Что является источником энергии солнца

Энергия Солнца

Солнце — лишь одна из миллиардов звезд, но оно — источник энергии для всего живого и для самой Земли. Ископаемое топливо расходуется такими темпами, что его запасы истощатся где-то во второй половине следующего столетия. Атомные электростанции, когда-то считавшиеся хорошей альтернативой, оказались опасными, что было продемонстрировано аварией в Чернобыле (СССР) в 1986 г. Из всех альтернативных источников энергия солнца является самой чистой и безопасной.

Солнечное излучение

Около 30% солнечного излучения отражается атмосферой Земли, а еще 20% поглощается. В результате, лишь 50% его достигает поверхности нашей планеты, но это эквивалентно всей энергии, вырабатываемой примерно 170 миллионами самых мощных электростанций мира.

Многие лесные пожары возникают в жару по вине солнечного света, сфокусированного капельками утренней росы. Еще в 400 г. до н. э. греки научились использовать энергию Солнца для разжигания костра с помощью наполненного водой стеклянного шара. К 200 г. до н. э. похожий способ с использованием вогнутых зеркал для фокусировки солнечных лучей стали применять и в Китае.

В современной бытовой солнечной печи сфокусированные лучи разогревают пищу. Вместо вогнутого зеркала в некоторых печах используют ряд плоских отражателей, установленных под углом и направленных на место размещения пищи.

Солнечное отопление

Все дома частично обогреваются Солнцем, но есть проекты, позволяющие максимально использовать этот даровой источник энергии и таким образом значительно снизить плату за отопление. В таких домах установлены большие окна на стороне, освещаемой полуденным солнцем, и намного меньшие окна на противоположной, более прохладной стороне. В некоторых домах жалюзи из теплоизолирующих материалов закрываются на ночь, что позволяет сохранить большую часть тепла, накопленного за день. Это — пассивная солнечная технология.

Солнечная энергия может также использоваться для водяного отопления домов. Лучи Солнца нагревают воду с помощью вакуумных солнечных коллекторов, поглощающих (в отличие от радиаторов отопления) излучение для нагрева воды. Эти коллекторы обычно устанавливают на крыше дома под углом, чтобы улавливать максимальное количество прямых солнечных лучей. Холодная вода протекает через панели и нагревается поглощенным ими солнечным светом.

Солнечные элементы

Солнечные элементы — это электронные устройства, где за счет фотоэлектрического эффекта свет преобразуется в электроэнергию. Каждый элемент производит немного энергии, поэтому для обеспечения электроснабжения в достаточном объеме необходимы батареи таких соединенных друг с другом элементов. Элемент состоит из тонкого слоя полупроводникового материала, обычно кремния. В некоторых солнечных элементах применяют другой полупроводник — арсенид галлия. Они более эффективны, чем кремниевые, и могут работать при гораздо более высоких температурах, благодаря чему их можно применять на спутниках, подвергающихся мощному воздействию лучей Солнца в космосе. На энергии солнечных элементов работают большинство искусственных спутников; она также используется в некоторых электронных калькуляторах и часах.

В 1981 г. легкий самолет «Солар чэлленджер» пересек Ла-Манш, используя солнечный свет как единственный источник энергии. Крылья самолета были покрыты солнечными элементами, производящими энергию для управления электроприводом воздушного винта. В штате Флорида, США, телефон-автомат работал от солнечных фотоэлектрических батарей, установленной на крыше будки.

Электричество в районах

В некоторых отдаленных районах большие батареи солнечных элементов обеспечивают большую часть бытовой электроэнергии, которая используется для зарядки батарей, работающих ночью.

Солнечные элементы очень надежны. После установки они практически не нуждаются в уходе и могут годами работать без обслуживания. В Великобритании есть маяки, работающие в автоматическом режиме от солнечных элементов. Батареи таких элементов используются также в ряде автоматических метеостанций, расположенных вдоль побережья и в море.

Электроэнергия, получаемая от солнечных элементов, зависит не от тепла, а от света. Благодаря этому посадочный радиомаяк мощностью 360 кВт может работать на солнечной энергии в условиях мерзлоты на Аляске. Начиная с 1960-х годов, батареи фотоэлектрических элементов используются для производства электроэнергии для спутников связи. Новейшие батареи такого типа установлены на борту космических станций. В заоблачной вышине одна из станций с помощью восьми панелей крыльевого типа преобразовывает солнечный свет в 75 кВт электроэнергии.

Проект использования солнечной энергии, предложенный американским инженером Питером Глейзером, может обеспечить нас энергией из космоса. По замыслу автора, должны быть запущены 40 солнечных орбитальных электростанций (СОЭ), оснащенных огромными батареями солнечных элементов. Полученная энергия будет преобразовываться в пучки микроволн, посылаемых на приемные станции на Земле. Там микроволны будут преобразованы обратно в электричество.

К сожалению, птицы и неметаллические самолеты просто сгорят при попадании на них мощных пучков микроволновой энергии, посылаемых СОЭ.

«Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца

Ежегодно в начале мая отмечается Международный день Солнца. Решение о создании этого праздника было принято в 1994 году Европейским отделением Международного общества солнечной энергии (МОСЭ) с целью привлечения внимания общества к возможностям использования возобновляемых источников энергии. На Энергетическом факультете Политехнического института Южно-Уральского государственного университета изучают всю технологическую цепочку энергетической индустрии: производство, передачу, распределение, регулирование и потребление электрической и тепловой энергии. Особое внимание на факультете уделяется развитию новейших электротехнологий, которые включают в себя водородную энергетику, лазерные технологии, электросварочное производство, электрометаллургию, электролизное производство. В этом году кафедра Теоретических основ электротехники готовит первый выпуск бакалавров по этому профилю подготовки. На факультете утверждена и реализуется стратегия развития «Распределенная цифровая энергетика и интеллектуальный электропривод». В этой стратегии есть доля всех видов альтернативной энергетики, включая энергию солнца. Декан факультета Сергей Ганджа рассказал о потенциале солнечной энергии и ее дальнейшем развитии.

– Солнце – наша ближайшая звезда, что она дает нашей планете?

– Энергия Солнца стоит за всеми известными формами движения материи: механической, физической, химической, биологической и социальной. Солнце – единственный ближайший к нам источник, который наполняет энергией все формы живой и неживой природы. Так, на появление энергии ветра, волн, гидроэнергией рек, энергией углеводородов, включая биогаз на начальной стадии формирования, влияет Солнце. Энергия ветра обусловлена неравномерностью прогрева земной поверхности, энергия углеводородов рождается под влиянием фотосинтеза, гидроэнергия рек образуется от испарения воды и последующего выпадения осадков. Только несколько видов альтернативных источников не имеют солнечную природу. Это энергия приливов и отливов, обусловленная гравитационным притяжением Луны, ядерная энергия, запасенная вселенной много миллиардов лет назад и геотермальная энергия Земли, образованная при ее формировании. Эти виды энергии составляют незначительную долю в энергетическом балансе планеты. Можно сказать, что Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле.

– Как добывается и используется солнечная энергия?

– Источником энергии в самом Солнце является термоядерный синтез, при котором атомы водорода, соединяясь друг с другом, образуют гелий, второй элемент таблицы Менделеева. При этом выделяется гигантское количество энергии, которая распространяется в виде радиации и доходит до Земли. Здесь и происходит ее преобразование в другие виды энергии. Солнечную энергию мы можем превратить, например, в электрическую, используя эффект фотосинтеза. Солнце в масштабах существования человеческой цивилизации является неисчерпаемым источником энергии. Альтернативная энергетика как раз и использует преобразованную солнечную энергию. Главное преимущество ее в том, что в основном – это экологически чистые источники энергии. Традиционная энергетика исторически сопровождалась выбросами вредных веществ, превышением нормы углекислого газа в атмосфере, что приводило к парниковому эффекту и глобальному потеплению. Солнечная радиация напрямую превращается в электричество, ветровые установки тоже не несут выбросов. Но у альтернативных источников есть один существенный недостаток. Это – нестабильность генерации энергии, которая зависит от природных условий. Промышленность и крупные мегаполисы не могут полностью полагаться на такой ненадежный источник. Альтернативная энергетика получит мощный импульс развития, если решит проблему по накоплению энергии, причем объемы накопления должны быть гигантские, соизмеримые с существующими запасами углеводородного топлива. Создание такой технологии накопления электричества названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. На Энергетическом факультете ведутся такие работы на базе водородной энергетики.

– Изучают ли на Энергетическом факультете возобновляемые источники энергии и, в том числе солнечную энергию?

– Структура Энергетического факультета построена таким образом, что все, что есть в энергетике – представлено на том или ином образовательном уровне: бакалавриате, магистратуре или аспирантуре. У нас хорошо развито изучение традиционной энергии: это электрические станции, сети, системы электроснабжения. Имеется направление магистратуры, на котором мы готовим специалистов по альтернативной энергетике. Также у нас имеются серьезные научные заделы в этом направлении, в том числе выполненные совместно с американскими учеными. В основном мы работаем в ветроэнергетике, солнечной, биогазовой и водородной энергетике.

– Какое будущее ждет солнечную энергетику?

– Энергетика идет по пути комплексного развития. Ориентироваться на один вид энергии нельзя. Энергетика может быть стабильной и надежной тогда, когда она использует различные источники энергии. Абсолютно неразумно, имея такую развитую, рентабельную углеводородную инфраструктуру, разрушать ее или неэффективно использовать. По мере истощения углеводородов она будет свою роль потихоньку терять, но произойдет это, по оценке Министра энергетики РФ Александра Новака, не ранее чем через 100 лет. Одновременно с этим традиционные источники энергии будут вытесняться альтернативными источниками энергии и атомной энергетикой. Солнечную энергетику ждет светлое будущее, но для этого надо решить еще очень много научных и инженерных задач. Энергетический факультет в этом направлении ведет активную деятельность.

В.В. Иванов. Источники энергии звезд

Наиболее очевидным свойством звезд является то, что они светятся, точнее, являются самосветящимися телами. За счет чего покрываются их энергетические потери? Этот вопрос возник, как только был сформулирован закон сохранения энергии, однако найти исчерпывающий ответ на него сумели лишь век спустя.

Обычно думают, что главная трудность проблемы – в огромной мощности выделения энергии на Солнце и звездах. В действительности дело вовсе не в этом. Удельный темп энерговыделения на Солнце и в звездах более чем скромный. Так, в расчете на один грамм своего вещества Солнце ежесекундно выделяет всего по 2 эрга. По обыденным земным меркам это совершенно ничтожный темп энерговыделения – как в куче гниющих осенних листьев. В человеческом теле темп выделения энергии на четыре порядка (!) выше, чем в Солнце. Однако чтобы поддерживать такой уровень производства энергии, нам нужно трижды в день есть. А Солнце (и звезды) светят миллиарды лет, не питаясь.

Итак, истинная проблема состоит в том, что звезды светят очень и очень долго. За это время они успевают высветить действительно огромные количества энергии. Откуда же она черпается?

Как уже говорилось, вопрос был поставлен в 40-е годы XIX века, с открытием закона сохранения энергии. Сразу же стало ясно, что источником энергии в принципе может быть гравитация. Так, Роберт Мейер, один из отцов закона сохранения энергии, полагал, что Солнце светится за счет кинетической энергии выпадающего на него метеорного вещества. Любопытно, что в течение многих десятилетий гипотеза Мейера считалась чуть ли не смехотворной и упоминалась лишь как исторический курьез. Однако теперь мы знаем, что модернизированный вариант механизма Мейера – аккреция – играет в мире звезд важную роль.

Другой пионер принципа сохранения энергии Герман Гельмгольц предположил, что свечение Солнца может поддерживаться его медленным вековым сжатием, что приводит, разумеется, к выделению гравитационной энергии. Вскоре вслед за Гельмгольцем Дж. Томсон (более известный нам как лорд Кельвин; титул лорда он получил за научные заслуги) уточнил его оценку времени такого сжатия, учтя неоднородность в распределении солнечного вещества вдоль радиуса. За счет такого, как мы теперь говорим, кельвиновского сжатия Солнце могло бы, заметно не меняясь, светить лишь десятки миллионов лет. Любопытно, что сам Кельвин, а вслед за ним и многие другие, рассматривали это как серьезный аргумент против правильности дарвиновских представлений о биологической эволюции, требовавшей по крайней мере на порядок больших времен. В конце XIX века вера в закон сохранения энергии была незыблема – а никакого другого источника энергии звезд, кроме самогравитации, видно не было. Правда, оценки возраста Земли, получавшиеся средствами геологии, давали по крайней мере сотни миллионов лет, что указывало на необходимость поиска какого-то дополнительного источника солнечной энергии.

Ситуация резко обострилась, можно сказать стала катастрофической, вскоре после открытия радиоактивности. Первые же надежные определения возраста Земли показали, что он не менее 1.5 миллиарда лет (современная оценка – 4.6 миллиарда). Отыскание источника энергии Солнца и звезд стало одной из жгучих проблем естествознания.

К середине 20-х годов выяснилось, что таким источником в принципе могли бы служить ядерные реакции, ведущие к превращению водорода в гелий. Масса четырех протонов слегка превосходит массу ядра атома гелия – альфа-частицы, так что при таком процессе превращалось бы энегрию около 0.7% массы покоя. Но по соотношению Эйнштейна E = mc 2 при превращении в энергию даже очень малой массы m выделяется колоссальная энергия, так как множитель пропорциональности – квадрат скорости света c 2 – очень велик (в системе СГС — порядка 10 21 ). Горячим проповедником идеи термоядерного горения водорода в 20-е годы был фактический создатель теории внутреннего строения звезд А.Эддингтон. Однако поначалу эта идея встретила серьезные возражения Резерфорда и его коллег. Температура в центре Солнца, рассчитанная самим же Эддингтоном (20 млн кельвинов) и оказавшаяся, как мы теперь твердо знаем, близкой к действительной (15.5 млн кельвинов), явно недостаточна для того, чтобы за счет кинетической энергии своего теплового движения протоны могли преодолеть электростатическое кулоновское отталкивание и сблизиться настолько, чтобы вступили в игру ядерные силы. Расхождение было очень серьезным – на три порядка по температуре. «Пойдите поищите местечко погорячее» – вот что постоянно слышал Эддингтон от своих коллег-физиков.

Решение проблемы пришло с развитием квантовой механики. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, говорить о точном местоположении частицы не имеет смысла – она как бы размазана по некоторой области пространства и с разной вероятностью может быть обнаружена в разных местах. Это, в частности, делает возможным присутствие частицы и в тех областях пространства, где классические законы сохранения энергии и импульса это строго запрещают. В итоге непреодолимый для классической частицы кулоновский потенциальный барьер становится как бы «полупрозрачным» (так называемый туннельный эффект). Первыми на роль этого эффекта для решения загадки источников звездной энергии в 1929 г. указали Р.Аткинсон и Ф.Хаутерманс. Созданная в это же примерно время Г.А.Гамовым теория альфа-распада дала математический аппарат, положенный в конце тридцатых годов в основу количественной теории термоядерных реакций в недрах звезд. В 1937–1939 годах появляется, наконец, долгожданное окончательное решение давней загадки источника звездной энергии (Г.Бете и – независимо – К.Вейцзекер).

Слить четыре протона в альфа-частицу за один акт практически невозможно: вероятность четверного столкновения пренебрежимо мала, поэтому процесс идет в несколько шагов. Детальный анализ всех возможных при температурах порядка 20 млн кельвинов ядерных реакций в газе космического химического состава привел к открытию двух возможных способов построить альфа-частицу из протонов.

Первый способ – это знаменитый CN-цикл, или цикл Бете. Вот эта цепочка реакций:

Ее итогом является, очевидно, слияние четырех протонов в a -частицу, а углерод, азот и кислород выступают лишь как катализаторы. При всей кажущейся очевидности последнего утверждения оно нуждается в оговорке, имеющей важное значение для астрономов: на начальном этапе работы цикла, пока еще не установился стационарный режим, большая часть углерода превращается в азот, а оставшийся углерод приобретает специфический изотопный состав, резко отличающийся от того, который имеется на Земле и в атмосфере Солнца. По этим признакам можно с уверенностью опознавать вещество, подвергшееся переработке в CN-цикле.

Второй способ синтеза альфа-частиц в звездах – так называемая pp-цепочка:

Первые две реакции происходят по два раза, так как надо выработать два ядра 3 He, прежде чем сможет произойти заключительная реакция, синтезирующая 4 He.

Первоначально считалось, что наше Солнце вырабатывает свою энергию по первой схеме, т.е. за счет цикла Бете. В 50-е годы, однако, стало ясно, что это не так, и преобладающую роль играют pp-цепочки. Причина в том, что, как показал более внимательный анализ, центральная температура Солнца немного ниже, чем принималось ранее, а рост темпа выделения энергии с температурой у цикла Бете происходит существенно быстрее, чем для pp-цепочек. Однако в звездах с массами, превосходящими 1.2 массы Солнца, доминирует в выделении энергии CN-цикл.

Простой энергетический расчет показал, что в Солнце выгорание водорода в его центральной части займет около 10 млрд лет. Проблема источников энергии Солнца и подавляющего большинства звезд, в частности, всех звезд так называемой главной последовательности, была тем самым окончательно решена. Однако ее решение сразу же дало и другой, важнейший для всей астрономии результат: стало ясно, что рождение звезд – это непрерывный процесс, который происходит буквально на наших глазах. Так как запасы ядерной энергии, очевидно, пропорциональны массе звезды, а темп ее расходования – светимость звезды – пропорциональна, грубо говоря, кубу массы, ясно, что все массивные звезды должны быть по астрономическим меркам совсем молодыми. Взяв в качестве примера массивную звезду Y Лебедя, Бете в своей эпохальной работе пришел к выводу, что возраст этой звезды должен быть менее 3.5·10 7 лет. «Приходится предположить, что Y Лебедя и подобные ей другие массивные звезды родились сравнительно недавно» – писал он в 1939 г. Отождествление источников энергии звезд открыло прямой путь к пониманию эволюции звезд – другому великому достижению естествознания XX века.

Поскольку водород – основная составляющая звездного вещества (около 70% по массе) и поскольку при синтезе гелия выделяется большая часть ядерной энергии, запасенной в веществе, основную часть своей жизни звезды светят, сжигая водород. Последующие стадии ядерного горения, начинающиеся с весьма нетривиального процесса – слияния трех альфа-частиц в ядро 12 C – важны, пожалуй, в первую очередь не с точки зрения энергетики, в этом отношении ничего принципиально нового здесь нет. Гораздо важнее другое: как выяснилось в 50-е годы, на этих последующих этапах ядерной жизни звезд произошел (и продолжает происходить) синтез всех «тяжелых» элементов, кроме водорода и частично гелия. Эти последние достались нам от Большого Взрыва. Поскольку именно тяжелые элементы – это основа жизни, без преувеличения можно сказать, что первым принципиальным шагом к созданию возможности появления жизни во Вселенной стали те ядерные процессы, которые происходят в недрах звезд после выгорания там водорода. Но это уже другая тема.

18 октября 2000 г.

Примечание. Статья написана по заказу для сборника «Сто крупнейших открытий XX века», издание которого подготавливается Институтом прикладной астрономии РАН.