Что будет, когда все закончится. Из чего на Земле будут добывать энергию после исчерпания всех запасов нефти, газа, урана и угля

Через 178 лет единственным ископаемым источником энергии на Земле останется торф. По данным компании British Petroleum, в 2056 г. закончатся все разведанные на сегодняшний день запасы нефти, к 2077 г. не станет урана, к 2079 г. будет сожжен последний кубометр газа, а в 2178 г. в топке исчезнет последняя лопата каменного угля. 

Торф же, по разным оценкам, сохранится еще 3–5 тыс. лет. Но это при нынешних темпах потребления ископаемых энергоресурсов. Если же человечество будет наращивать промышленное производство, энергетический голод наступит намного раньше. Поскольку солнечной, ветряной и водной генерации, мусорных отходов, биомассы, торфа и дров на всех все равно не хватит, человечеству придется изощряться и добывать энергию с помощью магнитных полей, водорода, соленой воды, со дна океана и даже из космоса. 

Космические технологии
После того как ископаемые ресурсы закончатся, самым логичным шагом станет интенсивное развитие уже существующих видов альтернативной энергетики. В первую очередь энергии солнца, ветра и воды. Главный вопрос: как сделать эти источники максимально эффективными, чтобы они из альтернативы превратились в основу мирового энергоснабжения.
Основным направлением в «приручении» солнца является энергетическое освоение космоса. Схема работы такой установки достаточно проста: на орбите, не будучи отделенными от Солнца слоями атмосферы, огромные солнечные батареи смогут генерировать ток круглосуточно и в огромном количестве: ведь эффективность их работы в сравнении с обычными наземными солнечными установками увеличивается в четыре раза. За счет этого, как предполагается, мегаватт космической энергии будет стоить в шесть-семь раз дешевле земной. Кроме того, существенное достоинство космической энергии состоит в том, что вырабатываемое при ее производстве тепло будет сбрасываться в космос, а значит, не станет нагревать атмосферу, что крайне важно в свете проблемы глобального потепления.
Передавать на Землю энергию можно с помощью лазерного луча, микроволн или других, пока еще не разработанных технологий. Недостатком этой технологии является негативное влияние СВЧ-волн на ионосферу Земли, живые организмы и работу электроники. Например, полеты авиации над станциями-приемниками придется запретить. Кроме того, луч из-за большого расстояния рассеивается, а установка по его приему займет десятки километров.
Власти Калифорнии уже одобрили первый контракт, согласно которому американская компания Solaren обязуется доставить на Землю «партию» произведенного на орбите электричества уже в 2016 г. Компании NEC, Sharp, Mitsubishi Electric и Fujitsu участвуют в подобном проекте японского правительства.
С солнечной энергией связана и одна из наиболее футуристических идей о перестройке всей мировой экономики. Поскольку почти 90% всех потребителей электроэнергии — это промышленные предприятия, ряд из них, в первую очередь экологически вредных, ученые предлагают в среднесрочной перспективе вынести за пределы планеты, например на Луну. Потребляя там «вредную» энергию Солнца, заводы не будут загрязнять атмосферу, а потребности в электроэнергии на Земле снизятся в разы. Их вполне смогут обеспечить гидроэлектростанции, ветряки и обычные солнечные батареи.
Космическую энергию можно получать не только от Солнца. Ученые допускают, что на других небесных телах есть энергоносители, по своей мощности во много раз превосходящие имеющиеся земные. В поверхностных слоях лунного грунта, например, найдены запасы гелия-3, который на Земле отсутствует. Предполагается, что получить термоядерную энергию из этого изотопа проще, чем из других. Считанные килограммы гелия-3 удовлетворят годовую потребность в энергии всего человечества.

Водное поло
Развитие гидроэнергетики сконцентрируется сразу на нескольких источниках энергоресурсов мирового океана. Прежде всего речь идет об использовании энергии приливов и отливов. Ее получают с помощью турбины, установленной на входе в зону прилива (это может быть как естественный, так и искустственный морской залив). Водная масса приводит в движение лопасти турбины во время прилива и отлива. Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза: каждые 6 ч 12 мин. из-за силы притяжений Луны и Солнца. Максимальная амплитуда приливов в разных местах составляет от 4 до 20 м. Сегодня ученые находят все больше точек на земном шаре, где такие свойства этого природного явления можно было бы использовать максимально эффективно. Например, применять несколько уровней бассейнов, чтобы генерация происходила круглосуточно. Ближайшие разработки будут связаны с использованием на приливных ГЭС так называемой турбины Горлова — небольшой трубы со спиралевидными лопастями, которая вращается в два-три раза быстрее течения и не требует сооружения плотины для генерации электроэнергии.
Потенциальным источником энергии являются мощные океанические течения. Энергию можно извлекать уже при скорости потока более 1 м/с. Потенциальная мощность энергии, получаемой от 1 кв. м поперечного сечения потока, составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн куб. м воды со скоростью до
2 м/с, и Флоридского течения (30 млн куб. м со скоростью до 1,8 м/с). Также многообещающими являются течения в Гибралтарском проливе, Ла-Манше и между Курильскими островами. Главной проблемой, над которой бьются научные круги, является создание компактных генерационных установок, которые бы не мешали судоходству. Самый масштабный экспериментальный проект по установке таких турбин около полуострова Флорида в США предполагает, что полезная мощность всей конструкции составит более 10 ГВт. То есть тройная мощность Южно-Украинской АЭС.
Одним из перспективных направлений извлечения энергии с поверхности мирового океана являются волновые электростанции, преобразующие механическую энергию волн в электрическую. Принцип работы таких электростанций прост: изменение уровня воды в специальном буе, расположенном на поверхности моря, соответственно меняет уровень находящегося в нем воздуха, что и приводит в действие турбину. Даже сравнительно небольшие волны (около 35 см) заставляют турбину развивать более 2 тыс. оборотов в минуту. Такая конструкция была разработана Константином Циолковским еще в 30-х годах прошлого столетия. Его последователи усовершенствовали волновую электрогенерацию, сохранив принцип действия «давление в обмен на энергию». В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков или отдельных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Крупные установки, разработками которых будут заниматься ученые в ближайшие десятилетия, позволят полностью обеспечивать электроэнергией островные государства (скажем, Великобританию или Исландию).
Еще одним океаническим источником энергоресурсов является находящийся под водой метан. В открытом океане он содержится, как правило, в связанном виде — в форме твердых гидратов. Их образование происходит под воздействием высокого давления и низкой температуры, в том числе и при наступлении континентальной плиты на океаническую. Одна из таких тектонических зон находится у западного побережья Северной Америки. Общие залежи метана в океане оцениваются в 10 трлн т. Считается, что в них хранится до половины углерода, имеющегося на планете. Однако добыча метана из океанических вод сопряжена с рядом проблем. Во-первых, выбросы этого газа с поверхности воды могут оказаться гораздо более серьезной причиной глобального потепления, чем выбросы промышленных предприятий всего мира. Ведь из 1 куб. м гидрата, извлеченного с морского дна, выделяется 164 кубометра газообразного метана. Во-вторых, вызывает вопросы и безопасность добычи метана из газогидратов. Дело в том, что их залежи располагаются на крутых склонах, на глубинах от 300 до 1000 м и являются своеобразным стабилизатором морского дна геологически-активных регионов. Широкомасштабная разработка месторождений может вызвать подводные оползни и, как следствие, разрушительные приливные волны — цунами. Не говоря уже об обычных для угольных шахт аварийных выбросах метана в атмосферу.
Последним из перспективных «водных» видов получения энергии является выпаривание соленой воды с помощью радиоволн в аппарате Канзиуса. В такой установке радиоволны ослабляют связи между компонентами воды и высвобождают водород. От искры водород воспламеняется и горит ровным пламенем, температура которого, как показывают эксперименты, может превышать 1600оС. При этом воду не надо подвергать специальной очистке, хотя разная соленость и разные дополнительно растворенные вещества влияют на температуру и окраску пламени. Если будет доказано, что аппарат энергетически оправдан (получаемая энергия превышает энергию, затрачиваемую на генерацию радиоволн) и может использоваться для приведения в действие достаточно тяжелой техники, например автомобилей, то это произведет революцию в топливной отрасли. Ведь соленая вода доступна почти в любом уголке Земли. А сам аппарат для окружающей среды безвреден: отходом производства является кислород и соль.
Более апробированным на данный момент является высвобождение водорода из воды посредством электрического тока. Однако, поскольку сегодня этот процесс достаточно дорогостоящий (в соотношении затраченных сил и средств на одну единицу добытого водорода), ученые работают над так называемым сверхэффективным электролизом. Например, существенно повышает эффективность процесса использование различных электролитов (добавок, увеличивающих электрическую проводимость воды). В 1957 г. исследователем Фридманом (США) был запатентован специальный металлический сплав свинца и цинка, при использовании которого вода разлагается на водород и кислород. Процесс, протекающий без использования электрического тока, не приводит к химическим изменениям в самой структуре металла. Это значит, что при помощи данного металлического сплава в будущем будет возможно непрерывное получение водорода из воды.

Энергия далекого будущего
Ряд видов энергии сегодня добывается только в экспериментальных условиях. Однако вполне возможно, что в условиях энергодефицита именно эти источники станут ведущими для человечества. Первой в этом списке является термоядерная энергия, то есть энергия расщепления трития и дейтерия (тяжелый водород), содержащихся в неисчерпаемых количествах в воде океанов. Суть схемы работы установок, расчленяющих атомы этих элементов, состоит в том, что в результате ядерной реакции иным становится строение атомного ядра — гораздо более прочного, чем атом. Поэтому при распаде тяжелых ядер (в реакции деления) или, наоборот, при слиянии легких (в реакциях синтеза), когда образуются ядра элементов средней массы, выделяется огромное количество энергии. Для дейтерия количество этой энергии в пять раз больше, чем для урана, который расщепляют на традиционных АЭС. Трития — почти в 20 раз. Дейтерия, содержащегося в стакане воды, достаточно, чтобы произвести столько же энергии, сколько можно получить при сгорании бочки бензина.
Источником энергии будущего также могут стать постоянные магниты. Ученые уже разработали до десятка конструкций электромоторов, генераторов и нагревателей, работающих на постоянных магнитах. Подобное устройство, получив 100 Вт электричества от источника питания, вырабатывает 1,23 Вт-ч тепла. Некоторые установки из 6 Вт исходной энергии вырабатывают ток мощностью 96 Вт. На принципе двух магнитов работают и некоторые механические нагреватели, которые представляют собой два цилиндра, один из которых вращается в другом. При этом жидкость, расположенная между внутренней стенкой внешнего цилиндра и внешней стенкой внутреннего, нагревается и является энергоносителем, способным отдавать в десять раз больше тепла, чем при традиционном нагревании с таким же количеством используемой энергии.
Еще одним видом футуристической идееи энергетики является холодный ядерный синтез. То есть ядерная реакция с выделением тепла без значительного нагревания рабочего вещества, в то время как традиционные ядерные реакции проходят при очень высоких температурах. Но за последние 50 лет, несмотря на доказанную теоретическую возможность осуществления холодного синтеза, удачных опытов так и не было поставлено.
Наиболее же неизведанной и потому интересной для ученых является методика добычи так называемой радиантной энергии, разработками по извлечению которой в начале XX в. занимался гениальный сербский физик Никола Тесла. Пояснить происхождение радиантной энергии можно так: воздух изначально ионизирован и выделяет много зарядов, которые можно «всосать» в конденсатор, подключив его к электросети. А затем, в свою очередь, разрядить в сеть или непосредственно в электроприбор. Механизм получения радиантной энергии позволяет усиливать мощность источника от десятков до тысяч раз.
Пока большинство проектов по изобретению «вечных двигателей», «топлива будущего», «энергии из воздуха» и прочих футуристических энергосистем пребывают преимущественно в экспериментальном состоянии. Но за ближайших 100–150 лет ученым предстоит сделать прорыв, поскольку успешность их опытов будет уже не просто научными изысками во имя абстрактных будущих поколений, а жизненной необходимостью для современников.