Феномен человека на фоне универсальной эволюции

Глава VIII Феномен человека

Будущее человека

8.4.3 Энергетическое будущее: энергетика, построенная на круговороте тепла

Энергетическая составляющая глобального экологического кризиса имеет две стороны. Во-первых, угроза идет от теплового загрязнения среды. Чем далее продвигается социальная эволюция, тем интенсивнее энергетические метаболиз-мы, что оборачивается все возрастающим потреблением энергии (см. разд. 4.3.4 и 8.1.1). Между тем практически вся используемая нами энергия теряется в среде в виде тепла. И дело не в том, что энергоустановки и транспортные артерии работают с некоторым КПД, меньшим единицы. Энергия, которая доходит до потребителя, тоже почти вся рано или поздно рассеивается в виде тепла. Такова конечная судьба энергии, расходуемой на отопление помещений, варку стали и пр. Лишь очень малая ее часть идет на увеличение гравитационного потенциала (когда, например, строительные материалы поднимаются на высоту) или фиксируется в создаваемых структурах. Доля нерассеиваемой энергии неизвестна (во всяком случае автору этих строк), составляя, по-видимому, проценты или доли процента.

Если человек не повинен в сегодняшнем потеплении климата, он вызовет его завтра, причем, в апокалипсических масштабах. Экспоненциально возрастая, мировая добыча энергоресурсов увеличилась за 1860-1980 гг. с 4,56 до 89-98 х 10⁹ МВт-час [Алексеев, 1997. С. 38], что соответствует удвоению примерно за 27,5 лет. Энергия солнечного излучения, достигающего за год земной поверхности, составляет 580 х 10¹² МВт-час [Там же. С. 33]. Сравнивая, находим, что в 1980 г. годовая добыча энергоресурсов была примерно в 6 200 раз меньше падающей на Землю солнечной энергии.

Удваиваясь каждые 27,5 лет, потребление энергии человеком сравняется с энергией солнечной радиации примерно через 345 лет, отсчитывая с 1980 г., или через 320 лет, если считать с 2005 г. Когда это произойдет, предпринимать что-либо будет поздно — развитые формы жизни на Земле к тому времени погибнут. Так что реагировать нам придется заранее. Одни эксперты полагают, что добываемая энергия не должна превышать 1 % от солнечной, другие — 0,1 %, В первом случае проявления потепления станут катастрофическими примерно через 140 лет, во втором — через 50. Не исключено, что именно их начало мы и наблюдаем сегодня.

При всей условности этих оценок, они приводят к неоспоримому, на мой взгляд, выводу о том, что в обозримом будущем энергетику ожидают коренные перемены. Этот вывод тем более верен, что — мы переходим ко второй составляющей энергетического кризиса — заканчиваются обычные энергоресурсы планеты. Угля, нефти и других традиционных энергоносителей по разным оценкам хватит на 100-200 лет, альтернативные же источники энергии — ветер и океанические течения, приливы, горячие источники и пр. — в состоянии обеспечить по некоторым оценкам не более 30 % потребностей производства.

Ученым эта угроза известна, однако отношение к ней, на мой взгляд, слишком легкомысленное. Большинство авторов почему-то уверено в том, что человечество сможет затормозить рост добычи энергии. Распространена точка зрения, согласно которой человечество оказалось в наши дни на грани гибели из-за того, что необдуманно перешло на индустриальный путь развития, оказавшись в плену идеологии потребления. Технологическая цивилизация и общество потребления, говорят нам, обречены и должны уйти в прошлое. Раздаются призывы заняться спасением души, самосовершенствованием, разведением пчел и пр. Замедление темпов роста энергопотребления, уверяют нас, не только неизбежно, но фактически уже и началось.

Сдается, что сторонники таких призывов не совсем понимают, о чем говорят. Прекращение существования индустриальной цивилизации означало бы кардинальное изменение всей природы человечества, самую натуральную социальную катастрофу, какой еще свет не видывал. И не когда-нибудь в отдаленном будущем, а в ближайшие 100 лет. Когда наблюдаешь, с каким энтузиазмом самые развитые страны уклоняются от подписания весьма умеренного Киотского протокола, поневоле сомневаешься в реальности этого пути.

Лично я считаю его не только сомнительным, но и откровенно гибельным. Существенное замедление потребления энергии человеком пошло бы вразрез с законами эволюции, направленной в сторону интенсификации метаболиз-мов и круговоротов. Законы эволюции — столь же обязательные к исполнению законы природы, как и, скажем, законы гравитации. Мы ведь прекрасно знаем, что будет с нами, прыгни мы с самолета без парашюта. Предлагаю не испытывать судьбу и — в качестве возможного варианта — разработать меры, которые позволили бы решить проблему теплового загрязнения среды, не снижая темпов роста потребления энергии.

Идея звучит очень просто. Нельзя ли собирать рассеиваемое нами тепло, чтобы вновь использовать его энергию?

Формулировки второго начала термодинамики, запрещающие некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии, ошибочны. Закон возрастания энтропии следит за балансом полной энтропии, охватывающей все виды взаимодействий — электромагнитные, гравитационные, тепловые и пр. Тепловая же энтропия в общем случае возрастать не обязана.

В этой ситуации нет ничего особенного. Мы ведь не удивляемся, что закон сохранения энергии требует постоянства только полной энергии, тогда как тепловая энергия сохраняется лишь тогда, когда изменениями не затрагиваются нетепловые формы энергии. Вот и возрастание тепловой энтропии вытекает из закона возрастания энтропии исключительно при отсутствии взаимопревращения тепла в другие формы энергии. Именно в этом случае справедлива идущая от Р. Клаузиуса формулировка второго начала, согласно теплота не может переходить сама собой, т. е. когда ничего другого не происходит, от более холодного тела к более теплому. При этом переходе вместе с тепловой энтропией уменьшилась бы и полная, что запрещено законом возрастания энтропии.

Запрет на некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии, по нашему мнению, во многом происходит от неспособности физики описать связанный с этим превращением рост энтропии (см. гл. 1). Мы приводили и примеры некомпенсированного превращения тепла в другие формы энергии: при расширении теплоизолированного газа, совершающего работу (гл. 1); в процессе кристаллизации переохлажденной жидкости (разд. 3.3.6); в ходе расширения нашей Метагалактики (разд. 6.5.3); на стадии изотермического расширения рабочего тела машины Карно; в термоэлектрических эффектах Пельтье и Томсона; при переходе от ламинарного течения к турбулентному.

Еще пример. Возьмем два сосуда, соединенные перемычкой. Заполним один из них воздухом, после чего перемычку откроем. Воздух устремится во второй сосуд, причем в перемычке его движение будет максимально быстрым. Заставим движущийся в перемычке воздух работать, сжимая пружинки и фиксируя их в сжатом положении. Когда все успокоится, пружинки окажутся сжатыми. Можно также поставить в перемычке турбину, вырабатывающую электрический ток. Откуда берется потенциальная энергия пружинок или электроэнергия? За счет кинетической энергии потока воздуха в перемычке, возникшей, в свою очередь, за счет тепловой энергии воздуха, который на соответствующую величину остывает. Понятно, что воздух ускоряется давлением, однако совершаемая им работа не является формой энергии.

В самом деле, мы знаем такие формы энергии, как механическая (кинетическая и потенциальная), тепловая и т.д. Формы энергии под названием «работа» не существует. Работа — это только «передаточная» порция энергии, превращаемая из одной формы энергии в другую. Другими словами, работа — это энергия на пути от одной ее формы к другой. Превращаемые друг в друга формы энергии могут быть самыми разными, но порция энергии, используемая человеком на стадии превращения энергии из одной формы в другую, в общем случае называется работой. Не будучи формой энергии, работа не участвует в балансе форм энергии.

Энергия газа состоит из кинетической энергии потоков и внутренней энергии, которая в приближении идеального газа сводится к тепловой энергии и которая, не изменяясь с объемом газа, зависит только от его температуры [Ландау, Лифшиц, 1964. С. 148]. Поэтому само по себе расширение воздуха в нашем мысленном опыте на второй сосуд не изменяет его (воздуха) внутренней (тепловой) энергии, за счет уменьшения которой, таким образом, здесь только и может возникнуть кинетическая энергия.

В естественных условиях эту схему реализуют ветряки. Ветер, возникнув, рассеивается, и при этом связанное с ним упорядоченное движение переходит в беспорядочное тепловое движение молекул. Но ветер должен сначала подняться. Понятно, что ветер, тайфуны и смерчи возникают в результате возникновения в атмосфере температурных градиентов, создающих перепады давлений. За счет какой формы энергии, однако, возникает кинетическая энергия ветра? В механическом (упорядоченном) движении масс находят свое воплощение динамические структуры, и когда они возникают в атмосфере и/или океане «из ничего», их (механическая) энергия имеет источником рассеянное в атмосфере и/или океане тепло. Здесь тепловая энергия некомпенсируемым образом превращается в механическую.

Предубежденный читатель может возразить, что энергия ветра и/или течения имеет своим первоисточником гравитационную энергию атмосферы и/или океана в поле Земли. Чтобы прояснить ситуацию, представим себе, что мы положили в аквариум горячий кирпич (удалив на время рыбок), после чего изолировали систему. Неоднородное прогревание воды вызовет в ней течения и даже вихри, если температурные перепады достаточно велики. Заставим эти течения работать, сжимая пружинки и фиксируя их в сжатом положении. После того, как все успокоится и, в частности, восстановится начальная потенциальная энергия системы в поле тяжести, пружинки окажутся сжатыми.

За счет чего, спрашивается, возникла их потенциальная энергия? За счет тепловой энергии аквариума с кирпичом, гравитационное поле Земли здесь ни при чем. При желании мы могли бы провести этот опыт практически с тем же результатом в условиях невесомости на земной орбите. Ни при чем (или почти ни при чем) гравитационное поле Земли, делаем мы вывод, и в случае возникновения кинетической энергии ветра и/или течений за счет тепла, рассеянного в атмосфере и/или океане.

Поскольку возможно некомпенсированное превращение тепла в другие формы энергии, постольку реальны «фабрики холода», которые мы можем понаставить всюду в атмосфере и/или океане. Собирая тепло, которое сегодня безвозвратно рассеивается в среде, «фабрики холода», если их удастся реализовать в должных масштабах, не только предоставят нам альтернативный источник энергии, но и изменят лицо всей энергетики. Энергопотребление приобретет облик круговорота тепла, энергетика станет тепловой.

Снова и снова собирая тепло, рассеиваемое в среде традиционными установками, «фабрики холода» будут возвращать в энергооборот почти всю добываемую и потребляемую энергию. Добыча ископаемых энергоносителей может быть при этом сведена к минимуму — ею придется компенсировать лишь то небольшое количество энергии (проценты или доли процента), которое в ходе потребления выбывает из теплооборота. «Фабрики холода» станут основными источниками энергии. Интенсификации энергопотребления, диктуемой законами эволюции, можно будет добиваться ускорением круговорота тепла.

Как это часто бывает, над проектами «фабрик холода» независимо работают разные авторы. Мы расскажем о четырех таких разработках.

1. «Фабриками холода» являются гео- и гидротермальные циклические тепловые установки, которые работают на вулканическом тепле или тепле горячих источников и которые подчиняются обычным соотношениям теории Карно (см. разд. П.1.2): количество тепла, забираемого ими из (горячей) среды, превосходит количество тепла, возвращаемого среде как холодильнику.

К сожалению, ресурсы таких источников энергии невелики. Неограниченны ресурсы океанических тепловых циклических установок, использующих перепад температур между глубинными и поверхностными слоями воды, однако их КПД, ограниченный формулой Карно, имеет потолок около 7%, реально же не превышает 2-3% [Зарич, 1981; Барский, 2002], что делает будущее таких установок проблематичным.

2. Поместим навстречу ветру сужающуюся трубу, воздух в которой будет разгоняться по «геометрическим» причинам, подобно воздуху в расщелине между скалами. Разгоняться он будет с возникновением градиентов давления, одновременно охлаждаясь. Кинетическая энергия потока будет возрастать за счет охлаждения среды.

Мы можем снабдить сужающуюся трубу турбиной, превратив ее в «фабрику холода». Ничто не мешает нам также объединить сужающуюся трубу и турбину под одним кожухом, как это предлагает сделать группа изобретателей [Соболь, 1999; Егоров, 2000; Орлов, 2000]. Их трехступенчатая установка выглядит на чертежах как пузатая бомба, подвешенная вдоль воздушного потока и принимающая его внутрь себя кольцеобразным отверстием. Если верны расчеты изобретателей, то поток воздуха в их установке будет ускоряться почти до скорости звука. Установка Орлова и др. защищена патентами, но пока, насколько мне известно, не воплощена в металл.

3. Ю. И. Володько [1998] разрабатывает «бестопливный монотермический двигатель», который, как и предыдущая установка, получал бы энергию за счет охлаждения атмосферы. Он пришел к его идее, рассматривая классическую аэродинамическую задачу об истечении сжатого воздуха через сопло (щель) в среду, также заполненную воздухом, но при более низком давлении. «При выполнении экспериментального исследования... обнаружено, что... механическая энергия истекающей струи значительно (в два и более раз) превышает механическую энергию, необходимую для сжатия воздуха... Избыток механической энергии... в этом эксперименте... взят... из окружающей среды, точнее из атмосферного воздуха, в котором, однако, энергия находится... в виде рассеянной тепловой энергии. Следовательно, ламинарная струя сжатого воздуха представляет собой прямой преобразователь внутренней тепловой энергии атмосферного воздуха в механическую энергию» [Там же. С. 3].

Володько называет также имена В. И. Лихачева, Г. Н. Буйнова и Н. Е. Заева, проекты «монотермических» двигателей которых «порождают некоторую в большей или меньшей степени обоснованную надевду на какое-то решение проблемы» [Там же. С. 59].

4. Установка Г. В. Скорнякова [1989, 1995] еще более похожа на устройство Орлова и др. Здесь тоже охлаждается газовый поток, ускоряясь в сопле определенного профиля (как и у Орлова и др., здесь используется сопло Лаваля). Различие — в способе обеспечения более полного превращения тепла в работу. Если Орлов и др. ставят каскад из трех сопел Лаваля, в последнем из которых помещается турбина, то здесь сопло одно, а исходящий из него поток впрыскивается в трубу (Ранка) перпендикулярно к ее оси по касательной к внутренней поверхности, распространяясь по трубе и дополнительно охлавдаясь за счет вращения вокруг ее оси: «В качестве элемента системы, производящего работу, можно применить вихревую турбину. Основными элементами вихревой турбины являются труба Ранка, переходящая во вращающуюся неосесиммет-рическую вихревую трубу, играющую роль детандера, и жестко соединенное с нею сегнерово колесо, выполняющее функции сепаратора фаз, двигателя и насоса» [Скорняков, 1995. С.39].

Потребляя тепло некомпенсированным образом, нециклические установки Орлова с коллегами и др. представляют собой пресловутые вечные двигатели 2-го рода, на которые термодинамическая традиция налагает запрет. Существуют аргументы против этого запрета, дополняющие приведенные в настоящем разделе. Все они сводятся к доказательству ошибочности утверждения классиков о невозможности некомпенсированного превращения тепла в другие формы энергии.

Эпитет вечный здесь не следует понимать буквально — никакая установка не будет действительно вечной хотя бы из-за износа деталей (лат. perpetuum означает не только вечный, но и непрерывный, постоянный, всеобщий). Речь идет только о характере взаимоотношений двигателя с источником энергии. Вечный двигатель 1-го рода вообще не потреблял бы энергии, так что его «источник энергии» был бы неиссякаемым. Вечный двигатель 2-го рода должен потреблять рассеянное в среде «даровое» тепло, так что его источник энергии неиссякаем «практически». Если ваша установка в состоянии потреблять рассеянное в среде тепло некомпенсированным образом хотя бы секунду, то она -по существу — уже является вечным двигателем 2-го рода.

Вечный двигатель 1-го рода и на самом деле невозможен из-за закона сохранения энергии, Французская академия наук еще в 1775 г. приняла решение не рассматривать его проекты как ненаучные. Назвав свои установки вечными двигателями (2-го рода), Оствальд сыграл на магии слов «вечный двигатель невозможен», чрезвычайно затруднив возражения против своего запрета на них. Ход сильный, но, мягко говоря, некорректный, потому что ситуация с вечным двигателем 2-го рода совсем иная, нежели 1-го.

Моя точка зрения состоит в том, что безусловно действующая на Земле тенденция к рассеянию разных форм энергии в виде тепла (см. разд. 3.1, 4.3.4.5) — это именно тенденция, а не закон, и ее можно попытаться переломить. Я полагаю также, что «фабрики холода», основанные на компенсированном (гео-и гидротермальные тепловые циклические установки) или некомпенсированном (вечные двигатели 2-го рода) потреблении тепла, рассеянного в атмосфере и/или океане, не противоречат законам природы, что делает переход к тепловой энергетике в принципе возможным. Будучи же в принципе возможным, этот переход, на мой взгляд, неизбежен, поскольку находится на острие вектора эволюции сторону интенсификации метаболизмов. «Фабрики холода» удастся растиражировать в потребных масштабах, потому что это согласуется с законами эволюции.

Трудно сказать, какой вариант «фабрики холода» окажется оптимальным. Скорее всего, потребуются, как это обычно бывает, «фабрики холода» разных типов (мутовка «фабрик холода»). Поскольку производство и потребление энергии сводится к превращению одних ее форм в другие и поскольку процессы превращения энергии тем интенсивнее, чем больше градиенты, на которых они происходят (см. разд. 4.3.3), постольку в «фабриках холода» желательно реализовывать возможно большие градиенты — давления, температуры и пр.

Переход к тепловой энергетике принесет разрешение энергетического кризиса, связанного с тем, что заканчиваются обычные энергоресурсы планеты. Этот же переход даст и решение проблемы глобального потепления климата, чем бы оно ни было вызвано. Оптимальную температуру на поверхности Земли придется устанавливать руками.

Если бы рассеивалась вся потребляемая энергия, то у нас не было бы возможности охлаждать ноосферу, и тогда ее температура продолжала бы расти из-за парникового эффекта. Возможность регулирования климата появляется благодаря именно тому обстоятельству, что небольшая часть энергии выбывает каждый раз из энергооборота. Доля нерассеиваемой энергии неизвестна (во всяком случае автору этих строк), составляя, по-видимому, проценты или доли процента. Добывая ископаемые энергоносители меньше необходимого, можно будет охлаждать ноосферу, больше необходимого — нагревать ее.

Переход к тепловой энергетике и управляемому климату чрезвычайно затруднит всю нашу жизнь. Производство будет извергать из себя гигантские и все возрастающие количества тепла, которые должны будут компенсироваться «фабриками холода» и традиционными энергоустановками, использующими ископаемые энергоносители. Играя на дисбалансе теряемой и ископаемой энергии, можно будет поддерживать параметры ноосферы в нужном нам интервале значений. Со временем круговорот энергии будет все более ускоряться, ибо того требуют законы эволюции, идущей в сторону интенсификации метаболизмов. Случайный сбой в управлении этими все нарастающими потоками энергии будет чреват «тепловым взрывом» ноосферы. Возникнет сложнейшая задача управления ноосферой в этих условиях, которую придется решать нашим потомкам, возможно — уже нашим внукам или правнукам.

Таков наш сценарий энергетического и климатического будущего землян. Альтернативный сценарий связан с торможением роста потребления энергии и потребления вообще. Оба сценария означают для человечества радикальную перемену всего образа жизни на протяжении ближайших ста лет, однако первый направлен по вектору эволюции, а второй — против. Я и мои немногочисленные единомышленники считаем, что второй сценарий губителен, тогда как подавляющее большинство исследователей, игнорируя вектор эволюции, придерживается именно его.

Но одно дело — полемика ученых и другое — реальная жизнь. Когда дело касается столь важных вещей, человечество не может полагаться на какую-то одну точку зрения. Истина сегодня никому не известна. Надо учитывать и вероятность того, что правы мы с коллегами, и того, что правы наши оппоненты. Нельзя класть яйца в одну корзину. Разрабатывать следует параллельно оба сценария, с тем чтобы в дальнейшем реализовать какой-то один из них или их комбинацию.

Строго говоря, сценариев энергетического будущего человечества больше двух. Третий, вполне реальный, — массовый выход человечества в Космос (см. разд. 8.4.2). Освоение все новых и новых планет не только предоставит в распоряжение бывших землян энергоресурсы этих планет, но и позволит колонистам забывать на начальной фазе освоения новых территорий о проблеме теплового загрязнения среды. Четвертый сценарий — теплопровод Земля-Космос [Хайтун, 1996 а. С. 363; 1998 а. С. 46-47]. Впрочем, технического решения на этом направлении пока не просматривается; возможно, его и не существует вовсе, однако поисковые исследования в этом направлении, на мой взгляд, необходимы. Еще более гипотетическим является пятый сценарий — развитие технологий, вовсе не выделяющих тепла [Там же. С. 363-364; Там же. С. 47-48].