Цифры не лгут. 71 факт, важный для понимания всего на свете

Человеком, который убедил ВМФ США использовать на спутнике Vanguard 1 не только батареи, был инженер-электронщик Ханс Зиглер. В 1960-е гг. фотоэлементы смогли обеспечить электропитание более крупных спутников, что произвело революцию в таких областях, как телекоммуникация, космическая разведка, предсказание погоды и мониторинг экосистем. По мере уменьшения стоимости расширялась сфера применения, и фотоэлементы стали источником энергии для огней на маяках, на нефтяных и газовых буровых установках, работающих в открытом море, и на железнодорожных переездах.

Я купил свой первый научный калькулятор на солнечных батареях – модель TI35 Galaxy Solar компании Texas Instruments – в 1985 г., как только он поступил в продажу. Его четыре фотоэлемента (каждый площадью примерно 170 мм²) до сих пор служат мне верой и правдой, хотя прошло уже больше 30 лет.

Но генерация электроэнергии в промышленных масштабах стала возможной только после еще большего снижения цен на фотовольтаические модули. В 2000 г. во всем мире модули солнечных батарей вырабатывали меньше 0,01 % электроэнергии, десять лет спустя эта доля увеличилась более чем на порядок, до 0,16 %, а в 2018 г. – до 2,2 %; это по-прежнему немного, если сравнивать с долей электричества, произведенного гидроэлектростанциями (почти 16 % в 2018 г.). В некоторых солнечных регионах электроэнергия, получаемая от солнечных батарей, вносит существенный вклад в общий баланс, но во всемирном масштабе предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем она сможет конкурировать с водопадами.

Даже самый оптимистичный прогноз, данный Международным агентством по возобновляемым источникам энергии, не предполагает, что к 2030 г. этот разрыв удастся преодолеть. Однако к тому времени на фотоэлементы будет приходиться до 10 % электроэнергии, вырабатываемой во всем мире, – через 70 лет после того, как маленькие солнечные элементы спутника Vanguard 1 обеспечили работу передатчика-маяка, и почти через 150 лет после того, как был открыт фотовольтаический эффект в твердом теле. Энергетические переходы во всемирном масштабе требуют времени.

Солнечный свет: все еще вне конкуренции

Прогресс цивилизации можно проследить по уровню освещения – в первую очередь по его мощности, стоимости и светоотдаче. Последний показатель отражает способность источника света вызывать значимую реакцию в глазу и вычисляется как общий световой поток (в люменах), деленный на номинальную мощность (в ваттах).

В фотопических условиях (то есть при ярком освещении, позволяющем различать цвета) светоотдача видимого света достигает пика на величине 683 лм/Вт – это максимум для волны длиной 555 нанометров (нм), которая находится в зеленой части спектра, и этот цвет при любом уровне мощности кажется самым ярким.

На протяжении многих тысячелетий наши источники искусственного освещения отставали от этого теоретического максимума на три порядка. Свечи имеют светоотдачу всего от 0,2 до 0,3 лм/Вт, фонари со светильным газом (освещавшие европейские города в XIX в.) – в 5–6 раз больше, а эффективность угольных нитей первых лампочек Эдисона оставалась примерно на том же уровне. Светоотдача резко увеличилась с появлением металлических нитей из осмия (1898; 5,5 лм/Вт) и тантала (1901; 7 лм/Вт); по прошествии еще десяти лет вольфрамовая нить в колбе, наполненной смесью азота и аргона, повысила светоотдачу обычных бытовых ламп до 12 лм/Вт, а витая вольфрамовая нить, появившаяся в 1934 г., довела ее до 15 лм/Вт для 100-ваттных ламп, которые стали стандартным источником яркого света в первые два десятилетия после Второй мировой войны.

Источники света с другим принципом действия – лампы низкого давления, натриевые и ртутные (флуоресцентные) – появились в 1930-х гг., но широкое распространение получили только в 1950-х. Лучшие современные флуоресцентные лампы с электронным балластом имеют светоотдачу на уровне 100 лм/Вт; натриевые лампы высокого давления – до 150 лм/Вт; натриевые лампы низкого давления – до 200 лм/Вт. Однако натриевые лампы излучают только монохроматический желтый свет с длиной волны 589 нм, и поэтому их не используют в помещениях: они пригодны лишь для освещения улиц.