелия, но могучие ядерные силы начинают действовать на очень малом расстоянии, чтобы прийти к нему, нужны огромные усилия, которые помогли бы преодолеть электрическое расталкивание протонов.

Водородный синтез — источник энергии звёзд, в том числе нашего Солнца, там протоны сближаются в основном благодаря огромному давлению в недрах звезды. В водородной бомбе этот процесс сверхсильного сжатия воспроизводится урановым взрывателем. Чтобы создать земной термоядерный реактор, создать спокойно работающую небольшую звезду, можно нагреть газообразный водород до нескольких десятков миллионов градусов. При такой температуре газ превратится в плазму, покинутые электронами ядра водорода (протоны) будут метаться с огромными скоростями (Т-8), набирая очень большую энергию, которая и преодолеет их электрическое расталкивание. Так что ключ к добыванию энергии из реакций водородного синтеза — это сверхвысокие температуры. Отсюда и название управляемый термоядерный синтез, сокращённо УТС, или, как уже давно принято называть его, термояд.

ВК-269. Несколько японских и американских фирм сообщили, что приступают к созданию орбитальных солнечных электростанций. Огромные солнечные панели каждой станции (их объявленная площадь — несколько квадратных километров) специальными преобразователями будут круглосуточно превращать солнечное излучение в сантиметровые радиоволны, которые острым лучом перенесут электрическую энергию на Землю в антенну приёмного центра, выдающего в итоге стандартный переменный ток.

Ещё полвека назад московские физики для термоядерных экспериментов придумали установку с загадочным названием ТОКАМАК, от слов ТОроидальная КАмера, МАгнитная Катушка. В установке водородная плазма находится в большой, напоминающей бублик, камере, на неё надета катушка, выполняющая роль первичной обмотки трансформатора, и с её помощью по плазменному кольцу внутри камеры, как по вторичной обмотке трансформатора, идёт очень сильный ток. Он и нагревает плазму до необходимых термоядерных температур. А чтобы огненное кольцо плазмы не касалось стенок, его удерживают в центре камеры сильным магнитным полем, которое создаётся катушкой, навитой на «бублик». К сожалению, к этой красивой идее природа сделала своё дополнение: из-за каких-то поначалу непонятных хаотических процессов плазменное кольцо почти сразу же разрушается, и плазма падает на стенки, теряя температуру.

За 50 лет в разных странах было построено много токамаков, с поразительным упорством изучались неустойчивости плазмы, из понимания физических процессов появлялись практические выводы и технические решения, шаг за шагом исследователи продвигались к термоядерному реактору. Один из выводов: реактор должен был большим. Для постройки огромного, а значит, дорогого токамака собралась международная команда в рамках проекта ИТЕР, что после расшифровки и перевода означает: Международный экспериментальный термоядерный реактор. Десять лет шло проектирование реактора, оно стоило 4 миллиарда долларов, поскольку включало много исследовательских работ и изготовление опытных образцов важнейших элементов всей системы — от стенок камеры до сверхпроводящих магнитов. Сейчас проект ИТЕР готов, реактор уже начали строить на юге Франции, недалеко от Марселя. И хотя установка экспериментальная, на ней есть надежда получить «зажигание» — устойчивую термоядерную реакцию, которая сама себя поддерживает, а не потребляет энергию, как было до этого. Так что, возможно, вскоре будет сделан решающий шаг к тому, чтобы стала реальностью пока ещё вполне фантастическая картина: на берету океана (моря, озера, реки) стоит мощная электростанция, основным топливом для которой служит вода.

Т-236. И снова водород, на этот раз как выгодный посредник. Часто встречаемое словосочетание «водородная энергетика» никак не связано с термоядерным синтезом, имеется в виду водород как своего рода посредник, как хранитель больших запасов энергии — нечто вроде нефти. Водород, так же как нефть и нефтепродукты, соединяется с кислородом, то есть горит, выделяя тепло. Но только тонна водорода выделяет в 5 раз больше тепловой энергии, чем тонна нефти. К тому же, в отличие от нефти, водород в принципе можно будет сравнительно недорого производить, например, на орбитальных химических комбинатах с помощью бесплатной солнечной энергии.

Есть уже немало примеров успешного применения водорода в энергетических машинах. Например, летавшие на Луну американские космические корабли «Аполлон» получали электропитание от топливных элементов, где исходную энергию давало медленное окисление водорода. В своё время был построен автомобиль «Москвич» с водородным двигателем вместо бензинового. Крупные авиастроительные фирмы разработали проект большого пассажирского самолёта с водородными двигателями, такой машине на длительный полёт хватит всего 5–6 тонн водорода вместо 20–30 тонн обычного нынешнего топлива. Намного проще, чище и компактнее должны стать тепловые электростанции, если с мазута или угля они перейдут на водород.

Одно только плохо: водород — опасный хранитель энергии. Смешиваясь с воздухом, он образует так называемый гремучий газ, который от какой-нибудь случайной искры мгновенно взорвётся со страшной разрушительной силой. Энтузиасты, конечно, предлагают разные варианты абсолютной защиты от утечки водорода, но пока его всё же не выпускают за пределы экспериментальных машин. Хотя крупномасштабная водородная энергетика неизменно считается весьма перспективным направлением.

ВК-270. Получить большую энергию от водорода (точнее, его изотопов) можно, превратив 2 водородных ядра и 2 нейтрона в ядро гелия. Так создаётся излучение звёзд. В реакторе плазму (смесь атомных ядер) нагревают до 200 миллионов градусов, и частицы, преодолев электрическое расталкивание, входят в зону действия ядерных сил. Чтобы на стенки камеры не упала плазма, её подвешивают в магнитных полях. Группа стран строит мощный термоядерный реактор ИТЭР, и он может стать началом новой энергетики.

Т-237. Солнечную энергию можно, оказывается, использовать и старым способом. Прекрасно приспособились к добыванию солнечной энергии растения. С её помощью они в процессе фотосинтеза строят много разных сложных органических соединений, из некоторых, как из топлива, человек много тысячелетий добывает и использует накопленную в них солнечную энергию. На разговорном языке это, конечно, называется проще: получение тепла путём сжигания древесины, что когда-то было главной энергодобывающей технологией. Сегодня её используют лишь сельские жители и любители поджарить шашлык на природе, но, как ни странно, в век атомных реакторов и космических проектов к этому старому способу обращено внимание серьёзных специалистов, думающих о перспективах большой энергетики. Только они имеют в виду не привычное сжигание дров, а известный процесс получения топливного масла либо горючего газа из, так сказать, тлеющей древесины. Это крупномасштабное производство может быть развёрнуто в больших таёжных массивах, откуда газ по трубопроводам или в сжиженном виде в баллонах будет поступать в районы с большим потреблением энергии. Есть и другие варианты использования энергии, добытой растениями с помощью фотосинтеза, в качестве примера можно назвать получение спирта из сои.

Можно восторженно поддерживать проекты новой растительной энергетики, можно строго их критиковать и даже посмеиваться над ними, но нельзя пренебрегать данными, полученными из учебников биологии. Растительный мир планеты, используя солнечную энергию, ежегодно создаёт 100 миллиардов тонн органических веществ, в них содержится количество энергии, эквивалентное 5 триллионам тонн нефти, в 200 раз больше нынешней мировой добычи за год. Достаточно 0,1 % этого количества, чтобы обеспечить топливом все электростанции мира.

ВК-271. Ну вот и подошли мы к концу большого пути, который прошли вместе с двумя нашими помощниками — главными героями «Весёлого конспекта». Многое из того, что встретилось на этом пути, осталось в памяти и теперь будет помогать нам двигаться дальше. При этом понимание чисто технических, казалось бы, процессов поможет участвовать в благородном деле распределения и использования электрических сил и возможностей с максимальной пользой для общества, для людей, работающих рядом с нами.

Т-238. Во всех случаях нужно помнить о главном. Рассказывают, что Наполеон приехал как-то к своим артиллеристам и стал их строго отчитывать: «Вы почему такие-сякие вчера не стреляли? Из-за вас чуть всё сражение не проиграл…». «У нас, — ответили артиллеристы, — было на то 18 причин. Во-первых, у нас не было снарядов, во-вторых…». «Стоп, дальше не надо», — прервал Наполеон. И действительно, о чём ещё говорить, если не было снарядов, без них пушки не стреляют.

Эта история напоминает, что во всяком деле есть стороны важные, очень важные и не очень важные. И есть нечто, самое важное, самое главное, именно его нужно как-то выделить и сделать главным предметом внимания. Напоминание «Думай о главном!» наверняка поможет при решении самых разных производственных, деловых и личных задач. В том числе задач из таких областей, как электротехника и электроника, где всегда много взаимосвязанных событий, а поэтому легко запутаться и утонуть в подробностях, слабо влияющих на ход дела.

Каждому, даже самому что ни на есть рядовому человеку приходится соприкасаться с очень важными проблемами. Это проблемы общепоселковые и общегородские, общегосударственные или даже общечеловеческие — проблемы всей нашей цивилизации. Конечно, человеку со стороны, непрофессионалу, то есть не президенту, не премьер-министру и не королю, непросто разобраться в проблемах такого масштаба и тем более правильно выделить в них самое главное. Особенно при нынешних мощнейших потоках информации, разной как по форме, так и по содержанию, вплоть до откровенной дезинформации. Но вот неожиданно приходит помощь из далёкого прошлого. Один из древнегреческих философов напоминает нам безошибочную и на все случаи жизни формулу для определения и оценки самого главного: «Мера всего — человек». Это означает, что во всех делах, при решении любых проблем самое главное — человек. Его жизнь, здоровье, благополучие, безопасность, уверенность в завтрашнем дне, честность, будущее детей, коротко говоря, его счастье. Именно о человеке, о людях, о тех, с кем ты связан, и особенно о тех, кто как-то зависит от тебя и твоего дела, ты должен думать прежде всего. Потому что мера всего — человек.