Энергетика будущего — в фантастике и в жизни

Люди зависят от энергетики, но уделяют ей мало внимания. Наличие в домах света кажется само собой разумеющимся, хотя еще в исторически недавнее время об электрическом освещении никто не слышал. Являясь основой нашей цивилизации, энергетика находится скорее «за кулисами». Фантастическая литература уделяет внимание новым источникам энергии далеко не в первую очередь, хотя, конечно, все писатели знают, какое важное значение она имеет: знаменитый фантаст и футуролог Артур Кларк некогда предсказывал, что к 2016 году единой мировой валютой станет мегаватт-час. Кстати, Кларк был не первым: до него в США идею энергетической валюты выдвигали изобретатель Томас Эдисон и автомагнат Генри Форд.

Абстрактно писатели понимают: чтобы звездолеты летали, а лучевые мечи сверкали, нужно как-то решить вопрос об их двигателях, топливе, энергоблоках. Но первостепенное значение вопросы энергии приобретают только в случаях, если человечеству в воображаемых вселенных грозит острый энергетический голод. Именно такова ситуация в романе современного российского фантаста Яны Дубинянской «Н2О», в котором некие таинственные микробы съели все запасы нефти и газа, самой могущественной организацией на планете становится концерн термоядерной энергетики, а главный герой, чтобы преодолеть монополию концерна, занят получением энергии из воды (как выяснилось — совершенно неуправляемой).

К слову, термоядерная энергия — ведь тоже фактически фантастика: мирным термоядом человечество еще не овладело. Но в фантастике это уже рутина, космические корабли с термоядерными двигателями вовсю летают в произведениях послевоенных фантастов — и у братьев Стругацких, и у Клиффорда Саймака. В наши же дни реальный космический термоядерный двигатель проектируется в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) группой ученых во главе с доктором Сэмюэлем Коэном. Один из проектов создания термоядерной электростанции — TAE Technologies — поддерживает Группа РОСНАНО.

Киты, пальмы и черные дыры

В решении проблемы «энергопитания» фантазия литераторов, как и термоядерная реакция, бывает неуправляемой. Иногда, чтобы удивить читателей, они придумывают что-то совсем архаичное, антинаучное и причудливое. Например, в романе американской писательницы Кейдж Бейкер «Наковальня мира» маслом из китов пользуется вместо солярки (впрочем, китовый жир когда-то действительно использовали для освещения). У ее российского коллеги Павла Корнева в цикле «Приграничье» бензин делают не из китов, а из масла местной пальмы, что, в принципе, соответствует трендам современной биоэнергетики.

Но, согласимся, пальмы и киты — слишком приземленно. Нужен размах! Его мы находим в романе классика научной фантастики Айзека Азимова «Сами боги», где удается наладить переток энергии из параллельной вселенной с несколько иными физическими законами. Однако переход мог привести к «смазыванию» физических констант в обоих мирах и катастрофе. К счастью, был найден третий мир, из которого стали качать энергию два первых.

Другая, не менее потрясающая идея, — так называемый «сингулярный» или «коллапсарный» реактор, работающий на микроскопических черных дырах. В фантастике эта идея появилась после того, как известный физик Стивен Хокинг выдвинул свою теорию черных дыр, которая в числе прочего предполагала эффект так называемого «испарения черной дыры»: фактически черная дыра превращает материю в энергию. Разумеется, пока идея реактора — лишь фантастика, науке неизвестно, как создавать и удерживать микроскопические черные дыры, но это не мешает упоминать такие реакторы во множестве фантастических сериалов и видеоигр, включая «Звездные войны», «Вавилон-5», «Звездные врата», «Звездный путь» и т.д. Если верить научно-популярной литературе, микроскопические черные дыры возникают при работе адронного коллайдера (проект ЦЕРН); может быть, это еще один шаг в сторону «Звездного пути»?

Человек-батарейка

А как относиться к получению энергии из самого человека? Казалось бы, это просто литературная причуда, призванная сделать вымышленную вселенную пострашнее. Судите сами: в романе украинских писателей-фантастов, пишущих под псевдонимом Генри Лайон Олди, «Ойкумена» рабовладельцы получили способность перекачивать жизненную энергию из тел рабов, в результате появились и летательные аппараты, и транспорт, и даже фабрики, работающие на энергии людей (но энергии отнюдь не мускульной). Также, думаю, все помнят, что в знаменитом фильме братьев Вачовски «Матрица» захватившие власть на планете машины держат людей в особых капсулах и используют в качестве батареек (энергия солнца в этой вселенной им недоступна из-за искусственно созданной облачности).

Абсурд? Не все так просто. Человеческое тело действительно выделяет тепло, и электроника с низким энергопотреблением могла бы подзаряжаться от нас. Системы такой подзарядки разрабатывают в разных странах: в США похожий проект выдвинули Ананта Чандракасан и Йогеш Рамадас из МТИ, а в России над подобной технологией работают в университете МИСиС.

Кстати, простую мускульную энергию человека не надо сбрасывать со счетов. Вопрос, который беспокоит и инженеров, и писателей, заключается в том, чтобы ее аккумулировать. Хорошо бы, скажем, поработав часок на велотренажере, потом использовать эту энергию, чтобы доехать до работы. Или, остановившись на светофоре, продолжать крутить педали, заряжая свой велосипед. Инженеры размышляют над тем, чтобы использовать для этих целей так называемый маховичный накопитель энергии. А в романе американского фантаста Паоло Бачигалупи «Заводная» для этого используют особые пружины. Источники углеводородного топлива во вселенной Бачигалупи истощились, вся техника работает на пружинах…

Кстати, пружины из романа Бачигалупи пригодись бы и нашей цивилизации. Дело в том, что получать энергию человечество умеет самыми разнообразными способами, а вот аккумулировать ее получается куда хуже. Решение проблемы емкого аккумулятора существует только в фантастике, например в цикле романов Вадима Панова «Анклавы», где изобретены некие сверхъемкие «батареи Ллейтона»: благодаря им человечество легко пересело с бензиновых автомобилей на электротранспорт. Хотя Илон Маск грозит разогнать аккумуляторы Tesla до пробега миллиона миль на одной зарядке. В России единственным производством подобных литий-ионных накопителей большой емкости обладает компания «Лиотех», для домашнего использования вы можете заказать системы компании ENRU. А качественный скачок технологии способен обеспечить уникальный продукт нанотехнологий — одностенные углеродные нанотрубки, промышленным производством которых занимается роснановская компания OCSiAl — первый российский «единорог» в material based индустриях.

А еще стартап «Энергозапас» уже построил прототип гравитационного накопителя: ночью, когда электроэнергия дешевая, а потребителей мало, такая станция поднимает грузы на высоту, днем же, когда электроэнергии не хватает и она дорогая, грузы опускаются вниз, возвращая энергию в сеть. Есть планы построить подобный твердотельный накопитель в «Сколково».

От солнца и к солнцу

Впрочем, не всегда фантазия писателей улетает в сказочные дали: иногда фантасты обдумывают перспективы «настоящей» альтернативной энергетики. Как известно, солнечная энергетика страдает прежде всего от не очень высокого КПД солнечных батарей, и в романе Урсулы Ле Гуин «Новая Атлантида» изобретается некая «солнечная ловушка», которую сделать легче, чем самый примитивный конденсатор, и которая позволяет за десять минут при солнечной погоде собрать столько энергии, что ее хватит для полного обслуживания многоквартирного дома в течение двадцати четырех часов.

Заметим, что без таких фантастических «ловушек» вряд ли могли бы обойтись во вселенной игр BattleTech, где на солнечной энергии летают космические корабли.

Трудно сказать, как именно можно летать в космосе на солнечных батареях, хотя один вполне реальный способ есть. Как известно, солнечный свет оказывает на предметы очень слабое, но вполне материальное давление; отсюда родилась идея солнечного паруса: в космосе, где вес предметов благодаря невесомости минимален, возможен космический корабль с блестящим парусом большой площади; отражаясь от поверхности паруса, солнечный свет будет гнать корабль от солнца. В 1960-х годах Артур Кларк изобразил масштабную «регату» космических парусников в своем рассказе «Солнечный ветер», а в следующем десятилетии уже начались реальные испытания подобных парусов на орбите. В 2010 году Япония запустила парусник Ikaros к Венере.

Вообще, глобальные перспективы солнечной энергетики, видимо, находятся в космосе. Поскольку атмосфера рассеивает солнечные лучи, солнечные батареи хорошо бы установить на околоземной орбите, а то и на Луне. Здесь — тот случай, когда в роли фантастов многие десятилетия выступали ученые, обогнав, собственно, писателей. Впервые в конце 1960-х годов концепцию орбитальной энергетики выдвинул американский инженер чешского происхождения Питер Глейзер. Перед самым распадом СССР аналогичную концепцию разработали советские ученые из центра им. Келдыша. Впрочем, дальше некоторых предварительных испытаний все эти проекты пока не двинулись; но если говорить об испытаниях, нельзя не упомянуть проект Роскосмоса «Знамя», предполагающий выведение на орбиту огромных зеркал, освещающих Землю солнечным светом ярче Луны. В 1993 году такое зеркало отбросило на Европу «зайчик» 8-километровой ширины.

Во всех этих проектах возникает проблема беспроводной передачи энергии на Землю. О подобных опытах Николы Теслы ходят легенды. Но реальностью уже являются так называемые пассивные RFID-метки: чипы без источников энергии, которые хранят информацию и начинают передавать ее после воздействия радиоволн ридеров. Портфельная компания РОСНАНО «РСТ-Инвент» с помощью таких ридеров-ворот способна в один момент считать информацию о целой партии товаров, снабженных электронными метками. А чипы для энергонезависимой памяти первым в России скоро будет делать другой роснановский проект — компания «Крокус Наноэлектроника».

Ну а вероятным высшим этапом развития солнечной энергетики должны стать так называемые «Сферы Дайсона». Астрофизик Фримен Дайсон предсказывал, что в конце концов любая цивилизация должна «запереть» свое светило в непрозрачную сферу, построив вокруг звезды сферическую солнечную батарею, и таким образом использовать всю излучаемую звездой энергию. Чтобы построить такую «стену вокруг Солнца» в нашей звездной системе, Дайсон предлагал использовать материал планеты Юпитер.

Большая стройка на орбите потребует перемещения огромного количества грузов. Здесь возникает любимая многими фантастами и инженерами тема космического лифта как эффективного космического транспорта. Безальтернативным материалом для его построения видятся те же одностенные углеродные нанотрубки OCSiAl — по сочетанию прочности и легкости у них нет аналогов.

Ну а пока мы не можем распилить Юпитер, человечеству, видимо, остается в ожидании истощения залежей нефти увеличивать эффективность своих солнечных и ветровых энергоустановок. В России эти две отрасли созданы благодаря участию РОСНАНО: завод «Хевел» в Чувашии выпускает солнечные панели, которые входят в топ-5 по энергоэффективности в мире, а сразу три завода в Нижнем Новгороде, Ульяновске и Таганроге выпускают гондолы, лопасти и башни для созданного вместе с компанией «Фортум» Фонда развития ветроэнергетики, занимающегося строительством ветровых станций.