По мере того, как человечество прогрессирует в применении технологии, количество используемой обществом энергии повышается в расчете как на душу населения, так и на квадратный километр площади. В общем виде мы можем свести все это к единственной математической функции, связывая энергию на квадратный километр с потенциальной относительной плотностью населения и отмечая рост (используемой) энергии на квадратный километр по мере повышения потенциальной относительной плотности населения. Это еще не точное выражение, но уже полезное приближение к искомой функции.
Только что мы подразумевали, что исторически рост используемой энергии грубо можно разделить на две фазы. В первой фазе упор делался на повышение эффективности использования солнечной энергии. Сельскохозяйственная революция, применение водяных и ветряных мельниц это, в основном, примеры косвенного использования энергетических источников солнечного излучения. Вторая фаза проявляется в постепенном переходе к несолнечным источникам горючим ископаемым, энергии ядерного распада и управляемому термоядерному синтезу.
Для современного уровня потенциальной относительной плотности населения солнечная энергия является очень ограниченным и чрезвычайно бедным источником энергии. Мы уже отмечали, что средний уровень излучения, достигающего земной поверхности, едва доходит до 0,2 кВт/кв.м. Таблицы 1 и 2 с данными за 1979 год были предоставлены Фондом по энергии синтеза. Хотя цены в Табл. 2 явно устаревшие, тем не менее относительные значения этих величин показательны и сегодня.
Следует еще раз подчеркнуть, что сила воды, ветра, растений и животных это различные формы переработанной солнечной энергии. То, что доступно на поверхности Земли, как указывалось выше, составляет 0,2 кВт/кв.м. В 8 млн.км от Солнца плотность потока энергии возрастает всего лишь до 1,4 кВт/кв.м. Выход энергии в виде энергии сгорания, запасенной при поглощении растением солнечной энергии за всю его жизнь, составляет всего лишь 0,0002 кВт/кв.м той площади, где оно росло.
Сельскохозяйственная революция была огромным шагом вперед и необходимым условием для развития всей человеческой культуры, однако в более глубоком смысле ее потенциал весьма ограничен, если мы полагаемся только на солнечную энергию. По историческим меркам биомасса как источник энергии возникла совсем недавно. В плане рассмотрения растений как источника пищи ограничения связаны с тем фактом, что при самых лучших методах выращивания зерновых на само зерно приходится не более 50 % веса растения. Без существенного повышения веса растений на гектар мы не можем значительно увеличить сбор зерна с гектара по сравнению с урожайностью лучших сегодняшних сортов. Для получения высококачественного животного белка, необходимого для нормального развития растущего организма и для поддержки иммунного потенциала и т.п., нам приходится расходовать часть урожая на корма для сельскохозяйственных животных. Только внесение в почву химических удобрений, микроэлементов, использование пестицидов и т.п. позволяет нам обеспечить урожайность значительно выше того уровня, который возможен лишь при солнечном излучении и «естественных удобрениях». Только радикальное повышение культуры землепользования, включая обширные ирригационные сооружения, требующие на определенных этапах работы больших затрат энергии, позволит нам всегда получать относительно высокий уровень отдачи от сельскохозяйственных земель на квадратный километр.
Таблица 1. Сравнительные плотности потоков энергии
Источник энергии
Плотность потока
кВт/кв.м.
Солнечная энергия (на поверхности Земли)
0,0002
Ископаемое топливо
10,000
Энергия ядерного распада
70,000
Термоядерный синтез (2000 г.)
70,000
Термоядерный синтез (21 век)
1015
Таблица 2. Стоимость энергии
Источник
Стоимость
долл/МВт час
Инвестиции
млрд.долл/ГВт
Нефть
45,7
0,94
Уголь
31,7
0,97
Газификация угля
55,7
1,67
Распад легкой воды
28,5
1,16
Реактор на быстрых нейтронах
33,9
1,43
Термоядерный синтез (2000 г.)
45,2
1,92
Солнечный коллектор
490,0
20,90
Солнечные батареи
680,0
28,90
Благодаря ископаемым топливам и «химической революции» XVIII-XIX столетий, ставшей реальностью и инициированной использованием тепловых двигателей во время индустриальной революции, человечество сделало большой шаг вперед по преодолению ограничений, связанных с солнечными источниками энергии. Однако для глобального использования человечеством ископаемые топлива имеют исторически ограниченное время жизни. Уголь это спрессованные останки растений, и по этой причине он является исчерпаемым источником. Нефть и природный газ, в отличие от угля, не являются ископаемыми окаменелостями в прямом смысле. Они образуются в естественных условиях в любой части планеты, где существуют соответствующие условия и преобладающим химическим процессом является восстановление, а не окисление. Без сомнения, сегодня глубоко в земной коре непрерывно идут процессы образования новых месторождений нефти и газа. Однако в долгосрочном плане для человечества этот источник также ограничен и исчерпаем. Эти же общие рассуждения применимы и к ядерному распаду, по крайней мере до тех пор, пока мы полагаемся на извлечение делящихся материалов из земных руд.
Управляемый термоядерный синтез снимает подобные ограничения. Водород заполняет всю Вселенную, а получение дейтерия из смеси изотопов водорода, существующих на Земле, уже решенная проблема. Кроме этого, термоядерный синтез, по сравнению с остальными, почти неограниченный источник энергии на Земле, и по мере развития технологии он станет абсолютно достаточным источником энергии для всех возможных практических целей на тысячелетия вперед. При чрезвычайно высоких плотностях потока энергии, доступных благодаря развитию управляемого термоядерного синтеза, созданный должным образом поток плазмы сверхвысокой плотности может быть использован для выработки горючего для обычных процессов слияния, к примеру для термоядерного синтеза на чистом водороде. Таким образом, по мере приближения к экономическому «прорыву» в производстве энергии на управляемых термоядерных станциях первого поколения мы подходим к грани, за которой находятся неограниченные источники «искусственной энергии».
Жить надеждами, возлагаемыми на «возобновляемые» источники энергии, как это предлагает бывшый министр энергетики США Джеймс Р.Шлезингер и многие другие из той же фракции, это чисто самоубийственная политика. Мы уже рассмотрели некоторые аспекты проблемы использования «биомассы» в качестве замены энергии атома и ископаемых источников. В случае же солнечных коллекторов или ячеек количество энергии, использованное обществом при их производстве, превышает общее количество энергии, собранное за все время работы этих устройств. Другими словами, энергетическая выгода обществу за надежду на подобные устройства является отрицательной.