1.4. Передача и хранение энергии

Наиболее важная задача, стоящая перед человечеством, состоит в том, чтобы обеспечить население планеты экологически чистыми, дешевыми и возобновляемыми источниками энергии. Решение этой задачи лежит не только в области производства энергии, важную роль играют вопросы передачи и хранения энергии. Уже упоминавшийся нами Р. Смолли считает, что в новом веке человечество должно прекратить транспортировку огромных масс топлива (угля, нефти и т.д.), а научиться эффективно передавать энергию именно в виде «энергии». Для этого следует создать глобальную энергетическую сеть, позволяющую наиболее эффективно перераспределять потоки электрической энергии. Для создания такой сети необходимо решить два существенных вопроса. Во-первых, следует значительно снизить потери при передаче тока на большие расстояния, а во-вторых, решить проблему компактных и емких устройств для локального хранения электрической энергии. Решение первой из задач связано с созданием материалов с высокой электрической проводимостью (высокотемпературные сверхпроводники, специальные сплавы и т.п.), а также рациональным управлением энергетическими сетями. При этом решение технической задачи по созданию эффективных аккумуляторов энергии имеет ключевое значение. Это связано с тем, что основным недостатком установок, использующих энергию ветра и Солнца (а именно эти источники в ближайшем будущем могут получить самое широкое распространение), является неравномерность режима их работы и, соответственно, большие колебания объемов вырабатываемой ими энергии. Для таких устройств существенна проблема хранения вырабатываемой энергии и расходование ее по мере необходимости. Поскольку практически все физико-химические процессы в аккумулировании энергии связаны с передачей заряда, осуществляемого группой из нескольких атомов на какой-либо поверхности, то, скорее всего, следующее поколение устройств для хранения и передачи энергии будет создано на основе нанотехнологической модификации поверхностей, наноразмерных частиц-катализаторов и т.д. Таким образом, важная роль в решении задачи производства, передачи и хранения энергии принадлежит тем направлениям современной науки, где ученые уже умеют управлять веществом и процессами на атомарном уровне.

Кроме глобальных энергетических проблем, для современной цивилизации существенное значение имеют и многие другие вопросы, касающиеся не только научной, производственной, но и бытовой области. В решении этих задач значительную роль играют новые научные и технологические направления, к которым относятся нанотехнология, субмикроэлектроника, широкое распространение в современных технологиях получили электронные и ионные пучки, лазерное излучение, плазменные обработка материалов и другие перспективные технологические методы, которые будут рассмотрены в последующих главах.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит энергетическая проблема, стоящая перед человечеством?

2. Какие источники энергии используются в настоящее время?

3. Можно ли решить энергетическую проблему с помощью невозобновляемых источников энергии?

4. Какие перспективы использования возобновляемых источников энергии?

5. Экологические аспекты использования различных источников энергии.

6. Какой традиционный способ преобразования энергии на тепловых электростанциях?

7. Какой КПД обычной тепловой электростанции?

8. Укажите основные направления повышения эффективности использования энергии.

9. В чем сущность способа получения электроэнергии в парогазовых установках?

10. Какой возможный КПД парогазовой установки?

11. Объясните принцип работы магнитогидродинамических генераторов.

12. Какой предполагаемый КПД при прямом преобразовании химической энергии в электрическую при помощи топливных элементов на водороде?

13. При каких условиях происходит деление ядер урана?

14. Какое ядерное топливо встречается в природе в естественном состоянии?

15. Какой изотопный состав природного урана?

16. Какова энергия нейтрона, выделяющегося при делении урана-235?

17. Какой должна быть энергия нейтрона для наиболее эффективного деления урана-238, урана-235, плутония-239?

18. Принцип работы реакторов на тепловых нейтронах.

19. Технологические сложности при обогащении урана.

20. Какие вещества используются для замедления нейтронов, для их поглощения?

21. Перспективы ядерных реакторов на тепловых нейтронах для решения энергетической проблемы.

22. Принцип работы реактора-размножителя на быстрых нейтронах.

23. Перспективы ядерных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах для решения энергетической проблемы.

24. Какие опасения вызывает применение реакторов-размножителей на быстрых нейтронах?

25. Экологические аспекты использования ядерной энергетики.

26. Какие ядерные реакции перспективны для получения энергии?

27. Какие частицы получаются в результате синтеза ядер дейтерия?

28. Какие энергетические возможности сулит использование ядерных реакций синтеза дейтерия?

29. Экологические преимущества использования ядерных реакций синтеза.

30. Основные трудности, возникающие при реализации ядерных реакций синтеза дейтерия.

31. В чем сущность идеи магнитного удержания плазмы?

32. Каковы перспективы управляемого термоядерного синтеза?

33. Какие основные направления эффективного хранения энергии и ее транспортировки?