В головоломке, популярной среди французских детей, действуют фермер, пруд и водяные лилии.

Лилии быстро растут число их ежедневно удваивается. Через 30 дней они покроют весь пруд и погубят все живое в нем.

Фермер не хочет допустить этого, но, занятый делами, решает вмешаться в тот день, когда лилии заполонят половину поверхности пруда.

Вопрос (в нем суть головоломки): «На какой день половина пруда будет покрыта лилиями?»

Ответ: «...на 29-й». Таким образом, чтобы спасти свой пруд, фермеру остается лишь один день!

Один царь, гласит восточная легенда, решил отблагодарить мудреца и предложил ему самому назначить награду. Тот попросил зерна: одно зернышко — на первый квадрат шахматной доски, два — на второй, четыре — на третий, и так далее, удваивая каждый раз предыдущую цифру. Царя поразила скромность просьбы, но... скоро выяснилось: выполнить ее он не в силах. Суммарный вес зерен, если бы заполнить все 64 клетки доски, составил бы около ста миллиардов тонн — более чем десятикратный годовой мировой сбор зерна!

Мы не случайно вспомнили эту историю. Горькая мораль древней притчи близка и созвучна нашему времени. Многие из проблем человечества, оказывается, имеют точно такую же природу.

Физик скажет: число зерен росло в геометрической прогрессии, или, что фактически то же самое, по экспоненциальному закону. Так же, добавит он, растет из года в год добыча руд, и число научных публикаций, и количество автомобилей, и многое иное, что связано с жизнью человека.

Понимать слова П. Капицы следует так. Считается, что мы живем в век атомный. Но так ли это? Ведь в середине ХХ века львиную долю энергии дает нам не делящийся атом, не «Токамаки», а, как и встарь, уголь, нефть и газ. Но все, как говорится, течет, все меняется. И эти энергетические закрома в один далеко не прекрасный день будут истощены. Когда? Сказать трудно. Назывались самые различные сроки: и длинные сотни лет, и краткие десятилетия.

Улучшение методов разведки и усовершенствование глубинного бурения (сейчас добыча нефти и газа с глубин в 5—7 тысяч метров уже не считается исключением) много раз вносили существенные коррективы в эти прогнозы.

Опять же — энергия энергии рознь! Желательно, чтобы энергия была дешевой и легкодоступной. Скажем, известно, что ядерное топливо — уран и торий входят в состав обычных гранитов и базальтов. Запасы эти грандиозны. Но трудно представить себе такой уровень техники, при котором будет экономически целесообразно перерабатывать для извлечения урана или тория громадную массу гранитов и базальтов нашей планеты.

Да, запасы могут быть велики, но ясно как день, что когда-то (бессмысленно пытаться указывать точные даты) им все же придет конец. Ибо противоположное утверждение противоречило бы одному из фундаментальнейших законов физики — закону сохранения энергии. И как следствие допускало бы существование вечного двигателя.

Петербург стапятидесятилетней давности. В первом номере журнала «Природа и охота» за 1879 год читатель мог прочесть следующее: «...Все более и более возрастающая ценность, не говоря о дровах, но даже угля, озабочивает многие ученые и неученые головы. Чем в самом деле будут топить наши потомки? Не должны ли они будут погибнуть с холоду или переселиться под тропики Африки и Южной Америки и вместо дров и каменного угля довольствоваться солнечной теплотой...»

Как видим, разговоры об «энергетическом голоде» начались не вчера.

В 20-х годах ХХ века было точно подсчитано: известных запасов нефти хватит не далее чем до 2000 года, угля — до 2100-го. От других источников энергии большого проку не ждали. И полагали, что где-то в конце XXI века людям придется возвратиться, так сказать, к первобытному состоянию — к волам, лошадям, к водяным и ветряным мельницам.

Если бы надвигающийся сейчас на человечество энергетический кризис дал себя почувствовать лет 40— 50 назад, до открытия ядерной энергии, человечество, несомненно, стояло бы перед катастрофой. А человеческая культура зашла бы в тупик. Но надо отдать должное ученым. Крупнейшие из них давно осознали мощь атомного ядра.

Для людей, живущих в веке ХХ, «экология» — слово новое. Термин этот, правда, еще в 1866 году предложил немецкий зоолог Э. Геккель — как «общую науку об отношениях организмов к окружающей среде...». Однако прежде слово использовали лишь узкие специалисты, в основном ботаники и зоологи, изучавшие растения и животных. Но вот пришла «взрывная» вторая половина XX века. Пора, когда всюду дружно и враз заговорили о всевозможных кризисах, подстерегающих человека. Планета вдруг сделалась маленькой и уязвимой. Выяснилось: масштабы природных явлений и человеческой деятельности уже стали почти сопоставимыми.

Один пример. Солнце посылает в среднем на один квадратный километр земной поверхности 4-Ю5 киловатт. Колоссальную энергию! Но уже сейчас в отдельных регионах Земли энергетический «товарооборот» человека вполне сопоставим с природным. Например, в районе Рура, густонаселенной промышленной области ФРГ, где добывается собственный уголь и имеется высокоразвитая промышленность, потребление энергии составляет 2-Ю4 киловатт с квадратного километра. Цифра лишь в 20 раз меньше солнечной! Это сегодняшний день. А что будет завтра, скажем, в 2000 году? Сохраним ли мы нашу планету зеленой и хотя бы сносной для жизни на ней?

Сейчас (это уже становится общепризнанным) вся надежда на решение глобального энергетического кризиса связана с использованием ядерной энергии. И надежда вполне обоснованная. Но также хорошо известно и то, что на пути перевода всей энергетики планеты на атомную (пока она дает вклад лишь в несколько процентов) имеется ряд трудностей. Характера чисто экологического. Они уже не раз анализировались во многих статьях, докладах, работе различных комиссий. На эту тему выступали и известные физики.

Первая вполне очевидная проблема — это радиоактивность. Начинкой ядерного реактора служит смесь двух изотопов урана: урана-235 и урана-238. В результате цепной реакции, которая сама себя поддерживает, при распаде ядер урана (при этом образуются всевозможные радиоактивные осколки) выделяется тепло, его потом преобразуют в удобную для потребления электроэнергию. В отличие от угля ядерное топливо «горит» гораздо медленнее. Ядерное горючее превращается в радиоактивные шлаки лишь по истечении трех лет.

В 1945 году под грохот взрывов атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки человечество вступило в атомный век. Страшные картины мгновенной гибели японских городов с многочисленным населением глубоко запечатлелись в людских сердцах.

Первое практическое использование атомной энергии вызвало во всем мире тяжелый нравственный кризис. Неудивительно, что все последующее развитие атомной техники и науки проходило под пристальным, а порой даже и пристрастным вниманием общества.

К грузу тяжелых воспоминаний об атомных бомбардировках позднее добавились и мрачные оценки генетической опасности ядерных испытаний в биосфере, проводящихся в эпоху «холодной войны» и гонки ядерных вооружений.

В результате широкая общественность оказалась детально ознакомленной с отрицательными эффектами использования атомной энергии и в значительно меньшей степени с ее преимуществами и положительными сторонами.

Однако имеющийся четвертьвековой опыт работы атомных электростанций развеял много мифов и ложных предубеждений.

В апреле 1975 года на территории АЭС в Страсбурге (Франция) были взорваны две бомбы. Расследование показало: то была диверсия — враги развития ядерной энергетики пытались вызвать аварийный выброс радиоактивных веществ, накопившихся в реакторе, и намеренно загрязнить окружающие районы. Эта акция была приурочена по времени к открывающейся в Париже первой Европейской конференции по ядерной энергетике.

Вблизи зала (а иногда и в самом зале!) заседаний этого форума действовал хорошо отлаженный и отрепетированный ансамбль «демонстрантов». Они страстно выкрикивали: «Долой ядерную энергетику!», «Стоп радиоактивным отходам!», но не забывали единодушно, как по расписанию, уходить на обеденный перерыв.

Несомненно: кампания была инспирирована. И организовали ее конкуренты быстро развивающейся ядерной энергетики. Те, кому она мешала получать прежние, очень высокие прибыли. Враги ядерной энергетики пользовались и пользуются тем, что действительно не все проблемы взаимодействия этого нового вида энергетики и окружающей среды полностью решены. Ну, скажем, проблема удаления радиоактивных отходов из реактора. (Об этом уже говорилось выше, но тема эта крайне важна: добавим еще несколько слов.) Для перевозки приходится сооружать контейнеры с мощнейшей защитой и системами охлаждения. А весь процесс транспортировки организовывать так, чтобы эти отходы путешествовали мелкими партиями, — при этом вероятность аварии на единицу расстояния уменьшается до ничтожной величины, и все это требует немалых затрат.

Обычно слово «тепло» располагает к неге, навевает приятные мысли. Ласково тепло солнца, тепло дружеских объятий... Но если заглянуть в документ «Охрана природы и гидросферы», слово это зазвучит угрожающе. Тепловым загрязнением, оказывается, называется поступление тепла в водный объект, вызывающее нарушение качества воды. А от нарушений, ясно, хорошего не жди!

Средняя атомная электростанция берет из реки за сутки что-то около миллиона кубов воды и возвращает ее уже подогретой на 12—15 градусов. Река утепляется. Если станций много, река, гляди, и закипит!

К примеру, на Рейне (ФРГ) есть места, где вода в 38 градусов (по Цельсию) никого не удивляет. А в штаге Огайо (США) летом вода в речках кое-где прогревается до 50 градусов.

К чему это приводит? Река буквально мертвеет. Впрочем, гибель начинается при температурах гораздо более умеренных. Ежели вода теплее естественной нормы только на три градуса, то для водных жителей уже начиняются неприятности. Сказывается недостаток кислорода, начинается нежелательное ускорение химических и биологических превращений. В теплой воде резко усиливается чувствительность рыб к токсичным веществам, а их, увы, в реках подчас вполне достаточно.

Проблема рационального размещения на земном шаре энергетических установок стала в 70-годы ХХ века актуальной.

В декабре 1975 года Всемирная метеорологическая организация провела в Женеве специальное совещание экспертов. Тема — «Метеорология, производство и потребление энергии».

Как с экологической точки зрения оптимально разместить топливно-энергетические комплексы? Чтобы избежать локальных перегревов, исключить радиационную опасность, уменьшить загрязненность воздуха вредными газами. Вопросы эти непросты. Возьмем, к примеру, атомную энергетику. До сих пор в числе основных преимуществ АЭС прежде всего называли возможность исключить перевозку сотен и тысяч тонн обычного топлива и размещать станции в непосредственной близости от источников потребления электроэнергии.

Соответственно при этом сокращаются и ее потери на передачу по ЛЭП. Однако, как полагает академик Н. Доллежаль, уже в обозримом будущем, в некоторых случаях от этого преимущества, видимо, придется отказаться.

Он восемь лет вынашивал идею получения солнечной энергии из огурцов, для чего помещал их в банку и в прохладные летние дни извлекал их для обогрева воздуха.

Д. Свифт

Машину времени придумал английский писатель-фантаст Г. Уэллс. Еще в 1895 году.

Очень удобно: сидя в кресле с книгой в руках, мчаться сквозь временные дали, вольно обращаясь с Прошлым и Будущим.

Подобный мысленный эксперимент проводился и нашей стране. Перенесемся в Ашхабад, столицу Туркмении. Дорога приведет в городок Солнца — к Институту солнечной энергии Академии наук Туркмении и его исследовательскому полигону. Институт солнечной энергии создан в феврале 1979 года. Это как бы знамение времени.

И вот мы сразу оказываемся где-то между эрой ископаемого топлива и эрой топлива звездного — термоядерной энергией. Вы догадались: в Бикрово уже царит эра солнца.

Солнечное тепло здесь заменяет нефть, уголь, газ, даже... лед. Оказывается, солнцем можно отапливать дома и теплицы, плавить металлы, опреснять воду, кондиционировать воздух не только в ясный день, но в пасмурную погоду, да и ночью тоже.

Марк Клавдий Марцелл негодовал, рассматривая с высоты утеса свои горящие корабли. Поистине загадочной была эта история. Стоило его судну приблизиться к стене осажденного города, как оно вспыхивало, словно зажженная свеча.

Есть легенда, что Архимед, фокусируя слабые солнечные лучи с помощью зеркал, сжег римский флот, осаждавший Сиракузы. Во всяком случае, он оставил нам книгу «О зажигательных стеклах».

Преобразовать солнечную энергию в тепло заманчиво, но гораздо лучше сразу получать электрический ток. Фотоэффект в полупроводниках был открыт еще в 1876 году, в химическом элементе селене. О применении фотоэлементов в солнечной энергетике мечтал советский академик А. Иоффе, основатель физико-технического института Академии наук СССР. В этом институте в 30-е годы советские исследователи создали серно-таллиевые фотоэлементы с рекордным для тех времен КПД в 1 процент. Американские физики Пирсон и Фаулер в 1952 году создают кремниевые фотоэлементы с p-n-переходами. Первый успешно работающий солнечный элемент был продемонстрирован в 1953 году, а пять лет спустя для него уже нашлась серьезная работа — на спутниках.

То, что кажется трудным в космосе, легко реализовать на Земле. Большие площади для солнечных батарей? Их вам предложит в изобилии любая пустыня — пустыни вроде бы самой Природой созданы для гелиоустановок.

Казалось бы, ибо тут возникает новое обстоятельство — экономика дела. В космосе проблемы «дорого», «не по карману», «слишком расточительно» — таких упреков не было.

Солнечные батареи были одним из самых дорогих источников энергии, но не надо забывать: в космосе солнечные батареи требовались почти что в единственном экземпляре — это не массовое производство!

Не то на Земле. Здесь в вопросах использования источников энергии физики и энергетики часто вступают в спор. Физику может казаться, что если открыт способ преобразования, например, солнечной энергии в электричество с достаточно высоким КПД, то это, собственно, уже решает все проблемы.

От древних греков пришла к нам легенда о титане Прометее, который похитил на небе огонь и принес его людям. А нельзя ли подобно Прометею похитить солнечное тепло, законсервировать его, а через день, неделю, даже месяц, словом, когда понадобится, использовать эту энергию?

Можно! В нашей стране с таким принципиально новым направлением в науке, названным солнечной тепло-химией, еще лет двадцать назад выступил азербайджанский ученый Г. Мамедбейли.

Предложенный им рецепт консервации солнечного тепла был прост. Возьмем кусочек известняка и выставим его на солнце в летний знойный день. Под действием солнечной энергии из известняка (он состоит из трех элементов: кальция, углерода и кислорода) начнет бурно выделяться углекислый газ.

Аккумуляторы солнечных лучей — а ведь они уже есть и существуют на Земле миллионы лет. Это растения. Действительно, растительность развивается, усваивая лучистую энергию солнца и преобразуя ее в химическую энергию углеродистых соединений. Сжигая древесину, человек преобразует тем самым эту энергию в тепловую (чем не аккумуляторы тепла!). В сверкающем черном угле, в нефти и сланцах нам снова светит солнце, которое веками (!) запасало там свою лучистую энергию.

И, возвращаясь теперь от тепловых аккумуляторов к проблеме фотоэлементов, заметим: то, что пока в солнечной энергетике не удается человеку — создать на Земле грандиозные площади, покрытые дешевыми фотоприемниками, — то для изобретательной природы давно уже пройденный этап.

Известно: хлорофилл растений умеет ловко улавливать солнечные кванты. И, говорят, общая площадь листвы растений планеты, этого конденсатора солнечной энергии, равна поверхности планеты-гиганта Юпитера!

При этом Природа использует не дорогой монокристаллический кремний, а дешевую органику. Отчего же не последовать этому примеру?

Зеленый цвет вовсе не обязателен для каждого фотосинтезирующего организма. Так, водоросли в большинстве случаев желтые, бурые, оливковые, красные или синие, но не зеленые. И на суше некоторые растения имеют желтые или красные, а не зеленые листья.

Но в какие бы одежды ни рядились фотосинтетики, ключевую, доминирующую роль в них играет зеленый пигмент — хлорофилл. Всякий раз, когда пигментная система «цветного» фотосинтетика подвергалась тщательному научному анализу, в ней обязательно находили и хлорофилл.

Невольно рождается мысль: хлорофилл — это избранник Природы, ее «любимчик». В нем чувствуется даже нечто мистическое. Словно эта молекула — ключ к разгадке какой-то глубокой тайны живого, так много сулящей практике.

С исследованиями хлорофилла всегда были связаны большие надежды. Люди давно мечтают о техническом воплощении фотосинтеза, о дне, когда маститый ученый на глазах у благоговеющей публики совершит чудо.

А началось все с практического вопроса: как помочь промышленности в борьбе против выцветания красителей.

Вещества, которыми красят, например, ткани, поглощают свет. Мельчайшие порции световой энергии — фотоны разбивают молекулы красителя, и он разрушается, выцветает.

Когда в первые послевоенные годы в лаборатории академика А. Теренина в Ленинграде стали изучать эти процессы, неожиданно выяснилось, что красители типичные полупроводники.

Но если на минуту отвлечься от проблем собственно фотосинтеза и взглянуть на дело широко, то все пигменты, которыми наполнены листья растений, также предстанут перед нами как рядовые великой армии красителей!

Среди многообразных соединений органической химии, красители выделяются интенсивным поглощением видимого света. Это и обусловливает их яркие цвета: поэтому их и используют с давних пор для крашения.

Ф. Жолио-Кюри скончался в 1958 году. А в 1959-м американские исследователи В. Арнольд и Е. Маклей впервые предложили и сконструировали батарею, содержащую пигменты растений — хлорофилл и каротин. Это устройство уже умело преобразовывать свет в электричество. Правда, оно было еще очень и очень несовершенным.

Работы в этом направлении велись и в СССР в Институте химической физики Академии наук под руководством доктора физико-математических наук Г. Комиссарова.

В 1968 году эта группа построила «фотовольтаическую батарею». Это была модель зеленого листа, способная осуществлять трансформацию световой энергии в электрическую. Ее параметры год от года улучшались. Сейчас КПД уже достиг нескольких процентов. (Любопытно, что в соответствии с заветом Ф. Жолио-Кюри советские исследователи вместо хлорофилла использовали его аналог — фталоцианин. Молекулы эти менее капризны, чем хлорофилл, более доступны и лучше вписываются в технику, совместимы с ней.)

В 1961 году американскому химику М. Кальвину была присуждена Нобелевская премия за изучение так называемых «темновых процессов»: в них в зеленом листе из углекислоты воздуха образуются углеводы. (Этот процесс называют «циклом Кальвина»).

До сих пор мы рассуждали об экономии уже готовой энергии. Ну а ее получение — насколько эффективны подобные процессы? Насколько рационально используются еще остающиеся в земных закромах органические топлива? Увы, картина тут не очень отрадная.

Костяк современной нашей энергетики — тепловые паротурбинные электростанции — ТЭС. Они работают на угле, нефти, газе, мазуте. Система превращения топлива в электрическую энергию, на которой основаны ТЭС, многоступенчата. Тепло сгорающего топлива нагревает воду в котле, вода превращается в пар высокого давления, пар приводит в движение огромную турбину, которая, в свою очередь, передает вращение на ротор электрического генератора, находящегося в сильном магнитном поле. От этого движения в медных обмотках ротора и возникает электрический ток.

Громоздко, многоступенчато, а значит, и не без потерь. Но современные электростанции создавались во времена, когда считалось, что запасы топлива на Земле практически неисчерпаемы. Не имело особого значения, сколько его будет потрачено, лишь бы получить желаемое — электрический ток. Что и было достигнуто с высокой для тогдашнего положения степенью совершенства.

Чтобы отчетливо понять настоящее, полезно сделать временной (исторический) разбег. Сейчас стоило бы поговорить о том, отчего тепловые машины столь несовершенны. Что это? Недоделки, недоработки инженеров? Или, напротив, фундаментальный принцип, перешагнуть который нельзя?

И тут нам трудно обойти молчанием, не помянуть имени Карно.

Карно (1796—1832), французский физик, сын Л. Карно (крупного государственного и военного деятеля эпохи французской революции и времен Наполеона I). Шестнадцати лет Карно поступил в Политехническую школу, окончил ее через два года и получил назначение в инженерные войска. С большим рвением занимался он делами, далекими от военного: математикой, физикой, химией, биологией, политэкономией, музыкой. Видимо, поэтому в 1828 году Карно оставил военную службу. За всю свою жизнь он опубликовал лишь одно, но гениальное произведение: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». 1824 год. Это был, по существу, пролог новой важной науки — термодинамики (хотя Карно ошибочно рассматривал теплоту как некоторую невесомую жидкость — теплород). Можно только гадать, как много мог дать науке гений Карно, ибо он скончался в возрасте 36 лет во время эпидемии холеры.

Сто лет назад изобретатель электрического освещения П. Яблочков мечтал о времени, когда электричество будут вырабатывать на особых «фабриках» и затем распределять по домам подобно тому, как водопровод распределяет воду.

Эти фабрики электричества — ТЭС, ГРЭС, АЭС — уже построены и становятся все мощнее.

Огромный зал Чудовищной величины узлы монтируемой турбины и маленькие фигурки людей, собирающих эту махину.

Современные ТЭС — с чем сравнить эти колоссы? С мамонтом, динозавром?.. Отчего эти железные «звери» энергетики, пожирающие астрономические количества угля и нефти, становятся с каждым годом все крупнее? Оправдывается ли тяга к гигантизму?

У нас в стране в 1913 году единичная мощность турбоагрегата составляла всего лишь 500 киловатт. Через 40 лет на Черепетской ГРЭС был уже пущен турбоагрегат мощностью 150 тысяч киловатт.

Жил-был паровоз. Когда-то он был маленький и только еще учился ходить.

Изобретатели пытались поставить его на ноги в буквальном смысле слова. История техники знает несколько моделей паровозов, снабженных ногами. Ведь паровоз вроде бы должен был заменить лошадь...

Паровоз рос, мужал, вошел в моду. Но и тогда, когда он был в зените славы, находились люди, скептически смотревшие на могучего красавца. Они говорили:

— Со странным чувством смотрю я на эту машину. Испытываю такие же ощущения, как если бы мне пришлось видеть мамонтов и знать, что скоро они все до единого вымрут. И только в слоях вечной мерзлоты (читай: в музеях истории техники) будут изредка встречаться их поросшие рыжим волосом огромные туши (огромные железные тела, в которых давно погас огонь)...

Ученые еще спорят, кто извел мамонтов, но почему исчез паровоз, тут нет разногласий. Он, оказывается, ел за десятерых, а работал вполсилы. И человек отказался от него.

Гров (1811—1896), английский электрохимик, адвокат по профессии (закончил Оксфорд в 1835 г.), слабый здоровьем, он не желал заниматься адвокатской практикой: предпочел тишину кабинета и занятия джентльмена-экспериментатора. Изобретенный им в 1839 году «элемент Грова» сделал его членом Лондонского королевского общества. Гров был ярым сторонником закона сохранения энергии (видимо, поэтому в справочниках он всюду значится как английский физик), профессорствовал в лондонском институте. В зрелые годы здоровье Грова окрепло настолько, что он вернулся к адвокатской деятельности. В 1871 году был назначен судьей, а год спустя возведен в рыцарское достоинство (knight, род личного дворянства с титулом «сэр»).

Сейчас, когда наука требует долгого обучения, дорогостоящего оборудования, коллективных усилий и многого иного, нам трудно себе это представить: профессиональный юрист, успешно (в часы досуга!) подвизавшийся на ученом поприще. И даже внесший значительный вклад в исследования.

Да, днем заседания в суде, дела клиентов. А по вечерам, сбросив судейскую мантию, Уильям Роберт Гров отдавал свой досуг любимой науке — электрохимии.

И занятия эти шли столь успешно, что сейчас, собственно, помнят не юриста Грова, а Грова-электрохимика.

Замечательный советский электрохимик академик А. Фрумкин, создавший Институт электрохимии Академии наук СССР в Москве, где проблема топливного элемента одна из ведущих, как-то беседовал с журналистами. Обсуждая недостатки традиционной тепловой энергетики, он нарисовал яркий образ:

— Представьте себе мучимого жаждой человека. Он добрался наконец до воды, зачерпнул полный стакан, но... к губам ему удается донести лишь треть!.. А ведь именно в таком положении находится человечество: из наполненного до краев кубка энергии ему удается полезно использовать лишь малую часть. Две трети добытой из-под земли тяжким трудом людей химической энергии топлива пропадает зря...

Не то «холодное» горение, оно выгодно отличается от обычного: лишено ограничений, установленных Карно, здесь КПД может даже превысить 100 процентов!

Секрет прост: энергия черпается из окружающей среды и добавляется к химической энергии сжигаемого топлива. Но это экзотика. Правило же таково, что при «холодном» горении удается почти всю химическую энергию непосредственно превратить в очень удобную для использования энергию электричества. И доказал то впервые немецкий ученый Нернст.

Большую роль в судьбе топливных элементов сыграл немецкий ученый Вильгельм Оствальд.

Сейчас Оствальдом интересуются в основном лишь историки науки, а ведь когда-то он был притчей во языцех, главой громадной, созданной им самим школы физикохимиков.

Оствальд сразу же раскусил, какие большие возможности для энергетики сулят топливные элементы. Одно дело, когда о неоспоримых достоинствах топливных элементов в своем учебнике «Теоретическая химия» написал молодой, еще мало кому известный Нернст, и совсем другое, если рекламированием топливных элементов занялся Вильгельм Фридрих Оствальд, всемирно известный ученый, организатор и первый президент только что созданного в Касселе Немецкого электрохимического общества.

В 1894 году на одном из первых собраний этого общества Оствальд произносит речь во славу топливных элементов. Она была затем опубликована в первом номере тоже только что основанного «Электрохимического журнала». Оствальд писал: «Я не знаю, достаточно ли ясно представляют себе, сколь несовершенен для нашего времени высоко развитой техники важнейший источник энергии, которым мы сейчас пользуемся, — паровая машина...»

Вопрос стоял остро. Шла конкурентная борьба между различными способами получения столь желанного электричества. Источником энергии (тут мнения тогда не расходились) должен был быть дешевый уголь. Но извлекать из него химическую энергию можно было различными приемами.

Первый путь — о нем мы уже много говорили — это топливные элементы. Но был и второй путь, в отличие от первого окольный, многоступенчатый (он успешно практикуется и до сего дня). Это путь прямого сжигания топлива, то, что сейчас называется тепловой станцией.

Тепловые станции возникли не за один день. Это длинная цепочка процессов: сожгли уголь — нагретый пар приводит в действие лопасти паровой турбины (или толкает поршень паровой машины), а уж ее механическая энергия, в свою очередь, побуждает к работе электрический генератор. Вот этой-то последней стадии лет этак сто назад не было и в помине. И здесь-то для топливных элементов и был тот самый шанс, о котором мы упоминали выше.

Но время работало на топливные элементы. Прошли 30-е годы нашего века. Техника требовала все новых и новых типов автономных электрохимических источников тока. Поэтому накануне второй мировой войны исследователи вновь обратились к простейшему топливному элементу — водородно-кислородному.

Весомую лепту в разработку и создание таких топливных элементов внесли и советские исследователи.

...Я держу в руках старый журнал «Советская наука». Март 1941 года. Этот журнал (так же, видимо, как и государственное издательство «Советская наука»), созданный в 1941-м, просуществовал лишь четыре месяца — началась война.

В мартовском номере было опубликовано постановление Совета Народных Комиссаров Союза ССР о Государственных премиях. В разделе «За выдающиеся изобретения» премии третьей степени (25 тысяч рублей) был среди прочих удостоен и П. Спиридонов, научный сотрудник физико-химического института имени Л. Я. Карпова. Награжден за изобретение нового типа элемента воздушной деполяризации — так говорилось в постановлении. Фактически же тут речь шла все о том же топливном элементе...

Оставив за собой гигантский огненный хвост, космический корабль устремился ввысь... Вот отделяется ракета-носитель... и космонавты берут курс на цель (Марс? Венеру?)...

Представим теперь себе, читатель, что мы находимся в кабине космического корабля. Первое бы, что нам бросилось в глаза, — это, видимо, мягко светящийся главный пульт управления: светло-серая приборная доска, полумесяцем огибающая всю кабину. Со множеством различных переключателей, датчиков, счетчиков, циферблатов, шкал, индикаторов и других приборов... Даже стены космической каюты усеяны сотнями разных переключателей и кнопок.

Сложное хозяйство у космонавтов! Необходимо собирать и передавать на Землю разнообразные данные. Должны быть на борту также устройства, поддерживающие в кабине тепло и уют (хотя снаружи температура может колебаться от плюс 120 до минус 150 градусов Цельсия). И все это множество приборов — питание радиоприемного и радиопередающего оборудования, приборы для научных исследований и контроля параметров самого корабля, бортовая ЭВМ и так далее — требует электроэнергии.

Основное занятие ученого состоит в том, чтобы найти, как сделать вещь, а дело инженера — создать ее.

Дж. Бернал

Теперь можно рассказать о том, как уже из космоса топливные элементы спустились на Землю. Про открывающиеся для них тут большие возможности.

Судьба топливных элементов полна парадоксов. Экзотика, можно сказать, вывела топливные элементы «в люди». Необычные обстоятельства вне Земли и глубоко под водой требовали и незаурядных источников питания электроэнергией. И вот там, где спасовали традиционные средства, выручил топливный элемент.

Казалось бы, топливные элементы годятся лишь для особых случаев, для спецтехники, и их удел — малые масштабы производства. Потому-то и был столь удивительным большой научный разговор об электрохимической энергетике, который состоялся в 1979 году в Москве.

У каждой науки есть своя мечта. Такой мечтой, «синей птицей» для электрохимии стала задача создания совершенных топливных элементов. И построенной на них особой электрохимической энергетики.

Мы перегораживаем реки огромными плотинами, строим мощные атомные электростанции. И все же на долю энергии падающей воды или атомного распада в общем балансе приходится всего лишь несколько процентов. Энергетику, связанную со сжиганием природного топлива, естественно назвать «большой энергетикой». Но рядом с ней существует также «малая энергетика». Для питания переносной радиоаппаратуры, различных приборов на самолетах, автомашинах необходимы особые источники тока. Ими стали десятки типов гальванических элементов и аккумуляторов — устройств сугубо электрохимических.

От батареек для карманных фонариков до топливных элементов, действующих на космических кораблях, — таков диапазон применения электрохимических источников тока. Ежегодно во всем мире их выпускают около 10 миллиардов единиц, а суммарная мощность таких элементов и аккумуляторов уже соизмерима с мощностью всех электростанций мира. Вот! Такова так называемая «малая энергетика». В ней, правда, до недавнего времени не было гигантов, установок большой мощности, но, как вскоре увидит читатель, и они, видно, скоро появятся.

«Приводят все дороги в Город» — так писал в конце прошлого века бельгийский поэт Эмиль Верхарн.

Города — средоточие нашей цивилизации. Ее барометр, пульс. Достижения и просчеты здесь особенно рельефны, обнажены.

Город — это «остров тепла». Средняя температура тут может быть на десять градусов выше, чем вне городской черты. Здесь иной воздух, не так светят солнечные лучи, чаще и обильнее выпадают дожди.

Деревья в городе — о, это целая проблема! Сильное загрязнение воздуха в Токио вынудило муниципальные власти принять программу «скорой помощи» зеленым насаждениям. Так, все деревья старше 15 лет должны быть зарегистрированы специальной службой. Это молодые «старцы», оказывается, уже требуют особого ухода.

Но в городе нелегко жить не только деревьям, но и людям. Полицейские в противогазах на улицах Токио, зловещие смоги над Лондоном и Лос-Анджелесом — об этом много писали. Как же совместить в городах экологическую чистоту и непрерывный рост энергопотребления? И вновь вспомнили про топливные элементы. Ведь у электрохимических генераторов есть и еще одно важное достоинство — экологическая чистота. Они выбрасывают в атмосферу почти исключительно углекислый газ и воду. Поэтому их можно использовать непосредственно там, где они нужнее всего, — в крупных городах и промышленных центрах.

Кто-то должен начать! Самая блестящая идея останется фантазией, пока за нее не возьмется инженер. И вот в последние годы за рубежом в различных журналах, связанных с энергетикой, техникой, замелькали непривычные, броские заголовки статей. «Использование топливных элементов для выработки электроэнергии — мечта или реальность?» «Топливные элементы — фаворит в энергетической скачке?»... И тому подобное. В условиях достаточно резко выраженного энергетического кризиса, экологических и прочих неурядиц в ведущих капиталистических странах — США, ФРГ, Японии — начаты серьезные исследования вопроса о возможной роли топливных элементов в Большой Энергетике. Особый размах эта деятельность получила в США.

В 1967 году, когда многие организации, занимающиеся топливными элементами и работающие на космос, начали свертывать свою деятельность и дух уныния воцарился над этой проблемой, американская фирма «Юнайтед технолоджи корпорейшн», объединившись с консорциумом газовых и электрических компаний (электроэнергия из газа), создала проект «Тарджет» («Цель»). Организаторы проекта, что называется, смотрели в корень. Природный газ становится в энергетике самой перспективной фигурой. Использовать его высокоэффективно, экологически чисто — то была достойная задача.

Широкая река научно-технического прогресса. Ее стремительные повороты, странные и порой необъяснимые. Скажем, М. Фарадей (1791 —1867), так много сделавший для развития электрохимии. (Достаточно вспомнить открытые им законы электролиза.) Но он же в 1831 году открыл и принцип электромагнитной индукции. К чему это привело? К созданию электрических генераторов. К забвению электрохимических устройств, которые до этой поры (до 60-х годов XIX века) являлись основным источником электричества. Но сейчас, кажется, ситуация вновь меняется. Восстанавливается (увы, спустя примерно столетие) исходная позиция.

«Загнанные в резервации», «истребленные» для нужд Большой Энергетики, электрохимические устройства в образе топливных элементов собираются теперь дать бой тепловым машинам на их же собственной территории.

Третья американская долговременная программа «Utility» («Польза») поставила своей целью осуществить заветную мечту электрохимиков — поставить на промышленную основу, «холодное» (на топливных элементах) горение угля в кислороде воздуха. И не в виде лабораторных образчиков, дразнящих воображение, но не выдерживающих практической проверки.

Это, так сказать, заочное соревнование началось давно — много тысяч лет назад. Когда человек оценил горючие свойства угля и нефти. Однако соперничество резко обострилось лишь в последнее десятилетие.

Полистайте старые журналы начала века. На пожелтевших фотографиях вы непременно увидите паровозы, пароходы; кочегара, лопатой бросающего уголь в топку. Кучу угля в котельной...

Лет восемьдесят назад, с началом электрической эры, главным топливом был уголь. «Король-уголь» называли его тогда: он составлял четыре пятых в так называемом топливном балансе.

Уголь душил нефть, не давал ей ходу. Из него научились (воздействуя высокой температурой без доступа воздуха) выделять светильный газ, который начал широко использоваться для освещения и отопления городов.

Но угольное засилье не могло продолжаться вечно. Первая промышленная скважина (глубиной в десять метров), пробитая в США в штате Пенсильвания, дала «черное золото» — нефть — еще в 1859 году. И хотя местный священник проклял «дыру в Земле», через которую обкрадывали, по его мнению, подземное божье судилище и мешали поджаривать грешников на вечном огне, нефть вскоре согнала уголь с трона энергетики.

Первобытный человек нашел и принес в пещеру горящую ветку. Это был прообраз длинной цепи источников энергии — даровой машины, дизельного двигателя, ГРЭС. Шли годы: менялись размеры устройств, рост КПД использования топлива, инженерное, конструкторское искусство. Но принцип был все тот же: законсервированная когда-то, миллионы лет назад, в растениях солнечная энергия при сжигании угля, нефти, природного газа превращалась в тепло, а затем в электроэнергию. «Не топить ассигнациями...» — об этом предупреждал еще Менделеев. Сейчас эти слова приобретают буквальный смысл, ибо в условиях энергетического кризиса на Западе нефть катастрофически дорожает. Ее стоимость за последние несколько лет возросла в пять раз и составила 80—90 долларов за кубический метр.

Нефть — ценнейшее химическое сырье. Из нее вырабатываются бензины, этилен, полиэтилен, ацетилен, метанол и другие незаменимые продукты. Но почему только из нефти? А углы, в частности бурые, канско-ачинские?

Уместно вспомнить недавнее прошлое. Прежде химические продукты получали в основном из угля. В 20— 30-е годы в Германии, Англии, США, СССР проводились обширные научно-исследовательские и опытные работы. Они привели к созданию, в том числе и у нас в стране, промышленности для производства из угля моторных топлив и всевозможных химических продуктов.