VIII. Возможно в принципе

Братья Райт никогда бы не подняли в воздух свою машину, если бы в 1903 году они должны были бы действовать таким же образом, как нынешние изобретатели: представлять правительству предложения и планы, касающиеся как самой первой модели, так и всех последующих ее вариантов, вплоть до окончательного, полномасштабного. Более того, должна была бы быть доказана и техническая осуществимость, и экономическая целесообразность, и безопасность с точки зрения окружающей среды всех этих проектов перед целой группой лордов, ни один из которых не верил в возможность полета вообще.

Братья Райт в самом начале имели только идею летательного аппарата - идею, осуществить которую было возможно лишь в принципе, идею, над которой люди смеялись. Людям вообще свойственно посмеиваться над тем, что "возможно в принципе", потому что такие идеи, новые и неиспытанные, кажутся им сумасшедшими. Они смеялись, когда пароход "Фолли", построенный Робертом Фултоном, впервые появился на Гудзоне. Они кричали Генри Форду: "А лошадь-то лучше!", когда его первые автомобили ("Оловянные Лиззи") увязали в грязи разбитых дорог. Даже 19 июля 1969 года - за день до того, как Нейл Армстронг ступил на лунный грунт,- они надсмехались над идеей высадки человека на поверхность Луны.

По мере того, как все ближе подступает к нам двадцать первый век, идеи "возможного в принципе" возникают снова и снова. Сферой их применения являются теперь и моря и океаны. В них впадают ручейки и речки, могучие реки и огромные массы дождевой воды. Здесь на границе океана и суши встречаются два вида воды - соленая и пресная - и, встречаясь, естественно, смешиваются между собой.

Но если соленые и пресные воды смешиваются, значит, возможно и извлечение энергии из этого процесса смешения. Хотя, разумеется, необходимы дальнейшие исследования, расчеты уже теперь подтверждают тот факт, что разница в концентрации солей в речной и морской водах является заслуживающим внимания потенциальным источником энергии.

Ученые уже пытаются создавать простейшие устройства для превращения этой энергии в механическую или электрическую. Они конструируют так называемые энергопреобразователи, использующие градиент солености (под градиентом в данном случае понимается разница в концентрации соли в воде). Действие этих преобразователей основано на физическом явлении, называемом осмосом.

Осмос - процесс, который позволяет жидкости (или газу) проникать через мембрану, обладающую ограниченной проницаемостью. Это значит, что мембрана, хотя и делает возможным просачивание пресной воды, не пропускает растворенные в ней соли.

Осмос - известный, хотя и удивительный феномен, благодаря которому, например, растения всасывают своими корнями почвенную влагу. Вы можете наблюдать этот процесс при смешивании речной и морской воды в научной лаборатории или классной комнате при наличии осмотического резервуара. Делается он обычно из стекла и разделяется на две половинки вертикальной полупроницаемой мембраной с избирательной пропускной способностью. Наполнив на одну четверть первую секцию речной водой, а вторую - морской, вы вскоре увидите проявление процесса осмоса. Пресная вода начнет протекать из своей секции (так как она содержит лишь незначительное количество солей) через мембрану в секцию с более соленой морской водой. Это происходит потому, что мембрана проницаема для малых молекул воды, но непроницаема для больших молекул соли. Это одностороннее перетекание будет продолжаться до тех пор, пока в обеих секциях уровни концентрации солей не совпадут. Конечно, теперь жидкости в секции, куда была залита морская вода, будет больше, и вы сможете заметить существенную разницу уровней жидкости в секциях. Это создает разницу в давлении, которую ученые иначе называют осмотическим давлением.

Если вы попробуете провести еще один опыт, наполнив каждую секцию резервуара на три четверти соответственно речной и морской водой, вы убедитесь, что уровень воды в секции, где концентрация соли выше, будет подниматься до тех пор, пока вода не перельется через край резервуара.

Осмотическое давление - могучая сила, которая может быть использована для производства энергии на основе существования градиента солености, или, как его иначе называют, энергии солености.

В ряде лабораторий ученые работают над созданием эффективных и недорогих осмотических преобразователей, которые могли бы преобразовывать энергию во вращение водяного колеса или турбины для производства электричества.

Профессора Джеральд Уик и Джон Исаакс из Скриппского института океанографии уверены, что с помощью осмотических преобразователей на океанском побережье в местах впадения рек возможно добывать энергии столько же, сколько сейчас добывается на всех гидроэлектростанциях. А гидроэлектростанции США производят в настоящее время 14% всего используемого в стране электричества.

На сегодняшний день энергия эта теряется совершенно впустую. Возьмем, к примеру, сток реки Колумбия. В ее устье сейчас пропадает энергии столько же, сколько добывается на всех имеющихся на ней гидроэлектростанциях. Она как бы растворяется при смешивании вод Колумбии с океанскими водами. Еще больше энергии бесследно исчезает в устье Миссисипи. По расчетам Ричарда Нормана, профессора биологических наук Коннектикутского университета, соляная электростанция, построенная в устье этой реки, при условии использования одной десятой части ее стока, сможет вырабатывать 1000 МВт электроэнергии. Такого количества хватило бы на нужды одного миллиона человек.

Поскольку Норман осмысливает данный процесс графически, он предлагает нам представить, что все реки в мире впадают в океан с высоты 750 футов (225 м) над уровнем моря. Каждая река стала бы тогда водопадом, в котором высвободилась бы энергия падающей воды. (Сравните это с плотиной Гувера, высота которой не превышает 726 футов.) Другие ученые оценивают высоту этих теоретически созданных водопадов в 760-798 футов (228-240 м). В любом случае цифры поразительные, особенно если представить себе потенциальную энергию, имеющуюся в потоке воды, падающей с такой высоты. Но так как не существует одинаково высоких береговых скал, с которых пресноводные реки могли бы, падая, приводить в действие турбины электростанций, ученые, занимающиеся созданием соляных электростанций, выискивают возможности извлечения энергетического потенциала, создаваемого осмотическим давлением.

Спрашивается, где же можно отыскать такое гигантское осмотическое давление? На глубине в сотни футов, там, где на дне смешиваются пресные воды рек и соленые воды океанов, которые в среднем имеют концентрацию солей, равную 3,5%.

В устье реки ученые мысленно опускают соляную электростанцию на глубину 750 760 или 798 футов (выбирайте сами), чтобы уровень осмотического давления стал достаточным для вращения турбины. Тогда электростанции смогут вырабатывать электроэнергию и передавать ее по высоковольтным линиям в ближайшую энергосеть.

Хотя использование осмотического давления на глубине в ¹/₇ мили (¹/₅ км) под поверхностью океана и возможно в принципе, все же это легче осуществить на словах, чем на практике. В устье реки необходимо будет построить две огромные подводные плотины, вырыть искусственное промежуточное озеро, сконструировать длинную трубу, подающую речную воду к электростанции (на глубину 798 футов ниже уровня моря), и полупроницаемые мембраны, перекрывающие другую трубу, идущую сквозь вторую плотину. Через эти мембраны использованная речная вода будет просачиваться в соленое море в результате процесса осмоса.

В правительственной публикации Соединенных Штатов "Энергия из океана", вышедшей в свет в 1978 году, профессора Уик и Исаакс - пионеры в этой области - описали двухступенчатый процесс использования энергопреобразователей, действующих на основе градиента солености в эстуариях (устьях рек).

На первом этапе речная вода течет через гидроэлектрические турбины в резервуар, уровень которого на несколько сотен метров ниже уровня моря. Разность высот поддерживается осмотическим давлением. В идеале разность высот будет равна 240 м, но она может быть и значительно меньше, чем уровень осмотического равновесия (240 м), чтобы создать движущуюся силу для перехода ко второму этапу - сбросу воды. Он происходит в результате просачивания пресной воды в соленую через полупроницаемые мембраны. Эти мембраны должны постоянно омываться большими количествами морской воды с целью удаления пресной, чтобы избежать уменьшения концентрации соли вблизи мембран, возникающей вследствие попадания туда этой пресной воды.

Попросту говоря, пресная вода из реки попадает в трубу в первой половине, вращает турбогенератор и выливается в озеро. Затем она "откачивается" в соленое море через трубу во второй плотине. Такое откачивание позволяют осуществить мембраны, перекрывающие вторую трубу. Движущей силой при этом, как указывают Уик и Исаакс, является осмотическое давление, составляющее 240 м.

К 1979 году в ряде стран начали разработку программ использования соляной энергии, и ученые-изобретатели наводнили учреждения предложениями о том, как вырабатывать электроэнергию на основе осмотического давления.

Одно из таких предложений, привлекшее большое внимание,- преобразователь, действие которого основано на давлении, создающемся в результате осмоса - PRO^*. Технология была разработана Сиднеем Лоебом.

^* (PRO - pressure-retarded osmosis).

В преобразователе Лоеба пресная вода течет через серию полупроницаемых мембран в камеру с соленой водой. Но это не просто соленая вода - она сжата под давлением,создаваемым насосом. Находящаяся под давлением смесь соленой воды с осмотически добавленной пресной водой направляется затем к турбине.

По мнению автора проекта PRO - преобразователь является, возможно, наиболее экономичным устройством для осмотического производства электрического тока. Однако он тут же добавляет: "Проблему нужно исследовать, исследовать и еще раз исследовать для того, чтобы это устройство, которое выглядит так просто, стало бы приемлемым для использования с коммерческой точки зрения".

Еще один преобразователь - электробатарея, содержащая соленую и пресную воду,- привлекает внимание многих интересующихся наукой людей. Действие этого преобразователя основано на электрохимическом принципе, без использования осмотического давления,- на движении ионов. (Ионы - атомы, у которых есть один или несколько лишних электронов или, наоборот, их не хватает) .

Ключом к пониманию причины процесса является химическое строение простой поваренной соли, формула которой NaCl-натрий хлор. Когда соль растворяется в воде, автоматически образуются ионы хлора и натрия. Ионы никогда не находятся в состоянии неподвижности, они постоянно перемещаются.

Двое ученых - Джон Вайнштейн из Национального института здоровья и Франк Лейтц из Министерства внутренних дел США - решили воспользоваться движением ионов для создания электробатареи, содержащей пресную и соленую воду. Идея не отличалась абсолютной новизной. Ее пытались использовать, о ней писали, но в результате предали забвению уже в 50-х годах. Вайнштейн и Лейтц внимательно изучили все имеющиеся данные, чтобы попытаться сконструировать устройство для извлечения соляной энергии в коммерческих целях.

В электробатарее, созданной ими в конце 70-х годов, ионы натрия и хлора движутся через несколько чередующихся секций с пресной и соленой водой, которые оканчиваются электродами (клеммами). Каждая секция отделена от двух соседних мембраной одного из двух типов: первый допускает прохождение лишь положительных ионов натрия (изображенных символом Na⁺); второй -лишь отрицательных ионов хлора (С1^-). Положительные ионы двигаются в одну сторону, отрицательные-в другую, и это направленное движение и создает электрический ток, получающийся от использования только двух типов воды - пресной и соленой.

Вернемся к рассмотрению солености как средству производства электроэнергии и некоторых других предложений изобретателей по этому поводу. Октав Левеншпиль - профессор химико-технологических наук Орегонского государственного университета в Корвалисе -автор четырех из них. В личных беседах и на страницах специальных изданий он описал и проиллюстрировал свои идеи. В их основе лежит использование процесса осмоса. Левеншпиль считает, что осуществление всех его предложений принципиально возможно.

Одна из схем предполагает создание двух плотин в устье реки, другая -лишь одной, третья - замену плотин большим пластиковым листом. "Однако лучшей является моя последняя схема,-утверждает Левеншпиль.- Для ее реализации не нужны ни плотины, ни листы, только длинная труба, полупроницаемая мембрана на ее конце и турбогенератор".

Первая схема Левеншпиля напоминает проект Исаакса и Уика и позволяет производить электроэнергию практически без эксплуатационных затрат.

Электробатарея, содержащая пресную и соленую воду, может быть изготовлена из чередующихся секций с морской и пресной водой, разделенных полупроницаемыми мембранами. 'А' - мембрана, пропускающая анионы, 'С' - пропускающая катионы. Анион -это отрицательно заряженный, а катион положительно заряженный ион, 'катод' - отрицательный полюс электрода электролитической секции; 'анод' - положительный полюс

Вторая схема (с одной плотиной) состоит в следующем. Громадная плотина (сравнимая по высоте с плотиной Гувера) отделяет океан от реки и суши. Электростанция, расположенная на глубине 700 футов (210 м) ниже уровня моря, снабжается речной водой по трубе. "Мы отказались от искусственного озера,- говорит Левеншпиль.- Но система будет работать, так как пресная вода по-прежнему будет вытекать в океан в результате осмотического процесса. Посмотрим же, насколько дешевле и лучше будет такая система. В нее входит только одна тонкая плотина, тонкой она является потому, что нам не нужно сдерживать два мощных водных потока".

В третьей схеме плотины вообще не предполагаются. "Мы перегородим реку большим пластиковым листом до глубины 700 футов (210 м),- говорит Левеншпиль.- Он отделит пресную воду от соленой". (Конечно, необходимо решить некоторые технические проблемы, вероятно, вы уже подумали о некоторых из них.) Тем не менее проект, в основе которого - единственный пластиковый лист, возможно осуществить в принципе. По трубе длиной 700 футов речная вода попадет к подводной электростанции, а затем - в сравнительно короткую выходную трубу. Из нее пресная вода в результате осмоса вытекает в соленое море через полупроницаемую мембрану.

Левеншпиль считает лучшим свой четвертый проект. "В нем не нужно строить плотины, не требуется и пластиковый лист, не возникает препятствий для судоходства. Необходима только труба, верхний конец которой находится выше приливного уровня. Обратите внимание, что каждая капелька пресной воды, попадающей через длинную трубу в электростанцию, энергетически эквивалентна капельке, падающей с плотины высотой 760 футов".

Еще более простое устройство, предложенное Левеншпилем,- осмотический насос. Об этом насосе (конструкция которого была описана в журналах "Сайнтифик Америкен", "Сайенс", "Кемикл Инжиниринг" и в ряде учебников) он писал: "Осмотический насос - не что иное, как полупроницаемая мембрана, натянутая на отверстие большой трубы. Мембрана пропускает пресную воду, но не воду с растворенными в ней солями. Это и есть насос. Причем его идея полностью обоснована с научной точки зрения".

На практике этот удивительный насос - длинная труба, закрытая полупроницаемой мембраной, опущенная глубоко в океан и надежно закрепленная. Так как работа устройства основана на том, что поток пресной воды через мембрану вызывается разностью давлений по обе ее стороны, при глубине опускания, меньшей, чем 760 футов, в трубе вообще не будет воды. Если же трубу опускать ниже, так, чтобы ее нижний конец достиг глубины большей, чем 760 футов, то давление морской воды превысит осмотическое давление. На такой глубине процесс осмоса будет протекать в обратную сторону. Пресная вода просочится через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном обычному. Как следствие, уровень пресной воды, получаемой из соленой морской, в трубе будет подниматься.

Если осмотический насос работает таким образом, т. е. если осмотический процесс действительно возможно повернуть вспять на глубине океана, то на поверхности моря возможно будет получать большое количество пресной воды, которую можно пить, использовать для мытья, орошения и превращения пустынь в плодородные земли.

"Чтобы получить свежую воду из глубин океана, достаточно взять длинную трубу и опустить ее на глубину в 5 миль (8 км),- говорит Левеншпиль.- Вы не только получите пресную воду, она сама будет выплескиваться из трубы наружу, наподобие фонтана. Хорошо известно, что морская вода на 3% плотнее, чем пресная. Поэтому после того как уровень пресной воды в трубе достигнет уровня осмотического давления (760 футов), она будет выталкиваться наверх и фонтанировать над поверхностью моря".

Для того чтобы использовать осмотические насосы для выработки электроэнергии (теоретически это тоже возможно), необходимо опустить на разную глубину уже две трубы. Пресная вода в этом случае поднимется в них на разные уровни. Дав возможность воде стекать из более длинной трубы через турбогенератор в более короткую, мы получим возможность вырабатывать электрический ток.

Реализация всех этих абстрактных схем преобразования химической энергии в электроэнергию - дело двадцать первого века, имеющее большие перспективы. Для того чтобы претворить их в жизнь, требуется выполнение основного необходимого условия: создания полупроницаемой мембраны, которая была бы прочной, долговечной, экономичной, не нуждалась в уходе и не засорялась бы солью и морскими микроорганизмами. Пока что наибольшее достижение в этой области- мембраны из полых волокон толщиной в человеческий волос. Эти волокна выдерживают значительное давление и имеют большую площадь поверхности. Они уже используются при создании искусственных почек. Пучок из 13 000 таких волокон имеет в диаметре лишь 2 дюйма (5 см). Для этих волокон биофулинг не превратится в проблему, потому что, как считают многие ученые, концы трубок могут быть сделаны мягкими и гладкими, к тому же их можно будет периодически промывать.

Разумеется, ученым понадобятся годы исследований и экспериментирования (по меньшей мере 10-15 лет), чтобы создать идеальные дешевые полупроницаемые мембраны для полного решения биофулинга, для разработки соответствующих технологий.

Не будем забывать и об окружающей среде. Никто пока не может предвидеть последствий воздействия на окружающую среду в результате создания преобразователей, помещаемых в устья рек, где смешиваются пресные и соленые воды.

В настоящее время, а именно в последние десятилетия, уже не предлагается перейти к использованию ископаемых видов топлива, а, наоборот, предлагается рассмотреть возможность перехода к альтернативным, безопасным и незагрязняющим окружающую среду формам энергии, первое место среди которых занимают солнечная и океанская.

Накануне вступления в девятое десятилетие нашего века ученые-океанологи призывают прекратить пустые дискуссии и отказаться от надежды на то, что "технологическое развитие разрешит все проблемы на суше". Они хотят обратить внимание общества на океан, который заряжается энергией внеземного происхождения, энергией доступной, не загрязняющей окружающую среду и возобновляемой.

Рассказ об энергии может быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково наше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве и себестоимости. Нам, по-видимому, следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: "Нет простых решений, есть только разумный выбор".