Физика будущего - Мичио Каку

•Связывание углерода. Еще одна возможность — связывание углерода. Это процесс, при котором углекислый газ, выделяемый угольными станциями, переводится в жидкую форму и не допускается в окружающую среду; к примеру, его можно захоранивать под землей. Хотя в принципе такой проект мог бы сработать, связывание углерода — очень дорогой процесс, к тому же он ничего не может сделать с газом, уже выпущенным в атмосферу. Начиная с 2009 г. инженеры всего мира с интересом следят за первым серьезным испытанием этого метода. Громадная электростанция Mountaneer, построенная в 1980 г. в Западной Вирджинии, переоборудуется таким образом, чтобы не выпускать двуокись углерода в окружающую среду. Сжиженный газ планируется закачивать на глубину около 2, 5 км в слой доломита. Постепенно эта жидкость образует в глубине земли массу высотой 9–12 м и длиной несколько сотен метров. Компания American Electric Power, владелец электростанции, планирует закачивать под землю по 100 000 т двуокиси углерода в течение 2–5 лет. Это всего 1, 5 % годового производства углекислого газа на данной электростанции, но со временем система сможет улавливать до 90 % выбросов. Первоначальные затраты по проекту составят 73 млн долларов. В случае успеха эту схему можно будет быстро распространить на другие электростанции, к примеру, на четыре гигантские угольные станции суммарной мощностью 6 ГВт, расположенные неподалеку (из-за них этот район был даже прозван Мегаваттной долиной). Неизвестных здесь множество: неясно, что будет происходить со сжиженным углекислым газом дальше: будет ли он потихоньку мигрировать, не соединится ли с водой и не образует ли угольную кислоту, которая затем может отравить грунтовые воды. Однако если эксперимент пройдет успешно, этот подход может стать частью целого пакета технологий, при помощи которых человечество будет бороться с глобальным потеплением.

•Генная инженерия. Еще одно предложение сводится к тому, чтобы создать при помощи генной инженерии такие формы жизни, которые могли бы поглощать углекислый газ в больших количествах. Энтузиастом такого подхода является, к примеру, Крейг Вентер (J. Craig Venter), сделавший себе имя и состояние на том, что придуманные им высокоскоростные технологии позволили расшифровать геном человека на несколько лет раньше запланированного срока. «Мы рассматриваем геном как программу, а может, и как операционную систему клетки», — говорит он. Его цель — научиться переписывать эту программу, чтобы получить возможность генетически модифицировать или создавать практически с нуля микроорганизмы, так чтобы они поглощали углекислый газ с электростанций и перерабатывали его в полезные вещества, такие как природный газ. Он замечает: «На нашей планете уже существуют тысячи, а может, и миллионы организмов, умеющих это делать». Фокус в том, чтобы модифицировать их и таким образом увеличить выход, а также приспособить к существованию на угольных электростанциях. «Мы считаем, что у этой отрасли громадный потенциал и что она сможет заменить собой всю нефтехимическую промышленность. Не исключено, что это произойдет уже в ближайшем десятилетии», — оптимистично заявляет он.

Принстонский физик Фримен Дайсон (Freeman Dyson) выступает за другой вариант — создание генетически модифицированных деревьев, которые будут поглощать углекислый газ. Он заявил, что триллиона таких деревьев, вполне возможно, будет достаточно, чтобы надежно контролировать содержание углекислого газа в воздухе. В статье «Можем ли мы контролировать углекислый газ в атмосфере?» он выступил за создание «углеродного банка быстрорастущих деревьев», которые могли бы регулировать уровень углекислого газа.

Однако в этом случае, как и в любых планах по масштабному использованию генной инженерии, следует соблюдать осторожность и остерегаться побочных эффектов. Невозможно отозвать из природы живые существа так, как мы отзываем бракованные машины. Оказавшись в природных условиях, генетически модифицированный вид может неожиданным и незапланированным образом повлиять на другие виды животных и растений; в частности, он может вытеснить местные виды и нарушить сложившееся равновесие пищевой цепочки.

Как ни печально, политики не проявили должного интереса ко всем вышеперечисленным предложениям. Тем не менее когда-нибудь проблема глобального потепления станет настолько болезненной и взрывоопасной, что политикам придется что-то решать.

Критическими здесь, вероятно, станут следующие несколько десятилетий. К середине века человечество, по идее, перейдет на водородное топливо, а развитие термоядерной и солнечной энергетики в сочетании с возобновляемыми видами энергии позволит сделать экономику гораздо менее зависимой от потребления ископаемого топлива. Рыночные механизмы и водородные технологии дадут нам долгосрочное решение проблемы глобального потепления. Но сейчас, до наступления водородной эры, продолжается опасный период. В краткосрочной перспективе ископаемое топливо по-прежнему является самым дешевым источником энергии, а потому глобальное потепление будет грозить человечеству еще не один десяток лет.

Термоядерная энергия

К середине века на сцене появится новый игрок, способный резко изменить правила игры. Речь идет об энергии синтеза, или термоядерной энергии. К тому времени это техническое решение, по всей видимости, станет самым конкурентоспособным и, возможно, позволит решить проблему энергии навсегда. Если на атомных станциях энергия (и большое количество радиоактивных отходов) получается за счет расщепления ядер атомов урана, то термоядерный синтез основан на слиянии атомов водорода. При этом выделяется огромное количество тепла (а значит, энергии) и очень мало отходов.

В отличие от распада, синтез представляет собой имитацию процессов, протекающих в глубинах Солнца. Энергия, скрытая в глубине атомов водорода, обеспечивает существование Вселенной. Энергия синтеза зажигает Солнце и освещает небеса. В ней заключена главная тайна звезд. Всякий, кто сумеет обуздать термоядерный синтез, получит вечный источник неограниченной энергии. А топливо для термоядерных станций можно добывать из обычной морской воды. Термоядерный синтез дает в 10 млн раз больше энергии на единицу веса, чем бензин, и в обычном стакане воды содержится столько же энергии, сколько в 500 000 баррелей нефти.

Именно синтез (а не распад) использовала природа для обеспечения нашей Вселенной энергией. При образовании звезд газовый шар, богатый водородом, постепенно сжимается под действием гравитации, одновременно разогреваясь до огромных температур. Когда температура газа достигает порядка 50 млн градусов (конкретная цифра меняется в зависимости от условий), ядра водорода внутри шара, сталкиваясь между собой, начинают сливаться с образованием ядер гелия. При этом высвобождается громадное количество энергии, и газ вспыхивает. (Если говорить точнее, сжатие должно обеспечить выполнение так называемого критерия Лоусона, который требует, чтобы водород был сжат до определенной плотности при определенной температуре на определенное время. Если все три условия — плотность, температура и время — выполнены, возникает реакция ядерного синтеза. Результатом может быть водородная бомба, звезда или ядерный синтез в реакторе.)

Итак, есть ключевое условие: для высвобождения космических количеств энергии необходимо нагреть и сжать водород до определенной степени.

Но до сих пор все попытки обуздать эту космическую мощь терпели неудачу. Оказалось, что нагреть водород до десятков миллионов градусов, при которых протоны начнут объединяться в ядра гелия и выделять энергию, крайне трудно.

Более того, общество критически относится ко всем обещаниям такого рода — ведь каждые двадцать лет ученые заявляют, что через двадцать лет термоядерная энергия будет освоена. На самом же деле сейчас, после полувека сверхоптимистических обещаний, физики все больше убеждаются в том, что управляемый термояд действительно на подходе и первые экспериментальные реакторы могут быть созданы уже к 2030 г. Вполне возможно, что к середине века появятся и коммерческие станции.

Надо отметить, что общественность имеет полное право скептически относиться к термоядерному синтезу — слишком много в прошлом было хвастовства, обмана и просто неудач в этой области. В 1951 г., когда холодная война была в полном разгаре и разработка водородной бомбы шла бешеными темпами, президент Аргентины Хуан Перон объявил с большой помпой, что ученые его страны совершили прорыв и покорили энергию солнца. В средствах массовой информации поднялся страшный шум. Заявление казалось невероятным, но крупнейшие газеты мира, включая The New York Times, помещали его на первых полосах. Аргентина, хвастал Перон, совершила великое научное открытие там, где потерпели неудачу сверхдержавы. Неизвестный немецкий ученый Рональд Рихтер (Ronald Richter) убедил Перона профинансировать его «термотрон» и пообещал взамен неограниченное количество энергии и вечную славу Аргентине.