Файл: Губарев В.С. Электрификация опережающая.pdf

На Американской .промышленной выставке в Москве на одном из стендов горела маленькая электрическая лампочка. Она была соединена проволочками с крошеч­ ной батарейкой.

— Это топливный элемент, — объяснил гид, — его мощность два ватта.

Когда же специалисты хотели познакомиться с топ­ ливным элементом поближе и внимательно присмотре­ лись к схеме, то один из них заметил вторую пару про­ водов. Оказалось, что лампочка была включена в... обыч­ ную электрическую сеть.

Американец не смутился и попытался оправдаться:

— О, к сожалению, сейчас элемент не работает, но во время испытаний он действовал исправно, и мы надея­ лись, что в Москве он не откажет...

Это, конечно, курьезный случай. Однако возможность создания миниатюрных топливных элементов, которые питали бы в дальнем походе радиостанцию геологов, обеспечивали совхозные фермы и колхозные тока элек­ троэнергией, когда рядом нет ТЭС и ГЭС, не исключена.

Каков же принцип работы топливного элемента? Батарейкой для карманного фонаря пользовался каж­

дый. Когда она дает ток, в ней протекает химическая ре­ акция— цинк «сгорает». Если электрохимический про­ цесс прекратится, батарейка «садится», и мы ее выбрасы­ ваем. Но если бы мы постоянно пополняли батарейку ис­ ходными веществами, участвующими в процессе, то она могла бы служить как угодно долго. В автомобильных свинцовых аккумуляторах мы так и делаем, и поэтому они не выходят из строя. Однако для того чтобы запра­ вить аккумулятор, необходимо его снять с машины, от­ везти на специальную заправочную станцию. Короче го­ воря, для восполнения его сил нужен внешний источник тока.

44

Принцип работы топливного элемента основан на пос­ тоянной подаче в него веществ, участвующих в электро­ химическом процессе. В качестве горючего можно исполь­ зовать 'природное топливо — уголь, нефть, газ и продукты их переработки.

Инженеры и ученые стремятся создать «несадящуюся» батарейку, чтобы котел тепловой станции, на подо­ прев которого уходит опромнюе количество топлива, заме­ нить своеобразным высокоэффективным гальваниче­ ским элементом.

Однако исследователи столкнулись здесь с целым ря­ дом труднорешимых технических проблем, и поэтому они на некоторое время переключились на работу с газооб­ разным горючим. Это тактика полководца, который гото­ вит наступление: сначала провести детальную разведку тылов врага, а потом уже, зная расположение всех укреп­ лений, стремительно ударить по передовым позициям. Ис­ следования процессов, происходящих в топливных эле­ ментах при газовом горючем, без сомнения, -помогут ре­ шить проблему применения твердого топлива.

Как же работает топливный элемент?

В раствор, проводящий ток, погружаются два электро­ да, к которым подводятся водород и кислород. Образуют­ ся положительные ионы водорода и отрицательные ионы гидроксила, которые, соединяясь, дают воду. Однако, для того чтобы соединиться, ионы водорода должны «пропу­ тешествовать» по раствору от водородного электрода к кислородному. В это время по внешней цепи идет ток.

Это работа так называемого низкотемпературного топливного элемента. Теоретически в такой установке можно почти полностью использовать горючее, однако при техническом решении, как всегда, потери неизбежны. И все же коэффициент полезного действия некоторых схем топливных установок достигает 70 процентов и да­

45

же выше. Основная трудность создания подобных элемен­ тов— подбор электродов, которые обеспечивали бы боль­ шую скорость образования ионов на их поверхности... .

Водород очень дорогое топливо, и поэтому сейчас уче-, ные пытаются заменить его дешевыми горючими, вещест­ вами— летучими углеводородами и другими соединени­ ями, которые получаются в результате переработки твердого топлива.

Есть и другой вид топлив1ных элементов—высокотем­ пературные. Они работают при температурах порядка 1000 градусов. Вместо водного раствора в таком топлив­ ном элементе применяется определенный проводник тока, который может .находиться как в расплавленном, так и в твердом состоянии. Если в водной среде роль носителей тока выполняют ионы, то в высокотемпературном элемен­ тен— атомы или группа атомов.

Здесь основная трудность — подбор электролита, ко­ торый должен обладать совершенно особыми свойствами, плохо сочетающимися друг с другом. Поиски ученых на­ поминают попытки «примирения» двух непримиримых врагов. Создать высокотемпературный элемент несрав­ ненно труднее, чем низкотемпературный, однако возмож­ ности использования в них различных горючих веществ гораздо шире. Вполне вероятно, в будущем удастся по­ лучить топливный элемент, который работал бы непос­

редственно на угле.

Высокая эффективность, бесшумность работы, отно­ сительная простота и «всеядность» топливных элементов делают их незаменимыми для техники будущего. Они, возможно, будут широко применяться для питания аппа­ ратуры космических кораблей, в автомобильном и же­ лезнодорожном транспорте, в авиации, на строительстве, и в сельском хозяйстве. Вероятно, в будущем появятся и мощные электрические станции, сердцем которых ста-

46

бразовывать природу. Голубые ленты каналов отвели во­ ду далеко в сторону, потянулись из земли стройные де­ ревца, поля покрылись белым одеялом хлопка...

Однако гелиопаровые станции — давно пройденный этап для инженеров и ученых, которые проектировали и строили Гелиоград. Ведь еще в тридцатых годах в Турк­ менской OOP начала работать баня, не требующая в летнее время ни грамма топлива. Сейчас в Гелиограде широко используются так называемые солнечные бата­ реи, родные сестры тех маленьких «электростанций», ко­ торые снабжали энергией первые советские космические спутники и лунники.

В лабораториях же Гелиограда изучаются новые виды солнечных батарей — термоионные. Если коэффициент по­ лезного действия кремниевых батарей равен всего десяти процентам, то новых — в три раза больше! Принцип ра­ боты их довольно прост. В_вакуум помещаются две плас­ тинки. Небольшое сферическое зеркало направляет пучок света на одну из них. Из пластинки выбиваются электро­ ны. Своеобразное «электронное облако» с большой ско­ ростью устремляется к другой пластинке. Если подобрать соответствующие материалы, то обе пластинки можно со­ единить проводником, по которому потечет ток.

Но это лишь исследования, а пака в Гелиограде широ­ ко применяются обычные кремниевые батареи...

— Постойте, — остановит нас читатель, — я что-то не слышал о таком городе. Посмотрел для проверки карту, но там тоже Гелиоград не обозначен.

Предупреждаем менее расторопных: действительно, такого города Солнца пока не существует. Подчеркиваем: пока. Но он будет построен! Можно даже указать точное место — пустыня КаранКум.

Гелиоград — город мечты. Правда, мечты осуществи­ мой. Уже сегодня можно начать его строительство, но та­

48

кой город слишком дорого обойдется государству. В бу­ дущем же, когда стоимость чистого кремния снизится в несколько раз, Гелиоград станет реальностью.

Солнце и кремний.,. Почему мы ставим их рядом, ког­ да начинаем разговор об использовании энергии солнеч­ ных лучей?

Солнце ежесекундно выбрасывает в пространство огромное количество энергии. [Нашей планете достается лишь незначительная ее часть—.«всего» около 17 000 мил­ лиардов киловатт. Но эта «капелька» в десять тысяч раз превышает количество электроэнергии, которое выраба­ тывают все электростанции земного шара!

Не удивительно, что ученые на протяжении многих лет пытаются использовать эту поистине неисчерпаемую кла­ довую природы. Однако простых и надежных гелиоуста­ новок получить не удавалось, пока...пока тридцать лет назад замечательный советский физик академик Абрам Федорович Иоффе не предложил использовать в качестве «трансформаторов» солнечных лучей материалы, облада­ ющие .полупроводниковыми свойствами, то есть они не проводят тока и не могут служить изоляторами.

Но «равнодушие» проводников к электрическому току оказалось мнимым. .После долгих исследований и мно­ гочисленных опытов удалось установить, что полупровод­ ники способны преобразовывать тепло в электричество.

Ученые начали внимательно присматриваться к крис­ таллам чистых полупроводников, особенно кремнию. И оказалось, что при обработке кремниевой пластинки с одной стороны фтором такой элемент становится своеоб­ разным аккумулятором. Одна сторона у него под дейст­

динении их проводником цепь замыкается и возникает электродвижущая сила.

(Неведомое распахнуло двери перед человеком. И за его порогом нас ждет поистине целый клад энергии. Ведь достаточно сказать, что площадь в несколько тысяч гек­ таров, покрытая солнечными батареями, будет давать столько же энергии, сколько вырабатывают все существу­ ющие в стране тепло- и гидростанции. Однако не надо обольщаться: в ближайшие тридцать-сорок лет мы не сможем отказаться от строительства обыкновенных стан­ ций. Развитие телиоэнергетики сдерживается целым ря­ дом трудностей, которые надо преодолеть, чтобы «сол­ нечные электростанции» могли соперничать с тепловыми. Самая большая трудность — высокая стоимость чисто­ го кремния. Хотя кремния на земном шаре много, около 25 процентов общей массы планеты, выделение из него числого материала требует очень больших затрат. Ведь малейшая примесь другого минерала или даже запыление кремниевой пластинки полностью лишают кремний его замечательных свойств.

Но Гелиоград, город мечты, с которого мы начинали этот рассказ, будет построен! (Пройдет несколько лет,мы научимся быстро и дешево получать дефицитный мате­ риал в неограниченных количествах.

...Трудно говорить о будущем гелиоэнергетики. Здесь очень легко ошибиться. Развитие науки и техники про­ исходит настолько стремительно, что успеваешь только удивляться. Гелиоэнергетика идет в первых рядах нашей науки, здесь неисчерпаемый кладезь открытий и исследо­ ваний, которые могут дать самые неожиданные результа­ ты. Но неизбежно одно: энергия солнечных лучей будет легко преобразовываться в электричество, и мы станем свидетелями этого!..

Прочное место займут солнечные батареи на борту космических кораблей, которые возьмут курс на Венеру, Марс и другие планеты. Они обеспечат космонавтов

50

необходимым количеством энергии и, вполне возмож­ но, станут сердцем двигателей межпланетных «лайне­ ров».

На чем основана -эта уверенность? Прежде всего на эффективной работе солнечных батарей. Уже сейчас один их квадратный метр дает ток мощностью в сто ватт при КПД всего около 10 процентов. А если повысить его до 40—50 процентов, то есть до величины, возможной по теоретическим расчетам?..

Борьба за повышение коэффициента полезного дей­ ствия солнечных батарей ведется сегодня полным ходом. И не только в лабораториях ученых, но и на строитель­ ных площадках. Сейчас в Средней Азии проектируется солнечная электростанция мощностью в десять тысяч ки­ ловатт. Ее работа поможет инженерам найти наиболее выгодные конструктивные решения подобных станций, которые, несомненно, будут строиться в южных районах страны. Ведь в Программе КПСС предусмотрено, что на­ учно-исследовательские институты должны вести работы по непосредственному преобразованию солнечных лучей в электричество.

Турбина, которая стала заводом

Представим себе, что на берегу реки, например Куба­ ни, собрались металлург, энергетик, химик и строитель. Вытащили они сеть, а в ней огромная щука. Взмолилась она человеческим голосом и попросила бросить ее обрат­ но в воду, а за это пообещала выполнить любую их просьбу.

Отпустили ее инженеры и стали думу думать — что попросить у щуки-волшебницы? Совещаются они, к еди­ ному выводу прийти не могут. Металлург требует, чтобы