В поисках энергии. Ресурсные войны, новые технологии и будущее энергетики - Дэниел Ергин

Многие уверены, что солнечная энергия, как выразился министр энергетики США Эрнест Мониц, в конечном итоге станет «самым высоким шестом палатки», основным источником электроэнергии. Но когда? И трансформируют ли фундаментальным образом фотоэлектрические преобразователи нашу электроэнергетическую систему? Превратится ли сеть электростанций и линий электропередачи в систему, где каждый дом и административное здание будет мини-электростанцией, вырабатывающей электричество без угля, природного газа, атомной энергии и даже энергии ветра? Или же распространение получат электростанции нового типа, где электроэнергия производится при помощи солнечных батарей?4

Каким бы ни был путь, одним из препятствий являются масштабы. Чтобы солнечная энергетика стала масштабной, т. е. чтобы солнечные батареи появились на крышах большинства домов в мире, необходимо существенно снизить стоимость. А это требует инноваций. Стоимость, конечно, уменьшается, но пока она все еще выше, чем стоимость энергии из других источников. Массовое производство пока еще не снизило стоимость до уровня, который делает возможными реальные масштабы.

Фотоэлементы конкурентоспособны там, где отсутствует инфраструктура передачи электроэнергии, например в космосе или в затерянных в джунглях поселениях, а также могут быть конкурентоспособны в условиях высоких цен на электроэнергию. В противном случае они нуждаются в значительной поддержке со стороны государства и дотациях, поскольку их энергия во много раз превышает стоимость электроэнергии, генерируемой традиционным образом. Вся индустрия сосредоточена на одной цели – дальнейшее снижение стоимости.

Тщательное исследование

Ученые и инженеры наблюдали фотоэлектрический эффект, т. е. появление электрического заряда под действием света при определенных условиях, задолго до того, как Эйнштейн написал свою знаменитую работу, но они не могли объяснить его. Ряд ученых и инженеров, работая с таким химическим элементом, как селен, получали электрический ток при воздействии солнечного света и даже света свечи. Вернер Сименс, основатель компании Siemens, заявил, что «прямое преобразование энергии света в электрическую энергию является совершенно новым физическим явлением», которое требует «тщательного исследования». Объяснить, почему это происходит, смог только Эйнштейн5. Свет, писал он в своей работе, посвященной фотоэлектрическому эффекту, состоит из крошечных частиц, квантов (или фотонов), которые перемещаются со скоростью 300 000 км в секунду и являются неделимыми.

Когда солнечный свет падает на фотоэлементы, фотоны поглощаются. Они выбивают электроны в полупроводнике. Свободные электроны вытекают из кремния по мельчайшим каналам – почти как вода – в виде электрического тока. Фотоны – это одна форма энергии, а электроны – другая.

Нобелевскую премию в 1922 г. Эйнштейн получил не за работу, которая заложила основы для атомной энергетики, а за работу о фотонах и квантовой механике – за «открытие закона фотоэлектрического эффекта», как было сказано на церемонии ее вручения6.

Но теория это одно, а практика – совсем другое. Только полвека спустя произошел прорыв в практическом применении теории. Это случилось в 1953 г. в лаборатории Bell Labs компании AT&T в штате Нью-Джерси. Двое ученых, Джеральд Пирсон и Кэлвин Фуллер, хотели усовершенствовать транзистор для радиосвязи – устройство, которое несколькими годами ранее было изобретено тоже в Bell Labs. В процессе работы они неожиданно обнаружили, что в кремниевых пластинах, легированных галлием, т. е. содержащих галлий, происходит алхимическая реакция, описанная в работе Эйнштейна, – свет превращается в электричество.

Год спустя после еще ряда экспериментов эти ученые из Bell Labs представили на суд общественности «первые солнечные батареи, способные генерировать электроэнергию в полезных количествах». Во время представления открытия в Национальной академии наук в 1954 г. они наглядно продемонстрировали его значимость – при помощи солнечных батарей обеспечили энергией небольшой радиопередатчик. Bell Labs объявила, что новые солнечные батареи «окажут существенное влияние на образ жизни». «Энергию солнца теперь можно использовать при помощи батареи, на основе компонента песка», – возвестила The New York Times, отметив, что это изобретение «может ознаменовать начало новой эпохи» и «осуществление мечты человечества – использования практически безграничной энергии солнца для потребностей цивилизации». Но первый шаг на коммерческом пути был более приземленным – обеспечение электроэнергией сельских телефонных линий в штате Джорджия7.

Однако эффективность этих фотоэлементов была невысокой, а стоили они очень дорого. Где, помимо сельских телефонных линий, их можно использовать?

Космическая гонка

В октябре 1957 г. Советский Союз запустил в космос первый искусственный спутник Земли. Для США это стало неожиданностью. Запуск спутника на орбиту расценивался как важнейшая политическая и военная победа СССР и стратегическая катастрофа для США. СССР не только превзошел США в области науки, но и разрушил ощущение неуязвимости американцев. Теперь, когда над территорией страны могли летать советские космические аппараты, США уже не были защищены двумя огромными океанами.

Для генсека Никиты Хрущева запуск первого искусственного спутника Земли был возможностью продемонстрировать силу страны и скрыть ее слабые стороны. Но в США на это событие смотрели по-иному. Успех Советского Союза породил там то, что впоследствии охарактеризовали как «близкую к истерии реакцию» со стороны «американской прессы, политиков и общественности». «Тот, кто контролирует космос, господствует в мире», – заявил лидер сенатского большинства Линдон Джонсон. Физик Эдвард Теллер, которого называли «отцом водородной бомбы», сказал президенту Эйзенхауэру на встрече в Белом доме, что первый искусственный спутник Земли – это более серьезное поражение США, чем Перл-Харбор. Специально созданная национальная комиссия порекомендовала президентской администрации построить столько противоатомных убежищ, сколько нужно для размещения всех без исключения американцев.

В то же время правительство развернуло ряд программ, которые существенно повлияли на развитие американских технологий. В 1958 г. было создано Агентство перспективных научных исследований при министерстве обороны (DARPA). В том же году было создано Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Государственные ассигнования на научные исследования существенно возросли.