Прогресс технологии производства кремниевых элементов наглядно отражается в стоимости одного ватта энергии, получаемой от солнечной батареи. Например, в США в 1974 году стоимость составляла 50–60 долларов за один ватт мощности, снимаемой с солнечной батареи. В 1977 году за счет совершенствования технологии стоимость была снижена до 15 долларов. Предполагается, что в 1986 году она составит около 50 центов за ватт. При такой стоимости кремниевые элементы смогут вырабатывать электроэнергию в земных условиях по ценам, конкурентоспособным с другими автономными источниками энергии.
Большое внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия фотоэлементов; Это позволит снизить площадь, отводимую под гелиостанции. На основе известных материалов и принципов вполне реально уже в ближайшее время создать фотоэлементы с коэффициентом полезного действия 35–40 процентов, а теоретически коэффициент полезного действия преобразователей с использованием объемного фотоэффекта в гипотетических пока материалах может превысить и 90 процентов.
Особенностью наземных гелиостанций является то, что источник их энергии — солнечный свет — нестабилен. Интенсивность его даже при идеальных погодных условиях изменяется в течение суток от максимума в полдень практически до нуля ночью. В облачные, пасмурные дни, при пыльных или песчаных бурях солнечный свет может надолго "выключаться" даже днем. Поэтому, чтобы обеспечить бесперебойное снабжение электроэнергией, ее надо запасать впрок, и в довольно больших количествах. Из-за этой особенности солнечные электростанции будут эффективными при пиковых, а не базовых, постоянных, нагрузках.
Крупномасштабное накопление энергии — задача сложная. Строить резервуары-хранилища на большое количество горячей воды и пара — довольно дорого, да и потери при хранении и преобразовании энергии будут немалыми. Заманчиво иметь запас энергии непосредственно в самой удобной форме — электрической. Работы по созданию "складов" электрической энергии ведутся. Например, объединение американских фирм разрабатывает гигантский свинцово-кислотный аккумулятор, который займет площадь 0,2 гектара и будет весить 2250 тонн. Элементы этой аккумуляторной батареи будут автоматически заполняться электролитом. Общий вес ее свинцовых пластин составит 1575 тонн. Ввод "супераккумулятора" намечен на 1984 год. Батарея по проекту должна обеспечить подачу мощности в 45 мегаватт. А вот еще один пример "склада" электричества, основанного на явлении сверхпроводимости. Известно, что электрический ток может сколь угодно долго циркулировать без каких-либо потерь энергии по "кольцевому маршруту" в соленоиде, охлажденном до температуры, близкой к абсолютному нулю (минус 273 градуса Цельсия). При такой температуре электрическое сопротивление проводника становится нулевым. В 1984–1987 годах в США, в университете штата Висконсин, планируется создать экспериментальную установку, способную хранить 100 мегаватт-часов электроэнергии. Гигантская катушка более 100 метров в диаметре будет установлена в специальном тоннеле, пробитом в горах. В нем с помощью установок с жидким гелием будет поддерживаться температура, близкая к абсолютному нулю. По оценкам специалистов Висконсинского университета, коэффициент полезного действия подобных установок будет около 95 процентов.
В последнее время ученые думают над тем, как воспользоваться существующими в природе способами преобразования солнечной энергии. Один из них биологический, базирующийся на фотосинтезе растений, вот уже миллионы лет превращающих световую энергию в химическую. Но в среднем по земному шару коэффициент полезного действия такого преобразования составляет лишь доли процента. В то же время микроскопические водоросли, такие, как хлорелла, имеют коэффициент полезного действия до шести процентов. Возникает вопрос: как еще увеличить его? Ответить на этот вопрос можно, только зная в деталях механизм фотосинтеза. Исследования в этом направлении ведутся в институтах фотосинтеза, биохимии, физиологии растений АН СССР и за рубежом.
Наряду с этим намечаются пути практического использования уже имеющихся биологических преобразователей. По мнению академика Н. Н. Семенова, заманчивым, с точки зрения возможности относительно быстрой реализации, представляется следующий двухступенчатый метод: на первом этапе под действием солнечного света на культуру быстрорастущих микроводорослей или других растений накапливать органическую биомассу, а затем с помощью специальных бактерий перерабатывать ее в высококалорийное топливо, например в метан. Лабораторные установки такого типа уже создаются в нашей стране. В Канаде, в лаборатории Торонтского университета, таким методом предложено получать нефть. На первом этапе специальные бактерии под действием солнечных лучей "извлекают" углекислый газ из атмосферы, превращая его в сахар, который затем другие виды микроорганизмов "перегоняют" в топливо. Как полагают канадские исследователи, получение горючего этим методом на промышленной основе можно наладить в течение пяти лет. Одна квадратная миля, засеянная такими бактериями, может дать такое количество топлива, которое эквивалентно примерно двум миллиардам литров нефти.
Другой природный запас энергии Солнца на Земле скрывается в океане. Он проявляется в разнице температур поверхностного и глубинного слоев воды. Градиент температуры может привести в движение тепловые машины с электрогенераторами. Существуют инженерные проекты таких систем. Но не исключено, что их придется переделывать. Виновник тому — чудесный и, как недавно выяснили, многообещающий никелево-титановый сплав — нитинол. Его замечательное свойство заключается в способности быстро изменять свою форму при различных температурных воздействиях. При комнатной температуре кусочек нитиноловой проволоки прочен как сталь. Но при погружении в холодную воду проволока вдруг становится мягкой и податливой. Если се изогнуть, то она останется изогнутой. В горячей же воде она распрямляется с огромной силой и принимает свою первоначальную форму. Таким образом, перед нами преобразователь энергии, который требует лишь изменения температуры для высвобождения сил, достигающих около 9 тонн на каждый квадратный сантиметр.
Созданы и первые нитиноловые двигатели. Причем для их работы нс нужна нефть, газ или электроэнергия, а достаточно теплой воды. Специфические превращения, обусловленные способностью сплава восстанавливать свою форму (кстати, их механизм до сих пор полностью не ясен), вызываются температурным перепадом, составляющим всего 9 °C. Некоторые исследователи утверждают, что при меньших примесях сплав сможет реагировать на разницу температур всего в 3–4 °C. Успехи современной металлургии делают получение чистого нитинола вполне возможным.
Нитиноловые двигатели, рассчитанные на работу при постепенно понижающихся температурах, можно установить вдоль потока горячей воды, сбрасываемой промышленным предприятием. Извлекая энергию из сбрасываемой воды, нитиноловые двигатели тем самым поглощают отработанное тепло и потому препятствуют тепловому загрязнению рек и разного рода водоемов. Учитывая, что в индустриально развитых странах отработанное тепло составляет около двух третей всей потребляемой энергии, то повода для беспокойства, что нитиноловые двигатели останутся без топлива, вряд ли возникнут. Ученые подсчитали, что нитиноловые двигатели, работающие с КПД, равным всего 3 процентам, могут извлечь из Гольфстрима достаточно энергии для удовлетворения потребностей всего Восточного побережья США.
И как материал нитинол хорош: легок, обладает коррозионной стойкостью, немагнитен, необычно инертен даже после длительного контакта с живой тканью. Последнее особенно привлекает медиков. Сплав уже нашел применение в хирургии. Пожалуй, наиболее дерзким замыслом является проект насоса для сердца с использованием нитиноловой проволочки, которая будет расширяться и сжиматься, подобно сердечной мышце.
Нитиноловая технология еще находится в первоначальной стадии развития, но, по мнению создателей нитинолового двигателя, специалистов калифорнийской компании "Макдоннел-Дуглас", этот сплав может изменить направление поисков новых источников энергии. Не исключено, что со временем нитиноловые электростанции могут оказаться экономически куда более выгодными, чем тепловые и атомные электростанции.
Нью-йоркский журнал "Сайенс Дайджест" опубликовал следующий прогноз по поводу нитинола: "…Существует возможность, что еще до конца нынешнего века появится нитиноловая технология, нитиноловая промышленность, а кое-где, возможно, и нитиноловая экономика.
Грохот и рев века ископаемых топлив может смениться тихими всплесками, создаваемыми бесчисленными проволочками, рычагами, петлями, роликами, пружинами, лопастями, ребрами, ремнями и колесами, совершающими в миллионах двигателей непрерывное циклическое движение между теплой и холодной водой и извлекающими поток "чистой", безопасной и бесконечно восполняемой энергии благодаря силе, пульсирующей в кристаллической решетке удивительного сплава".
