Физика будущего - Мичио Каку

В третьей части фильма «Назад в будущее» Майкл Фокс (Michael J. Fox) снят на «леталке» — доске вроде скейтборда, способной летать по воздуху. После премьеры фильма на магазины обрушился настоящий шквал звонков от подростков, мечтавших приобрести такую летающую доску. К сожалению, «леталок» пока не существует, но после открытия сверхпроводников при комнатной температуре они, возможно, появятся.

Поезда и автомобили на магнитной подвеске

В первую очередь дешевые и удобные сверхпроводники найдут себе применение на транспорте, где неизбежна настоящая революция; появятся автомобили и поезда, которые будут парить над поверхностью, а значит, двигаться без всякого трения.

Представьте себе поездку в машине, сделанной с применением сверхпроводников при комнатной температуре. Дороги тогда будут покрывать не асфальтом, а сверхпроводником. В машине будет либо постоянный магнит, либо собственный сверхпроводник, генерирующий магнитное поле. Машина будет парить над дорогой. Для того чтобы начать движение, ей будет достаточно даже силы сжатого воздуха. Раз набрав скорость, она (если дорога горизонтальна) будет скользить вперед почти бесконечно. Электрический двигатель или струя сжатого воздуха будет работать только на преодоление сопротивления воздуха — и это все!

Даже теперь, когда ученым неизвестны сверхпроводники при комнатной температуре, в некоторых странах действуют железные дороги для поездов на магнитной подвеске, парящих над рельсами. Здесь левитация основана на том, что одинаковые (к примеру, северные) полюса магнитов отталкиваются друг от друга. Магниты в рельсах и в днище поезда организованы таким образом, что позволяют поезду парить над самой поверхностью рельсов.

Лидерами в этом направлении являются Германия, Япония и Китай. Поезда на магнитной подвеске успели уже поставить несколько мировых рекордов. Первым коммерческим поездом на магнитной подвеске стал довольно медленный челночный поезд, соединивший международный аэропорт и железнодорожный вокзал в Бирмингеме; маршрут начал действовать в 1984 г. Самая высокая скорость поезда на магнитной подвеске, составляющая 581 км/ч, зарегистрирована в Японии на поезде MLX01 в 2003 г. (Реактивные самолеты летают быстрее отчасти потому, что на больших высотах сопротивление воздуха меньше. Поскольку поезд на магнитной подвеске парит в воздухе, энергию он тратит в основном на преодоление трения о воздух. Если бы такой поезд ездил в вакууме, он мог бы развивать скорость до 6500 км/ч.) Но такие поезда обходятся очень дорого и вряд ли найдут широкое распространение в мире. Сверхпроводники при комнатной температуре могли бы полностью изменить ситуацию. В частности, они могли бы оживить систему железных дорог в США и уменьшить таким образом эмиссию парниковых газов от двигателей реактивных самолетов. Согласно оценкам, самолетные двигатели ответственны примерно за 2 % парниковых газов, и поезда на магнитной подвеске могли бы серьезно уменьшить эту долю.

Энергия с небес

К концу текущего века появится, вероятно, и еще один источник энергии — энергия космических солнечных электростанций. Ее добыча подразумевает отправку в космос и выведение на околоземную орбиту сотен спутников, которые будут поглощать солнечное излучение и передавать энергию на Землю в виде микроволнового излучения. Спутники будут базироваться на расстоянии 36 000 км над земной поверхностью, на геостационарной орбите (это означает, что они будут делать один оборот вокруг Земли ровно за сутки и, соответственно, будут все время висеть над одной и той же точкой поверхности). Поскольку известно, что до поверхности Земли доходит лишь восьмая часть солнечной энергии, такой подход представляется вполне реальным и даже выгодным.

В настоящее время главным камнем преткновения в деле добычи космической энергии является стоимость проекта и, главное, стоимость запуска всех этих космических коллекторов. Ничто в законах природы не запрещает добывать энергию непосредственно от Солнца, но для реализации масштабного проекта такого рода потребуется решить огромное множество технических и экономических проблем. Но если к концу века появятся новые дешевые способы космических путешествий, его вполне можно будет осуществить, как мы убедимся в главе 6.

Первое серьезное предложение о добыче космической солнечной энергии прозвучало в 1968 г., когда Питер Глейзер (Peter Glaser), президент Международного общества солнечной энергии, предложил вывести на орбиту спутники размером с современный город, которые затем передавали бы энергию на Землю энергетическим лучом. В 1979 г. ученые NASA проанализировали его предложение и выяснили, что стоить такой проект будет несколько сотен миллиардов долларов. Естественно, проект был отвергнут.

Однако в космической отрасли постоянно происходят подвижки, появляются новые технологии, поэтому с 1995 по 2003 г. NASA продолжало финансировать небольшие исследовательские проекты по космической энергетике. Ее сторонники утверждают, что реализация проекта — всего лишь вопрос времени. «Космическая энергетика предлагает поистине надежный, глобальный и не загрязняющий окружающую среду источник электричества», — говорит Мартин Хофферт (Martin Hoffert), физик, работавший прежде в Нью-Йоркском университете.

Такой амбициозный проект неизбежно столкнется с серьезными проблемами, как реальными, так и воображаемыми. Некоторые испытывают перед ним страх, потому что энергетический луч, по которому энергия будет передаваться из космоса на Землю, может быть случайно направлен в населенную местность, что вызовет громадные жертвы. На самом деле подобные страхи сильно преувеличены. Если рассчитать реальное излучение, которое будет приходить на землю из космоса, оно окажется слишком слабым и не опасным для здоровья. Так что образ взбесившегося спутника, посылающего с орбиты на Землю лучи смерти и поджаривающего целые города, пригоден только для голливудских кошмаров.

В 2009 г. писатель-фантаст Бен Бова изложил в газете Washington Post соблазнительную экономику солнечного энергетического спутника. Он оценил, что каждый спутник будет производить 5–10 ГВт энергии (это намного больше, чем производит традиционная угольная станция) по цене 8–10 центов за кВт-ч, что сделает эту энергию конкурентоспособной. Каждый спутник будет огромен, около 1, 5 км в поперечнике, и обойдется примерно в миллиард долларов (приблизительно во столько обходится средняя атомная станция).

Чтобы запустить эту технологию, он предложил нынешней администрации инициировать демонстрационный проект и запустить спутник, который будет генерировать 10–100 МВт. Гипотетически, если начать реализацию проекта не мешкая, такой спутник мог бы быть запущен к концу второго президентского срока президента Обамы.

Будто отзываясь на комментарии американского фантаста, японское правительство озвучило крупную инициативу. В 2009 г. Министерство торговли объявило о планах по изучению реализуемости проекта космических электростанций. Mitsubishi Electric и другие японские компании совместно профинансируют программу стоимостью 10 млрд долларов; возможно, в космос будет запущена солнечная электростанция мощностью 1 ГВт — громадный спутник площадью в несколько квадратных километров, полностью облицованный солнечными батареями.

«Похоже на фантастический мультик, но производство солнечной энергии в космосе через 100 лет, когда ископаемое топливо закончится, может стать значительным альтернативным источником энергии», — говорит Кенсукэ Канэкиё (Kensuke Kanekiyo) из Института экономики энергетики — правительственной исследовательской организации.

Учитывая размах этого амбициозного проекта, японское правительство пока ведет себя очень осторожно. Следующие четыре года исследовательская группа будет изучать, насколько этот проект реализуем с научной и экономической точек зрения. Если эта группа даст добро, Министерство торговли и Аэрокосмическое исследовательское агентство Японии планируют запустить в 2015 г. небольшой спутник для испытания технологий передачи энергии из космоса на Землю.

Вероятно, основное препятствие здесь будет не научным, а экономическим. Хироси Ёсида (Hiroshi Yoshida) из токийской компании Excalibur КК, занимающейся космическим консалтингом, предупредил: «Расходы необходимо снизить в сто раз относительно нынешних оценок». Одна из проблем состоит в том, что расстояние до геостационарных спутников (36 000 км) очень велико, гораздо больше, чем 300–800 км до низкоорбитальных аппаратов, и потери при передаче энергии лучом на такие расстояния могут оказаться огромными[31].

И все же основная проблема — стоимость запусков. Именно здесь самое узкое место, именно это тормозит все планы возвращения на Луну и полетов на Марс.