Енергетика Сонця. Космічні сонячні електростанції

     У наш час в атмосферу щорічно  викидається 20—30 млрд. тонн оксиду вуглецю. Прогнози свідчать, що при збереженні таких темпів у майбутньому до середини століття середня температура на Землі може підвищитися на декілька градусів, що призведе до непередбачених глобальних кліматичних змін. Порівнюючи екологічну дію різних енергоджерел, необхідно врахувати їх вплив на здоров'я людини. Високий ризик для працівників у випадку використання вугілля пов'язаний із його видобутком у шахтах і транспортуванням і з екологічним впливом продуктів його спалювання. Останні дві причини стосуються нафти й газу та впливають на все населення. Встановлено, що глобальний вплив викидів від спалювання вугілля й нафти на здоров'я людей діє приблизно так само, як аварія типу Чорнобильської, що повторюється раз на рік. Це - «тихий Чорнобиль», наслідки якого безпосередньо невидимі, але постійно впливають на екологію. Концентрація токсичних домішок у хімічних відходах стабільна, і врешті-решт усі вони перейдуть у екосферу, на відміну від радіоактивних відходів АЕС, що розпадаються.

     У цілому реальний радіаційний вплив АЕС на природне середовище є набагато (у 10 і більше разів) меншим припустимого. Якщо врахувати екологічну дію різноманітних енергоджерел на здоров'я людей, то серед не відновлюваних джерел енергії ризик від нормально працюючих АЕС мінімальний як для працівників, діяльність яких пов'язана з різними етапами ядерного паливного циклу, так і для населення. Глобальний радіаційний внесок атомної енергетики на всіх етапах ядерного паливного циклу нині становить близько 0,1 % природного фону і не перевищить 1 % навіть при найінтенсивнішому її розвитку в майбутньому.

     Видобуток і переробка уранових руд також  пов'язані з несприятливою екологічною  дією. Колективна доза, отримана персоналом установки і населенням на всіх етапах видобутку урану й виготовлення палива для реакторів, становить 14 % повної дози ядерного паливного циклу. Але головною проблемою залишається поховання високоактивних відходів. Обсяг особливо небезпечних радіоактивних відходів становить приблизно одну стотисячну частину загальної кількості відходів, серед яких є високотоксичні хімічні елементи та їх стійкі сполуки. Розробляються методи їх концентрації, надійного зв'язування й розміщення у тривких геологічних формаціях, де за розрахунками фахівців, вони можуть утримуватися протягом тисячоліть Серйозним недоліком атомної енергетики є радіоактивність використовуваного палива і продуктів його поділу. Це вимагає створення захисту від різного типу радіоактивного випромінювання, що значно підвищує вартість енергії, яку виробляють АЕС. Крім цього, ще одним недоліком АЕС є теплове забруднення води, тобто її нагрівання.

     Цікаво  відзначити, що за даними групи англійських медиків, особи, що працювали протягом 1946— 1988 рр. на підприємствах британської ядерної промисловості, живуть у середньому довше, а рівень смертності серед них від усіх причин, включаючи рак, значно нижчий. Якщо враховувати реальні рівні радіації та концентрації хімічних речовин в атмосфері, то можна сказати, що вплив останніх на флору в цілому досить значний порівняно із впливом радіації.

     Наведені  дані свідчать, що за нормальної роботи енергетичних установок екологічний  вплив атомної енергетики у десятки  разів нижчий, ніж теплової.

     Невиправним лихом для України залишається  Чорнобильська трагедія. Але вона більше стосується того соціального строю, що її породив, ніж атомної енергетики. Адже ні на одній АЕС у світі, крім Чорнобильської, не було аварій, що безпосередньо призвели до загибелі людей.

     Імовірнісний  метод розрахунку безпеки АЕС  у цілому свідчить, що при виробленні однієї й тієї самої одиниці електроенергії, імовірність великої аварії на АЕС у 100 разів нижча, ніж у випадку вугільної енергетики. Висновки з такого порівняння очевидні. 
 

Сонячна енергетика — як альтернатива колективному самознищенню

     Сьогодні  всі ми з сумного емпіричного  досвіду зрозуміли: звичний клімат змінився безповоротно. Стали системою небувалої сили смерчі далеко поза зоною тропіків, незвичайної сили повені, небувалі засухи та пожежі, які  нищать цілі регіони (згадаймо бодай цьогорічну долю півострова Пелопонес). Ці явища вочевидь виходять за межі середньостатистичних природних коливань. Уже і ЮНЕСКО, і ООН вустами своїх керівників визнали: відбулося незворотне порушення екологічної рівноваги, спричинене безвідповідальною діяльністю людини, яка далі нарощує обсяги виробництва та споживання, не дбаючи про наслідки.

     Зачепили  ці зміни й Україну, — уже призвівши  до необхідності перегляду десятиліттями  усталених сільськогосподарських  циклів. Адже за умов посухи чималі території робляться придатними лише для зрошувального землеробства — а ресурси цієї самої води у нас, як відомо, украй обмежені. Не кажучи вже про те, що теплолюбні шкідники й паразити рослин, характерні раніше тільки для причорноморських степів, сьогодні добре почуваються на київському й чернігівському Поліссі...

     Перспективи — більш невтішні. Експерти одностайні: середня температура й літа, й  зими далі підвищуватиметься. Адже, попри  всі розмови, лишень починаючи з 2000 року обсяг викиду парникових газів  в атмосферу збільшився на третину (окрема «подяка» — США й комуністичному Китаю, які з егоїстичних міркувань зробили все, аби торпедувати Кіотський протокол, що передбачав узгоджені дії світової спільноти задля скорочення викидів). Причому, схоже, вже запущено надзвичайно небезпечний механізм ланцюгової реакції: подальше підвищення температури призводить до зменшення розчинності вуглекислого газу у воді океанів (а тут його суттєво більше, ніж в атмосфері) і викидання його надлишку в повітря. А збільшення концентрації СО 2 в атмосфері призводить у свою чергу до підвищення температури і дальшого зменшення його розчинності у воді...

     Ця  тенденція у негативному варіанті призведе до глобальних змін в усьому світі. Затопленими виявляться цілі країни. Придатні для землеробства зони перетворяться в пустелі й напівпустелі. Клімат зробиться непрогнозованим, а стару затишну Європу періодично спустошуватимуть урагани й смерчі. В розрізі «окремо взятої України» — теж нічого втішного. Підняття рівня Чорного моря затопить значні території навколо лиманів і років через 100 перетворить Крим на вкритий джунглями острів. На півдні ростимуть вологі тропічні ліси, а Правобережжя перетвориться на посушливу савану. З півночі на Україну наступатимуть болота, що вкриють майже всю сьогоднішню Білорусь, а з північного сходу — безмежні посушливі простори Великої Російської савани...

     Вже очевидно: причиною майбутньої катастрофи є енергетичні «перевитрати»  людства. В першу чергу, негативний вплив має розвиток теплової енергетики — спалювання людством тих запасів органічних речовин, які природа накопичила протягом сотень мільйонів років існування на земній кулі життя. Невеликою надією, що найкатастрофічніший сценарій не реалізується (а натомість реалізується просто дуже поганий) є хіба те, що розвіданих запасів нафти людству вистачить менш як на 40 років. Щоправда, екологічні наслідки від спалювання більшої кількості вугілля (а його вистачить ще років на 400) можуть виявитися гіршими...

     Але очевидним є й інше — досягнутий рівень виробництва й споживання потребує величезної кількості енергії. Звичайно, енергозатратність одиниці українського ВВП в кілька разів перевищує європейську — і тут у нашої держави є чималі резерви. (Хоч, очевидно, тільки зростання ціни газу до світової і загибель цілих галузей підштовхне нашу хімію — чи те, що від неї лишиться — до серйозної технологічної модернізації). Але в світовому масштабі енергії потрібно буде дедалі більше (за оцінками, її виробництво й споживання зросте в 2050 році порівняно з 2000-м у п’ять разів).

     За  таких умов багато хто говорить про безальтернативність ядерної енергетики — справді відносно екологічно чистої (коли не брати до уваги не лише можливих масштабних катастроф, але й невирішеної в глобальному масштабі проблеми захоронення відпрацьованого ядерного палива). Але оцінка запасів урану з вигідною для видобування концентрацією дає цифру, не набагато більшу від запасів нафти. Отже, в традиційних реакторах весь наявний уран буде спалений за кілька найближчих десятиліть, а реактори на швидких нейтронах (здатні, крім енергії, виробляти додаткове паливо) несуть ряд додаткових проблем і небезпек.

     Розвиток  української атомної енергетики стримуватиметься, очевидно, не лише національною травмою Чорнобиля, не лише браком палива (сьогодні Україна видобуває трохи  більше 500 тон урану на рік, закуповуючи решту потрібних для її енергоблоків 2000 тон у Росії), не лише відсутністю необхідних сховищ відпрацьованого палива (його ми так само надсилаємо в Росію, сплачуючи великі гроші), але й елементарною нестачею водних ресурсів для спорудження великої кількості нових ставів — охолоджувачів... Давно зарегульовані великі й малі річки України й так служать людині на межі своїх можливостей, і домогтися в цьому плані чогось суттєво більшого ледве чи вдасться (згадаймо бодай епопею навколо Ташлицької ГАЕС, заповнення якої неминуче знищить один з останніх куточків нашої степової природи).

     Звичайно, виходом було б використання енергії  термоядерного синтезу. Самі термоядерні  реакції екологічно чисті, а запасів  палива для них вистачить на багато тисячоліть. Проте, швидко створивши водневу бомбу, людство так і не вирішило досі (попри чимало оптимістичних прогнозів) проблему «керованого термояду»...

Звичайно, існують  і так звані «відновлювані  джерела». Не створені природою мільйони років тому в ході еволюції, а даровані нам щороку, щодня, щохвилини. Скажімо, модне в останні роки біопаливо. Навіть навколо Києва видимо побільшало полів ріпаку. Але експерти з продовольства вже б’ють на сполох: збільшення площ під олійні культури, які можуть бути використані для синтезу дизельного палива, призводить до автоматичного скорочення площ під зернові й овочі, посилюючи продовольчу проблему, особливо в країнах «третього світу».

     Є, нарешті, енергія гідроресурсів, вітру, морських хвиль, припливів і відпливів, геотермальних вод тощо. В ряді місцевостей використання її може виявитися вельми перспективним. Згадаймо бодай маленький затишний Рейк’явік, опалюваний теплом підземних вод — проте не всім пощастило народитися в Ісландії з її діючими вулканами! А в глобальних масштабах, як показують оцінки, ця енергія, придатна для промислового використання, становить хіба відсоток від сьогоднішніх енергетичних потреб планети. 

Отже, лишається  тільки одне воістину невичерпне джерело  енергії — це пряме теплове  й світлове випромінювання Сонця. 

ЕНЕРГІЯ З ПРИМХАМИ

     Якщо  бути цілком коректними, то енергія  нафти чи вугілля, вітру чи гідроресурсів  — це так само «запасена» колись енергія Сонця. А наше світило по суті являє собою гігантський термоядерний реактор, завбачливо віднесений за 150 мільйонів кілометрів від Землі. Причому, за оцінками астрофізиків, цей реактор безперебійно працюватиме ще багато мільйонів років!

     Масштаби  цієї енергії корисно уявити, запам’ятавши таку цифру: протягом години її на земну поверхню падає 51020 Дж — таку кількість енергії людство виробляє й споживає зараз упродовж року. Причому на квадратний метр земної поверхні припадає упродовж року в середньому випромінювання потужністю у 2300 кВт на екваторі, 1900 кВт на широті Києва й 1400 кВт — на Полярному колі. Зрозуміло, що ці цифри різняться через різну висоту Сонця над горизонтом, різну тривалість дня і стан атмосфери. Але для нас важливо інше: на українських широтах ми отримуємо не так уже й мало — 83% від того, що припадає екваторіальним країнам. Проте для промислового використання цю енергію ще треба перетворити на зручний електричний струм!

     Звичайно, для цього можна просто сконцентрувати сонячне світло дзеркалами в одній точці, розмістити там паровий котел, а до нього приладнати звичайні турбіни. Ще у 70- ті почалося будівництво експериментальної станції такого типу в Криму з планованою потужністю 1200 кВт. З використанням більшої кількості дзеркал-геліостатів та розмістивши парогенератор на висоті 200—300 метрів, можна отримати значно більшу потужність — понад 10 МВт. І все ж з ряду причин технічного й економічного характеру цей тип електростанцій не отримав широкого розповсюдження (хоч і відкидати його перспективність було б теж зарано).

     Тому  найчастіше ідеться про використання квантової природи світла, яка  дозволяє працювати напівпровідниковим перетворювачам. Принцип їхньої дії (читачі, не обізнані з основами квантової  механіки, можуть наступні речення  пропустити, а висновки — взяти на віру) такий: кванти сонячного світла з енергією, більшою від ширини так званої забороненої зони напівпровідника, народжують пару носіїв струму: електрон і так звану дірку (дуже спрощено — умовне місце, де існує нескомпенсований позитивний заряд). Якщо в напівпровіднику існує внутрішнє електричне поле (наприклад, завдяки наявності p-n-переходу, контакту метал-напівпровідник, чи межі поділу двох напівпровідників), то електрон і дірка зміщуються цим полем у протилежних напрямках. А відтак у зовнішньому колі може виникнути електричний струм.

     Саме  на основі p-n-переходу в найпоширенішому  напівпровіднику — кремнії —  й було понад півстоліття тому створено перший у світі фотоперетворювач. Пріоритет належить американським  ученим та інженерам з «Белл Лабораторіз». А трохи згодом аналогічні перетворювачі були встановлені на третьому радянському супутникові, запущеному на орбіту 15 травня 1958 року. Відтоді панелі сонячних батарей стали необхідним атрибутом усіх космічних апаратів.