Енергетична проблема та шляхи її вирішення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергетична проблема та шляхи її вирішення

Гетьман В.І.

В статті викладено погляд її автора на способи вирішення однієї з найголовніших проблем людства - енергетичної, наголошено на необхідності створення глобальної енергетичної економіки.

Серед низки найважливіших екологічних проблем людства (стосовно його виживання в найближчій перспективі) особливо чільне місце посідає енергетична. Як ресурсна (забезпеченість енергією) вона буде третьою після демографічної і продовольчої (чверть населення світу - напівголодне).

Виходячи з закону (афоризму) екології як міждисциплінарної науки, американського еколога Баррі Коммонера [5] - “Все зв'язане із всім”, цілком зрозуміла зумовленість енергетичної проблеми виснаженням, або дефіцитом (більше споживаємо, ніж видобуваємо) енергетичних ресурсів на перенаселеній Землі. За оцінками експертів, запаси нафти (враховуючи і не розвідані) будуть вичерпані протягом 30-40 років, а то й до 2025 р. (за досить надійними експертними даними вони оцінені в межах 216-336 млрд. т.); вугілля вистачить приблизно на - 100-200 років і т. д. [2, 10]. І навіть, якщо вчені помиляються, то не набагато. Екологам відомий закон - “На всіх не вистачить!”

Інший бік енергетичної проблеми - споживання енергії сучасним людством. Так, видобуток природного газу зростає щорічно на 6,57%, нафти (з 1857 р., коли розпочали її промислове використання) кожні 10 років в середньому на 6,95% [10]. Тобто нині використання людством енергії зростає за експоненціальним законом. Інакше кажучи, за кожне десятиріччя майже подвоюється.

Причини зрозумілі. Перша - (як зазначено вище) демографічний вибух. Населення земної кулі вже перейшло рубікон у 7 млрд. чол. До 2030-2040 рр. при збереженні річного приросту 2-3% (щороку народжується 80-120 млн., щосекунди - п'ятеро дітей) воно сягне відмітки вдвічі більшої - 14 млрд. осіб [10]. Друга - бажання людей поліпшити сервіс, зробити комфортнішими умови свого життя. І перша й друга причини - природні, бо людина в основі є біологічним видом.

Виходить, ситуація вже надто серйозна, а то й критична. Недарма ще наприкінці 60 - х років минулого століття вчені “Римського клубу” (американці Д. Форрестер, Д. Медоуз, загалом їх було 30 з 10 країн світу) прогнозували у своїх песимістичних проектах (“Світова динаміка”, “Межі зростання”, загалом 12 варіантів прогнозу), що людство до 2100 року чекають надзвичайно складні випробування і труднощі виживання [4].

Виснаження запасів викопного палива у досить близькому майбутньому призведе до таких драматичних потрясінь, що навіть важко собі уявити (зникне світова економіка). В історії людства відомі випадки загибелі цілих цивілізацій при втраті ними засобів до існуванні і контролю над навколишнім природним середовищем. Так, на о.Пасхі у Тихому океані про колишніх мешканців нагадують лише величезні кам'яні велетні - “статуї”. У межиріччі Тигру і Євфрату (Месопотамія) зникла древня цивілізація шумерів через недосконалість іригаційних систем, що призвело до засолення грунтів і зменшення урожаїв [1, 11]. Тобто, екологічна проблема з часом переростає в економічну (чи навпаки), а та й у політичну. Західна Європа на 2/3 залежить від імпорту енергетичної сировини. Нинішня політична ситуація на Євразійському континенті, включаючи і військовий конфлікт на сході України, пов'язана з ресурсною (енергетичною) і, відповідно, екологічною проблемами. Адже йде боротьба за виживання, “місце під сонцем”. За голі, безплідні землі ніхто воювати (у любій формі - фінансовій, політичній) не буде.

Відтак теперішні газо - нафтові суперечки і намагання монополізувати вплив на нові джерела сировини з часом можуть перерости (і вже стали де-факто) із політичних у військові конфлікти локального (Кувейт, 1991 р.; Ірак, 2005 р.; Україна,2014) і світового масштабу.

Мета статті - показати актуальність пошуку нових видів енергії для забезпечення постійно зростаючих потреб людства в енергетичній складовій його життєдіяльності, намітити основні орієнтири сучасного вирішення енергетичної проблеми.

Результати дослідження, їх обговорення

Повернемося детальніше до основних напрямків вирішення енергетичної проблеми. Насамперед розглянемо два поняття: енергія та енергетичний ресурс. Перше - що розуміють під енергією? Не станемо вдаватися в дискусію, бо це поняття (існує тільки з середини ХХ ст.) як багато інших у науковому світі (“вартість” в економіці, “квант” у фізиці, “ландшафт” у географії) і досі не має точного визначення. Навіть Ісаак Ньютон не дав йому визначення. Він застосовував подібне - сила. Ми зараз тлумачимо це поняття як здатність виконувати роботу. Для окремої людини, енергія - це її працездатність.

Друге - що таке енергетичний ресурс, власне ресурс, і які бувають джерела енергії? Слово “ресурс” французького походження (ressource) і означає - засоби, можливості, запаси. Джерела енергії поділяють на дві групи: відтворювані та не відтворювані.

До першої групи належать енергія сонця, вітру, рік, морських припливів, геотермальна (внутрішнє тепло Землі) тощо. У майбутньому вони можуть стати серйозними джерелами світової енергетики. Навіть вже зараз, як приклад, завдяки гарячим гейзерам ісландці за Полярним колом вирощують у теплицях банани та обігрівають житлові будинки своєї столиці Рейк'явік.

До другої групи належать традиційні джерела енергії (органічні види палива - вугілля, нафта, горючий газ), законсервовані в земній корі мільйони років тому в результаті еволюційних геологічних процесів (пов'язаних з накопиченням осадових відкладів). До цієї групи також відносять ядерне паливо (уран, торій).

Не будемо детально розбирати кожний з перелічених видів енергії. Проте - декілька слів про тих, що у першій групі. Їх ще називають нетрадиційними, альтернативними. Хоча поки що ніякої альтернативи традиційним з другої групи вони не створюють. Чому? - Надто малий коефіцієнт корисної дії від використання, низька енергоефективність. Візьмемо, наприклад, сонячну енергію. Якщо використовувати 35 % тієї, що доходить до земної (денної) поверхні, ми забезпечили б собі безтурботне життя на безкінченне число років. Але при сьогоднішніх технологіях довелося б через сто років 10 % земної поверхні покрити сонячними генераторами. Вилучаються фантастично великі ділянки території. Та й ККД сонячних батарей усього 6 - 18 %.

Низька ефективність і вітрових установок. Виробництво та встановлення одного вітряного генератора коштує 3 млн. доларів! Щоправда, є ще одна, як на сьогодні, модна енергетична “прерогатива”. - Це бережливе використання енергетичних ресурсів (корисних копалин) та економія електроенергії.

Йдеться про створення глобальної енергозберігаючої економіки [2]. Давайте зменшимо (з 965-ти млн.) кількість машин у світі (у США їх - 248 млн.). Вирішивши питання заторів (“пробок”) у містах (економія часу), водночас зекономимо бензин. Давайте перейдемо на велосипеди, створивши для них окремі смуги на дорогах.

Поміняймо електролампи розжарювання на люмінесцентні (енергозберігаючі) та світлові діодні. Енергозберігаючі лампи у 10 разів служать довше, ніж лампи розжарювання. Світлодіодна лампа, встановлена при народженні дитини, буде працювати до закінчення нею навчання у ВНЗ.

Давайте відмовимося від великих плоских телевізорів, які у чотири рази більше використовують електроенергії, ніж традиційні (на основі електронно-променевої трубки).

Давайте повсюдно перейдемо на енергозберігаючіші (і комфортніші) швидкісні електропоїзди (як, наприклад, в Японії). Давайте ... - Та не все це швидко робиться і, в добавок, супроводжується великою трудомісткістю.

Відтак, вище зазначені проблеми необхідно розглядати у площині екологічної культури. Джерелом екологічної культури є землеробський, аграрний досвід наших пращурів. У цьому досвіді - бережливе відношення до землі, до праці. Нині необхідно міняти на протилежне наше відношення до природи, формувати новий екологічний імператив. Навіть з того, що ми сьогодні знаємо про довколишній світ, про природне оточення, можна судити про деградацію людських відчуттів [8] (і, можливо, інтелекту).

Звернемося до прикладу. Перебуваючи на природі, пересічна людина оперує певним набором понять: ліс, дорога, поле тощо. Як називаються види лісових і польових рослин (назви яким давали наші предки) не кожен скаже. А в природи чимало загадок. Чому, наприклад, така тіньовитривала лісова рослинка як квасениця звичайна, або заяча капуста (Oxalis acetosella) у похмуру погоду і на ніч складає пластинки трійчастих листочків і закриває на ніч пелюстки своєї ніжної білої оцвітини?

Зазвичай, спостерігаємо доволі не широкий, бідний природознавчий кругозір і словниковий запас. Коли б ми краще знали природу, трепетніше б її оберігали. Щоб її знати, треба ставитися до неї з пошаною. А це вимагає самовдосконалення. У самовдосконаленні - осягнення таємниць Природи.

Тривала енергетична криза у сучасному світі має і позитивні стимули. Вона змушує шукати нові види і джерела енергії. Візьмемо ядерну і термоядерну енергію. Їх джерела - два діаметрально протилежні ядерні процеси (розділу і синтезу ядер атомів), що протікають з виділенням колосальної енергії. Сьогодні альтернативи власне ядерній енергії і пов'язаній з нею галузі матеріального виробництва - ядерній енергетиці, ще немає. Як не як, а в 26 країнах світу функціонує понад 400 ядерних реакторів, які виробляють електроенергії більше, ніж усі гідростанції світу. Паливною сировиною (ядерним паливом) служать поширені у природі ізотопи торію та урану (Th232 і U238). За оцінками останнім часом західні країни мають близько 1-2 млн. тонн запасів урану.

У Франції атомні електростанції (АЕС) виробляють понад 80 % електроенергії. В енергобалансі України ядерна енергія складає понад 50 %. Це чимало. Проте, маємо Чорнобиль, як наслідок людської помилки . У колишньому Радянському Союзі певний час АЕС будували на основі, так званих, канальних реакторів, модернізованих з ядерних реакторів атомних підводних човнів. До того ж - прискореними темпами (зазвичай, для кількості). На Заході, на противагу радянським, створювали корпусні реактори з 2-3 залізобетонним захистом, зрозуміло, набагато кращі і безпечніші. Хоча теж були аварії у Великобританії (Уйндскейл, 1957 р.), у США (Айдахо-Фолс, 1961 р.; Гарисберг, АЕС “Тримайл- Айленд”, 1979 р.) [10, 7]. енергетичний глобальний людство

Не вирішеною залишається і проблема знешкодження радіоактивних відходів. Одним з варіантів її вирішення є освоєння космосу. У недалекій перспективі можна буде вивозити їх на Місяць, транспортувати супутниками у далекий космос. Організовують вже міжпланетні автоматичні експедиції до Марса, Юпітера, Сатурна (НАСА планує десятирічну до Марса). В Україні у КБ “Південне” розроблено науково- технічний проект щодо створення ракетної системи безпечного видалення високорадіоактивних відходів АЕС у космос. Його реалізація можлива за умови широкого міжнародного співробітництва. Звичайно, ніхто не гарантує стовідсоткової безпеки запуску такої ракети (підйому у межах земної атмосфери).

Проблема термоядерного синтезу (енергії) може бути вирішена, якщо вдасться керувати термоядерною реакцією. Вирішивши її, людство одержить грандіозне щодо потужності джерело енергії. Синтез ядер дає у 100 раз більше енергії, ніж розщеплення атома урану [9].

Термоядерний процес отримання енергії не дає радіоактивних відходів. Сировиною для термоядерної реакції є дейтерій (важкий ізотоп водню), а також інший важчий ізотоп водню - тритій. Дейтерій міститься у морській воді. Там його надто багато - не менше 50 млрд. тонн.

Природа реакції термоядерного синтезу складна і створює великі труднощі. Щоб два ядра дейтерію (дейтерію і тритію) могли злитися та утворити ізотоп гелію (на чому і побудована термоядерна реакція), вони повинні підійти досить близько одне до одного, мати велику енергію (їх треба нагріти ядерним пальним).

Маємо справу з плазмою, четвертим станом речовини. Вона утворюється при температурах, вищих за температуру у внутрішніх областях зірок. Це іонізований газ, який складається з атомів і вільних електронів. У земних природних умовах плазма представлена обмежено: спалахами блискавки у мізерні долі секунди під час грози, полярні сяйва на полюсах. Сьогодні у лабораторних умовах досить гарячу плазму одержують поки що на короткі проміжки часу. Також вона ще не має комплексу всіх необхідних для термоядерного синтезу властивостей.

Головні труднощі полягають у тому, щоб ізолювати високотемпературну плазму від стінок апарату, в якому вона знаходиться. У чому реально вона може міститися? Справа за ефективним методом термоізоляції, який би унеможливлював контакт плазми з довколишніми предметами. Тобто плазма з усіх сторін повинна бути оточена вакуумним простором (подібно до умов космосу). Але як утримати плазму від витоку (випромінювання) у вакуум? Це можна зробити за допомогою магнітного поля навколо плазми. Його силові лінії оточуватимуть плазму паралельно стінкам місткості, де вона перебуватиме. Заряджені частинки рухатимуться вздовж силових ліній. Подібне спостерігаємо у явищі полярного сяйва, де вони огинають Землю і сходяться щільно над полюсами. Створюється ніби пастка для плазми.

Ідея магнітної термоізоляції керованого термоядерного синтезу була оприлюднена ще у 1950 р. відомими у світі академіками СРСР А. Д. Сахаровим та І. Є Таммом. Самостійно, приблизно тоді ж, до такої думки дійшли фізики США і Великобританії.

До слова, академік Ігор Тамм вважав ХХ ст. віком фізики, епохою атома, а ХХІ ст. - віком біології, генної інженерії. Термоядерну проблему планували вирішити у минулому столітті.

Другим ключовим питанням для успішного вирішення керованої термоядерної реакції є проблема стійкості плазми. Завдяки теоретичним розрахункам і проведеним експериментам встановлено умови, при яких гаряча щільна плазма, утримувана у вакуумі магнітними силовими лініями, буде залишатися у рівновазі тривалий час.

Третє питання, яке зараз фактично вирішене, - це нагрівання плазми до необхідних температур. Для цього пропонують різні шляхи, зокрема: пропускання сильних струмів через плазму, введення у плазму високочастотної електромагнітної енергії [6].

Яким буде термоядерний реактор? - При злитті ядер дейтерію виникає ядро гелію (альфа-частинка) і нейтрон. Кінетична енергія цих продуктів синтезу становить термоядерну енергію. На нейтрони її приходиться 80 %. Альфа-частинки залишаються у плазмі, “підігріваючи” її своєю кінетичною енергією. На нейтрони не діє магнітне поле навколо плазми і вони виходять за її межі [1, 6]. Тому використання термоядерної енергії зводиться до використання енергії швидкісних нейтронів.

Висновки

Енергію утворюваних при термоядерних реакціях нейтронів необхідно перетворити на тепло, яке грітиме воду, а її пара крутитиме турбіни. Подібний процес характерний для теплоелектростанцій. Можливо, вдасться перетворити термоядерну енергію в електричну напряму (без участі води і пари). Чимало залежить від інженерного розв'язання вище зазначених задач, від їх технічного впровадження у практику.

При всіх позитивах термоядерного синтезу може виникнути серйозна небезпека перегріву біосфери (чи географічної оболонки). Тому доведеться обмежувати виробництво термоядерної енергії і шукати способи видалення лишків тепла з географічної оболонки Землі.

Варто нагадати про екологічне правило одного відсотка. Воно стверджує, що сума енергій усіх катастрофічних земних процесів повинна бути меншою 1 % кількості сонячної енергії, що поступає на Землю. У противному випадку земну планету (цивілізацію) чекає глобальна катастрофа. Проте, по-перше, правило одного відсотка виводилося саме для природних процесів, що відбуваються на Землі. По-друге, якщо навіть до цих процесів включати діяльність людини (як біологічного виду), зокрема процес термоядерного синтезу, то хто вирахує скільки одиниць енергії виділяється при вулканічних вибухах, землетрусах тощо і наскільки ця числова величина буде більшою, чи меншою від 1 %.

По-третє. Термоядерні реакції передбачають керований процес ядерного синтезу і можливість його застосування повинна відповідати високому інтелектуально- моральному рівню суспільства. Можливо, нинішня затримка практичного застосування термоядерного синтезу і пов'язана з відсутністю такого рівня.

Використана література

1. Алексеенко И.Р. Последняя цивилизация? Человек. Общество. Природа / И.Р. Алексеенко, Л.В. Кейсевич. - К. : Наукова думка, 1997. - 411 с.

2. Браун Л.Р. Мир на грани. Как предотвратить экологический и экономический коллапс / Л.Р. Браун. - М. : АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2013. - 208 с. - (Идеи для мира).

3. Горягин В.Ф. Концепции современного естествознания : Учеб. пособие / В.Ф. Горягин. - Донецк : ДИТБ, 2002. - 181 с.

4. Іванюк Д. П. Управління природоохоронною діяльністю : Навч. посібник / Д.П. Іванюк, І.В. Шульга. - К. : Алерта, 2007. - 368 с.

5. Коммонер Б. Замыкающийся круг. Природа, человек, технология / Барри Коммонер /

6. Пер. с англ. Послесл. акад. Е. К. Федорова. - Л. : Гидрометеоиздат, 1974. - 279 с.

7. Концепції сучасного природознавства : Підручник / Я.С. Карпов, В.В. Кисельник,

8. В.Г. Кремень та ін. - К. : Професіонал, 2004. - 496 с.

9. Лапін В.М. Безпека життєдіяльності людини : навч. посіб. / В.М. Лапін. - 7-ме вид.,переробл. і допов. - К. : Знання, 2011. - 334 с.

10. Маєр-Абіх Клаус Міхаель. Повстання на захист природи. Від довкілля до спільносвіту / Клаус Міхаель Маєр-Абіх / Пер. з нім., післямова, примітки Анатолія Єрмоленка. - К. : Лібра, 2004. - 196 с.

11. Неклюкова Н. П. Общее землеведение. Часть 2 / Н. П. Неклюкова - М. : Просвещение, 1975. - 224 с.

12. Термена Б. К. Охорона та раціональне використання природних ресурсів : Навчальний посібник / Б. К. Термена, С. Г. Літвіненко. - Чернівці : Книги - ХХІ, 2005. - 168 с.

13. Тойнбі Арнольд Дж. Дослідження історії. Том 1 / Арнольд Джозеф Тойнбі / Пер. з англ. В. Шовкуна. - К. : Основи, 1995. - 614 с.; Том 2 / Арнольд Дж. Тойнбі / Пер. з англ. В. Митрофанова, П. Таращука. - К. : Основи, 1995. - 406 с.

Размещено на Allbest.ru