Итак, хватит ли человечеству энергии

Мировой расход первичной энергии на 2050 г. мы приняли равным 5,12 * 1014 квт-ч. Если расход энергии начиная с 1952 г. (2,9 * 10 13 квт-ч) возрастет к 2050 г. до 5,12 * 10 14 квт-ч, то это значит, что потребление энергии каждые 23 года будет увеличиваться примерно в два раза, что соответствует среднему годовому повышению расхода на 3%.

Предположив, что население Земли будет непрерывно расти, пришлось бы согласиться с тем, что и потребление энергии (даже без увеличения расхода на одного человека) возросло бы неограниченно. Тот же результат, конечно, получится и при любом постоянном населении Земли, но при неограниченном росте потребления энергии на душу населения. Надо учесть и следующее. Потребление любой формы энергии (ядерной, химической, световой, электрической) в конце концов всегда завершается превращением исходной энергии в тепло низкого потенциала, которое уже не может быть использовано.

В отличие от элементов, которые входят в состав пищи, т. е. от тех, которые совершают естественный или искусственный круговорот, круговорота энергии нет. По крайней мере в природе такие процессы неизвестны (Автор, правда, придерживается той точки зрения, что в масштабе вселенной такие процессы существуют). Отсюда следует, что и при непрерывно растущем населении, и при постоянном населении, но увеличивающемся расходе энергии на каждого человека, через какое-то время все известные сейчас невозобновляемые источники энергии иссякнут, а всех возобновляемых источников станет недостаточно для обеспечения нужд человечества. Так, собственно, и получается по расчетам И. С. Шкловского (И С Шкловский. Вселенная, жизнь, разум. М., Изд-во АН СССР, 1962), который, исходя из предположения неограниченного роста потребления энергии, определяет сроки использования ядерной энергии всего водорода Земли и всего водорода планеты Юпитер и намечает «заимствование» водорода у солнца. Шкловский считает, что через 2500 лет человечество будет ежегодно производить не менее 2,58 1023, а еще через 50 лет более

8,55 * 10 30 квт-ч энергии. Первая из этих цифр означает годовое потребление энергии 5 * 10 14 (что равно годовой производительности 5 * 104 Волжских ГЭС), а вторая —1,67 *1023 квт-ч (годовая производительность 1,67 * 1013 электростанций) на 1 км2 поверхности земного шара. Нельзя, конечно, установить пределы научной фантазии, но вряд ли физически возможно, чтобы энергетическая насыщенность земной поверхности была столь высокой.

Свои расчеты Шкловский не связывает с перспективами роста населения, и нам кажется, что в этом его методологическая ошибка. Численность человечества не может бесконечно увеличиваться хотя бы по той простой причине, что и сама Земля конечна. Можно, разумеется, предполагать, что человечество выйдет за пределы Земли и освоит новые места обитания. Но это уже другой вопрос, так как мы рассматриваем жизненные ресурсы человечества только на Земле.

Шкловский считает, что без непрекращающегося роста потребления энергии не может быть прогресса. Нам же думается, что при какой-то достаточно высокой норме энергии на одного человека и какой-то постоянной численности населения прогресс вполне возможен. Представим себе, какая-то машина заменяется новой, отличающейся от старой тем, что она весит в три раза меньше и работает в три раза более производительно. Что это означает? Затраты материала на такую машину сократятся в девять раз. Возможно, в не меньшей степени снизится и расход энергии на производство машин, и освободившуюся энергию и материал можно будет использовать на другие цели. Разве это не прогресс? А ведь можно представить, что новая машина будет отличаться от своей предшественницы и большей долговечностью.

Конечной целью расхода энергии является удовлетворение все возрастающих потребностей людей. Но разве удовлетворение потребностей всегда будет связано с повышением расхода энергии? Растущие потребности могут удовлетворяться и за счет снижения расхода энергии на единицу общественного продукта. В период 1909— 1952 гг. в США расход энергии на единицу национальной продукции снизился на 23%, в Англии за 80 лет — на 50%, в Японии за 15 лет — на 30%. И это, конечно, не предел, здесь имеются еще очень большие возможности.

Представим себе далее, что при какой-то высокой норме расхода энергии на одного человека определенная часть энергии будет расходоваться на все то, что относится к сфере потребления, а оставшаяся часть пойдет на новые открытия, на совершенствование промышленности, сельского хозяйства, транспорта, связи и т. д. При больших, хотя бы и постоянных, энергетических ресурсах такое распределение энергии, безусловно, будет способствовать прогрессу. В свою очередь совершенствование материального производства даст возможность полнее удовлетворять растущие потребности человека. К тому же нам думается, что в более или менее отдаленном будущем потребности общества будут направлены не столько на увеличение массы предметов потребления, сколько на разнообразие их ассортимента и на их качество.

Примем высокую годовую норму потребления первичной энергии на одного человека равной 250 тыс. квт-ч. Это в 4 раза больше, чем потребляется первичной энергии сейчас в США. Увеличение потребления полезной энергии несомненно будет еще большим, так как коэффициент использования первичной энергии к тому времени безусловно повысится. Коэффициент полезного действия при преобразовании топлива в электрическую энергию сейчас колеблется в пределах: для угля —3— 37%, для нефти—7—35%, для природного газа 14— 47%, для гидроэнергии 30—65%. В СССР использование энергии топлива сейчас составляет 31,3%. Считают, что его можно довести до 40—45%, т. е. увеличить в 1,2—1,5 раза.

Низкий коэффициент использования энергии топлива объясняется тем, что процесс получения электроэнергии является стадийным: химическая энергия топлива превращается в тепловую, затем в механическую и только потом в электрическую. При каждом переходе одного вида энергии в другой происходят потери энергии. Но в наше время широким фронтом ведутся работы по преобразованию химической, а также тепловой энергии непосредственно в электрическую. По-видимому, наиболее близким к внедрению в промышленном масштабе является магнитогидродинамический генератор, преобразующий тепловую энегию в электрическую. Принцип работы генератора заключается в следующем. Струя сильно нагретого ионизированного газа (плазма) пропускается со сверхзвуковой скоростью через магнитное поле. Благодаря возникающей при этом электродвижущей силе появляется ток, и таким образом кинетическая энергия газа превращается в электрическую. Предполагается, что кпд такого генератора, работающего в сочетании с обычной тепловой установкой, будет равен 50—60%. Еще более перспективным представляется преобразование химической энергии дешевого топлива, например природного газа, непосредственно в электрическую с помощью топливно-электрических элементов. Считают, что кпд таких установок может быть равен 70 и даже 90—99%.

Возможность существования таких высоких коэффициентов использования энергии подтверждает сама природа, где мы имеем примеры перехода одного вида энергии в другой вид с гораздо большими кпд, чем в современной технике. Приведем такой пример. В лампах накаливания электричество превращается в свет с кпд, равным 2,5%, люминесцентные лампы экономичнее в 3— 3,5 раза. А вот в ивановском червячке химическая энергия (окисление люцеферина) превращается в световую с кпд около 96%. При работе мышц животного или человека механическая энергия получается непосредственно из химической, и кпд этого превращения равен 50%.

Теперь вернемся к рассмотрению энергетических ресурсов человечества, но будем оценивать их в непосредственной связи с численностью населения. Предположим, что и после 2050 г. годовой прирост выработки энергии будет равен 3%, а население будет увеличиваться на 1% в год. При таком предположении к 2120 г. норма потребления на человека достигнет 250 тыс. квт-ч/год, численность населения—16 млрд человек и общее годовое потребление энергии—4,0 * 1015 квт-ч. Начиная с настоящего времени к этой дате будет израсходовано примерно 28% энергии всех запасов топлива при условии, что человечество будет пользоваться только этим источником энергии. Если далее норма потребления энергии и годовой прирост населения останутся без изменения, то еще через 65 лет (к 2185 г.) запасы топлива полностью исчерпаются. Значит, топлива хватит только на 200 лет даже в том случае, если оно будет расходоваться только на получение энергии. Но ведь его во все больших количествах потребляет и химическая промышленность. Не приближаемся ли мы к полному исчерпанию энергетических ресурсов мира?

Нет, не приближаемся. Во-первых, в будущем выявятся новые большие запасы топлива. Во-вторых, в рассматриваемый период времени человечество расширит использование возобновляемых источников энергии, которые сейчас используются в очень малой степени. В-третьих, наряду с потреблением минерального топлива неуклонно будут возрастать потребление радиоактивных элементов. Укажем здесь, что количество урана, находящегося в рассеянном состоянии в горных породах, которые составляют двухкилометровую зону земной коры, составляет 2,7 * 1011 т; это почти в 20 тыс. раз превышает его запасы в разведанных месторождениях (А. А. Сауков Будущее глазами геохимика. «Природа», 1965, № 1). Уран имеется и в более глубоких зонах Земли, и по мере освоения методов комплексного использования бедных горных пород количество извлекаемого рассеянного урана будет все увеличиваться. Подсчитано, что потенциальная энергия, заключенная в рассеянном уране, составляет 6,6 * 1021 квт-ч и в 1,5 млн раз превышает предположенное нами потребление энергии в 2120 г. Выше указывалось также, что, кроме того, 2,05 * 109 т урана содержится в мировом океане и когда-то какая-то часть энергии этих запасов тоже будет использоваться. Получение же энергии из атомного горючего уже освоено, и энергия этого вида все активнее вторгается в материальное производство.

Учитывая все сказанное, можно смело утверждать, что энергетические ресурсы Земли не будут исчерпаны за многие тысячи лет даже без овладения новыми источниками энергии. Но это не значит, что поиски и освоение новых источников теряют свое важное значение. Первым новым могучим источником энергии является, конечно, синтез гелия из дейтерия. При годовом потреблении 250 тыс. квт-ч на одного человека полное использование энергии этого синтеза обеспечило бы 1019 человеко-лет: например, 1000 млрд человек—10 млн лет. Понятно, что все эти расчеты условны, так как сейчас просто немыслимо представить все то, что свершится не только за десять миллионов, но даже за сотни лет. Но могут ли быть сомнения в том, что человечество найдет совершенно иные грандиозные источники энергии. Ведь так недавно, можно сказать вчера, мы не имели никакого представления о ядерной энергии. Может быть, ученые будущего сумеют освоить синтез ядра гелия из протонов — ядер основных изотопов водорода; на основе этого процесса в недрах солнца возникает вся излучаемая им энергия. Тогда из каждого грамма обычной воды будут выделять 75 тыс. квт-ч энергии и, следовательно, только из одной десятой части воды гидросферы можно будет получить 1028 квт-ч энергии. Этого количества энергии даже при годовой норме 2,5 млн квт-ч хватило бы на 4 61021 человеко-лет, т. е. для 1 млрд человек на 4 триллиона лет. Но имеет ли смысл рассуждать о столь больших сроках, тем более что сейчас никто ведь не решится утверждать, что нам уже известны все природные источники энергии.

Энергия топлива получается в результате химических процессов, связанных с перестройкой электронных оболочек атомов, а ядерная энергия — в результате перестройки ядер атомов. Может быть, источниками энергии будут служить и процессы взаимопревращения элементарных частиц. В последние годы широко обсуждается вопрос о существовании фундаментальной элементарной частицы, названной кварком. Эта частица, правда, экспериментально еще не обнаружена, но ей уже приписаны совершенно реальные свойства. Например, показано, что из нее могут получаться все известные сейчас элементарные частицы. При этом должна выделяться энергия, соответствующая 97% первоначальной массы. Такой выход энергии по массе почти в 100 раз превышает выход энергии при термоядерных реакциях, поддерживающих излучение звезд.

В заключение всех наших рассуждений хочется привести слова французского физика Луи де Бройля: «Позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре. О чем мы не знаем сегодня? Одно почти несомненно: может быть, мы «окружены» силами, о которых сегодня не имеем ни малейшего представления» (Л у и де Бройль. По тропам науки. ИЛ, 1962, стр. 150).

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделитесь информацией с друзьями

Оставить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: