(Окончание. Начало см. № 10, 1972,)
Значительная часть человечества сейчас недоедает, и до сих пор на земном шаре есть места, где голод - частый гость. Между тем уже одно улучшение методов обработки, удобрения, и ирригации имеющихся пахотных земель до наиболее высокого современного уровня (не говоря уже о расширении посевных площадей) позволило бы обеспечить высококачественное и полностью достаточное питание не только всему современному населению земного шара, но, по-видимому, и гораздо большему количеству людей. Сейчас урожаи в среднем еще низки.
Однако при достаточно высокой агротехнике, при достаточном количестве влаги и удобрений получают урожаи порядка 15 тонн сухого вещества на 1 гектар. А некоторые культуры, такие, как кукуруза, сахарный тростник, и другие, относящиеся к тропическим травам, могут дать урожай до 40 - 50 тонн сухого вещества на 1 гектар. Если посевы предназначены непосредственно для питания людей (например, зерновые), то из указанных 15 тонн сухого-органического вещества примерно 40%, то есть 6 тонн, может быть непосредственно использовано для пищи людей. Если посевы предназначены для корма скота, то используются почти все 15 тонн. Однако лишь небольшая часть, а именно около 10%, то есть 1,5 тонны, может быть получена от сельскохозяйственных животных в виде мяса, молока, масла, сала, яиц (в расчете на сухой вес).
Оптимальный рацион человека составляет около 1 кг в день сухого веса пищи, причем растительная пища должна составлять примерно 750 г, а животная - 250 г. Для полного питания 3 миллиардов людей при достижении указанных выше урожаев потребовалось бы всего 130 миллионов гектаров под культуры, потребляемые человеком, и 180 миллионов гектаров под культуры для содержания сельскохозяйственных животных, а всего около 300 миллионов гектаров, или 2,2% от площади земной суши (не считая Антарктиды). Эго в 4 - 4,5 раза меньше, чем занято сейчас под сельскохозяйственными угодьями. Если учесть, что в среднем сегодня человек питается значительно хуже, чем по указанной норме, следовательно, средняя урожайность сейчас во много раз ниже возможной. Таким образом, поднятие общей урожайности до высоких, но вполне реальных значений дало бы возможность существующим сельскохозяйственным угодьям прокормить население значительно большее, чем сейчас. Если у нас будут практически неисчерпаемые запасы энергии для организации ирригации, и мелиорации, для отопления парников и теплиц (и дополнительного снабжения их углекислотой), если мы научимся делать дешевые, и прочные пленки из пластмасс для парников, укрытия почв, прокладки для защиты от потери влаги в песчаных почвах, то все это откроет огромные возможности получения еще более высоких урожаев и освоения малопригодных сейчас для сельского хозяйства площадей. Однако я думаю, что основной задачей является не расширение посевных земель, а увеличение урожаев за счет улучшения агрокультуры, обеспечения достаточной влажности почвы, и селекции, что позволит на существующих сельскохозяйственных угодьях обеспечить пищей население в 5 раз большее, чем сейчас на Земле. Если современные темпы роста населения сохранятся, то увеличение человечества в 5 раз произойдет через сто лет. Таким образом, нас будет лимитировать не пища, а энергия, необходимая для развития промышленности, в частности для производства и эксплуатации сельскохозяйственных машин, для производства удобрений, а также коренного улучшения быта людей.
Сравним теперь количество всех горючих ископаемых, добываемых за год (в тоннах), с количеством ежегодно получаемой пищи, и кормов (также в тоннах в сухом виде).
Сейчас мировой урожай составляет примерно 7,5*10^9 тонн, то есть нескольким больше, чем 6*10^9 тонн добываемого ежегодно топлива. Калорийность пиши и кормив в сухом виде составляет около 4*10^6 ккал/т против 7*10^6 ккал/т условного топлива. Отсюда, по калорийности, добываемые в год пища, и корма составляют около 70% от калорийности добываемого в год топлива. Кроме того, надо учесть технические культуры (хлопок, лен и т. д), эксплуатацию лесов, и прочее.
Общая годовая мировая продукция фотосинтеза на суше и в океанах оценивается (конечно, сугубо ориентировочно) в 80 миллиардов тонн, что примерно в 14 раз превышает количество добываемого ежегодно топлива (а в пересчете на калорийность в 7 - 8 раз больше). Конечно, цифры эти надо считать приблизительными, так, как определить фотосинтетическую продукцию океанов, и суши, не связанную с сельскохозяйственной деятельностью человека, довольно непросто. Однако сейчас ясно выявляется, что фотосинтетическая продукция океанов, во всяком случае, не превышает таковой на суше, хотя поверхность океанов в 4 раза больше. Остановимся на продуктивности лесов, где можно сделать более определенную оценку.
Общая площадь, занимаемая лесами, составляет примерно 4*10^9 га = 4*10^7 км2, что равно примерно одной трети земной суши. Величина КПД фотосинтеза у деревьев довольно высока
Так, продукция фотосинтеза для северных лесов составляет 8 тонн на гектар, а для тропических - значительно больше Расчет ведется не только на деловую древесину, но и на сучья, корни, и некондиционные деревья. Будем считать, что в среднем весь этот мировой прирост составляет 10 тонн с гектара. В таком случае все леса дают ежегодно 4*10^10 тонн, то есть 40 миллиардов тонн древесины, что в 7 раз больше, чем добываемое ежегодно топливо по тоннажу, и в 4 раза больше по калорийности.
Само собой разумеется, что сжигать лес, являющийся ценным строительным материалом, сырьем для получения целлюлозы, и многих других органических веществ, нерационально. Однако сжигание только отходов леса уже обеспечит снабжение энергией всего лесного хозяйства. К сожалению, подавляющая часть прироста древесины вовсе не используется, а гниет из-за отсутствия правильной эксплуатации, вывоза леса из северных и тропических районов. Наладить уход за лесами, и их эксплуатацию является необходимым мероприятием ближайшего будущего.
На первый взгляд приведенные цифры возможного использования фотосинтеза растений кажутся довольно большими. Однако при сравнении их с энергией солнечного излучения, падающего на сушу Земли, они оказываются ничтожными. Так, определяя КПД перехода солнечной энергии в химическую энергию пищи и кормов при указанных ранее высоких урожаях (15 тонн сухого вещества с гектара), мы убеждаемся, что этот КПД составит всего 1,5%, а при современных средних урожаях - еще раз в 5 меньше
Такое низкое значение КПД объясняется в первую очередь тем, что в ранних периодах вегетации, когда растения малы, листья покрывают лишь малую часть пашни, и солнечная энергия в большей своей части падает на землю, а не на растения. Наоборот, при полном развитии растений одни листья затеняют другие и в основном работают лишь верхние листья. Это мешает физиологическим функциям растений, а также понижает КПД фотосинтеза, и вот почему при малой освещенности КПД -фотосинтеза составляет 10%, но падает с увеличением интенсивности. При больших интенсивностях облучения выход вещества вообще перестает зависеть от интенсивности света, и скорость фотохимического процесса будет лимитироваться активностью ферментов, скоростью диффузии исходных веществ в растения, и др.
Учитывая такое своеобразие КПД фотосинтеза, было бы очень выгодно создать условия равномерного распределения солнечной энергии по всем листьям растений с таким расчетом, чтобы, увеличивая поверхность листьев, работать с уменьшенной интенсивностью света, а значит, с большим КПД. По-видимому, подобные условия осуществляются на кукурузных полях в течение 2 - 3 недель перед уборкой и на плантациях сахарного тростника для растений второго года. Своеобразие этих культур, как, и многих других тропических трав, заключается в том, что их длинные листья расположены под малым утлом к стволу. Это позволяет, особенно в южных районах, солнечным лучам проникать глубоко в толщу посева. При этом отраженный от листьев и проходящий сквозь них свет создает в толще всего посева равномерное, хотя, и малоинтенсивное освещение. Такие условия обеспечивают получение высокого КПД фотосинтеза, гораздо большего, чем при непосредственном падении солнечных лучей на плотный верхний слой листьев. В указанных стадиях развития при хороших агротехнических условиях КПД для названных растений составляет 7% от всей падающей солнечной энергии.
Рассматриваемый нами эффективный КПД фотосинтеза зависит от разнообразных условий (формы и расположения листьев, ухода за посевами, и пр.), а не только от самого аппарата фотосинтеза.
Оказалось, что соответствующие значения начального КПД и характер кривых не точно одинаковы для разных растений. Но в общем они распадаются на две группы. К одной относятся все растения средней полосы, а к другой - растения, относящиеся к так называемым тропическим травам. Для первых КПД при малых интенсивностях составляет в среднем 8%, а для вторых - 12%, что соответствует «биологическому». КПД 16, и 24%. Это обстоятельство также является одной из причин повышенной урожайности кукурузы, сахарного тростника и им подобных растений.
Итак, солнечная энергия в соединении с агрокультурными мероприятиями, и селекцией способна обеспечить человечество питанием на сто - двести лет вперед даже при большом увеличении населения.
Поставим теперь вопрос, не сможем ли мы за счет энергии Солнца добывать в достаточном количестве и электроэнергию для нужд промышленности, и быта, учитывая постепенное уменьшение запасов горючих ископаемых, накопленных в течение многих миллионов лет за счет той же солнечной энергии. А быть может, удастся получать органические вещества чисто химическим путем, за счет солнечной энергии вне растений?
При космических полетах и особенно при исследовании поверхности Луны (а впоследствии, и Марса) применяются полупроводниковые солнечные батареи, которые работают с КПД, превышающим 10%. Нет сомнений, что в будущем ученым удастся повысить КПД преобразования солнечной энергии в электрическую, скажем, до 20%. Кстати, в этих батареях КПД не уменьшается при увеличении интенсивности солнечной энергии в противоположность тому, что имеет место при фотосинтезе в растениях.
В принципе при дальнейшем удешевлении полупроводниковых материалов не исключена возможность использования подобных батарей и на поверхности Земли, покрывая ими большие пространства суши. Суточные, месячные, и годовые изменения интенсивности излучения, а значит, и электрического тока от батарей можно было бы выровнять с помощью аккумулирования электрической энергии батарей в виде продуктов электролиза. При этом можно было бы выбрать такой электролиз, продукты которого давали бы возможность переводить их химическую энергию в электрическую с КПД около 100% в топливных или обычных электрических элементах. От этих элементов мы могли бы получать ток уже постоянной мощности.
Сами фотоэлементы должны быть распределены на больших площадях. Они могут быть надежно укрыты в соответствующих пластмассовых кассетах. Уход за такими «энергетическими полями», вероятно, не был бы более трудоемким, чем уход за сельскохозяйственными полями.
Однако я думаю, что такое решение использования солнечной энергии не будет оптимальным. Уж очень много ценного полупроводникового материала для этого потребуется. Есть, правда, возможность получать некоторые органические полупроводниковые материалы, которые были бы значительно более дешевыми. К сожалению, эта область мало изучена, и пока КПД соответствующих батарей еще очень мал (около 2%). Однако нельзя исключать возможность повышения КПД в дальнейшем и для этих материалов.
И все-таки думается, что решение вопроса следует искать другими путями.
Мне придется начать издалека. Примерно 150 лет назад немецкий химик Велер осуществил синтез мочевины, и это было началом революции в химии. До Велера химики полагали, что органические вещества могут быть получены лишь в живых организмах под действием, какой-то мистической жизненной силы. Такой взгляд препятствовал развитию органической химии. Велер разбил этот предрассудок, и спустя сравнительно короткое время начался бурный рост органического синтеза. Органическая химия сделалась одной из самых развитых наук, породившей в конце прошлого, и в настоящем веке огромную промышленность.
Одновременно органическая химия начала все более содействовать развитию биологической науки, и современная революция в биологии в значительной степени была вызвана химическими исследованиями, прежде всего химией природных соединений. Таким образом, создалась молекулярная биология, и биоорганическая химия.
При развитии этих новых наук выяснилось, что химические реакции в живом организме происходят совсем иначе, чем в наших лабораториях и химических заводах. Таким образом, Велер был лишь частично прав. Мы можем синтезировать в лабораториях любые органические вещества вплоть до белков, и даже начинаем синтезировать нуклеиновые кислоты, являющиеся самой основой жизни, но механизм и сами принципы синтеза в организмах иные, чем в лабораториях. В растениях, и особенно у животных сложные синтезы идут в течение минуты, а в лабораториях^ нередко требуют месяцев работы.
И мы стоим опять перед началом революции уже в химии, индуцированной теперь биологией. В то время, как наша химическая индустрия использует высокие температуры, и давления, организм способен проводить те же реакции при обычных температурах, и давлениях.
Первичным источником энергии у зеленых растений является солнечное излучение, у животных - энергия окисления пищевых продуктов, которая используется для проведения реакции в организмах и для работы мышц Эта энергия запасается в виде химической энергии в молекулах аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). При использовании энергии организмом аденазинтрифосфорная кислота переходит в аденазиндифосфорную кислоту (АДФ), которая затем под действием солнечной энергии снова заряжается, и переходит вновь в молекулу АТФ
Растения питаются в первую очередь углекислотой и водой, животные - растительной, и животной пищей. И в тех, и в других случаях используются катализаторы удивительной специфичности, так называемые ферменты, представляющие собой огромные белковые молекулы с маленькими активными группами. В очень многих случаях такие активные центры содержат ионы металлов' переменной валентности.
Я не могу здесь вдаваться в подробности механизма химических реакций не только в организме в целом, но, и в каждой его клетке. Клетка представляет собой миниатюрный химико-энергетический завод со специальными цехами зарядки АДФ, распределения веществ по отдельным зонам, транспорта аминокислот, сборки белков. Управление этой сборкой осуществляется специальной «управляющей машиной». Заготовка деталей и сборка молекул белков по своей точности превосходят сборку самолетов из деталей. Природа устроила этот миниатюрный завод в таком совершенстве, к которому мы в наших заводах еще только стремимся. Поэтому на первый взгляд кажется, что использовать такой сложный механизм в обычной химии нереально.
Но вот тут-то мы, по-видимому, ошибаемся. Дело в том, что в живом организме все взаимосвязано. Каждый элемент устройства, даже в отдельной клетке, должен обеспечивать эту взаимосвязь функций всей клетки, и даже организма в целом. Если же мы хотим вне организма осуществить, какую-либо одну функцию, например, получать определенное вещество, которое синтезируется в организме, то задача может снова упроститься. Не копируя природу, но используя некоторые ее принципы, мы сможем со временем в гораздо более простом виде осуществить любой химический процесс, который идет в организме. Если эта возможность реально подтвердится, то химическая технология во многом претерпит подлинную революцию.
Я позволю себе проиллюстрировать этот вывод на примере фиксации азота воздуха вне организма в условиях обычных температур и давлений. Дело идет о получении аммиака, и его производных из азота воздуха и воды. Эта работа была осуществлена советскими учеными Вольпиным и Шиловым за последние несколько лет.
До их работ такого рода синтез был известен лишь в клубеньках бобовых растений и у некоторых свободно живущих микробов, что давно, и широко использовались в агрохимии для повышения связанного азота в почвах. Биологи и биохимики выяснили, что процесс фиксации азота идет с помощью специальных бактерий, живущих в почве или в клубеньках разного рода бобовых растений. Такая способность обусловлена наличием у этих организмов специальных ферментов, осуществляющих указанную реакцию. Эти ферменты (как, и другие) представляют собой огромную белковую молекулу с небольшими активными группами, содержащими в микроколичествах ионы молибдена или ванадия. Было отмечено также, что фиксация азота в растениях протекает в присутствии хлористого магния. Биохимиками был сделан ряд попыток раскрыть механизм действия этих ферментов.
Советские авторы, как уже было указано, осуществили этот процесс вне организма, и притом скорость реакции оказалась близкой к природной. Вместо ферментов они использовали комплексные соединения разных ионов переменной валентности.
В 1964 году Вольпин в неводных растворах комплексов, аналогичных катализаторам Натта-Циглера, впервые восстановил азот до нитрида. В 1966 году Шилов показал, что ионы металлов переменной валентности образуют с азотом воздуха при низких температурах прочные комплексы, причем обычно инертный газ азот в этих условиях оказался очень активным, способным вытеснять воду, и аммиак из комплексов этих металлов.
Интересно, что эти комплексы металлов переменной валентности с азотом оказались очень устойчивыми. Для некоторых металлов они разлагаются лишь при температуре около 200°.
Из водных растворов солей ванадия в избытке солей магния при добавлении щелочи Шилов получил обычным методом рыхлый, хлопьевидный, аморфный осадок гидроокиси ванадия V(OH)2, содержащий ионы магния, и молекулы воды в качестве лигандов (молекул, и ионов, связанных с центральным ионом в комплексном соединении). При насыщении раствора азотом воздуха этот осадок оказался мощным катализатором образования гидразина H2NNH2, а при изменении некоторых условий - непосредственно аммиака. Скорость реакции оказалась настолько быстрой, что для измерения константы скорости необходимо было работать вблизи точки замерзания воды. Во всяком случае, эта скорость была не меньше, чем скорость фиксации азота в азотобактерах.
Следует отметить, что реакция получения гидразина из молекулярного азота, и воды сильно эндотермична; она требует затраты более 120 ккал на грамм-моль гидразина. Откуда же восполняется такой большой дефицит энергии? Оказывается, что источником этой энергии является переход ванадия из двухвалентного в трехвалентное состояние - из V(ОН)2 в V(ОН)3.
В самом деле, для получения одной молекулы гидразина четыре атома ванадия переходят в трехвалентное состояние, и таким образом на каждый акт реакции выделяется энергии несколько больше, чем это необходимо для образования гидразина из азота, и воды. Удивительным оказалось то, что энергия активации реакции в целом очень мала - порядка 10 больших калорий на грамм-моль, что, и являлось причиной больших скоростей реакции при температурах, даже близких к нулю.
Специальными опытами с помощью инфракрасного спектрометра Шилову удалось установить строение первичных комплексов переходных металлов с азотом в неводных растворах. Для случая ванадия это, по-видимому,
Иначе говоря, в присутствии двух ионов ванадия ни первая, ни вторая связи в азоте не рвутся, но ослабляются, зато устанавливается достаточно сильное взаимодействие между каждым атомом ванадия, и атомом азота. После этого наступает стадия, по-видимому, одновременного протекания реакций, которые суммарно могут быть записаны в виде:
На опыте оказалось, что на каждую образовавшуюся молекулу гидразина расходуется четыре молекулы V(OH)2, переходящие в V(OH)3.
Механизм реакции получения гидразина еще не вполне выяснен. Скорее всего, ионы магния, и ионы ванадия образуют сложный каталитический комплекс, содержащий молекулы воды в качестве лигандов этого сложного комплексного соединения. Мы уже говорили, что молекулярный азот способен вытеснять воду из комплексных соединений металлов переменной валентности. Очевидно, и в данном случае на место одной или двух молекул воды встает молекула азота, внедряясь таким образом в сферу комплексного соединения ванадия. Как всегда, в такого рода комплексах, все составляющие их молекулы лежат очень тесно друг к другу. При этом все валентные электроны различных молекул, входящих в сферу комплексного поля, достаточно обобщены. Поэтому достаточно небольшого «теплового» толчка (измеряемого в данном случае калориями на моль), чтобы возникала одновременно цепь реакции, которая, и приведет к указанному выше процессу образования гидразина.
Такой процесс, по-видимому, будет имитировать процесс в живом организме (азотобактеры). Но насколько же он будет проще! Уже на сегодняшнем этапе видно, что такую невероятно сложную реакцию можно проводить просто, и легко. Здесь уже не требуется сложных ферментов, они заменены активной группой ферментов - ионами ванадия. Это подтверждает высказанный ранее тезис, что сложность биологических процессов связана с многофункциональными задачами ферментов в живом взаимосвязанном организме. Когда же мы переходим к реакции вне организма, от катализатора требуется лишь одна функция - проводить реакцию, а для этого оказывается достаточно иметь лишь активные центры фермента2. Сейчас это проверяется на разных других удивительных реакциях, осуществляющихся в организмах.
Но попробуем разобраться, есть ли в реакции фиксации азота промышленная перспектива.
Сам по себе гидразин представляет собой ценное топливо. Имея гидразин, можно получать всю гамму азотсодержащих органических соединений. Следует отмстить также, что гидразин очень легко превращается в аммиак. Однако такому процессу получения аммиака очень трудно конкурировать с современным, прекрасно разработанным обычным методом производства аммиачных солей из азота, и водорода. Реакция протекает при высоких температуре и давлении под действием гетерогенных катализаторов. Но, с другой стороны, надо иметь в виду, что этот процесс, предложенный, и осуществленный в 1914 году Габером и Бошем, потому-то, и возник, что не было катализаторов, способных обеспечить протекание реакции фиксации азота воздуха при достаточно низких температурах. Чем выше температура, тем меньше термодинамический выход аммиака. А при низких температурах термодинамический выход практически составляет 100%. Чтобы при высоких температурах (когда катализатор может работать) повысить выход, потребовалось применение высоких давлений. Итак, можно ли на основе открытых теперь катализаторов, работающих при комнатной температуре, построить конкурентоспособный процесс получения аммиака? Пока это невозможно, поскольку гидроокись ванадия в этом процессе, в сущности, не является катализатором. ~ Действительно, переходя из двухвалентного в грехвалентное состояние и тем самым отдав свою избыточную химическую энергию на образование гидразина, ионы ванадия перестают работать. Необходимо поэтому извлечь гидразин из раствора, а затем за счет энергии электрического тока перевести обратно трехвалентные ионы ванадия в двухвалентные. Помимо сложностей этого процесса, здесь требуется значительный расход электроэнергии. Решение проблемы сводится к тому, чтобы производить процесс перезарядки ионов без затраты электроэнергии, в ходе самого процесса получения гидразина. Нужно пытаться провести процесс по аналогии с растениями, и животными организмами, либо за счет солнечной энергии, либо за счет окисления кислородом воздуха, каких-либо дешевых органических веществ. Соответствующие работы только начаты. Если это приведет к нужным результатам, то новый процесс может оказаться наиболее выгодным. Мало того, если это удастся сделать с помощью солнечной энергии, то проблема искусственного фотосинтеза также будет решена.
Действительно, световая стадия фотосинтеза в конечном счете определяется реакцией Н2О + СО2 -> О2 + СН2О. Это типично окислительно-восстановительная реакция, так же, как, и реакция фиксации азота, и она требует приблизительно такой же затраты энергии. Принципиально реакция могла бы идти при участии подобных же комплексных соединений.
Итак, допустим, что на этом пути удастся разрешить проблему фотосинтеза вне организма, и получить хороший КПД. Допустим, далее, что мы сумеем поднять КПД использования солнечной энергии до 20%, то есть сделать его примерно вдвое большим, чем максимальный «биологический». КПД фотосинтеза в растениях. (Конечно, это лишь предположение, не имеющее пока экспериментальных подтверждений.) Большие пластмассовые кассеты, содержащие водный раствор исходных веществ, будут располагаться на огромных пространствах энергетических полей. Под действием солнечной энергии в кассетах будут образовываться богатые химической энергией продукты реакции. Эти растворы будут медленно циркулировать, попадая на соответствующие подстанции, где будут извлекаться богатые энергией конечные продукты, и добавляться исходные. Таким путем будет осуществляться непрерывный сбор энергетического урожая Эго, конечно, лишь схема, вероятно, далекая от реального осуществления. Для размещения энергетических полей следует использовать пустынные, и полупустынные местности с большой солнечной радиацией, непригодные для сельского хозяйства. Общая площадь этих энергетических полей, как мы себе представляем, должна составлять Ю9 гектаров, то есть примерно вдвое меньше, чем занято под сельскохозяйственными полями, и лугами сейчас. Для примера можно взять карту с изображением контуров Европы. Африки, Аравийского полуострова, и небольшой части Восточной Азии, где проживает примерно четвертая часть человечества. В этом районе для энергетических полей потребуется также четвертая часть от 109 гектаров, то есть 2,510 8 гектаров (изображена квадратом на карте). Количество пустынь, и полупустынь в этом районе значительно больше, чем указанная площадь.
Население Северной, и Южной Америки составляет около 1/4 от общего числа людей. Здесь также имеются пустыни, и полупустыни. Сложнее будет обстоять дело в основной части Азии, и архипелагах, расположенных между Азией, и Австралией, где живет более / всего человечества, и где есть только пустыня Гоби, и пустынная местность северной, и центральной части Австралии. Итак, как показано выше, площадь всех энергетических полей равна 10^9 гектаров, энергетическая урожайность с гектара - 3,4*10^9 ккал в год. Общая энергетическая урожайность в мире составит 3,4-10^9 ккал/га X 10^9 га = 3.4*10^18 ккал в год в виде богатого химической энергией продукта. Как мы знаем, при сжигании всех добываемых в год горючих ископаемых получается 5,6*10^16 ккал. Таким образом, использование солнечной радиации позволило бы увеличить энергетические ресурсы человечества в
Использование солнечной энергии, как, впрочем, и термоядерной, требует прежде, всего активного научного исследования. Между тем над осуществлением управляемой термоядерной реакции D + D трудится огромное число ученых у нас, и за рубежом, а над научными основами проблем использования солнечной энергии целеустремленных работ практически не ведется.
Несколько пугает огромная площадь энергетических полей, необходимых для собирания рассеянной солнечной энергии. Однако использование солнечной энергии для целей синтеза пищи, то есть в сельском хозяйстве, требует также огромных площадей, больших капиталовложений, и расхода труда, и средств на их эксплуатацию, причем тем больших, чем выше мы хотим получить урожай.
Использование солнечной энергии не вызовет перегрева Земли, а значит, каких-либо изменений климата, не несет никаких опасностей отравления земли, и воздуха вредными веществами. Оно является вечным источником энергии.
Итак, мы рассмотрели возможности использования солнечной энергии путем фотосинтеза в специально подобранных химических системах вне организма. По нельзя окончательно исключить, и чисто тепловой путь использования солнечной радиации. Лет 30 - 40 тому назад многие ученые, и инженеры увлекались проектированием, и даже созданием такого рода солнечных машин, в общем неплохо работающих.
Однако уже тогда было ясно, что массового значения эти установки не будут иметь. Между тем само существование парникового эффекта позволяет поставить вопрос. не удастся ли найти такие вещества, которые предохраняли бы «парники» от потерь тепла в землю, и от потерь теплового излучения в атмосферу с таким расчетом, чтобы в «парниках» создалась температура в несколько сот градусов (хотя бы для районов, примыкающих к экватору).
Интересно, что в конце своей жизни Жолио-Кюри, один из главных создателей научных основ использования атомной энергии, выдвигал на первый план использование солнечной энергии.
Уже в настоящее время следовало бы организовать мировое сотрудничество ученых по разработке научных основ использования солнечной энергии путем искусственного фотосинтеза вне организма. Работы эти крайне важны, так, как если здесь откроются, какие-либо практические перспективы, то их осуществление может привести к очень важным результатам, как в смысле энергетики, так, и в смысле возможности синтеза искусственной пищи, и кормов.
Солнечная энергия не только постоянна, но, и огромна. Солнце является наиболее мощным источником энергии для Земли. Кроме того, использование солнечной радиации таит в себе возможность контроля изменения климата за счет охлаждения чрезмерно жарких областей, и утепления более холодных. Конечно, все эти возможности будут тесно связаны с перспективами, которые откроют научные исследования конца нашего, и начала XXI века.
Я думаю, что по всем направлениям поиска новых грандиозных источников энергии (атомные котлы-размножители, термоядерные реакции, солнечная энергия, а может быть, энергия подземного тепла) надо вести целеустремленные исследования.
Но представим себе, что термоядерная реакция D + D будет осуществима. Как предел ее использования мы получаем цифру, в 700 раз превышающую энергию ископаемых топлив, получаемую сейчас в год. При этом мы будем обладать энергией, более чем в десять раз большей, чем энергия, которую мы сможем получить при указан-1 пых условиях от использования солнечной энергии, собираемой с огромных полей. Понадобятся ли в этом случае энергетические солнечные поля?
Вспомним, что использование термоядерной энергии реакции D + D станет технически возможным, быть может, через 100 лет, а построение множества таких реакторов потребует ещё лет пятьдесят. За это время человечество успеет сильно истощить запасы горючих ископаемых, и таким образом лишить будущие поколения удобного сырья для органического синтеза, и для авиационного топлива. Вот где лежит одна из самых основных проблем будущего, которую смогут решить солнечные энергетические поля.
Но для этого надо решить очень трудную научную задачу - найти пути проведения реакции фотосинтеза, то есть получения органических соединений на базе СО2, и воды под действием солнечной энергии вне организма. Безграничные запасы СО2 содержатся в виде карбонатов. И если нам удастся решить указанную проблему, мы сможем всегда получать ежегодно количество органических продуктов в 60 раз больше, чем мы добываем сейчас подземных ископаемых. Вот главная цель решения проблемы использования солнечной энергии.
Это навсегда избавит человечество от опасности исчерпания запасов горючих ископаемых для целей органического синтеза. Кроме того, получаемые с энергетических полей органические вещества, и переработанные либо с помощью уже сейчас разрабатываемых микробиологических методов, либо путем химического синтеза могут стать основой корма для скота. Если сейчас эти процессы еще не имеют существенной перспективы, так, как в настоящее время мы более ограничены запасами нефти, чем пищи, то в будущем они, наоборот, могут стать основными. Следует иметь в виду, что при принятом КПД в 20% для преобразования солнечной энергии в химическую урожайность энергетических полей будет более чем в 10 раз превышать лучшие возможные урожаи сельскохозяйственных полей (15 тонн сухого вещества с гектара).
При хорошем КПД превращения органических веществ микробиологической, и химической промышленностью удастся получать кормов с гектара в 40 раз больше, чем в настоящее время.
Огромное изобилие электроэнергии создаст основу для неограниченного получения любых металлов. Дело в том, что чем менее богаты металлом руды, тем больше энергии необходимо затратить на их добычу, и обогащение. Богатые месторождения будут довольно быстро исчерпаны (подобно залежам горючих ископаемых). Поэтому с течением времени придется использовать все более бедные руды, и здесь не обойтись без значительной затраты энергии. Научившись обогащать бедные, обычно полиметаллические руды, мы сможем получать широкий ассортимент металлов, так, как в рассеянном виде все они имеются в большом количестве в земной коре, в расплавленной магме под земной корой да, и в океане.
Современные научные исследования показали, что мы находимся на грани технико-экономической возможности извлечения золота, и особенно урана из морской воды, хотя эти металлы находятся там в ничтожных концентрациях. Такая возможность открылась в результате развития, и применения методов сорбции, в частности с использованием ионообменных смол, а также различных типов экстрагентов.
Уже сейчас начинает развиваться гидрометаллургия, основанная на растворении ценных компонентов пород в активных химических средах, и последующем извлечении нужных элементов методами сорбции, и экстракции. Гидрометаллургия близка к соревнованию с пирометаллургией - огневой («горячей») металлургией.
Не исключена возможность, что в будущем при наличии большого количества дешевой энергии эта «холодная» металлургия в, какой-то степени вытеснит «горячую». А во многих случаях соревнование перейдет в содружество.
Огромное распространение получит применение электролиза, электротермии, плазмохимии. Не менее серьезные изменения произойдут в области обработки металлов, где электрохимические, искровые, и лазерные методы станут основными. И вообще огромные электроресурсы дадут основу для коренного изменения технологии в химической, и металлургической, да, и машиностроительной промышленности, и в промышленности стройматериалов.
Сейчас глубокая очистка вещества, будь то жаропрочные, или жаростойкие, или полупроводниковые материалы, будь то мономеры для получения разного рода полимерных материалов, стоит очень дорого. При неограниченном количестве дешевой энергии все процессы очистки будут осуществляться в гораздо более массовом масштабе.
Огромное распространение приобретет каменное литье для строительства жилищ, и дорог. При этом любой грунт на месте строительства можно будет превращать в литой материал. Много электроэнергии потребуется для полной электрификации сельского хозяйства с переводом на электроэнергию всех тракторов, и самоходных сельскохозяйственных машин с широчайшим развитием электрифицированных оранжерейных, и парниковых хозяйств, а также для электрифицирования ферм, и для всех других нужд сельского хозяйства.
Мы уже упоминали о больших возможностях методов сорбции, и экстракции. Эти, и подобные методы со временем будут широко применены для очистки промышленных сточных вод, что позволит создать на заводах циркуляционные замкнутые системы водопользования, сократить забор воды в сотни раз, и практически совсем исключить вредные выбросы в реки, и озера. Это единственный путь к прекращению наконец повсеместного отравления вод промышленными предприятиями. Заводы выбрасывают вредные вещества, и в атмосферу. При избытке электроэнергии, и здесь удастся навести порядок. Для очистки от вредных аэрозолей можно будет создать широчайшую сеть усовершенствованных электрофильтров, и нового типа фильтрующих материалов. Что же касается более сложной задачи - избавления от вредных химических газов, таких, как сернистый газ, окислы азота, выбросы заводов органического синтеза, то это потребует разработки новых методов, которым также будет нужно большое количество электроэнергии. Однако все очистные сооружения дадут одновременно, и экономию за счет более полного использования сырья. Сейчас, например, в воздух выпускается столько сернистого газа, что при его использовании можно было бы увеличить в несколько раз производство серной кислоты. Мы должны приложить все усилия, чтобы в будущем воздух, и вода нашей планеты были чистыми, и совершенно безвредными.
Одна из самых важных проблем, стоящих перед человечеством, - восполнение недостатка пресной воды. Прогрессивный рост дефицита воды лет через пятьдесят поставит человечество перед катастрофой водного голода. Решением этой задачи, конечно, занимаются, и сейчас, создавая новые водохранилища, разрабатывая проекты использования вод северных рек для засушливых южных районов. Сюда относится, и перевод технологии промышленных предприятий на полностью замкнутые циклы. То же следует сделать для фекальных вод. Уже сейчас на базе энергии атомных котлов, и других источников электроэнергии в отдельных местах мира и, в частности, в СССР создаются установки по опреснению морской воды.
В будущем, когда в нашем распоряжении окажется в десятки раз больше энергии, чем сейчас, опреснение воды, видимо, примет широкие масштабы, во всяком случае, достаточные для обводнения довольно больших засушливых территорий, примыкающих к берегам морей, и океанов (например, таких, как западные районы Северной, и Южной Америки, севера Австралии, севера Африки, и южных районов Советского Союза, примыкающих к берегам Черного, и Каспийского морей). Когда человечество будет обладать запасом энергии, в сотни раз превышающим современный уровень, то опреснение океанских вод примет широчайшие масштабы, на, что пойдет значительная доля добываемой энергии.
Из этого краткого, далеко не полного перечня потребностей видно, что лет через сто при увеличении населения земного шара в 5 раз необходимо по крайней мере в 20 - 40 раз увеличить производство энергии против настоящего уровня, что, по-видимому, будет реально возможно. Это потребует, конечно, больших коллективных усилий народов всех стран.
Все люди должны знать, и понимать, что только от них зависит создание полностью обеспеченного существования для себя, и потомков.
Примечания к первой части статьи (№ 10, 1972)
1. В четвертой строке сверху левого столбца стр. 20 должно быть «ускоритель на 0,5 - 1 Бэв»
2. В последнем абзаце (слева) на стр. 20 к фразе о достоинствах метода котлов-размножителей следует добавить «если не считать малых количеств криптона, от которых при расширении производства необходима тщательная очистка»
3. В середине первого абзаца слева на стр. 21 фразу «к - константа скорости реакции при данной температуре» следует пояснить 100 млн. градусов для реакции Т + D, и почти на порядок выше для реакции D + D,
