Бокрис Джон, Везироглу Неджат, Смит Дебби - "Солнечно-водородная, энергия. Сила, способная, спасти, мир

Что может с вами случиться?

o Если нам придется сократить использование энергии, потому что энергия, произведенная с помощью ископаемого топлива, приносит наибольшее количество неприятностей, большим ударом станет увеличение безработицы, особенно если мы не начнем обучать людей и не дадим им навыки использования энергетических технологий будущего.

o Мы будем страдать от повышения уровня океанов, ведь в результате этого начнет сокращаться суша. Может показаться, что если море будет подниматься со скоростью меньше одного метра в 50 лет, то в этом нет ничего страшного, но метр - это самая скромная оценка. И даже такое повышение может привести к опустошительному эффекту в масштабе мира. А некоторые ученые утверждают, что моря могут подняться на целых семь метров. Количество потерянных земель будет просто громадно. Кстати, а где вы живете?

o Через пару поколений может стать слишком жарко и засушливо, чтобы выращивать пшеницу в большинстве из тех областей, где она сейчас произрастает. Достаточно ли будет у ваших внуков еды? Средняя продолжительность жизни тоже уменьшится, поскольку присутствие азотной кислоты и смога в атмосфере ухудшит иммунитет человека и, следовательно, будет способствовать распространению болезней.

o Впереди уже маячит другое потенциальное бедствие - исчезновение лесов, что окажет существенное влияние на воздух, которым мы дышим. В настоящее время полным-полно источников углекислого газа - выхлопные трубы автомобилей, электростанции, заводы, а кроме того его выдыхаем мы - и люди и животные. Раньше постоянный уровень углекислоты в атмосфере поддерживался фотосинтезом растений - для этого процесса необходим СО2. Вместе со значительным сокращением площадей лесов, покрывающих Землю, и по мере роста населения, баланс углекислого газа начинает нарушаться.

Есть ли выход?

Было предложено несколько вариантов исправления ситуации. Наиболее популярным решением на сегодняшний день является использование в качестве топлива метилового спирта вместо нефти. Тем не менее, поскольку метанол содержит углерод, несмотря на некоторые преимущества метиловый спирт все равно будет производить столько же углекислого газа, сколько и сгоревшая нефть. Есть еще одна идея - удалять углерод, выделяемый горящими ископаемыми топливами В настоящее время вполне возможно фильтровать воздух, удаляя из него углекислый и токсичные газы. Было даже предложено конвертировать углекислоту в метан (природный газ), который при сгорании хоть и образует СО2, но поскольку он первоначально был получен из фильтров, общий выброс углекислого газа не должен увеличиться.

Другой сценарий предусматривает вероятность того, что лет через 60-100 экономически более выгодно будет извлекать углерод из атмосферы (например, для использования в текстильной промышленности) чем получать его из угля, и это будет постепенно уменьшать количество СО2 в воздухе, куда он сейчас выбрасывается.

Конечно, защитники углеродосодержащих топлив и те, кто за ними стоит - подсчитывающие барыши индустриальные магнаты - делали много попыток доказать, что нужно еще и еще раз дополнительно исследовать и доказать воздействие этих топлив на окружающую среду, прежде чем начать исцеление планеты. Естественно, большее количество исследований - это хорошая идея, поскольку нам необходимо как можно больше информации о загрязнении, но нет никаких причин задерживать начало перемен, ведь мы уже точно знаем, что ископаемые топлива загрязняют атмосферу. Есть множество механизмов воздействия на окружающую среду, которых мы не знаем, но очевидно, что углеродные топлива несут гибель, и мы должны полностью отказаться от них как от источников энергии. Это основная и недвусмысленная идея этой книги.

Другая мысль заключается в том, что средства для решения проблемы углеродосодержащих топлив находятся в руках наших правительств, и заставить их действовать - вот наша задача.

Часть 2
10 НАИЛУЧШИЙ ОТВЕТ - СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Многие люди знакомы с солнечными коллекторами, располагаемыми на крышах зданий. У них черная поверхность, и они поглощают солнечное тепло, передавая его текущей внутри воде, которая может быть использована в хозяйстве для нагрева водопроводной воды. Зачастую этого вполне достаточно, чтобы удовлетворить потребности кухни и ванной, и коллекторы окупают себя в период от трех до десяти лет, снижая счета за электричество.

Солнце может производить и электричество. Открытие, что солнечный свет может быть превращен в электрический ток, было сделано в 1954 г. Пирсоном, Чепменом и Фуллером в Белловских лабораториях. Они осветили лучами две различные кремниевые пластины, соединенные вместе наподобие бутерброда.

Образовалась электрическая цепь, в которой в результате внутреннего фотоэффекта возник ток. Это электричество можно использовать для того, чтобы зажечь лампу, привести в движение мотор или, если использовать подобный "бутерброд" с достаточным количеством кремниевых слоев, обеспечить им город.

Например, 1 м2 такой солнечной батареи может дать мощность в 100 Вт (примерно одна двадцатая того, что потребляет одна квартира), если, конечно, солнце стоит высоко над головой и нет облаков. Получение электричества от солнечных лучей - вещь неоценимой важности, для мира это может стать источником энергии будущего.

Почему люди были против солнечной энергии

Долгие годы считалось, что использовать солнечную энергию не практично, потому что для этого она слишком рассеяна, слишком слаба. Еще одна причина заключалась в высокой стоимости солнечных энергоустановок. Фотогальванические элементы, представляющие собой специально сконструированные кремниевые пластины, ранее изготовлялись вручную. Каждый слой "бутерброда" состоял из кремниевых кристаллов, которые наращивались отдельно, один за другим, до тех пор, пока слой не заполнялся.

Нарастить достаточное количество кремния, чтобы сделать крупномасштабную пластину, было более чем дорого. Поэтому считалось, что солнечное электричество будет слишком дорогостоящим.

Тем не менее, новые открытия в конструировании фотогальванических элементов в корне изменили ситуацию. Сейчас разработан метод создания батарей, который не требует трудоемкого процесса выращивания кристаллов поодиночке. Используется новый материал, называемый аморфным кремнием (кремний с неупорядоченной кристаллической структурой), который дает прекрасный выход электричества от кремниевого слоистого элемента, хотя и не так много, как дорогостоящие одиночные кристаллы. Именно изобретение аморфного кремния позволило сделать революционный скачок в получении электричества от Солнца, прорыв, который может ввести нас в мир, где царит солнечная энергия.

Еще одним предметом беспокойства являлось то количество земли, которое необходимо для постройки солнечных энергоцентров - пространств, заполненных рядами фотогальванических элементов, подобных тем, что вы можете иногда увидеть на крышах домов. Разница только в том, что эти ряды могут тянуться на километры. Основным аргументом против таких электростанций было то, что земли, занятые солнечными панелями, будут потеряны для выращивания сельскохозяйственных культур. Действительно, площади, необходимые для обеспечения энергией города населением, скажем, в 0,5 млн чел., весьма велики - примерно 155 км2. Однако эти земли могут и не быть сельскохозяйственными, это может быть засушливая земля пустыни.

Например, если мы предположим, что вся энергетика мира будет солнечной и будет расположена в пустынных зонах (что, конечно, весьма относительно, потому что как и сейчас домовладельцы смогут иметь собственные коллекторы), то она займет всего лишь небольшую их часть (примерно 10 % мировой пустыни). Таким образом, солнечную энергию вполне можно собирать в областях, которые и так потеряны для нужд человечества.

Специалисты по охране окружающей среды могут заявить, что протяженные пустынные ландшафты весьма важны в качестве мест обитания многих видов флоры и фауны. Действительно, произойдет некоторое нарушение жизни пустынь, когда будет устанавливаться собирающее солнечную энергию оборудование, но долгосрочного и серьезного ущерба среде не будет.

Как можно собирать солнечную энергию
Представим себе множество гелиостатов, расположенных на высоте трех-шести метров над поверхностью земли. Громадные зеркала, возможно пяти метров в диаметре будут изменять свое положение, следуя за положением солнца на небе. Его лучи будут отражаться от зеркал и направляться на батарею фотогальванических элементов.

Единственным воздействием такой электростанции на пустынную жизнь будет то, что отбрасываемая ими тень будет способствовать понижению температуры вплоть до 10 °С, поскольку, оказавшись без солнца, поверхность пустыни быстро теряет тепло. Это изменение температурного режима может повлиять в первую очередь на популяцию насекомых.

Тем не менее, пустынная фауна хорошо приспособлена к большим перепадам температуры между дневным и ночным периодами. Кроме того, зеркала не будут отбрасывать тень на всю поверхность солнечного энергоцентра, поскольку для движения транспорта между ними необходимы промежутки.

Освещая ночь

Еще одной серьезной причиной, по которой многие не понимают преимуществ солнечной энергетики является то, что людям не ясно - что же делать ночью. Ночное освещение городов с помощью солнечной энергии кажется сперва неестественным, но мы должны понимать, что если мы собираемся получать электричество в датских от населенных пунктов пустынях, то должны будем разработать способ доставки его из мест, отдаленных на тысячи километров. Передача электроэнергии на такое огромное расстояние не эффективна, поскольку значительная ее часть будет потеряна по пути из-за сопротивления проводов.

Чтобы решить эту проблему, мы должны будем превратить солнечную энергию во что-нибудь, что можно хранить, передавать по трубопроводам, перевозить в контейнерах. Простейшим вариантом будет использование солнечного электричества для разложения воды на водород и кислород с помощью устройства, называемого электролизером. Полученный таким образом водород вполне можно перекачивать по трубам под высоким давлением.

Будучи доставлен в населенные пункты, водород может быть напрямую использован в качестве топлива или пропущен через устройство под названием топливный элемент, обратный электролизер, который конвертирует водород обратно в электричество (топливные элементы уже давно и успешно используются на борту космических кораблей, производя электричество и воду для космонавтов, а кроме того, электростанция на топливных элементах работает с 1984 г. в Токио, покрывая часть потребностей этого города в энергии).

Как показали профессора Огден и Вильяме из Принстон-ского университета, вследствие революции, произошедшей в производстве фотогальванических элементов, необходимых для получения водорода из воды, экономически конкурентоспособный водород можно будет производить (с помощью солнечных панелей из аморфного кремния) уже в начале или середине XXI века, если приложить усилия к окончательной отработке этой технологии.

Абсолютно никакого загрязнения

Схема использования солнечной энергии, о которой у нас пойдет разговор в дальнейшем, иногда еще называется солнечно-водородной энергетической системой. Положим для простоты, что солнечная энергия конвертируется в электричество, а для транспортирования его на дальние расстояния или для использования ночью, мы с помощью электролизера производим водород, тратя на это электричество, которое не нужно нам для неотложных дел - для обеспечения работы фабрик или использования в быту.

Водород переправляется по трубопроводам в города, совсем как сейчас перекачивается природный газ.

Преимущество такой системы состоит в том, что излишнее электричество (то, которое не используется немедленно) производит водород и не пропадает. Кроме того, значительно дешевле транспортировать водород по трубам, чем избыточное электричество по проводам. И в конечном счете, важно, что водород и солнечная энергия не загрязняют окружающую среду. Когда водород используется в качестве источника тепла или энергии, его конечным продуктом является вода.

Основанные на нем системы или совсем не производят СО2, или производят его в ничтожных количествах. Кроме того, нет никакой серы, вызывающей кислотные дожди, и никаких опасных загрязнителей, образующих смог. Солнечная энергия не кончится в ближайшие несколько миллиардов лет, она вечна с нашей точки зрения, и мы сможем получать водород из воды, зная, что она тоже никогда не кончится, ведь конечным продуктом будет опять же вода. Таким образом, солнечно-водородная энергия оказывается чистой и возобновляемой.

Многие природные процессы на нашей планете являются самоподдерживающимися - кровеносная система людей и животных, дыхательная система растений, животных и человека, пищевая цепочка и круговорот воды в природе. Разве не кажется вам, что и энергию мы должны получать из возобновляемого источника?

11 СОЕДИНЯЯ СОЛНЦЕ И ВОДОРОД
Преимущества солнечной энергетики

В этой главе мы более детально взглянем на предложенную нами энергетическую систему.
Без солнечных лучей жизнь на этой планете была бы невозможна. Наша жизнь была бы не так комфортна и удобна без электричества, нефти и бензина, но мы. можем выжить без них. Без Солнца все растения и животные погибнут, и жизнь на Земле подойдет к концу.

Когда Солнце - сила которого оживляет нас - будет использоваться для производства электричества, то это будет чистая и безопасная форма энергии. Более того, эта энергия почти бесконечна. Мы говорим "почти", потому что наше Солнце, давая свет и энергию Земле и другим планетам Солнечной системы, понемногу сжигает себя, но не волнуйтесь, ведь ученые оценивают, что прежде чем погаснуть, оно будет светить еще несколько миллиардов лет.

Прямое и непрямое получение
солнечной энергии

В понятие солнечной энергии входит не только солнечное излучение; есть виды энергии, которые наше светило производит не напрямую. Например, за дневное время суша нагревается быстрее, чем океаны, в результате сильнее нагревается и воздух над ней, становясь легче, он поднимается вверх. Более холодный воздух с океанов спешит заменить его собой, вызывая воздушные течения - ветры. Ночью все поворачивается вспять - земля остывает быстрее, находящийся над ней воздух начинает двигаться в сторону океана, создавая противоположный ветер.

Несколько столетий назад люди поняли, что вполне возможно использовать эти воздушные потоки, и стали строить ветряные мельницы, которые качали воду, мололи пшеницу и выполняли прочую рутинную работу. Сегодняшние потомки этих маньниц называются ветряными машинами, но основаны они на том же самом принципе. Большинство из них используется для производства электричества, хотя некоторые из них до сих пор качают воду и мелют зерно, особенно в странах третьего мира.

Еще одним примером непрямого действия солнечной энергии является гидроэлектричество. Солнечные лучи испаряют воду с поверхности океанов, озер и рек, образуя облака. Ветры несут их по направлению к суше. Проходя над ней, облака в конце концов встречают горы и поднимаются все выше и выше. Наверху, остыв, они проливаются дождем, сыплют снегом, ледяной крупой или орошают землю росой - осадками, образованными сконденсировавшимися на высоте водяными парами. Эти осадки в конечном итоге или формируют ручьи и реки, которые впадают в озера, моря или океаны, или уходят под землю, образуя подземные воды.

В прошлом, когда люди селились около быстрых ручьев или рек, они, чтобы использовать их энергию, строили водяные мельницы. В наше время люди строят громадные плотины, чтобы собрать побольше воды. Затем под напором пропускают ее сквозь гигантские турбины и получают электричество.

Есть и другие формы косвенного воздействия Солнца, которые не так хорошо известны, как упомянутые нами выше, - тепловая энергия океанов, течения и волны. Если первые два явления вызваны разницей температур, то последнее - энергией ветра. Приливы тоже можно считать непрямым воздействием Солнца, ведь они вызваны полем тяготения Луны, которая яатается частью Солнечной системы.

Непрямые формы солнечной энергии экологически чисты, хотя нам надо быть осторожными при выборе мест постройки плотин, чтобы они не угрожали различным видам растений и животных или человеческой жизни.

Недостатки солнечной энергии

Хотя солнечная энергия в своем прямом и косвенном воздействии хороша для окружающей среды, у нее все же есть свои недостатки. Она не столь удобна для использования, как бензин или природный газ.

Например, мы не можем использовать энергию ветра, чтобы летать на больших самолетах. И хотя существуют маленькие и легкие автомобильчики, приводимые в движение электричеством, полученным от солнечных панелей на их крыше, они пригодны только для открытых пространств за городом, да и то лишь в солнечные дни. Мы не можем просто заправить машину солнечной энергией где и когда угодно.

В зонах умеренного климата солнце в среднем светит только шесть-семь часов в день, в тропиках - семь или восемь часов. Если будем двигаться от умеренных зон дальше на север или юг, то дни начнут становиться длиннее, но только летом, а зимой, наоборот, короче, но в то же время и интенсивность солнечных лучей тоже уменьшится, потому что им придется проходить большую дистанцию через рассеивающую атмосферу. Например в приполярных регионах "день" длится шесть месяцев, но солнечный свет там значительно слабее, чем в Европе или США, и еще слабее, чем на экваторе.

У солнечной энергии есть еще один недостаток, который мы уже отмечали - в целом ее прямое и непрямое воздействие сосредоточено в областях, далеких от центров ее потребления. Энергия солнечных лучей сильнее всего в тропиках и субтропиках, в то время как основные потребители сосредоточены в умеренных зонах. Энергия ветра наибольшая в полярных регионах и не столь велика в умеренных областях. То же самое можно сказать и о гидроэнергии, термальной энергии океанов, энергии волн, течений и приливов - в большинстве своем она наименее доступна в тех районах, где более всего нужна.

Необходимость связующего звена

Существуют места, где в какое-то время и прямое и непрямое воздействие солнечной энергии недоступно. И даже если эта энергия присутствует, она достается нам не в той форме, в которой ее можно применить дома, на заводе или в транспортной системе, поэтому необходимо каким-нибудь образом аккумулировать энергию солнца, ветра, волн, океанического тепла, приливов и течений тогда и там, где она доступна.

Другими словами, нам нужен накопитель энергии, который будет действовать как связующее звено (посредник) между солнечной энергией (прямой или непрямой) и потребителем.

Это связующее звено должно отвечать следующим условиям:
o оно должно быть удобно в хранении и транспортировании;
o это должно быть топливо, которое можно использовать на транспорте, в домах и промышленности;
o оно должно отвечать требованиям экологической чистоты;
o его ресурсы должно быть неограниченными.

Водород лучше всех отвечает перечисленным условиям. Он не производит никаких веществ, вызывающих парниковый эффект, никаких химикатов, образующих смог и кислотные дожди, за исключением оксидов азота, что в принципе контролируемо. Действительно, в топливном элементе оксиды азота полностью отсутствуют. Все, что он производит - это электричество и водяной пар. Таким образом, водород является самым чистым топливом.

Водород также и эффективное топливо. Он может быть конвертирован в другие формы энергии (механическую и электрическую) более эффективно, чем прочие виды топлива. Например, в автомобилях его коэффициент полезного действия составляет 60 %, в то время как эффективность бензина - всего 25 %. Другими словами, водород в 2,5 раза более эффективен, чем бензин. Для сверхзвуковых самолетов водород оказывается на 38 % эффективнее реактивного топлива. Эта повышенная эффективность означает, что тратится меньше топлива и его хватит на большее расстояние.

Свойства водорода

Водород, самый легкий из всех элементов, является в то же время и самым распространенным, составляя примерно 80 % всей материи во Вселенной. Он присутствует во всех типах ископаемых топлив даже после переработки и в самом большом из наших источников топлива - Солнце. Оно состоит почти на все 100 % из чистейшего водорода, а энергия его излучения появляется в результате реакции синтеза с участием атомов этого элемента. Юпитер тоже почти целиком состоит из водорода - жидкого на поверхности, твердого внутри и металлического в ядре планеты (металлический водород - это твердое состояние водорода, образованное под влиянием высокой температуры и давления).

На Земле водород в свободной форме редок, в основном он соединен с кислородом, образуя воду. Каждые два из трех атомов молекулы воды представляют собой водород, так что океаны, озера и реки - это просто настоящие водородные "шахты". Если мы собираемся использовать водород в качестве энергоносителя, мы должны производить его из насыщенных им соединений, так что вода, именно то, что нам надо (особенно, если вспомнить, что в результате применения водорода как топлива мы снова получим воду).

Солнечно-водородная энергетическая система

Водород очень хорошо восполняет недостатки солнечной энергетики, и это соединение солнца и водорода называют солнечно-водородной энергетической системой.

В ней водород производится одним из методов его получения с использованием солнечной энергии в ее прямой или непрямой форме в зависимости от того, как удобнее. Затем он может переправляться по трубопроводу или в супертанкере в те районы, где нужно получить электричество или где водород может быть сразу использован в качестве топлива для обогрева, приготовления пищи или на транспорте. Везде, где сейчас используются ископаемые топлива, вполне можно применять водород, получая при этом значительную выгоду, не ухудшая состояние окружающей среды.

Солнечная энергия и водород идут рука об руку. Они не лягут на планету тяжелым бременем, так как не создают загрязнения, кислотных дождей или парникового эффекта, а кроме того водород - весьма эффективное и практически безотходное топливо.

Заключение

Думается, имеет смысл использовать чистые и возобновляемые формы энергии. Солнце и водород существуют вместе уже долгое время и будут производить энергию еще столько времени, что даже трудно представить. Чтобы сделать жизнь более здоровой, нам стоит воспользоваться ими.

12 топливо для
ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Если соединить вместе солнечную энергию и водород, они предоставят энергию для транспортной системы, обогрева и охлаждения, домашних нужд и освещения, причем не только днем, но и ночью, и когда небо покрыто облаками. Они могут обеспечить все потребности деревень и городов с их промышленными предприятиями. Это очень гибкая система, которой можно найти применение в любой сфере жизни общества. Она может делать все чище и эффективнее, чем ископаемые топлива.

Топливо для промышленности

В ходе промышленной революции машины начали вытеснять человеческий труд. Это привело к снижению цен на товары, и, таким образом, многие люди получили возможность приобретать их. Общество двинулось по направлению к достатку. Чтобы удовлетворять растущие запросы постоянно увеличивающегося населения, за два века после начала промышленной революции резко возросло количество заводов, да и сами они стали крупнее, что привело к повышеннному энергопотреблению.

Созданная инфраструктура потребления ископаемых топ-лив (топливовозы и трубопроводы), вполне может быть использована при переходе на солнечно-водородную энергетику. Окружающая среда от этого только выиграет.

Первый шаг всегда самый трудный. Но мы знаем - чтобы сохранить окружающую среду, все равно придется идти на перемены в организации промышленного производства. Нужно только, чтобы эти перемены осуществлялись относительно безболезненно. Нам есть над чем подумать, но в первую очередь мы должны решить, как солнечная энергия станет основой промышленности, а затем можно думать и о ее приложениях.

Солнечно-водородное производство

Как мы уже упоминали, хотя солнечная энергия экологически благоприятна, но не всегда и не везде доступна. В среднем ее можно получать в течение примерно одной трети суток, и даже тогда ее интенсивность меняется от слабой по утрам и вечерам до максимальной в полдень. Поэтому мы должны запасать солнечную энергию в те моменты, когда ее много, чтобы использовать потом, когда она отсутствует.

С помощью солнечной энергии экологически чистый водород можно производить четырьмя различными путями - прямым нагревом, термохимическим путем, электролизом и фотолизом.

Прямой нагрев
В этом методе водяной пар нагревается до 1400 °С или выше, после чего молекулы воды (кратко - Н2О) начинают распадаться, образуя газообразные водород и кислород. Чем выше температура, тем выше скорость распада молекул в паре. Тот же эффект может быть достигнут путем уменьшения давления пара, другими словами, высокие температуры и малые давления - наилучшие условия для получения водорода методом прямого нагрева.

Чтобы получить достаточно большое количество водорода, которое можно было бы использовать в промышленности, нагрев должен происходить до 2500-3000 °С. Самым экологически чистым способом получения таких температур является использование энергии Солнца. Но как это обеспечить? Солнечные лучи ведь не несут такое количество тепла к поверхности земли.

Решением является система зеркал, собирающая и концентрирующая лучи на малой поверхности, что очень похоже на поджигание бумаги с помощью увеличительного стекла. Большие концентрирующие (параболические) зеркала могут фокусировать солнечную энергию на контейнерах с водой. Такая конструкция называется солнечной печью, поскольку она дает высокотемпературный пар без всякого загрязнения.

Тем не менее есть две проблемы, связанные с этим методом. Одна из них заключается в том, что контейнеры для воды не выдержат температуру, необходимую для начала реакции разложения воды, следовательно, должна быть использована весьма эффективная система их охлаждения. А вторая проблема состоит в том, что разделившись, водород и кислород при снижении температуры могут начать соединяться, вновь образуя воду. Исследования по производству водорода из воды методом прямого нагрева проводятся сейчас во Французской национальной лаборатории по солнечной энергетике в Одейо, и их целью является поиск эффективных и экономически выгодных путей применения этого метода.

Термохимический метод
В принципе нам не нужны температуры 2500-3000 °С, чтобы разлагать воду. Если гораздо более холодный пар пропустить через порошок железа при температуре 300-1000 °С, то кислород покинет связанный с ним водород, окислив железо и образовав ржавчину. Затем, нагрев ржавчину, мы сможем восстановить железо, снова получив готовый к работе порошок. Используя большое количество железного порошка и постоянно повторяя этот процесс, можно получать газообразный водород. Это лишь один пример термохимического метода. В настоящее время проводятся исследования по применению таких металлов и химических веществ, чтобы этот процесс стал более дешевым.

Электролитический метод
Технология этого метода в наши дни уже хорошо разработана. С ее помощью элементы, подобные автомобильным аккумуляторам, используются для производства водорода и кислорода из воды. Каждый элемент состоит из двух электродов, помещенных в электролит (воду с добавлением специальных химических веществ, повышающих ее электропроводность) и подсоединен к источнику постоянного тока. Если к электродам приложить напряжение, достаточное для возникновения тока, то кислород будет выделяться на одном из них (аноде), а водород - на другом (катоде). Таким образом, вместо того, чтобы разлагать пар с помощью тепла, мы разлагаем воду электричеством.

Заметим, что, когда с помощью солнечной энергии мы нагреваем пар, используя метод прямого нагрева или термохимический метод, а также получаем электричество дня производства водорода электролизом, мы ограничены тем временем, когда светит солнце. Чтобы использовать эти методы, нужно провести исследования и найти способы запасать солнечную энергию, чтобы производить электроэнергию 24 ч в сутки.

Фотолитический метод
В этом последнем методе солнце используется для прямого разложения воды на водород и кислород, не прибегая к помощи высоких температур или электричества.

Молекулы воды поглощают мельчайшие частицы, из которых состоят солнечные лучи - фотоны. Захватив много этих частиц, молекула сама распадается на водород и кислород. Это явление называется фотолизом.
Фотоны ультрафиолетовой части спектра солнечных лучей обладают достаточно высокой энергией, необходимой для прямого фотолиза воды. Однако большая часть ультрафиолетового излучения поглощается в верхних слоях атмосферы озоновым слоем (даже несмотря на то, что он истончается).

Таким образом, не так уж много ультрафиолета достигает земли. С одной стороны, это очень хорошо, потому что слишком большое его количество было бы опасно для живых существ. Но, с другой стороны, для фотолиза нам нужно или усилить солнечное излучение, или как-нибудь инициировать разложение воды. И если первое небезопасно для здоровья, то лучше помочь воде распадаться, добавляя в нее метачлы или другие неорганические вещества, которые будут поглощать больше фотонов, чем это может сделать сама вода.

Фотолитический метод получения водорода не очень эффективен, зато он дешевле, чем остальные, потому что нет необходимости в использовании какого-нибудь оборудования и механизмов - ничего того, что само бы потребляло энергию.

Хранение

Мы вам продемонстриров&чи, что существуют чистые способы производства водорода, но как его можно хранить, чтобы использовать для нужд промышленности? В крупных масштабах лучше всего хранить "солнечный" водород под землей - это самое дешевое решение. Например, мы можем использовать пустоты, оставшиеся после выкачивания нефти и природного газа, или шахты и прочие подземные сооружения. Подобные хранилища уже существуют в Великобритании и Франции.

Распределение

Теперь нам надо доставить запасенный водород промышленности. В небольших количествах его можно перевозить и распределять в топливовозах как газ, но для промышленности, требующей громадных количеств энергии, трубопроводы являются гораздо более экономичным способом транспортирования и распределения больших объемов водорода.

В действительности уже существуют водородные трубопроводы в некоторых районах США и Европы, использование которых уже позволило накопить определенный опыт безопасного распределения водорода. Этот опыт неоценим, потому что, если энергию необходимо переправить на 3000 км, куда дешевле транспортировать ее по трубам в качестве водорода, чем по высоковольтным линиям в виде электричества. Электроэнергия, передаваемая по проводам непременно должна быть использована, иначе она пропадет. Водород же может оставаться в трубах до тех пор, пока не понадобится* - это значительное преимущество.

Другим доводом в пользу водорода является то, что в этом случае не нужно отчуждать земли дня постройки линий электропередач. Например, представим себе промышленный комплекс, получающий электричество по высоковольтным проводам. Такая линия на всем своем протяжении от трансформаторной станции до комплекса представляет собой полосу отчуждения шириной примерно 100 м или даже более, и все это тянется на многие километры, включая в себя неприглядные башни, опоры и провода, уродующие пейзаж. Однако этот же комплекс мог бы удовлетворять свои потребности в энергии с помощью водорода.

Электричество получалось бы прямо на предприятии в топливных элементах, механическая энергия - в водородных транспортных средствах, тепловая - при обогреве зданий с помощью газовых водородных нагревателей. И весь этот водород мог бы быть доставлен на комплекс по одной единственной подземной трубе.

А что же будет с кислородом?

В водородной энергетической системе из воды, одновременно с водородом, также производится и кислород. Он может быть помещен в хранилища и (или) доставлен по трубопроводам к тем производствам, которые в нем нуждаются, или просто выброшен в атмосферу. При сжигании водород будет соединяться с кислородом или из хранилищ, или прямо из воздуха. Таким образом, если весь водород будет перерабатываться и в результате работы водородной энергетической системы не будет происходить увеличения или уменьшения его содержания в окружающей среде, то и кислород тоже будет полностью перерабатываться, и его количество тоже останется постоянным.

Для транспорта, наземного или воздушного, необходимый кислород будет получен из атмосферы, и, следовательно, соответствующее его количество - полученное вместе с водородом при разложении воды - должно быть выпущено в воздух. В других же случаях, например, в ракетах и космических кораблях, кислород и водород в жидком виде будут находиться на борту в специальных баках, поскольку в космосе нет кислорода. На мощные электростанции на топливных элементах чистый кислород может доставляться по трубопроводам. В сравнении с получением кислорода из воздуха, это позволит увеличить эффективность работы топливного элемента.

Конечно, под лучами солнца, особенно ультрафиолетовыми, молекулы кислорода могут распадаться на атомы, а затем рекомбинировать с другими молекулами, образуя озон. Но в природе этот процесс и так происходит постоянно, поскольку воздух содержит 21 % кислорода, и к тому же он весьма неинтенсивен.

Развитие водородных энергетических систем не приведет к заметному изменению содержания кислорода в атмосфере. Его средняя величина, несмотря на небольшие колебания в сторону увеличения или уменьшения, останется неизменной.

Промышленные отходы

Если мы начнем производство "солнечного" водорода и "солнечного" электричества (в прямом или непрямом процессе), то в конце концов сможем удовлетворить все потребности промышленности без загрязнения окружающей среды.

13 ЭНЕРГИЯ ДЛЯ ДОМА
Электричество от солнца

В предыдущих двух главах мы узнали, как солнечная энергия в своих двух формах может быть использована вместо ископаемых топлив для удовлетворения наших нужд, включая и производство электричества. Некоторая часть этой электроэнергии может быть использована для разложения воды на водород и кислород в устройстве, называемом электролизером. Водород потом можно применять в качестве источника энергии, когда нет солнца, например ночью, или когда недоступны непрямые формы солнечной энергии.

Электричество может быть получено из водорода тремя разными путями - с использованием газовой турбины, паровой турбины и топливного элемента. Сегодня газовые турбины используются для получения механической и производства электрической энергии (когда турбина соединена с генератором). Обычно в них используется природный газ, наполняющий атмосферу углекислотой и другими загрязнителями, но если газовые турбины будут работать на водороде, они смогут производить то же количество энергии чисто и более эффективно.

Большие количества механической и электрической энергии мы получаем от паровых турбин. Сейчас они применяются там, где царят уголь и мазут, загрязняющие планету и способствующие развитию парникового эффекта, или на атомных электростанциях, у которых тоже немало проблем (см. главу 8). Однако пар может быть получен гораздо более чистым путем сжигания водорода в чистом кислороде. При этом он нагревается до 3000 °С, что в 10, а то и в 20 раз выше, чем самая большая температура в обычной духовке. Голубое пламя, вырывающееся из дюз при старте космического корабля, состоит как раз из такого высокотемпературного водяного пара, полученного при сгорании водорода в кислороде. Конечно, ни один конструктивный материал не может без дополнительного охлаждения долго выдерживать такую жару, так что ракетные двигатели возле сопла приходится охлаждать жидким водородом с температурой -253 °С. На электростанциях, чтобы снизить температуру до допустимого уровня, к горячему пару добавляют воду.

Есть также и третий способ получения электричества из водорода, который основан на его уникальных особенностях. В топливных элементах водород соединяется с кислородом и производит электричество; при этом конечным продуктом является вода - источник водорода, так что процесс получается возобновляемым и экологически чистым.

Электроэнергия из топливных элементов может быть использована для домашних и промышленных нужд, хотя, конечно, ее нужно трансформировать, прежде чем использовать в энергетических системах.

Топливные элементы могут быть самого разного размера: маленькие, размером вдвое меньшим домашнего кондиционера, вполне могут обеспечить все потребности квартиры или дома в электричестве, большие - снабжать энергией заводы, магазины и т.д. В зависимости от типа топливного элемента его эффективность может меняться от 40 до 85 %. Кроме электричества эти элементы производят еще и тепло, которое может нагревать воду, отапливать помещения и использоваться для сушки.

В Японии с 1984 г. успешно работает электростанция на топливных элементах мощностью 4,5 МВт, которой достаточно для города с населением в 10 тыс. чел., а в США несколько установок мощностью 40 кВт испытаны в качестве источников электричества для домов и показали эффективность 70 %. Если продолжить работы, то в будущем вполне можно повысить коэффициент полезного действия этих устройств.
Еще одним преимуществом топливных элементов является то, что отпадает необходимость строительства множества трансформаторных станций, поскольку каждый дом, здание или предприятие будут производить свою собственную электроэнергию. Это избавит ландшафт от многочисленных опор линий электропередач, уродующих его.

Наилучшим топливом для топливных элементов является водород. Получая его из ископаемых топлив или спиртов наподобие метилового, мы будем загрязнять атмосферу, что приведет к парниковому эффекту, кислотным дождям и смогу. Но получая водород из воды, мы не наносим ущерба природе. И настанет день, когда каждый дом, фабрика, магазин, офис будут оснащены собственным топливным элементом. При этом мы должны быть уверены, что топливо для него получено самым безопасным путем - из воды.

Практические применения
Отопление и кондиционирование

Дома, офисы и предприятия должны либо отапливаться, либо кондиционироваться, чтобы создать людям комфортные условия для жизни и работы. Используя солнечно-водородную систему этого очень легко добиться. Произведя электричество, мы можем пустить его на обогрев, получив тепло с помощью электронагревателей или тепловых насосов; посредством обычных систем воздушного кондиционирования применить электричество для охлаждения, а в кондиционерах с реверсивным циклом - одновременно и для обогрева, и для охлаждения.

Уже разработаны встроенные в стены отопительные системы, основанные на каталитическом сжигании водорода. Они используют его уникальное свойство сгорать без пламени. Воздух попадает в такую систему через катапитическую пластину, сделанную из пористой керамики с вкраплениями платины. Водород поступает с другой стороны, и беспламенное горение происходит внутри пористого материала, распространяя тепло по комнате. Подобные панели могут быть развешаны по комнате, встроены в стены или скрыты под различными поверхностями, чтобы не портить интерьер. Такие комнатные нагреватели могут работать при относительно низких температурах и при этом с высокой (почти 100 %-ной) эффективностью.

Еще одним способом использования водорода для обогрева и охлаждения может стать устройство, которое применяется для сохранения постоянной температуры в космических скафандрах - гидридный тепловой насос.

Гидриды - это металлические сплавы, взаимодействующие с водородом и впитывающие его, как губка воду. Эти "металлические губки" чувствительны к температуре, "выжимая", высвобождая, водород при ее повышении и поглощая при охлаждении. Эти их свойства использовались для построения систем отопления и охлаждения, разработанных в Японии и США, и в скором времени мы сможем увидеть их в продаже. Большое преимущество таких систем заключается в том, что в них не используется фреон, поэтому они не наносят ущерб озоновому слою.

Приготовление пищи
Приготовление пищи - дело первой необходимости. Мы немало продвинулись в этом направлении со времен наших предков и уже не можем отказаться от своих кухонных плит, печей, духовок и микроволновок, так что нам нужна чистая и эффективная форма энергии, чтобы поддерживать те стандарты жизни, к которым мы привыкли с детства. Солнечно-водородная энергетика способна дать это.

Самый очевидный и простой способ - использовать водород в обычных газовых горелках, а поскольку водородное пламя практически невидимо, то в него можно добавлять небольшие количества углеводородов или других примесей, чтобы окрасить огонь для обеспечения большей безопасности.
Другой путь - использовать не менее обычные электрические плиты, работающие на энергии, полученной от солнца и водорода с использованием топливных элементов.

Но есть еще и третий метод - использовать каталитическое горение, как и в описанных выше нагревателях. Большим его преимуществом является то, что тепло производится без открытого пламени и при достаточно низкой температуре. Такие устройства более безопасны и отдают кастрюлям и сковородам для приготовления еды больше тепла. Эффективность каталитического сжигания водорода с целью приготовления пищи достигает 85 %, в то время как у обычных газовых горелок она равна 70 %. И оба эти метода куда эффективнее традиционного сжигания природного газа, который дает только 60 %-ную эффективность.

В тропиках прямые солнечные лучи позволят готовить пищу прямо на открытом воздухе. Уже существуют солнечные печки, концентрирующие тепло солнца на кастрюле или сковороде.

Освещение
Свет - вот еще одна насущная необходимость нашей жизни, причем освещение необходимо не только в домах и других зданиях, но на улицах.

В дневное время нам вполне хватает света солнца, особенно на открытых пространствах или в малоэтажных домах с большим количеством окон. Солнечный свет - наиболее естественный для человека, и его несущие энергию лучи в первую очередь способствовали развитию жизни на нашей планете.

Но если мы взглянем на комнаты в высотных домах и офисных зданиях, заслоняющих друг от друга солнце, то увидим, что многие из них или совсем не освещены, или получают очень мало дневного света. Япония стоит на переднем крае борьбы с этим яапением - там разработаны так называемые "солнечные трубы".

Начинаясь там, где света достаточно (на крыше или солнечной стороне здания), трубы с отражающей внутренней поверхностью и зеркалами на изгибе' направляют лучи света во внутренние комнаты и коридоры. Пройдя сквозь эту уникальную систему, свет остается достаточно сильным, чтобы можно было принимать солнечные ванны в собственной спальне. И хотя эта японская система освещения входит в моду, полученное от солнечной энергии и (или) из водорода электричество, подведенное к лампочкам, представляет собой гораздо более удобный источник света.

Нагрев воды
В домах, офисах, общественных местах и на предприятиях нам нужна горячая вода. В тропиках, субтропиках и районах умеренного климата солнце можно напрямую использовать для нагрева воды - солнечные водяные нагреватели стали первым экономически выгодным применением его энергии. Они очень популярны в средиземноморских странах, на юге США и других жарких регионах.

Там же, где солнечного света недостаточно, можно будет применять традиционные водяные нагреватели, использующие вместо природного газа водород. Эффективность обычной газовой колонки составляет 60 %, а коэффициент полезного действия водородного нагревателя - 70 % (чем выше эффективность, тем меньше теряется тепла). Чтобы повысить эффективность и приблизить ее к 100 %, разрабываются другие методы нагрева воды, например, каталитические сжигатели.

Водоснабжение
Потребность в воде - одна из основных для человека и общества. В деревнях и других местах, где нет водопровода, используются колодцы. Чтобы выкачивать подземную воду с глубины, можно использовать солнечно-водородную энергию. Во-первых, можно с помощью солнечного и (или) водородного электричества привести в действие обычный водяной насос; во-вторых, если нет подвода электроэнергии, ничто не мешает подключить насос к водородному двигателю внутреннего сгорания; в-третьих, там, где велика энергия ветра, ее можно направить к тому же насосу, а в-четвертых, можно применить гидрид-ную установку, использующую солнечное и (или) сбросное тепло. Разработке эффективных гидридных установок различного назначения уделяется в последнее время все большее внимание.

Холодильники
В былые времена люди хранили пишу в погребах и кладовых, где воздух был прохладнее, чем снаружи. Затем появились ледники, куда приносили лед, купленный у тех, кто либо хранил его с прошлой зимы, либо мог приготовить его. Теперь же, чтобы сохранять пищу свежей, мы пользуемся холодильниками.

Если солнечное и (или) водородное электричество будут доступны, то использование его в обычных холодильниках станет обычным и привычным делом. Второй способ заключается в применении водорода для нагревания хладагента вместо природного газа в газовых холодильниках, преимуществом которых является отсутствие движущихся частей, что способствует более тихой работе, долгому сроку службы и низкой стоимости эксплуатации. При третьем способе каталитического горения хладагент будет нагреваться без открытого пламени, еще более увеличивая безопасность и эффективность работы. Четвертая альтернатива - применение гидридных систем, которые позволят избавиться от фреонов и сохранить озоновый слой.

Бытовые приборы и оборудование
Многие бытовые приборы и устройства - швейные и посудомоечные машины, компьютеры, электрические зубные щетки, пилы, дрели, радиоприемники, телевизоры, музыкальные центры и многие другие - нуждаются в электрических моторах и электронике, которые вполне могут работать на электричестве, полученном в солнечно-водородном цикле, не создающем загрязнителей, характерных для ископаемых топлив.

Некоторые из этих приспособлений - сушки для одежды, кухонные плиты, холодильники и водяные нагреватели - могут работать и на топливе. В этом случае может быть использована тепловая энергия, полученная при обычном или каталитическом горении водорода.

Солнечно-водородный дом и автомобиль

В будущем, когда народы мира полностью перейдут на солнечно-водородную энергетическую систему, не будет такого "засорения" ландшафта, как линии электропередач, которые пересекают сельскую местность и улицы городов. Энергия для всех нужд людей будет получаться от солнца (прямо или косвенно) и водорода. В города солнечно-водородная энергия придет из так называемых "солнечных ферм" - энергоцентров, созданных для использования различных форм солнечной энергии в зависимости от их расположения и времени суток.

Водород, произведенный на центральных водородных станциях, будет поступать в дома и прочие здания по подземным трубопроводам примерно так, как подаются природный газ и мазут сегодня (например, для обогрева, приготовления пищи,

Готова ли ты услышать следующее: согласно данным Национальной федерации защиты дикой природы (основанным на статистике использования электричества, полученного из угля) твой личный вклад в глобальное потепление заключается в... 5,8 килограмм углекислого газа в час от тостера, 5,8 килограмм в день от холодильника... и это не говоря уже о других приспособлениях и приборах, как на кухне, так и по всему дому!

сушки и т.д.). Для получения электричества будут использоваться различные типы топливных элементов. Чтобы ездить по городу, люди смогут заправлять свои автомобили водородом от домашнего трубопровода (конечно, будут нужны и общественные заправки для длительных поездок). Эксперименты показывают, что водородные автомобили нуждаются в меньшем техническом обслуживании, поскольку этот газ не производит ни химикатов, приводящих к коррозии конструкции, ни углеродной сажи, нарастающей в камере сгорания. Значит, работы в гараже будет гораздо меньше по сравнению с сегодняшним днем, и это тоже выгодно отличает использование солнечно-водородной энергетики вместо современных ископаемых топлив.

Водород, таким образом, является разносторонним, экологически чистым и гибким посредником в ежедневном применении солнечной энергии. Человек уже не будет просыпаться утром в клубах зловонных и опасных загрязнителей.

14 САМОЛЕТЫ, ПОЕЗДА,
АВТОМОБИЛИ И КОРАБЛИ

Самолеты, поезда, автомобили и корабли - всех их может привести в движение солнечная энергия или полученный с ее помощью водород. Уникальные свойства водорода - самого легкого и наиболее быстро горящего из всех известных топлив - делают его прекрасным горючим для ракет и просто идеальным для многих видов транспорта.

Космические путешествия

Чтобы изучать мир за пределами нашей планеты, космическим кораблям приходится преодолевать огромные расстояния. Им необходимо развивать громадные скорости, раз в 30 выше, чем у обычного самолета, чтобы преодолеть притяжение Земли, выйти на орбиту и направиться к Луне или другим планетам (здесь необходима скорость в 25 раз превышающая скорость звука). Чтобы так быстро двигаться, ракетам нужны очень мощные реактивные двигатели, потребляюющие огромное количество топлива.

Поэтому космический корабль должен быть достаточно вместительным, чтобы нести на себе и горючее, и окислитель - кислород, которого в космосе нет. Решить эту проблему можно, используя самое легкое горючее из всех существующих. В этом отношении водород идеален, потому что он представляет собой самый легкий элемент во Вселенной, поэтому очень быстро горит; он может быть сжат или сжижен, что позволяет сократить занимаемый им объем. Итак, водородное топливо - лучший выбор для космонавтики.

Сегодня и русские, и европейцы, и японцы уже используют в своих космических программах в качестве топлива водород. Национальная администрация аэронавтики и космических исследований США (НАСА) является крупнейшим потребителем водорода в мире, он стал основным топливом для ее космических кораблей.

Без помощи водорода НАСА не смогла бы отправить человека на Луну и осуществить его безопасное возвращение. Здесь стоит упомянуть, что не водород стал причиной трагической катастрофы "Челенджера" в 1985 г. Авария произошла из-за того, что пламя вырвалось из твердотопливных ускорителей, швы на которых были дефектными, перекинулось на баки с водородом и кислородом, в результате чего произошел взрыв.

НАСА работает по созданию претенциозной космической станции, которая будет собираться в космосе. Ее составные части будут доставлять "Шатлами" на орбиту, а основным топливом для них будет водород.

Кроме того, на самой станции водород посредством топливных элементов будет использоваться для получения электричества. Топливные элементы помимо электроэнергии, обеспечивающей функционирование космической станции, будут производить еще и чистую воду. Электричество, полученное с помощью солнечных панелей, разложит воду на водород и кислород, которые затем, когда станция окажется в тени Земли, будут использоваться в топливных элементах.

Если солнечные лучи не попадают на солнечные панели, то они становятся бесполезными. Водород же является самым эффективным аккумулятором энергии для производства электричества в любое время.

Аэропланы, аэрокосмические самолеты
и дирижабли

Из-за своего малого веса и высокой теплоты сгорания водород является идеальным топливом и для самолетов, как обычных, так и аэрокосмических, которые смогут летать и в атмосфере, и за ее пределами. 15 апреля 1988 г. недалеко от Москвы был осуществлен первый полет пассажирского самолета Ту-155 с водородным двигателем. Он был оснащен двумя установками - один двигатель работал на водороде, а другой на обычном реактивом топливе (ископаемого происхождения) и нес на борту бак с жидким водородом, а также систему его контроля и подачи.

Самолет взлетал и приземлялся на обычном топливе, а водород использовался во время основного полета. Впоследствии этот самолет-лаборатория выполнил множество полетов на водороде и сжиженном природном газе, что позволило накопить громадный опыт по разработке самолетов на криогенных топливах, используемый как в России, так и в других странах, например, Германии.

Через два месяца после полета советского самолета, 17 июня 1988 г., недалеко от местечка Форт Лаудердейл во Флориде отставной пилот компании Пан Американ Билл Конрад осуществил полет на одномоторном водородном самолете. И пусть этот полет продолжался всего 36 с, но самым важным было то, что самолет приводился в движение только водородом - и во время взлета, и в полете, и при посадке, поставив, таким образом, новый рекорд.

Сначала мистер Конрад планировал вырулить по взлетно-посадочной полосе к месту старта, затем оторваться от земли и облететь несколько раз вокруг аэропорта и его окрестностей на водородном топливе. Однако поскольку водород значительно легче обычного горючего, самолет во время выруливания на взлет внезапно оторвался от земли. Пилот мгновенно убавил газ, вернул машину обратно на землю и продолжил движение к точке старта, намереваясь продолжить полет. Но представители Управления гражданской авиации и другие официальные наблюдатели заявили, что рекорд уже состоялся и нет необходимости еще раз взлетать.

Ввиду важности космоса, как передового рубежа, в 1987 г. президент Рональд Рейган дал указание НАСА и американским Военно-воздушным силам начать разработку аэрокосмического самолета, способного развивать скорости от пяти до двадцати пяти скоростей звука. Ожидается, что его пассажирская версия, прозванная Восточным Экспрессом, сможет перелетать из Нью-Йорка в Токио или из Лос-Анджелеса в Сидней за 2 ч.

Космический вариант этой машины будет взлетать как обычный самолет, преодолевать силу земного притяжения, улетать за пределы атмосферы, летать в космосе, затем спокойно спускаться вниз и приземляться на взлетно-посадочную полосу, ничем не отличаясь от обычных аэропланов. Его двигатели будут получать кислород из воздуха во время полета в атмосфере и использовать запасы жидкого кислорода для полета в космосе. В качестве топлива для "Национального Аэрокосмического Самолета" выбран, конечно, водород.

Другие страны также разрабатывают свои аэрокосмические самолеты. Британский называется "Hotol". Немецкий вариант под названием "Sanger" будет состоять из двух самолетов, один из которых будет укреплен над другим. Больший (самолет-матка) будет развивать до пяти скоростей звука, а маленький, работающий на жидком водороде, будет стартовать с его "спины", улетать в космос, затем возвращаться в атмосферу и садиться на обычный аэродром. А самолет-матка, отправив аэрокосмический самолет в полет, будет возвращаться обратно.

Японское правительство тоже приняло решение начать разработку гиперзвукового самолета, способного развивать скорости до пяти-семи скоростей звука. Работы планировалось вести в течение семи лет и первый полет должен был состояться в конце века.

Не отстают и частные аэрокосмические компании и производители реактивных двигателей, у них тоже есть планы осуществления воздушных и космических полетов с помощью таких самолетов в XXI веке.

Ожидается, что дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые самолеты начнут летать на водороде в начале столетия. Исследования корпорации Лок-хид показывают, что водородные самолеты будут более эффективными, чем летающие на обычном реактивном топливе.

Водород - это идеальное горючее не только для самолетов и космических кораблей; будучи самым легким веществом, он является идеальным газом для заполнения дирижаблей. Двигатели этих воздушных кораблей могут использовать в качестве топлива водород из баллона, используемого для подъема в воздух. Некоторые авиакомпании планируют начать строительство дирижаблей для дешевой перевозки крупных грузов через континенты и океаны. Поскольку сейчас мы уже научились безопасному обращению с водородом, появилась возможность разработать и построить дирижабли, которые не приведут к катастрофам, подобным известной гибели "Гинденбурга".

Поезда

Хотя во многих странах, например в России, Англии и Франции, железные дороги полностью или частично электрифицированы, в США и некоторых других государствах они напрямую зависят от дизельного топлива. Учитывая, что запасы нефти в будущем могут иссякнуть, и ущерб окружающей среде, который она причиняет, значителен, в качестве альтернативы рассматриваются другие виды топлива, в том числе и водород.

Железные дороги потребляют до 1,5 % всех ископаемых топлив, добываемых в мире, в основном в виде дизельного топлива. Однако по ним перевозят до половины всех насыпных грузов, а это говорит о том, что железные дороги - самый выгодный вид транспорта по сравнению с прочими.

Все электрифицированные железные дороги так и просятся, чтобы их включили в состав солнечно-водородной энергетической системы. С другой стороны, рассматривая возможность электрификации железнодорожной сети, например в США, нужно учитывать в какую сумму это обойдется. Переход может быть оправдан только там, где существует интенсивный график перевозок, например от Вашингтона в Нью-Йорк и Бостон.

Там, где большие инвестиции в электрификацию не могут быть оправданы экономически, возможной альтернативой могут явиться локомотивы на водородной тяге. Исследования, проведенные такими организациями как Федеральное управление железных дорог США и Американская ассоциация железнодорожников, производителями локомотивов и железнодорожными компаниями, показывают, что нет никаких существенных технических проблем, препятствующих переходу на водородное топливо.

Водород уже многие годы повсеместно перевозится в виде криогенной жидкости в специальных теплоизолированных цистернах, значит можно вполне безопасно работать с жидким водородом в обычных условиях.

Канадские железнодорожники и производители локомотивов уже работают над демонстрационным проектом водород-но-дизельно-электрического поезда, который будет курсировать между Торонто и Виннипегом по Канадской Тихоокеанской дороге.

Для локомотивов применение двигателей на водородных топливных элементах может оказаться весьма практичным. Топливные элементы, работающие на водородном топливе, - хорошая альтернатива обычным дизельным двигателям, так как они экологически чище и эффективнее.

Автомобили

В прошлом персональным транспортом были ослы и лошади, но сейчас, особенно в богатых западных странах, большинство людей используют в этом качестве автомобили. На них мы ездим на работу, за покупками и на отдых, практически везде! И если мы не переведем их на использование водородного топлива, наша единая солнечно-водородная система будет неполной.

У водорода есть уникальное свойство, делающее его идеальным топливом для автомобилей: он горит в обедненной смеси. Бензин и другие нефтепродукты, природный газ и прочие углеводороды загораются только в обогащенной смеси, то есть, чтобы добиться хороших результатов, смесь топлива с воздухом должна быть весьма насыщенной. Когда вы, например, останавливаете машину перед светофором или просто замедляете движение, потребность в мощности снижается, однако подача бензина в двигатель уменьшается не пропорционально действительно необходимой мощности. Следовательно, значительная часть топлива используется впустую. Если снизить его подачу, горение может прекратиться, и двигатель заглохнет.

Однако поскольку водород горит даже в обедненной смеси, мы вполне можем существенно уменьшить его подачу в двигатель в случае остановки у светофора или при снижении скорости, не расходуя его понапрасну. Поэтому водородные автомобильные двигатели на 60 % эффективнее, а заодно экологически чище своих бензиновых аналогов.

Уже сегодня разработаны не слишком громоздкие системы на топливных элементах, с помощью которых автомобили смогут работать еще более эффективно, чем на двигателях внутреннего сгорания как водородных, так и бензиновых. Водородные автомобили на топливных элементах могут оказаться в два, а то и в три раза более экономичными, чем сжигающие бензин.

По всему миру создаются экспериментальные легковые машины и автобусы с водородными двигателями внутреннего сгорания, работающие на топливных элементах. Специалисты Май-амского университета Адт и Свен впервые переделали автомобиль под водород еще в 1972 г. Городской автобус, работающий на водороде, начал ходить в 1975 г. в Риверсайде, штат Калифорния, с целью изучения пригодности водорода для решения проблемы смога в Лос-Анджелесе. В Берлине целый парк автомобилей "Мерседес", разработанных компанией Даймлер-Бенц, успешно работает на водороде с 1985 г. Работы успешно проводятся в Канаде, США, Японии, Германии и других странах, где выпущено множество модификаций водородных автомобилей.

Единственной преградой широкому распространению таких машин является сегодняшняя высокая цена на водород, которая в два-три раза дороже бензина. Однако если вы учтете ущерб, причиняемый ископаемыми топливами окружающей среде, и более высокую эффективность водорода, он окажется более приемлемым, чем обычные топлива.

Как уже упоминалось ранее, водород может храниться в трех видах: как сжатый газ в емкостях высокого давления, в жидком состоянии в теплоизолированных сосудах и в гидридах - химическом соединении с некоторыми металлами и сплавами. Последний метод уникален для водорода - никакое другое топливо не может храниться подобным образом. Гидридообразующие металлы и сплавы впитывают его, как губка воду. Другими словами они могут очень компактно хранить водород.

По всему миру продолжаются исследовательские и конструкторские работы с целью определить, какой способ будет наилучшим для водородных автомобилей. Существуют демонстрационные проекты для каждого из упомянутых способов. Например майамский автомобиль использовал сжатый газ, риверсайдский автобус хранил топливо в гидриде, а некоторые немецкие прототипы применяли сжиженный водород.

Корабли

Водород станет идеальным топливом и для кораблей, в особенности благодаря своей способности соединяться с гид-ридными сплавами. Чтобы понизить расположение центра тяжести и обеспечить устойчивость, судну нужен балласт, и обычно этот дополнительный вес создается с помощью тяжелого металла. В случае кораблей с водородным топливом гидриды позволяют убить двух зайцев одним выстрелом - они создают балласт, который одновременно является и топливным баком. Конечно можно использовать и сжатый газ и (или) жидкий водород, направляя их в газовую турбину, двигатель внутреннего сгорания или (что наиболее эффективно) в топливный элемент для приведения судна в движение и получения энергии на прочие нужды.

Предполагается, что супертанкеры могут транспортировать водород из стран солнечного пояса в промышленно развитые районы в виде жидкости, примерно так, как сейчас танкеры перевозят сжиженный природный или попутный газ. В этом случае все равно будет нужен водород, запасенный в гидриде, расположенном в качестве балласта вдоль киля корабля. Ведь даже в жидком состоянии водород очень легок, примерно раз в десять легче нефти, и его веса недостаточно, чтобы придать устойчивость кораблю.

Водород - идеальное топливо и для подводных лодок. В настоящее время неядерные подводные лодки приводятся в движение дизельными двигателями в надводном плавании и кислотно-свинцовыми электрическими батареями - под водой. В Германии разработана подлодка, которая работает на водородно-кислородных топливных элементах. Водород хранится в гидридах, обеспечивающих необходимый лодке балласт, а кислород - в жидком виде в теплоизолированных емкостях.

Лодка работает на водороде и кислороде, полученных из воздуха, во время надводного плавания и на водороде и жидком кислороде под водой. Она работает намного тише, чем обычные дизельные субмарины; может дольше находиться под водой (что весьма важно с военной точки зрения); на ней нет опасных химикатов, подобных тем, что используются в кислотно-свинцовых батареях, вырабатывающих загрязняющие вещества, поэтому вполне безопасна для моряков и окружающей среды.

Пробные погружения первой водородной подлодки весьма заинтересовали представителей Германского военно-морского флота, которые заявили, что водород будет обязательно использоваться в следующем поколении субмарин.

Существует идея постройки больших водородных подводных лодок для осуществления коммерческих перевозок.

Субмарины на водородном топливе смогут избегать штормов, погружаясь и проходя под водой районы волнения.

Наибольшим преимуществом водородных кораблей, танкеров и всей солнечно-водородной энергетической системы будет, конечно, то, что в случае какой-нибудь катастрофы окружающей среде не будет нанесен ущерб, который происходит каждый раз, когда по поверхности моря разливается нефть.

Водород не остается на воде подобно нефти, поскольку он очень быстро испаряется и просто растворяется в воздухе. В случае пожара образуется простой водяной пар - никакого ядовитого угарного газа и удушливого дыма, из-за которых теряют сознание погорельцы и пожарные.

В апреле 1989 г. танкер "Эксон Вальдез" наскочил на риф в заливе принца Уильяма на Аляске, пролив в море более 10 млн галлонов (37,85 млн л) сырой нефти, которая покрыла собой почти 2,5 тыс. км2 водной поверхности, в результате чего погибло огромное количество рыб, млекопитающих и птиц. Ученые, изучающие разливы нефти, утверждают, что последствия этой катастрофы будут ощущаться в течение 10-12 лет. И никто не может дать гарантию, что такие аварии не будут происходить и впредь.

Но когда мы перейдем на солнечно-водородную энергетическую систему, нам уже не нужно будет волноваться по поводу катастроф вроде крушения "Эксон Вальдез".