Процесс получения энергии за несколько веков человеческой истории не слишком изменился. Если раньше люди отправляли бревна в личный костер, сегодня растения в ископаемом виде сжигаются в промышленных объемах.
Тем не менее нефть и другие углеводороды постепенно вытесняются альтернативными источниками. Самые «популярные» среди них – солнечный свет и ветер. Однако это далеко не все идеи энергетики будущего. Собрали предложения от ученых и инженеров.
Электричество из воздуха
В 2020 году научный коллектив из Массачусетского университета разработал устройство Air-gen. Основной элемент этого генератора – сверхтонкая пленка из белковых нанонитей. Волокна «вырастили» с помощью бактерий Geobacter Sulfurreducens, а затем материал толщиной меньше человеческого волоса поместили между электродами из золота.
Ученые объяснили выработку электричества градиентом влажности, который образуется внутри пленки. Энергия вырабатывается в результате ионизации карбоксильных групп на поверхности белковых нитей под воздействием молекул воды. В результате появляются подвижные протоны, которые выступают в качестве носителей заряда.
В состоянии покоя генератор дает около 0,52 вольта. При работе на протяжении 20 часов напряжение падает на треть, однако после отключения устройство восстанавливается и начинает создавать ток с теми же характеристиками. С помощью сети из нескольких приборов ученые смогли обеспечить энергией светодиод, а также «запитать» небольшую ЖК-панель.
Пока мощности Air-gen хватает только на питание мелкой электроники. Однако исследователи видят широкие перспективы использования своей разработки. Например, если уложить белковую пленку по принципу один слой – один воздушный зазор, генератор сможет вырабатывать 1 киловатт на кубический метр вне зависимости от погоды, считают ученые. Потенциально это лучший результат по сравнению с эффективностью солнечных батарей, которые занимают много места и к тому же зависят от освещенности территории.
Термоядерная энергетика
Естественный термоядерный реактор — это Солнце. На звезде постоянно происходят соединения заряженных атомных ядер, что сопровождается выбросом гигантского количества энергии. Чтобы повторить эти процессы на Земле, необходимо разогнать ядра с помощью ускорения или нагрева. Вот тут и возникает проблема: на это уходит больше энергии, чем вырабатывают существующие на данный момент устройства.
Например, рекордом генератора NIF (National Ignition Facility) является результат в 70% от затраченной энергии. Этот реактор фокусирует свет от 192 импульсных лазеров на золотой мишени, окружающей капсулу с дейтерий-тритиевой смесью. За несколько наносекунд золото испаряется и испускает рентгеновские лучи. Они облучают капсулу, превращая смесь внутри в раскаленную плазму. В результате происходит синтез атомных ядер.
NIF — только один из типов термоядерных реакторов. Более «популярными» являются так называемые токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками). В их основе — магнитная катушка, которая удерживает плазму внутри своеобразного «бублика» и не дает раскаленному веществу коснуться стенок. Плазма нагревается микроволновым излучением и резистивным нагревом от протекающего тока.
Всего в мире где-то 300 токамаков, самый большой из которых — проект ITER. Он находится на этапе строительства, однако ученые надеются, что этот реактор сможет наконец выделить энергию в 10 раз больше затрачиваемой на нагрев и удержание плазмы.
ITER — далеко не коммерческий проект. Нейтроны будут выходить в обычные бетонные стены здания, так что во время работы установки людей внутри не будет. Виталий Красильников, участник строительства токамака, рассказал, что практического применения реактора раньше 2050 года ждать не стоит.
Тем не менее эффективный термоядерный синтез мог бы подарить человечеству почти бесконечную чистую энергию. Возможно, поэтому редакция авторитетного издания MIT Technology Review включила реакторы на основе ядерного синтеза в список самых перспективных технологий 2022 года.
Пьезоэлектрические вирусы
Пьезоэлектрический эффект, или возникновение электрического тока при механическом давлении, был открыт еще в XIX веке. Сегодня он применяется, например, в зажигалках, когда после нажатия кнопки образуется искра.
Научный коллектив из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли обнаружил пьезоэлектрические свойства у органических соединений с упорядоченной клеточной структурой: слабыми пьезоэлектриками оказались кости и коллагены из хрящей и сухожилий. Значит, можно соорудить конструкцию из протеинов с теми же характеристиками, предположили ученые и создали генетически модифицированный вариант вируса M13.
Белковая оболочка этого безвредного организма построена так, что при механической деформации на ее поверхности возникает ассиметрия распределения положительных и отрицательных зарядов. Такой «перекос» приводит к появлению электрического тока в проводнике, подключенном к разным концам пьезоэлектрика.
Ученые отлили тонкую пленку из раствора частиц вирусов, а затем сконструировали пьезоэлектрический генератор из 20-ти слоев. Оказалось, что этот аппарат создает напряжение, которого хватит для питания ЖК-дисплея.
Конечно, существуют и более изученные пьезоэлектрики. Но в отличие от органических материалов, структуру вирусов можно относительно легко модифицировать, чтобы улучшить свойства генератора. Теоретически, разработку американских ученых можно использовать в больших городах, встраивая «вирусные» реакторы в дорожное покрытие: каждым своим шагом люди будут вырабатывать энергию. Однако эта идея звучит очень смело, и в своем исследовании физики предлагают начать с подошвы на ботинках.
Геотермальная и петротермальная энергетика
В основе большинства современных электростанций лежит принцип вращения турбины за счет пара. Чтобы его получить, используют разные способы нагрева воды: от сжигания угля до проведения ядерных реакций. Однако в некоторых точках под поверхностью Земли жидкость уже имеет высокую температуру. Остается только добраться до нее и направить в нужное «русло».
Например, в Исландии в 2016 году пробурили скважину до магматической камеры, где расплавленная горная порода нагревает воду, проникающую сквозь морское дно. Там температура жидкости достигает 1000 градусов.
При таких экстремальных температурах вода находится в состоянии, называемом сверхкритичным: она ведет себя ни как истинная жидкость и ни как истинный газ. В таком состоянии она может давать в 10 раз больше энергии, чем традиционные геотермальные источники.
Однако найти разогретый подземный источник — редкая удача, поэтому ученые придумали альтернативный вариант. Если воды под землей нет, ее надо туда закачать. Петротермальный подход предполагает закачку жидкости в глубокую скважину с разогретой породой, где она превращается в пар и возвращается обратно в турбину электростанции.
Петротермальный метод получения энергии предполагает две скважины, и, конечно, соединить их под землей на глубине несколько километров невозможно. Эта задача решается с помощью технологии гидроразрыва, когда по одной из скважин закачивается вода под давлением, разрывающая пласт. Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.
Казалось бы, универсальная альтернативная технология добычи энергии. Однако во всем мире работают только 22 петротермальных электростанции. Во-первых, это связано со сложностями строительства. Бурление скважин и гидроразрывы могут вызывать землетрясения, что естественно не нравится жителям ближайших поселений. Так, из-за общественных протестов закрыли проект в окрестностях Базеля в Швейцарии.
Во-вторых, петротермальные электростанции требует больших вложений на геологоразведку и постройку. Кроме того, жидкость из земных глубин насыщена тяжелыми материалами и газами. Это значит, что дорогостоящее оборудование будет быстро изнашиваться. Поэтому пока петротермальная технология добычи энергии остается возможным вариантом на будущее.
Ветер и солнечный свет как альтернативные источники энергии не просто так пользуются большой популярностью: другие идеи по замене углеводородов пока что сложно использовать за пределами лабораторий и экспериментов. Однако, возможно, через несколько лет термоядерный источник вблизи города или тротуар со встроенным вирусным реактором уже не будут казаться чем-то инновационным.
