Александр Проценко - Энергия будущего
Однако различные технологические процессы, связанные с изменением состояния вещества, в подавляющем большинстве бывает выгоднее проводить с гораздо меньшими затратами, но за более долгий срок. Так, из рождающихся проблем нашего времени острой становится проблема получения чистой пресной воды из морской. Сейчас на это затрачивают в 10–15 раз больше энергии, чем это нужно теоретически, но зато за более короткое время. Таков обычный жизненный парадокс.
Одно из удивительнейших свидетельств физической связи энергии со временем демонстрирует теория относительности. Если, затратив большое количество энергии, разогнать космический корабль до скорости, близкой к световой, то на корабле все физические процессы будут проходить медленнее.
Вооружившись энергией, человек обретает власть не только над Природой, но и над самим Временем — казалось бы, совсем неуправляемой субстанцией.
В человеке действует сила, которая толкает его овладевать окружающим миром. Весь путь борьбы за существование привил ему потребность в непрерывном движении вперед, без чего он теряет свою человеческую сущность. В. Франклин говорил: «Человек — животное, создающее орудия труда». Перестанет человек создавать и совершенствовать орудия труда, и разница между ним и животным начнет стираться.
Итак, человек не может вернуться назад не только потому, что это приведет его к духовному обнищанию, моральной деградации. Он не сможет примириться с уменьшенной нормой потребления энергии и потому, что это будет отказом от промышленности, возвращением к патриархальной жизни, к тому «сохранению естественного равновесия», которое не может не закончиться физической гибелью большей части человечества!
При нынешней численности людей, количестве и качестве земель, пригодных для сельскохозяйственных угодий, при сегодняшней обеспеченности водой только для пропитания человек должен обладать энергией гораздо большей, чем его мускульная энергия. «В условиях строгого сохранения „естественного“ равновесия, — пишет известный советский ученый академик Е. Федоров, — возможно существование лишь первобытного племени, добывающего пропитание сбором плодов и охотой на животных. Если бы наши предки превратили всю планету в тщательно охраняемый заповедник, то современной цивилизации просто не было бы».
Крупнейший специалист по теоретической экологии академик С. Шварц говорил о том, что тезис «назад к природе» всегда был, по существу, реакционен, а в настоящее время он еще и антинаучен. Почему же этот тезис антинаучен и в чем ошибка слишком ретивых защитников природы? Дело здесь в том, что при современной численности человечества неиндустриальные методы производства оказывают на развитие природной среды не менее пагубное влияние, чем функционирование самых грозных (с точки зрения традиционного понимания охраны природы) индустриальных комплексов.
Следовательно, прогресс несет в себе благо и человечеству и природе. А без развития энергетики он немыслим. Сердцевиной же энергетики будущего должна стать и станет атомная энергия.
Что же такое атомная энергия — энергия, которая может выручить, и обязательно выручит, человека?
ЭНЕРГИЯ АТОМА
Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравниться все им ранее пережитое. Недалеко время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет.
В. И. Вернадский. Очерки и речи, 1922.Истоки проблем и споров при оценке и прогнозировании энергетической ситуации в разных районах мира весьма различны. Здесь все: и незнание сути проблемы, и философские заблуждения, и недоверие к новому, и конкурентные соображения отдельных промышленных кругов, и многое другое. Не надо думать, что энергетика вообще и атомная энергетика в частности являются в этом смысле исключением. Как и во всяком другом открытии, в атомной энергетике тоже имеются противоречивые тенденции, которые и порождают различное к ней отношение. И чтобы правильно их оценить, надо задаться вопросом: что несет атомная энергия человечеству — несчастье или благо? Надо сразу же заявить: да, благо; она должна прийти на смену энергии, получаемой от органического топлива, когда его запасы на планете истощатся. Каковы же достоинства атомной энергии и ее слабости?
Сначала вспомним, что такое энергия вообще.
Впервые это понятие будто бы появилось в трудах Аристотеля более 2000 лет назад. Энергия — слово греческое и состоит из двух простых слов. «Эн» — что значит «в», «содержание», и «эрг» — «работа». А все вместе означает способность тела совершать работу.
Энергия есть не что иное, как форма движения материи. Существует много видов энергии, а вот единой классификации их пока еще нет. Разные ученые, каждый по-своему, систематизируют ее виды. Мы же приведем одну из таких классификаций. Итак, вот что в нее входит.
Химическая энергия — это энергия, освобождающаяся при изменении структуры электронных оболочек молекул.
Тепловая энергия — энергия хаотического движения молекул и других частиц вещества.
Механическая энергия — это энергия свободного движения тел.
Сюда же входят электрическая, электромагнитная, гравистатическая, электростатическая, магнитостатическая, мезонная, аннигиляционная и, наконец, ядерная.
Человечество освоило большую часть перечисленных видов энергии, на что ушло несколько тысяч лет. Вначале это была энергия Солнца. Затем им был приручен огонь. За ним энергия падающей воды. Наконец наступил век пара и электричества. А несколько десятков лет назад человек перешагнул еще один рубеж и освоил энергию ядерную, или атомную, что одно и то же.
Закон Эйнштейна
Что же такое атомная энергия? Чтобы узнать, что это такое, лучше, пожалуй, напомнить о более привычной форме энергии — химической, и от нее перейти к атомной.
Мы знаем, что в угле, нефти, газе скрыта энергия.
Это и есть химическая энергия. Каким же образом освобождается она из перечисленных выше видов топлива?
Представьте себе, что вы взяли 10 гирь по одному килограмму каждая, взвесили их по отдельности и убедились, что каждая гиря весит точно один килограмм.
Затем сложили их вместе и, взвесив, получили общий вес не 10, а 9,9 килограмма! Невероятно? Да, конечно, но подобное явление с «исчезновением» массы проявляется ежечасно, ежесекундно и не в лабораторных условиях, а в топках, где горят нефть и уголь, в газовых плитах при сгорании газа. Известно, что горение, скажем, угля — это процесс (реакция) соединения углерода с кислородом с образованием углекислого газа. При сгорании каждых 12 килограммов углерода расходуется 32 килограмма кислорода. И мы вправе ожидать, что в результате этой реакции образуется 44 килограмма углекислого газа.
Но проведем такой воображаемый опыт. Поместим в герметическом сосуде те же 12 килограммов углерода и 32 килограмма кислорода, взвесим сосуд и убедимся, что суммарный вес составляет 44 килограмма. Теперь каким-либо способом (нам все равно, каким, опыт воображаемый) подожжем углерод и проведем полностью реакцию соединения углерода с кислородом. Поскольку сосуд герметичный и ни во время горения, ни после него не выходили никакие вещества, то взвешивание его после реакции должно дать все те же 44 килограмма, теперь уже в виде углекислого газа. Взвесив же сосуд, мы удивимся, что углекислого газа не 44 килограмма, а примерно на 4 миллионные доли (4∙10-6) грамма меньше.
Этот опыт мы назвали воображаемым потому, что при существующей технике взвешивания невозможно уловить изменение такого большого веса (44 кг) всего на 0,000004 грамма. Тем не менее ученые другим путем установили, что вес углекислого газа в данной реакции действительно снизился на 4∙10-6 грамма. В чем же тут дело? Куда делась эта недостающая часть реагирующих веществ?
Все дело в том, что при реакции горения образуется не только углекислый газ, но и выделяется энергия. Вот на нее-то и израсходованы 4∙10-6 грамма массы!
Энергия, как оказывается, самым непосредственным образом связана с массой. Этот всеобщий закон связи массы и энергии был открыт и сформулирован создателем теории относительности А. Эйнштейном. Согласно этому закону массе вещества в один грамм соответствует энергия 21,5 миллиарда килокалорий. (Одна килокалория (ккал) — это количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма воды на один градус.)
Эту величину можно получить и из нашего воображаемого опыта, если разделить выделившуюся энергию на уменьшение массы.
Закон Эйнштейна носит всеобщий характер. Так, при любой химической реакции с выделением энергии уменьшается масса и, наоборот, в реакции с поглощением энергии масса продуктов, получающихся в результате реакции, возрастает. Например, в реакции соединения водорода и кислорода масса получаемой воды меньше, чем сумма масс водорода и кислорода, взятых в отдельности, но при этой реакции выделяется энергия.
