Страница:
ватт. Эта же компания приступила к строительству фотоэлектрической станции в Калифорнии, мощность которой должна достичь 6,5 мегаватта.
На вершинах Гималаев солнечные батареи заряжают никель-кадмиевые аккумуляторы альпинистов. В пустынях Египта они питают ирригационные насосы, а в отдельных районах Австралии - электрические ограждения для овец. В домах японских крестьян они греют воду и дают электроток. Солнечные печи для подогрева воды прижились в Среднеазиатских республиках нашей страны.
До недавнего времени из-за высокой стоимости солнечных элементов они применялись либо в космонавтике, либо в местностях, отдаленных от линий электропередачи, либо в особых видах изделий, где затраты энергии минимальны. Сейчас цена на эти элементы быстро падает: за последние 10 лет она понизилась в 3,5 раза. В этом заслуга химиков, разработавших новые способы получения кремниевых солнечных элементов.
Обычно солнечные элементы изготавливают из монокристаллических кремниевых стержней, выращиваемых в лаборатории. Их разделяют на маленькие пластинки, которые затем собирают в панели. Сейчас все большее внимание уделяется поликристаллическому и аморфному кремнию. Ему придают форму пленки толщиной I микрометр. КПД элементов на аморфном кремнии составляет 6-10 процентов, а на монокристалле - 12-16 процентов, но первые значительно дешевле, так как для их создания не требуется материала высокой чистоты.
Вполне вероятно, что для наших еж- квартир и производственных помещении ний в ближайшем будущем не понадоком бится столько тепла, как сегодня. Сейчас ведется разработка нового строимая тельного материала, призванного обеслуа- лечить 50-процентную экономию тепную шповой энергии при обогреве зданий.
Это -важнейшее свойство нового материала заключается в том, что он пропускает солнечный свет, но задерживает тепло.
Стенки здания, покрытые прозрачными панелями из этого материала, обогреваются солнечной энергией. При этом не происходит обратной отдачи тепла. Путь накопленной тепловой энергии открыт только внутрь здания.
Даже в холодное время Солнце будет поставлять значительную часть тепла, необходимую для обогрева здания...
Здесь затронуты лишь немногие вопросы снабжения человечества энергией. Не следует думать, будто химики не участвуют в разработке других, не упомянутых здесь источников энергии.
Например, ядерная энергетика начинает осваивать торий. Состояние воды в водохранилищах, обязанных своим возникновением гидроэнергетике,- предмет забот гидрохимиков. Словом, химики вносят значительный вклад в реализацию энергетической программы человечества.
Твердый огонь
Веками казалось бесспорным: чтобы получить сплав двух твердых веществ, нужно сначала расплавить их.
Но доктор физико-математических наук Александр Мержанов и его помощники доказали, что правило это отнюдь не абсолютно. Высокотемпературные печи становятся атрибутами устаревшей, а главное, неэкономичной технологии. Их заменяет реактор, в котором бушует огонь без пламени - твердый огонь...
Эксперимент
В Институте химической физики Академии наук СССР в Москве изучалась теоретическая проблема, связанная с горением. Обычно оно разрушает исходные материалы, переводя их в газообразное состояние, а доктор Мержанов поставил перед своими ассистентами Инной Боровинскои и Валентином Шкиро задачу найти вещества, которые, сгорая, не выделяли бы газов.
Испытывали одно сочетание за другим и вот спрессовали в достаточно большую таблетку смесь титана с бором и подожгли, подведя проволочную спираль, нагреваемую током. От точки контакта со спиралью по таблетке быстро распространился ярко светящийся фронт. Исследователи полюбовались эффектным зрелищем, определили, какие процессы под влиянием теплового импульса прошли в смеси, и только потом случайно обратили внимание на то, что таблетка не расплавилась, не потеряла форму, но стала плотной и твердой. Состав слитка представлял собой соединение бора и титана диборид титана - вещество, известное высокими абразивными свойствами.
Обычно, чтобы получить такой сплав, нужно смесь двух порошков нагреть в специальной печи. Поскольку оба вещества отличаются тугоплавкостью и упрямо не желают вступить в реакцию между собой, требуется температура около полутора тысяч градусов и несколько часов времени. А в лаборатории Мержанова, чтобы получить тот же самый сплав, потребовалось несколько секунд. Поначалу это показалось невероятным, и скептики рассматривали случай с диборидом титана как некий лабораторный курьез: мало ли что бывает во время экспериментов!..
Что же произошло в таблетке!
Скептицизм опирался на здравый смысл: если получился сплав, куда же девалось пламя? Всякая металлургия ассоциируется с жаром печей, с огненными потоками жидкого металла. Вот что говорит по этому поводу Александр Мержанов:
- С точки зрения специалиста, огонь - это вовсе не обязательно пламя. Горение-сложная химическая реакция. Если в ходе этой реакции исходные компоненты плавятся или переходят в газообразное состояние, то они взаимодействуют легко и быстро.
Если же они остаются твердыми, то в обычных условиях процесс протекает крайне медленно или останавливается на полпути. Иными словами, в обычных условиях огонь без пламени - твердый огонь - тлеет так незаметно, что мы его не видим или он (что чаще всего) гаснет. Но есть и третий вариант, когда смеси, взаимодействуя, выделяют достаточно большое количество тепла. В этом случае реакция, соединяющая воедино твердые вещества, может поддерживать самое себя: ей достаточно начального теплового импульса, а дальше она самораспространяется. Поэтому такая реакция получила название самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).
Доктору Мержанову и его коллегам понадобились многочисленные эксперименты, измерения, термодинамические расчеты, чтобы выяснить, что же происходит в таблетке в тот миг, когда ей сообщают тепловой импульс. В химии появился новый крупный раздел - теория безгазового горения.
Пока теоретики разбирались в реакции, которую они называют "твердым огнем", открытием группы Мержанова заинтересовались производственники.
В самом деле, из традиционного процесса получения ряда ценных сплавов стало возможным исключить целое звено - высокотемпературные печи.
Процесс значительно ускоряется и удешевляется. Экономится энергия, которая тратилась, чтобы поддерживать в печах высокую температуру.
При этом заметно улучшается качество продукции: в таблетке развивается температура, недостижимая в печах (до 4000 градусов), и в "твердом огне"
сгорают все примеси, содержащиеся в исходных материалах, происходит самоочистка сплава.
Профессии твердого огня
Итак, огонь выступил в новом качестве: не как разрушитель, а как тонкий химик-синтетик, созидатель сплавов.
И это качество оказалось весьма ценным, поскольку без тугоплавких соединений не могут обойтись машиностроители, энергетики, металлурги, проходчики недр и многие другие. К сегодняшнему дню методом СВС получено больше 300 соединений, каждое из которых представляет практический интерес.
Сотни миллионов рублей сэкономил завод искусственных алмазов и алмазного инструмента в Полтаве, заменив алмазные абразивные пасты на те, в которых применяется полученный по СВС-технологии карбид титана. Карбид титана используется и вместо дорогостоящей вольфрамсодержащей керамики, которая нужна станкоинструментальной промышленности. Эта замена тем более ценна, так как природные запасы вольфрама ограничены.
СВС-технологию освоил и Кироваканский завод высокотемпературных нагревателей в Армении. Получаемые по-новому нагревательные элементы из дисилицида молибдена служат вдвое дольше прежних, а изготавливают их теперь вдвое быстрее.
Метод СВС позволяет быстро и экономично производить не только уже известные материалы, но и новые, которые другими способами получать не удавалось. Например, сверхпроводник, состоящий из сплава ниобия с одним из соединений молибдена.
Одно из достоинств "твердого огня"
в том, что он не только может синтезировать сплавы, но и одновременно формовать изделия из них. Ведь реактору, в который помещается заранее лриготовленная смесь тугоплавких вецеств, можно придать любую форму.
"Твердый огонь" умеет наплавлять одни тугоплавкие материалы на другие, наносить тонкие защитные покры1ия, соединять трудносвариваемые детали.
"Карманная" ГЭС
Надпись на табличке гласила: "Рукавная переносная электростанция РП ГЭС-1,5". Табличка внушала сомнение. И иные любопытствующие спрашивали: а нет ли преувеличения7 Все же ГЭС - это "гидроэлектростанция"! А тут-тележка с двумя колесиками... В ответ на это стендисты терпеливо объясняли, что преувеличений нет и что перед посетителями выставки действительно гидравлическая электрическая станция, родная сестра Днепрогэса, а также любой из волжских или ангарских ГЭС. Иначе говоря, действующая по тому же принципу, состоящая, в общем, из тех же основных узлов и предназначенная для той же цели - выработки электрической энергии за счет энергии падающей воды, за счет перепада высот.
Болбот Асанович Батбаев, начальник научно-исследовательского отдела энергетики - есть во Фрунзе организация с таким несколько странным названием,- в Москве на выставке не был, но на все месяцы, пока она работала, лишился покоя - писали и звонили ему со всех концов страны, просили рассказать о занятной и необычной гидроэлектростанции этой, прислать чертежи, сообщить, где делаются рукавные ГЭС. Батбаев, увы, мог ответить не на все вопросы, а когда заходила речь о производстве агрегата, вообще разводил руками; нигде пока не делается, есть только опытные образцы... "Как же так,- кипятились собеседники,- он же нужен всем: геологам, изыскателям, туристам..."
Но более всего - это Батбаев знал твердо - рукавная ГЭС нужна пастухам в горных районах. 20 тысяч чабанских бригад работают ежегодно в отгонном животноводстве республики.
Да еще почти 2 тысячи бригад табунщиков. И это только в Киргизии, а сколько их в сопредельных Казахстане, Узбекистане, Таджикистане, Туркмении! Не везде можно установить "микро-ГЭС", или "карманную ГЭС", как с легкой руки одного журналиста окрестили агрегат, но примерно для половины коллективов, работающих в горном животноводстве, он вполне подошел бы, пришелся кстати.
Стало быть, потребность исчисляется тысячами штук. Это только потребность животноводов, а еще специалистам скольких отраслей нужны такие гидроэлектростанции - легкие, надежные, мобильные, простые в обслуживании...
Но все действительно началось как отклик на насущные потребности чабанов. Разве это дело, рассуждали Батбаев и его товарищи, что в небе носятся спутники и космические станции, а под этим небом в течение нескольких месяцев в году люди работают и живут без элементарных современных удобств - точь-в-точь так же, как их далекие предки, пасшие скот в этих же местах. Чтобы разогреть пищу, чабан собирает костер, а его юрту освещают стеариновые свечи либо керосиновая лампа. Оттого и растет средний возраст чабанов, оттого и текучесть среди них велика - не хотят люди, даже за большую зарплату, обходиться без современных удобств, без электрического тепла и света.
Но где же его взять - электричество - за сотни километров от постоянного жилья, от городов и поселков?
Не тянуть же в каждый горный распадок линию электропередачи.
Тянуть не надо. Достаточно найти ближайший ручей - а их в здешних горах не занимать, протянуть к нему брезентовый рукав, направить в него воду - и закрутит вода, завращает небольшую турбину и связанный с ней клиноременной передачей генератор.
Тут же пойдет по проводам ток стандартным напряжением 220 вольт, закипит чай на электроплите, загорятся лампочки. Лампочек может быть довольно много: если по 100 свечей, то 15 штук. Здесь не только на освещение хватит, но и небольшую иллюминацию можно устроить. Хотя бы по случаю осуществления давней мечты чабана - приходу электричества в его жизнь и быт.
Основные технические параметры агрегата таковы. Мощность - полтора киловатта, но у разных модификаций может быть и больше и меньше; это по желанию конструкторов и потребителей. Получаемый ток - переменный, трехфазный, стандартной частоты 50 герц. Напряжение - 220 вольт, но может быть и 380, КПД-0,5, неплохо для любой электростанции. Масса - 85 килограммов. Тяжеловата, конечно, но, учитывая размещение на тележке, передвижка ГЭС в случае нужды с места на место вполне по силам взрослому мужчине.
Предельная высота, на которой может работать станция,- 4 километра над уровнем моря. Диапазон температур окружающей среды - от -30 до +40°С, предельная относительная влажность - 90 процентов. При полностью развернутом стометровом рукаве уклон водотока должен составлять 3-4 градуса. Понятно, разворачивать рукав на всю стометровую длину (он состоит из 10 быстросоединяемых 10- метровых колен) надо не всегда. Если угол наклона потока не 4, а 10 градусов, достаточно 30-метрового участка рукава.
Все параметры приведены для ГЭС мощностью 1,5 киловатта. Возможен и совсем миниатюрный вариант станции - на 2-3 лампочки, на 200-ЗООС ватт. Там, конечно, и перепад высот,!
и расход воды могут быть меньше, и пд весу станция будет такой, что ее можно переносить за плечами, в обыч* ном рюкзаке.
Можно создать "карманную ГЭСи и большей мощности. Кстати, агрегат мощностью 3 киловатта уже изготовлен и испытан. Он тоже показал некплохие эксплуатационные результат"!
Идея и конструкция станции настолько просты, что казалось непостижимым, почему рукавную ГЭС не изобрели раньше. Признаться, у самих сотрудников научно-исследовательского отдела камнем на душе лежало сомнение: не изобрели ли они велосипед?
Не созданы ли еще где-либо в мире аналогичные конструкции? Дважды Ташкентский филиал Всесоюзного центра патентных услуг проводил широкий поиск аналогов в отечественной и зарубежной практике на "глубину" в 20 лет. И оба раза ответ был один: ничего похожего никто и нигде еще не изобретал. В ходе работы над "микроГЭС" ее создатели получили уже 7 авторских свидетельств на изобретения; еще 2 заявки - в стадии рассмотрения.
Небезынтересно сопоставить технико-экономические показатели рукавной ГЭС с показателями бензоэлектрической станции той же мощности. Себестоимость киловатт-часа электроэнергии соответственно 0,5 и 35 копеек, эксплуатационные затраты-117 и 3195 рублей в год. Поистине несопоставимые величины! Даже не слишком совершенные, в кустарных условиях изготовленные агрегаты экономят около 2 тысяч рублей в год. А при серийном изготовлении, когда ряд узлов можно будет делать из пластмасс, по прогрессивной технологии, экономия составит 3,5-4 тысячи рублей в год.
О кустарном изготовлении мы упомянули не случайно. Все находящиеся в эксплуатации агрегаты сделаны в мастерских называвшегося выше киргизского научно-исследовательского отдела энергетики. Сделано их немного-меньше десятка, включая выставочные образцы. Причем три агрегата отправлены за рубеж: один - в Индонезию, два - на Кубу.
Каковы же наши потребности? Министерство сельского хозяйства Киргизии берется внедрять по 1000 рукавных ГЭС ежегодно. Еще по 400-500 агрегатов согласны закупать другие ведомства республики. 1500 агрегатовтак оценивается годовая потребность республик Средней Азии и Казахстана. 1800-2100-потребность Грузии, Армении и Азербайджана. 1000-потребность северокавказских автономных республик. 1500-предприятий Сибири и Дальнего Востока. Всего получается, что ежегодно надо выпускать никак не меньше 6 тысяч агрегатов.
При этом в расчетах учитывалась потребность только государственных организаций, а также колхозов и совхозов. А ведь рукавная ГЭС может стать отличным подспорьем в личном приусадебном хозяйстве. Внедрение таких станций в этой сфере поможет в ряде случаев обойтись без использования энергии государственных электросетей, которой в некоторых регионах не хватает.
Энергомост в будущее
На небе ни облачка, а над опытным полигоном Ленинградского политехнического института имени М. И. Калинина время от времени вспыхивают зарницы. Это отсвет искусственных молний. Здесь испытывается экспериментальный пролет суперэлектролинии напряжением три миллиона вольт. Из окон лабораторного корпуса хорошо видны ажурные порталы с чуть провисающими проводами, напоминающими гигантские качели.
- Одно это "русло" способно вместить электроэнергию, вырабатываемую десятью такими гигантами, как Саяно-Шушенская ГЭС,- поясняет руководитель экспериментов, заведующий кафедрой электрических аппаратов, профессор Г. Александров.- Подобные энергомосты потребуются в будущем для транспортировки огромного количества энергии из районов Сибири на Урал и в центр страны. Естественно, что супертрассам понадобятся и специальная аппаратура, оборудование. Заложенные в них идеи и конструктивные решения будут проверяться в серии экспериментов на полигоне политехнического института.
Одно из основных требований к линии электропередачи - большой запас надежности. И чтобы его обеспечить, нужны тщательные исследования.
Этим мы и занимаемся, испытывая реальные изоляционные конструкции линий и подстанций.
Известно: чем выше напряжение, тем меньше потери в линии. Испытания "трехмиллионника" помогают ученым лучше понять явления, без тщательного изучения которых трудно будет направить поток энергии в нужное русло.
Ведь задачи поставлены грандиозные уже на ближайшие годы: предусматривается продолжить формирование Единой энергетической системы страны, осуществить строительство межсистемных линий электропередачи напряжением 500, 750 и 1150 киловольт переменного тока и 1500 киловольт постоянного тока.
Научная база для их создания уже есть, и сейчас ученые работают над линиями переменного тока в 1800- 2000 киловольт. А "трехмиллионник"?
Иногда его называют энергомостом XXI века. Действительно, пока рано говорить о практической реализации дерзкой идеи. Но исследования ленинградских политехников показывают, что задача эта отнюдь не из области фантастики, что в принципе она выполнима.
- Конечно, мы стараемся не только заглянуть в завтрашний день, решаем и сегодняшние задачи,- отмечает один из участников экспериментальной программы, кандидат технических наук Г. Подпоркин.- На полигоне испытываются, например, компактные электрические линии, позволяющие многократно увеличить пропускную способность в том же классе напряжений. Исследования показали, что вопреки привычным представлениям можно значительно сблизить провода.
Но для этого потребовалось жестко закрепить их, ведь при ветре они могут схлестнуться, и тогда - короткое замыкание.
За кажущейся простотой этого решения - долгий поиск оптимального расстояния между проводами, месяцы испытаний на полигоне в разную погоду, при различных электрических режимах, проектирование и проверка оригинальных конструкций изоляторов.
Среди электротехников Ленинград иногда называют "высоковольтной столицей мира". Право на этот почетный, хотя и неофициальный титул поддерживают и работы исследователей на уникальном полигоне политехнического института, где создают и испытывают суперэнергомосты.
Металлический литиймишень для нейтрино
Вместе с огромными потоками энергии Солнце посылает на Землю нейтрино, которые образуются в недрах звезды при термоядерных реакциях.
Первые попытки зарегистрировать солнечные нейтрино относятся к 1946 году.
Полученные вплоть до последнего времени экспериментальные данные указывают, что на Землю приходит почти в 3 раза меньше солнечных нейтрино, чем предсказывает теория. Причин такого расхождения может быть несколько. Первая: неверны теоретические расчеты; нужно уточнить параметры ядерных взаимодействий, которые приводят к образованию нейтрино. Новые расчеты потребуют более высокой точности, а теоретики не всегда могут ее обеспечить. Вторая причина: неверна сама солнечная модель, а значит, возможно, неверны представления об эволюции звезд. Если, например, учесть процессы перемешивания вещества в недрах Солнца, то "теоретический" поток нейтрино станет меньше, но перемешивание противоречит нынешней модели Солнца. Третья причина: неверны сами представления о физических свойствах нейтрино. Возможно, в расчетах нужно учитывать хоть и небольшую, но отличную от нуля массу покоя нейтрино. Таким образом, расхождение между расчетами и экспериментальными данными сравнительно небольшое, но из-за него, возможно, придется пересмотреть некоторые фундаментальные устои физики. Если, конечно, не будут получены новые экспериментальные результаты.
Экспериментаторы ищут другие методы измерения потока нейтрино, приходящего на Землю. Часто предлагалось использовать в качестве мишени для нейтринного детектора ядро лития. Изотоп лития, взаимодействуя с нейтрино, образует радиоактивное ядро бериллия. Можно использовать в детекторе водный раствор соли хлористого лития, но это связано со многими трудностями.
В Институте ядерных исследований АН СССР предложили использовать в качестве мишени в нейтринном детекторе металлический литий, что позволит резко уменьшить объем самого детектора и снимет ряд других сложных проблем.
В металлическом детекторе, как и в любом другом, нужно решить сложную задачу: извлечь из лития буквально несколько атомов бериллия, которые образуются в нем под действием солнечных нейтрино. Исследователи показали, что если помещенный в металлический стакан литий расплавить в вакууме (литий очень активный химический элемент), а затем одновременно его охлаждать и продавливать через фильтр в дне стакана, то на фильтре собирается практически весь бериллий. Очевидно, бериллий в литиэвом слитке присутствует в виде соединений с кислородом и азотом - окисла и нитрида, которые кристаллизуются и выпадают в осадок раньше, чем литий. Поэтому жидкий литий проходит через фильтр, а бериллий на нем остается. Чтобы доказать эффективность предложенного метода, экспериментаторы облучили на циклотроне слиток лития весом 60 граммов. Энергичные протоны пронизывали образец и "нарабатывали" бериллий во всем объеме. После того как облученный образец расплавили и профильтровали, на фильтре собралось 98 процентов бериллия. Значит, предложенный метод позволит эффективно извлекать из лития практически все атомы бериллия, которые "нарабатывают" солнечные нейтрино. На следующем этапе "промежуточного" эксперимента новую методику предполагают испробовать на мишени из металлического лития массой 100 килограммов. Полномасштабный эксперимент потребует десятки тонн лития.
"Сверхсветовой мир"
Можно ли путешествовать во времени? Не мысленно, как это делают писатели-фантасты, а по-настоящему - с помощью определенных технических средств? Или, по крайней мере, построить "хроноскоп", который позволял бы рассматривать детали прошлого подобно тому, как микроскоп позволяет разглядывать мелкие детали в пространстве? Теория относительности научила нас, как ускорять и замедлять время. Теперь, казалось бы, остался один шаг - научиться его поворачивать. Что мешает этому? Только лишь наше неуменье, недостаток знаний или же какие-то фундаментальные законы? Физика XX века уже приучила нас к мысли, что многое из считавшегося ранее принципиально недопустимым может происходить в каких-то особых, специфических условиях. Действительно, формулы теоретической физики подсказывают, что, если бы удалось создать генератор лучей, обгоняющих свет, мы смогли бы высвечивать цепочки событий в обратном направлении - от настоящего в прошлое, а опыты на ускорителях элементарных частиц обнаружили явления, где противопоставление прошлого и будущего приводит к неоднозначности. Может, все же удастся создать "машину времени" и "хроноскоп" хотя бы в микромире? Поиском ответов на эти вопросы заняты многие физические лаборатории.
Скорость и время
В старой, ньютоновской физике время абсолютно - показания часов не зависят ни от скорости их движения, ни от каких-либо других причин. Часы на башне собора и в движущемся дилижансе всегда показывают одно и то же время. Иначе ведет себя время в современной физике быстродвижущихся тел. Стрелки перемещающихся часов идут медленнее неподвижных, их отставание будет тем заметнее, чем больше скорость движения.
Правда, даже для космических кораблей, пересекающих сегодня просторы космоса, отставание времени еще очень мало и станет ощутимым, когда их скорости возрастут по крайней мере в несколько сот раз. Но вот в мире элементарных частиц эффект замедления времени весьма заметен. Например, время жизни покоящегося мюмезона - около миллионной доли секунды, ничтожный миг; далее мю-мезон распадается на более легкие частицы. Однако быстрый мю-мезон, рожденный космической частицей в высотных слоях атмосферы, становится долгожителем. Он живет так долго, что успевает пройти сквозь всю толщу воздуха и распадается лишь глубоко под землей. Пользуясь эффектом замедления времени, физики транспортируют пучки ускоренных короткоживущих частиц на большие расстояния.
Подобное оборудование имеется во многих физических лабораториях.
Если движется не только наблюдаемое тело, но и сам наблюдатель, то его скорость тоже влияет на длительность происходящих с телом событий.
Например, длительность события будет различной в зависимости от того, наблюдают его с космодрома или с борта стремительно летящей ракеты.
На вершинах Гималаев солнечные батареи заряжают никель-кадмиевые аккумуляторы альпинистов. В пустынях Египта они питают ирригационные насосы, а в отдельных районах Австралии - электрические ограждения для овец. В домах японских крестьян они греют воду и дают электроток. Солнечные печи для подогрева воды прижились в Среднеазиатских республиках нашей страны.
До недавнего времени из-за высокой стоимости солнечных элементов они применялись либо в космонавтике, либо в местностях, отдаленных от линий электропередачи, либо в особых видах изделий, где затраты энергии минимальны. Сейчас цена на эти элементы быстро падает: за последние 10 лет она понизилась в 3,5 раза. В этом заслуга химиков, разработавших новые способы получения кремниевых солнечных элементов.
Обычно солнечные элементы изготавливают из монокристаллических кремниевых стержней, выращиваемых в лаборатории. Их разделяют на маленькие пластинки, которые затем собирают в панели. Сейчас все большее внимание уделяется поликристаллическому и аморфному кремнию. Ему придают форму пленки толщиной I микрометр. КПД элементов на аморфном кремнии составляет 6-10 процентов, а на монокристалле - 12-16 процентов, но первые значительно дешевле, так как для их создания не требуется материала высокой чистоты.
Вполне вероятно, что для наших еж- квартир и производственных помещении ний в ближайшем будущем не понадоком бится столько тепла, как сегодня. Сейчас ведется разработка нового строимая тельного материала, призванного обеслуа- лечить 50-процентную экономию тепную шповой энергии при обогреве зданий.
Это -важнейшее свойство нового материала заключается в том, что он пропускает солнечный свет, но задерживает тепло.
Стенки здания, покрытые прозрачными панелями из этого материала, обогреваются солнечной энергией. При этом не происходит обратной отдачи тепла. Путь накопленной тепловой энергии открыт только внутрь здания.
Даже в холодное время Солнце будет поставлять значительную часть тепла, необходимую для обогрева здания...
Здесь затронуты лишь немногие вопросы снабжения человечества энергией. Не следует думать, будто химики не участвуют в разработке других, не упомянутых здесь источников энергии.
Например, ядерная энергетика начинает осваивать торий. Состояние воды в водохранилищах, обязанных своим возникновением гидроэнергетике,- предмет забот гидрохимиков. Словом, химики вносят значительный вклад в реализацию энергетической программы человечества.
Твердый огонь
Веками казалось бесспорным: чтобы получить сплав двух твердых веществ, нужно сначала расплавить их.
Но доктор физико-математических наук Александр Мержанов и его помощники доказали, что правило это отнюдь не абсолютно. Высокотемпературные печи становятся атрибутами устаревшей, а главное, неэкономичной технологии. Их заменяет реактор, в котором бушует огонь без пламени - твердый огонь...
Эксперимент
В Институте химической физики Академии наук СССР в Москве изучалась теоретическая проблема, связанная с горением. Обычно оно разрушает исходные материалы, переводя их в газообразное состояние, а доктор Мержанов поставил перед своими ассистентами Инной Боровинскои и Валентином Шкиро задачу найти вещества, которые, сгорая, не выделяли бы газов.
Испытывали одно сочетание за другим и вот спрессовали в достаточно большую таблетку смесь титана с бором и подожгли, подведя проволочную спираль, нагреваемую током. От точки контакта со спиралью по таблетке быстро распространился ярко светящийся фронт. Исследователи полюбовались эффектным зрелищем, определили, какие процессы под влиянием теплового импульса прошли в смеси, и только потом случайно обратили внимание на то, что таблетка не расплавилась, не потеряла форму, но стала плотной и твердой. Состав слитка представлял собой соединение бора и титана диборид титана - вещество, известное высокими абразивными свойствами.
Обычно, чтобы получить такой сплав, нужно смесь двух порошков нагреть в специальной печи. Поскольку оба вещества отличаются тугоплавкостью и упрямо не желают вступить в реакцию между собой, требуется температура около полутора тысяч градусов и несколько часов времени. А в лаборатории Мержанова, чтобы получить тот же самый сплав, потребовалось несколько секунд. Поначалу это показалось невероятным, и скептики рассматривали случай с диборидом титана как некий лабораторный курьез: мало ли что бывает во время экспериментов!..
Что же произошло в таблетке!
Скептицизм опирался на здравый смысл: если получился сплав, куда же девалось пламя? Всякая металлургия ассоциируется с жаром печей, с огненными потоками жидкого металла. Вот что говорит по этому поводу Александр Мержанов:
- С точки зрения специалиста, огонь - это вовсе не обязательно пламя. Горение-сложная химическая реакция. Если в ходе этой реакции исходные компоненты плавятся или переходят в газообразное состояние, то они взаимодействуют легко и быстро.
Если же они остаются твердыми, то в обычных условиях процесс протекает крайне медленно или останавливается на полпути. Иными словами, в обычных условиях огонь без пламени - твердый огонь - тлеет так незаметно, что мы его не видим или он (что чаще всего) гаснет. Но есть и третий вариант, когда смеси, взаимодействуя, выделяют достаточно большое количество тепла. В этом случае реакция, соединяющая воедино твердые вещества, может поддерживать самое себя: ей достаточно начального теплового импульса, а дальше она самораспространяется. Поэтому такая реакция получила название самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).
Доктору Мержанову и его коллегам понадобились многочисленные эксперименты, измерения, термодинамические расчеты, чтобы выяснить, что же происходит в таблетке в тот миг, когда ей сообщают тепловой импульс. В химии появился новый крупный раздел - теория безгазового горения.
Пока теоретики разбирались в реакции, которую они называют "твердым огнем", открытием группы Мержанова заинтересовались производственники.
В самом деле, из традиционного процесса получения ряда ценных сплавов стало возможным исключить целое звено - высокотемпературные печи.
Процесс значительно ускоряется и удешевляется. Экономится энергия, которая тратилась, чтобы поддерживать в печах высокую температуру.
При этом заметно улучшается качество продукции: в таблетке развивается температура, недостижимая в печах (до 4000 градусов), и в "твердом огне"
сгорают все примеси, содержащиеся в исходных материалах, происходит самоочистка сплава.
Профессии твердого огня
Итак, огонь выступил в новом качестве: не как разрушитель, а как тонкий химик-синтетик, созидатель сплавов.
И это качество оказалось весьма ценным, поскольку без тугоплавких соединений не могут обойтись машиностроители, энергетики, металлурги, проходчики недр и многие другие. К сегодняшнему дню методом СВС получено больше 300 соединений, каждое из которых представляет практический интерес.
Сотни миллионов рублей сэкономил завод искусственных алмазов и алмазного инструмента в Полтаве, заменив алмазные абразивные пасты на те, в которых применяется полученный по СВС-технологии карбид титана. Карбид титана используется и вместо дорогостоящей вольфрамсодержащей керамики, которая нужна станкоинструментальной промышленности. Эта замена тем более ценна, так как природные запасы вольфрама ограничены.
СВС-технологию освоил и Кироваканский завод высокотемпературных нагревателей в Армении. Получаемые по-новому нагревательные элементы из дисилицида молибдена служат вдвое дольше прежних, а изготавливают их теперь вдвое быстрее.
Метод СВС позволяет быстро и экономично производить не только уже известные материалы, но и новые, которые другими способами получать не удавалось. Например, сверхпроводник, состоящий из сплава ниобия с одним из соединений молибдена.
Одно из достоинств "твердого огня"
в том, что он не только может синтезировать сплавы, но и одновременно формовать изделия из них. Ведь реактору, в который помещается заранее лриготовленная смесь тугоплавких вецеств, можно придать любую форму.
"Твердый огонь" умеет наплавлять одни тугоплавкие материалы на другие, наносить тонкие защитные покры1ия, соединять трудносвариваемые детали.
"Карманная" ГЭС
Надпись на табличке гласила: "Рукавная переносная электростанция РП ГЭС-1,5". Табличка внушала сомнение. И иные любопытствующие спрашивали: а нет ли преувеличения7 Все же ГЭС - это "гидроэлектростанция"! А тут-тележка с двумя колесиками... В ответ на это стендисты терпеливо объясняли, что преувеличений нет и что перед посетителями выставки действительно гидравлическая электрическая станция, родная сестра Днепрогэса, а также любой из волжских или ангарских ГЭС. Иначе говоря, действующая по тому же принципу, состоящая, в общем, из тех же основных узлов и предназначенная для той же цели - выработки электрической энергии за счет энергии падающей воды, за счет перепада высот.
Болбот Асанович Батбаев, начальник научно-исследовательского отдела энергетики - есть во Фрунзе организация с таким несколько странным названием,- в Москве на выставке не был, но на все месяцы, пока она работала, лишился покоя - писали и звонили ему со всех концов страны, просили рассказать о занятной и необычной гидроэлектростанции этой, прислать чертежи, сообщить, где делаются рукавные ГЭС. Батбаев, увы, мог ответить не на все вопросы, а когда заходила речь о производстве агрегата, вообще разводил руками; нигде пока не делается, есть только опытные образцы... "Как же так,- кипятились собеседники,- он же нужен всем: геологам, изыскателям, туристам..."
Но более всего - это Батбаев знал твердо - рукавная ГЭС нужна пастухам в горных районах. 20 тысяч чабанских бригад работают ежегодно в отгонном животноводстве республики.
Да еще почти 2 тысячи бригад табунщиков. И это только в Киргизии, а сколько их в сопредельных Казахстане, Узбекистане, Таджикистане, Туркмении! Не везде можно установить "микро-ГЭС", или "карманную ГЭС", как с легкой руки одного журналиста окрестили агрегат, но примерно для половины коллективов, работающих в горном животноводстве, он вполне подошел бы, пришелся кстати.
Стало быть, потребность исчисляется тысячами штук. Это только потребность животноводов, а еще специалистам скольких отраслей нужны такие гидроэлектростанции - легкие, надежные, мобильные, простые в обслуживании...
Но все действительно началось как отклик на насущные потребности чабанов. Разве это дело, рассуждали Батбаев и его товарищи, что в небе носятся спутники и космические станции, а под этим небом в течение нескольких месяцев в году люди работают и живут без элементарных современных удобств - точь-в-точь так же, как их далекие предки, пасшие скот в этих же местах. Чтобы разогреть пищу, чабан собирает костер, а его юрту освещают стеариновые свечи либо керосиновая лампа. Оттого и растет средний возраст чабанов, оттого и текучесть среди них велика - не хотят люди, даже за большую зарплату, обходиться без современных удобств, без электрического тепла и света.
Но где же его взять - электричество - за сотни километров от постоянного жилья, от городов и поселков?
Не тянуть же в каждый горный распадок линию электропередачи.
Тянуть не надо. Достаточно найти ближайший ручей - а их в здешних горах не занимать, протянуть к нему брезентовый рукав, направить в него воду - и закрутит вода, завращает небольшую турбину и связанный с ней клиноременной передачей генератор.
Тут же пойдет по проводам ток стандартным напряжением 220 вольт, закипит чай на электроплите, загорятся лампочки. Лампочек может быть довольно много: если по 100 свечей, то 15 штук. Здесь не только на освещение хватит, но и небольшую иллюминацию можно устроить. Хотя бы по случаю осуществления давней мечты чабана - приходу электричества в его жизнь и быт.
Основные технические параметры агрегата таковы. Мощность - полтора киловатта, но у разных модификаций может быть и больше и меньше; это по желанию конструкторов и потребителей. Получаемый ток - переменный, трехфазный, стандартной частоты 50 герц. Напряжение - 220 вольт, но может быть и 380, КПД-0,5, неплохо для любой электростанции. Масса - 85 килограммов. Тяжеловата, конечно, но, учитывая размещение на тележке, передвижка ГЭС в случае нужды с места на место вполне по силам взрослому мужчине.
Предельная высота, на которой может работать станция,- 4 километра над уровнем моря. Диапазон температур окружающей среды - от -30 до +40°С, предельная относительная влажность - 90 процентов. При полностью развернутом стометровом рукаве уклон водотока должен составлять 3-4 градуса. Понятно, разворачивать рукав на всю стометровую длину (он состоит из 10 быстросоединяемых 10- метровых колен) надо не всегда. Если угол наклона потока не 4, а 10 градусов, достаточно 30-метрового участка рукава.
Все параметры приведены для ГЭС мощностью 1,5 киловатта. Возможен и совсем миниатюрный вариант станции - на 2-3 лампочки, на 200-ЗООС ватт. Там, конечно, и перепад высот,!
и расход воды могут быть меньше, и пд весу станция будет такой, что ее можно переносить за плечами, в обыч* ном рюкзаке.
Можно создать "карманную ГЭСи и большей мощности. Кстати, агрегат мощностью 3 киловатта уже изготовлен и испытан. Он тоже показал некплохие эксплуатационные результат"!
Идея и конструкция станции настолько просты, что казалось непостижимым, почему рукавную ГЭС не изобрели раньше. Признаться, у самих сотрудников научно-исследовательского отдела камнем на душе лежало сомнение: не изобрели ли они велосипед?
Не созданы ли еще где-либо в мире аналогичные конструкции? Дважды Ташкентский филиал Всесоюзного центра патентных услуг проводил широкий поиск аналогов в отечественной и зарубежной практике на "глубину" в 20 лет. И оба раза ответ был один: ничего похожего никто и нигде еще не изобретал. В ходе работы над "микроГЭС" ее создатели получили уже 7 авторских свидетельств на изобретения; еще 2 заявки - в стадии рассмотрения.
Небезынтересно сопоставить технико-экономические показатели рукавной ГЭС с показателями бензоэлектрической станции той же мощности. Себестоимость киловатт-часа электроэнергии соответственно 0,5 и 35 копеек, эксплуатационные затраты-117 и 3195 рублей в год. Поистине несопоставимые величины! Даже не слишком совершенные, в кустарных условиях изготовленные агрегаты экономят около 2 тысяч рублей в год. А при серийном изготовлении, когда ряд узлов можно будет делать из пластмасс, по прогрессивной технологии, экономия составит 3,5-4 тысячи рублей в год.
О кустарном изготовлении мы упомянули не случайно. Все находящиеся в эксплуатации агрегаты сделаны в мастерских называвшегося выше киргизского научно-исследовательского отдела энергетики. Сделано их немного-меньше десятка, включая выставочные образцы. Причем три агрегата отправлены за рубеж: один - в Индонезию, два - на Кубу.
Каковы же наши потребности? Министерство сельского хозяйства Киргизии берется внедрять по 1000 рукавных ГЭС ежегодно. Еще по 400-500 агрегатов согласны закупать другие ведомства республики. 1500 агрегатовтак оценивается годовая потребность республик Средней Азии и Казахстана. 1800-2100-потребность Грузии, Армении и Азербайджана. 1000-потребность северокавказских автономных республик. 1500-предприятий Сибири и Дальнего Востока. Всего получается, что ежегодно надо выпускать никак не меньше 6 тысяч агрегатов.
При этом в расчетах учитывалась потребность только государственных организаций, а также колхозов и совхозов. А ведь рукавная ГЭС может стать отличным подспорьем в личном приусадебном хозяйстве. Внедрение таких станций в этой сфере поможет в ряде случаев обойтись без использования энергии государственных электросетей, которой в некоторых регионах не хватает.
Энергомост в будущее
На небе ни облачка, а над опытным полигоном Ленинградского политехнического института имени М. И. Калинина время от времени вспыхивают зарницы. Это отсвет искусственных молний. Здесь испытывается экспериментальный пролет суперэлектролинии напряжением три миллиона вольт. Из окон лабораторного корпуса хорошо видны ажурные порталы с чуть провисающими проводами, напоминающими гигантские качели.
- Одно это "русло" способно вместить электроэнергию, вырабатываемую десятью такими гигантами, как Саяно-Шушенская ГЭС,- поясняет руководитель экспериментов, заведующий кафедрой электрических аппаратов, профессор Г. Александров.- Подобные энергомосты потребуются в будущем для транспортировки огромного количества энергии из районов Сибири на Урал и в центр страны. Естественно, что супертрассам понадобятся и специальная аппаратура, оборудование. Заложенные в них идеи и конструктивные решения будут проверяться в серии экспериментов на полигоне политехнического института.
Одно из основных требований к линии электропередачи - большой запас надежности. И чтобы его обеспечить, нужны тщательные исследования.
Этим мы и занимаемся, испытывая реальные изоляционные конструкции линий и подстанций.
Известно: чем выше напряжение, тем меньше потери в линии. Испытания "трехмиллионника" помогают ученым лучше понять явления, без тщательного изучения которых трудно будет направить поток энергии в нужное русло.
Ведь задачи поставлены грандиозные уже на ближайшие годы: предусматривается продолжить формирование Единой энергетической системы страны, осуществить строительство межсистемных линий электропередачи напряжением 500, 750 и 1150 киловольт переменного тока и 1500 киловольт постоянного тока.
Научная база для их создания уже есть, и сейчас ученые работают над линиями переменного тока в 1800- 2000 киловольт. А "трехмиллионник"?
Иногда его называют энергомостом XXI века. Действительно, пока рано говорить о практической реализации дерзкой идеи. Но исследования ленинградских политехников показывают, что задача эта отнюдь не из области фантастики, что в принципе она выполнима.
- Конечно, мы стараемся не только заглянуть в завтрашний день, решаем и сегодняшние задачи,- отмечает один из участников экспериментальной программы, кандидат технических наук Г. Подпоркин.- На полигоне испытываются, например, компактные электрические линии, позволяющие многократно увеличить пропускную способность в том же классе напряжений. Исследования показали, что вопреки привычным представлениям можно значительно сблизить провода.
Но для этого потребовалось жестко закрепить их, ведь при ветре они могут схлестнуться, и тогда - короткое замыкание.
За кажущейся простотой этого решения - долгий поиск оптимального расстояния между проводами, месяцы испытаний на полигоне в разную погоду, при различных электрических режимах, проектирование и проверка оригинальных конструкций изоляторов.
Среди электротехников Ленинград иногда называют "высоковольтной столицей мира". Право на этот почетный, хотя и неофициальный титул поддерживают и работы исследователей на уникальном полигоне политехнического института, где создают и испытывают суперэнергомосты.
Металлический литиймишень для нейтрино
Вместе с огромными потоками энергии Солнце посылает на Землю нейтрино, которые образуются в недрах звезды при термоядерных реакциях.
Первые попытки зарегистрировать солнечные нейтрино относятся к 1946 году.
Полученные вплоть до последнего времени экспериментальные данные указывают, что на Землю приходит почти в 3 раза меньше солнечных нейтрино, чем предсказывает теория. Причин такого расхождения может быть несколько. Первая: неверны теоретические расчеты; нужно уточнить параметры ядерных взаимодействий, которые приводят к образованию нейтрино. Новые расчеты потребуют более высокой точности, а теоретики не всегда могут ее обеспечить. Вторая причина: неверна сама солнечная модель, а значит, возможно, неверны представления об эволюции звезд. Если, например, учесть процессы перемешивания вещества в недрах Солнца, то "теоретический" поток нейтрино станет меньше, но перемешивание противоречит нынешней модели Солнца. Третья причина: неверны сами представления о физических свойствах нейтрино. Возможно, в расчетах нужно учитывать хоть и небольшую, но отличную от нуля массу покоя нейтрино. Таким образом, расхождение между расчетами и экспериментальными данными сравнительно небольшое, но из-за него, возможно, придется пересмотреть некоторые фундаментальные устои физики. Если, конечно, не будут получены новые экспериментальные результаты.
Экспериментаторы ищут другие методы измерения потока нейтрино, приходящего на Землю. Часто предлагалось использовать в качестве мишени для нейтринного детектора ядро лития. Изотоп лития, взаимодействуя с нейтрино, образует радиоактивное ядро бериллия. Можно использовать в детекторе водный раствор соли хлористого лития, но это связано со многими трудностями.
В Институте ядерных исследований АН СССР предложили использовать в качестве мишени в нейтринном детекторе металлический литий, что позволит резко уменьшить объем самого детектора и снимет ряд других сложных проблем.
В металлическом детекторе, как и в любом другом, нужно решить сложную задачу: извлечь из лития буквально несколько атомов бериллия, которые образуются в нем под действием солнечных нейтрино. Исследователи показали, что если помещенный в металлический стакан литий расплавить в вакууме (литий очень активный химический элемент), а затем одновременно его охлаждать и продавливать через фильтр в дне стакана, то на фильтре собирается практически весь бериллий. Очевидно, бериллий в литиэвом слитке присутствует в виде соединений с кислородом и азотом - окисла и нитрида, которые кристаллизуются и выпадают в осадок раньше, чем литий. Поэтому жидкий литий проходит через фильтр, а бериллий на нем остается. Чтобы доказать эффективность предложенного метода, экспериментаторы облучили на циклотроне слиток лития весом 60 граммов. Энергичные протоны пронизывали образец и "нарабатывали" бериллий во всем объеме. После того как облученный образец расплавили и профильтровали, на фильтре собралось 98 процентов бериллия. Значит, предложенный метод позволит эффективно извлекать из лития практически все атомы бериллия, которые "нарабатывают" солнечные нейтрино. На следующем этапе "промежуточного" эксперимента новую методику предполагают испробовать на мишени из металлического лития массой 100 килограммов. Полномасштабный эксперимент потребует десятки тонн лития.
"Сверхсветовой мир"
Можно ли путешествовать во времени? Не мысленно, как это делают писатели-фантасты, а по-настоящему - с помощью определенных технических средств? Или, по крайней мере, построить "хроноскоп", который позволял бы рассматривать детали прошлого подобно тому, как микроскоп позволяет разглядывать мелкие детали в пространстве? Теория относительности научила нас, как ускорять и замедлять время. Теперь, казалось бы, остался один шаг - научиться его поворачивать. Что мешает этому? Только лишь наше неуменье, недостаток знаний или же какие-то фундаментальные законы? Физика XX века уже приучила нас к мысли, что многое из считавшегося ранее принципиально недопустимым может происходить в каких-то особых, специфических условиях. Действительно, формулы теоретической физики подсказывают, что, если бы удалось создать генератор лучей, обгоняющих свет, мы смогли бы высвечивать цепочки событий в обратном направлении - от настоящего в прошлое, а опыты на ускорителях элементарных частиц обнаружили явления, где противопоставление прошлого и будущего приводит к неоднозначности. Может, все же удастся создать "машину времени" и "хроноскоп" хотя бы в микромире? Поиском ответов на эти вопросы заняты многие физические лаборатории.
Скорость и время
В старой, ньютоновской физике время абсолютно - показания часов не зависят ни от скорости их движения, ни от каких-либо других причин. Часы на башне собора и в движущемся дилижансе всегда показывают одно и то же время. Иначе ведет себя время в современной физике быстродвижущихся тел. Стрелки перемещающихся часов идут медленнее неподвижных, их отставание будет тем заметнее, чем больше скорость движения.
Правда, даже для космических кораблей, пересекающих сегодня просторы космоса, отставание времени еще очень мало и станет ощутимым, когда их скорости возрастут по крайней мере в несколько сот раз. Но вот в мире элементарных частиц эффект замедления времени весьма заметен. Например, время жизни покоящегося мюмезона - около миллионной доли секунды, ничтожный миг; далее мю-мезон распадается на более легкие частицы. Однако быстрый мю-мезон, рожденный космической частицей в высотных слоях атмосферы, становится долгожителем. Он живет так долго, что успевает пройти сквозь всю толщу воздуха и распадается лишь глубоко под землей. Пользуясь эффектом замедления времени, физики транспортируют пучки ускоренных короткоживущих частиц на большие расстояния.
Подобное оборудование имеется во многих физических лабораториях.
Если движется не только наблюдаемое тело, но и сам наблюдатель, то его скорость тоже влияет на длительность происходящих с телом событий.
Например, длительность события будет различной в зависимости от того, наблюдают его с космодрома или с борта стремительно летящей ракеты.