Краткая предыстория
Старожилы Ташкента хорошо помнят гигантский железобетонный подсолнух, повернувшийся к солнцу над корпусами консервного завода. Чаша десятиметрового параболоида, покрытая квадратиками зеркал, стояла здесь в течение многих лет. Странное сооружение, возведенное как будто по картинке из какого-то фантастического романа, невольно привлекало внимание всех, кто проезжал по одной из самых оживленных магистралей столицы Узбекистана. Этот концентратор солнечных лучей в первые послевоенные годы построил Ф. Молеро, сотрудник существовавшей тогда в Ташкенте гелиоплощадки Московского энергетического института имени Г. М. Кржижановского, и предназначался он для снабжения тепловой энергией консервного завода. Для своего времени это была уникальная установка, по размерам и точности концентрации солнечных лучей не имеющая себе равной в мире. В самой горячей точке, где пересекались солнечные лучи, температура превышала тысячу градусов. Не будем останавливаться на технических тонкостях, обусловивших недолговечность этого «подсолнуха» из стекла, железа и бетона — из-за незначительного расхождения коэффициентов линейного расширения стекла и клея, прикреплявшего его к железобетону, зеркала-концентраторы растрескались. Но именно этот факт и сыграл в начале 50-х годов решающую роль в судьбе ташкентского физика Гияса Умарова. Тогда Умаров, только что защитивший в Московском университете кандидатскую диссертацию по ядерной физике, преподавал в Ташкентском политехническом институте. Грандиозность конструкции концентратора и его трагическая судьба поразили молодого ученого. Проезжая мимо гигантского рефлектора, ученый каждый раз возвращался к мысли: можно ли создать крупные, достаточно надежные и экономичные отражатели солнечных лучей? Чтобы сказать «да» или «нет», нужны были эксперименты.
...Соседи Умарова по Учительской улице в 1953 году с удивлением увидели уважаемого ученого карабкающимся по крыше с какими-то зеркалами. «Неужто он, как мальчик, собирается играть в солнечные зайчики?» На самом деле Гияс Якубович начал свои первые опыты с зеркальными солнечными концентраторами. Эти исследования не входили в планы какого-нибудь научного учреждения. Они проводились в свободное от работы время, и ассигнования на все необходимые для опытов материалы шли из семейного бюджета.
С тех пор прошло двадцать лет.
В Париже, в июле 1973 года, в штаб-квартире ЮНЕСКО проходил международный конгресс «Солнце на службе человека». Проблема непосредственного активного использования солнечной энергии, на протяжении веков занимавшая умы многих исследователей, особенно остро встала в наши дни, когда все возрастающие темпы научно-технического прогресса требуют новых источников энергии. Как пишет доктор технических наук Б. Тарнишевский, «оценивая возможные энергоисточники будущего, можно прежде всего указать на энергию управляемого термоядерного синтеза и солнечную энергию. При этом солнечная энергия имеет перед термоядерной определенные преимущества: она является наиболее «чистой», и ее использование не может нарушить теплового равновесия нашей планеты».
В конгрессе участвовало более 600 участников из 58 стран. Советские исследователи представили конгрессу 16 докладов. Эти доклады вызвали большой интерес, так как они освещали работы, уже сейчас имеющие серьезное практическое значение. Член-корреспондент АН Узбекской ССР Гияс Якубович Умаров рассказал на этом конгрессе о работе, проделанной им и его учениками. И работа эта получила самое высокое международное признание.
«Мне отчаянно повезло, — сказал как-то мне Гияс Якубович. — Моя молодость совпала с молодостью моей науки. В современном понимании этой науки, конечно».
Именно поэтому мне захотелось не только рассказать о сути этой бесконечно сложной, но перспективной проблемы, но и как бы дать диалог новой науки со своим «сверстником».
— Гияс Якубович, своими первыми самодеятельными опытами Вы, по-видимому, проверяли какие-то свои, не апробированные еще идеи?
— Да. И с тех пор основной моей работой стала гелиофизика. В физико-техническом институте Академии наук республики мы создали крупный отдел гелиофизики. А темой моей докторской диссертации стала одна из актуальных проблем гелиотехники, концентраторы солнечных лучей.
Еще Архимед сообщал о возможностях концентрирования солнечных лучей в своей книге «О зажигательных стеклах». С его именем связаны легенды о сожжении флота римлян, осаждавших Сиракузы.
Теперь многие специалисты считают, что описание гибели римской эскадры лишь красивый вымысел, так как в III веке до нашей эры люди еще не умели делать достаточно точных и больших зеркал, способных с двухсот метров поджечь корабли. Но сама фантазия эта примечательна. О том, как поймать солнечные лучи, задумывались еще в древности. Тогда уже было известно свойство линз и вогнутых зеркал собирать их в одну точку — фокус. Используя зажигательные стекла, «добывали» священный огонь в Древнем Риме весталки на жертвенниках у храма богини Весты. Когда пламя угасало, то по существовавшим законам его можно было снова разжечь лишь «чистым» огнем — солнечным светом.
— Значит, сама идея насчитывает тысячелетия. Но вот техническая реализация ее...
— ...Она окончательно не решена и сейчас. Технологические сложности столь велики и разнообразны, что даже перечислить их, право же, трудно. Но даже сами поиски материала отражателя — это всего лишь один аспект всей проблемы. Предположим, все препятствия позади — собрали лучи в фокус. А как лучше использовать сконцентрированную, «пойманную» энергию?
На конгрессе «Солнце на службе человека» работали три основные секции: «солнце и энергия», «солнце и жилище», «солнце и жизнь»... Солнце и жизнь. В самом названии его — вы чувствуете? — глобальность, всеохватность проблемы, которую поставили перед собой ученые всего мира.
Солнце — это не только энергия будущего. Солнце — это Великий Медик и Селекционер, Земледелец и Скотовод — и прочая, и прочая, и прочая... Пока, к сожалению, тоже будущего.
Отступление о солнечной работе
О благоприятном влиянии солнечных лучей на здоровье человека известно с незапамятных времен. Надпись в храме Дианы в Эфесе гласила: «Лишь Солнце своим сияющим светом дарит жизнь». Древние греки и римляне устраивали на крышах своих домов солярии, не говоря уже о широкой популярности общественных соляриев. Римский ученый Плиний Старший почти две тысячи лет назад писал в своей «Естественной истории», что стеклянные шары, если пропускать сквозь них солнечные лучи, могут прижигать и, следовательно, заживлять раны.
Великий Ибн-Сина предполагал, что солнечные лучи имеют бактерицидное действие.
В наш век ученые убедились, что Солнце оказывает гораздо большее влияние на человека, чем это предполагалось раньше. И не только на человека, но и на все живое, из чего состоит, как говорят ученые, биосфера нашей планеты.
Академик В. И. Вернадский писал: «...история биосферы резко отлична от истории других частей планеты, и ее значение в планетарном механизме совершенно исключительно. Она в такой же мере, если не в большей степени, есть создание солнца... Древние интуиции великих религиозных созданий человечества о тварях Земли, в частности о людях, как детях Солнца, гораздо ближе к истине, чем думают те, которые видят в тварях Земли только эфемерные создания слепых и случайных изменений земного вещества, земных сил. Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма, в котором, как мы знаем, нет случайностей».
Проникновению в секрет этого космического механизма, воздействующего на жизнь Земли, посвятил свой поиск пионер гелиобиологии ныне покойный профессор Александр Леонидович Чижевский. Собрав огромный статистический материал, он привел убедительные доказательства о связи распространения эпидемий на земном шаре с цикличностью процессов, происходящих на Солнце.
Подтверждением верности этого вывода служат все новые и новые открытия ученых. Н. Ф. Шведов описал одиннадцатилетние ритмы толщины годичных колец для некоторых видов деревьев. Существование аналогичных по времени циклов массовых размножений саранчи установил Н. С. Щербиновский. Интересно, что этот известный энтомолог обратил внимание на факт использования в глубокой древности, за много веков до нашей эры, монгольскими и тюркскими народами, населявшими степи и пустыни Восточной Азии, календаря с двенадцатилетним циклом летосчисления. Напомним, что одиннадцатилетний закон периодичности в «работе» Солнца был открыт учеными лишь в прошлом веке. Кроме того, лишь тогда обнаружились различные по продолжительности периоды в деятельности Солнца, в частности, были изучены 33—36-летние циклы активности дневного светила.
На основе опыта древними скотоводами было установлено, что падеж скота и животных, носивший массовый характер, повторялся каждые десять-двенадцать лет. Он связан с сильной засухой, когда уже ранней весной в степях выгорали пастбища. Так возникли названия циклов в «животном календаре» древних, где каждый год был обозначен именем того или другого животного: «лошади», «коровы», «барана», «барса», «зайца»... Последний считался особенно тяжелым через каждые 36 лет. Из-за массового падежа скота от голода почти наполовину вымирали многие кочевья.
В наши дни ученые не только вспомнили о многих забытых старых истинах, но и обнаружили новые факты, подтверждающие правильность выводов, сделанных на основе многовекового опыта предков.
Ленинградскими учеными доказана прямая зависимость между вспышками на Солнце и воспроизводством рыбных стад. Океанологи даже рекомендовали рыбакам, ведущим промысел в водах Северной Атлантики, сопоставлять прогнозы на улов с астрономическими данными.
Необходимость знания прогнозов активности Солнца, как оказалось, возникла и у охотников, ведущих отстрел соболя.
Проанализировать и сопоставить данные о влиянии Солнца на этих животных ученым удалось за период, превышающий триста лет. Для этого были использованы записи в таможенных и так называемых ясачных книгах. Оказалось, что максимумы добычи соболей совпадали с периодами подъема солнечной активности. Кроме того, в это время повышается качество его меха — в периоды интенсивного образования на Солнце пятен и протуберанцев увеличивается количество особей с темной окраской шкурки. Такое явление наблюдается одновременно у зверьков, обитающих в самых отдаленных друг от друга районах.
Изучение сельскохозяйственной статистики показало, что пятна на светиле определяли... даже цены на хлеб на мировом рынке. Ленинградский ученый кандидат географических наук В. А. Долотов установил, что урожайность ржи и картофеля в нынешнем столетии менялась в соответствии с солнечной активностью, то есть с одиннадцатилетней цикличностью. Выяснилось также, что изменения активности Солнца особенно заметны в северных широтах. Знание этой закономерности поможет экономистам более точно прогнозировать урожай сельскохозяйственных культур.
Как давно заметили ученые, синхронно с изменением активности Солнца меняется и климат на Земле, «пробуждаются» и «засыпают» вулканы. Даже Мировой океан как бы «пульсирует», повторяя циклы солнечной активности. Последний факт установлен ленинградским океанологом Игорем Максимовым, проанализировавшим и обобщившим многолетние наблюдения за уровнем воды в 140 портах Атлантического океана. До сих пор было распространено мнение, что колебания уровня океана могут быть вызваны только таянием ледников Гренландии и Антарктиды.
Член-корреспондент Академии наук Узбекистана Натан Кенесарин высказал гипотезу, что существует прямая зависимость между солнечной активностью и соляными пятнами, проступающими на почве, связанными с подъемом грунтовых вод.
Подтверждение гипотезы о цикличности засолонения почв, связанной с периодическим подъемом грунтовых вод, позволит составлять долгосрочные прогнозы. Тогда можно будет заранее, применяя различные современные методы мелиорации, предотвращать усиленное засолонение земель, приходящееся на годы минимальной солнечной активности. Исчезновение пятен на Солнце будет сигналом — возможно появление соляных пятен на земле.
Вот приведенные примеры доказывают косвенное влияние деятельности Солнца на человека. Теперь врачи с большой уверенностью говорят о прямом влиянии солнечной активности на здоровье человека. Но это уже отдельная тема.
— Гияс Якубович, какие Вы видите ближайшие перспективы освоения солнечного луча?
— Мы вступаем в солнечный век. В этом я уверен. Был каменный век, его сменил бронзовый век, затем наступил железный. О наступившей недавно эпохе говорят — век атома, атомной энергии, овладения космосом. Я считаю, что можно добавить — и начало века освоения Солнца.
Человеку палеолита не было дано заглянуть за порог своего времени. Первые металлурги земли не могли предвидеть всех последствий своего гениального свершения. Мы можем предвидеть завтрашний день науки. Но вряд ли кто всерьез возьмется утверждать, что сегодняшнее предвидение «исчерпает» полностью свершения науки грядущего.
Один лишь пример.
В наш век заблудившийся в пустыне путешественник, имея при себе лишь кусок пластмассовой пленки, не умрет от жажды. Добыть воду ему поможет Солнце. Для этого в песке надо выкопать яму, накрыть ее пластмассовой пленкой, придавив по краям камнями к земле. Сверху по ее центру следует положить камень — он заставит пленку провиснуть и образовать небольшой конус. Под ним поставить какой-нибудь сосуд. По окружности ямы пленку засыпать землей. Солнечные лучи, проходя сквозь пленку, нагреют в яме влажную почву. Испаряющаяся при этом влага будет конденсироваться на сравнительно холодной пластмассе и стекать по конусу в сосуд на дне ямы. Вот и готов простейший солнечный опреснитель!
По этому принципу в Каракумах уже несколько лет работает солнечный опреснитель. Чабаны туркменского совхоза «Бахарден» приводят сюда на водопой отары. Каждые сутки под стеклами опреснительной установки накапливается более трех кубометров воды — этого количества хватает, чтобы напоить пятьсот овец. И разве можно сейчас, хотя бы приближенно подсчитать и предвидеть, какое революционное воздействие в деле освоения пустынь сможет сыграть этот «эффект полиэтиленовой пленки».
Мало того. Солнце не только «подсказало» этот путь утоления пустынной жажды. Оно даже «подсказало» нам одну техническую конструкцию.
Совсем недавно исследователи Антарктиды обнаружили загадочное озеро, расположенное в горной долине, на Земле Виктории, невдалеке от новозеландской и американской научных станций. Озеро, которому дано имя Ванда, покрыто толстым слоем льда, однако у самого его дна, на глубине 60 метров, вода нагрета до 26 градусов Цельсия.
Новозеландские ученые пришли к выводу, что тепло в придонные воды озера приходит от Солнца. Тепловой эффект ученые объяснили двумя причинами. Основная — повышенная плотность нижнего, насыщенного солями слоя воды, что делает его практически неподвижным и исключает потери тепла за счет конвекции. Вторая важная причина — исключительная чистота воды в озере. Это позволяет солнечным лучам проникать довольно глубоко. В Антарктиде много озер, постоянно покрытых льдом, который, подобно парниковому стеклу, защищает их от промерзания. Ничего похожего на эти озера на других континентах ученым ранее не приходилось встречать.
Так были обнаружены природные аккумуляторы солнечной энергии. Такие устройства гелиотехники давно пытались создать у себя на исследовательских площадках, но строительство солнечных аккумуляторов, из которых можно было бы черпать запасенную впрок энергию в любое, удобное для человека время, оказалось делом весьма сложным.
В нашем институте проведены исследования, показавшие, что для аккумуляции солнечной энергии весьма перспективны соляные бассейны. Это водоемы, заполненные слоями соляных растворов различной концентрации. Чем глубже слой, тем плотнее раствор. Самый плотный и тяжелый слой расположен у дна. Он больше всех и нагревается. Температура воды в нем составляет 90—95 градусов по Цельсию. Самый холодный — верхний слой раствора. Поскольку плотность слоев растворов разная, они не перемешиваются. Потери тепла из такого бассейна весьма незначительны.
. Подумайте только — создаются хранилища, склады солнечных лучей! Вчера это была фантастика. Сегодня — будни технологии. Поэтому, мне кажется, самая безудержная фантазия на тему «Солнце и человек», рожденная сегодня, спустя какое-то время, может выглядеть обыденностью.
— Ну а если все же немножко пофантазировать. Думаю, читатели журнала приключений, путешествий и фантастики Вас поймут...
— Это тем более ответственно, но уговорили. Попробуем.
Отступление в будущее
«Их космическая яхта представляла собой нечто вроде сферы, внешняя оболочка которой — необычайно тонкий и легкий парус — вздувалась и перемещалась в пространстве, улавливая давление световых лучей...»
Это отрывок из фантастического романа известного французского писателя Пьера Буля. Однако полеты в космос под солнечными парусами сегодня уже не являются монополией писателей-фантастов. Инженеры и ученые, вдохновленные идеей путешествия от планеты к планете без затрат топлива, вторглись в страну Фантазию со своими трезвыми математическими расчетами. И вот один из выводов: «Сравнение солнечных парусов с другими двигателями непрерывного действия показало, что в свете современного состояния техники на солнечные паруса должно быть обращено серьезное внимание». Это мнение высказали американские специалисты Д. Хок, Ф. Макмилан и А. Тэнгей в книге «Использование солнечной энергии при космических исследованиях».
Проекты космических парусников основываются на использовании силы давления света, открытой замечательным русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым.
Итак, человечество ждет эпоха парусного флота в космосе! Это, правда, будущее. Но ведь уже сегодня солнечный ветер дует в «паруса» космических кораблей. Эти паруса — солнечные батареи для выработки электрической энергии. Впервые такое устройство появилось на третьем советском искусственном спутнике Земли. Теперь панели солнечных батарей стали привычными. Мы часто видим их на экранах телевизоров во время прямых передач из космоса. А как не вспомнить, что энергия Солнца приводила в движение первый внеземной экипаж — «Луноход-1».
Замечательный советский физик А. Иоффе не случайно большие надежды возлагал на прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводников. Он подсчитал, что лишь одна треть территории пустыни Каракумы может дать электроэнергии в двадцать раз больше, чем все современные электростанции мира.
Другой известный советский ученый, академик Б. Константинов, писал, что с решением вопроса о широком преобразовании солнечной энергии в электрическую связано решение проблемы управления климатом и погодой.
Недавно в печати появилось сообщение, что американский ученый Вильям Эшер разрабатывает технологию использования солнечной энергии с целью получения в будущем топлива для электростанций и промышленных предприятий.
Ученый предлагает с помощью гигантских искусственных островов, плавающих в экваториальных районах океана, собирать солнечную энергию и использовать ее для разложения морской воды на водород и кислород. Затем химические элементы будут охлаждаться до сверхнизких температур и в сжиженном состоянии отправляться на тепловые станции материка. На этих станциях при реакции соединения будет выделяться большое количество тепла. Оно пойдет на производство электроэнергии. А так как единственным продуктом сгорания при таких реакциях является обыкновенная вода, то, следовательно, новая технология во многом решает проблему борьбы с загрязнением окружающей среды.
По сообщению Эшера, большинство компонентов, необходимых для производства энергии по этой схеме, уже было опробовано в различных экспериментах и показало себя вполне осуществимым на практике.
Да, использование солнечной энергии открывает возможность преобразить огромные территории, обещает дать человеку ключи к управлению погодой и климатом. Но не только это.
Широкий размах электрификации обусловлен возможностью передавать электрическую энергию на большие расстояния. А может быть, можно так же передавать и солнечную энергию? Ответ был найден — «проводами» лучистой энергии может стать светокабель из тончайших стеклянных волокон. Диаметр каждого из них, покрытого оболочкой-зеркалом, составляет несколько сотых миллиметра. Луч света, попавший в такое волоконце, будет метаться между его стенками и, претерпев миллиарды отражений, выйдет с другого его конца. Будучи перевитыми вместе, волоконца-ниточки образуют толстый, но эластичный жгут — светокабель.
Немного фантазии — и перед нами гигантская параболическая зеркальная чаша на крыше завода, следящее устройство все время поворачивает ее вслед за солнцем. Из фокуса отражателя, оттуда, где белизной сверкает солнечный зайчик, берет начало светокабель. В его торец, как в открытую трубу, устремляется поток концентрированного света. Дальше он разбегается по отдельным световым проводам к рабочим местам. Совсем как ток по разветвляющейся электропроводке!
Световоды обещают упростить применение солнечной энергии и в быту, например, при отоплении зданий. Стеклянные жгуты, заделанные в каменную кладку, будут постоянно прогревать ее, а спущенные в подвал станут аккумулировать солнечную энергию, нагревая воду или песок. Разбегаясь по этажам и квартирам, световоды приведут солнечное освещение даже в самые темные комнаты. На наших же кухнях вместо газовых плит появятся солнечные. Повернул рычажок на панели — и сконцентрированный солнечный свет ударил в дно кастрюльки или сковородки. Быстро, чисто и удобно. И конечно, никаких тебе вредных газов.
И еще один солнечный «резерв».
Для фотосинтеза растения используют всего лишь около одного процента световой энергии, поглощаемой зеленым листом. Это очень мало. Тем не менее благодаря этому процессу на земном шаре образуется свыше ста миллиардов тонн органических веществ. Из них в пищу человечеством употребляется лишь только 0,2—0,4 процента. Казалось бы, пустяк. Но в этом «пустяке» растениями запасено столько энергии, что людям на получение равноценного количества продовольствия путем химического синтеза потребовалось бы направить всю энергию, которую они расходуют во всех других областях.
Поэтому-то ученые многих стран мира сосредоточили свои усилия на постижении тайны фотосинтеза. Его с помощью передовой агротехники нетрудно поднять до двух процентов. Теоретически существует возможность использовать 20—25 процентов солнечной энергии, получаемой зеленым листом. Это огромный продовольственный резерв для быстро растущего человечества.
— ...Как видите, «безудержного полета» фантазии все же не получилось. Все оказывается связанным с сегодняшним днем науки. И это закономерно, ибо в принципе основные «земные профессии» Солнца обозримого будущего определены. И перечислять их можно беспредельно уже сейчас. Он наступит обязательно — солнечный век. Вы спрашиваете, когда? Ну, вы многого хотите...
А. Ершов
