V. Электрический ток из океанских течений

Всю акваторию Мирового океана пересекают течения. Они имеют самые различные направления: на север и юг, восток и запад. Некоторые из них описывают траектории, представляющие собой огромные окружности. Под этими поверхностными течениями есть и другие - глубинные. Их направления и скорость - самые различные. И только небольшое количество течений можно считать медленными. Энергия течений весьма велика. Именно поэтому в последней четверти двадцатого века передовые ученые-океанологи предложили использовать энергию наиболее быстрых течений с целью преобразования ее, в электрический ток. Предложения породили планы, которые привели к исследованиям и разработке проектов. Однако для разработки проекта необходима обширная информация, а для того чтобы собрать ее, потребовалось много времени - выяснялось, где имеются течения, насколько велика их скорость, насколько они устойчивы, какова в них температура воды в разное время дня и ночи.

Первое известное упоминание об океанских течениях было сделано Колумбом, плывшим к Сан-Сальвадору в быстрых водах попутного западного течения. "Я считаю доказанным,- записал он в своем дневнике,- что воды морей, как и небеса, движутся с востока на запад". Однако с тех пор мореплаватели обнаружили много других течений, имеющих самые разные направления.

В 1513 году испанский исследователь Понсе де Леон, разыскивавший Источник Молодости, стал свидетелем странного феномена. Он плыл южнее побережья Флориды во время ужасного шторма. Несмотря на то что ветер дул в нужном направлении и парусник, казалось, двигался вперед, случайно обернувшись, испанец обнаружил, что на самом деле он приближается к берегу. Океанские демоны? Злые духи? Нет. Понсе де Леон не знал того, что его маленькая шхуна попала в мощное течение, которое позже назвали Гольфстримом и которое именно в той части Атлантического океана течет на север. Поэтому, хотя ветры гнали суденышко на юг и были довольно сильны, течение оказалось сильнее.

Спустя годы, в целях увеличения скорости передвижения по океану, Бенджамин Франклин нанес это течение на карту с точностью, возможной для того времени. Ему пришлось это проделать, потому что возник вопрос, на который он не смог дать ответ. Во время одного из путешествий в Англию его спросили: "Почему британские корабли, плывущие в Нью-Йорк, а затем на юг, затрачивают на это на две недели больше, чем те, которые плывут к Род-Айленду?" Франклин не знал ответа и поэтому спросил об этом своего кузена- китобоя Тимоти Фолджера. Фолджеру было известно то же, что и всем китобоям: в той части океана в восточном направлении проходит теплое, быстрое течение, которому киты отдают особое предпочтение. "Однако капитаны-англичане руководствуются своими картами, на которых течение вовсе не обозначено",- объяснил Тимоти. "Поэтому они попадают прямо в поток и плывут все время против течения". Он также добавил, что американские суда быстрее добираются до Европы, двигаясь на восток, потому что плывут по течению. Возвращаясь, они умышленно избегают его. После этого Фолджер обозначил место прохождения течения Гольфстрим настолько точно, насколько это сам представлял.

После окончания американской революции Франклин, имея в качестве основы рисунок Фолджера, задумал составить более точную карту Гольфстрима. Во время своих многочисленных плаваний через Атлантику он постоянно измерял температуру воды за бортом. Одетый в тяжелые зимние одежды, меховую шапку и теплые ботинки, он выходил на палубу, забрасывал в океан пустые бутылки и наполнял их морской водой, температуру которой затем измерял термометром. Таким путем он выяснил, что воды течения теплее, чем окружающие их океан и воздух.

Сегодня океанографам известно, что вода океанских течений отличается от остальной морской воды по многим параметрам. У них другая температура, скорость, содержание соли. Они отличаются и запасами кинетической энергии, протекая словно "морские реки" через все океаны мира. Они вызываются ветрами, имеющими неизменное направление, вращением Земли, различиями в температуре и плотности воды. Однако среди поверхностных течений Гольфстрим - наиболее примечательное. Офицер американского военно-морского флота Мэтью Мори писал о нем в своей книге "Физическая география моря" в 1855 году:

"В океане существует река. Она не пересыхает в жесточайшую засуху и не переполняется во время половодья. Ее дно и берега состоят из холодной воды, в то время как само течение - теплое. Оно берет свое начало в Мексиканском заливе и исчезает в Арктике. Эта могучая река - Гольфстрим. В мире нет другого такого удивительного водного потока. Скорость его быстрее, чем у Миссисипи или Амазонки, а объем перемещаемой воды - больше в тысячи раз... Его воды еще от берегов Каролины имеют цвет индиго. Они отличаются от окружающих вод столь сильно, что могут быть замечены невооруженным глазом. Зачастую одна половина судна может плыть в Гольфстриме, другая - в морских водах, так резко отличаются воды течения; насколько похожи свойства вод внутри Гольфстрима, настолько же сильно их отличие и нежелание смешиваться с окружающим океаном".

Описание Гольфстрима, сделанное Мори, теперь считается классическим, привлекает внимание и огромная кинетическая энергия этого течения. Однако исследования океанских течений были весьма ограниченны еще в девятнадцатом веке и велись лишь с точки зрения навигационных проблем или из простого любопытства отдельных ученых. Соответственно и данные собирались хоть и старательно, но очень медленно во время плаваний через океаны.

В дальнейшем информация собиралась учеными-океанологами Военно-морского флота США, Береговой охраны, Берегового и геодезического, топографического управления США, а также частными исследователями. Имея в своем распоряжении современную измерительную аппаратуру, они смогли вычертить карты и схемы, показывающие температуру, ширину, места протекания Гольфстрима в зависимости от времени. Разумеется, результаты сбора таких данных были не совсем надежны, так как Гольфстрим изменял свое направление. Некоторые приписывали это влиянию Луны. Однако в 1884 году адмирал Джон Эллиот Пилсбари смог разрешить многие из таинственных загадок. Во время прохождения службы у берегов Флориды он ставил свое судно на якорь то в одном, то в другом месте и снимал показания с помощью новейших по тем временам приборов. Среди них было одно особенное устройство - изобретенный им самим измеритель скорости течения, который одновременно фиксировал и направление потока.

Со времен Пилсбари во всех океанах мира продолжались исследования, которые, правда, не давали убедительных результатов. Со временем инструменты, обладающие большой точностью измерений, появились на многих океанских судах, автоматически фиксируя скорость, температуру, местоположение и химический состав течений. В 1969 году хорошо оснащенная научно-исследовательская подводная лодка "Бенджамин Франклин", находящаяся в ведении правительства, значительно обогатила библиотеку сведений об океанских течениях. Два года спустя свой вклад в их изучение внес и профессор Института исследований моря и атмосферы в Розенстьеле (Флорида) Уолтер Дьюинг. В своем фундаментальном труде он проанализировал огромный запас информации о Флоридском течении, являющемся частью Гольфстрима. Впервые в отношении исследуемого течения были получены данные об "изменениях во времени и пространстве".

В 70-х годах центр внимания исследований' сместился. Ввиду того, что ископаемые виды топлива стали дорожать, все чаще стали поговаривать об энергии океанских течений: ее доступности, запасах и возможности превращения в дешевую электроэнергию.

Обычно считается, что извлечение энергии океанских течений должно быть весьма выгодным делом. Оно не загрязнит окружающую среду, не потребует, в свою очередь, больших затрат энергии и, так как течения находятся в движении двадцать четыре часа в сутки, энергия будет поставляться постоянно и непрерывно. Надежды возлагаются и на то, что энергоустановки будут производить значительные количества достаточно дешевого электричества, станут долговечными и эффективными.

Первые проекты по преобразованию энергии океанских течений в электроэнергию появились очень скоро. Однажды в теплый солнечный день три друга-океанолога затронули в своей беседе проблемы исследований Уолтера Дьюинга.

Это происходило в 1973 году в оффисе директора Атлантических океанографических и метеорологических лабораторий Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами, доктора Харриса Б. Стюарта-младшего.

Из окон оффиса им был виден Гольфстрим - светло-голубой поток среди зеленого Атлантического океана. Доктор Стюарт позднее в интервью журналу "Попьюлар Сайенс", рассказывал издателю Артуру Фишеру, что вначале трое друзей праздно восхищались голубизной Гольфстрима, и только. Они знали, что это течение, проходящее близ Флориды между Майами и Бимини, несет в пятьдесят раз больше воды, чем все реки мира. "Мы знали и то, что течение постоянно и ночью, и днем, что оно имеет приличную скорость - 4 узла. И тут нас осенило: почему бы не исследовать Флоридское течение как весьма перспективный источник энергии... Мы подсчитали, что если удастся извлечь лишь 4% энергии этого потока, выходная мощность

составит 1000-2000 мегаватт, что примерно эквивалентно производительности ядерной электростанции. Таким образом, мы решили, что проблемой стоит заняться".

Вскоре после этого Стюарт и его коллеги встретились опять, чтобы сделать первые наброски проекта электростанции, использующей энергию Флоридского течения. Им уже виделись огромные подводные пропеллеры - преобразователи энергии. Газеты узнали об этой встрече, и первые полосы запестрели историями о "подводных мельницах".

Чикагский миллионер Джон Б. Мак-Артур также обратил внимание на проект. Ему, практичному бизнесмену, идея неистощимого, безвредного источника энергии вблизи Майами показалась интересной. Мак-Артур вылетел в Майами и имел беседу с доктором Стюартом.

Мак-Артур предложил ему набросать план работ и состав специалистов: морских инженеров, экспертов по тяжелому морскому оборудованию, проектировщиков турбин, экономистов-энергетиков, экспертов по коррозии и загрязнению окружающей среды для исследования подводного функционирования установки.

Когда Комитет Мак-Артура собрался в 1974 году, специалисты были уже подобраны. В наличии имелись деньги, профессиональный опыт и изобретательность. Прибыли делегаты от Флоридской электрической компании, Вестингхауза, "Эллис-Чалмерс" и лабораторий "Лаке корризьен" из "Интернейшнл никель". Морские инженеры представляли три весьма престижных университета: Род-Айлендский, Массачусетский и Калифорнийский университет в Беркли. Присутствовали заинтересованные представители частного сектора и правительства.

После трех дней дискуссий, выслушивания аргументов и контраргументов делегаты пришли к выводу, что энергия Флоридского течения эквивалентна энергии, вырабатываемой двадцатью пятью электростанциями мощностью 1000 мегаватт, и что это течение определенно может быть использовано для получения электричества.

Присутствовавшие специалисты по охране окружающей среды, однако, возражали против неограниченного преобразования энергии течения. Как заявил один из них, "извлечение 200 мегаватт энергии охладит Флоридское течение, что повлияет на климат востока Соединенных Штатов и Северной Европы".

В то же время инженеры-практики предлагали такие устройства, как двухлопастные пропеллеры (которые вначале и называли подводными мельницами), роторы с вогнуты ми лопастями и системы гигантских водяных турбин. Однако наибольшее внимание привлекла система подводных парашютов, изобретенная Гари Стилманом, приехавшим из окруженной со всех сторон сушей Айовы.

Стилман - фермер, не имеющий специального технического образования, впервые использовал парашюты для преобразования энергии небольшого ручья, протекающего через территорию его фермы. Поскольку устройство там работало, он предложил ту же идею с условием увеличения размеров парашютов для преобразования энергии Флоридского течения. Его изобретение столь же просто и дешево, сколь и оригинально. Оно предназначено для превращения энергий низкого уровня в электрический ток и называется WLVEC^* - "водяной энергопреобразователь, работающий на низких скоростях". WLVEC состоит из двух компонентов: колеса на оси, закрепленного на судне или плавучей платформе, и вытянутой петли, непрерывно вращающейся вокруг колеса, словно конвейерная линия. Вдоль петли закреплены паруса, выполненные в виде парашютов. Они расположены так, что раскрываются при встречном потоке воды и закрываются, когда поворачиваются на петле в противоположном направлении. Когда это устройство опускается в воду, парашюты автоматически вытягивают петлю и приводят систему в действие под влиянием силы течения. Петля, в свою очередь, вращает колесо, передающее вращение турбогенератору, который и вырабатывает электрический ток.

Группа Мак-Артура в заключение пришла к оптимистическому выводу: весьма возможно, что в середине 80-х годов из Флоридского течения будут извлекаться значительные количества энергии, причем цена ее будет достаточно низкой. Использовать ее можно тремя способами: как электрический ток, передаваемый на берег по подводному кабелю, как водород (извлеченный из морской воды), который можно перекачивать по газопроводу или перевозить судами в криогенных резервуарах, или как сжатый газ, хранимый в "подводных баллонах".

^* ( WLVEC -Water Low-Velocity Energy Convertor).

Перед окончанием своей работы группа Мак-Артура выступила с рекомендациями относительно программы исследований и развития. Вскоре после этого было установлено, что скорость океанских течений изменяется как во времени, так и в пространстве, а величина ее в большинстве случаев невелика. Значит, и энергетический уровень тоже.

Энергия низкого уровня? Для изобретательных инженеров такая проблема не являлась непреодолимой. Они знали, что океанские течения содержат в себе огромные запасы энергии и что она может быть извлечена с помощью больших низкоскоростных водяных турбин. Ряд возможных проектов таких турбин подвергся рассмотрению. Один из них - создание турбины с вертикально расположенной осью - был признан в то время наиболее эффективным. Он имел два плюса: возможность подстраиваться к интенсивности потока и изменениям в его направлении. Однако уже в 1980 году Стилман объявил, что его новая модель WLVEC с парашютами размером 5 футов (1,5 м) работает превосходно. "Ее выходная мощность,-заявил он,-10 лошадиных сил при скорости потока, составляющей два узла". Согласно его последним оценкам, "не существует верхней границы мощности энергостанций типа WLVEC. Все зависит лишь от прочности используемых материалов. При цене на нефть, равной 30 долларам за баррель, станция WLVEC, расположенная у берегов Майами, будет производить электричество на 1,5 миллиона долларов в день".

Говоря о создании электростанций, использующих энергию океанских течений, мы имеем в виду, что для этого необходимы крупные денежные средства и государственная поддержка. Лишь один раз, в 1979 году, правительством США были предприняты конкретные шаги в этом направлении. Они заключались в том, что вице-президент компании "Аэровиронмант Инкорпорейтед" (Пасадена, Калифорния) доктор Питер Б. С. Лиссамэн пытался продолжить работу и исследования с того момента, на котором остановилась группа Мак-Артура. Его цель - создать энергосистему на основе так называемых "подводных мельниц" - океанских турбин, изобретенных двумя инженерами - Дэвидом Томпсоном и Уильямом Маутоном.

Вид в разрезе WLVEC - водяного энергопреобразователя, работающего на низких

"Представьте себе,- говорит Лиссамэн,- огромную подводную турбину размером в два городских квартала, имеющую в центре гигантский ротор. Пусть 250 таких турбин будут погружены в Гольфстрим на глубину 75 футов и заякорены кабелями длиной почти в две мили. Протекающий поток воды приведет роторы в движение, в результате чего турбины станут вырабатывать электрический ток. Передаваемый во Флоридскую энергосистему по подводным кабелям, он легко покроет значительную часть общегосударственных потребностей в энергии".

Этот проект - энергосистема из океанских турбин - назван программой Кориолиса в честь французского ученого XIX века Гюстава Гаспара Кориолиса. Будучи математиком и инженером, он стал известен своей теорией, описывающей движения океанских и воздушных течений в зависимости от вращения земного шара. Согласно этой теории течения Северного полушария смещаются вправо, т. е. по часовой стрелке, а течения Южного полушария смещаются влево, т. е. против нее.

Менеджер программы Кориолиса Роберт Рэдки описывает систему с большим энтузиазмом. "Мы рассчитываем на то, что у нас не будет больших проблем с реализацией проекта - установкой и закреплением турбин и генераторов. Так как турбины представляют собой огромные трубы, напоминающие по форме кофейные банки, у которых отсутствуют донышки, они обладают значительной стабильностью. Количество полученной энергии будет больше. Что касается коррозии под действием морских организмов (называемой впоследствии биофулингом), то следует отметить, что они очень редко закрепляются на предметах, находящихся в проточной воде. А Гольфстрим как-никак имеет скорость 4 мили в час".

В ответ на вопрос: меняется ли скорость Гольфстрима в зависимости от времени года и как это влияет на выработку электроэнергии,- Рэдки говорит: "Мы знаем, что существует разница в скорости потока зимой и летом. Мы изучили это явление, и сейчас, на начальных стадиях разработки программы, считаем, что средняя производительность Кориолиса составит 57%. Это совсем неплохо".

Проблема, выдвинутая специалистами по защите окружающей среды,- изменение климата Соединенных Штатов и Северной Европы в результате похолодания Гольфстрима - не принимается всерьез как Лиссамэном, так и Рэдки. "Кориолис не извлекает тепло, а наши машины используют лишь кинетическую энергию текущей воды.

Отбуксировка установки 'Кориолис-1' к станции на Гольфстриме

Существуют ли проблемы, связанные с замедлением течения? При взаимодействии турбин с течением они уменьшают его скорость только на 1%. И хотя мы не считаем, что 1 % - это существенно, мы продолжим изучение данного вопроса".

На основе своих исследований представители компании "Аэровиронмант" уверены в том, что осуществление программы Кориолиса даст возможность производить 10 000 мегаватт энергии без загрязнения окружающей среды. Что касается влияния работы турбин на океан, то исследования показали, что создаваемые при этом волны не превосходят обычных морских волн у берегов Флориды. Утверждается также, что изменения скорости и температуры потока будут менее значительны по сравнению с естественными флуктуациями.

Между тем возникает необходимость в новых исследованиях. Нужно построить и испытать 39-футовую (12 м) модель океанской турбины. К промышленной эксплуатации в полном объеме можно будет приступить через тридцать шесть месяцев после начала ее строительства.

Как уже отмечалось, океанские течения несут энергию, которой достаточно, чтобы электрифицировать весь мир. Является ли это решением проблемы нехватки энергии?

Вообще говоря, сейчас еще рано оценивать будущий потенциал этого источника энергии. И большинство тех организаций или частных лиц, которые вложат свои деньги в реализацию таких проектов, будут вынуждены находиться в положении, когда известна еще

далеко не вся информация об океанских течениях: их скорость и температура, постоянство и энергетический уровень.

Организатор группы Мак-Артура доктор Харрис Б. Стюарт-младший думает иначе. В телефонном разговоре с автором этой книги он сказал: "Не стоит ждать, когда будут собраны все сведения обо всех течениях в мире. Начнем с Флоридского течения. Энергии в нем предостаточно. Мы это знаем и знаем, как ее извлечь. Не нужно концентрировать все усилия лишь на одном источнике энергии. Наша задача - использовать локальные источники энергии. В Калифорнии мы извлекаем геотермальную энергию, в Аризоне - солнечную, в заливе Кобскук - приливную, в Северной Атлантике, у побережья Шотландии,- волновую. Близ Флориды мы будем использовать энергию океанского течения".

Спокойно, но весьма убедительно Стюарт добавляет: "Что мы не должны делать, так это следовать примеру Министерства энергетики США, которое в настоящее время направляет все средства и усилия на развитие использования только одного энергоресурса - ОТЕС - преобразования термальной энергии океана".