Она является логическим продолжение и развитием темы, поднимаемой в их предыдущей статье.
***
Уникальна ли Жизнь? Только ли на Земле? Пока нет неопровержимых доказательств того, что Жизнь есть еще где-то во Вселенной.
Значит, уникальна сама Жизнь и уникальна Земля — ее носительница.
Сотни миллионов лет существования Жизни на Земле свидетельствуют о существовании равновесия между Жизнью и Землей (Природой). Но устойчиво ли это равновесие?
Было устойчиво. До 19 века. До «паробума». Именно с «оседланием» пара началось нарушение равновесия между Жизнью и Природой.
Производительность производства материальных благ с освоением паровой мощи невиданно возросла. Дальше — больше. В 20 веке — «электробум». С 21 века — «нанобум».
Энергетические потребности все нарастали и нарастают. Ускоренно. Энергоносители — уголь и углеводороды. То, что Природа захороняла в недрах Земли как останки и отходы жизнедеятельности биосферы. Торф, угли, нефть, природный газ, — определенно биологического происхождения. Они образовываются постоянно с момента зарождения Жизни.
Но то, что Природа делала, накапливала, хранила сотнями миллионов лет, человечество способно израсходовать в течение нескольких сотен лет. Такой дисбаланс скоростей образования и сжигания ископаемого топлива не может не привести к нарушению равновесия.
Избыточные выбросы в атмосферу тепла, углекислого газа, сопутствующих газов нарушают всю экосистему Земли. «Черная» угле-, углеводородная энергетика ведет к необратимому (не восстановимому) нарушению равновесия между Жизнью и Природой.
Для удовлетворения потребностей человечества в энергоресурсах требуется в год примерно 10 миллиардов тонн условного топлива. Теплота сгорания условного топлива — 7 000 ккал/кг. Львиная доля потребляемой энергии обеспечивается сжиганием углей, углеводородов. Такая «черная» энергетика уже привела к экологическим изменениям планетарного масштаба.
За последнее столетие средняя температура поднялась на 1 градус Цельсия. И уже это привело к таянию высокогорных и полярных шапок, к сокращению реликтовых снегов и льдов. В ближайшие же 40-70 лет ожидается повышение средней температуры на 3-5 градусов Цельсия. К чему это приведет? К Концу Света.
В конце XX века потепление климата становится постоянной темой обсуждения на международных, межправительственных, правительственных уровнях.
Ограничения выбросов парниковых и антиозоновых газов не приводят к заметной стабилизации экологической обстановки. Потепление климата продолжается. Средняя температура неуклонно повышается. Количество озоновых дыр увеличивается, а уже существующие — расширяются.
Промышленный прогресс нарастает, и в основе его — нарастающее сжигание углей и углеводородов, т.е. угле-, углеводородной энергетика, как электроэнергетика, так и транспортная энергетика (автомобили, суда, самолеты).
Увеличение доли атомной энергетики и возможное «оседлание» термоядерного синтеза в большой энергетике не дадут коренного изменения ситуации. Почему?
Потому что парниковыми газами являются не только углекислый газ и метан, но и пары воды. А атомные и термоядерные устройства, в конечном счете, производят пар, выбрасываемый в атмосферу, как паротурбинами, так и охлаждающими водными резервуарами — неотъемлемыми составляющих атомных и термоядерных комплексов.
Надежды, возлагаемые на «водородную энергетику», также не оправдываются, поскольку химическое сжигание водорода приводит к образованию паров воды.
Излишнее производство водяного пара, по сути, и по определению, присуще и геотермальной энергетике, и гидроэнергетике, и биоэнергетике.
К тому же они, ни в какой широкомасштабной реализации не способны обеспечить энергетические потребности расширяющейся производственной и бытовой жизнедеятельности человечества.
Но если ни угли, ни углеводороды, ни уран, ни дейтерий, ни водород не являются экологически стабилизирующими источниками энергии, что же может стать таковым? Подобный источник энергии должен удовлетворять как минимум следующим условиям:
— обладать высокой «энерготворностью», как углерод и водород;
— запасы его должны превосходить запасы углерода и водорода или быть
возобновляемым;
— побочные продукты энергопроизводства не должны выбрасываться в атмосферу, поскольку развивающееся потепление климата в основном обязано атмосферному «пребыванию» парниковых газов и водяных паров.
Есть ли в природе вообще такой источник энергии? Оказывается есть! И не один. Но мы рассмотрим пока один. Магний.
Во-первых, он обладает энерготворностью в два раза большей, чем водород, и в полтора раза большей, чем углерод, т.е. при окислении магния выделяется в соответствующее число раз больше энергии, чем при горении (окислении) водорода и углерода.
Во-вторых, содержание магния в земной коре превышает содержание углерода — главного энергоносителя.
Магний занимает седьмое место по распространенности в земной коре. Только в океанах, морях и соленых озерах содержится 10 в 20-й степени или 10 с 19-ю нулями килограммов магния. Астрономическая величина!
Магний — в каждом булыжнике, в каждой веточке, в каждой букашке, в каждом человеке. Без магния, также как без водорода, углерода, кислорода, азота не было бы самой жизни, поскольку без магния в своем составе хлорофилл не проводил бы фотосинтеза.
Недостаток магния в организме приводит к спазмам сосудов, повышенной утомляемости, депрессиям, предрасположенности к инфарктам.
В-третьих, оседая на поверхность Земли, магнезия (окись магния) превращается в гидроокись, различные магниевые соли, карбонаты, т.е. остается на Земле и является возобновляемым источником энергии.
В-четвертых, продукт горения (окисления) магния — магнезия, является твердым веществом и в атмосфере может пребывать ограниченное количество времени, причем только в виде наночастиц.
Малый круговорот магния в природе, в виде образования хлорофилла и разложения (горения, сжигания) биомассы уже существует. Использование же магния в качестве энергоносителя в большой энергетике вовлечет его в глобальный «круговорот магния в природе», подобный круговороту воды в природе.
Чего-либо вредного для биосферы «круговорот магния в природе» не предвещает, поскольку все кислородные соединения магния безопасны, более того, полезны для жизнедеятельности и флоры, и фауны, и людей.
Таким образом, переход на магниевую энергетику (Мg-энергетику) способен снизить угрозу глобального потепления климата, чреватого угрозой Конца Света.
Конечно, магний по сравнению с углем, нефтью, природным газом и другими используемыми энергоносителями гораздо дороже. Но нельзя забывать, что ресурсы всех используемых энергоносителей ограничены, запасы их прогрессивно истощаются, и неизбежно наступит время полного их изъятия из недр Земли.
И время это не за «горами тысячелетий», а за «холмами столетий». Поэтому, Мg-энергетику следует начинать осваивать уже сейчас. Чтобы «безэнержье» не застало человечество врасплох.
Вряд ли стоит ожидать, что компании, корпорации, правительства, человечество будут форсировать освоение дорогостоящей Мg-энергетики. Скорее всего, катастрофа глобального потепления климата будет надвигаться с гораздо большей скоростью, чем освоение экологически стабилизирующей Мg-энергетики.
И требуется более оперативное вмешательство в катастрофическое повышение средней температуры.
Для такого вмешательства очень кстати способ эффективного магнезиального охлаждения перегревающейся Земли с помощью отражающих солнечную радиацию светлых наночастиц магнезии, которые к тому же преобразовывают ультрафиолетовое излучение Солнца не в тепло, а в холодный видимый свет.
Утилизация ультрафиолетовых лучей в видимое излучение одновременно защищает биосферу от ультрафиолетовой угрозы под озоновыми дырами.
Проблема «Озоновых дыр» сопоставима с «Парниковой проблемой», т.е. ультрафиолетовая угроза, наряду с потеплением климата, — актуальная экологическая угроза XXI века.
Существуют мнения, согласно которым производственной деятельности человечества отводится незначительная роль в сокращении концентрации озона в атмосфере.
Правомерность их подтверждается тем фактом, что озоновые дыры возникают над полюсами, особенно, Антарктидой, где производственной деятельности человечества практически нет.
Более того, есть подозрение, что озоновые дыры существовали всегда. Просто измерять содержание озона в атмосфере стали только в XX веке. Причем дыр этих всегда было больше над южным полушарием, чем над северным.
Тому подтверждение — негроидная раса, возникшая именно в южном полушарии Земли. Больше ультрафиолета — больше загара, информация о котором со временем закрепилась на генетическом уровне.
Но какие бы причины возникновения озоновых дыр ни были, важно то, что де-факто озоновые дыры прогрессируют, т.е. их становится все больше. А это — нарастание ультрафиолетовой угрозы всему живому на Земле, в том числе и человечеству. Ультрафиолетовая угроза — глобальная угроза. Как отвести ее? Как уберечься?
Возможны два решения: глобальное и локальное (индивидуальное). Для обоих решений необходим «агент» (препарат, материал) и способ «активации агента». «Агент» этот должен обладать следующими свойствами:
— эффективно утилизировать ультрафиолетовые лучи, превращать их в нечто полезное, или, по меньшей мере — в безвредное для жизни;
— не порождать каких-либо опасных последствий применения;
Такими свойствами обладает магнезия, но не всякая, а только специальная, микропористая, наноструктурная.
Такая наномагнезия эффективно поглощает ультрафиолетовые лучи и преобразовывает их не в тепло, а в видимый свет. Магнезия при взаимодействии с молекулами воды постепенно переходит в гидроксид магния и соли магния, совершенно безвредные, более того, полезные для жизнедеятельности всех структур и организмов
Глобальное решение состоит в том, чтобы распылять частицы наномагнезии в атмосфере. Эти частицы в атмосфере будут отражать Солнечную радиацию — главную причину потепления климата, и преобразовывать ультрафиолетовые лучи в видимые. Распылять можно через трубы.
Труб на свете, как известно, очень много: трубы электростанций; трубы заводов и фабрик; трубы судов, автомобилей, самолетов; печные трубы. Не все же им «коптить небеса». Пусть работают, и на пользу.
Недорогостоящие «боковые» устройства к трубам позволят выпускать в атмосферу наночастицы наномагнезии.
Локальное (индивидуальное) решение состоит в применении жидкостных покрытий, содержащих наночастицы наномагнезии. Это могут быть неводные золи для растений и животных, которые можно разбрызгивать всеми известными способами и устройствами, например пульверизаторами, садовыми распылителями, тракторами, самолетами.
Для человека пригодны всевозможные мази, крема, лосьоны, которые «замешиваются» на неводных пленкообразователях и наночастицах наномагнезии. Конечно, эти препараты должны легко смываться водой.
Причем, препараты эти не обязательно только антизагарные. Светлые наночастицы наномагнезии не испортят никакую парфюмерию. Озоновые дыры бывают не только в теплые и жаркие сезоны, но и зимой. Поэтому содержание наномагнезии в широком ассортименте парфюмерной продукции гарантированно защитит человечество, особенно женщин, от ультрафиолетовой угрозы.
Несмотря на перспективы Мg-энергетики в деле восстановления равновесия между Жизнью и Природой, а также на возможности охлаждения Земли и защиты Жизни от ультрафиолетовой угрозы под озоновыми дырами в условиях Глобального потепления климата, вряд ли человечество (правительства, корпорации, компании) поторопится осваивать этот дорогостоящий способ энергообеспечения.
В лучшем случае пока можно ожидать лишь ограниченное применение Мg-энергетики. Такое освоение не может заметно сдвинуть «черную» энергетику. Необходима более дешевая и более «привычная для слуха», «чистая» энергетика.
На такую роль может претендовать Солнечная. Если годовой «приход» Солнечной энергии на Землю перевести в условное топливо, то он составит 100 триллионов тонн.
Это в 10 тысяч раз больше энергетической потребности человечества. Если бы человечество смогло использовать для своего энергопотребления хотя бы 0,1% солнечной энергии, т.е. 100 миллиардов тонн того самого условного топлива в год, то оно в 10-ти кратном размере обеспечило бы свои годовые энергозапросы и решило бы проблему энергообеспечения на многие века.
Однако, не все так просто. Прямой преобразование чистой Солнечной энергии в электричество не очень эффективно. Получить электрический ток с помощью фотоэффекта впервые удалось советским физикам в 30-х годах прошлого века в Физико-техническом институте, созданном и руководившемся академиком А.Ф. Иоффе.
Эффективность или коэффициент полезного действия (КПД) первых солнечных элементов составлял 1%, т.е. в электричество преобразовывался лишь 1% падавшей на элемент солнечной энергии. Но была положена идейная основа «чистой» солнечной энергетики.
В 1954 году американцы Пирсон, Фуллер и Чапин запатентовали Солнечный элемент с КПД уже в 6%. И с 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основными источниками электричества на советских и американских космических аппаратах.
В 70-х годах прошедшего века КПД солнечных элементов приблизился к 10-процентной отметке. Для космических кораблей и сооружений (станций) этого вполне хватало, но для широкого наземного использования солнечные батареи из дорогостоящего монокристаллического кремния энергетически не оправдывали затрат.
В 90-х годах прошлого столетия человечество (страны, правительства, международные организации), осознав ограниченность запасов «черных» энергоносителей, приступило к более энергичным поискам «чистой», экологически безопасной энергетики.
Среди других направлений (атомная энергетика, гидроэнергетика, ветроэнергетика, биоэнергетика) солнечная энергетика, конечно же, привлекала особе внимание ученых, ввиду ее потенциальной мощности. Исследования и разработки Солнечных элементов значительно интенсифицировались.
Особенно большой прогресс получили солнечные элементы не из кремния, а из сложных полупроводниковых соединений, КПД которых значительно превосходит теоретические КПД пленочного, блочно-кристаллического и монокристаллического кремния (от 12 до 23%).
Последнее достижение — солнечный элемент на основе GaP, GaAs и InGaAsN представляет четырехслойной пирог: верхний состоит из сплава индий-фосфид галлия, второй — из арсенида галлия, третий — из 2% азота с «индием в арсениде галлия» и четвертый — германиевый.
Каждый слой поглощает (и преобразовывает в электричество) свет определенного диапазона длин волн. Первый поглощает зеленый и желтый, второй — от зеленого до глубокого красного, третий поглощает между глубоким красным и инфракрасным, и четвертый — от инфракрасного и дальше.
В наиболее распространенных ныне солнечных элементах используются либо кремний, либо двухслойные панели, составленные из слоя индий-фосфид галлия и слоя арсенида галлия. Кремниевые элементы имеют максимальный теоретический КПД около 23%, а двухслойные (фосфид галлия — индий/арсенид галлия») — примерно 30%.
В настоящее время наибольший КПД 4-слойных солнечных элементов составляет 40,7%. В них использован так называемый феномен мультизоны или гетеропереход — это несколько тончайших слоев различных полупроводников, способных захватывать фотоны разных длин волн и перекрывать более широкий спектр излучения, чем обычные солнечные элементы.
Итак, к настоящему времени достигнут КПД в 40,7%. Но это еще опытные образцы сложных и дорогих специальных солнечных элементов. Широкое же распространение получают пока только кремниевые солнечные элементы, у которых реальный КПД лежит в диапазоне 12-18%. Низкий КПД кремниевого солнечного элемента обусловлен тем, что он работает на узком диапазоне спектра солнечного излучения в области оранжево-красного света. Остальная часть спектра попросту не участвует в выработке электричества, а превращается в тепло, вызывая нежелательный нагрев прибора.
В новейших солнечных элементах повышение КПД достигается за счет расширения спектра «действенного» солнечного излучения путем усложнения конструкции до 4-слойного пирога. Но и при этом, как упоминалось выше, вовлекаются в действие только зеленые, желтые, оранжевые, красные и инфракрасные лучи солнечного света.
Остальная же часть богатого солнечного спектра, от ультрафиолетового до зеленого, вместе с фиолетовым, синим и голубым полностью исключена из «полезного» фотоэлектрического преобразования. Именно это — главное препятствие в деле оттеснения «черной» энергетики.
Однако, и оно уже «поддается». К примеру, по ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения. Фактически уже разработаны материал и способ, позволяющие повысить КПД солнечного элемента. Это — все та же наномагнезия или наноструктурная магнезия, получаемая на открытом воздухе, и предназначенная для широкого применения в приборах, устройства и процессах, имеющих непосредственное отношение к ультрафиолетовым облучениям, от разрядных источников света до «Озоновых дыр» ( http://www.express-k.kz/show_article.php?art_id=5673).
Чтобы «заработала» ультрафиолетовая составляющая солнечного спектра, необходимо «организовать» предварительное преобразование ультрафиолетовых лучей в видимые, причем того диапазона длин волн, на котором работает конкретный тип солнечного элемента.
В случае кремниевого солнечного элемента спектральный диапазон — оранжево-красный. Материал на основе наномагнезии «успешно» преобразовывает ультрафиолетовые лучи в оранжево-красные. С помощью дополнительного слоя наномагнезии можно добиться повышения КПД на 5-7%.
Если бы удалось задействовать в фотоэлектрическом преобразовании кремниевых элементов фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый и инфракрасный части солнечного спектра, то реальный КПД можно было бы поднять еще на 15-20%.
Тогда эффективность преобразования солнечной энергии достигнет 32-50%.
И «чистая» солнечная энергетика станет вполне конкурентоспособной «черной» энергетике, т.е. цены «чистой» и «черной» энергий станут сопоставимы, и чистая энергетика станет повседневной реальностью.
Нет сомнений в том, что прогнозируемые уровни эффективности преобразования солнечной энергии реально достижимы.
Уже достигнуто с помощью наномагнезиального нанопокрытия превышение уровня эффективности ламп дневного света «Philips»на 18-30%, а долговечности — в … 100 раз!
Таким образом, замена «черной» энергетики альтернативной «чистой» энергетикой с помощью Mg-энергетики и наномагнезии вполне реальна.
Необходима только воля человечества (правительств, корпораций, компаний) восстановить равновесие между Жизнью и Природой. Восстановить то, что нарушило само человечество. Покаяние перед Природой. Обретение чистой энергетики.
Вот формула восстановления равновесия между Жизнью и Природой. Во имя мирного сосуществования Жизни и Природы, сохранения Природы в Жизни и человечества в Природе.
P.S. Обсудить злободневную проблему и предлагаемые решения можно на нашем Форуме по теме «Формула прогресса», и напрямую, по электронному адресу: kimamsegoo@mail.ru.
Фото с сайта http://galspace.spb.ru