Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

Начнем с того, что напомним истину, с которой согласны сейчас все: единственно правильное, научно обоснованное направление развития энергетики — такое, которое позволяло бы наращивать ее мощности в необходимом человечеству темпе, но так, чтобы сохранить (и даже улучшить) окружающую природную среду. Если дальше наращивать энергетические мощности, не задумываясь о локальных и глобальных экологических последствиях, или откладывать заботы об этом на будущее, то последствия могут быть опасными. Каковы же намечаемые наукой пути развития энергетики, позволяющие решить эту задачу так, чтобы одновременно выполнить оба требования?

Ясно, что при настоящем научном подходе нужно оставить в стороне псевдоэнергетику, которая хотя и обещает все, но, как мы знаем, не сулит в реальности ничего, поскольку надеется «обмануть природу». Остается рассчитывать только на те энергетические ресурсы, об использовании которых «можно договориться с природой».

Чтобы установить, каковы они, нужно прежде всего с принципиальных позиций рассмотреть энергетический баланс нашей планеты (в широком смысле слова, учитывая не только его количественную, но и качественную сторону).

Начнем с общего энергетического баланса, не вникая пока в его качественные аспекты. Земля получает от Солнца примерно 170∙10¹⁵ Вт энергии [1.11]. Около 34% этого количества сразу отражается в космос. Остальная часть участвует в различных превращениях в атмосфере, гидросфере и на поверхности Земли, после чего тоже уходит в мировое пространство. Таким образом, вся полученная от солнца энергия, независимо от ее путей на Земле, в конечном счете излучается в космос. Земля себе ничего не оставляет. Именно этим объясняется относительно стационарное тепловое состояние Земли (W₁ = Wʺ, ΔW = 0).

Небольшие отклонения от этого баланса связаны с двумя факторами.

Первый из них — это фотосинтез — поглощение излучения растениями Земли с образованием соответствующей органической массы. Эта энергия, колоссальная по абсолютной величине (300∙10¹² Вт), забирает всего около 0,2% мощности падающего на Землю излучения.

Второй фактор — антропогенный, связанный с деятельностью человека. Высвобождая и используя энергию невозобновляемых природных ресурсов — топлива, человечество несколько увеличивает выделение энергии на Земле. Это количество выделяемой энергии относительно невелико (около 7∙10¹² Вт) — почти в 50 раз меньше, чем поглощается при фотосинтезе. Очевидно, что оба фактора (особенно второй) не могут пока существенно сказаться на энергетическом балансе Земли.

Энтропийный баланс Земли выглядит совсем иначе, чем энергетический. Поступающее на Землю солнечное излучение характеризуется весьма малой энтропией, так как температура этого излучения примерно 5800 К. Напротив, равное количественно получаемому от Солнца излучение Земли соответствует в среднем намного более низкой температуре, близкой к 300 К.

Очевидно, поэтому, отдаваемая Землей энтропия существенно больше, чем получаемая; все проходящие на Земле процессы ведут в итоге, как и положено по термодинамике, к возрастанию энтропии. Никакой «энергоинверсией» здесь и не пахнет. Энтропийный баланс, показывая общую физическую картину качественного изменения характеристики энергии, не определяет, как известно, значения полезной, пригодной для использования энергии. Чтобы их выявить, необходимо использовать эксергетический баланс.

Эксергетический баланс Земли определяется прежде всего его приходной частью. Поток лучистой энергии, поступающей от Солнца, характеризуется высокой эксергией, составляющей примерно 0,93 его значения. Следовательно, поступающий на Землю поток эксергии составляет около 0,93∙170∙10¹⁵ Вт = 158∙10¹⁵ Вт, из которых 34% сразу отражается в космос. Таким образом, до поверхности Земли доходит эксергетический поток E' = 158∙10¹⁵ ∙ 0,66 = 104∙10¹⁵ Вт. Покидающий Землю поток эксергии относительно мал. С точки зрения земной энергетики его можно не учитывать, так как для Земли средняя температура окружающей среды составляет примерно 300 К (использовать в качестве теплоприемника низкую температуру равновесного излучения космоса можно с определенными ограничениями только вне Земли). Таким образом, «пропуская» всю энергию, получаемую от Солнца, Земля «оставляет» себе ее эксергию. Величина E’ представляет собой тот основной резерв[94] возобновляемых источников эксергии, который в принципе может быть использован человечеством без влияния на энергетический баланс планеты. Эта эксергия (т. е. все создаваемые ею разности потенциалов — давлений, температур, концентраций) все равно «срабатывается» природой — большей частью бесполезно для человека (за исключением той ее небольшой части, которая идет на фотосинтез, и перепадов давлений воды и воздуха, используемых на гидро- и ветроэлектростанциях).