Физика будущего - Мичио Каку

В 2009 г. компания First Solar, крупнейший мировой производитель солнечных батарей, объявила, что будет строить самую большую в мире солнечную электростанцию к северу от Великой Китайской стены. Десятилетний контракт, детали которого все еще находятся в стадии согласования, предусматривает строительство громадного солнечного комплекса мощностью 2 ГВт, состоящего из 27 тысяч тонкопленочных панелей. По мощности такая станция соответствует двум угольным энергоблокам и производит достаточно энергии для 3 млн семей. Станция займет 65 км2 во Внутренней Монголии и станет частью еще более крупного энергетического комплекса, совокупная проектная мощность которого составляет 12 ГВт. Китайские чиновники утверждают, что солнечная электростанция станет лишь частью этого гигантского предприятия по добыче энергии из различных возобновляемых источников (ветра, солнца, биомассы и гидроэнергии).

Пока неясно, смогут ли эти амбициозные проекты пройти экологическую экспертизу и решить проблемы высокой стоимости энергии, но главное — то, что в солнечной энергетике все же происходит медленный поворот, и крупные энергетические компании начинают всерьез рассматривать солнечную энергию как альтернативу электростанциям на ископаемом топливе.

Электромобиль

Не секрет, что примерно половину нефти в мире потребляют автомобили, поезда и самолеты, поэтому реформа этого сектора экономики вызывает громадный интерес. В настоящее время идет настоящая гонка за будущее лидерство на автомобильном рынке, после того как страны постепенно перейдут от машин на ископаемом топливе к электромобилям. Это исторический переход, и первая его стадия — гибридный автомобиль, уже появившийся на рынке (в нем работает и бензин, и электричество из аккумулятора). В этом автомобиле для решения старой проблемы с аккумуляторами используется небольшой двигатель внутреннего сгорания: дело в том, что создать аккумулятор, который мог бы обеспечить движение на длинных дистанциях, очень трудно, к тому же электрический двигатель не способен быстро разогнать машину.

Но гибрид — это только первый шаг. К примеру, на модульном гибридном автомобиле стоит достаточно мощная аккумуляторная батарея, чтобы можно было проехать около 80 км, не переходя на второй, бензиновый двигатель. А если учесть, что большинство людей совершает повседневные поездки в пределах этого расстояния, то получится, что такой автомобиль будет ездить только на электричестве.

Среди серьезных участников гонки гибридов — Chevy Volt компании General Motors. Эта машина способна проехать 65 км только на литий-ионном аккумуляторе и еще 480 — на маленьком бензиновом двигателе.

А компания Tesla Motors из Кремниевой долины единственная в Северной Америке выпустила на рынок серийный чисто электрический автомобиль Tesla Roadster. Это обтекаемая спортивная машинка способна состязаться на дороге с любым бензиновым автомобилем и на деле опровергает устоявшееся представление о том, что двигатели на литий-ионных аккумуляторах никогда не сравнятся с бензиновыми.

Мне довелось посидеть за рулем двухместной Tesla, принадлежащей Джону Хендриксу (John Hendricks), основателю компании Discovery Communications, учредителя канала Discovery. Я уселся на водительское место, и мистер Хендрикс предложил мне испытать машину на полном газу. Я воспользовался советом и вжал педаль акселератора в пол. Tesla рванула вперед. Разгон до 96 км/ч всего за 3, 9 с заставил наши тела вжаться в кресла. Одно дело — слушать похвалу чисто электрической машине из уст ее создателей, и совсем другое — нажать на акселератор и самому ощутить ее мощь.

Успешные продажи Tesla поставили основных автопроизводителей в положение догоняющих, после того как они десятилетиями игнорировали электромобили. Роберт Лутц (Robert Lutz), будучи вице-президентом General Motors, сказал: «Все наши технические гении твердят, что до литий-ионной технологии еще десять лет, и Toyota с нами согласна, и вдруг — бац! — на рынок выходит Tesla. И я сказал: „Как так, почему эта крошечная калифорнийская компания-выскочка под управлением парней, ничего не понимающих в автомобильном бизнесе, может делать то, что мы не можем?“»

Гонку за то, чтобы первыми представить обычному потребителю чисто электрический автомобиль, возглавила компания Nissan Motors. Ее электромобиль называется Nissan Leaf, он проходит на одной зарядке расстояние до 160 км, разгоняется до 140 км/ч и работает только на электричестве.

После чисто электрического автомобиля центральной фигурой на выставках и в салонах станет автомобиль на топливных элементах; иногда его даже называют машиной будущего. В июне 2008 г. Honda Motor Company объявила о выпуске первого коммерческого автомобиля на топливных элементах — FCX Clarity. Эта машина может пройти на одной заправке около 400 км с максимальной скоростью 160 км/ч и снабжена всеми удобствами, обычными для четырехдверного седана. Ей не нужен ни бензин, ни электрический заряд; топливом ей служит только водород. Однако инфраструктуры для водородных машин пока не существует, поэтому приобрести и использовать этот автомобиль пока можно только в Южной Калифорнии. Honda рекламирует и спортивную версию машины на топливных элементах под названием FC Sport.

Затем в 2009 г. компания GM после процедуры банкротства и полной смены руководящего состава объявила о том, что ее автомобиль на топливных элементах Chevy Equinox прошел на испытаниях отметку в миллион миль. За последние 25 месяцев 5000 человек испытывали 100 экземпляров этого автомобиля. Детройт, которому никак не удается угнаться за Японией в создании мини-автомобилей и гибридов, пытается создать задел на будущее.

На первый взгляд автомобиль на топливных элементах идеален. В топливных элементах, которые обеспечивают его энергией, кислород соединяется с водородом с выделением электроэнергии и воды в качестве побочного продукта. Он вообще не загрязняет окружающую среду. Вид выхлопной трубы такого автомобиля производит фантастическое впечатление. Вместо ядовитого дыма из нее вылетают лишь капельки воды без цвета и запаха.

«Закрываешь ладонью выхлопную трубу, и на ней остается только вода. Так классно!» — говорит Майк Швабл (Mike Schwabl), 10 дней ездивший на Equinox в порядке испытаний.

Вообще, топливные элементы — вовсе не новое изобретение. Базовый принцип их работы был продемонстрирован еще в 1839 г., и NASA десятки лет использует топливные элементы для обеспечения космических кораблей энергией[15]. Новое здесь — лишь желание и решимость автопроизводителей увеличивать производство таких машин и снижать цены.

У машины на топливных элементах есть и другая проблема, которая не давала спокойно жить еще Генри Форду при выпуске на рынок знаменитой модели Ford Т. Критики утверждали, что бензин опасен, что люди будут погибать в ужасных авариях и заживо сгорать при любом столкновении. Да и бензиновые колонки придется строить чуть ли не на каждом перекрестке. Причем, если разобраться, критики были правы по всем пунктам. Люди действительно каждый год гибнут в ужасных автокатастрофах тысячами, и автозаправки видны повсюду, нравится нам это или нет. Но автомобили настолько удобны и практичны, что человечество игнорирует эти бесспорные факты.

Теперь те же возражения звучат против машин на топливных элементах. Водородное топливо капризно и взрывоопасно, а водородные заправки придется строить в каждом квартале. Причем, скорее всего, критики опять окажутся правы. Но как только будет создана водородная инфраструктура, люди увидят, как удобны не загрязняющие окружающую среду машины на топливных элементах, и готовы будут закрыть глаза на некоторые их недостатки. Сегодня на все Соединенные Штаты наберется всего около 70 водородных заправочных станций, а поскольку на одной заправке такая машина проезжает около 270 километров, водитель должен внимательно следить за указателем уровня топлива. Но постепенно ситуация изменится, особенно если цена машин на топливных элементах начнет падать с ростом массового производства и развитием технологий.

Однако главная проблема электромобилей заключается в том, что электричество не возникает из ниоткуда. Аккумуляторную батарею необходимо заряжать, и энергию для этого обычно получают с угольных электростанций. Так что, хотя сам электромобиль и не загрязняет окружающую среду, настоящим источником энергии для него служит все то же ископаемое топливо.

Так и электромобиль на топливных элементах. Водород — вовсе не источник энергии, а лишь ее переносчик. Чтобы заправить машину водородом, его надо сначала получить. К примеру, чтобы разделить воду на кислород и водород, нужно затратить немало электричества. Электромобили на аккумуляторах и топливных элементах сами не загрязняют среду и потому позволяют нам надеяться на бездымное будущее и чистый воздух в городах, но основную проблему они не снимают: энергия, потребляемая такими машинами, производится преимущественно за счет сжигания угля. Первый закон термодинамики обойти невозможно: суммарное количество вещества и энергии постоянно, его нельзя уничтожить или создать на пустом месте. Из ничего получить что-то невозможно.