На грани экологии

Сегодня все мы по грустному эмпирическому опыту поняли: привычный нам климат изменился окончательно. Обычным явлением стали небывалой силы смерчи далеко за пределами зоны тропиков, необыкновенной силы наводнения, небывалые засухи и пожары, которые уничтожают целые регионы (вспомним даже судьбу полуострова Пелопонес в нынешнем году). Эти явления очевидно выходят за рамки среднестатистических естественных колебаний. Уже и ЮНЕСКО, и ООН устами своих руководителей признали: произошло непоправимое нарушение экологического равновесия, вызванное безответственной деятельностью человека, который далее наращивает объемы производства и потребления, не заботясь о последствиях.

Коснулись эти изменения и Украины, — они повлекли к необходимости пересмотра десятилетиями установившихся сельскохозяйственных циклов. Ведь в условиях засухи немалые территории делаются пригодными только для оросительного земледелия, а ресурсы этой самой воды у нас, как известно, очень ограничены. Не говоря уже о том, что теплолюбивые вредители и паразиты растений, которые раньше были присущи только причерноморским степям, сегодня хорошо чувствуют себя на киевском и черниговском Полесье...

Перспективы еще более неутешительны. Эксперты единодушны: средняя температура, летняя и зимняя дальше будет повышаться. Ведь, несмотря на все разговоры, уже начиная с 2000 года объем выбросов парниковых газов в атмосферу увеличился на треть (особая “благодарность” — США и коммунистическому Китаю, которые из эгоистических соображений сделали все, чтобы торпедировать Киотский протокол, который предусматривал согласованные действия мирового сообщества для сокращения количества выбросов). Причем, похоже, уже запущен чрезвычайно опасный механизм “цепной реакции”: дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению растворимости углекислого газа в воде океанов (а здесь его существенно больше, чем в атмосфере) и выбросу его избытка в воздух. А увеличение концентрации СО₂ в атмосфере приводит, в свою очередь, к повышению температуры и дальнейшему уменьшению его растворимости в воде...

Эта тенденция в негативном плане повлечет к глобальным изменениям во всем мире. Затопленными окажутся целые страны. Пригодные для земледелия зоны будут превращаться в пустыни и полупустыни. Климат станет непрогнозируемым, а старую безветренную Европу периодически будут опустошать ураганы и смерчи. В разрезе “отдельно взятой Украины” — также ничего хорошего. Поднятие уровня Черного моря затопит значительные территории вокруг лиманов и лет через 100 превратит Крым в покрытый джунглями остров. На юге будут расти влажные тропические леса, а Правобережье превратится в засушливую саванну. С севера в Украину “придут” болота, которые покроют почти всю поверхность Беларуси, а с северо-востока — безграничные засушливые просторы Большой Российской саванны...

Уже очевидно: причиной будущей катастрофы являются энергетические “перерасходы” человечества. В первую очередь, негативное влияние оказывает развитие тепловой энергетики — сжигание человечеством тех запасов органических веществ, которые природа накопила на протяжении сотен миллионов лет существования на земном шаре жизни. Небольшой надеждой, что самый катастрофический сценарий не воплотится в жизнь (а вместо этого реализуется просто очень плохой) является то, что разведанных запасов нефти человечеству хватит менее, чем на 40 лет. Хотя экологические последствия от сжигания большего количества угля (а его хватит еще лет на 400) могут стать еще более плачевными...

Но очевидно и другое — достигнутый уровень производства и потребления требует огромного количества энергии. Конечно, энергорасход единицы украинского ВВП в несколько раз превышает европейский — и здесь у нашего государства есть немалые резервы. (Хотя, очевидно, только рост цены газа до мирового и гибель целых отраслей принудит нашу химию — или то, что от нее останется — к серьезной технологической модернизации). Но в мировом масштабе энергии нужно будет чем дальше, тем больше (по оценкам, ее производство и потребление возрастет в 2050 году по сравнению с 2000 в пять раз).

При таких условиях многие говорят о безальтернативности ядерной энергетики — действительно, относительно экологически чистой (если не принимать во внимание не только возможные масштабные катастрофы, но и нерешенную в глобальном масштабе проблему захоронения отработанного ядерного топлива). Но оценка запасов урана с выгодной для добычи концентрацией дает цифру, не намного превышающую запасы нефти. Следовательно, в традиционных реакторах весь имеющийся в наличии уран будет сожжен за несколько ближайших десятилетий, а реакторы на быстрых нейтронах (способные кроме энергии производить дополнительное топливо) представляют собой ряд дополнительных проблем и опасностей.

Развитие украинской атомной энергетики будет сдерживаться, очевидно, не только национальной травмой Чернобыля, не только нехваткой топлива (сегодня Украина добывает немного больше 500 тонн урана в год, закупая остаток необходимых для ее энергоблоков 2000 тонн у России), не только отсутствием необходимых хранилищ отработанного топлива (его мы так же посылаем в Россию — выплачивая большие деньги), но и элементарной нехваткой водных ресурсов для сооружения большого количества новых прудов-охладителей... Давно регулируемые большие и малые реки Украины и так служат человеку на пределе своих возможностей, и добиться от них чего-то существенно большего едва ли удастся (вспомним даже эпопею вокруг Ташлыцкой ГАЭС, заполнение которой неминуемо уничтожит один из последних уголков нашей степной природы).

Конечно, выходом из данной ситуации могло бы стать использование энергии термоядерного синтеза. Сами термоядерные реакции являются экологически чистыми, а запасов топлива для них будет достаточно на много тысячелетий. Однако, быстро создав водородную бомбу, человечество так и не решило до сих пор (несмотря на многочисленные оптимистические прогнозы) проблему “управляемого термояда”...

Конечно, существуют и так называемые восстанавливаемые источники. Не созданные природой миллионы лет назад в ходе эволюции, а предоставленные нам ежегодно, ежедневно, ежеминутно. Скажем, модное в последние годы биотопливо. Даже вокруг Киева, очевидно, увеличилось количество полей рапса. Но эксперты по продовольствию уже бьют в набат: увеличение площадей под масличные культуры, которые могут быть использованы для синтеза дизельного топлива, приводит к автоматическому сокращению площадей под зерно и овощи, усиливая продовольственную проблему, особенно в странах “третьего мира”.

Есть, наконец, энергия гидроресурсов, ветра, морских волн, приливов и отливов, геотермальных вод и тому подобное. В ряде местностей использование ее может оказаться весьма перспективным. Вспомните даже маленький уютный Рейкьявик, отапливаемый теплом подземных вод, — однако не всем повезло родиться в Исландии с ее действующими вулканами! А в глобальных масштабах, как показывают оценки, эта энергия, пригодная для промышленного использования, составляет всего лишь порядка одного процента от сегодняшних энергетических потребностей планеты.

Следовательно, остается только один воистину неисчерпаемый источник энергии — это прямое тепловое и световое излучение солнца.

Энергия с прихотями

Если быть абсолютно корректными, то энергия нефти или угля, ветра или гидроресурсов — это так же “запасенная” когда-то энергия Солнца. А наше светило, по существу, представляет собой гигантский термоядерный реактор, предусмотрительно вынесенный за 150 миллионов километров от Земли. Причем, по оценкам астрофизиков, этот реактор бесперебойно проработает еще, как минимум, много миллионов лет!

Масштабы этой энергии полезно представлять, запомнив такую цифру: в течение часа ее на земную поверхность падает 51020 Дж — такое количество энергии человечество производит и потребляет сейчас на протяжении года. Причем на квадратный метр земной поверхности приходится в среднем за год мощность излучения в 2300 кВт на экваторе, 1900 кВт на широте Киева и 1400 кВт — на полярном круге. Понятно, что эти цифры отличаются из-за различной высоты Солнца над горизонтом, длительности дня и состояния атмосферы. Но для нас важно другое: на украинских широтах мы получаем не так уже и мало — 83% от того, что приходится экваториальным странам. Однако для промышленного использования эту энергию еще нужно преобразовать в удобный электрический ток!

Конечно, для этого можно просто сконцентрировать солнечный свет зеркалами в одной точке, разместить там паровой котел, а к нему присоединить обычные турбины. Еще в 70-ые началось строительство экспериментальной станции такого типа в Крыму с планируемой мощностью 1200 кВт. С использованием большего количества зеркал-гелиостатов, и разместив парогенератор на высоте 200—300 метров, можно получить значительно большую мощность — более 10 МВт. И все же, по ряду причин технического и экономического характера, этот тип электростанций не получил слишком широкого распространения (хотя и отбрасывать его перспективность было бы также преждевременно).

Поэтому чаще всего речь идет об использовании квантовой природы света, которая позволяет работать полупроводниковым преобразователям. Принцип их действия (читатели, которые не ознакомлены с основами квантовой механики, могут следующие предложения пропустить, а выводы принять на веру) таков: кванты солнечного света с энергией, большей, чем ширина так называемой запрещенной зоны полупроводника, рождают пару носителей тока: электрон и так называемую дыру (если очень упрощенно — условное место, где существует нескомпенсированный позитивный заряд). Если в полупроводнике существует внутреннее электрическое поле (например, благодаря наличию p-n-перехода, контакта металл-полупроводник, или границы разделения двух полупроводников), то электрон и дыра смещаются этим полем в противоположных направлениях. А после этого во внешнем круге может возникнуть электрический ток.

Именно на основании p-n-перехода в самом распространенном полупроводнике — кремнии, и был свыше полстолетия назад создан первый в мире фотопреобразователь. Пальма первенства принадлежит американским ученым и инженерам из “Белл Лабораториз”. А некоторое время спустя аналогичные преобразователи были установлены на третьем советском спутнике, запущенном на орбиту 15 мая 1958 года. С тех пор панели солнечных батарей стали необходимым атрибутом всех космических аппаратов.

Вскоре началась победная поступь солнечных фотопреобразователей и по Земле. Никого сегодня не удивляет бытовая электроника, которая “работает” или подзаряжается от солнца. Еще в начале 80-х “солнечный автомобиль” пересек Австралию, а “солнечный самолет” перелетел через Ла-Манш. Немало домов (особенно — богатых имений, расположенных в отдаленных регионах), сияют кремниевыми крышами, обеспечивая их владельцам автономию от прихотей и пертурбаций внешнего мира.

Однако, несмотря на реальную угрозу всепланетной экологической катастрофы, солнечная энергетика до сих пор остается “нишевым проектом” для немногих. Так, в США сегодня фотопреобразователи генерируют всего 0,02% от всего объема электроэнергии, — остаток продуцируют преимущественно тепловые (на угле и газе) и атомные электростанции.

На то существует ряд причин. Во-первых, это относительно низкая концентрация солнечной энергии. И коэффициент полезного действия (КПД) имеющихся в наличии преобразователей сегодня не слишком высок (максимум 10—25%). Следовательно, нужно покрывать солнечными элементами достаточно значительную поверхность. Причем главной проблемой являются отнюдь не площади, необходимые для этого (для удовлетворения сегодняшних энергетических потребностей человечества достаточно было бы покрыть фотоэлементами с КПД 10% лишь 0,16% земной поверхности — площадь пустыни Сахара значительно больше; а энергетические потребности Украины всецело разрешил бы участок размером с Чернобыльскую зону).

Главное то, что пока стоимость полупроводниковых преобразователей еще достаточно высока. С учетом реальных значений инсоляции и других технических параметров (“солнечное” электричество нужно накапливать, потому что ночью батареи не работают; превращать из низковольтной в удобную для транспортировки высоковольтную) стоимость киловатт-часа электроэнергии, произведенной солнечными батареями, составляет сегодня около 0,42 евро. Для сравнения: стоимость этого же киловатт-часа, произведенного на обычной тепловой электростанции Европы — 0,04 евро. Приблизительно столько же (24,36 коп.) привыкли платить и мы, украинцы. И перспектива вдруг платить за этот киловатт-час по 2,60 грн. нам отнюдь не улыбается...

Свет в конце тоннеля?

И в то же время у человечества нет выхода. Во избежание катастрофы, следует переходить именно на солнечную энергию — не как на вспомогательную для экзотических случаев, а как на один из главных источников энергоснабжения. Но понятно: такая трансформация потребовала большой политической воли ответственных лидеров. Программа действий, которая за этим должна стоять, достаточно понятна. Это — финансирование государством промышленности солнечных преобразователей. Это — дотации на потребление экологически чистой энергии (что уже является практикой отдельных стран Европы, в частности — Германии). Наконец, это масштабное расширение финансирования научных разработок.

Ведь на протяжении прошедших десятилетий ученые и технологи сделали чрезвычайно много, двигаясь в двух направлениях: повышения КПД солнечных преобразователей и их удешевления.

Дело в том, что нобелевский лауреат Уильям Шокли (премия 1956 года за открытие транзистора, который воистину изменил лицо мира) вместе с Гансом Квейсером еще в 1961 году вычислил предельно возможное значение КПД солнечного элемента, исходя из ограничений, которые накладывает квантовая физика. Ведь не все рожденные светом пары электрон-дырка создают ток: некоторые мгновенно рекомбинируют. Не все кванты света рождают электрон-дырочные пары: энергии части из них недостаточно для этого. Наконец, электроны и дыры, рожденные очень высокоэнергетическими квантами, отдают большую часть своей энергии колебанием кристаллической решетки, “грея” полупроводник, вместо того, чтобы создавать полезный ток. С учетом всего этого простейший преобразователь на кремниевом p-n-переходе не может иметь КПД выше 31%. Но, применив более сложные конструкции, комбинации различных полупроводников, фокусируя солнечный свет, теоретически можно “обойти” эту грань.

Еще более весомы наработки и достижения во втором направлении. Большинство на рынке пока что составляют так называемые преобразователи первого поколения. Их делают на основании монокристаллического кремния со средним КПД в 18% (ученые из Австралии сконструировали опытные образцы по КПД в почти 25%). Но проблемой остается высокая цена — до 300—420 евро за м 2 поверхности. Ведь чистый монокристаллический кремний изготавливать сложно и дорого. Вместо этого преобразователи второго поколения используют тонкие полупроводниковые пленки (кремниевые, или из сложных соединений кадмия-ртути-теллура или других) на стеклянной подкладке. Они в несколько раз дешевле, но и КПД здесь лежит в пределах 10%.

В совершенствовании элементов обоих типов значительную роль отыграли украинские ученые. Среди них нельзя не вспомнить покойного профессора Виталия Стриху, основателя известной научной школы по физике контакта металл-полупроводник, лауреата Государственной премии Украины, учредителя и первого президента Академии наук высшей школы. Он еще в 1983 году издал пионерский труд “Солнечная энергетика и проблемы ее развития” (примечательно: на украинском языке — во время тотальной русификации!), где бросил вызов господствующему на то время в СССР курсу на безальтернативность атомной и тепловой энергетики.

Весомые результаты получены в Институте физики полупроводников НАН Украины, в Киевском, Одесском, Ужгородском и Черновицком университетах, на некоторых промышленных предприятиях (Пиллар, Квазар), в других украинских лабораториях. В результате усилия ученых (в частности, и наших) стоимость солнечных элементов удалось довести до 0,5—1,1 евро за ватт мощности. Следовательно, за прошедшие четверть века она уменьшилась в 20 раз (а по сравнению с первыми образцами 50-х — в 1000!). В принципе, она уже не настолько далека от характеристик газовых и бензиновых двигателей: 0,1—0,15 евро за ватт.

Сегодня украинские ученые предлагают ряд конструктивных решений для повышения эффективности преобразования солнечной энергии. Среди них: использование рельефной поверхности батарей, формирование батарей с двухсторонними коллекторами, использование антиотражающих пассивирующих и укрепляющих покрытий, использование оптических концентраторов солнечных потоков (линзы Френеля, фасеточная призменно-поворотная оптика и тому подобное), широкое использование каскадных солнечных батарей и тому подобное.

Немало могут дать технологические совершенствования и новые материалы, в частности, широкое использование тонких пленок кремния (что обеспечивает экономию полупроводникового материала в более, чем 10 раз) на органических, металлических, стеклоподобных подкладках (производство таких элементов уже в 2007 году превысило суммарную мощность в 100 MВт!). Перспективными являются многослойные (изготовленные методом молекулярно-лучевой эпитаксии) структуры полупроводников с переменной шириной запретной зоны. Наконец, солнечные элементы с использованием органических материалов уже сейчас дают КПД до 7—10%

Однако важнейшей и самой интересной для исследователей является перспектива массового появления солнечных батарей третьего поколения, которые используют принципиально новые физические принципы работы. Это — батареи на основе квантовых решеток (они уже сейчас успешно используются в космосе). Это — использование квантовых точек, встроенных в полудиэлектрические матрицы, но применение многодолинных полупроводников для генерации горячих фотоэлектронов (что даст возможность далеко перейти границу в 31% КПД).

Эти элементы третьего поколения, по оценкам экспертов, уже в 30-летней перспективе позволят получить батареи с чрезвычайно высоким КПД (до 80%) и с умеренной ценой в 100 евро за кв/ч. А это уже даст возможность получать промышленную электроэнергию по цене в 0,03 евро за киловатт-час — меньшей, нежели на традиционных тепловых или атомных электростанциях. Конечно, так произойдет только в том случае, если будет оказана масштабная государственная поддержка промышленного производства и научных поисков. Но, осознавая сегодняшнюю ситуацию, Евросоюз уже в этом году выделяет на эти потребности более пяти миллиардов евро. И европейцы искренне (и небезосновательно) верят: в 2050 году солнечная энергетика будет покрывать по меньшей мере четверть энергетических потребностей человечества, а впоследствии описанная вначале статьи апокалиптическая перспектива отступит.

Произойдет ли это на самом деле? Хочется верить, ведь развитие солнечной энергетики в мире происходит огромными темпами — 40% в год. Это — едва ли не наибольшие темпы роста в сфере производства. А что же Украина, которая все еще сохраняет высокий потенциал в сфере полупроводниковой науки? Пока что эти исследования (широко поддерживаемые во времена СССР), являются у нас делом энтузиастов, которые сумели стать партнерами в международных проектах. Однако, исходя из значимости проблемы, мы убеждены: развитие солнечной энергетики в Украине должно быть поддержано Национальной программой по финансовому обеспечению, соразмерному (даже в относительных величинах!) тем уровням, которые выделяют европейские страны. И это станет важнее для нашего будущего, нежели поиски очередных миллиардов для выполнения откровенно популистских обещаний, данных во время внеочередных выборов.

Владимир ЛИТОВЧЕНКО, президент Украинского физического общества, член-корреспондент НАН Украины
Максим СТРИХА, доктор физико-математических наук