Это хорошая новость, поскольку, согласно прогнозу, в течение следующих 5 миллиардов лет будет солнечно.
Фотография: Ольга Роленко/Getty Images Сохранить эту историю Сохранить эту историю
Существует целый ряд различных источников энергии для выработки электроэнергии — уголь, газ, ветер и так далее — и некоторые из них вреднее для планеты, чем другие. Но независимо от того, откуда мы получаем энергию, сама энергия почти всегда поступает от солнца. Не верите? Давайте подумаем:
При сжигании угля он вступает в реакцию с кислородом и выделяет энергию. Но откуда взялась эта энергия? Из доисторической растительности. Древние папоротники и причудливые болотные деревья улавливали энергию солнечного света с помощью фотосинтеза. За миллионы лет вся эта зелень была погребена под землей, где тепло и давление превратили ее в уголь. Да, энергия, получаемая из угля, — это солнечная энергия. Ее даже можно назвать возобновляемым ресурсом, если вы не против подождать 100 миллионов лет.
То же самое относится к нефти и природному газу. Эти виды топлива происходят от древних морских микроорганизмов, таких как фитопланктон и водоросли, которые, опять же, использовали фотосинтез. (Извините, нефть — это не динозавры; в ископаемом топливе нет окаменелостей.) Миллиарды этих организмов со временем погибли и осели на дно моря, будучи погребенными в отложениях и превратившись в шлам, который мы называем нефтью. Если вы видите нефтяную скважину на суше, это место, вероятно, когда-то было под водой.
Хорошо, а гидроэнергетика? Она основана на гравитационной потенциальной энергии воды на больших высотах. Текущая вниз по склонам рек, она может совершать работу, например, вращать турбины. А как вода туда попала? Она была отложена снегом и дождем, которые образовались в результате испарения морской воды, движимой солнечным теплом. Да, солнечная энергия.
Фотография: Getty ImagesЭнергия ветра? Что ж, Солнце нагревает поверхность Земли, но делает это неравномерно. Его лучи падают на низкие широты более прямо, чем на высокие, а континенты нагреваются быстрее, чем океаны. В результате теплый воздух поднимается, создавая области низкого давления, которые заполняются более холодным воздухом. Мы называем это ветром. Таким образом, световая энергия преобразуется в тепловую энергию, а затем в кинетическую энергию молекул воздуха. Солнечная энергия.
А как насчет энергии, получаемой от человека, например, от ручных аккумуляторов в аварийных комплектах? Вы получаете энергию из пищи, а откуда берется еда? Из растений. Даже если вы едите мясо или рыбу, любая пищевая цепь начинается с растений, которые улавливают солнечную энергию. (Это придает новый смысл термину «электростанция», не правда ли?)
В итоге: практически всё на Земле работает на солнечном свете. Все эти спорные «источники» энергии — всего лишь каналы её передачи. Энергию нельзя создать или уничтожить, её можно только преобразовать из одной формы в другую. Кстати, это значит, что у нас никогда не закончится энергия. Черт возьми, Солнце за секунду выделяет гораздо больше энергии, чем человечество потребило за всё время своего существования.
О, есть один важный источник энергии, который не использует энергию Солнца. Можете догадаться? Это ядерная энергия. Потому что ядерные реакторы занимаются чем-то похожим на солнечный процесс: преобразованием массы в энергию. Это деление против синтеза, но в любом случае E = mc².
Как из этого получается электричество?
Так как же нам преобразовать эту энергию в электричество, чтобы мы могли смотреть телевизор? Ведь, знаете ли, если поставить диван и телевизор во дворе так, чтобы на них светило солнце, ничего не произойдет. И снова ответ проще, чем вы думаете. Почти все электростанции используют один и тот же основной прием: вращение катушки проволоки в магнитном поле.
Это работает потому, что электрические и магнитные силы — это, по сути, две стороны одной медали. Как показал Джеймс Максвелл в 1865 году, колеблющееся электрическое поле создает магнитное поле, а колеблющееся магнитное поле создает электрическое поле. Именно это, по сути, позволяет электромагнитным волнам (то есть световой энергии) от Солнца распространяться в пустом пространстве и достигать Земли.
Но давайте вернемся к более раннему открытию Майкла Фарадея, сделанному в 1830-х годах. Он показал, что при изменении магнитного потока можно создать электрический потенциал (напряжение) в проводе, не подключенном к источнику питания, и вызвать протекание тока через него, если цепь замкнута. Вуаля! Вы только что создали электричество.
Отлично! Э-э… что же такое магнитный поток? Хорошо, представьте, что на лист бумаги падает дождь. Количество дождя, попадающего на бумагу, будет представлять собой поток дождя, который зависит от (1) интенсивности дождя и (2) размера и угла наклона листа. В горизонтальном положении он будет мокрым; в вертикальном — сухим. Между этими крайними значениями получается различное количество потока.
Теперь замените дождь магнитным полем, направленным в определённом направлении, обозначенном красными стрелками на диаграмме ниже. Магнитный поток — это величина магнитного поля, проходящего через проволочную петлю. Когда она параллельна, как слева, поток равен нулю. Если мы повернем её, увеличивая тем самым площадь, подверженную воздействию, поток будет расти до тех пор, пока петля не станет перпендикулярной. После этого момента он снова начнёт уменьшаться.
Понимаете? Вращающаяся петля создает колеблющийся поток; если построить график его значений, он будет представлять собой синусоиду. Это создает колеблющееся напряжение в проводе, заставляя электроны двигаться, и вуаля: у вас есть переменный ток. Вы только что создали генератор! Это называется электрической индукцией.
Теперь вы можете усилить эффект, заменив одиночный моток проволоки на катушку, состоящую из множества витков. А ещё это работает в обратном направлении: вместо вращения катушки в неподвижном магнитном поле, вы можете вращать магниты вокруг неподвижной катушки. Важно лишь относительное движение.
Придавая этому новый ракурс
Как видите, почти все методы выработки электроэнергии сводятся к магниту и катушке проволоки. Нам просто нужен способ вращать один из них. Для этого у нас есть несколько вариантов. Если установить на ротор большие лопасти и подвергнуть его воздействию ветра, столкновение частиц воздуха с лопастями создаст крутящий момент и будет вращать вал. Это ветряная турбина. Или можно установить турбины на большой плотине и использовать течение воды для их вращения — это гидроэлектроэнергия.
Можно также кипятить воду и использовать пар для привода турбин. Именно так поступает большинство электростанций, обычно сжигая ископаемое топливо для получения тепла. Это может быть уголь, нефть или природный газ — технология одна и та же. Или же можно использовать тепло подземных вод для производства пара — да, это геотермальная энергия.
На самом деле, именно так работает и атомная энергетика: вы берете тяжелый элемент, такой как уран, и расщепляете его на более мелкие атомы, что дает вам энергию для нагрева воды и привода паровых турбин. Да, единственное различие между угольной электростанцией и атомной электростанцией заключается в способе кипячения воды. Вы думали, что все сложнее, верно?
Но опять же, есть важное исключение — технология, которая не использует электрическую индукцию. Вы заметили это упущение? Как ни парадоксально, это солнечные панели. Фотоэлектрические элементы — это твердотельные устройства, у них нет движущихся частей, и они преобразуют свет непосредственно в электричество.
Прямо из первоисточника
Сколько энергии мы можем получить непосредственно от Солнца? Интенсивность солнечного излучения уменьшается по мере удаления от Солнца, потому что определенное количество света рассеивается на большей площади. И когда оно достигает Земли, часть этого света поглощается или рассеивается в атмосфере. (Поэтому небо голубое.) Но мы находимся на идеальном расстоянии, которое предотвращает перегрев или замерзание океанов.
На экваторе солнечный поток — количество энергии, достигающей поверхности Земли, — составляет около 1000 ватт на квадратный метр. Конечно, Земля имеет искривленную форму, поэтому этот показатель снижается по мере приближения к полюсам. Но в удачном месте, с панелью, имеющей КПД преобразования в 20 процентов, можно получить до 200 Вт/м². Это означает, что для обеспечения всего необходимого для дома количества электроэнергии достаточно всего нескольких панелей.
Да, большая часть потребляемой нами энергии поступает от солнца. Можно даже рассматривать месторождения ископаемого топлива как батареи, хранящие солнечную энергию для будущих цивилизаций. Но при использовании старых технологий мы получаем эту энергию косвенно, после многократных преобразований из одной формы в другую — и неизбежных потерь на этом пути. Почему бы не обойтись без посредников и не перейти на прямые источники энергии? Никаких выбросов углекислого газа, никакого загрязнения воздуха, никаких радиоактивных отходов, никаких затрат на добычу или транспортировку. И солнце будет светить еще 5 миллиардов лет.
Источник: www.wired.com
