Российские ученые продолжают дело Николы Теслы
К концу XXI века природные запасы нефти и газа будут исчерпаны. Им на смену придут возобновляемые источники энергии (ВИЭ), например ветровые электростанции и солнечные батареи, а также новые АЭС. Потребление энергоресурсов возрастает, это объясняется не только увеличением населения Земли, но и стремлением слаборазвитых стран приблизиться по уровню жизни к государствам-лидерам. Проблема изыскания новых источников и способов получения электроэнергии стала одной из ключевых. Можно предполагать, что ее решение позволит существенно снизить уровень военной напряженности в мире. Так называемая зеленая энергия должна уже в ближайшем будущем составить не менее 50 процентов от общего потребления в Европе. А как дело обстоит с работами в этом направлении в России? На вопросы "Военно-промышленного курьера" отвечает Дмитрий Стребков, научный руководитель Федерального научного агроинженерного центра ВИМ, действительный член РАН, доктор технических наук.
– Дмитрий Семенович, прежде всего скажите, действительно так уж плохо у нас с возможностью обеспечения энергией человечества в ближайшем будущем?
– Уровень жизни населения увеличивается с ростом потребления электроэнергии. Однако дифференциация ее выработки и потребления в разных странах огромна. Обеспеченность электрической энергией отличается в 100–500 раз. Сегодня 1,2 миллиарда землян (16% человечества) вообще не имеют к ней доступа. Это порождает конфликты и миграцию населения. Проблема беженцев вызвана не только войнами, но и стремлением людей получить доступ к благам цивилизации. При этом для повышения уровня жизни в развивающихся странах необходимо наращивать производство электроэнергии, что увеличивает антропогенное воздействие на климат.
– Вы хотите сказать, что недостаток электроэнергии дошел до критических отметок и уже в ближайшем будущем нас ждут серьезные глобальные потрясения, вызванные этим?
– Если под ближайшим будущим понимать 10–15 лет, то, наверное, ситуация еще не слишком критична. Однако уже через 30–40 лет проблема энергообеспечения станет принципиально важной для выживания человечества. XX столетие было последним веком дешевой энергии. Она закончилась, и нужны новые технологии, чтобы обеспечить устойчивое развитие. Важнейшая задача правительств и международных организаций – структурная перестройка энергетики и переход на источники, не использующие ископаемое топливо. Путь устойчивого развития должен обеспечиваться устройствами на новых физических принципах.
– Речь о так называемой зеленой энергии, получаемой из экологически безопасных источников? По каким основным направлениям сегодня ведутся исследования по разработке более чистых технологий?
“ Качественное повышение КПД электрических машин достигается за счет использования недавно открытых эффектов ”
– Электроэнергия не может быть ни зеленой, ни синей, ни желтой, ни какого-либо другого цвета. Понятие цвета к ней неприменимо. "Зеленой" ее называют в связи с тем, что она производится экологически чистыми методами. Так что "зелеными" скорее следует называть технологии выработки электроэнергии. Сегодня имеется достаточно много направлений, по которым ведутся или могут начаться исследования в ближайшей перспективе. Среди них есть и весьма экзотичные. Назову наиболее перспективные, разработка которых может иметь практическое значение в ближайшей перспективе. Прежде всего следует назвать широко применяющиеся в настоящее время источники, использующие энергию движения воды – ГЭС, воздуха – ветровые (ВЭС), подземного тепла – геотермальные электростанции. Из новых стоит отметить генераторы, расходующие энергию атмосферного электричества. Вы прекрасно знаете мощь грозовых молний. Перспективными можно считать системы, основанные на сгорании чистого водорода, который получается на основе новейших энергосберегающих методов из воды. Весьма интересным направлением остается управляемая термоядерная реакция. Наконец, нельзя не упомянуть о возможности использования энергии вакуума. Но это, вероятно, уже достаточно отдаленная перспектива, реализация которой будет сопряжена с выходом фундаментальной физики на новый уровень. Неменьшее значение имеет и создание более эффективных технологий передачи электроэнергии, а также более экономичных двигателей и иных установок.
– Как в России обстоят дела с солнечной энергетикой? Ведь у нас значительная часть страны лежит за полярным кругом.
– Российские ученые разработали технологию изготовления солнечных модулей со сроком службы 40–50 лет. Это в два раза больше, чем у зарубежных аналогов. В Германии при сроке службы таких модулей 20 лет минимальная цена электроэнергии от солнечных электростанций (СЭС) по действующим контрактам составляет 0,0585 доллара за киловатт-час или около четырех рублей по действующему курсу. АЭС и ТЭС на газовом топливе продают электроэнергию за 0,03 доллара за киловатт-час (около двух рублей). То есть пока солнечная энергия в Германии проигрывает в сравнении с традиционными источниками. Однако наши наработки делают солнечные батареи вполне конкурентоспособными. Так, например, в Краснодарском крае, в Анапе при сроке службы 50 лет расчетная стоимость киловатт-часа – 0,0144 доллара, менее одного рубля. Существенный вклад в цену электроэнергии от СЭС вносит плата за землю, поэтому наиболее экономично решение в виде солнечной кровельной панели (солнечной черепицы). В отличие от центральных электростанций, использующих ископаемое топливо, распределенные СЭС имеют минимальные капитальные затраты и нулевые потери на передачу энергии. Мы предлагаем программу "Один миллион солнечных крыш в России". Наши расчеты показали, что ее реализация в частно-государственном партнерстве без использования бюджетных средств приведет к снижению энергоемкости валового производства на 1,5 процента, увеличению ВВП России на 0,3 процента, снижению выбросов парниковых газов на 284 миллиона тонн в год, а также к созданию 100 тысяч новых рабочих мест.
– Что собой представляют подходы по использованию атмосферного электричества? Будем управлять молниями?
– Насчет управления молниями ничего сказать не могу. Это удел Зевса. А использовать атмосферное электричество можно и нужно. Известно, что в космических лучах, которые приходят к нам с солнечным ветром, 92 процента – протоны, то есть положительно заряженные частицы, а Земля в свою очередь имеет объемный отрицательный заряд. Разница потенциалов между Землей и ионосферой составляет 360 тысяч вольт, причем днем и ночью изменяется от 400 тысяч до 340 тысяч вольт. Вариации бывают сезонные и дневные, но важно, что ионосфера Земли – это гигантский конденсатор. Можно сказать, что она электрическая машина. Никола Тесла оценил заряд Земли в 300 тысяч – 600 тысяч кулон. Он разработал и первые резонансные генераторы, использующие электрическую энергию атмосферы. С их помощью Тесла передавал электроэнергию, используя Землю в качестве провода. Ученый утверждал, что может с КПД более 96 процентов передать любое количество энергии в любую точку земного шара. Однако в то время, когда он завершал работы в этой области, еще не существовало теории параметрического резонанса. Она была разработана только в 30-х годах российскими учеными – академиками Леонидом Мандельштамом и Николаем Папалекси. Тесла не знал, что его знаменитые энергетические башни используют параметрический резонанс. На этих принципах возможно создание атмосферных электростанций, добывающих энергию из воздуха. В России ведутся работы в этом направлении.
– Что нового в области ветровых и гидроэлектростанций? Их ведь много не поставишь. Да и экологически они отнюдь не безопасны. Плотины ГЭС перекрывают реки, приводя к затоплению огромных территорий, меняя при этом климат. Ветряки своими огромными лопастями создают низкочастотный шум, оказывающий негативное влияние на здоровье людей. Об этом много пишется в западной прессе.
– Вы правы. На существующих подходах развивать энергетику весьма проблематично. Недостатки современных ветровых турбин – низкочастотный шум, неработоспособность при скорости ветра более 25 метров в секунду, необходимость подогрева лопастей в зимнее время и ориентация турбины на воздушный поток. Но эта проблема уже решена. Названные недостатки устранены в вертикально-осевых роторных ветроагрегатах, разработанных в России под руководством Болотовых, отца – доктора технических наук, профессора и его сына-инженера. Турбины Болотовых не имеют лопастей, низкочастотного шума и работают при скорости ветра до 50 метров в секунду при любых его направлениях. Турбина расположена внутри металлического корпуса с крышей и защищена от снега и ледяного дождя. Модульное исполнение позволяет производить роторные ветроагрегаты мощностью 5–30 киловатт, в перспективе до 100 киловатт. Такие могут быть использованы даже в интересах энергообеспечения отдельных домохозяйств. Большой вклад в создание бесплотинных свободнопоточных микроГЭС внес кандидат технических наук Александр Кусков. В целом использование специальных вертикально-осевых турбин является перспективным направлением в развитии малой ветро- и гидроэнергетики. В России этим направлением занимаются несколько групп ученых. Из зарубежных разработок следует отметить вихревые гидротурбины фирмы Turbulent, Бельгия. Так что при желании можно на даче иметь собственную минигидроэлектростанцию или ветровик, без всяких вредных эффектов.
– Вы упоминали о новых подходах к передаче электроэнергии. Огромные мачты высоковольтных ЛЭП должны уйти в прошлое?
– Если говорить об отдаленной перспективе, пожалуй, да. ЛЭП в том виде, какими мы их знаем сегодня, станут историей. Уязвимость воздушных линий для усиливающихся природных воздействий и экологические проблемы, возникающие при их работе, являются основными факторами широкого использования в будущем кабельных подземных линий для передачи электрической энергии. Однако известно, что они при частоте 50–60 герц имеют максимально допустимую длину 80 километров, ограниченную большим емкостным сопротивлением и тепловыми потерями. Кроме того, имеют высокую стоимость, в десять раз дороже воздушных ЛЭП. В настоящее время известно о принципиально новых российских технологиях создания глобальной электрической сети с применением однопроводных или беспроводных электропередач тока, основанных на идеях и опытах Николы Теслы. Эти технологии позволяют не только решать перечисленные проблемы, но и создавать сверхнадежные системы электроснабжения.
В этой области наши ученые находятся на передовых позициях в мире. Разработки в области резонансной электроэнергетики и соответствующих технологий защищены 90 патентами РФ. Наши исследования показали, что самое экономичное решение для освещения скоростных автострад – резонансные однопроводниковые системы, а использование бесконтактного высокочастотного троллея позволит увеличить скорость на железных дорогах с 300 до 600 километров в час.
– За счет чего предполагается существенно повысить эффективность электрических машин, в частности двигателей? Вы упоминали об этом как одном из перспективных направлений.
– Это сугубо технические проблемы, разговор о которых широкому кругу читателей вряд ли будет интересен. Отмечу только, что качественное повышение КПД электрических машин достигается благодаря новым, недавно открытым эффектам. В частности, задействуется теоретически предсказанный и экспериментально подтвержденный новый класс сил, пропорциональных градиенту плотности заряда и градиенту плотности массы. Другое направление при конструировании электрических машин – снижение реакции статора на ротор за счет создания однонаправленной индуктивной связи между ними, а также между первичной и вторичной обмотками трансформаторов. Однако для возникновения перспективных электрических генераторов и двигателей с постоянными магнитами необходим прорыв в получении новых материалов. В частности, нужно разработать технологии изготовления листовых материалов с высокой магнитной проницаемостью более 100 тысяч для экранирования магнитного поля.
– Круто вы завернули. Профессионалы поймут, а остальные вряд ли. Но все же можно просто объяснить, как из воды получить водород и потом его использовать для выработки электроэнергии или в качестве топлива. Ведь затраты на выделение водорода из воды должны быть меньше, чем выделяемая энергия при его сгорании, когда он опять возвращается в связанное с кислородом состояние – воду.
– Водород из воды получается путем электролиза. При этом известно, что современные электролизеры расходуют до четырех киловатт-часов электроэнергии на получение одного кубического метра водорода из воды. В 2008–2012 годах в России проведены работы по исследованию резонансных методов получения водорода из воды с использованием электродов из железа, алюминия, углерода и нержавеющей стали. Было показано, что реально снизить затраты электроэнергии на кубический метр водорода в 2–10 раз. Большой вклад в развитие энергосберегающих импульсных методов электролиза воды для получения водорода внесли д. т. н. Филипп Конарев, Сергей Зацаринин и другие. С использованием этих научных разработок в России начато производство преобразователей энергии "электролизер-бойлер", вырабатывающих 25 киловатт-час тепла при затратах электрической энергии 2,5 киловатт-часа, и действующих на воде генераторов для электромобилей. Использование новых методов получения водорода позволяет создать установки для генераторов, снижающих потребление дизельного топлива на 40–70 процентов, а в газопоршневых и газотурбинных двигателях полностью заместить ископаемое топливо.
– Дмитрий Семенович, большое спасибо за то, что вы нашли время поделиться с нашими читателями вашими знаниями. Для многих сегодня вопросы "зеленой" энергетики малоизвестны. Благодаря вам покров тайны в этой области для широкого круга читателей будет приоткрыт.
– Спасибо за приглашение к сотрудничеству. Мне будет очень приятно, если мое интервью кому-то поможет лучше понять энергетические проблемы современности.
Продолжение темы – "Гелий всех времен и народов".
Беседовал Константин Сивков
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 16 (779) за 30 апреля 2019 года
