Рассказы об электричестве

Сначала приведу несколько впечатляющих, на мой взгляд, цифр.

В 1913 году мощность всех электростанций России составляла около 400 тысяч киловатт, а выработка электроэнергии — примерно 2 миллиарда киловатт-часов в год.

В 1980 году советские электростанции выработали 1 295 миллиардов киловатт-часов электроэнергии, а к 1985 году ее количество должно увеличиться до 1 550-1600 миллиардов киловатт-часов. Разделите сами одну цифру на другую, чтобы почувствовать рост нашей энергетики. В 800 раз!..

Может возникнуть вопрос: зачем людям столько энергий и почему спрос растет в основном на электрическую энергию, на самый ее молодой вид из всех освоенных человечеством за историческое время?

Провозглашая лозунг: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны», В. И. Ленин видел в электрификации могучий рычаг для подъема промышленности и всего народного хозяйства страны. Все последующие годы подтвердили ленинскую мысль. Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики или, как теперь говорят, без развития топливно-энергетического комплекса, без сплошной электрификации. Чтобы больше производить продуктов питания, промышленных товаров, нужна механизация производственных процессов. Но подавляющее большинство машин и механизмов, средств механизации и автоматизации имеют электрическую основу. Электричество работает в системах зажигания автомобилей и самолетов, приводит в движение станки. Электричество освещает и обогревает дома и теплицы.

Гигантские генераторы электростанций вырабатывают самую универсальную энергию, которая не только проще всего транспортируется по проводам на далекие расстояния, но и чрезвычайно легко превращается в другие виды энергии. Свет, тепло, информация — все основные составляющие современного комфорта зависят от электроэнергии. Отнимите ее у человечества — и цивилизация пойдет прахом. Без электричества мы не просто окажемся в прошлом веке. Огромной части человечества станет угрожать опасность прямой гибели — вот насколько тесно в жизнь современного общества, в самый фундамент его существования вошла электрическая энергия.

Вот почему во всех главных документах нашей партии — в отчетных докладах Центрального Комитета КПСС съездам — такое большое внимание уделяется развитию и решению топливно-энергетических задач. Дело это не простое.

Но давайте для наглядности представим себе современную энергетическую цепь начиная с первого звена — превращения любого вида энергии в электромагнитную. То есть исключив строительство плотин, добычу топлива или полезных ископаемых и так далее.

Превращение всякого другого вида энергии в нужную нам — электромагнитную — осуществляется с помощью некоторого устройства, аппарата или машины, которую называют генератором. Слово это латинское и в переводе обозначает — производитель. Мы превращаем одни вещества в другие, высвобождая энергию химических связей, и преобразуем ее в электрическую. Мы крутим ротор генератора в магнитном поле, используя силу падающей воды, и превращаем механическую энергию в электричество. Нагреваем термопары, используем энергию разлетающихся или, наоборот, сливающихся атомов, пользуемся энергией ветра, солнца…

Кстати, я надеюсь, вы помните, что термин «энергия» происходит от греческого названия действия или деятельности. Им мы обозначаем общую количественную меру различных форм движения материи.

Не сетуйте, читатель, на это отступление. Определить терминологию, когда наука и техника развивается такими стремительными темпами, — дело далеко не последнее. Итак, я повторю, первое звено нашей электроэнергетической цепи — генератор!

Следующее звено — линия электропередачи, ЛЭП. Это сооружение из многокилометровых воздушных проводов, подвешенных на высоких опорах, или подземных и подводных кабелей со всевозможными вспомогательными устройствами. Главная задача ЛЭП — экономичная передача электрической энергии от генератора к приемнику, от электростанции к потребителю.

Наша страна славится своими просторами. Однако большая доля населения и промышленности сосредоточена в ее европейской части, тогда как основные источники электроэнергии — топливно-энергетический комплекс — располагаются в восточной части государства. И с каждым годом для транспортировки энергии по региональным энергетическим системам и по единой энергетической сети нам приходится строить линии электропередачи на все большие и большие расстояния.

Из школьного курса физики вы должны помнить, что мощность потерь всегда зависит от величины тока в проводнике. В то же время передаваемая мощность пропорциональна произведению силы тока и напряжения. Значит, чем выше мы поднимем напряжение, тем меньше нам понадобится сила тока для передачи одной и той же мощности. А чем меньше ток, тем ниже потери. Именно этими соображениями руководствуются проектировщики и строители, испытывая на полигонах модели линий электропередачи на сотни и тысячи киловольт.

Третье звено — потребитель, от электродвигателя и до… Пожалуй, сегодня не то что перечислить основных потребителей, но даже обозначить их границы невозможно. Мы живем в электрическом веке, этим все сказано. Однако, чтобы не нарушать принятую историческую последовательность, давайте еще раз вернемся по времени назад, для того чтобы посмотреть, когда же люди успели так круто изменить ход развития цивилизации и неразрывно связать его с электричеством? С чего началась на Земле «большая энергетика»?

Тайна «Р. М.» и первые электромашины

Создание электрического генератора явилось одним из важнейших этапов в истории электротехники. Более того, появление промышленных машин, вырабатывающих сначала постоянный, а потом и переменный ток, представляет собой одно из самых крупных событий в истории техники, ничуть не меньшее, чем, например, изобретение паровой машины. После короткого, но бурного пути развития электромашинный генератор, как главный мощный источник электрической энергии, стал символом и основой цивилизации XX столетия, несмотря на то что придуман, разработан и усовершенствован во всех своих принципиальных чертах был он еще в прошлом веке…

26 июля 1832 года, возвратившись в Лондон после воскресного уик-энда, Фарадей нашел в почтовом ящике письмо, адресованное на его имя. В конце текста стояли две буквы «Р. М.». Странно! Никого из знакомых с такими инициалами у ученого вроде бы не было. А впрочем, он не раз получал письма и от незнакомых людей. И Фарадей углубился в чтение: «Сэр! Прочитав в отчетах института Ваш интересный доклад о магнетизме, я сделал попытку произвести эксперимент, который удался мне сверх моих ожиданий, и я думаю, что если его провести в более широком масштабе, то он дал бы много интересного…» Дальше анонимный экспериментатор описывал техническую модель магнитоэлектрической машины переменного тока, с помощью которой ему удалось получить искры и разложить воду. Основные принципы машины были настолько глубоко продуманы и так правильны, что они на много лет вперед определили собою конструкции более поздних изобретателей. Но это выяснилось позже, не будем забегать вперед.

Фарадей был поражен. Иным состоянием не объяснить того обстоятельства, что уже на следующий день он отправил полученное послание в редакцию журнала, сопроводив его собственным письмом:

Оба письма были опубликованы. В том же 1832 году в Падуе итальянский аббат профессор физики и механики местного университета Сальваторе даль Негро построил магнитоэлектрическую машину переменного тока, основанную на принципе возвратно-поступательного движения. Почтенный аббат предполагал, что подобное устройство «может сделаться подходящим взрывным аппаратом», поскольку ему удавалось извлекать из него изрядные электрические искры. Однако в дальнейшем предложенный принцип распространения не получил.

А вот машина, построенная сыновьями французского изобретателя физических приборов, братьями Пикси, стала широко известна в Европе. Она поражала современников своими размерами — один только подковообразный магнит ее весил около 100 килограммов, имела она и приспособление для выпрямления тока. В истории сохранилось описание этой машины, и, возможно, кому-нибудь из читателей будет интересно его прочесть: «Подковообразный магнит… укреплен таким образом на оси, что может быстро вращаться около нея. Прямо перед ним неподвижно укреплен изогнутый подковой железный стержень, противустоя своими концами полюсам магнита, но не касаясь их. Этот стержень обвит пятьюдесятью метрами медной проволоки с шелковой оболочкой, и один свободный конец проволоки погружен в чашечку с ртутью, а другой не доведен до соприкосновения с последней и укреплен в таком положении. При быстром вращении магнита искры проскакивают между ртутью и концом проволоки с такою быстротою, что сливаются друг с другом… От сего аппарата получаются сильные удары в руки, он разлагает воду и т. д.».

Похожую в принципе машину сконструировал в Лондоне профессор Уильям Риччи. И вообще с этого момента началась работа многих изобретателей над созданием магнитоэлектрических генераторов, в которых генерация тока происходила либо за счет движения катушек в поле постоянных магнитов, либо наоборот — перемещения магнитов относительно неподвижно установленных катушек.

Первые машины были все уникальными конструкциями. Каждый изобретатель старался внести в нее что-то свое, что-то новое. Да и возможностей для этого было на первых порах предостаточно. Однако со временем вся сумма технических знаний, необходимых для постройки электрогенераторов, телеграфа, гальванотехнических устройств и первых ламп дугового освещения, начала складываться в особую отрасль науки и техники — электротехнику, которая быстро превращалась в самостоятельную новую техническую науку.

Переменный ток на первых порах не находил себе применения. Поэтому все внимание конструкторов было направлено на создание машин постоянного тока.

Впрочем, прежде чем продолжить наше путешествие по истории создания электрогенераторов, небезынтересно закончить вопрос о тайне «Р. М.» — анонимного изобретателя первой магнитоэлектрической машины.

В конце марта 1833 года утренняя почта редакции журнала «Философикэл мэгэзин» принесла письмо из Дублина, подписанное теми же инициалами:

По-прежнему анонимно автор сообщает дополнительные сведения о своей конструкции. «Р. М.» исправляет ошибку первоначального эскиза и, хотя и не столь ясно, как последующие изобретатели, например Пачинотти, приходит к идее кольцевого якоря. Это тем более важно отметить, что кольцевой якорь (изобретенный и построенный в 1860 году) открыл новую главу в истории электрической машины. Он позволил начать промышленное использование динамо-машин.

Судя по рисунку и описанию «Р. М.», все его мысли имели удивительно правильное направление. Тем загадочнее была тайна его имени. Однако любопытство это не было удовлетворено. До сего дня историки так и не знают, кто скрывался за короткой подписью из двух букв. И имя, может быть, еще одного гения электротехнической мысли нам неизвестно…

От магнитоэлектрической машины к динамо

Многие ученые и изобретатели, увлекшись открывшимися перспективами превращения механической энергии в электрическую, строили и совершенствовали магнитоэлектрические машины. Большинство из них носило характер демонстрационных моделей. Однако генератор, разработанный Б. С. Якоби для подрыва минных запалов, и громоздкая машина французской фирмы «Альянс», предназначенная для питания дуговых ламп и устройств гальванотехники, уже служили техническим целям. И все-таки слишком много было у первых генераторов принципиальных недостатков, чтобы они могли получить быстрое и широкое распространение.

Прежде всего следовало бы отметить быстрое размагничивание постоянных магнитов, после чего машина превращалась просто в груду тяжелого металла. Но и в новых, только что созданных генераторах многое не удовлетворяло потребителей. Поскольку первоначальные якоря обладали явно выраженными полюсами, магнитный поток сильно пульсировал и большая часть энергии тратилась на перемагничивание. Постоянный ток тоже не одинаковым, меняя свою силу.

Внимание изобретателей было устремлено на улучшение выпрямления получаемого тока. Для этого они разрабатывали всевозможные приспособления — коммутаторы — до тех пор, пока не появился коллектор, сохранившийся в почти неизменном виде до наших дней.

Мощные машины, построенные в начальном периоде, тратили столько энергии на потери в стали, что их приходилось непрерывно охлаждать. Естественно, что это съедало значительную долю вырабатываемой мощности.

Все эти недостатки как бы сами собой указывали путь, по которому должна была двигаться конструкторская мысль. И люди не оставляли эти подсказки без внимания.

В 1851 году немецкому полковому врачу Вильгельму Йозефу Синстедену, занимавшемуся исследованием электрической машины, пришла в голову идея: а почему бы не заменить в машине громоздкий и такой ненадежный постоянный магнит электромагнитом? Мысль кажется простой до очевидности. Но это сейчас, сегодня. А тогда пришлось ждать ее реализации довольно долго. Сначала питание обмоток электромагнита (в дальнейшем будем называть их обмотками возбуждения) предполагалось от батареи гальванических элементов. Но это нарушало смысл, главное предназначение первых машин — полностью заменить собой гальванические элементы. Поэтому так кстати пришлась идея английского физика Генри Уайльда, задумавшего заменить батарею еще одной магнитоэлектрической машиной. Он попробовал привести свой замысел в исполнение и получил первый генератор с независимым возбуждением.

И тогда целый ряд инженеров предложили почти одновременно в разных странах питать обмотки возбуждения не от отдельной машины, а от собственного якоря. Родился принцип самовозбуждения, ознаменовавший новую эру в электромашиностроении.

Понятно, что такой переворот не мог пройти гладко. Документы того времени наполнены взаимными обвинениями изобретателей в плагиате. Одной из первых таких машин с использованием принципа самовозбуждения явился генератор Сорена Хиорта — датского изобретателя, имя которого редко упоминается в истории техники.

С. Хиорт был судебным чиновником. Увлеченный техническими идеями, волновавшими его время, он с целью самообразования посещал Копенгагенский университет, где слушал лекции X. Эрстеда. В дальнейшем, работая на железной дороге, молодой изобретатель пытался применить на ней электродвигатель. Опыты привели его к открытию явления самовозбуждения. И в 1852 году он представил научному обществу в Копенгагене описание и чертежи машины с самовозбуждением, а два года спустя взял английский патент на такую машину. Позже он усовершенствовал замысел и осуществил свою конструкцию.

Сорен Хиорт, по воспоминаниям современников, был очень энергичным человеком. Казалось, все сосредоточилось в его руках: патент, опытный образец машины… Почему же открытый им принцип самовозбуждения не получил развития и не был практически реализован сразу?

В биографии Хиорта написано: «Сын крестьянина. Образование получил самоучкой». Никакой промышленной базы и средств для ее организации у него не было. Он несомненно опередил время, совершив скачок вперед в ходе практического развития электрической машины. Все это и привело к тому, что его идеи не нашли в практике общества достаточно подготовленной почвы.

Интересно отметить и еще одно обстоятельство, которое могло отрицательно повлиять на оценку его работ. Скомбинировав генератор с самовозбуждением вместе с электромагнитным двигателем, Хиорт получил нечто вроде вечного двигателя. Однако еще в 1775 году Парижская академия наук отказалась рассматривать проекты вечных двигателей, объявив их химерой. А после того как был открыт закон сохранения энергии, вера в возможность осуществления подобного устройства была окончательно подорвана во всем мире. Люди же, разрабатывающие подобные неосуществимые проекты, теряли в глазах общества всякий авторитет.

Переход электрических машин на принцип самовозбуждения стал крупным шагом в развитии электромашиностроения. Неудивительно, что вокруг вопроса о приоритете в этой области разгорелись бесконечные споры.

Долгое время конструирование электромагнитов, в том числе и для электрических машин, не выходило за рамки интуиции изобретателей, что, разумеется, сильно сдерживало развитие новой техники. Но вот в 1872 году доцент Московского университета Александр Григорьевич Столетов защищает докторскую диссертацию на тему «Исследование о функции намагничения мягкого железа». Работая в лаборатории Кирхгофа в Гейдельберге, Столетов проделал большое количество опытов за время своей шестимесячной командировки и фактически разработал основы методов расчета магнитной цепи. А с 1880 года, после открытия немецким физиком Эмилем Габриэлем Варбургом явления гистерезиса, когда всем стало ясно, что циклическое намагничивание ферромагнетиков связано с потерей механической, а следовательно, и электромагнитной энергии, исследователи смогли перейти от грубой эмпирики к осмысленному, достаточно строгому проектированию электрических машин, аппаратов и приборов.

В Германии с середины прошлого столетия работало мощное электротехническое объединение, занимавшееся выпуском сначала принадлежностей для телеграфных сетей, а затем и прочего электротехнического оборудования. Во главе этого объединения стоял немецкий инженер, талантливый изобретатель и предприниматель Эрнст Вернер Сименс. Он получил хорошее образование в Берлинской инженерноартиллерийской школе. Он и его братья, тоже инженеры, имели прекрасные связи. Технические бюро и заводы Сименса возникали не только в странах и городах Западной Европы. В России Сименс строил телеграфную сеть, организовав мастерские в Петербурге. Отделение фирмы, перебравшись через океан, открылось даже в Филадельфии…

Но наш рассказ относится ко второй половине прошлого столетия. Вернер Сименс торопил сборку первого генератора с самовозбуждением, справедливо опасаясь, что его обгонят. Стремясь не упустить приоритет и отлично понимая значение принципа самовозбуждения для дальнейшего развития электромашиностроения, он берет через своего брата, жившего в Англии, английский патент. И месяц спустя этот младший «английский» Сименс читает в Лондонском королевском обществе доклад о новом принципе. В то же время в Берлине от имени Вернера Сименса в Академии наук выступает с сообщением профессор Магнус.

Чтобы у читателя не оставалось даже тени сомнений на этот счет, вот строки письма Вернера Сименса его брату Вильгельму в Лондон: «…машина будет готова через несколько дней. Сделай и ты изыскания, чтобы Уайльд, который также близко стоит у цели, не опередил нас.

Магнитное электричество сделается дешевым, станет доступным и применимым для освещения, гальванометаллургии и т. д., и даже малые электромагнитные машины, получающие силу от больших, станут весьма полезными…

Берлин, 4 декабря 1866 г.».

Чтобы нагляднее продемонстрировать гонку, которую устроили конструкторы электрических машин, достаточно сказать, что в тот же день и на том же заседании, на котором читал доклад Вильгельм Сименс, члены Лондонского королевского общества слушали Чарлза Уитстона, своего коллегу и профессора физики Лондонского королевского колледжа, который изобрел иное (параллельное) соединение обмотки электромагнитов с цепью якоря, то есть предложил принцип шунтовой машины. Но несмотря на то, что это явилось несомненным шагом вперед, развития шунтовая машина в первые годы не получила. Применение ее началось лет десять спустя.

Примерно через месяц после этого заседания, на следующем своем собрании, члены общества слушали доклад Джемса Клерка Максвелла, в котором тот дал математический анализ работы машины с самовозбуждением. К сожалению, большинство практиков-электриков того периода не обладали достаточным математическим образованием, чтобы понять глубокий смысл сжатого изложения великого теоретика. В истории развития электромашиностроения это, пожалуй, первая теоретическая работа. Современники не придали ей должного значения и скоро забыли.

Вернер Сименс первым назвал электрическую машину без постоянного магнита динамоэлектрической машиной. Название прижилось. И на выставочных стендах стали появляться новые и новые конструкции динамо-машин, все более и более приближающиеся принципиально к тем генераторам, которые работают на «фабриках электричества» и в наши дни.

Я уже говорил, что одним из крупных недостатков первых электрических машин являлась сильная пульсация вырабатываемого тока. В 1856 году Вернер Сименс совместно с техником и компаньоном Иоганном Георгом Гальске патентует изобретенный двух-Т-образный якорь и строит магнитоэлектрическую машину, обладавшую значительными преимуществами по сравнению с другими конструкциями.

Четыре года спустя во Флоренции доктор Антонио Пачинотти предложил новую конструкцию якоря. «В 1860 году мне представился случай, — писал Пачинотти в журнал „Иль нуово чименто“, — построить для кабинета технологической физики Пизанского университета маленькую модель мною изобретенной электромагнитной машины…»

Кольцевой зубчатый якорь Пачинотти — яркое и исключительно удачное изобретение — не нашел практического применения. Может быть, причина заключалась в том, что сам Пачинотти был далек от практических задач. А может быть, виной явилась плохая информированность изобретателей разных стран.

Лишь через десять лет бельгиец Зиновий Теофиль Грамм, служивший в парижской фирме, производящей магнитоэлектрические машины, столяром, совместно с техником Эрдлем Луи Шарлем д’Ивернуа выправил патент на такой же кольцевой якорь, но без зубцов. А поскольку выработка не резко пульсирующего тока стояла на повестке дня с большой остротой, их изобретение получило весьма широкую огласку и признание. Грамм оказался весьма деловым человеком и организовал в Париже свою фирму, эксплуатирующую это усовершенствование. Более того, он применил кольцо Пачинотти для самовозбуждающейся машины, получив таким образом едва ли не первый практически вполне годный для промышленной эксплуатации генератор.

Выпустив на время из рук инициативу в создании конкурентноспособных динамо-машин, Вернер Сименс поставил задачу перед своими сотрудниками — перехватить производство. Для этого следовало прежде всего внести какое-то усовершенствование, чтобы оградить себя от патентного иска. И вот главный инженер фирмы Фридрих Гефнер-Альтенек видоизменяет якорь Грамма. Известно, что чем большая поверхность якоря проходит под полюсом электромагнита, тем индукционный ток в нем больше. И Гефнер-Альтенек вытягивает кольцевой якорь Грамма в цилиндр и делает его в виде барабана. Были введены и еще некоторые усовершенствования, позволившие фирме «Сименс и Гальске» приступить к выпуску собственных динамо-машин.

Некоторое время между конкурирующими фирмами и в среде инженеров шел спор, какой тип генераторов лучше — Грамма или Сименса. Но со временем все пришли к выводу, что разницы практически никакой нет. Тем более что то в одном месте, то в другом стали появляться динамо-машины разных конструкций. В начале 80-х годов Эдисон построил машину с нижним расположением якоря. «Сименс и Гальске» и фирма Грамма тут же почти одновременно перевернули эдисоновскую машину и построили динамо с верхним расположением якоря. Шуккерт в Нюрнберге сплюснул якорь и всю машину в плоское кольцо. Вышли на рынок многополюсные машины, более мощные и еще более совершенные. Но…

Изобретатели уже давно заметили, что для некоторых целей, главным образом для питания дуговых ламп, можно пользоваться невыпрямленным, первоначальным током переменного направления. При этом, поскольку коллектор становился ненужным, конструкция машины сильно упрощалась.

Сначала генераторы переменного тока находили себе применение только для нужд освещения, и динамо-машины, вырабатывавшие постоянный ток, держали первенство. Но скоро в действие вступили и другие факторы, стимулировавшие развитие машин, вырабатывающих переменный электрический ток.

«Русский свет»

Создание экономичного генератора электрического тока оживило усилия изобретателей, искавших области практического применения электрической силе помимо телеграфии. Уже первые исследователи гальванизма заметили, что проволока, по которой идет электрический ток, нагревается, накаливается и может даже раскалиться до яркого свечения и расплавиться. Кроме того, в 1802 году В. В. Петров указал на возможность освещения «темных покоев» с помощью электрической дуги. Он же исследовал электроразрядное свечение в разреженном пространстве под колпаком. Те же явления позже были изучены Дэви и Фарадеем…

Освещение!.. Сейчас даже трудно представить себе, что всего полтораста лет тому назад оно являлось проблемой общественной жизни. С начала XIX века в дома горожан проникает газовое освещение, пришедшее на смену свечам и лампам с жидким горючим. Сначала газовый свет казался великолепным. О лучшем нечего было и мечтать. Однако этот триумф газа был недолгим. Уже к середине века газовое освещение перестало удовлетворять людей из-за своих многочисленных недостатков. Оно было тусклым, небезопасным в пожарном отношении и вредным для здоровья.

На фабриках и на заводах, где трудовой день длился по четырнадцать часов в сутки, отсутствие яркого освещения тормозило рост производительности труда и замедляло технический прогресс. Все это способствовало усилению работы изобретателей над новыми видами электрического освещения: над дуговыми лампами, лампами накаливания и газоразрядными лампами.

Раньше других появились достижения в разработке дуговых ламп, хотя первое время их прогресс сдерживался отсутствием надежных источников тока, не было и хороших углей. Древесные угли, которыми пользовались Петров и Дэви, быстро сгорали и были непрочны. Выход нашел Роберт Бунзен — известный химик, изобретатель цинко-угольного элемента. Он предложил использовать твердый нагар, остающийся на раскаленных стенках газовых реторт. Из отбитых кусков этого нагара удавалось выпиливать короткие стержни, которые хорошо проводили ток и сгорали значительно медленнее. Позже этот нагар стали молоть и из порошка формовали стержни требуемого размера и необходимой однородности.

Вторая трудность, назовем ее «проблемой регулятора», заключалась в том, что угли сгорали — и расстояние между ними увеличивалось. Дуга становилась «неспокойной», свет из белого превращался в голубой, начинал мигать и гас. Нужно было придумать механизм, поддерживающий между концами углей одинаковое расстояние.

Изобретатели предложили много устройств. Большинство из них имело тот недостаток, что в одну цепь невозможно было включить несколько ламп. Поэтому каждый источник энергии первое время работал на один светильник.

Но вот в 1856 году в Москве изобретатель А. И. Шпаковский осуществил осветительную установку с одиннадцатью дуговыми лампами, снабженными оригинальными регуляторами. Правда, и они не решали проблему «дробления света».

Первым разрешил ее изобретатель В. Н. Чиколев, применивший в 1869 году в дуговой лампе дифференциальный регулятор. Этот принцип регулирования, развитый в дальнейшем многими инженерами и изобретателями, применяется и в настоящее время в прожекторных установках.

Примерно к тому же времени относятся и удачные опыты по применению ламп накаливания и даже первых газосветных трубок. Но самую важную и решающую роль в переходе от опытов по электрическому освещению к его широкому внедрению в практику сыграли работы русского электротехника П. Н. Яблочкова…

В 1875 году Яблочков вместе с другим изобретателем, Н. Г. Глуховым, организовал в Петербурге мастерскую физических приборов. Компаньоны с увлечением конструировали электротехнические новинки, ставили опыты, обсуждали грандиозные проекты… К сожалению, оба оказались плохими предпринимателями и финансовые дела их «предприятия» шли из рук вон плохо.

Однажды, получив заказ на изготовление установки для электролиза поваренной соли, Яблочков занялся поисками наивыгоднейшего расположения угольных электродов в растворе. Случилось так, что, укрепляя параллельно угли, он случайно коснулся концом одного конца другого. Вспыхнула дуга. Она не прерывалась до тех пор, пока угли не сгорели. Павел Николаевич, мысли которого были заняты обдумыванием устройства дуговой лампы, сразу же понял, что перед ним простое и безусловное решение проблемы…

Финансовый крах оторвал его от занятий. В октябре того же года Яблочков уезжает во Францию, где поступает в Париже в электротехнические мастерские, изготавливающие телеграфные аппараты и электрические машины. Здесь он доводит свое изобретение и получает на него патент. Два параллельно поставленных угольных стержня с прокладкой из каолина присоединялись к клеммам гальванической батареи или машины постоянного тока. Наверху стояла угольная перемычка — «запал», который быстро сгорал при включении. Немало пришлось поэкспериментировать Павлу Николаевичу. Угли сгорали неравномерно. Положительный электрод уменьшался быстрее, и пришлось его делать толще…

Простота конструкции и безотказность в работе «электрической свечи» Яблочкова привели к тому, что успех изобретения превзошел самые смелые ожидания. Технические журналы и мировая пресса пророчили наступление новой эпохи…

В 1876 году русский изобретатель представил свою удивительную «свечу» на Лондонской выставке. И там она стала гвоздем программы. А год спустя предприимчивый француз Денейруз добился учреждения акционерного «Общества изучения электрического освещения по методам Яблочкова», в котором предложил изобретателю солидный пакет акций. Благодаря изворотливости предпринимателя одна из самых посещаемых знатью парижских улиц — Авеню де ль’Опера и площадь Оперы, а также магазин «Лувр» сменили тусклое газовое освещение на яростный блеск электрической дуги, пылающей на концах параллельных углей. Чтобы смягчить нестерпимый блеск дуги, каждую свечу заключили в матовый колпак. И молочно-белые шары сияли на улицах Парижа, как спустившиеся с неба звезды.

Это было так прекрасно, что из Парижа «русский свет» не только шагнул в другие города, но и пересек границы государств и континентов. «Из Парижа электрическое освещение распространилось по всему миру, — писал сам Яблочков, — дойдя до дворца шаха персидского и короля Камбоджи». Русский изобретатель стал европейской знаменитостью.

Яблочков не останавливается на достигнутом. Он пробует питать «свечу» от машины переменного тока и находит, что это еще удобнее. Теперь угли не нужно делать разной толщины, они сгорают равномерно. Да и машина переменного тока оказывается проще. Ей не требуется коллектор. Работы Яблочкова заставили многих конструкторов задуматься над совершенствованием генераторов переменного тока, дали толчок их развитию. Одновременно русский изобретатель первым предложил использовать индукционные катушки, ставшие, по существу, первыми трансформаторами с разомкнутой цепью. Появилась возможность одновременного включения нескольких свечей в цепь, питаемую одной машиной.

Павел Николаевич страстно мечтал о возвращении на родину. Он хотел взять реванш за постигшие его там неудачи. Став богатым человеком, он решил выкупить свои привилегии у компаньонов и создать «товарищество» в России. Это ему в конце концов удалось. И вот как описывал его возвращение другой русский электротехник, Владимир Николаевич Чиколев: «Он поселился в роскошных апартаментах „Европейской гостиницы“, и кто только не бывал у него: светлости, сиятельства, высокопревосходительства, превосходительства без числа, городские головы… Яблочкова всюду приглашали нарасхват, везде продавались его портреты, в газетах и журналах ему посвящались сочувственные, а иногда и восторженные статьи…» Наконец в Петербурге было учреждено товарищество «Яблочков-изобретатель и К°». Мастерские стали изготавливать осветительные приборы конструкции Яблочкова для России. Однако, когда первый бум прошел, дела товарищества пошли на спад.

Сам Яблочков был только изобретателем и совершенно непрактичным человеком. Условия для развития электротехники в технически отсталой России были сложными. А компаньоны изобретателя заботились только о прибылях. Кроме того, скоро и сам Яблочков, сравнивая возможности своих «свечей» с лампами накаливания, понял бесперспективность дугового освещения. Сорока шести лет, тяжело заболев, он писал: «Проработав всю жизнь над промышленными изобретениями, на которых многие люди нажились, я не стремился к богатству, но я рассчитывал, по крайней мере, иметь на что устроить для себя лабораторию, в которой я мог бы работать не для промышленности, но над чисто научными вопросами, которые меня интересуют. И я, возможно, принес бы пользу науке, как я это сделал для промышленности, но мое необеспеченное состояние заставляет оставить эту мысль… Я в настоящее время имею на личном счету только нищету, грудную болезнь… Вот мой баланс за 17 лет работы…»

«Господин Лодыгин, это изумительно!»

Темным осенним вечером 1873 года толпы петербуржцев спешили на Пески (ныне это район Советских улиц). Там их ожидало чудесное зрелище. В двух уличных фонарях керосиновые лампы были заменены какими-то стеклянными пузырьками, от которых шли провода в толстой резиновой оболочке к «световой машине». Рядом суетились люди. Прилично одетый господин в длинном расстегнутом пальто что-то прикручивал, соединял. Провода лежали прямо на панели и путались под ногами. Но вот застучала машина, зачихала, завертела якорь генератора, и пузырьки на столбах вспыхнули ярким светом. Люди вынимали припасенные газеты, сравнивали, на каком расстоянии от старого керосинового или фотогенного фонаря и нового можно разобрать буквы. Разница была впечатляющей.

Присутствующие поздравляли изобретателя: «Господин Лодыгин, это прекрасно! Господин Лодыгин, это изумительно!»

В общем-то, изобретение лампы накаливания было случайным или попутным, что ли. Замахивался он на нечто большее…

Александр Николаевич Лодыгин родился 6 (18) октября 1847 года в Тамбовской губернии, в имении отца. С юных лет — обычная карьера для отпрыска небогатого провинциального помещика: кадетский корпус в Воронеже, а потом Московское военное училище. Однако военная служба не прельщала молодого человека. И, отслужив положенный срок, он подпоручиком выходит в отставку. А как же семья?.. Отец против. Отец негодует, лишает поддержки. И отставной военный из дворян поступает на Тульский оружейный завод сначала молотобойцем, потом слесарем. Одновременно он изобретает. Идеи и образы небывалых машин теснятся у него в мозгу, не дают спокойного сна. Лодыгин задумал построить «электролет» — летательную машину тяжелее воздуха, которая будет приводиться в действие электричеством. Но кому в Туле нужен «электролет» типа геликоптера? И Лодыгин едет в столицу, в Петербург.

Он передает свой проект в Инженерное управление военного министерства, рассказывает о нем репортерам столичных газет. В газетах появляются сенсационные описания его машины, а министерство молчит. Министерству наплевать на геликоптер.

В 1870 году Лодыгин решает предложить свой проект Франции, которая воюет с пруссаками. Но нет денег на поездку. Знакомые студенты с шапкой по кругу собирают 98 рублей, и Александр Николаевич уезжает. Однако на одной из промежуточных станций чемодан с чертежами «электролета» у него украли. Все! Катастрофа! Без чертежей, без денег, практически без языка — ох уж этот французский из кадетского корпуса!

Лодыгин поступает слесарем на завод, а вечерами по памяти восстанавливает чертежи. Поддерживает его Феликс Турнашон — командир бригады аэронавтов. Веселый, воинственный француз, хорошо знавший известного писателя Жюля Верна и зачитывавшийся его романами, видит в молодом русском воплощение Робура-завоевателя.

Несмотря на трудности, чертежи восстановлены. Комитет национальной обороны ассигновал 50 тысяч франков на постройку «электролета Лодыгина», но… Боши вошли в Париж. Война проиграна. А патент «на применение электричества в воздушной навигации» получили братья Гастон и Альфред Тиссандье — воздухоплаватели.

Так, не родившись, «электролет» умер. Впрочем, от него осталась незначительная деталь. Для освещения своего летательного аппарата Лодыгин предлагал лампочку накаливания. Вернувшись в Россию, он получает привилегию на нее и, имея уже некоторый опыт, патентует изобретение в ряде европейских государств.

В кругу друзей изобретатель рассказывал, как однажды, спроектировав изображение вольтовой дуги на экран, он обратил внимание на то, что свет исходит лишь от самых кончиков раскаленных углей. «А что, ежели бы удалось раскалить весь уголь?» Так пришла ему в голову мысль от двух угольных полюсов, соединенных дугой, перейти к одному тонкому углю: А чтобы тот не перегорал, Александр Николаевич заключил его в герметическую стеклянную колбу. «Как только весь кислород израсходуется, — рассуждал он, — разрушение угольного стерженька прекратится».

С этой мысли начались его поиски, опыты и пробы. В ту пору через Неву строился Литейный мост. Лодыгин предложил осветить место подводных работ. Это явилось прекрасной демонстрацией возможностей нового вида освещения.

В 1874 году Александр Николаевич Лодыгин получил привилегию на производство ламп своего изобретения и организовал «Товарищество электрического освещения А. Н. Лодыгин и К°». Увы, капитал товарищества составлял всего десять тысяч рублей. А электротехническая промышленность России была в руках иностранцев. Всего было мало, все было дорого. Прошел год с небольшим, и компания потерпела финансовый крах. Лодыгин поступает слесарем в петербургский Арсенал. Правда, скоро он переходит на должность инженера. И тогда произошла такая любопытная история…

В конце 70-х годов прошлого века на верфях Северо-Американских Соединенных Штатов по заказу Петербургского Адмиралтейства строились корабли. На их приемку выехал в Америку лейтенант русского флота А. Н. Хотинский. Он взял с собой несколько ламп Лодыгина. Может быть, чтобы оборудовать помещения кораблей? А почему бы и нет? Изобретение запатентовано было в России, во Франции, в Великобритании, в Австрии, в Бельгии… Случилось как-то, что молодой лейтенант показал русские лампы изобретателю по имени Томас Эдисон, которому новинка чрезвычайно понравилась. Американец принялся за усовершенствование русского изобретения.

«Конечно, трудно установить, насколько описанное обстоятельство имело влияние на изобретение Эдисона. Но то обстоятельство, что изобретение Лодыгина было известно в Америке, явствует из судебного разбирательства в процессе между Эдисоном и Сваном», — пишет известный историк электротехники профессор М. А. Шателен. Американский суд аннулировал спорные привилегии обоих изобретателей, мотивируя свое постановление тем, что уже существуют лампы Лодыгина. Говорили, что Эдисон проделал тысячи опытов, прежде чем у него в руках оказался стеклянный пузырек с угольной нитью из бамбукового волокна. Из пузырька был выкачан воздух. Американский изобретатель разработал все звенья системы электрического освещения и начал массовый выпуск ламп.

Но еще до того коротким победным маршем прошла по миру «свеча Яблочкова», затмив лодыгинское изобретение более ярким свечением.

В 1884 году Александр Николаевич Лодыгин снова уезжает во Францию, а оттуда в США. Он изобретает еще несколько типов ламп накаливания, в том числе с металлическими нитями, и первым предлагает для нити накаливания вольфрам… Но ему не везет и в Америке. Лодыгин возвращается во Францию, затем в Россию, конструирует приборы электрического отопления, респираторы, электропечи для плавки металлов.

В Петербурге он один из основателей электротехнического отдела Русского технического общества. Но постоянная нужда грызет его и гоняет с места на место. Он снова уезжает за границу и возвращается на родину лишь после революции 1905 года. К сожалению, и тогда место для изобретателя нашлось лишь на трамвайной подстанции…

В 1918 году Александр Николаевич снова уезжает в США. В 1923 году советские электротехники избирают его почетным членом Общества русских электротехников. Однако их письмо, посланное за океан, уже не застало Лодыгина в живых.

Свеча Яблочкова и лампы накаливания убедительно показали, что электрическое освещение обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовым.

Английский парламент организовал специальную комиссию, которая должна была учинить следствие над подсудимым… электрическим освещением, сравнивая его достоинства с освещением газовым. По порядку, не отступая от традиций британского суда, члены комиссии «допросили» многих видных ученых, после чего был вынесен вердикт. Так называется решение присяжных заседателей в судебном процессе о виновности или невиновности подсудимого. Решение было единодушным — электрическое освещение признавалось лучшим по сравнению с газовым, а «свеча Яблочкова» — лучшей по сравнению со всеми другими источниками света, известными в ту пору…

Сообщение об этом оригинальном «судилище» для собрания электротехнического отдела Русского технического общества подготовил Д. А. Лачинов. Он же написал о том статью и в первый номер нового русского журнала «Электричество».

По просьбе В. Н. Чиколева Дмитрий Александрович Лачинов разработал ряд формул для определения освещенности поверхностей. Чиколев использовал эти формулы в своей статье «Об электрическом освещении улиц, мостов и площадей». Но для того чтобы окончательно вытеснить газ, следовало прежде всего решить проблему централизованного производства электричества и проблему электростанций и придумать способы передачи электроэнергии на расстояние. Тогда можно было использовать ее для питания установок электропривода. Пока же редкие электродвигатели использовались только на более или менее крупных предприятиях, которые имели свои достаточно мощные блок-станции с машинами постоянного тока.

Весь ход развития практического применения электрической энергии требовал ее централизованного производства. Но для этого нужно было научиться ее экономично транспортировать к потребителям, удаленным на достаточно большое расстояние. Легкость превращения электрической энергии в любую другую форму и ее чрезвычайно быстрое распространение по проводам делали поставленную задачу необыкновенно заманчивой. Именно потому, начиная с 70-х годов прошлого века, проблема электропередачи становится главным направлением в развитии электротехники.

Трудностей было немало. Прежде всего следовало изобрести технологию производства проводников, заложить основы совершенно новых отраслей техники — кабельной и электроизоляционной.

Вы помните, как изолировал В. В. Петров провода сургучом, смешанным с воском? П. Л. Шиллинг применял для изоляции проводов своего телеграфа пеньку, пропитанную озокеритом. А подземный кабель тогда представлял собой провод, изолированный бумажной пряжей и уложенный в стеклянные трубки, которые соединялись между собой резиновыми манжетами.

В 1949 году, в начале строительства ленинградского метрополитена, рабочие откопали кабель, проложенный еще Б. С. Якоби более ста лет назад. В деревянном желобе лежала проволока, изолированная суровыми нитками, пропитанными изоляционной массой из воска и канифоли и заключенная в стеклянные трубки.

Позже Якоби предложил применять для изоляции проводов гуттаперчу. А после изобретения способа вулканизации каучука в 1839 году стал применяться для изоляции и этот материал. Дороги были первые провода…

Однако главной трудностью в передаче энергии на расстояние были потери. Постоянный ток, проходя по проводам, отдавал большую часть своей энергии на нагрев проводников. Как уменьшить потери? Пробовали увеличивать сечение проводников — получилось.

Но расчеты показали, что это слишком дорогая цена.

Пожалуй, самым первым опытом передачи энергии на расстояние, получившим широкую известность, явился эксперимент французского инженера И. Фонтена. На Венской международной выставке 1873 года Фонтен проложил кабель длиной более километра между двумя машинами Грамма. Одна из них давала ток, другая работала в режиме двигателя. Однако потери оказались столь велики, что сам экспериментатор пришел к выводу, что экономичная передача энергии на сколько-нибудь значительное расстояние вряд ли возможна.

Я не зря подчеркиваю экспериментальный характер этой работы. В то время еще не существовало теоретического анализа явлений, происходящих при подобной передаче энергии, и до каждой истины изобретатели должны были доходить опытным путем.

Тем важнее и интереснее оказался вклад Д. А. Лачинова, который он внес в решение этой важнейшей проблемы. В том же 1880 году Дмитрий Александрович написал классическую работу, охватив в ней все основные вопросы теории электродвигателей, электрогенераторов и электропередачи. Статья называлась «Электромеханическая работа и элементарная теория электродвигателей (динамоэлектрических машин)» и явилась важной вехой в развитии теории электротехники. Впервые в истории им были сформулированы законы передачи электроэнергии на расстояние и определен путь дальнейшего развития электротехники.

Годом позже французский физик Марсель Депре повторил выводы Дмитрия Александровича Лачинова в статье «Передача электрической работы на большие расстояния».

Русское техническое общество назначило Д. А. Лачинова генеральным комиссаром русского отдела Всемирной электрической выставки, которая должна была открыться в Париже в 1881 году. И Дмитрий Александрович с честью представил русскую электротехническую науку и технику как на выставке, так и на Всемирном конгрессе электриков, последовавшем за ее открытием.

Лачинов был очень разносторонним ученым, прекрасным товарищем, душой кружка петербургских физиков. Однако, потеряв трудоспособность, он, как и многие русские интеллигенты, остался без средств к существованию. И 25 октября 1902 года умер в возрасте 60 лет в больнице благотворительного общества.

Письмо мавра

Ноябрь в Англии не самый лучший месяц года. Погода промозглая, сыро и холодно. В комнатах темно. Однако утро началось как обычно. Чашка кофе. Увы, в одиночестве. Через месяц исполнится год, как умерла Женни, друг, помощник, жена, с которой они прожили тридцать восемь лет и которая так мужественно принимала на свои плечи все тяготы эмиграции. А через месяц за Женни-старшей последовала и Женни-младшая, дочь, ставшая прекрасным публицистом… Маркс встряхивает поседевшей гривой все еще густых волос и принимается за дело. Он просматривает газеты, что-то отчеркивает, загибает листы… Одна, другая, третья… Вот, чуть не пропустил. Совсем маленькое, незаметное сообщение об электрической выставке в Мюнхене и об опытах Депре, передавшего силу по проводам с помощью электричества в Мюнхен из Мисбаха…

Мисбах… Мисбах. Конечно, Маркс прекрасно знал это место. Маленький городок километрах в пятидесяти от Мюнхена. Там еще находятся старые угольные шахты, на которых шахтеры работают в жутких условиях. Интересно, почему именно оттуда решили вести линию электропередачи? Сколько он просил выслать сюда в Англию, в Вентнор, статьи об исследованиях этого Депре! Успехи в развитии электричества давно его интересуют.

Маркс был убежден, что электричество идет на смену «Его Величеству Пару» и что это знаменует собой экономическую революцию, следствием которой будет революция политическая. Он придвинул к себе бумагу и обмакнул перо.

Почерк Маркса тонкий, неразборчивый. Как умела его разбирать Женни, которая переписывала для печати все его рукописи!.. Впрочем, Энгельс тоже читает его легко. Последнее время он много занимается вопросами физики и, естественно, не мог пропустить бурного развития новой отрасли науки. Энгельс читал работы Фарадея, познакомился с трактатами Максвелла. Пожалуй, он мог бы считать, что подкован в научном смысле вполне прилично. Однако технических подробностей экспериментов, проводимых в разных странах, Энгельс тоже не знал.

В житейском смысле Марсель Депре был, пожалуй, неудачником. В своих работах он пришел к тем же выводам, что и Лачинов, но все его попытки осуществить «электрическую передачу энергии» заканчивались неудачами, поскольку линии имели очень низкий коэффициент полезного действия.

В 1882 году, когда городские власти Мюнхена решили устроить в столице Баварии «электрическую» выставку, для демонстрационной электропередачи выбрали линию телеграфа. Организатор выставки инженер Оскар фон Миллер пригласил Депре, с которым был знаком еще по парижской выставке прошлого года.

В Мисбахе на шахтах имелась небольшая паровая машина, мощностью в две лошадиные силы, и динамо-машина Грамма постоянного тока. В принципе она могла развивать до 2000 вольт электродвижущей силы.

Но что поставить на выставке в качестве демонстрации переданной на расстояние силы? Устроители задумывают взять вторую, аналогичную машину Грамма, поставить ее в режим двигателя, соединить с центробежным насосом и заставить последний перекачивать воду в резервуар, установленный на высоте нескольких метров. Оттуда вода должна низвергаться водопадом…

Вы можете улыбнуться: странный, дескать, способ демонстрации. Но здесь, по-видимому, вступали в силу национальные привязанности — немцы обожают водопады. Я был свидетелем, как почтенные обыватели выезжают в субботу за город, чтобы выпить кружку пива под шум падающей воды. Время от времени ее спускает из накопителя бармен с помощью обычного поплавкового затвора от бачка, веревка к которому спрятана за пивной стойкой. Вы бы видели, как радуются эти люди, когда начинает работать «вассерфалль», как кричат «ура» и поднимают кружки… за падающую с высоты двух-трех метров воду!

Миллер собирался перекачивать воду на высоту четырех метров!

К сожалению, машина Грамма на шахтах Мисбаха была старой и шелковая изоляция ее проводов сомнительной. Депре тянул и тянул с началом эксперимента, пока 10 сентября из Нью-Йорка не пришло известие о пуске Эдисоном первой в мире «фабрики электричества». Так называли тогда электростанции, обслуживающие клиентов энергией. Шесть динамо-машин конструкции Эдисона по 125 лошадиных сил каждая должны были обеспечить питанием несколько тысяч ламп, 617 подъемных машин и 55 лифтов. Правда, расстояние от всех абонентов не превышало нескольких километров. Поэтому Эдисон не боялся потерь в подземных кабелях. Но все равно дальше оттягивать демонстрацию было нельзя.

15 сентября у бетонного ложа искусственного водопада, декорированного зеленью и снабженного вывеской «Марсель Депре. Силовая электропередача Мисбах-Мюнхен. Расстояние — 57 километров» собрались люди. Вечером, когда последние посетители покинули выставку, Миллер послал по телеграфной линии сигнал, и вслед за тем двигатель заработал. Несколько минут спустя по бетону вниз полились первые струи поднятой воды. Браво! Что из того, что установка работала с перебоями, что передача энергии шла с КПД всего 22 %. Это было началом начал и исходным пунктом для многих дальнейших работ в этой области.

В тот же день Миллер послал телеграмму: «Париж, Академия наук. Мы счастливы сообщить вам, что опыт Марселя Депре, имевший целью передачу силы по обыкновенной телеграфной проволоке из Мисбаха в Мюнхен на расстояние 57 километров, полностью удался.

Комитет специальных электрических исследований.

Секретарь О. Миллер».

В общем-то, конечно, несмотря на ликование устроителей, опыт не удался. Вернее, результаты его были очень уж ничтожными. Изоляция машины Грамма была действительно ненадежной, и Депре не решился поднять напряжение выше 1500 вольт. Паровая машина сломалась на следующий же день. Сопротивление проводов линии было велико, и оно съедало большую часть мощности, вырабатываемой генератором. Здесь главное заключалось в том, что Депре не смог поднять напряжение. Чем выше напряжение и меньше передаваемый по линии ток, тем меньше в ней потери. Это был важнейший вывод, к которому пришли Лачинов и Депре.

Несколько лет спустя соотечественник Депре Ипполит Фонтен повторил опыт Депре. Он взял те же условия — передать 100 лошадиных сил на 50 километров при коэффициенте полезного действия 50 %. Он не стал строить специальную машину на задуманное напряжение в 6000 вольт, а соединил последовательно четыре машины, каждая из которых развивала по 1500 вольт, и получил требуемое напряжение. Также и на приемном конце он соединил последовательно три двигателя. Фонтену удалось доказать требуемое.

И все-таки именно Депре дал толчок практикам-электрикам к их работам по передаче электроэнергии на большие расстояния. В 1883 году в письме редактору партийной газеты «Социал-демократ» Э. Бернштейну Фридрих Энгельс писал: «…это колоссальная революция. Паровая машина научила нас превращать тепло в механическое движение, но использование электричества откроет нам путь к тому, чтобы превращать все виды энергии — теплоту, механическое движение, электричество, магнетизм, свет — одну в другую и обратно и применять их в промышленности. Круг завершен. Новейшее открытие Депре, состоящее в том, что электрический ток очень высокого напряжения при сравнительно малой потере энергии можно передавать по простому телеграфному проводу на такие расстояния, о которых до сих пор и мечтать не смели, и использовать в конечном пункте — дело это еще только в зародыше, — это открытие окончательно освобождает промышленность почти от всяких границ, налагаемых местными условиями, делает возможным использование также и самой отдаленной водной энергии, и если вначале оно будет полезно только для городов, то в конце концов оно станет самым мощным рычагом для устранения противоположностей между городом и деревней. Совершенно ясно, что благодаря этому производительные силы настолько вырастут, что управление ими будет все более и более не под силу буржуазии…»[4]

Мы с вами свидетели того, как сбылись и сбываются эти предсказания.

Депре не прекратил своей деятельности. Он предпринял еще целый ряд опытов, постепенно повышая напряжение. Самой значительной из его работ была линия Крейль-Париж, осуществленная в 1885 году. По ней передавалась мощность около 50 лошадиных сил на расстояние 56 километров при напряжении 6000 вольт. Однако и на этот раз коэффициент полезного действия был не выше 50 %.

Надо сказать, что неудачи его опытов вызвали среди довольно значительной части электриков скептическое отношение вообще к возможностям передачи энергии на дальние расстояния. Появились даже теоретические попытки доказать, что КПД в 50 % является предельным… Однако все эти трудности заключались, как мы сегодня понимаем, лишь в технических возможностях того времени. Прежде всего хорошо изученный и удовлетворяющий всем потребностям промышленности постоянный ток не допускал трансформации. Его напряжение было то, которое снималось с клемм электрической машины. А они давали в конце прошлого столетия не более 6000 вольт. Высокое напряжение постоянного тока трудно было использовать и потребителям. Последовательное соединение их было по большей части неудобным.

Выход был: требовалось перейти к переменному току. Его применение началось по инициативе П. Н. Яблочкова. Я уже рассказывал, что переменный ток был удобнее для питания «свечей Яблочкова». Но самое замечательное свойство переменного тока — его способность к трансформации. И здесь, после работ Фарадея, после создания Якоби и Румкорфом первых индукционных катушек, Яблочков показал путь к практическому применению трансформаторов. Они могли служить целям разделения цепей генератора и потребителя для так называемого дробления света.

В течение нескольких лет в разных странах инженеры-электрики разрабатывали конструкции трансформаторов с замкнутыми магнитными системами. И это позволило приступить к строительству центральных электрических станций переменного тока.

Правда, применялся переменный электрический ток пока только для освещения. Двигателей, работающих на нем, практически не существовало. Дело заключалось в трудностях принципиального характера. Однофазный двигатель не имеет пускового вращательного момента, то есть не может самостоятельно запускаться. И это обстоятельство, естественно, затрудняло возможность его применения. Решить проблему мог только переход к новой комплексной области электротехники — к технике трехфазного тока.

«Воды Неккара» во Франкфурте-на-Майне

Конец XIX века характеризуется значительной централизацией капиталистического производства. Все крупнее становятся фабрики и заводы, все большее количество рабочих трудится на них. Крупные предприятия отныне требовали мощных сгустков энергии. И нужно было научиться их концентрированно производить и передавать к месту потребления. Таким образом, энергетическая задача перерастала в задачу экономическую. Как же ее решать?

Возможны были два пути: первый заключался в совершенствовании передачи постоянного тока, второй — в поисках и разработке конструкции двигателя переменного тока. Построить его можно было, используя известные свойства вращающегося магнитного поля, которое создается с помощью многофазных токов. Второй путь оказался проще, и это направление обогнало первое, затормозив развитие энергетической техники постоянных токов на долгое время.

С чего же начиналась техника трехфазных токов? Еще в 1824 году уже знакомый нам физик Араго демонстрировал своим коллегам по Парижской академии наук интересное явление, названное им «магнетизмом вращения». Он вращал постоянный магнит, установленный под подвешенным медным диском. И немагнитный медный диск тоже приходил во вращение. Академики немало дивились чудесному и загадочному феномену…

Полвека спустя (в 1879 году) английский физик В. Бейли заставил вращаться медный диск в меняющемся магнитном поле неподвижных электромагниту. Он доказал, что, будь таких электромагнитов бесконечное множество, магнитное поле стало бы равномерно вращающимся…

Однако больше всех для понимания причин вращения магнитного поля сделали итальянский профессор Г. Феррарис и югославский инженер Н. Тесла. Независимо друг от друга они пришли к сходным результатам и почти одновременно выступили в 1888 году с докладами о своих работах…

Представьте себе две одинаковые катушки, расположенные перпендикулярно друг другу и питаемые обычным переменным током. Условие одно: чтобы ток в одной катушке опережал ток в другой на четверть периода (на 90°). Другими словами, когда ток в одной из катушек равен нулю, ток в другой — максимален.

Если внутрь этих катушек поместить магнитную стрелку, то она тут же начнет быстро-быстро вращаться, следуя за вращающимся магнитным полем внутри катушек.

Феррарис поместил внутри катушек медный цилиндр, получив таким образом по существу двухфазный асинхронный двигатель. Цилиндр играл роль ротора двигателя.

Тесла описал различные многофазные системы. Однако и он считал наиболее целесообразной — двухфазную… Она и была принята на огромной для своего времени Ниагарской гидроэлектростанции, построенной в Америке, а также еще в нескольких установках в Европе. Однако по прошествии короткого времени трехфазные системы, распространившиеся в Европе, доказали свои преимущества и заставили американцев переоборудовать «системы Тесла» на трехфазный ток.

Самые большие достижения в области практического применения трехфазного тока выпали на долю русского инженера Михаила Осиповича Доливо-Добровольского, работавшего шеф-электриком, а потом и техническим директором на бурно развивавшейся в тот период берлинской фирме «АЭГ».

Михаил Осипович Доливо-Добровольский родился в 1862 году в пригороде Петербурга в семье чиновника. Увлеченный еще в реальном училище химией, он поступил на химический факультет Рижского политехнического института. Но окончить учебу здесь ему не удалось. За участие в студенческих беспорядках он был исключен из института без права поступления в другие высшие учебные заведения. Чтобы получить высшее образование, Михаил Осипович уезжает в Германию, где оканчивает Дармштадтское высшее техническое училище.

Именно в эти годы в науке и технике происходили бурные события. С одной стороны, электрические явления объединялись в отдельную отрасль физики, а с другой — возникла новая отрасль техники — электротехника. Новые научно-технические идеи не обошли и любознательного русского студента. Михаил Осипович сначала остается преподавателем в том же училище, которое и окончил, а потом переходит в фирму «АЭГ».

Все дальнейшие годы, занимаясь производственно-технической инженерной деятельностью, М. О. Доливо-Добровольский не оставляет научных изысканий и изобретательской работы. В марте 1889 года он сделал патентную заявку на асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором, обмотка которого была выполнена в виде «беличьего колеса». Это изобретение выдвинуло русского ученого-изобретателя в первые ряды специалистов-электриков мира.

Трехфазный двигатель Доливо-Добровольского привлек к себе всеобщее внимание. Он был конструктивно наиболее прост и обладал вполне приемлемыми рабочими и пусковыми характеристиками.

В последующие годы М. О. Доливо-Добровольский получил еще несколько патентов на трехфазные трансформаторы, двигатели и генераторы. Причем интересно отметить: его конструкция трансформатора до последнего времени сохранилась практически без каких-либо принципиальных изменений.

Фактически Доливо-Добровольский разработал все основные элементы трехфазной системы переменного тока. И когда в 1891 году устроители Международной электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне решили произвести сравнение имеющихся систем передачи электроэнергии разных типов, система трехфазного тока вышла безусловной победительницей. А произошло это так…

Километрах в десяти от Гейльбронна, на реке Неккаре, расположено небольшое местечко Лауфен. Воды реки Неккара исправно доставляли энергию небольшому цементному заводу Лауфена. Причем заводовладельцы весьма огорчались, что не могут использовать «всю силу» водопада на месте. Заводик был весьма маломощным. А нельзя ли продать энергию реки? Вряд ли такая мысль пришла бы кому-либо в голову даже десять лет назад. Но теперь… Практичные заводовладельцы решили осчастливить близлежащий промышленный Гейльбронн и построить там линию передачи… постоянного тока. Однако Оскар фон Миллер, строитель всей сети, предложил воспользоваться новой системой трехфазного тока, разработанной Доливо-Добровольским. Дирекция выразила согласие.

А тут как раз подоспело время франкфуртской выставки, и возник грандиозный по тем временам план попытаться передать энергию из Лауфена во Франкфурт-на-Майне, на расстояние 175 километров! Таких опытов еще никто не производил.

К тому времени на неккарском водопаде были установлены три турбины мощностью по 300 лошадиных сил. Энергию одной из них и решили отправить в далекое путешествие на выставку. Проект принадлежал М. О. Доливо-Добровольскому, который брался осуществить его силами фирмы «АЭГ».

На гидроэлектростанции установили повышающие трансформаторы, которые подняли напряжение до 8 500 вольт. Во Франкфурте с помощью трансформаторов оно понижалось до 65 вольт. И от него питались лампы и двигатели, в том числе, конечно, и тот, что опять-таки приводил в действие насос, подающий воду в резервуар для создания очередного выставочного водопада. Но на этот раз высота подъема воды составляла десять метров. «О! Das ist ein wundervoller Wasserfall! — говорили очарованные посетители. — Die Neckarswasser murmeln in Frankfurt-am-Main»[5].

Потом были проведены еще две серии опытов, в которых напряжение передаваемого тока поднималось до 14 600 и 28 300 вольт. В среднем коэффициент полезного действия линии составил около 75 %, а при повышенном напряжении доходил до 79 %. Это была убедительная победа над конкурирующими фирмами, построившими установки для передачи постоянного и однофазного тока на территорию выставки.

На конгрессе, который проходил одновременно с выставкой, М. О. Доливо-Добровольский выступил с большим докладом, в котором изложил основы теории электрических цепей трехфазного тока. Его доклад послужил отправной точкой для многих последующих теоретических работ и разработок в этой новой отрасли.

Можно смело сказать, что в период с 1888 по 1891 год были разработаны все основные элементы трехфазной электрической системы, которые полностью сохранили свое значение и получили широкое применение и развитие в настоящее время.

Передача электрической энергии из Лауфена во Франкфурт-на-Майне убедительно показала возможность принципиального решения сложной проблемы централизованного производства электроэнергии и ее передачи на большие расстояния.

Доливо-Добровольский много работал, занимаясь всеми отраслями развивающейся электротехники. Очень интересным был его доклад «Современное развитие техники трехфазного тока» на Первом Всероссийском электротехническом съезде в январе 1900 года. Ученому предложили занять должность декана электромеханического отделения Петербургского политехнического института, который должен был вот-вот открыться. И Михаил Осипович решил покинуть фирму, чтобы вернуться на родину. К сожалению, человеку свойственно лишь предполагать… Обострившаяся болезнь сердца, которой он страдал с детства, не позволила ему вообще продолжать какую-либо работу. Шесть долгих лет прожил он в Швейцарии на излечении. А в 1909 году вернулся в «АЭГ» техническим директором завода электрических аппаратов и консультантом фирмы по электрическим машинам. С объявлением войны в 1914 году русский инженер уехал из Германии снова в Швейцарию. А в 1919 году переехал в Дармштадт, где вскоре и скончался.

Холод на службе энергетики

Сегодня электроэнергия переменного тока идет по проводам линий электропередачи с напряжением в 500, 750 и 1150 киловольт. Для постоянного тока проектируются линии на 1500 киловольт и ведутся работы по конструированию и испытанию линий электропередачи на постоянном токе из Восточной Сибири в европейский центр страны с напряжением 2200–2400 киловольт.

И все-таки есть все основания предполагать, что в самом недалеком будущем никакая современная линия не сможет обеспечить проблему переброски больших количеств электроэнергии на значительные расстояния. Вот один инженерный пример: как показывают расчеты, для передачи мощности всего в 100 тысяч мегаватт на расстояние 2–3 тысяч километров нам потребовалось бы построить более 10 параллельных линий электропередачи, каждая на предельно высокое рабочее напряжение. Потери мощности в магистральных линиях значительно больше, чем в электрических машинах и трансформаторах. Они сводят на нет весь экономический выигрыш, который мы получаем, объединяя крупные энергетические районы в единую систему. Какой же выход можно найти из подобного положения?

Здесь есть несколько направлений. Первое и наиболее простое заключается в создании передачи пульсирующего тока, то есть когда на три фазы линии переменного тока накладывается еще и постоянное напряжение. Пропускная способность такой линии растет, а режим работы улучшается. Но это не коренное решение проблемы. Значительно интереснее возможность существенного снижения электрического сопротивления линии. Это даст одновременно с уменьшением потерь в мощности и увеличением пропускной способности уменьшение габаритов и большую безопасность при эксплуатации. Работы по техническому использованию явления сверхпроводимости ведутся сейчас как у нас в стране, так и практически во всех развитых государствах мира. Разработаны программы исследований и созданы экспериментальные установки. Здесь также намечаются три основных направления: первое — разработка криогенных линий электропередач с использованием обычных материалов; второе — с использованием проводов из материалов высокой степени очистки и третье — с материалами, обладающими способностью полностью терять электрическое сопротивление при снижении температуры ниже критического значения. У криогенных электропередач — большая история.

В 1908 году профессор Лейденского университета, блестящий организатор науки Хейке Камерлинг-Оннес, основатель и директор одной из первых криогенных лабораторий в мире, получил жидкий гелий и измерил его температуру, которая ненамного превышала абсолютный нуль.

Тогда ученых интересовало, как металлы проводят электрический ток при понижении температуры. Большинство специалистов полагало, что при абсолютном нуле, когда все электроны окажутся связанными с атомами и их движение прекратится, сопротивление металлов электрическому току должно стать бесконечным.

Камерлинг-Оннес решил измерить электропроводность ртути. Почему именно ртути? Да потому что в 1911 году только ртуть после несложной дистилляционной перегонки могла считаться самым чистым металлом без примесей. Камерлинг-Оннес заполнил изогнутую стеклянную трубку жидким металлом и стал охлаждать. И вот ртуть замерзла, вот она уже охладилась до температуры жидкого воздуха, до температуры жидкого водорода, но никакого заметного роста сопротивления ученый так и не наблюдал. Может быть, он начнется, когда ртуть приобретет температуру жидкого гелия? Это была самая низкая температура, какую только могли достигнуть на Земле и пока только в его лаборатории… Но произошло чудо! Настоящее чудо! Сопротивление ртутной цепи вдруг исчезло, исчезло совсем! Это явление было настолько удивительно, что оно прославило профессора Камерлинг-Оннеса на весь мир. Его коллеги в других странах стали лихорадочно сооружать криогенные установки и занялись опытами, опытами и еще раз опытами. Впрочем, криогенных лабораторий в мире было мало, а техника, применявшаяся для эксперимента, оказывалась довольно сложной.

Камерлинг-Оннес в 1913 году получил за свое открытие Нобелевскую премию, но суть нового физического явления так и не была понята и объяснена его современниками. Почти 50 лет понадобилось на то, чтобы создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости.

Однако отсутствие теории не всегда мешает практическому использованию. И первый проект криогенной электропередачи был разработан еще в 60-х годах нашего века. Американцы спроектировали однофазный кабель с медными жилами, охлаждаемыми жидким водородом. Во Франции был создан и испытан алюминиевый кабель, охлаждаемый газообразным гелием. Англичане сделали макет однофазного кабеля со сверхпроводящим трансформатором.

Пока все эти установки чрезвычайно громоздки, дороги и по сути дела не выходят за рамки экспериментальных макетов. Но тем не менее многие специалисты уверены, что время «водородной», или среднетемпературной, сверхпроводимости неумолимо приближается. Именно так ставился вопрос на Всемирном электротехническом конгрессе, который проходил в Москве в 1977 году.

Применение сверхпроводимости открывает большие перспективы и для хранения электроэнергии. Представьте себе катушку из сплава олова с ниобием (для нее критическая температура равна примерно 15°К), помещенную в жидкий гелий. По замкнутому контуру ток в ней может циркулировать бесконечное время без всяких потерь. И сегодня уже есть проект создания гигантской катушки диаметром около 100 метров, устанавливаемой в туннеле, пробитом специально для нее в горах и заполненном гелием при критической температуре. В этих условиях по проводнику катушки из алюминия, титана и ниобия будет циркулировать ток громадной силы. В обычных условиях он бы со взрывом испепелил несчастный проводник. А в соленоиде предполагают хранить до ста мегаватт-часов электроэнергии.

Об электротехнике можно рассказывать до бесконечности. Возьмем хотя бы ее теоретические основы. Более четверти века сознательной жизни я отдал этой замечательной дисциплине, читая ее студентам разных курсов электротехнического института. И поверьте, стоит немалого труда, чтобы удержаться и не начать рассказывать увлекательнейшие истории о развитии основных положений и о выделении теоретических основ электротехники в самостоятельную дисциплину. Это было бы тем более интересно, что первый курс этой дисциплины был разработан и прочитан в Ленинграде, тогда Петербурге, в Политехническом институте замечательным русским ученым профессором Владимиром Федоровичем Миткевичем. «Аналогичного курса, — пишет известный электрик и историк науки профессор М. А. Шателен, — не было ни в русской, ни в иностранной литературе. Это было действительно изложение основ учения об электрических и магнитных явлениях, предназначенное специально для будущих инженеров-электриков и подготавливавшее студентов к сознательному восприятию тех сведений, которые они потом получали в специальных курсах электрических машин, высоких напряжений и тому подобное.

Я помню тот исключительный интерес, который проявляли к этому курсу не только студенты, но и преподаватели и молодые электрики и физики. Литографированные листы этого курса разбирались нарасхват».

Ленинский план электрификации России — ГОЭЛРО — потребовал от советских электротехников решения большого круга новых проблем. В ходе их решения в нашей стране возникали крупные научные школы, электротехнические, научно-технические и учебные институты, создавались журналы.

Мне было бы приятно рассказать вам о том, как технические задачи передачи и распространения энергии, анализ режимов и расчетов электрических линий связи породили теорию электрических цепей. У ее истоков стояли многие выдающиеся ученые прошлого века, в том числе Кельвин, разработавший основы теории длинных линий.

А сколько интересных работ связано с возникновением «мгновенных перенапряжений» и «экстратоков», как их называл Фарадей. Они появляются в электрических цепях при переходных процессах и длятся ничтожное время. Но по разрушительной силе своей состоят в близком родстве с молниями. Я бы мог рассказать немало интересного о работах М. Е. Ващенко-Захарченко и о затворнике и мизантропе О. Хевисайде.

Совсем особую область в теоретических основах электротехники образуют теория колебаний и теория регулирования. В этой области классические работы принадлежат таким выдающимся ученым, как математики А. М. Ляпунов и А. Пуанкаре.

Наконец, самое большое удовольствие я всегда получал при изложении теории электромагнитного поля — труднейшей, преобильно насыщенной высшей математикой дисциплины, которая давала возможность понимать и рассчитывать поля или хотя бы находить характер их распределения в различных электротехнических устройствах. Это трудный курс, и студенты побаивались экзамена «по полю», считая: «Поле сдашь — студентом будешь!» Но зато какое прекрасное ощущение высочайшей «интеллигентности» этого курса приходило к каждому… после экзамена.

Нет, нет, уверяю вас, что мне стоило большого труда удержаться и, «наступив на горло собственной песне», не пуститься в воспоминания по поводу теоретических основ электротехники…

Мне кажется, сегодня нет более интересной отрасли в практической деятельности, чем, скажем, строительство электрических станций, мощных линий электропередачи, проектирования и создания объединенных энергосистем. Не зря строители гидростанций с такой неохотой меняют профессию…

Впрочем, не менее интересно заниматься и вопросами разработки и производства электротехнических материалов и электроизоляционных конструкций. Существует, например, целая наука о диэлектриках. А возьмите такое производство, как изготовление конденсаторов — потомков лейденской банки. Я еще помню то сравнительно недавнее время, когда емкость в 10 микрофарад внушала нам — молодым инженерам — глубокое уважение. А сегодня я нисколько не удивляюсь, когда беру в руки серебристый стаканчик электролитического конденсатора, у которого на боку написано «1200 мкФ», емкость в 120 раз больше той — из молодых моих лет…

А вот еще, казалось бы, вполне прозаическая промышленность — кабельная: силовые, телеграфные, телефонные, радиочастотные, коаксиальные кабели, волноводы и световоды…

Совсем недавно коллеги по Союзу писателей попросили меня показать им «что-нибудь этакое… удивительное». И я принес кусок гибкого двужильного кабеля в светло-зеленой синтетической оболочке. Коллеги обиделись, подумали, что шучу. Тогда я протянул кабель в соседнюю комнату, направив его срезанным концом на электрическую лампочку, предложил свернуть, перепутать, завязать его узлами. Протянул свободный конец в зал, где мы заседали, и попросил потушить свет… Из кабеля, из двух тоненьких жил, били два острых лучика света… Вы представляете себе — лучи света, завязанные в узел? Не удивительно? Тогда вы не способны удивляться вообще!

Между тем кто-то неслышно вошел в соседнюю комнату, тенью проскользнул между лампочкой и концом кабеля, и у нас на «приемном конце» лучики света послушно мигнули, отмечая приход опоздавшего…

Я мог бы продолжить перечисление, рассказывая о многом, что было бы интересно и полезно узнать читателю. Ну хотя бы о последних изобретениях и оригинальных конструкциях в светотехнике, в промышленных электротермических установках, в области электропривода, в электрическом транспорте — наземном и водном, подземном и подводном, воздушном и безвоздушно-космическом. Ни один из них не тронется с места без электрооборудования. А ведь остались еще не упомянутыми электроизмерительные, электронные и полупроводниковые приборы, автоматика и телемеханика, вычислительная техника, радио, телевидение, электронная микроскопия, ускорители частиц…

Но современная энергетическая техника необъятна. А необъятное, как известно, объять невозможно. И потому в этой главе я ограничусь лишь некоторыми рассказами о развитии основного электротехнического оборудования — об электрических машинах наших дней и еще о тех новых способах, которыми мы собираемся добывать электрическую энергию завтра.

«…Советская власть плюс электрификация…»

«Применение электрической энергии в России за последние годы значительно развилось, электротехническая же промышленность в ней до последнего времени находится в младенческом возрасте». Это строчки из толстой книги «Промышленность и техника, том III. Электричество, его добывание и применение профессора Артура Вильке. С.-Петербург, 1904».

В начале века в Петербурге-Петрограде — работало около двухсот электрических станций! Не думайте, что я ошибся. Просто в то время еще не научились передавать электроэнергию на расстояние без больших потерь и потому машины, вырабатывающие электричество, старались ставить рядом с потребителем. Радиус линий передачи не превышал обычно одного километра. Часть таких «электростанций» давала постоянный ток, часть — переменный однофазный.

В 1839 году из-за границы в Россию вернулся молодой инженер Роберт Эдуардович Классон — уроженец Киева и выпускник Петербургского технологического института. В Германии он работал монтером на строительстве первой опытной линии передачи электроэнергии трехфазного тока, осуществлявшемся под руководством М. О. Доливо-Добровольского.

В Петербурге Классон поступил на Охтинский пороховой завод и составил проект переоборудования электрохозяйства предприятия на тррхфазный ток. А в 1897 году в Москве, на Раушской набережной, им была сдана в эксплуатацию первая крупная электростанция трехфазного тока. Год спустя такая же станция была пущена в Петербурге на Обводном канале.

Начиная с 1905 года в России наметился некоторый промышленный подъем, который в первую очередь требовал увеличить производство энергии.

Но продолжим цитирование труда господина профессора Вильке:

Пожалуй, достаточно. Картина впечатляющая, если учесть, что все это не придумано, а является свидетельством современника. Между тем сколько выдающихся изобретений обязано своим рождением русским инженерам и техникам…

Предприятие «Сименс и Гальске», о котором шла речь в книге профессора Артура Вильке, тот «самый большой электротехнический завод в России (до 150 служащих), выпускающий ежегодно динамо-машины и двигатели общей мощностью до 6000 киловатт», находился в ту пору на Васильевском острове. Но в 1911 году его перевели за Московскую заставу. Отныне предприятие стало принадлежать акционерному обществу «Сименс и Шуккерт». Невелико преобразование. Завод работал по-прежнему на немецких полуфабрикатах, по немецкой технической документации, и руководили производством аккуратные немецкие инженеры.

В 1914 году верноподданные немецкие специалисты уехали. Материалы и полуфабрикаты поступать на склады перестали, производство затормозилось, захирело, а вскоре и вовсе остановилось. Но Петроград жил. В нем свершались политические события, для которых было небезразлично, есть ли в городе свет и ходят ли трамваи, работают ли станки на заводах…

Сразу же после революции, в 1918 году, для налаживания производства на заводе динамо-машин Петроградский Совет направил первых специалистов, выразивших желание сотрудничать с Советской властью. А 7 ноября 1922 года Совет рабочих депутатов Петрограда постановил называть сей завод отныне Петроградским заводом «Электросила». И к старым спецам на нем добавились молодые инженеры, которым пришлось едва ли не на пустом месте начинать производство первых крупных машин для выполнения плана ГОЭЛРО. Ведь по нему предусматривалось за 10–15 лет соорудить 30 крупных районных электростанций общей мощностью 1750 тысяч киловатт. В их числе 20 тепловых, на угле, сланце, торфе, газе, и 1–0 гидростанций. Это в то время, когда по всей стране существовало всего 9 значительных электростанций, из которых половина не работала из-за отсутствия топлива. И фактически не было ни одного завода, производящего электрооборудование, не говоря уж об энергетическом хозяйстве. Все приходилось создавать впервые. Никаких примеров для постройки первых четырех гидрогенераторов мощностью по 7500 кВт для Волховской ГЭС у наших специалистов не было. Требовалось организовать на заводе расчетно-конструкторские службы и лаборатории, собрать приборы… На этой работе мужали и крепли молодые кадры электромашиностроителей, превращаясь в специалистов мирового класса.

Сегодня, когда пишутся эти строчки, НИИ «Электросила» ставит задачу создания турбогенераторов огромной мощности — в два миллиона киловатт и более. Для Саяно-Шушенской ГЭС созданы гидрогенераторы мощностью по 640 тысяч киловатт.

Уже в мае 1922 года была пущена первая подмосковная Каширская ГРЭС, в октябре того же года — электростанция «Уткина Заводь», ныне ГРЭС «Красный Октябрь» в Ленинграде.

В 1931 году, когда истек кратчайший срок, намеченный планом ГОЭЛРО, мощность районных электростанций страны составляла 2105 тысяч киловатт, против запланированных 1750…

Успехи в выполнении плана ГОЭЛРО, восстановление разрушенного хозяйства заложили прочный фундамент первых пятилеток. А это означало в первую очередь развитие тяжелой индустрии, в частности металлургической и сталепрокатной промышленности. Именно для них, для этих отраслей, в те годы на «Электросиле» было создано электрооборудование первых советских блюмингов Макеевского и Златоустовского заводов, для «Запорожстали».

В годы первой пятилетки общезаводское бюро исследований завода (ОБИС), которое возглавлял будущий академик М. П. Костенко, разработало новую серию трехфазных синхронных машин, заложив тем самым основы производства судового электрооборудования, обеспечивающего одну из ведущих отраслей ленинградской промышленности — судостроение. И прежде, чем со стапеля Ленинградского судостроительного завода сошел флагман ледокольного флота Советского Союза атомоход «Ленин», его двигатели, мощностью 19 600 лошадиных сил, родились на «Электросиле» имени С. М. Кирова. Тот же коллектив научно-исследовательского института разработал для производства и проекты мощных двигателей и генераторов для атомных ледоколов «Арктика», «Сибирь» и «Россия».

Многое изменилось с начала нашего — двадцатого — столетия в науке и технике. Научно-техническая революция, в период которой мы с вами живем, захватила в свою орбиту все аспекты, все стороны нашей жизни. Наука превратилась в непосредственную производительную силу, изменив не только свою классическую схему, но и всю систему отношений внутри себя самой. Ушли в прошлое гении-одиночки со своими индивидуальными качествами.

На смену им пришли мощные коллективы, без всяких чудачеств, неизмеримо более продуктивные. Наука становится большим заводом со своим заданием, точным планом, выверенными методами работы. Стоит ли говорить об искусстве экспериментатора, если сегодня, например, для постановки более или менее результативного эксперимента требуется громоздкое и сложное оборудование, изготовляемое, как правило, промышленным способом. Стоимость его такова, что ее может не выдержать даже государственный бюджет — и тогда малым странам приходится объединяться. Для постановки современного опыта требуются специалисты самых разных уровней и разных специальностей. Много специалистов. И при этом каждый будет знать крошечную частичку общей задачи и выполнять малую долю общей работы. И в конце концов даже результат осмысливается группой теоретиков. Таким образом, все или почти все современные достижения, особенно в технических науках, являются обобщенным результатом работы большого коллектива.

Технические науки являются средствами инженерной деятельности. В их число вошли и многие электротехнические дисциплины. Они обрели свои объекты исследования, свои задачи и свои методы. Технические науки стали узловым пунктом связи науки с производством. Кое-кто еще их по старинке отождествляет с отраслями техники, однако они уже стали областями приложения естественнонаучных знаний.

Перестроился характер даже инженерного мышления. Сегодня в проектировании все шире применяется системный подход, в отличие от «процессного» подхода, на который опирались технические отрасли прошлого века. Он остался в качестве основы, фундамента большинства современных технических дисциплин.

Для системного подхода в принципе не важно, что конкретно проектируется. Система представляется в виде набора типичных функциональных элементов, имеющих строгое практическое назначение, и тех функциональных — действующих — связей между ними, которые обеспечивают проектируемой системе требуемые свойства и функционирование.

Такое дробление проектируемого объекта, будь то отдельный агрегат или целый завод, технологический процесс или строящийся город, на множество самостоятельных функциональных единиц потребовало внедрения сложной системы управления и регулирования в схему, а следовательно, и развития новой науки об управлении.

Системный подход позволил, опираясь на изображение функциональных связей, рассматривать объект как целое, независимо от его «физического» содержания и технологического предназначения. Это еще большая обезличка проектирования, но она вызвана требованиями времени. В конкретных технических знаниях все больше нарастает абстрактно-теоретический уровень.

Системное проектирование дало возможность инженерам решать задачи не путем комбинирования «физически» подходящих по своему строению элементов из заданного и допустимого набора, а сразу, задавшись функциональной схемой всего объекта, выбирать процесс, на основании которого требуемые функции будут выполняться. И лишь потом от процесса уже двигаться к поиску подходящей структуры и строения.

Грубо говоря, это напоминает составление из кубиков определенной картинки. При этом в случае системного подхода мы заранее знаем, куда какой кубик нужно пристраивать. Хороший пример — манипулирование с кубиком Рубика. Системный подход соответствует манипулированию по известному алгоритму.

Как же развивалась электроэнергетика у нас в стране и как удалось отсталой России, которая практически не имела собственной электротехнической базы, заложить после Великой Октябрьской революции основы этой отрасли, занять в ней ведущее положение в мире?..

Ведущее положение в мире…

Ленинград. Дворцовая набережная. Сегодня здесь, между Марсовым полем и Эрмитажем, неподалеку от Дома ученых, в бывшем Ново-Михайловском дворце, сооруженном более 100 лет назад по проекту архитектора А. И. Штакеншнайдера, находится Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения.

Сам ВНИИэлектромаш — организация сравнительно молодая, ветераны считают началом его создания 1950 год.

Тогда, через пять лет после окончания Великой Отечественной войны, президиум АН СССР принял решение об организации в Ленинграде первой лаборатории автоматики.

Несмотря на огромный ущерб, нанесенный народному хозяйству страны, Советский Союз примерно за два с половиной года восстановил уровень промышленного производства 1940 года. Но для дальнейшего движения вперед нужно было самое широкое внедрение во все отрасли народного хозяйства и в быт электрической энергии. Причем электроэнергии, вырабатываемой централизованно на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными сетями в крупные энергетические системы.

Без автоматизации мощных энергосистем невозможно было строительство гигантских электростанций на Днепре и на Волге, тормозилось все развитие энергетики Советского Союза в целом. Вот почему таким важным шагом явилось создание скромной лаборатории автоматики в Ленинграде.

За первое десятилетие своего существования молодая лаборатория стала Институтом электромеханики АН СССР, прошла большой путь, вобрав в себя целый ряд других научных учреждений и расширив свою деятельность на всю отрасль мощного электромашиностроения.

Во втором десятилетии «лаборатория» стала Всесоюзным научно-исследовательским институтом, который занимается фундаментальными проблемами в области теории и методов расчета электрических машин. На этот институт техническая наука страны социализма возложила ответственность за передовой уровень крупных электрических машин, которыми славится отечественная промышленность. Как же справляется институт со столь ответственной задачей?

Предварительно можно сказать, что турбо- и гидрогенераторы, мощные машины постоянного тока и другие агрегаты крупного электромашиностроения, разработанные в стенах института, строятся в значительной своей части на Ленинградском производственном электромашиностроительном объединении (ЛПЭО) «Электросила» имени С. М. Кирова. Машины с маркой «Электросилы» эксплуатируются более чем в 75 странах мира — от Исландии и Канады на севере и до экваториальных и заэкваториальных Уругвая, Бразилии и Аргентины. В крупном электромашиностроении Советский Союз уверенно занимает ведущее положение в мире.

Конечно, разместить современный НИИ в помещении старого дворца — задача невыполнимая. Да ее никто и не думал так решать окончательно. Здесь находится, так сказать, лишь административная часть института. Производственная же база — лаборатории, конструкторские бюро, испытательные стенды — совсем в другой части города, по соседству с «Электросилой».

С самого начала своего существования в лаборатории автоматики были созданы непревзойденные по своему времени модели Свирской и Куйбышевской ГЭС, линий электропередачи, связывающих Ленинград и Москву с новыми электростанциями. На моделях гидротурбин и мощных генераторов сотрудники лаборатории решали самые актуальные задачи специального электромашиностроения. За работы по электродинамическому моделированию академик М. П. Костенко и доктор технических наук В. А. Веников были удостоены в 1958 году Ленинской премии.

От мощных турбо- и гидрогенераторов и высоковольтных линий передачи до двигателей на тепловозах и прецизионных систем управления телескопами — таким был с самого начала диапазон исследований.

В 1968 году институт был определен как научно-технический центр всего электромашиностроения страны и получил существующее ныне наименование — Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения (ВНИИэлектромаш). В том же году группа специалистов института была удостоена Государственной премии СССР за работы по системам возбуждения для генераторов и синхронных компенсаторов.

Решением большой народнохозяйственной задачи явилось в эти годы внедрение на железных дорогах страны тяги на переменном токе. Научное обоснование перехода на переменный ток сделали академик М. П. Костенко и член-корреспондент АН СССР А. Е. Алексеев. И в середине 70-х годов в институте был создан экспериментальный тепловоз с асинхронными двигателями на осях, с генератором переменного тока с постоянной скоростью вращения и тиристорным преобразователем. Затем в институте начались работы по усовершенствованию крупных машин постоянного тока. Сегодня в станках типа «обрабатывающий центр» на заводах Японии, ФРГ, Франции и США работают наши двигатели мощностью до 200 кВт.

Новым в электромашиностроении явились и фундаментальные исследования в области применения сверхнизких температур. Обмотки электрических машин, охлаждаемые жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю, должны приобретать свойства сверхпроводников. Электрический ток, проходя по ним, практически не встретит никакого сопротивления. А это означает, что не будет и потерь в обмотках. Размеры такого криогенного генератора при сохранении той же мощности можно существенно уменьшить. Коэффициент полезного действия машины увеличится и станет предельно высоким. Стоимость электроэнергии заметно снизится.

Для генераторов обычного, существующего сегодня типа предел по мощности уже недалек. Электромашиностроители определяют его в районе двух с половиной — трех миллионов киловатт для единичной машины. И то это уже такие гиганты, которые будет не только трудно изготовить на заводе, но и транспортировать к месту установки и монтажа. Криогенераторы позволят реально поднять предел по мощности для единичной машины почти вдвое, что даст большие экономические выгоды.

Эксперименты в области применения сверхнизких температур в институте начались еще в 1962 году. Сначала был построен небольшой демонстрационный генератор на сверхпроводниках, потом модельный криотурбогенератор мощностью 18 кВт. Пять лет назад на испытательный стенд встал экспериментальный криотурбогенератор мощностью 1200 кВт, с самым большим в мире вращающимся криостатом. А в начале 1983 года специалисты института готовились поставить под промышленную нагрузку криогенный генератор мощностью 20 000 кВт! Тогда это была самая крупная машина подобного рода в мире. Создана она коллективом сотрудников под руководством академика И. А. Глебова.

Современный генератор — машина вообще сложная. Криогенный генератор сложен вдвойне. Вот он стоит — голубой цилиндр, соединенный трубопроводами и шлангами со вспомогательной аппаратурой. Стоит на испытательном стенде ВНИИэлектромаша. Что же в нем особенного? Прежде всего то, что ротор генератора по конструкции напоминает стальной сосуд — криостат, в который непрерывно на ходу подается жидкий гелий. Медные шины обмотки пронизывают тысячи тончайших нитей-проводников из сверхпроводящего сплава. Они-то и обеспечивают основные преимущества новой машины. Вакуумные камеры-изоляторы сохраняют холод в машине. Жидкий гелий — дорогой материал. Испаряясь, он поступает в компрессор. Там сжижается и снова поступает в замкнутый цикл. Обмотка статора охлаждается жидким фреоном — жидкостью, хорошо знакомой нам по бытовым холодильникам. Одновременно фреон выполняет и роль изолятора.

Вспомогательной аппаратуры вокруг много: тут и резервуары с гелием, и вакуумные насосы, компрессор и теплообменный агрегат… Неудивительно, что над созданием этой уникальной машины трудились коллективы не одного производственного объединения. Среди них прежде всего «Электросила» и Ижорский завод, завод «Красный выборжец» — ветераны и передовики ленинградской промышленности. Вместе с ними принимали участие в создании криогенератора и вспомогательной аппаратуры московские НПО Гелиймаш, ВНИИ холодмаш и другие организации.

Сложна современная техника. А не снизит ли она надежность наших машин? Специалисты уверяют: нет! Не снизит! Да и деваться-то все равно некуда. За выигрыш, получаемый в мощности, нужно платить. И чаще всего эта плата выражается в усложнении либо самого изделия, либо технологии.

Вы только попробуйте для примера разобраться в устройстве современного энергетического агрегата — тысячи деталей, сложнейшие запутанные связи… Конечно, пройдет некоторое время — и пришедшим нам на смену детям и внукам сегодняшние технические сложности покажутся пустяками. «Нам бы их заботы!» — станут говорить они покровительственно. И мы, негодуя внешне, будем радоваться и гордиться ими, потому что слова их означают: прогресс продолжается. Не нужно только забывать, что изготовить Джемсу Уатту свою примитивную паровую машину было намного сложнее, чем нам с вами — атомный реактор. Вспомните судьбу электродвигателя Якоби. Он родился раньше, чем поспела технология. Сейчас технология производства электрических машин и электрооборудования стоит очень высоко. И наша страна по праву занимает в электромашиностроении ведущее положение в мире.

Какие же перспективы сегодня у энергетики? По какому пути следует ожидать движения ее развития? И как изменятся некоторые акценты в этом развитии в связи с существующей в мире топливно-энергетической проблемой?

При ответах на эти вопросы давайте рассмотрим как классические методы получения электроэнергии, так и существующие сегодня новые перспективные направления.

ГЭС

Эта аббревиатура сегодня ни для кого не является секретом. Даже дошколята понимают, что, когда взрослые говорят «ГЭС», речь идет о гидроэлектростанции — о «фабрике электричества».

Наши успехи в развитии электроэнергетического хозяйства оказались возможны лишь благодаря последовательному осуществлению ленинских принципов электрификации. Сначала в отдельных, заранее намеченных промышленных районах были созданы энергетические комплексы, затем произошла централизация и концентрация производства электроэнергии, созданы крупные энергосистемы. На первый взгляд все кажется просто: запруди все речки страны, поставь на плотинах гидротурбины с гидрогенераторами — и получай себе даровую, ежегодно, ежечасно возобновляемую энергию. Ведь гидроресурсы мира огромны — около тысячи триллионов киловатт-часов. Это примерно в 30 раз больше, чем используется сегодня всех энергоресурсов вообще в мире…

Однако реальные гидроресурсы нашей планеты значительно скромнее. Да и не на каждой речке плотину возведешь. И хотя Советский Союз обладает самым большим запасом текущей воды, ее на поверку оказывается не слишком много. Ученые подсчитали, что если даже запрудить все реки и речки Советского Союза и заставить их вырабатывать электроэнергию, то количества ее не хватит, чтобы покрыть и шестую часть существующей потребности. Это не говоря о том, что вовсе не такая уж радость ставить всюду плотины. Сооружение их дорого, водоснабжение они нарушают, требуют затопления больших хозяйственных территорий, изменяют климат и осложняют жизнь обитателей речных и морских вод, а также судоходство. И тем не менее мы их строим и будем строить. Гидроэнергетика дает нам действительно возобновляемую энергию, а кроме того, гидроэлектростанции экологически чисты.

К нынешним годам мощная энергетическая база создана практически во всех крупных экономических районах страны и во всех союзных республиках. Кто не слышал об энергетических комплексах в восточных районах страны: в Сибири, на Дальнем Востоке, на Крайнем Севере, в Казахской ССР, в республиках Средней Азии?

К концу пятой пятилетки 85 % установленной мощности гидростанций было размещено в европейской части СССР и только 15 % находилось в азиатской части. В стране работало множество карликовых энергосистем, включавших в себя электростанции небольшой и средней мощности, которые раздельно обслуживали близлежащие промышленные районы. Когда подсчитали затраты на их сооружение, выяснилось, что на те же средства можно было бы построить в 2–3 раза больше по мощности районных электростанций с более крупными агрегатами. Укрупнение агрегатов дает значительную экономию. Например, применение турбогенераторов в 100 тысяч киловатт вместо 25 тысяч киловатт снижает удельную стоимость тепловых электростанций примерно в два с половиной раза. Это без учета ускорения темпов строительства станций и увеличения производительности заводов, изготавливающих для них оборудование.

Вторым резервом развития энергетики явилось создание магистральных сетей сверхвысоких напряжений для увеличения пропускной способности линий электропередачи и переход в будущем к Единой объединенной энергосистеме. Основой для объединения энергосистем Советского Союза стали в наше время линии напряжением в 500 и 750 киловольт. Но уже ведутся работы по повышению этого напряжения до 1150 кВ.

Введены в эксплуатацию линии передачи постоянного тока. Сначала, в 1962–1965 годах, это была линия на 800 кВ Волгоград-Донбасс, длиной 493 километра. Сейчас проектируются две линии на 1500 кВ (±750 кВ): одна — Экибастуз-Тамбов, длиной 2400 км, а вторая из района Итата (Красноярский край) в Объединенную энергетическую систему юга, протяженностью около 3500 км.

В будущем для соединения богатой энергетическими ресурсами Сибири с европейским центром страны понадобятся линии электропередачи на постоянном токе с напряжением 2200–2400 кВ.

После того как были пущены крупнейшие в мире гидроэлектростанции — Братская на Ангаре, мощностью 3,6 млн. кВт, Красноярская на Енисее, мощностью 4 млн. кВт — и после создания Единой энергосистемы Сибири, протянувшейся от Омска до Улан-Удэ, в этом районе стала быстро наращивать темпы промышленность, особенно ее энергоемкие производства: электрохимия, электрометаллургия.

В 1970 году самая большая Единая энергетическая система Европейской части СССР охватывала еще и Зауралье и Закавказье. Она объединяла около 400 электростанций самого разного типа. Тут были и тепловые конденсационные, и теплофикационные, и гидравлические. Более 50 миллионов киловатт была их общая мощность. Однако к середине 80-х годов новые объединенные системы Центральной Сибири, Северного Казахстана, Средней Азии, Забайкалья и Дальнего Востока все решительнее заявляют о своем соперничестве.

Крупнейшая из них — объединенная энергосистема Центральной Сибири — включает Иркутскую, Красноярскую, Кузбасскую. Новосибирскую, Томскую, Омскую, Бурятскую и Барнаульскую энергетические системы. В ней будут работать не только такие гиганты-гидростанции, как Саяно-Шушенская, но и целый куст тепловых электростанций, каждая мощностью более 1 млн. кВт, располагающихся непосредственно у мест добычи топлива. Уже прогремел на всю страну КАТЭК — Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс, а впереди новые стройки, новые рубежи.

Раньше считалось, что только плотина на реке может обеспечить достаточную мощность вырабатываемой энергии. А мы с вами помним, что чем эта мощность больше, тем энергия дешевле. Гидроэнергия неистощима. И по ее запасам наша страна значительно превосходит все другие страны мира. И хотя у нас освоена лишь незначительная часть гидроресурсов, мы занимаем второе место в мире по уровню развития гидроэнергетики.

Гидроэлектростанции выгодны экономически и тем, что на них очень высока производительность труда. Почти в десять раз меньше труда приходится затрачивать на киловатт выработанной энергии работникам ГЭС по сравнению с теми, кто обслуживает тепловые станции (естественно, если учитывать и добычу топлива, и транспортировку).

Современное гидростроительство ведется обычно каскадно. Это позволяет полнее использовать энергетические ресурсы рек.

Вот, например, строящийся единый и крупнейший Ангарский и Енисейский каскад: Иркутская, Братская, Красноярская, Саяно-Шушенская и Усть-Илимская ГЭС — суммарная мощность 10 700 МВт (мега-ватт). А полная мощность всего Ангаро-Енисейского каскада должна составить 43600 МВт в 12 ступенях.

Такими же едиными являются Волжский и Камский каскады гидроэлектростанций, Днепровский каскад — это в европейской части СССР. А в Средней Азии Чирчик-Бозсуйский каскад состоит из 19 гидроэлектростанций, суммарной мощностью 1170 МВт.

Советское гидрогенераторостроение заняло ведущее место в мире еще перед Великой Отечественной войной. А в наши дни мы уверенно лидируем, ставя на серийное изготовление уникальные конструкции.

Мощность и скорость вращения гидрогенераторов устанавливают заводы-изготовители гидравлических турбин: это зависит от напора и расхода воды. И хотя принципиально схема гидрогенератора за последние годы не изменилась, для создания современных машин инженерам приходится с каждым новым агрегатом решать сложнейший комплекс технических проблем. Тут и усовершенствование компоновки гидрогенератора, и создание наиболее рациональной системы вентиляции и охлаждения, применение новой изоляции и новых типов обмоток, снижение добавочных потерь в зонах перегрева и многие, многие другие вопросы.

Например, долгое время одной из самых больших трудностей в производстве гидрогенераторов являлась нагрузка на пяту опорного подшипника-подпятника. Нужно было так его сконструировать, чтобы он нес на себе до 3500 тонн. В мире подобных аналогов не имелось. И снова выручила «Электросила» — правда, теперь она была уже не одна. На помощь ленинградским инженерам пришли их коллеги из «Уралэлектротяжмаша». Оригинальную конструкцию опорного подпятника спроектировали инженеры завода «Уралэлектроаппарат».

В результате применения самой современной технологии коэффициент полезного действия гидрогенераторов большой мощности стал более 98 %. Успехи гидрогенераторостроителей привели к тому, что наши заводы не только выполняют машины на экспорт, но и производят разработку проектов для зарубежных заводов.

ТЭС

И все же, несмотря на прекрасные успехи гидростроителей, на достижения создателей гидрогенераторов, львиную долю — более 80 % электрической энергии — дают пока тепловые электростанции. И в предвидимом будущем, на ближайшие 20–25 лет, именно они останутся главными производителями электроэнергии.

Долгое время задача развития сети тепловых электростанций осложнялась тем, что главные промышленные центры нашей страны, основная масса населения сосредоточены в европейской части, а энергетические ресурсы — преимущественно в азиатской. Поэтому топливный баланс теплоэлектростанций европейской части СССР был очень напряженным. Экономисты перестраивали его, старались больше использовать на электростанциях в качестве топлива природный газ и мазут (их было легче доставлять).

Но в последнее время положение изменилось. Газ и нефть — слишком ценное химическое сырье, которое год от года все больше используется на технологические нужды. И потому у нас, как и в ряде других стран, ученые активно изучают возможности получения синтетического жидкого топлива из угля. Осваиваются топливные ресурсы Тюменской области, Канско-Ачинские разработки для энергетики Сибири. Повышается интерес строителей электростанций к углю.

Что такое современная тепловая электростанция? Вот ее упрощенная схема: топка котла, куда подаются топливо и окислитель, затем сам котел, в котором вода превращается в пар с температурой около 550 °C. Это наиболее выгодный со всех точек зрения температурный предел. Пар под высоким давлением поступает в неподвижно укрепленные металлические каналы (сопла турбины), в которых температура и давление пара уменьшаются, но зато увеличивается скорость движения его потока.

Струя пара с огромной скоростью, часто выше, чем скорость звука, вырывается из сопел и, меняя направление, по криволинейному каналу давит на лопатки турбины, приводя ротор во вращение. А поскольку ротор турбины на одном валу имеет и ротор электрического генератора, то и вся система приходит во вращение — обычно с постоянной скоростью, равной, как правило, 3000 ^об/_мин. Это определяется выбранной частотой переменного тока — 50 герц, или 50 периодов в ^{секунду}.

Сейчас паровые турбины научились делать настолько совершенными, быстроходными, высокоэкономичными и обладающими таким большим ресурсом работы, что они вполне конкурентоспособны с гидрогенераторами. Достаточно сказать, что сегодня мощность паровых турбин в одновальном исполнении достигает 1200 тысяч киловатт, и это не является пределом.

После турбогенератора, совершив полезную работу, пар уже под низким давлением поступает в конденсатор, охлаждается, превращается в воду и снова подается насосом в котел.

Обычно тепловые электростанции строят поблизости от крупных водных источников, поскольку на каждый килограмм конденсируемого пара расходуется около 60 килограммов охлаждающей воды.

Конечно, любое невозобновляемое энергетическое сырье — топливо — нужно стремиться использовать, как говорится, на все 100 %. Ну, а можно ли еще повысить отдачу тепла? Оказывается, можно, если использовать его комплексно.

В нашей стране в этом отношении достигнуты большие успехи. В Советском Союзе большое распространение получили теплоэлектроцентрали — ТЭЦ. Они снабжают потребителя не только электроэнергией, но и теплом. ТЭЦ значительно экономичнее, чем ТЭС. Коэффициент полезного действия ТЭС не более 40 %, а коэффициент использования топлива на ТЭЦ приближается к 60–70 %.

«Наша страна — пионер теплофикации (одновременного производства тепла и электроэнергии), — пишет академик В. А. Кириллин в своей статье, посвященной перспективам развития энергетики. — Еще в 1924 году в Ленинграде была создана первая система централизованного теплоснабжения от электростанции. В 1983 году теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) перекрывали 33 процента потребностей тепла в стране. Свыше 800 городов и промышленных центров снабжаются теплом более чем 100 ТЭЦ. Теплофикация, наряду с экономией топлива, обеспечивает значительный экологический эффект. На ТЭЦ достигается высокая очистка продуктов сгорания от вредных примесей, уменьшается тепловое загрязнение водоемов, наконец, централизованное снабжение влечет за собой уменьшение числа мелких котельных, где не может быть обеспечена высокая степень экологической очистки».

Пока тепловые ГРЭСы — государственные районные электростанции — самые рентабельные сооружения. Их энергия дешевле любой другой, и окупаются они раз в десять быстрее, чем гидростанции. И все-таки, конечно, тепловые электростанции — это не решение вопроса. Ведь они потребляют невозобновимые топливные ресурсы планеты. А они, как мы знаем сегодня, увы, весьма ограниченны. Далее, несмотря на очистные сооружения, на дорогостоящие фильтры, тепловые электростанции наносят все же значительный экологический ущерб природе. Добыча топлива требует нарушения целостности земной поверхности. Вскрышные породы карьеров засоряют безжизненными отвалами большие площади. Выбросы сернистых и азотистых газов, пыли и тепла становятся опасными. Все это говорит о том, что нужно искать новые пути получения энергии.

На пути от «малой энергетики»

Однажды довелось мне побывать на прекрасном новом заводе, оборудованном по последнему слову техники. В просторных цехах в стерильной чистоте профильтрованного воздуха мне показали удивительное, почти волшебное действо. В горячей трубке-реакторе, нагретой почти до тысячеградусной температуры, под строго отмеренными дозами ионных лучей встречались пары бесцветной летучей жидкости — тетрахлорида кремния с парами цинка. Шла реакция, и на стенках трубки вырастали тонкие игольчатые кристаллы чистого кремния.

Во второй половине прошлого века этот способ промышленного получения высокочистого кремния был предложен замечательным русским химиком Н. Н. Бекетовым. Сегодня сверхчистый кремний — важнейшее сырье. Полученные в реакторе бесцветные иголочки собирают, долго моют в соляной кислоте, измельчают. Потом их снова и снова переплавляют, добиваясь все большей и большей чистоты, и превращают в монокристаллы — замечательный полупроводниковый материал. Из него собирают «крылья» солнечных батарей, которые раскидываются над корпусами спутников, автоматических межпланетных станций и космических орбитальных станций. В кремниевом кристалле, поглотившем квант света, освобождаются электроны. И если таких кристаллов много и мы соединим проводником освещенную сторону батареи с неосвещенной, то по нему потечет ток.

Кремниевые преобразователи солнечной энергии питают электроэнергией не только сложное хозяйство космических летательных аппаратов. Они могут работать и на Земле. Правда, пока этот способ производства электроэнергии довольно дорог, хоть и заманчив.

Могу напомнить любителям цифр, что сегодня (в 1983–1984 гг.) стоимость одного киловатта установленной мощности, то есть величина всех капитальных вложений для тепловых электростанций, составляет примерно 200 рублей, для гидростанций — 350 рублей, для атомных — в среднем 370 рублей. А вот киловатт установленной мощности при использовании полупроводниковых фотоэлектропреобразователей все еще стоит около 10 000 рублей, а то и поболее. А то, что такой путь заманчив, — понятно, ведь солнечная энергия относится к возобновляемым источникам, то есть к тем, ресурсы которых не уменьшаются от потребления их человеком.

Полная мощность излучения нашего светила огромна — примерно 400 000 000 000 000 000 000 000 000 = = 4×10²⁶ Вт. Земле достается значительно меньше: около 178 600 000 000000 000=1,786×10¹⁷ Вт. Значит, в течение года на нашу планету в виде лучистой энергии изливается примерно 1,56×10¹⁸ кВТ·ч. Не так мало. Конечно, нужно еще учесть, что часть этой энергии не доходит до самой поверхности, а отражается атмосферой. Но и тогда общая величина солнечной радиации, достигающей Земли, равна величине, близкой к 10¹⁴ кВт. Если бы нам удалось освоить хотя бы тысячную долю этой даровой энергии, человечество могло бы считать энергетическую проблему решенной.

Что ж, в рекламных целях за рубежом уже построен автомобиль, работающий от Солнца. Он способен с двумя пассажирами развивать скорость до 50 ^км/_ч и ездить «от зари до зари». Правда, на всякий случай в нем предусмотрен и обычный аккумулятор.

Уже взлетел и пересек Ла-Манш первый «солнцелет», не затративший на это ни капли бензина. На его плоскостях конструкторы разместили до 15 тысяч полупроводниковых элементов. Этот экспериментальный летательный аппарат весил всего 56 килограммов. Постарались конструкторы подобрать и подходящего пилота. Вес летчицы, вместе с парашютом в ранце, добавил еще всего лишь 45 килограммов к весу машины. Самолет стартовал в ясный солнечный день, развил скорость до 80 _км/_ч и находился в воздухе около пяти с половиной часов.

У нас на различных водных акваториях солнечный свет исполняет роль бакенщиков. С наступлением сумерек зажигает маяки и огни на бакенах. Ну и, наконец, вы могли видеть микрокалькуляторы с солнечной батарейкой вместо обычной. Это все «малая энергетика». А как обстоят дела в «большой»?

Мне доводилось видеть крыши экспериментальных домов, выложенные солнечными батареями, в Японии и в США. В солнечном Узбекистане и других южных республиках видел я работающие гелиоустановки. Правда, пока мне встречались лишь системы, преобразующие энергию излучения Солнца в электрическую по классической схеме: солнечный паровой котел — турбина — электрогенератор. От турбины паропровод шел к конденсатору пара с охладителем, а затем водяной насос перегонял сконденсированную воду снова в котел. От электрогенератора три фазы шли к обычному трансформатору.

Сегодня гелиоэнергетика начала создавать промышленные гелиостанции. Кто не помнит легенду о том, как во время осады Сиракуз Архимед использовал зеркала, чтобы на расстоянии поджечь римский флот? Достоверность этого пока оспаривается учеными. Для нас же важно то, что с помощью зеркал можно добиться концентрации лучей, а следовательно, и повышения температуры в заданном небольшом объеме.

И вот в Пиренеях и в заокеанской Калифорнии заканчивается строительство первых солнечных электростанций промышленной мощности. «Темис» во Франции — 2,5 мегаватта и «Солар-1» в США — 10 мегаватт. Спроектированы обе гелиостанции по одному принципу: высокая солнечная башня с черной короной наверху, в которой скрыт водяной котел и целое поле гигантских зеркал — гелиостатов перед нею, отражающих солнечные лучи на черную корону.

Вычислительное устройство управляет движением зеркал, направляя их на Солнце в течение всего дня, а ночью ставя в положение покоя — отражательной поверхностью вниз. Всего таких зеркал около двадцати двух тысяч. Расчетная температура пара — 516 °C, расчетное давление — 91 атмосфера.

Большая часть производимого пара уходит на вращение турбины и электрического генератора. Избыток тепла отводится в накопитель — большой «чан», заполненный кусками гранита и песком. В теплообменнике циркулирует очищенное масло. Когда камни и песок нагреваются, накопитель становится хранилищем тепла.

Еще не пустив в ход «Солар-1», в США уже запроектировали станцию «Солар-2», в десять раз мощнее первой.

Ну а если Солнца долго нет? Или оно не такое яркое? Тогда солнечный паровой котел превращается просто в груду металла?.. Но тут мы с вами упускаем из виду то обстоятельство, что сама наша Земля является как бы огромным аккумулятором солнечного тепла. Земля — это огромная солнечная тепловая машина. Энергия, переданная планете Солнцем, определяет не только состояние погоды, но и характер климата, приводит в движение воды океана в виде течений, порождает в атмосфере ветры разной силы.

Более ста лет тому назад французский физик и физиолог, член Парижской академии наук Жак Арсен д’Арсонваль заинтересовался возможностью использовать тепловую энергию океана за счет разницы температур между теплыми поверхностными водами и холодными глубинными.

Последние исследования Мирового океана показали, что глубинные воды очень холодны, гораздо холоднее, чем предполагал д’Арсонваль. Они охлаждаются в приполярных районах Арктики и Антарктики, опускаются вниз и растекаются по всему Мировому океану. При этом их температура находится на границе замерзания. В то же время тонкий слой поверхностных вод в низких широтах щедро нагрет Солнцем. Вполне естественно, что такая диспропорция вполне способна, хотя бы в принципе, подарить человечеству еще один экологически чистый и постоянно возобновляемый источник энергии.

Уже в конце 20-х годов XX века один из учеников д’Арсонваля сконструировал и построил действующую установку, основанную на идеях учителя. Она прошла испытания у берегов Кубы, в районе самого теплого моря. Но штормы очень скоро разрушили это хрупкое творение человеческих рук.

Сегодня эти эксперименты продолжаются. Летом 1980 года к берегам Гавайских островов из Портленда вышла плавучая лаборатория с агрегатом ОТЕК-1 на борту. Цель агрегата — переработка тепловой энергии океана в электрическую. Принцип действия установки довольно прост: теплая вода с поверхности океана, имеющая температуру около 27 °C, пропускается через систему из тонких трубок в испарителе, в котором разбрызгивается легко испаряющаяся жидкость — аммиак. Образовавшийся пар вращает турбину электрогенератора, а затем направляется в конденсатор, охлаждаемый с помощью глубинных вод, поднятых на борт насосом по трубопроводу и имеющих температуру около 4 °C. Дальше цикл повторяется.

ОТЕК-1 — установка экспериментальная. Ее задача в том, чтобы изучить проблемы, которые могут встретиться на пути эксплуатации подобных агрегатов в дальнейшем. А их оказалось немало, начиная от задачи подъема холодной воды со дна океана и до борьбы с живыми организмами, которые почему-то весьма охотно поселяются внутри теплообменников. Существует и экологическая проблема: как повлияют многочисленные установки подобного типа на состояние морской среды?

Конечно, при перепаде температур порядка 20 °C коэффициент полезного действия таких установок будет достаточно низким, всего каких-нибудь 2–3 процента. Но уже демонстрационная модель — это устройство из четырех модулей, каждый из которых будет вырабатывать электрическую энергию мощностью 10 мегаватт. Конструкторы системы ОТЕК полны оптимизма. Они считают, что уже к концу текущего десятилетия в теплых водах океана будут работать десятки описанных установок. Такие плавучие, или «пастбищные», установки могут служить также и для добычи ценного минерального сырья со дна океана, для опреснения воды, для получения синтетического топлива. Правда, пока строителей несколько смущают размеры подобных предприятий. Достаточно сказать, что установка мощностью в 400 мегаватт потребует платформы весом в 200 тысяч тонн, размером в пять футбольных полей. В час она должна будет перекачивать 10 миллионов тонн воды…

В то же время и коэффициент полезного действия любых полупроводниковых преобразователей пока невелик. И потому противники гелиотехники утверждают, что при существующей довольно низкой плотности солнечной энергии у поверхности Земли для получения промышленных потоков энергии придется отводить под солнечные электростанции огромные площади. Приводят даже такую цифру: при КПД в 10 %, достигнутом в серийных промышленных полупроводниковых преобразователях солнечной энергии, потребовалось бы занять ими площади порядка десятков тысяч квадратных километров на юге нашей страны — если нужно обеспечить выработку всей потребляемой сегодня электроэнергии.

Представляете себе — десятки тысяч квадратных километров, покрытых солнечными батареями!.. Совершенно нереальная картина. Но наука и техника не стоят на месте. Развиваются методы получения кремния и новых типов фотоэлектрических преобразователей. Их коэффициент полезного действия неуклонно растет и, как убеждены специалисты, в принципе может приблизиться к своему пределу — к 90 %.

В районах с хорошей солнечной радиацией, а таковым считается пояс между 50° северной и 50° южной широты, гелиоустановки разных типов уже сегодня находят все более и более широкое применение. В Саудовской Аравии, например, на солнечной энергии работают телефонные аппараты, установленные вдоль автомобильных шоссе через пустыню.

Конечно, у солнечных батарей тоже есть свои минусы. Особенно для таких широт, где долгие осень и зима, да еще и темень зимой, как в Ленинграде, например, часов девятнадцать в сутки… Но тут есть иной выход. Я имею в виду вывод солнечной электростанции на орбиту…

Подождите, не отмахивайтесь. Это вовсе не такая уж «научная фантастика». Прежде всего — преимущества неоспоримы. Согласны? Ну а трудности? Что же, они, конечно, тоже есть, но вот вам мнение авторитета.

Профессор, доктор технических наук, летчик-космонавт СССР Константин Петрович Феоктистов уверен, что, несмотря на все трудности, «задача создания рентабельных солнечных орбитальных электростанций не представляется практически неразрешимой… Все проблемы технически понятны, и, как правило, это означает, что они в принципе решимы».

Что же может представлять собой космическая электростанция и какие трудности стоят на пути ее создания?

Прежде всего такая станция, естественно, должна находиться на геостационарной орбите. Это круговой путь, лежащий, как правило, в экваториальной плоскости Земли, по которому движется спутник. Высота такой орбиты — примерно 35 000 километров. Период обращения спутника совпадает с периодом вращения Земли вокруг своей оси, и он как бы «висит» над заданным районом.

Электростанция должна состоять прежде всего из устройства сбора солнечной энергии и ее преобразования в электрическую. Чтобы получить достаточно большую мощность, сравнимую с существующими наземными электростанциями, площадь солнечных батарей должна быть несколько десятков квадратных километров. Целые «поля» из кремниевых пластинок. Потом полученную энергию нужно будет преобразовать в радиоволны, чтобы передать на Землю. Значит, нам понадобятся преобразователь, передатчик и передающая антенна диаметром не меньше километра. Антенна не должна давать потоку энергии разойтись широким конусом — нужен узкий луч, чтобы передать ее на Землю. Не следует забывать и о том, что нам надо будет постоянно следить за тем, чтобы солнечные батареи были направлены строго на Солнце, а передающая антенна посылала мощный энергетический луч в одно и то же место на Земле. Для этого понадобится сложная система ориентации станции со множеством небольших ракетных двигателей.

Конечно, для осуществления такого строительства в космосе придется создать в невесомости не только автоматические заводы, например для сварки труб из доставленной с Земли стальной ленты или для изготовления панелей батарей, но и сборочные стапели, мастерские и заводы по производству и ремонту деталей, а также благоустроенное жилье и бытовые комплексы для людей. Первые подсчеты показывают, что общая масса орбитальной электростанции мощностью в несколько миллионов киловатт должна быть не меньше ста тысяч тонн! И сегодня такая задача уже не кажется фантастической. Профессор К. Феоктистов, побывавший в космосе в составе одного из экипажей, считает, что «промышленная деятельность, возможно, станет в будущем основной сферой деятельности человека на орбите вокруг Земли».

С каждым годом все большую роль в общем балансе энергетики играют атомные электростанции. В десятой пятилетке прирост их мощности увеличился почти в десять раз, тогда как мощность всех ГЭС выросла только на 30 %. Атомные реакторы, бывшие раньше единичными, уникальными сооружениями, поставлены на поток.

Чем объяснить, что такое большое внимание во всем мире уделяется этому способу получения энергии? Ведь по сути дела АЭС — это та же тепловая электростанция, только с другим топливом.

Прежде всего, ядерная энергетика будто создана специально, чтобы помочь человечеству преодолеть топливно-энергетический кризис. Знаете, сколько нужно топлива современной достаточно мощной ГРЭС?.. В день несколько железнодорожных составов! Они должны не только привезти уголь и выгрузить его, но и погрузить золу и увезти ее подальше от электростанции, куда-то на свалку. Чтобы добыть уголь, нужно вспороть земную поверхность, оставить на ней незаживающие раны. Чтобы убрать золу, нужно засыпать бесплодными отходами часть поверхности земли… Дорогой, драгоценной поверхности, которой и так не слишком много приходится на все увеличивающееся и увеличивающееся народонаселение нашей планеты.

А теперь об атомной электростанции. Одной заправки реактора ядерным топливом — плутонием и природным ураном — хватает ему больше чем на год работы. Причем за все это время из загруженного «топлива» «выгорит» не более одного-двух процентов материала, способного к делению. Это значит, что, кроме экономии природных ресурсов, атомные электростанции резко снижают загрузку железных дорог и транспортные расходы. Возле них нет бесконечных поездов, груженных топливом. В залах не слышен рев угольных топок. Нет гор золы, туч дыма…

А ведь выработка электроэнергии хоть и главная задача современности, но не единственная.

Наступило время подумать и о других сферах применения атомной энергии: о выработке промышленного и отопительного тепла, о включении атомной энергетики в металлургию и химическую промышленность. Это задачи значительно более крупного масштаба, чем электроэнергетика. В нашей стране на эти нужды расходуется около трех четвертей добываемых горючих ископаемых. А попробуем представить, что даст применение атомного тепла на современном металлургическом комбинате. Ведь редко когда так повезет, чтобы и топливо и руда находились совсем близко друг от друга. Чаще их приходится куда-то доставлять. А вы представляете себе, насколько огромная энергоемкость ядерного горючего снизила бы загрузку железных дорог? Кроме того, современной выплавке чугуна или стали неизбежно сопутствуют тысячетонные выбросы углекислого газа и сернистого ангидрида. Сколько приходится тратить средств на устройство фильтров и прочих очистных сооружений! И все равно газы никуда не денешь…

Применение же технологического тепла от ядерных реакторов сразу освободит металлургические комбинаты от золы, копоти, от завесы пыли и дыма. Количество вредных отходов, отравляющих землю, воду и воздух, уменьшится в тысячи раз.

А ведь, кроме чугуна и стали, существуют еще такие энергоемкие производства, как получение алюминия, производство цинка, крекинг и реформинг нефти и нефтепродуктов, синтез хлорвинила, этилена и аммиака в химической индустрии. Да нет, кажется, сегодня такой отрасли хозяйства, которой не нужны были бы электричество и тепло.

Еще Игорь Васильевич Курчатов, намечая пути развития ядерной энергетики, говорил с трибуны XX съезда КПСС: «В отличие от обычного топлива — угля и нефти — ядерное топливо, сжигаемое в атомных реакторах, позволяет получать новые вещества — плутоний и другие, которых нет в природе и которые также являются ядерным топливом. Это так называемый процесс воспроизводства ядерного горючего. Количество образующихся новых веществ зависит от условий проведения цепной ядерной реакции. Есть условия, в которых новое ядерное топливо образуется в больших количествах, чем количество сгоревшего в цепном процессе исходного ядерного топлива. Получается как бы так, что сожжешь в топке уголь, а выгребешь вместе с золой еще больше угля».

В этом, собственно, и заключается главная особенность и отличие реакторов на быстрых нейтронах от реакторов на тепловых, или медленных, нейтронах. В «быстрых» реакторах, пережигая ядерное горючее одного вида, накапливаются еще большие количества новых делящихся материалов. Поэтому «быстрые» реакторы часто называют реакторами-размножителями, или бридерами.

В нашей стране накоплен немалый опыт работы уже не просто экспериментальных «быстрых» реакторов, но и промышленных установок, призванных работать на нормальных АЭС. Например, в третьем блоке Белоярской АЭС имени И. В. Курчатова на каждый килограмм сгоревшего ядерного топлива воспроизводится полтора килограмма нового, готового к дальнейшей работе. А одна из первых в мире АЭС на «быстрых» реакторах, работающая уже много лет в нашей стране на берегу Каспийского моря, не только исправно дает электроэнергию, но и опресняет воду.

Конечно, в разных местах и в разных условиях нужно решать топливно-энергетические задачи в зависимости от условий. Поэтому в устьях некоторых рек, где велики силы прилива и отлива, целесообразно строить приливные электростанции, а в местах, где близко к поверхности располагаются центры подземных вулканических очагов, — геотермические электростанции. Примеры подобных сооружений тоже уже имеются в нашей стране.

Рост населения Земли, интенсификация сельского хозяйства, научно-техническая революция, наконец, развитие самой цивилизации требуют прежде всего основы основ — энергии. Когда-то мы говорили о водопадах ее, теперь нам не хватает океанов…

К концу XX столетия люди практически свели леса с поверхности Земли, близки к истощению и легкодоступные недра, бесконечно богатые, как еще недавно казалось, нефтью, каменным углем, газом. Люди подобрали все, что лежало под руками. Ведь человечество уже многие века борется за существование, понимая, что призрак энергетического голода стоит на пути прогресса. Нужно постоянно искать новые способы получения энергии. Атомная энергия, которую, как выяснилось, можно превратить сначала в тепловую, а потом в электрическую, — один из таких способов.

Но природа ничего не дает даром. За новые источники энергии нужно платить. Чем? Прежде всего — усложнением техники. Вместо нехитрой топки парового котла — реактор! Новое, очень сложное устройство. Впрочем, любая техника сама по себе не добрая и не злая. Только новая техника более требовательна, не прощает ошибки…

Если в автомобиле по недосмотру механика испортится мотор, машина остановится, не заведется. Придется пассажирам идти пешком. Но если по любой причине остановится двигатель современного самолета, он упадет на землю и разобьется… Но ведь никто не собирается на этом основании отказываться от воздушного транспорта. Конечно, требуется повысить надежность техники и… более тщательно работать с нею, быть более внимательными. Новая техника требует и нового уровня ответственности. Если взорвется котел на ТЭС, опасность грозит лишь тем, кто работает в непосредственной близости к агрегату. При взрыве же реактора на АЭС… В принципе атомный реактор — чрезвычайно надежная система, с многократным запасом надежности. Но если начать перечислять все ошибки, все нарушения инструкции эксплуатации, которые были допущены на четвертом блоке Чернобыльской АЭС, можно лишь подивиться «живучести» техники.

Авария на АЭС — большое несчастье. Оно затрагивает, в той или иной степени, всех нас. И всем надо сделать важный вывод: сейчас нельзя подходить к новой технике со старыми представлениями о культуре труда. Техника требует от специалиста не только глубоких знаний, но и предельной сосредоточенности, тщательности в работе и абсолютной дисциплины. Другого пути нет. Как нет у нас и пути назад…

Солнце на Земле

В наши дни много пишут о получении энергии «солнечным способом». Еще в 1939 году немецкий физик X. Бете предположил, что в недрах нашего светила при температуре более 10 миллионов градусов ядра легкого водорода (протоны, из которых на 90 % состоит Солнце) должны сливаться, превращаясь в ядра гелия и выделяя при этом массу энергии. Эта гипотеза пришлась весьма по вкусу физикам-теоретикам и получила широкое развитие. Были обнаружены и другие возможные реакции в зонах, расположенных ближе к солнечному ядру, где процессы протекают при более высокой температуре. Появилась стройная теория. А потом, как и полагается в таких случаях, возникли сомнения. Обнаружилась нехватка нейтрино, которые должны были излучаться вместе с протонами. Да и сама реакция протон-протонного цикла оказалась не такой уж всеобъемлющей. Но не в том суть. Решение «солнечных вопросов» — задача астрофизики и астрофизиков. А что же могли получить от такой далекой области знания технари-энергетики?

Вспомните знаменитое уравнение Эйнштейна, связывающее массу с энергией: E = m·C². Здесь С — скорость света. Грамм солнечного вещества, обращенный в энергию, дает ее столько же, сколько мы получаем на Земле, сжигая тысячи тонн (!) первосортного бензина. И это при нынешнем-то энергетическом кризисе и существующих ценах на нефть! Естественно, что мысль о том, «нельзя ли зажечь Солнце на Земле», просто не могла не возникнуть в головах ученых. Дело оставалось за небольшим — получить солнечное вещество и научиться превращать его в энергию.

Если открыть последний энциклопедический словарь на слове «солнце», то в нем можно прочесть: «Солнце… раскаленный плазменный шар… Химический состав, определенный из анализа солнечного спектра: водород — около 90 %, гелий — 10 %, остальные элементы — менее 0,1 % (по числу атомов)». А что такое плазма?..

Впрочем, я чувствую, что здесь возможно много, очень много вопросов. Хорошо бы их количество ограничить, ну, скажем, десятью или пятнадцатью и вопросы эти задавать сериями, штук по пять сразу. На каждый — ответ, а потом пояснения.

— Почему Солнце светит?

— Потому что оно нагрето до раскаленного состояния.

— Что подогревает Солнце?

— Гравитационное сжатие и термоядерные реакции.

— Какие реакции на Солнце главные?

— Протон-протонный и углеродноазотный циклы.

— Сколько лет светит Солнце?

— Примерно от шести до десяти миллиардов лет.

— На сколько лет еще хватит Солнца?

— Не меньше чем на четыре с половиной миллиарда лет.

Рассказывают, что как-то раз, в середине двадцатых годов, два приятеля — веселые геттингенские студенты-физики — «мотали лекцию». То ли лекция предстояла скучной и длинной, как день без завтрака, то ли просто слишком грело весеннее солнце. Так или иначе, но, разомлев от жары, парни переходили от одного тенистого дерева к другому, громко и неискренне жалея профессоров.

— Клянусь рефератом, — глубокомысленно произнес один из приятелей, — сегодняшнее солнце — отнюдь не костер из буковых поленьев в камине шефа…

Фамилия говорившего была Хоутерманс, и его совесть оказалась настолько тугоплавкой, что он помнил о реферате даже за пять минут до купания.

— Тогда бы не пекло так жарко, — резюмировал второй бездельник, Аткинсон, который только что вернулся из Кембриджа и потому считал, что последнее слово должно оставаться за ним. — Кстати, а почему оно вообще светит?..

Последний вопрос мог бы показаться риторическим, не будь наши приятели физиками. А физики могут думать о механизме явления даже под угрозой солнечного удара… Аткинсон в Кембридже был свидетелем захватывающих опытов Резерфорда по атомным превращениям. Именно потому он и воскликнул:

— Послушай, Фрицци! А может быть, это ядра атомов легких элементов сливаются в недрах Солнца, образуя более тяжелые? При этом излишки массы, превратившись в энергию, покушаются на профессорские головы и не пускают нас на лекции…

Не исключено, что в ответ раздалось бульканье, ибо пораженный догадкой приятеля Фриц Хоутерманс вполне мог на время пойти на дно. Оба были достаточно физиками, чтобы представлять величие последствий шутливого предположения.

Но они еще не знали, что только что сформулировали тему главной работы всей своей жизни.

В истории не сохранилось сведений о том, чем кончилось в этот день купание двух будущих ученых. Но в том, что с этого шутливого разговора и началась серьезная работа над проблемами внутрисолнечных процессов, сомнений почти нет.

Позже к обоим исследователям подключились другие выдающиеся физики мира. И результатами их совместной работы явилось, с одной стороны, создание бесчеловечного сверхоружия, с другой — проект мирно работающей плазмы.

Когда-то считали, что в недрах нашего светила горят запасы серы, каменного угля и прочих горючих ископаемых. Однако проверили поточнее, прикинули, оказалось, что будь Солнце даже из лучшего донецкого антрацита, его хватило бы лишь на несколько тысячелетий. Этого было явно мало. Следовало поискать другой, более долговечный источник.

И он нашелся…

Если представить себе зарождающуюся звезду как облако холодного газа, сжимающегося под действием сил притяжения, то ясно, что постепенно температура в нем станет подниматься.

Сначала недра нагреваются немного, а там, глядишь, и покраснеют, и засветятся, и засверкают. Превратится сжимающийся газовый шар в пылающую звезду…

Впрочем, не надо, как говорится, эмоций. Посчитаем, прикинем… Если бы Солнце под действием собственной силы тяжести сжималось со скоростью 30 метров в год, оно бы «просветило» лет этак миллионов тридцать. Опять мало! По новым данным науки Солнечная система существует по крайней мере четыре с половиной миллиарда лет. Миллиарда! Представляете?..

Долго, очень долго источник солнечной энергии оставался для ученых загадкой. А потом в лабораториях физиков началось его постепенное разгадывание. В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл радиоактивность. Помните, так мы называем самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов. Потом А. Эйнштейн установил зависимость массы и энергии — самое знаменитое уравнение XX века: E=m·C²! И это позволило английскому астроному и иностранному члену-корреспонденту Академии наук СССР А. Эддингтону выдвинуть идею прямого перехода массы Солнца в энергию. Правда, как это могло происходить, никто не знал.

Примерно в ту же пору неистовый и громоподобный Э. Резерфорд наблюдал первые искусственные превращения ядер. На лабораторной установке ядра атомов азота при бомбардировке их ядрами гелия иногда вдруг глотали эти «микробомбы» и превращались в ядра атомов кислорода, излучая лишний протон. Это было чудесно и совершенно непонятно.

Картина стала проясняться, когда ученик Резерфорда Дж. Чедвик открыл нейтрон, а советский и немецкий физики Д. Иваненко и В. Гейзенберг, независимо друг от друга, построили модель атомного ядра из протонов и нейтронов. Были уже описаны предположения Аткинсона, Хоутерманса и других теоретиков. Наконец, в 1939 году немецкий физик X. Бете, бежавший от фашистов сначала в Англию, а затем в США, теоретически показал, что в солнечных недрах должны существовать две основные последовательности превращения водорода в гелий. Первая и основная — слияние двух протонов и образование тяжелого изотопа водорода — дейтерия, с излучением позитрона и нейтрино. И затем переход дейтерия в гелий, с образованием новых свободных протонов. При этом количество высвобождающейся энергии оказывалось примерно в миллион раз больше, чем при химической реакции горения. Вторым типом реакции был углеродно-азотный цикл, который шел при более высоких температурах, очевидно, в самом солнечном ядре.

Прекрасно! Отныне, казалось, тайна Солнца разгадана. Ядерные реакции обеспечивали нашему светилу десять миллиардов лет жизни, что вполне устраивало физиков. Так что можно было успокоиться. Кстати, а что будет через оставшиеся пять миллиардов лет? Ядро Солнца к тому времени сожмется до такой степени, что температура и плотность в нем позволят ядрам гелия объединяться и образовывать углеродные ядра. Оболочка звезды при этом распухнет до орбиты Венеры. И Солнце превратится в красного гиганта. На Земле к этому времени станет, увы, слишком жарко для жизни. Но до этого катастрофического периода время еще есть. Что-нибудь придумается…

Не помню сейчас, чьи это слова, утверждающие, что, когда ученые слишком уж успокаиваются, природа подкрадывается к ним сзади и дает хорошенького пинка. Чтобы проверить, правильно ли мы представляем себе работу солнечной топки, американский физик Дэвис решил «уловить» солнечные нейтрино и подсчитать их. Задача почтенная, хотя и бесконечно трудная, поскольку шустрые частицы способны пролететь свинцовую стенку толщиной в триста миллионов километров, не задев и не потревожив в ней ни одного атома. Но и человек хитер! Установка, содержащая чуть не полмиллиона литров перхлорэтилена (между прочим — жидкости, применяемой для химчистки), упрятана под землю на глубину почти в километр, но… вожделенные частицы не обнаружены. То есть они были, конечно, но в количестве явно недостаточном, чтобы объяснить солнечные реакции. В чем же дело?

Пока не ясно. Может быть, ошибка в вычислениях теоретиков. А может быть, недостаточная точность эксперимента. И это не исключено. А не «заснуло» ли солнечное ядро на время, уменьшив нейтринный поток? И от такой точки зрения нельзя отказываться. Ведь были же в истории Земли периоды великих оледенений, когда по неизвестным причинам солнышко на какой-то период «зажмуривалось».

А теперь сделаем небольшое деловое отступление.

Как работает Солнце?

Во-первых, «ядерный котел» нашего светила занимает не так уж много в нем места — примерно 2 % объема в центре. Но в нем сосредоточено 50 % всей массы. Каждую секунду его топка потребляет около 5 миллионов тонн ядерного горючего, обеспечивая выход 4,5·10³³ эрг энергии. Много это или мало? Судите сами: Земля получает из этого потока едва ли стомиллионную долю. И этого оказывается достаточно, чтобы обеспечить нашу жизнь!

Я не стану в деталях расписывать реакции внутри Солнца. Заинтересовавшийся сам их легко отыщет в учебнике (например, Д. Я. Мартынов. Курс общей астрофизики. М., 1971. с. 221–222). Скажу только, что ядра гелия чуть-чуть легче, чем сумма слившихся в них протонов. Этот-то крошечный избыток массы и превращается в энергию. Сначала в виде жестких гамма-квантов и нейтрино. Нейтрино тут же удирают из Солнца, а гамма-кванты, сильно взаимодействуя с веществом, пробираются к поверхности и в конце концов превращаются в кванты оптического излучения. Они-то и греют, они-то и светят нам с вами.

Происходит все это в полном соответствии со знакомым нам уравнением Эйнштейна. И если вы не поленитесь и все-таки подставите в него цифры, а потом сравните с каким-нибудь земным эталоном, то картина получится очень впечатляющая. Вспомните сравнение с сожженным бензином…

Кстати, если это сравнение вас не вдохновит — дело безнадежно. Есть среди нас люди, принципиально шарахающиеся от цифр, формул, графиков, от всех современных способов экономной передачи информации. Я, конечно, не могу настаивать на абсолютной правоте суждения, но лично мне они кажутся фигурами несовременными. Отстав в своем развитии от требований времени и не будучи в состоянии его догнать, они превращают свою неспособность в «принципиальность». Об этой «принципиальной» позиции они громко вещают направо и налево, забывая, что этот трюк — «с бородой»…

А теперь — внимание! Идет вторая серия вопросов:

— Сколько состояний вещества мы знаем?

— Три обычных: твердое, жидкое, газообразное; и четвертое — плазма.

— Что такое плазма?

— Ионизованный газ, состоящий из «ободранных» атомных ядер и электронов.

— Какую плазму мы знаем?

— Низкотемпературную (Т=10⁵ К)₇ используемую в ионных приборах, газовых лазерах, плазмотронах, МГД-генераторах, плазменных двигателях, а также в плазменной металлургии, обработке и в бурении. Высокотемпературную (Т=10⁶-10⁸ К) из смеси дейтерия и трития, которая предполагается быть использованной для управляемого термоядерного синтеза — термояда.

— Чем отличается плазма от обычного газа?

— Частицы плазмы не самостоятельны, а представляют собой единый коллектив, систему. Разреженная лабораторная плазма всегда является системой неравновесной и стремится к саморазрушению.

— Почему устойчивы звезды, состоящие из плазмы?

— Потому что звездные условия не чета лабораторным. На Земле их так просто не достигнуть.

Если, услышав слово «плазма», вы подумаете, будто это нечто исключительное, то непременно ошибетесь. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной. Тут и звезды, и галактические туманности, межзвездная среда и даже внешняя оболочка нашей собственной земной атмосферы. Не говоря уж о том, что Земля просто купается в плазме в виде солнечного ветра. Правда, искать природную плазму на поверхности нашей планеты — занятие безнадежное. Ее не существует. Исследователи довольно давно научились ее получать искусственно в лабораториях, но вот свое название она получила совсем недавно.

Все в тех же 20-х годах нашего века два американских физика, Ленгмюр и Тонкс, изучая газовый разряд, назвали греческим словом «plasma», что означало в переводе — «вылепленное», «оформленное», ионизованный электрический нейтральный газ, содержащий равное количество положительных и отрицательных зарядов. Этот газ-плазма оказался настолько отличающимся от всех известных физикам состояний вещества, что был выделен и стал самостоятельным объектом исследования.

Вещество в мире высоких температур

Давайте попробуем каким-нибудь способом постепенно разогревать кусок обычного, вполне земного вещества, хоть железяку. Сначала она раскалится, засветится. Затем связи в ней ослабнут, и она расплавится. Потом жидкость испарится и перейдет в газ. При дальнейшем нагреве молекулы газа не выдержат и разорвутся на атомы. Еще дальше — газ станет атомарным. А там начнут Сдаваться и атомы. Электроны будут отрываться от ядер, и газ начнет переходить в плазму.

Примерно к десяти миллионам градусов плазма окажется полностью ионизованной. То есть вещество будет состоять из «голых», ободранных ядер и свободных электронов, которые мечутся в разные стороны, стремясь во что бы то ни стало сбросить возбуждение, отдать сообщенную энергию и обрести, образно говоря, покой.

При ста миллионах градусов частицы плазмы обретают такую скорость, что при встречах ядра могут начать разрушаться. Здесь мы подошли к границе ядерных превращений.

При миллиарде градусов вещество будет состоять уже только из протонов и электронов. Ядра распадутся. А при температурах более десяти триллионов (10¹³) градусов элементарные частицы получат возможность превращаться одна в другую. Правда, представить себе все эти градусы нормальному человеку довольно трудно. Нужно быть физиком-теоретиком…

…Надо сразу сказать, что чем ближе знакомились физики с плазмой, тем больше убеждались в ее вздорном характере. Посудите сами: мы говорим, что плазма нейтральна. Но шустрые электроны куда более подвижны, чем массивные ионы, и потому они первыми норовят удрать из дружного коллектива. Образуются нестабильные электрические поля. Под их влиянием частицы меняют свои направления, путают расчеты, делают поведение сгустка плазмы труднопредсказуемым. Плазма изо всех сил стремится расшириться, коснуться стенок камеры, отдать энергию и… погибнуть. Просто какая-то страсть к самоубийству. И чем выше температура плазмы, тем она норовистее. А при миллионах градусов, необходимых термоядерщикам, она становится просто бешеной.

Сейчас даже трудно утверждать, взялись бы физики в конце 1950 года с таким энтузиазмом за эту проблему, будь они хоть чуть-чуть более осведомлены о ее характере. Слава богу, они ничего о нем не знали. А когда познакомились, отступать было поздно.

В то время советские физики-теоретики высказали идею, согласно которой горячую плазму можно было попробовать изолировать от стенок камеры, сжав собственным магнитным полем. Мысль была настолько простой и очевидной и решение казалось таким красивым, что сомнениям просто не оказывалось места.

Как загнать джинна в бутылку

Предположим, что нам удалось в разреженном газе создать мощный электрический разряд. Естественно, что на всем его пути молекулы и атомы ионизуются и газ превратится в плазму. Но плазма — сама великолепный проводник для электричества, и потому ток в ней будет нарастать. А вместе с током станет расти и его магнитное поле, охватывающее плазму, как обручами, и сдавливающее, сжимающее ее в тонкий шнур, отрывая от стенок камеры.

Кажется, проще простого — частицы оторваны от стенок, ток нагревает плазму до звездных температур, ядра начинают сливаться, выделяя огромное количество тепла. Реакция становится самоподдерживающейся. Термоядерный «самовар» закипает…

В Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова был создан новый отдел плазменных исследований, во главе которого стал удивительный человек и один из бесспорных лидеров советской науки Лев Андреевич Арцимович.

Еще не прогремело эхо первого взрыва водородной бомбы, значит, еще не было и бесспорного доказательства осуществимости даже неуправляемого термоядерного синтеза, а в лаборатории Арцимовича молодые энтузиасты готовились к синтезу управляемому.

Ах, как они тогда работали! Все, от руководителя до лаборанта, были первыми в мировой науке. Они знали то, что хотели знать все, но не знал никто. И это знание было самым большим богатством — дороже золотых слитков и самородков, дороже самых больших и чистых алмазов из голубых кимберлитовых трубок. Вот что такое наука. Вот чем она всегда привлекала и будет привлекать к себе людей. Лев Андреевич был необыкновенно обаятельной личностью. Острый ум, широчайшая эрудиция и необыкновенно развитое чувство юмора.

— Что такое наука? — спросили его как-то.

— Наилучший способ удовлетворить собственную любознательность за счет государства, — не моргнув глазом, ответил он.

Третья серия вопросов — последняя и едва ли не главная.

— Что такое термояд?

— Управляемый термоядерный синтез, основанный на реакциях перестройки атомных ядер с большим энергетическим выходом.

— Что нужно сделать, чтобы зажечь в плазме огонь термояда?

— Нагреть до звездных температур, сжать до необходимой плотности, обеспечив критерий Лоусона.

— Что такое критерий Лоусона?

— Произведение времени удержания высокотемпературной плазмы на плотность ее частиц. Если это произведение превышает 10¹⁴ с/см³, то выделяющаяся управляемым термоядерным синтезом энергия больше подводимой к системе.

— Что такое токамак?

— Тороидальная камера с магнитным полем — семейство советских тороидальных магнитных ловушек для получения контролируемой термоядерной реакции в высокотемпературной плазме. Слово «токамак», как и слово «спутник», принято во всех языках мира.

— Когда физики получат термоядерную энергию?

В 1956 году советская правительственная делегация, имея в своем составе ведущих ученых, выехала в Англию. Мир находился в тисках «холодной войны». Люди разучились доверять ДРУГ другу. И вот лондонцы с нескрываемым интересом разглядывали на улицах столицы высокого человека с длинной бородой, прятавшего в ней усмешку тонких губ. «Главный атомщик русских!» — летел вслед ему шепоток. Курчатов был фигурой легендарной, весьма таинственной и очень импозантной. «А уж засекречен-то, засекречен! Десять агентов КГБ, не смыкая глаз, сторожат его и днем и ночью…» И вдруг этот человек — олицетворение государственной тайны Советского Союза — спокойно согласился прочесть в английском атомном центре, Харуэлле, лекцию «О развитии атомной энергии в России». Именно так было написано в пригласительных билетах.

Со смешанным чувством собирались приглашенные. С одной стороны, ученым было, конечно, любопытно узнать, что делается «за железным занавесом». Ведь к этому времени ТАСС уже сообщило об успешных испытаниях термоядерного оружия на советском полигоне и прошло два года с тех пор, как в Обнинске, под Москвой, заработала первая в мире атомная электростанция. Но с другой стороны, английские физики понимали, что в существующих условиях ждать откровенного и интересного разговора смешно.

Курчатов спокойно поднялся на трибуну. Он широко и свободно нарисовал перед слушателями грандиозную картину энергетического строительства в СССР и… перешел к рассказу об исследованиях в области управляемого термоядерного синтеза. Это была сенсация! Английские физики, английские политики, английские и совсем не английские представители других служб, которых наверняка было немало в зале, ушам своим не верили. Бородатый русский академик спокойно повествовал о таких вещах, о которых на Западе даже думать рисковали лишь за закрытыми дверями секретных лабораторий. Это могло означать либо непостижимую «азиатскую хитрость», либо тот факт, что русские настолько далеко ушли вперед, что нынешние секреты западных коллег для них — вчерашний день… Что было хуже?..

Игорь Васильевич Курчатов читал в Харуэлле доклад, подготовленный академиком Арцимовичем. И этот доклад застал англичан врасплох. Когда представители прессы попросили своих специалистов прокомментировать сказанное, те дружно потребовали несколько дней на подготовку. Нужно было не только снестись с секретной службой, но и разобраться в ворохе технических подробностей, щедро открытых перед ними гостем. «Английские ученые ожидали, что доктор Курчатов будет выкачивать из них информацию, а вместо того он сказал, что им самим следует делать» — так определило тогда агентство «Рейтер» итог этой встречи.

Результаты столь выдающегося не только научного, но и дипломатического и политического шага Советского Союза не замедлили сказаться. Одна за другой стали собираться международные конференции, на которых все более и более смело ученые обменивались своими успехами и заботами. Оказалось, что во многом теоретические работы советских и западных специалистов совпадали. Дублировались и многие из засекреченных в прошлом экспериментов. И вместе с тем с каждой стороны налицо были какие-то полезные достижения.

На конференции в Зальцбурге в 1961 году были заслушаны доклады о двух новых установках — токамаке Т-3, работающем в курчатовском институте, и стеллараторе в Принстоне. Правда, исследования на тороидальных установках, как правило, вызывали у ученых все больший пессимизм. А советский токамак своих создателей радовал. И вот, начиная с 1969 года, в лабораториях всех заинтересованных стран началось бурное строительство токамаков. Сегодня их насчитывается в мире около пятидесяти.

Токамаки шагают по свету

Наша страна предполагала в середине 80-х годов запустить «Токамак-15». В нем плазма объемом в 23 кубометра будет нагрета уже до 70–80 миллионов градусов. И главный параметр удержания этого беспокойного детища современной физики совсем немного не дотянет до критерия Лоусона.

Еще ближе к заветному критерию предполагают подойти европейские ученые на строящемся токамаке «ДЖЕТ». Здесь объем высокотемпературной дейтериевой плазмы будет около двухсот кубических метров. По своим параметрам плазма должна выйти на рубеж реакторной. Таким образом, уже в ближайшее время физики мира собираются продемонстрировать реальную осуществимость получения реакторной плазмы, а затем передать дело в руки инженеров. Потому что дальше наступит очередь реактора термоядерной электростанции.

Сегодня главное внимание физиков-термоядерщиков сосредоточено на токамаках, как на наиболее перспективных установках. Но это вовсе не значит, что для осуществления управляемого термоядерного синтеза нет других путей. Токамак — установка, в которой реакции протекают спокойно, как на Солнце. А ведь можно себе представить и использование созидающего взрыва. Взрыва, контролируемого человеком. Взрыва, надежно запряженного в работу, как это сделано, например, в двигателях внутреннего сгорания…

И вот уже ученые обсуждают идею микровзрывов — серии коротких импульсов от крохотных водородных «бомбочек», подожженных лазерным лучом. Эта идея тоже родилась в нашей стране. Ее высказали академик Н. Г. Басов — один из создателей лазера — и доктор физико-математических наук О. Н. Крохин.

Есть, между прочим, и другие идеи. Их немало. Нужно только помнить, что даже простая проверка каждой из них — большая работа коллектива, стоящая огромных затрат. Достаточно сказать, что простой старый добрый токамак при работе потребляет в импульсе столько электричества, сколько нужно целому городу.

Наверное, прочитав эту главу, читатель непременно задаст вопрос: «Так когда же? Когда будут построены первые термоядерные реакторы для электростанций, ведь с начала работы над плазмой уже сменилось целое поколение?»

Предсказания в науке — самое неблагодарное дело. Но если есть вопрос, требуется и ответ. Давайте же за ним обратимся к высказыванию главы советской школы термоядерной физики Льва Андреевича Арцимовича.

В статье «Плазма и термоядерный синтез», написанной им совместно с В. Д. Новиковым для Детской энциклопедии, он говорил: «Термоядерная энергия будет получена тогда, когда она станет необходимой человечеству».

Ну а пришла ли эта необходимость — решать нам с вами. Ведь сегодня человечество — это мы!

МГД

Есть еще несколько способов получения электроэнергии, мимо которых просто невозможно пройти. Я имею в виду методы прямого преобразования энергии. То есть такие способы, при которых из классической цепи «тепло — механическая энергия — электричество» среднее звено исключается. Сюда можно отнести не только получение электроэнергии из тепловой и из химической энергии, например в топливных элементах, но также известные нам способы получения электроэнергии из солнечного света, из электромагнитного излучения нашего светила…

Но, как и обещает заголовок раздела, прежде — магнитогидродинамический метод. Суть его такова: топливо, сгорая при достаточно высокой температуре (не меньше 2500 °C), дает газы, как мы уже знаем, в состоянии частично ионизованной плазмы. Следовательно, газ становится электропроводящим. Если же к плазме добавить еще какое-нибудь легко ионизирующееся вещество, ну хотя бы какой-нибудь из щелочных металлов (калий, натрий или цезий), то электропроводность ее еще возрастет.

Теперь представьте себе, что мы стали продувать эту плазму через мощное магнитное поле. Естественно, что в ней немедленно появится электрический ток. Если при этом к стенкам канала, по которому сквозь магнитные силовые линии мчится наша плазма, приделать электроды, замкнутые на внешнюю цепь, то по цепи пойдет ток…

В принципе работа МГД-генератора не отличается от классической схемы генератора Фарадея. Только в электромеханическом генераторе проводником служит обмотка ротора, а в МГД-генераторе — поток подогретой плазмы. Электрический ток в плазме, взаимодействуя с магнитным полем, тормозит движение плазмы. И ее кинетическая энергия превращается в тепловую.

Ну а чем же МГД-генератор лучше? Пожалуй, главное его преимущество — более высокий КПД. В зависимости от технического решения он может превышать на десять, а то и на двадцать процентов коэффициент полезного действия самых лучших и экономичных тепловых электростанций.

Кроме того, вы ведь, наверное, заметили, что в схеме МГД-генератора нет движущихся частей, на которые воздействовала бы высокая температура. Это очень важно. Ведь чем выше начальная температура рабочего тела в тепловом двигателе, в турбине, тем выше опять же КПД. Но лопатки турбин больше чем 540 °C не выдерживают. А тут — 2600 °C!

Правда, не очень пока понятно, из чего делать канал МГД-генератора. Где взять материалы, которые выдержали бы такую температуру? Ну, во-первых, кое-что в запасе у инженеров все-таки есть. А во-вторых, стенки канала можно и должно охлаждать. Ведь поливать водой неподвижную трубу — совсем не то что охлаждать таким способом бешено вращающиеся части в турбине…

Пока на пути к созданию промышленного образца МГД-генератора взяты далеко не все барьеры, обойдены не все препятствия. Тут и надежность материалов, и проблема создания на всем протяжении плазменного канала (а это метров двадцать) магнитного поля большой интенсивности — около 5–6 тесла (или 50–60 тысяч гаусс).

МГД-генератор даст нам постоянный ток. Естественно, что для широкого использования его придется превращать в переменный, что тоже не так-то просто. И все же, несмотря на трудности, в Советском Союзе, в полном соответствии со специально разработанной программой, уже начато сооружение первого в мире промышленного МГД-энергоблока электрической мощностью на 500 тысяч киловатт, который будет работать на природном газе. Одновременно ученые ведут исследование МГД-установок, способных работать на угле. И есть предположение, что в дальнейшем МГД-генерато-ры можно будет устанавливать на атомных электростанциях. Атомный реактор будет служить вместо или в качестве камеры сгорания. А рабочим телом явится какой-нибудь легко ионизирующийся газ. Может быть, это будет гелий, который станет двигаться по замкнутому контуру. Вы скажете: «Это все пока проекты… А где синица в руки?» Ну что же — вот вам тогда и синица.

Два года назад довелось мне побывать на Кольской сверхглубокой скважине, неподалеку от города Заполярный. Это была очень интересная поездка, знакомство с первопроходчиками «подземного космоса», людьми, которые первыми во всем мире заглянули на глубины в двенадцать километров. Мировая практика пока не знает таких скважин.

Не зря участники международного геологического конгресса, проходившего в Москве в 1984 году, единодушно высказали единственную просьбу — побывать на уникальном сооружении и познакомиться с чудом XX века, созданным руками советских ученых, инженеров и рабочих.

Однако, если вы посмотрите в энциклопедию, то обнаружите, что средний радиус Земли 6371,032 километра. Глубина Кольской сверхглубокой — 12 километров. Ощущаете разницу?.. Изучение глубоких недр пока доступно только лишь косвенными геофизическими методами. И надо сказать, что в арсеналах науки о Земле такие методы имеются. Одни из них — сейсмический и гравиметрический — довольно хорошо известны широкому читателю. Другие — электромагнитные — знакомы меньше. Но именно о них-то и пойдет дальше речь. Заключается электромагнитный метод исследования недр в том, что, создавая на поверхности Земли электрическое поле, геофизики индуцируют электрические токи во внутренних проводящих слоях Земли. Эти токи создают собственное поле, которое и улавливается специальными датчиками на поверхности. Понятно, что токи в недрах, а следовательно, и их поля зависят от электропроводности слоев.

И такие измерения как бы просвечивают Землю, выдавая информацию о состоянии залегающих в глубине пород.

Разработанные методы электромагнитного зондирования, к сожалению, тоже позволяли исследовать глубины Земли лишь на несколько километров. Не хватало мощности передвижных генераторов — источников электроэнергии.

Но вот Институт атомной энергии имени И. В. Курчатова разработал мощные импульсные МГД-генераторы, развивающие в импульсах мощность до 80-100 тысяч киловатт. На перешейке полуострова Рыбачий в Баренцевом море собрали установку из двух спаренных пороховых ракетных двигателей, преобразующих энергию плазмы в электрический ток. Рядом стояли батареи начального возбуждения. Они посылали ток большой силы в катушки соленоидов, расположенных сверху и снизу плазменного канала. Возникающее при этом мощное поперечное магнитное поле тормозит поток плазмы и создает электродвижущую силу. При этом с токосъемников плазменного канала ток шел по толстому алюминиевому кабелю, стекал в море и… дальше по толще морской воды огибал полуостров, чтобы поймать второй конец алюминиевого кабеля.

Так в общем виде выглядит и так в принципе работает МГД-установка «Хибины», предназначенная для электромагнитного зондирования недр. Почему выбрали опять Кольский полуостров? Это легко объяснить: здесь на поверхность выходят древнейшие образования Земли и, как нигде в другом месте, открывается возможность изучения кристаллического фундамента. Кроме того, здесь данные МГД-зондирования можно сравнить с результатами, полученными на Кольской сверхглубокой. А ведь Кольский полуостров — это не просто «каменный заповедник», но и край исключительных подземных богатств, ключ ко многим, еще, может быть, неразведанным месторождениям Севера.

И надо сказать, что оба метода во многом помогли друг другу. На скважине геологи, рассказывая о результатах, не раз многозначительно умолкали, говорили, что столкнулись в процессе бурения и отбора керна с рядом загадок… Тот же мотив звучал и в рассказах участников эксперимента «Хибины».

Но когда свели данные одного и другого исследования, то оказалось, что ряд неясных вопросов одного метода можно интерпретировать с помощью измерений, сделанных вторым…

И последний вопрос: зачем понадобился МГД-генератор? Ответ прост: очень было бы трудно создать другими средствами мобильный генератор на такую мощность в импульсе. А с помощью этой неожиданной техники удалось «просветить» Землю на огромной территории и на десятки километров вглубь. Так новая, можно сказать, новейшая техника, находящаяся еще в стадии разработки, уже дает результаты, служит науке, служит людям.