Принципы и технологии получения энергии — основная проблема современного развития цивилизации

В основе развития современной цивилизации лежит борьба за возможность производства энергии. Отражением этого факта является то, что валовой национальный продукт развитых стран мира прямо пропорционален количеству вырабатываемых этими странами электроэнергии [ 12, 22 ]. То же справедливо и для соотношения мирового валового продукта с выработкой электроэнергии в мире. Выработка энергии и энергопотребление является основным индикатором уровня развития страны и мирового сообщества в целом. Общие потребности в энергии определяются ее затратами на работу промышленности, социально-бытовых нужд и транспорта. Каждая из этих составляющих представлена в общем потреблении приблизительно в равных долях.

В настоящее время в основе получения энергии человечеством лежит второе начало термодинамики, справедливое для изолированных (замкнутых) систем и гарантирующее перевод высокоорганизованных продуктов, накопленных землей и космосом, в низкоорганизованные, которые и оказываются загрязнителями окружающей среды.

Системы, не обменивающиеся веществом и энергией со средой, называются замкнутыми. Гипотеза о том, что широкий класс систем можно рассматривать как замкнутые, до самого последнего времени использовалась как основная в науке, технике, организации производственно-технических и экономических систем. Теоретической основой такого подхода было установленное в начале XIX века второе начало термодинамики, определяющее направление процессов, происходящих в замкнутой системе (теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тела к холодному; чтобы теплота могла перейти от холодного тела к горячему, необходимо затратить механическую работу).

В результате технической реализации второго начала термодинамики появились тепловые машины, которые до сегодняшнего дня дают основную часть искусственно получаемой энергии путем ее выделения из топливно-энергетических ресурсов, в которых она была накоплена в результате взаимодействия со средой, т. е. по механизмам, противоречащим второму началу. По основному принципу — «не ждать милостей от природы, а взять их у нее» — условия формирования запасов топливно-энергетических ресурсов стали игнорироваться, а технологии, основанные на выжигании запасенной природой в этих ресурсах энергии, были признаны единственно возможными.

На этом пути, взяв нефть как сырье для энергетики и транспорта, человечество за последние 50 лет перевело половину накопленных Землей за десятки и сотни миллионов лет запасов в загрязнения. Оставшаяся часть, в основном, принадлежит к категории повышенной сложности извлечения, в результате чего происходит резкий рост себестоимости добычи, которая будет расти тем быстрее, чем ближе дно нефтяной бочки. Для данного нефтеносного региона стоимость добычи убывает с ростом уровня годовой добычи. Когда в связи с исчерпанием запаса начинается падение годового производства, себестоимость добычи начинается расти (чем дальше, тем быстрее). К настоящему времени основные страны-производители нефти прошли свои максимумы добычи. В результате этого стоимость ее дальнейшего извлечения резко возрастает. Относительно дешевая нефть на мировом рынке сегодня определяется тем, что Персидский залив пока способен компенсировать недостаток нефти в основных промышленных странах, поскольку в этой нефтеносной провинции максимум уровня годовой добычи еще не пройден. Возможности компенсировать дефицит нефти у стран Персидского залива хватит не более, чем до 2006-2007 гг.

На рис. 7 приведены графики динамики и прогноза мировой добычи нефти и цен на нее. Как видно на рис. 2, через ~ 10 лет начинается резкий спад уровня добычи (за 5-7 лет в. ~ 1,4 раза) с соответствующим ростом цен с ~ 20 до ~ 80-100 долл./баррель. В течение предстоящих 10 лет уровень добычи не будет возрастать, в то время как цена нефтепродуктов возрастет не менее чем в два раза по отношению к существующей. В связи с этим использование нефтепродуктов в качестве топлива будет эффективным не более чем в течение 10-12-летнего периода, после чего основная часть техники, использующая нефтепродукты, потребует кардинального переоснащения, либо превратится в металлолом

Рис. 7.. Динамика добычи нефти и цен на нефть: 1 — объем добычи в мире; 2 — объем добычи в мире без Персидского залива; 3 — объем добычи в Персидском заливе; 4 — цена (в долларах США) одного барреля нефти

Далее основным топливно-энергетическим ресурсом, заменяющим нефть, станет природный газ, максимум добычи которого придется на 2010-2015 гг. Затем должна наступить очередь, в рамках существующих технологий, использующих второе начало термодинамики, угля, который в этом случае проходит максимум своей добычи к 2030 г.
В качестве единственной альтернативы человечеству сегодня предлагается ядерная энергетика. Фактически ядерная энергетика является переразвитием идеи, представленной вторым началом термодинамики, т. е. по-прежнему, рассматривается изолированная система, в результате чего реализация происходит только на уровне уже накопленных в процессе синтеза и распада элементов таблицы Д. И. Менделеева. Продукты, получаемые в результате ядерных реакций, принципиально смещают равновесие естественного изотопного состава элементов в окружающей человека среде.

Сырьем атомной энергетики являются элементы, соответствующие границе стабильно существующих в природе атомов, которые накапливались в земной коре в процессе синтеза и распада атомных ядер, происходящем на уровне формирования элементной базы материальных миров космоса.

Современное распределение частости встречаемости элементов таблицы Д. И. Менделеева на земле характеризует глубинные механизмы ее взаимодействия с космосом и обеспечения устойчивости таких взаимодействий. С этой точки зрения изменение количества нестабильных изотопов, получающихся в результате деятельности ядерных энергетических установок, может привести к глубинным последствиям, способным изменить облик жизни на земле. Кроме того, слабые радиоактивные воздействия, формируемые на уровне «нормального фона» работы ядерных установок также могут давать сильные генетические последствия.

При этом следует иметь в виду, что также, как и использование технологий, основанных на втором начале термодинамики, привело к фактическому исчерпанию в исторически короткие сроки органического топлива, на создание которого земля и космос потратили сотни миллионов лет, использование ядерной энергетики является таким же тупиковым техническим путем.

Прежде всего, это связано с экологическими проблемами захоронения радиоактивных отходов деятельности ядерной энергетики. Суммарный объем радиоактивных отходов, образованных от добычи урановых руд, производства ядерного топлива, переработки отработанного ядерного топлива, оборонных программ, использования источников ионизирующего излучения оценивается ~ 610 млн м³.
Проблема захоронения радиоактивных отходов к настоящему времени не решена и перспективы ее решения принципиально не ясны.

Наконец, особенно значимо для использования ядерной энергетики то, что неизбежные в технических системах катастрофы в данном случае ставят под сомнение саму возможность выживания человечества в исторической перспективе.

В соответствии с отмеченным выше, ясна необходимость переосмысления тех принципиальных возможностей получения энергии, которые реализованы в природе и не подчиняются второму началу термодинамики. В настоящее время ситуация коренным образом меняется. Пересмотр отношения к гипотезе о возможностях функционирования замкнутых систем произошел практически одновременно в различных областях знаний (неравновесной термодинамике, биологии, экологии, экономике).

Природные системы являются открытыми, что позволяет им получать доступ к колоссальным энергиям среды не за счет ее принципиальной дезооганизаиии. а путем взаимодействия между системами (естественного и искусственного происхождения) и средой.

Необходимость рассмотрения открытых систем, для которых характерна возможность обмена с внешней средой энергией, веществом информацией и, тем самым, переход к эффективным механизмам получения энергии, реализуемых природой, обсуждалась достаточно давно. В.И. Вернадский в 1938 г. считал, что «все природные процессы области естественных косных тел — за исключением радиоактивности — уменьшают свободную энергию биосферы», тогда как «природные процессы живого вещества в их отражении в биосфере увеличивают ее свободную энергию» [ 6 ]. Лауреат Нобелевской премии И.Р. Пригожин предложил рассматривать изменение внутренней энергии системы как результат ее обмена с внешней средой и неравновесных процессов внутри самой системы. Это теоретическое положение в настоящее время дало возможность управления характеристиками неравновесных систем за счет обмена с внешней средой, реализованных в лазерах, физико-химических и биологических процессах.

Необходимость рассмотрения развития цивилизации на современном этапе как функционирование открытой системы ясно из того, что количество энергии, которое может использоваться человечеством, определяется ресурсами, заключенными в органическом и ядерном топливе, энергии падающей воды, приливов, солнечного света, внутреннего теплa земли (в этот перечень входят как продукты деятельности космоса солнца в виде органических топлив и запасов делящихся материалов, так и текущие характеристики солнечной активности, определяющие процессы фотосинтеза на земле).

Основные механизмы получения энергии в природных системах базируются на их синхронизации с ритмами среды, которые формируются при слабых связях между ними и обеспечивают на резонансных эффектах получение системой из среды больших энергий. Именно по этому пути должно пойти развитие технологий в третьем тысячелетии. В настоящее время в развитии мирового сообщества происходит переход от «ковбойской» экономики, для которой характерно представление о неограниченности природных ресурсов, к экономике «космонавтов», система жизнеобеспечения которых жестко лимитирована. Для первого варианта потребление и производство являются положительными факторами, а основным критерием уровня развития — пропускная способность, характеризуемая валовым национальным продуктом. Для второго варианта пропускная способность не является критерием — ее надо сокращать, а не увеличивать (критерием здесь является состояние природы, определяемое величиной, качеством и разнообразием элементов и структур природной среды, в том числе и психофизиологическим состоянием человека Таким образом, проблемы взаимодействия между элементами природы как системы, включающей человека, определяют перспективы развития цивилизации.

Эффективность функционирования любых технических систем определяется степенью их соответствия природным ритмам по всем физическим характеристикам. Только такие системы за счет резонансов со средой способны реализовывать максимальные физические возможности при низких энергетических затратах.