Техника и человек в 2000 году

Солнце как источник энергии

Солнце, щедрый расточитель тепла, света и жизни, сменяющий времена года, наполняющий деревья океанами соков, невидимой рукой черпающий воду из чаши океанов, превращающий ее в тучи, туман и росу, всюду способствующий росту; добрый свет, укрепляющий больные легкие человека, заставляющий нас забывать пасмурные дни, золотящий нам утро после печального вечера, — это солнце дает нам также неизмеримое количество энергии. Древние почитали солнце как божественное существо. У античных народов существовал определенный культ солнца, который доказывает, что уже тогда людям было понятно, что солнце обладает силою, от которой зависит вся наша жизнь. Вся религия древних индусов и египтян проникнута культом солнца. Огромные пирамиды, которые на протяжении 30 км тянутся вдоль Ливийской пустыни, представляют собою не что иное, как проявление культа солнца.

Вода и уголь являются не чем иным, как сгущенной солнечной энергией. Понадобилась колоссальная энергия солнца, чтобы вырастить огромные леса, из которых в течение миллионов лет образовывался уголь. Здесь мы будем говорить о непосредственном использовании техникой энергии, заключающейся в солнечных лучах, в качестве дополнения и замены энергии угля и воды.

Ганс Фишер исчисляет энергию, которую можно было бы получить из солнца, следующим образом: ежегодно на каждый квадратный километр земной поверхности изливаются в форме солнечных лучей 1 400 млн тепловых единиц, т. е. каждые 4 м, получают эквивалент 1 л. с. С поверхности, величиной в 1 кв. км следовательно, теоретически можно получить при 100-процентном полезном действии 187 тыс. клв-годов; при коэффициенте полезного действия лишь в 10 % получается все-таки еще 18,7 тыс. клв-годов. Современная паровая машина требует на 3/₄ клв-года 4 т угля. Добытые в 1920 г. 1 300 млн т угля при переводе их целиком в механическую энергию соответствовали бы приблизительно 176 млн клв-годов. В виду того, что 1 км земной поверхности при 10-процентном использовании изливаемой на него солнечной энергии дает 18 700 клв-годов, то для получения 244 млн клв-годов необходимо всего лишь 13 000 кв. км, что соответствует приблизительно ¹/₃ поверхности Швейцарии. Солнечной энергии, изливаемой на эту небольшую часть поверхности земного шара, теоретически, следовательно, вполне хватило бы для того, чтобы покрыть всю современную потребность земли в энергии. Представьте себе, какие перспективы открылись бы перед человечеством, если бы вдруг удалось найти способ использования энергии солнца, изливающейся на поверхность Сахары!

По другим исчислениям температура солнечной энергии, излучающейся на землю, колеблется приблизительно от 6 000° до 8 000°.

Проблема использования солнечной энергии насчитывает много веков. Уже древние арабы были знакомы с действием солнечных лучей и, в частности, с способом их использования для технических целей. Так, зажигательное стекло было известно уже народам древности. Первое большое зажигательное стекло изготовил в первой трети XVII века астроном Маджини, за которым последовал ряд других.

Не останавливаясь на многочисленных опытах создания солнечных машин, отметим, что все они преследовали цель или путем действия солнечных лучей непосредственно превращать воду в пар или же подвергать ее давлению посредством расширяющегося под влиянием солнечных лучей воздуха.

Результатом десятилетних исследований в области непосредственного использования солнечной энергии является открытие американца Шумана в Филадельфии. Последний исходил из того взгляда, что солнечная силовая станция, чтобы иметь практическое значение, должна отличаться большим коэффициентом полезного действия, требовать незначительных затрат на свою постройку и поддержание и, наконец, не нуждаться в особо квалифицированном персонале для обслуживания. На нее не должны действовать ни бури ни ветры; ремонт каждой из ее отдельных частей не должен мешать работе всей установки.

Шуман путем опытов установил, что в теоретически совершенно изолированном, освещаемом солнцем резервуаре легко можно достигнуть температуры 540° без специального устройства солнечной машины. В усовершенствованном виде машина Шумана представляла собой дешевый рефлектор, отбрасывавший солнечные лучи в резервуар с водой, откуда шли отдельные паровые трубки, соединявшиеся в главную трубу, диаметром в 30 см, по ней пар переходил в машину низкого давления. Эта машина могла поднимать в течение одной минуты около 115 гл воды на высоту 100 м.

Рис. 18. Зеркало солнечной машины (в Миди, вблизи Каира) спереди.

По мнению самого Шумана подобные машины особенно важное значение имеют в тропических странах для орошения бедных водой местностей. В 1912 г. усовершенствованная Шуманом солнечная силовая станция была пущена в ход в Миди, вблизи Каира. При десятичасовой работе пять парообразователей такой машины в среднем давали 500 кг пара при одной атмосфере давления и мощностью в 50 л. с. В 1 800 км южнее Каира подобная установка обладала бы мощностью в 60–70 л. с. Задача этих солнечных машин заключалась не только в том, чтобы заменить весьма удорожаемый дальним транспортом английский уголь, но, главным образом, в том, чтобы орошать плантации хлопчатника, которые до сих пор орошались только примитивными бадьями и черпальными колесами, так называемыми сакие. Машина Шумана орошала около двухсот гектаров хлопковых плантаций.

Согласно проекту, представленному проф. Фесенденом Британской ассоциации, солнечная энергия может быть используема для получения энергии и другим путем. На высоко расположенном месте устанавливается плоский, прикрытый стеклянными дисками, резервуар для воды, подвергаемый действию солнечных лучей. Образующийся в нем водяной пар поступает в находящуюся приблизительно на той же высоте турбину низкого давления, которая опять-таки приводит в движение установленную рядом динамомашину.

Рис. 19. Положение того же зеркала (см. рис. 18) в полдень.

Получаемый в последней электрический ток применяется для приведения в движение расположенного ниже насоса, который в свою очередь подает воду из находящегося на одной плоскости с ним озера, реки в высоко расположенный резервуар. Последний питает основную силовую установку, состоящую из водяной турбины и соединенной с нею динамомашины. Даваемый последний ток может затем быть использован по желанию.

Из находящихся в работе солнечных двигателей следует отметить мотор, работающий на ферме для разведения страусов в Пассадена, близ Лос-Анжелеса в Калифорнии. Он состоит из очень большого конического зонта, снабженного с внутренней стороны 1 788 зеркалами, длиной в 60 см и шириной в 7 ¹/₂ см каждое. Зонт поддерживается легкой железной конструкцией (остовом) и так же, как паровой котел, находящийся в фокусе зеркала и достигающий 4 м длины, с помощью часового механизма движется в соответствии с видимым движением солнца по небесному своду. Паровой котел вмещает 670 л воды. Уже через час после восхода солнца в котле получается давление пара в 12 атмосфер. Отработанный пар автоматически возвращается в котел. Подобные же установки устроены были впоследствии в Перу и Калифорнии.

Проф. Берлинского университета Маркузе сделал в 1923 г. изобретение, также представляющее собою солнечную машину. Концентрируемые с помощью чечевиц лучи чрез маленькое отверстие попадают в шар — извне белый, а изнутри сильно зачерненный. Это отверстие представляет собою термический фокус тепловых лучей. Таким образом все лучи сначала попадают на внутреннюю часть шара, лежащую против отверстия, оттуда отражаются во все стороны внутри шара и уже не могут из него выскользнуть. Своей сравнительно большой поверхностью шар нагревает однако не воду, а особое масло, которое находится в окружающем шар и изолированном в защиту от теплопотерь металлическом сосуде. Это нагретое масло затем с помощью змеевиков переводится в отделенный от аппарата водяной котел, создает там пар высокого давления и с помощью насосов циркулирует взад и вперед, так что тепло, отдаваемое воде, быстро снова восстанавливается в масле. Этот новый аппарат имеет то преимущество перед всеми прежними попытками использования солнечного тепла, что солнечные лучи собираются почти целиком и нагревают не непосредственно воду, но жидкость с высокой точкой кипения.

В последнее время американец Аббот изобрел практическую солнечную машину для домашнего употребления. Поглощенные солнечные лучи передаются легко нагреваемому маслу, которое затем по трубам переходит в кухню и там нагревает жаровни. Абботу удалось целое лето варить без углей при помощи этой дешевой машины.

Солнечная энергия нашла себе применение не только для нагревания воздуха, воды и химических жидкостей, но и в целях непосредственного получения электричества. Ряд изобретателей освещал солнечными рефлекторами термоэлементы и таким образом, получал сравнительно крупный источник энергии.

Солнечная энергия поддается накоплению наряду с вышеописанными способами и другим путем, а именно химическим.

Таким образом, мы получили бы не что иное, как аккумуляторы света, химическую машину, которая по отношению к свету явилась бы тем же самым, чем для электричества служит свинцовый или щелочный аккумулятор. В этой области также уже проделаны опыты, в подробное описание которых мы здесь вдаваться не будем.

Мало исследованы были до сих пор верхние слои атмосферы в отношении возможности получения из них световой энергии, посылаемой солнцем в мировое пространство. Американские исследователи поставили опыты на высоких горах с помощью электроскопов, наполненных сухим газом и помещенных в свинцовые футляры. При этих опытах выяснилось, что действительно существует новый вид космического излучения. На честь открытия этих лучей претендует американский проф. Милликэн. Длина волн этих лучей достигает якобы одной миллионной сантиметра, в то время как известные до сих пор лучи значительно длиннее. В виду того, что на радио — и рентгеновских лучах установлено, что при уменьшении длины волн усиливается действие лучей, от новых лучей, если они когда-нибудь будут окончательно изучены, можно ожидать еще более изумительных свойств. Доказательство существования космических лучей удалось получить на Монт-Уитней, самой высокой горе Соединенных штатов. Действие этих лучей на живой организм пока еще совершенно не выяснено. По мнению исследователей облучение этими новыми лучами в течение нескольких секунд влечет смертельный исход для маленьких живых существ. Для искусственного получения этих лучей необходимо затратить весьма значительное количество энергии в форме электрического тока; при этом не исключена возможность добиться разрушения атомов. Происхождение этих удивительных лучей наука приписывает системе Млечного пути. По мнению известного физика проф. Нернста из светового эфира время от времени образуются новые высокоатомные элементы, которые затем соединяются в новые звезды. Предполагают, что при этом процессе происходят перемещения столь огромных количеств энергии, что в них можно предполагать источник нового вида космического излучения.

Несмотря на то, что в настоящее время проблема использования солнечных лучей для энергетических целей еще окончательно не разрешена, мы знаем все же, что космос обладает почти неизмеримыми количествами энергии. В докладе, который в свое время прочитал руководитель Американской Электрической компании Чарльз Штейнмец, последний набросал интересные перспективы биологической проблемы. Докладчик сообщил о возможностях открытия огромных источников энергии и питательных средств, имеющихся в космосе. По сообщению одного научного журнала все источники энергии земного шара, доступные эксплуатации, оцениваются в 1 000 с лишним млн киловатт. Штейнмец указывает на то, что на одни только пустынные районы Соединенных штатов излучается солнечная энергия, которой соответствует приблизительно 800 млрд клв, т. е. приблизительно в 1 000 раз больше всей энергии, скрытой в угле и воде земного шара. Весь вопрос лишь в том, чтобы сконцентрировать целесообразным образом эти неизмеримые количества энергии.

Из всего вышеизложенного ясно, что техника прилагает колоссальные усилия к тому, чтобы добиться превращения солнечного света и тепла в энергию. Если даже все эти изобретения еще неприменимы в широкой практике и в изучении космических сил, наука еще стоит в самом начале, то следует все же ожидать, что после многолетних исследований, все глубже проникающих в сущность света, когда-нибудь станет возможно использовать в человеческом хозяйстве огромную энергию, излучаемую солнцем.