Каменный век кончился не потому, что кончился камень. И нефтяной век кончится задолго до того, как в мире кончится нефть.

(Джеймс Кэнтон)

В моем сознании [ядерный синтез] перекликается с изначальным даром огня в туманах доисторического прошлого.

(Бен Бова)

Богам источником энергии служили звезды. Когда Аполлон проезжал по небу в колеснице, запряженной четверкой огнедышащих коней, небеса и землю заливала бесконечная мощь Солнца. Соперничать с Аполлоном в могуществе способен был только сам Зевс. Однажды Семела, одна из многочисленных смертных возлюбленных Зевса, умолила Отца богов показаться ей в истинном своем виде. Зевс неохотно согласился. Слепящая вспышка космической энергии испепелила несчастную женщину.

Уже в этом столетии человек обуздает энергию звезд — источник богов. В ближайшей перспективе это означает начало эры солнечной и водородной энергии в противовес энергии сжигания ископаемого топлива. Но в долгосрочной перспективе это означает обуздание энергии ядерного синтеза и получение солнечной энергии с космических электростанций. Дальнейшее развитие физики может привести к началу эры магнетизма, когда автомобили, поезда и даже скейтборды будут парить в воздухе на магнитной подушке. При этом потребление энергии кардинально уменьшится, потому что чуть ли не вся энергия при движении автомобиля и поезда уходит на преодоление силы трения.

Сегодня человеческая цивилизация полностью зависит от ископаемого топлива в виде нефти, природного газа и угля. В целом мир потребляет около 14 трлн ватт, из которых 33 % приходится на нефть, 25 — на уголь, 20 — на газ, 7 — на атомную энергию, 15 — на биотопливо и гидроэнергию и лишь жалкие 0, 5 %— на солнечную энергию и другие возобновляемые ее виды.

Без ископаемого топлива маховик мировой экономики остановился бы с жутким скрежетом.

Кинг Хабберт (М. King Hubbert), инженер компании Shell Oil, ясно видел конец нефтяной эры. В 1956 г. Хабберт прочел в Американском институте нефти лекцию на эту тему и сделал тревожное предсказание, которое все его коллеги тогда дружно высмеяли. Хабберт указал, что запасы нефти в США истощаются очень быстро и уже скоро 50 % ее будет извлечено из-под земли, после чего начнется эра необратимого упадка. Произойдет это между 1965 и 1971 гг. Хабберт считал, что зависимость полного количества нефти в США от времени выглядит как колоколовидная кривая и что страна в тот момент находилась вблизи точки максимума. Он предсказывал, что теперь дела наверняка покатятся под гору и что такой поворот событий неизбежен. Это означало, что добывать нефть будет все труднее и труднее и в какой-то момент произойдет немыслимое: США начнут импортировать нефть.

Предсказание Хабберта показалось многим дерзким, даже неуместным и безответственным, поскольку США в тот момент по-прежнему выкачивали нефть в огромных количествах в Техасе и других местах. Но теперь нефтяники уже не смеются. Предсказание Хабберта попало в точку. К 1970 г. производство нефти в США достигло 10, 2 млн баррелей в сутки, а затем начало падать. Уровень добычи нефти так никогда и не восстановился. Сегодня США импортируют 59 % нефти. Более того, если сравнить оценочный график Хабберта, составленный несколько десятилетий назад, с реальным графиком добычи нефти в США до 2005 г., две кривые практически совпадут.

Сегодня перед нефтяниками стоит другой фундаментальный вопрос: достигли ли мы максимума добычи мировых нефтяных запасов? Тогда, в 1956 г., Хабберт предсказал также, что мировое производство нефти достигнет пика примерно через пятьдесят лет. Возможно, он был прав и в этом. Не исключено, что наши дети, оглядываясь на сегодняшний день, будут рассматривать ископаемое топливо, как мы сегодня рассматриваем китовый жир — как непонятный пережиток далекого прошлого.

Мне не раз приходилось читать лекции в Саудовской Аравии и по всему Ближнему Востоку, говорить о науке, энергии и будущем. С одной стороны, в Саудовской Аравии 267 млрд баррелей нефти, так что эта страна, можно сказать, плавает в гигантском подземном озере сырой нефти. Я ездил по Саудовской Аравии и странам Персидского залива и всюду наблюдал, как энергию тратят в невообразимых, громадных масштабах. Я видел фонтаны нефти, бьющие посреди пустыни и образующие искусственные нефтяные озера. В Дубае, несмотря на жуткую жару снаружи, есть даже крытый горнолыжный склон с тысячами тонн искусственного снега.

Но сейчас министры нефтяной отрасли встревожены. За пустой риторикой о «разведанных нефтяных запасах», призванной уверить нас в том, что на ближайшие десятилетия нефти хватит с избытком, проглядывает понимание того, что многие нефтяные цифры — всего лишь обманчивая дымовая завеса. Фраза «разведанные запасы нефти» звучит уверенно и успокаивающе, но лишь до тех пор, пока не поймешь: нередко эти самые запасы представляют собой всего лишь плод политического давления и творческого воображения местного министра.

Разговаривая со специалистами-энергетиками, я видел, что постепенно среди экспертов формируется единое мнение: мы сейчас либо на вершине Хаббертовой кривой мирового производства нефти, либо — в лучшем случае — в десятке лет от роковой точки. Это означает, что в самом ближайшем будущем человечество вступит в эпоху необратимого упадка.

Конечно, полностью нефть не кончится никогда. Геологи все время находят новые месторождения. Но стоимость добычи и очистки этой нефти непрерывно растет и довольно скоро достигнет космических высот. К примеру, в Канаде имеются громадные залежи нефтеносных песков, нефти в них хватило бы всему миру не на один десяток лет — но добывать и очищать эту нефть невыгодно. Запасов угля в США, вероятно, хватило бы лет на 300, но использование угля законодательно ограничено, а стоимость очистки его от твердых и газообразных загрязняющих примесей весьма обременительна.

Помимо всего прочего нефть продолжают находить в политически нестабильных регионах мира, отчего их нестабильность только растет. Цены на нефть на протяжении десятилетий ведут себя как машинки на американских горках: в 2008 г. они достигли пика на уровне 140 долларов за баррель (и более 4 долларов за галлон бензина на автозаправке), затем упали из-за мирового экономического кризиса. Здесь, конечно, присутствуют и дикие колебания, связанные с политическими передрягами, спекуляцией, слухами и т. п., но ясно одно: средняя цена нефти в долгосрочной перспективе будет расти.

Рост цен на нефть означает серьезные последствия для всей мировой экономики. Вообще, стремительный подъем современной цивилизации в XX в. связан с двумя вещами: это дешевая нефть и закон Мура. Рост цен на энергоносители означает серьезное давление одновременно на производство продовольствия и защиту окружающей среды. Как сказал романист Джерри Пурнель (Jerry Pournelle), «еда и загрязнение среды — не первичные проблемы; это энергетические проблемы. При достаточном количестве энергии мы можем произвести столько пищи, сколько захотим, если нужно, интенсивными методами вроде гидропоники и теплиц. То же с загрязнением: если энергии достаточно, загрязняющие вещества можно превращать в вещи, с которыми можно бороться, а при необходимости разлагать на составляющие».

В настоящий момент перед нами стоит и другая проблема: рост среднего класса в Китае и Индии. Это один из величайших демографических сдвигов послевоенного мира, порождающий сильнейшее давление на нефтяные цены и цены на потребительские товары. Видя в голливудских фильмах гамбургеры из McDonald's и семейные гаражи на две машины, новые представители среднего класса тоже хотят попасть в американскую мечту и вести жизнь, полную бесцельного потребления энергии.

Создается впечатление, что история повторяется. В начале XX в. Генри Форд и Томас Эдисон, два давних друга, заключили пари о том, какая форма энергии будет главенствовать в будущем. Генри Форд поставил на нефть, которая заменит уголь, и на двигатели внутреннего сгорания, которые придут на смену паровым двигателям. Томас Эдисон поставил на электромобиль. Надо сказать, что исход этого судьбоносного пари сильно повлияет на ход мировой истории. Некоторое время казалось, что победит Эдисон, поскольку добывать китовый жир было чрезвычайно трудно. Но вскоре открытие запасов дешевой нефти на Ближнем Востоке и в других местах вывело в лидеры Форда. После этого мир изменился навсегда. Электрические аккумуляторы были не в состоянии угнаться за бензином, имевшим феноменальный успех. (Даже сегодня бензин дает примерно в сорок раз больше энергии, чем электрическая аккумуляторная батарея той же массы.)

Но сейчас маятник приостановился и собирается вновь качнуться в обратную сторону. Может быть, Эдисон еще выйдет победителем в споре столетней давности.

Вопрос, которым задаются в правительственных и промышленных кругах, звучит просто: что заменит нефть? Ясного ответа на него пока нет. В ближайшем будущем просто нет достойной замены ископаемому топливу, и какое-то время, возможно довольно долго, разные источники энергии будут существовать параллельно, на равных.

Но наиболее перспективным на данный момент кандидатом представляется солнечная и водородная энергетика, т. е. энергия, получаемая на базе возобновляемых технологий. Это собственно солнечная энергия, энергия ветра, энергия гидроэлектростанций и водорода.

В настоящее время электричество, получаемое с солнечных батарей, стоит в несколько раз дороже угольного. Но технический прогресс обеспечивает стабильное падение цен на электричество из возобновляемых источников, а цены на ископаемое топливо столь же стабильно растут. По оценкам ученых, через 10–15 лет две кривые пересекутся. Остальное сделают рыночные механизмы.

В ближайшей перспективе лучше всего выглядят такие возобновляемые источники, как энергия ветра. Мировые ветрогенерирующие мощности выросли с 17 ГВт в 2000 г. до 121 ГВт в 2008 г.[13]Энергия ветра, которую когда-то практически не брали в расчет, приобретает все большее значение. Технический прогресс в области производства ветряных турбин увеличил эффективность и производительность ветряных электростанций, и теперь ветроэнергетика — один из наиболее быстро растущих секторов энергетического рынка.

Сегодняшние ветроэлектростанции мало напоминают ветряные мельницы, крутившие колеса мельниц и заводиков в конце XIX в. Один ветрогенератор может давать 5 МВт электроэнергии — достаточно для небольшой деревушки. При этом он безопасен и не загрязняет окружающую среду. Ветряная турбина снабжена огромными обтекаемыми лопастями длиной около 30 м, вращающимися почти без трения. Ветряные турбины производят электричество так же, как турбины гидроэлектростанций или, к примеру, велосипедные генераторы. Ветер вращает лопасти, а вместе с ними и магнит внутри катушки. Вращающееся магнитное поле гонит электроны по виткам катушки, создавая в электросети ток. Большая ветроэлектростанция, включающая 100 таких генераторов, может производить 500 МВт, что вполне сравнимо с 1000 МВт, производимых угольной станцией или одним блоком атомной станции.

Несколько последних десятилетий лидерство в развитии ветроэнергетических технологий принадлежало Европе. Однако не так давно США обогнали в этом Европу. В 2009 г. в США было лишь 28 ГВт установленной мощности ветрогенераторов, но в одном Техасе их имеется на 8 ГВт и строятся мощности еще на 1 ГВт, а планируется построить еще больше. Если все пойдет по плану, Техас будет получать от ветра 50 ГВт электроэнергии — более чем достаточно для штата с населением 24 млн человек.

Но Китай скоро превзойдет США в этой области. По программе «Ветроэнергетическая база» там будет построено шесть ветроэлектростанций суммарной мощностью 127 ГВт.

Несмотря на то что энергия ветра выглядит все более привлекательно и в ближайшее время производство ветряного электричества, несомненно, будет расти, обеспечить таким образом энергией все человечество невозможно. В лучшем случае энергия ветра займет свое ограниченное место в сложной и неоднородной мировой энергетической системе. У ветроэнергетики есть несколько серьезных недостатков. Энергия в ней может вырабатываться лишь время от времени, когда дует ветер, и лишь в некоторых особенно ветреных регионах мира. Кроме того, из-за потерь при передаче электроэнергии ветроэлектростанции приходится размещать вблизи крупных городов, что еще больше ограничивает их возможности.

Если разобраться, вся энергия на Земле исходит от Солнца. Даже нефть и уголь представляют собой в некотором смысле концентрированный солнечный свет, энергию, поглощенную миллионы лет назад растениями и животными. Вследствие этого количество энергии, содержащееся в литре бензина, гораздо больше, чем мы можем запасти в электрическом аккумуляторе. С этой фундаментальной проблемой сталкивался еще Эдисон в прошлом веке, и она же стоит перед человечеством сегодня.

Солнечные батареи напрямую преобразуют солнечное излучение в электричество. (В основе этого процесса лежит явление фотоэффекта, которое еще в 1905 г. объяснил Эйнштейн. Когда частица света — фотон — падает на металл, она выбивает из атомной решетки электрон, порождая таким образом электрический ток.)

Однако солнечные батареи неэффективны. Даже теперь, после десятков лет непрерывных усилий ученых и инженеров, их коэффициент полезного действия завис на отметке около 15 %. В настоящее время исследования идут в двух направлениях. Первое — увеличение эффективности солнечных батарей, что является чрезвычайно сложной технической задачей. Второе — уменьшение стоимости их производства и установки, а также строительства солнечных электростанций.

К примеру, покрыв всю территорию штата Аризона фотоэлектрическими батареями, можно было бы полностью удовлетворить потребность США в электричестве. Понятно, что это непрактично. Тем не менее крупные участки земли на территории пустыни Сахара неожиданно подскочили в цене и стали пользоваться спросом; инвесторы уже начали строительство крупных солнечных электростанций в этой пустыне для обслуживания европейских потребителей.

В крупных городах можно было бы снизить стоимость солнечной энергии, покрыв стены и крыши домов солнечными батареями. У такого варианта есть свои преимущества, в том числе то, что при этом исключаются потери при передаче энергии от станции к потребителю. Проблема в цене: несложный расчет показывает, что для окупаемости подобных предприятий нужно будет экономить буквально на всем[14].

Следует признать, что пока солнечная энергия не оправдывает возлагаемых на нее надежд. Тем не менее нестабильность цен на нефть заставляет прилагать дополнительные усилия для вывода этого вида возобновляемой энергии на рынок. Возможно, тенденция вскоре изменится. Каждые несколько месяцев мы слышим о новых достижениях и рекордах. Производство солнечной электроэнергии ежегодно растет на 45 %, а за два года почти удваивается. Солнечные батареи по всему миру в 2009 г. имели мощность 15 ГВт, и только за 2008 г. эта величина выросла на 5, 6 ГВт.

В 2008 г. компания Florida Power & Light объявила о самом крупном в США проекте солнечной энергетики. Заключен контракт с корпорацией SunPower, которая планирует производить 25 МВт энергии. (На сегодняшний день рекорд в США принадлежит военно-воздушной базе Неллис в Неваде, чья солнечная станция производит 15 МВт электроэнергии.)

В 2009 г. корпорация BrightSource Energy со штаб-квартирой в Окленде, штат Калифорния, объявила о планах побить этот рекорд и построить в Калифорнии, Неваде и Аризоне 14 солнечных электростанций общей производительностью 2, 6 ГВт.

Среди проектов BrightSource Energy — солнечная электростанция Айвенпа в Южной Калифорнии, включающая три солнечно-термальных блока, которые вместе будут производить 440 МВт электроэнергии. Совместно с Pacific Gas and Electric BrightSource планирует построить станцию на 1, 3 ГВт в пустыне Мохаве.

В 2009 г. компания First Solar, крупнейший мировой производитель солнечных батарей, объявила, что будет строить самую большую в мире солнечную электростанцию к северу от Великой Китайской стены. Десятилетний контракт, детали которого все еще находятся в стадии согласования, предусматривает строительство громадного солнечного комплекса мощностью 2 ГВт, состоящего из 27 тысяч тонкопленочных панелей. По мощности такая станция соответствует двум угольным энергоблокам и производит достаточно энергии для 3 млн семей. Станция займет 65 км² во Внутренней Монголии и станет частью еще более крупного энергетического комплекса, совокупная проектная мощность которого составляет 12 ГВт. Китайские чиновники утверждают, что солнечная электростанция станет лишь частью этого гигантского предприятия по добыче энергии из различных возобновляемых источников (ветра, солнца, биомассы и гидроэнергии).

Пока неясно, смогут ли эти амбициозные проекты пройти экологическую экспертизу и решить проблемы высокой стоимости энергии, но главное — то, что в солнечной энергетике все же происходит медленный поворот, и крупные энергетические компании начинают всерьез рассматривать солнечную энергию как альтернативу электростанциям на ископаемом топливе.

Не секрет, что примерно половину нефти в мире потребляют автомобили, поезда и самолеты, поэтому реформа этого сектора экономики вызывает громадный интерес. В настоящее время идет настоящая гонка за будущее лидерство на автомобильном рынке, после того как страны постепенно перейдут от машин на ископаемом топливе к электромобилям. Это исторический переход, и первая его стадия — гибридный автомобиль, уже появившийся на рынке (в нем работает и бензин, и электричество из аккумулятора). В этом автомобиле для решения старой проблемы с аккумуляторами используется небольшой двигатель внутреннего сгорания: дело в том, что создать аккумулятор, который мог бы обеспечить движение на длинных дистанциях, очень трудно, к тому же электрический двигатель не способен быстро разогнать машину.

Но гибрид — это только первый шаг. К примеру, на модульном гибридном автомобиле стоит достаточно мощная аккумуляторная батарея, чтобы можно было проехать около 80 км, не переходя на второй, бензиновый двигатель. А если учесть, что большинство людей совершает повседневные поездки в пределах этого расстояния, то получится, что такой автомобиль будет ездить только на электричестве.

Среди серьезных участников гонки гибридов — Chevy Volt компании General Motors. Эта машина способна проехать 65 км только на литий-ионном аккумуляторе и еще 480 — на маленьком бензиновом двигателе.

А компания Tesla Motors из Кремниевой долины единственная в Северной Америке выпустила на рынок серийный чисто электрический автомобиль Tesla Roadster. Это обтекаемая спортивная машинка способна состязаться на дороге с любым бензиновым автомобилем и на деле опровергает устоявшееся представление о том, что двигатели на литий-ионных аккумуляторах никогда не сравнятся с бензиновыми.

Мне довелось посидеть за рулем двухместной Tesla, принадлежащей Джону Хендриксу (John Hendricks), основателю компании Discovery Communications, учредителя канала Discovery. Я уселся на водительское место, и мистер Хендрикс предложил мне испытать машину на полном газу. Я воспользовался советом и вжал педаль акселератора в пол. Tesla рванула вперед. Разгон до 96 км/ч всего за 3, 9 с заставил наши тела вжаться в кресла. Одно дело — слушать похвалу чисто электрической машине из уст ее создателей, и совсем другое — нажать на акселератор и самому ощутить ее мощь.

Успешные продажи Tesla поставили основных автопроизводителей в положение догоняющих, после того как они десятилетиями игнорировали электромобили. Роберт Лутц (Robert Lutz), будучи вице-президентом General Motors, сказал: «Все наши технические гении твердят, что до литий-ионной технологии еще десять лет, и Toyota с нами согласна, и вдруг — бац! — на рынок выходит Tesla. И я сказал: „Как так, почему эта крошечная калифорнийская компания-выскочка под управлением парней, ничего не понимающих в автомобильном бизнесе, может делать то, что мы не можем?“»

Гонку за то, чтобы первыми представить обычному потребителю чисто электрический автомобиль, возглавила компания Nissan Motors. Ее электромобиль называется Nissan Leaf, он проходит на одной зарядке расстояние до 160 км, разгоняется до 140 км/ч и работает только на электричестве.

После чисто электрического автомобиля центральной фигурой на выставках и в салонах станет автомобиль на топливных элементах; иногда его даже называют машиной будущего. В июне 2008 г. Honda Motor Company объявила о выпуске первого коммерческого автомобиля на топливных элементах — FCX Clarity. Эта машина может пройти на одной заправке около 400 км с максимальной скоростью 160 км/ч и снабжена всеми удобствами, обычными для четырехдверного седана. Ей не нужен ни бензин, ни электрический заряд; топливом ей служит только водород. Однако инфраструктуры для водородных машин пока не существует, поэтому приобрести и использовать этот автомобиль пока можно только в Южной Калифорнии. Honda рекламирует и спортивную версию машины на топливных элементах под названием FC Sport.

Затем в 2009 г. компания GM после процедуры банкротства и полной смены руководящего состава объявила о том, что ее автомобиль на топливных элементах Chevy Equinox прошел на испытаниях отметку в миллион миль. За последние 25 месяцев 5000 человек испытывали 100 экземпляров этого автомобиля. Детройт, которому никак не удается угнаться за Японией в создании мини-автомобилей и гибридов, пытается создать задел на будущее.

На первый взгляд автомобиль на топливных элементах идеален. В топливных элементах, которые обеспечивают его энергией, кислород соединяется с водородом с выделением электроэнергии и воды в качестве побочного продукта. Он вообще не загрязняет окружающую среду. Вид выхлопной трубы такого автомобиля производит фантастическое впечатление. Вместо ядовитого дыма из нее вылетают лишь капельки воды без цвета и запаха.

«Закрываешь ладонью выхлопную трубу, и на ней остается только вода. Так классно!» — говорит Майк Швабл (Mike Schwabl), 10 дней ездивший на Equinox в порядке испытаний.

Вообще, топливные элементы — вовсе не новое изобретение. Базовый принцип их работы был продемонстрирован еще в 1839 г., и NASA десятки лет использует топливные элементы для обеспечения космических кораблей энергией[15]. Новое здесь — лишь желание и решимость автопроизводителей увеличивать производство таких машин и снижать цены.

У машины на топливных элементах есть и другая проблема, которая не давала спокойно жить еще Генри Форду при выпуске на рынок знаменитой модели Ford Т. Критики утверждали, что бензин опасен, что люди будут погибать в ужасных авариях и заживо сгорать при любом столкновении. Да и бензиновые колонки придется строить чуть ли не на каждом перекрестке. Причем, если разобраться, критики были правы по всем пунктам. Люди действительно каждый год гибнут в ужасных автокатастрофах тысячами, и автозаправки видны повсюду, нравится нам это или нет. Но автомобили настолько удобны и практичны, что человечество игнорирует эти бесспорные факты.

Теперь те же возражения звучат против машин на топливных элементах. Водородное топливо капризно и взрывоопасно, а водородные заправки придется строить в каждом квартале. Причем, скорее всего, критики опять окажутся правы. Но как только будет создана водородная инфраструктура, люди увидят, как удобны не загрязняющие окружающую среду машины на топливных элементах, и готовы будут закрыть глаза на некоторые их недостатки. Сегодня на все Соединенные Штаты наберется всего около 70 водородных заправочных станций, а поскольку на одной заправке такая машина проезжает около 270 километров, водитель должен внимательно следить за указателем уровня топлива. Но постепенно ситуация изменится, особенно если цена машин на топливных элементах начнет падать с ростом массового производства и развитием технологий.

Однако главная проблема электромобилей заключается в том, что электричество не возникает из ниоткуда. Аккумуляторную батарею необходимо заряжать, и энергию для этого обычно получают с угольных электростанций. Так что, хотя сам электромобиль и не загрязняет окружающую среду, настоящим источником энергии для него служит все то же ископаемое топливо.

Так и электромобиль на топливных элементах. Водород — вовсе не источник энергии, а лишь ее переносчик. Чтобы заправить машину водородом, его надо сначала получить. К примеру, чтобы разделить воду на кислород и водород, нужно затратить немало электричества. Электромобили на аккумуляторах и топливных элементах сами не загрязняют среду и потому позволяют нам надеяться на бездымное будущее и чистый воздух в городах, но основную проблему они не снимают: энергия, потребляемая такими машинами, производится преимущественно за счет сжигания угля. Первый закон термодинамики обойти невозможно: суммарное количество вещества и энергии постоянно, его нельзя уничтожить или создать на пустом месте. Из ничего получить что-то невозможно.

Это означает, что при переходе от бензина к электричеству нам необходимо заменить угольные электростанции совершенно новым источником энергии.

Одна из возможностей создавать энергию, а не просто передавать ее из одного места в другое заключается в расщеплении атома урана. Преимущество этого метода в том, что ядерная энергетика не производит парниковых газов, как угольная и нефтяная, но технические и политические проблемы привели к тому, что «руки» атомной энергетики связаны уже не один десяток лет. Строительство последней атомной станции в США началось в 1977 г., незадолго до роковой аварии на Тримайл-Айленд, положившей в 1979 г. конец развитию коммерческой атомной энергетики. Затем Чернобыльская катастрофа 1986 г. на целое поколение определила ее печальную судьбу. В США и в большей части стран Европы все атомные проекты были попросту закрыты, а во Франции, Японии и России чуть теплились и держались только на правительственных субсидиях[16].

При расщеплении урана возникает огромное количество атомных отходов, сохраняющих радиоактивность от тысяч до десятков миллионов лет. Стандартный 1000-мегаваттный реактор всего за год производит около 30 тонн высокоактивных атомных отходов. Они настолько радиоактивны, что буквально светятся в темноте, и хранить их приходится в специальных бассейнах выдержки. В США около 100 коммерческих реакторов; соответственно, ежегодно на них производятся тысячи тонн высокоактивных ядерных отходов.

Ядерные отходы представляют собой проблему по двум причинам. Во-первых, они остаются горячими даже после остановки реактора. Если в результате аварии вода в системе охлаждения отключится, как на Тримайл-Айленд, активная зона может расплавиться[17]. Расплавленный металл, соприкоснувшись с водой, может вызвать взрывное парообразование. Реактор при этом взорвется, выбросив в воздух тонны высокорадиоактивных обломков. В случае самой серьезной ядерной аварии 9-го уровня[18] правительству, возможно, придется эвакуировать миллионы людей из 16–80-километровой зоны вокруг реактора. Между тем атомная станция Индиан-Пойнт расположена меньше чем в 40 километрах от Нью-Йорка. Согласно правительственным исследованиям, авария на станции Индиан-Пойнт могла бы привести к потерям в сотни миллиардов долларов только в виде компенсаций за утраченную собственность. Аварию на Тримайл-Айленд удалось остановить за несколько минут до серьезной катастрофы, от которой пострадал бы весь северо-восток страны. Работникам станции удалось вновь подать воду в систему охлаждения активной зоны менее чем за полчаса до того, как температура там достигла точки плавления диоксида урана.

В Чернобыле под Киевом ситуация развивалась гораздо хуже. Работники станции вручную отключили механизм безопасности (управляющие стержни). Произошел небольшой скачок мощности, который вывел реактор из-под контроля. Когда холодная вода внезапно попала на расплавленный металл, началось взрывное парообразование. Взрыв снес всю верхушку реактора и выбросил в воздух значительную часть активной зоны. Многие работники, посланные на станцию для ликвидации аварии, позже умерли ужасной смертью от радиационных ожогов. Реактор горел, и Советам пришлось привлечь к его ликвидации военно-воздушные силы. Специальным образом экранированные вертолеты заливали пылающий реактор борной водой. В конце концов активную зону пришлось полностью замуровать в бетонный саркофаг. Даже сегодня она по-прежнему нестабильна и продолжает выделять тепло и радиацию[19].

Помимо проблем с расплавлением активной зоны и взрывами существует проблема хранения и переработки отходов. Куда их девать? Как ни печально, но ответа на этот вопрос по-прежнему нет, хотя с начала атомной эры прошло больше полувека. В прошлом было сделано немало дорогостоящих ошибок, связанных с попытками окончательно решить вопрос с отходами. Первоначально США и Россия просто сбрасывали отходы в океан или хоронили их в неглубоких шахтах. В 1957 г. на Урале одно хранилище отходов плутониевого производства взорвалось с катастрофическими последствиями, что потребовало массовой эвакуации жителей и вызвало радиоактивное заражение территории в 1000 км² между Свердловском и Челябинском.

США в 1970-е гг. пытались захоранивать высокоактивные ядерные отходы в Лайонсе, штат Канзас, в соляных шахтах. Однако позже выяснилось, что соляные шахты использовать нельзя, так как они пронизаны множеством отверстий, пробуренных при разведке нефти и газа. Полигон в Лайонсе пришлось закрыть, и США вновь оказались перед трудноразрешимой проблемой.

В течение следующих 25 лет США истратили 9 млрд долларов на проектирование и строительство гигантского центра по глубокому захоронению отходов Юкка-Маунтин в штате Невада — только для того, чтобы президент Барак Обама в 2009 г. закрыл проект. Геологи заявили, что на полигоне Юкка-Маунтин отходы, скорее всего, не смогут пролежать 10 000 лет[20]. Этому полигону не суждено открыться, а коммерческие операторы атомных станций пока остаются без постоянного хранилища для отходов их деятельности.

В настоящий момент будущее ядерной энергетики видится довольно туманным[21]. Представители Уолл-стрит, как обычно, не слишком хотят выкладывать по несколько миллиардов долларов за каждую новую атомную электростанцию. Но представители отрасли утверждают, что станции последнего поколения значительно безопаснее прежних. А Министерство энергетики не спешит высказывать свою позицию по этому поводу.

Но где великая мощь, там и великая опасность. В Северной Европе, к примеру, викинги поклонялись Одину, который правил Асгардом мудро и справедливо. Один главенствовал над целым легионом богов, включая и героического Тора, честь и доблесть которого любой воин ценил превыше всего. Однако среди богов был и Локи, бог хитрости и обмана, вечно снедаемый завистью и ненавистью. Он поднаторел в обмане и плетении интриг. Считалось, что когда-нибудь Локи сговорится с великанами и выступит против остальных богов в окончательной битве Света и Тьмы, эпическом Рагнареке, после которого наступят сумерки богов.

Проблема в том, что сегодня зависть и ненависть между странами могут развязать глобальный ядерный Рагнарек. История показала, что любая страна, овладевшая промышленными ядерными технологиями, может при наличии желания и политической воли перейти к производству ядерного оружия. Опасность в том, что эти технологии проникают в первую очередь в самые нестабильные регионы мира.

Во время Второй мировой войны только величайшие державы мира обладали ресурсами, знаниями и возможностями для создания атомной бомбы. Однако благодаря внедрению новых технологий стоимость обогащения урана падает, и в будущем этот порог может резко снизиться. Это реальная опасность: более новые и дешевые технологии могут привести к тому, что атомная бомба окажется в ненадежных руках.

Ключевой момент в создании атомной бомбы — получить большое количество урановой руды и очистить ее. Очистить значит разделить уран-238 (составляющий в природном уране 99, 3 %) и уран-235 (этот изотоп годится для создания атомной бомбы, но в природном уране его всего 0, 7 %). Эти два изотопа химически идентичны (естественно, ведь это один и тот же элемент), так что единственный способ надежно разделить их состоит в том, чтобы воспользоваться разницей в атомном весе: уран-235 примерно на 1 % легче урана-238.

Во время Второй мировой войны единственным способом разделить два изотопа урана был очень трудоемкий способ газовой диффузии: уран превращали в газ (гексафторид урана), а затем прогоняли сквозь сотни километров различных трубок и мембран. В конце этого долгого путешествия более быстрые (а значит, и более легкие) молекулы, содержащие уран-235, выигрывали гонку, оставляя более тяжелые молекулы с ураном-238 позади. Газ, содержащий уран-235, извлекали из установки и повторяли весь процесс заново, до тех пор пока доля урана-235 не возрастала с 0, 7 до 90 % (именно такая его концентрация нужна для создания бомбы). Но проталкивание газа через мембраны и тонкие трубки требовало громадного количества электричества. Во время войны значительная часть производства электроэнергии в США шла в Национальную лабораторию в Окридже именно на эти цели. Обогащением урана занимался громадный комбинат площадью 200 000 м², на котором работало 12 000 человек.

После войны две сверхдержавы, США и Советский Союз, смогли накопить целые арсеналы атомных бомб (почти по 30 000 каждая), потому что освоили метод газовой диффузии. Но сегодня методом газовой диффузии получается лишь 33 % мирового производства обогащенного урана.

Обогатительные предприятия второго поколения используют более хитроумную и более дешевую технологию: ультрацентрифуги, изобретение которых оказало громадное влияние на мировую политику. Ультрацентрифуга способна раскрутить капсулу с ураном до скорости в 100 000 оборотов в минуту. При такой скорости вращения один процент разницы в массе между ураном-235 и ураном-238 приобретает серьезное значение. Постепенно уран-238 оседает на дно капсулы, и через некоторое время из верхней части трубки можно извлекать уран-235.

Энергетически ультрацентрифугирование в 50 раз эффективнее, чем газовая диффузия. На сегодняшний день этим методом очищается 54 % мирового урана[22].

Одного года непрерывной работы 1000 ультрацентрифуг достаточно, чтобы наработать обогащенного урана на одну атомную бомбу. При этом технологию ультрацентрифугирования очень легко украсть. Секретность в ядерной области нарушалась не раз, и один из худших случаев такого рода в истории заключался в том, что никому не известный инженер-атомщик Абдул Кадир Хан (Abdul Qadeer Khan) сумел украсть и продать чертежи ультрацентрифуги и отдельных компонент атомной бомбы. В 1975 г. Хан работал в Амстердаме на компанию URENCO, основанную Британией, Западной Германией и Нидерландами для обеспечения ураном европейских реакторов[23]. Получив доступ к секретным материалам, он передал их пакистанскому правительству. На родине его возвеличили как национального героя, однако есть подозрения, что он, помимо Пакистана, продал эту информацию Саддаму Хусейну и правительствам Ирана, Северной Кореи и Ливии.

Пакистан воспользовался украденной технологией, создал небольшой запас ядерного оружия и в 1998 г. начал проводить испытания. Между Пакистаном и Индией разгорелось ядерное соперничество, в ходе которого обе страны провели по серии испытательных взрывов и чуть не дошли до ядерной конфронтации. Возможно, именно благодаря купленным у Хана технологиям Иран, согласно разведданным, ускорил работы по ядерной программе и построил к 2010 г. 8000 ультрацентрифуг; в его планах строительство еще 30 000 таких установок. В результате другие ближневосточные государства испытывают давление и стремятся создать собственное ядерное оружие. Нестабильность в регионе растет.

Еще одна причина, по которой геополитика в XXI в. может претерпеть серьезные изменения, состоит в том, что на сцену выходит технология нового поколения — технология лазерного обогащения; потенциально она должна стать еще дешевле, чем ультрацентрифугирование.

Если посмотреть на электронные оболочки двух изотопов урана, может показаться, что они одинаковы. Это не удивительно — ведь ядра всех изотопов одного элемента имеют одинаковый электрический заряд. Но если тщательно проанализировать уравнения электронных оболочек, выяснится, что между энергиями оболочек урана-235 и урана-238 существует крохотная разница. Осветив смесь изотопов лазерным лучом, можно настроить его таким образом, что его фотоны будут выбивать электроны из оболочек атомов урана-235, но не будут оказывать никакого действия на атомы урана-238. А ионизированные атомы урана-235 несложно отделить от электрически нейтральных атомов урана-238 при помощи электрического поля.

Энергетическая разница между двумя изотопами настолько мала, что многие страны потерпели неудачу в попытках воспользоваться ею. В 1980-е и 1990-е гг. США, Франция, Великобритания, Германия, Южная Африка и Япония безуспешно пытались подступиться к этой технологии. К примеру, на один из американских проектов, в котором принимало участие 500 исследователей, было затрачено 2 млрд долларов.

Однако в 2006 г. австралийские ученые объявили, что не только решили эту проблему, но и намереваются коммерциализировать ее. Известно, что 30 % стоимости уранового топлива приходится на процесс обогащения, поэтому австралийская компания Silex считает, что эта технология будет востребована на рынке. Silex даже подписала с General Electric контракт, намереваясь совместно выйти на рынок с новой технологией обогащения. Ее создатели надеются, что со временем по их методу будет производиться до трети мирового уранового топлива. В 2008 г. компания GE Hitachi Nuclear Energy объявила о планах строительства первого коммерческого предприятия по лазерному обогащению урана в городе Уилмингтон, штат Северная Каролина. Завод площадью 81 га должен быть построен к 2012 г. на площадке размером 6, 5 км².

Для атомной энергетики это хорошая новость, поскольку в результате цены на обогащенный уран, вероятно, снизятся. Однако у остальных это вызывает беспокойство, поскольку рано или поздно данная технология распространится в нестабильные регионы мира — лишь вопрос времени. Иными словами, у нас осталось совсем немного времени на подписание договоров об ограничении и регулировании потоков обогащенного урана. Если мы не сумеем удержать контроль над новой технологией, атомные бомбы продолжат расползаться по миру и, возможно, попадут даже в руки террористических организаций.

Покойный Теодор Тейлор (Theodore Taylor), с которым я был знаком, имел редкую возможность поучаствовать в разработке самых крупных и самых маленьких атомных боеголовок для Пентагона. Среди его разработок — орудие «Дейви Крокет» весом всего около 25 кг, способное тем не менее выстрелить во врага небольшой атомной бомбой. Тейлор был фанатичным сторонником атомного оружия и работал в проекте «Орион», целью которого было использовать ядерные бомбы в качестве двигателя космического корабля для полета к ближайшим звездам. Он рассчитал, что космический корабль можно разогнать до скорости, близкой к скорости света, за счет ударной волны от взрывов ядерных бомб позади него.

Я однажды спросил Тейлора, почему он разочаровался в атомных бомбах и переключился на проекты, связанные с использованием солнечной энергии. Он признался, что постоянно видит один и тот же кошмарный сон. Ему казалось, что продолжение работы над ядерным оружием могло привести лишь к одному: к созданию атомных боеголовок третьего поколения. (Боеголовки первого поколения в 1950-е гг. были огромны, доставить их к месту назначения было настоящей проблемой. Боеголовки второго поколения в 1970-е гг. стали небольшими и компактными; под носовой обтекатель ракеты их можно было засунуть целый десяток. Но бомбы третьего поколения — «дизайнерские» бомбы, специально разработанные для использования в различных обстоятельствах: в лесу, в пустыне, даже в открытом космосе.) Среди бомб третьего поколения есть и миниатюрная, которую террорист мог бы принести в чемодане и уничтожить таким образом целый город. Мысль о том, что дело всей его жизни может когда-нибудь попасть в руки террористов, мучила Тейлора до конца жизни.

К середине века экономика, основанная на сжигании ископаемого топлива, вызовет закономерное и неизбежное следствие: глобальное потепление климата[24]. Тот факт, что Земля постепенно нагревается, уже не вызывает сомнений. За последние сто лет температура на планете выросла в среднем на 0, 7 С, и темп ее роста увеличивается[25]. Признаки несомненны, куда ни посмотри.

•Всего за 50 последних лет толщина арктических льдов уменьшилась, как ни поразительно, вдвое. Дело в том, что большая часть арктических льдов просто плавает в воде и имеет температуру чуть ниже точки замерзания. Следовательно, льды чрезвычайно чувствительны к небольшим температурным изменениям в океане; их можно, как канарейку в шахте, использовать как индикатор таких изменений. Сегодня значительная часть северной ледяной шапки исчезает в летние месяцы, а уже летом 2015 г. лед в Арктике может растаять практически полностью. К концу XXI в. полярная ледяная шапка может вообще исчезнуть, нарушив тем самым теплообмен в океане и систему воздушных течений вокруг планеты, а также, соответственно, установившиеся погодные нормы.

•Гренландские шельфовые ледники только за 2007 г. уменьшились на 60 км², а в 2008 г. этот показатель составил уже 185 км². (Если весь лед Гренландии по каким-то причинам растает, уровень океана во всем мире поднимется примерно на 6 м.)

•От антарктического ледяного панциря, десятки тысяч лет сохранявшего стабильность, постепенно отламываются большие куски. Так, в 2000 г. откололся кусок льда размером со штат Коннектикут площадью около 11 000 км². В 2002 г. от ледника Туэйтса откололся кусок размером с Род-Айленд. (Если антарктические льды растают, уровень Мирового океана поднимется примерно на 60 м.)

•На каждый метр подъема уровня Мирового океана приходится в среднем 100 м отступления береговой линии. За последние сто лет уровень уже поднялся на 20 см, в основном в результате теплового расширения воды. По данным ООН, уровень морей к 2100 г. может подняться еще на 20–60 см. Некоторые специалисты, правда, считают, что ООН слишком осторожничает в оценке имеющихся данных. Ученые из Института арктических и альпийских исследований Университета Колорадо утверждают, что к 2100 г. уровень моря может подняться на 1–2 м. Так что постепенно карта береговых линий Земли будет меняться.

•Достоверные данные о температурах начали регистрироваться в конце XVIII в. При этом 1995, 2005 и 2010 гг. фигурируют среди самых жарких в истории наблюдений, а десять лет — с 2000-го по 2009-й — стали самым жарким десятилетием за все это время. Заметно растет и содержание двуокиси углерода в воздухе. Нынешний ее уровень — самый высокий за последние 100 000 лет.

•По мере прогревания земного шара тропические болезни начинают постепенно мигрировать на север. Недавняя вспышка лихорадки Западного Нила, переносимой комарами, может оказаться предвестницей грядущих бедствий. ООН особенно обеспокоена продвижением на север малярии. Обычно яйца множества вредных насекомых гибнут каждую зиму при промерзании почвы. Но зимы становятся короче, и опасные насекомые, скорее всего, тоже начнут неостановимое наступление на север.

Согласно Межправительственной комиссии ООН по изменению климата, ученые пришли к выводу[26] о том, что с 90 %-ной вероятностью изменение климата вызвано деятельностью человека, в особенности выпуском в атмосферу углекислого газа при сжигании нефти и угля. Солнечный свет легко проходит сквозь углекислый газ и нагревает землю, а вот возникшее при этом инфракрасное излучение уже не может так легко пройти обратно сквозь слой углекислого газа. Энергия солнечного света, попавшая на Землю, оказывается в ловушке и не может уйти обратно в космос.

Нечто подобное можно наблюдать в парнике или в салоне автомобиля. Солнечный свет нагревает воздух внутри, а стекло не дает нагретому воздуху выйти наружу.

Ситуация угрожающая. Количество выделяемого углекислого газа резко выросло, особенно за последние сто лет. До Промышленной революции содержание углекислого газа в воздухе составляло 270 частей на миллион, или 0, 0270 %; сегодня оно подскочило до 387 частей на миллион, или 0, 0387 %. (В 1900 г. в мире потреблялось 150 млн баррелей нефти. В 2000 г. потребление достигло 28 млрд баррелей, т. е. увеличилось в 185 раз. В 2008 г. в воздух было выпущено 9, 4 млрд т углекислого газа от сжигания ископаемого топлива, но лишь 5 млрд т было переработано в океанах, почве и растительности. Остальное так и останется в воздухе на ближайшие десятилетия, нагревая Землю.)

Подъем температуры — не газетная утка, в этом можно без труда убедиться, изучив ледяные керны. Ученые пробурили в древних льдах Арктики немало скважин и сумели извлечь из них пузырьки воздуха возрастом в несколько тысяч лет. Химический анализ воздуха из этих пузырьков позволил ученым реконструировать температурный режим и содержание углекислого газа в атмосфере более чем на 600 000 лет назад. Очень скоро мы сможем узнать, какие погодные условия преобладали на Земле миллион лет назад.

Я видел все это своими глазами. Однажды мне довелось прочесть лекцию в Рейкьявике, столице Исландии, и посетить Исландский университет, где, собственно, и исследуются ледяные керны. Когда самолет приземляется в Рейкьявике, поначалу вы не видите вокруг ничего, кроме снега и дикого камня; если бы не снег, пейзаж очень напоминал бы лунный. Тем не менее бесплодная и неприветливая земля Арктики представляет собой идеальное место для исследования климата Земли на сотни тысяч лет назад.

При посещении лаборатории, температура в которой всегда поддерживается ниже точки замерзания, мне пришлось пройти через тяжелые теплоизолирующие двери. Внутри я увидел бесконечные стеллажи с длинными металлическими трубками длиной около 3 м и диаметром около 4 см. В каждой из таких трубок содержится образец льда, извлеченный из скважины при бурении, который был снегом, выпавшим в этих краях тысячи лет назад. Если снять металлические трубки, то каждый такой образец можно тщательно рассмотреть и исследовать. Правда, лично я с первого взгляда увидел только длинную тонкую колонку белого льда. Но затем, при ближайшем рассмотрении, я заметил, что лед на самом деле полосат и состоит из тонких разноцветных слоев.

Чтобы точно датировать ледяные образцы, ученые используют самые разные методы. В некоторых слоях содержатся маркеры, отмечающие различные важные события, к примеру выпадение сажи после извержения вулкана. Даты крупных извержений известны достаточно точно, так что слои-маркеры могут служить опорными точками при датировании остальной части керна.

Из ледяных кернов затем делаются тонкие срезы, которые можно подробно исследовать. Посмотрев на один такой срез под микроскопом, я увидел крошечные, поистине микроскопические пузырьки. По спине пробежал холодок, когда я понял, что вижу воздушные пузырьки, запертые в ледяной массе десятки тысяч лет назад, еще до возникновения человеческой цивилизации.

Содержание углекислого газа внутри каждого пузырька измерить несложно, гораздо сложнее определить температуру воздуха в момент залегания льда. (Для этого ученые анализируют воду в пузырьке. Молекулы воды могут содержать разные изотопы водорода. Когда температура падает, вода с более тяжелыми изотопами конденсируется быстрее, чем обычная. Следовательно, измерив содержание в воде молекул с тяжелыми изотопами, можно определить, при какой температуре сконденсировалась эта вода.)

Наконец, тщательно проанализировав состав тысяч ледяных кернов, ученые смогли сделать несколько существенных выводов. Они выяснили, что температура и содержание углекислого газа на протяжении многих тысяч лет изменялись параллельно и даже синхронно. Когда росла одна из этих величин, росла и другая.

Самое важное то, что удалось зафиксировать резкий скачок температуры и содержания углекислого газа за последние сто лет. Это очень необычно, так как в большинстве своем уровни менялись постепенно, на протяжении тысяч лет. Ученые утверждают, что этот необычный пик не является частью естественного процесса потепления, а прямо указывает на вмешательство человека.

Существуют и другие способы показать, что внезапный резкий рост вызван именно деятельностью человека, а не проявлением естественных циклов. Компьютерное моделирование на сегодняшний день так развито, что мы вполне можем посчитать температурную динамику Земли с учетом деятельности человека и без нее. По результатам такого моделирования получается, что без цивилизации и искусственного производства углекислого газа температурная кривая была бы относительно плоской. Но стоит добавить человеческий фактор, и можно показать, что возникает резкий скачок и температуры, и содержания двуокиси углерода. При этом предсказанный пик в точности совпадает с реальным наблюдаемым пиком.

Наконец, количество солнечной энергии, падающее на каждый квадратный метр земной поверхности, можно измерить непосредственно. Можно также подсчитать количество тепла, отраженного Землей в открытый космос. В нормальных условиях эти две величины должны совпадать[27], так чтобы количество попадающего на планету тепла равнялось количеству тепла уходящего. Но в реальности мы обнаруживаем, что эти величины не равны, и разница между ними в настоящее время нагревает Землю. Затем, если мы вычислим количество энергии, производимое человеком, получим точное соответствие[28]. Следовательно, именно деятельность человека вызывает нагрев Земли и глобальное потепление климата.

К сожалению, даже если бы сегодня человечество полностью прекратило производство углекислого газа, уже имеющихся в атмосфере запасов было бы достаточно, чтобы глобальное потепление продолжалось еще несколько десятков лет.

В результате к середине века положение может достичь критической точки.

Ученые предсказывают, что если подъем уровня Мирового океана продолжится, то к середине века или немного позже многие прибрежные города исчезнут с лица земли. Значительную часть Манхэттена придется эвакуировать, а Уолл-стрит полностью окажется под водой. Правительствам придется решать, за какие из крупных прибрежных городов стоит бороться, а какие просто обречены. Некоторые города, возможно, удастся спасти при помощи сложной системы дамб и шлюзов. Другие придется бросить, что вызовет массовую миграцию людей. А поскольку большинство деловых центров и самых населенных городов мира располагаются на океанском побережье, последствия для мировой экономики могут быть катастрофическими.

Но даже если некоторые города удастся спасти, любой сильный шторм будет угрожать им наводнением, а даже сравнительно небольшое количество воды может полностью парализовать инфраструктуру крупного города. К примеру, в 1992 г. в результате сильнейшего шторма был почти полностью затоплен Манхэттен, парализована система метро и железная дорога на Нью-Джерси. А экономика без транспортной системы бессильна.

В докладе Межправительственной комиссии по изменению климата названы три горячие точки, три места потенциальных катастроф. Это Бангладеш, дельта Меконга во Вьетнаме и дельта Нила в Египте.

Хуже всего ситуация в Бангладеш — стране, которую регулярно заливает во время штормов без всякого глобального потепления. Территория этого государства в основном представляет собой плоскую равнину, лежащую практически на уровне моря. Несмотря на значительные успехи последних лет, это по-прежнему одна из беднейших стран мира, при этом плотность населения там одна из самых высоких. (Ее население насчитывает 161 млн человек, что сравнимо с населением России, при этом по площади Бангладеш меньше России в 120 раз.) Если уровень океана поднимется хотя бы на метр, около 50 % площади страны будет затоплено. Природные бедствия случаются там почти каждый год, но в сентябре 1998 г. мир с ужасом наблюдал прелюдию к тому, что когда-нибудь может стать обычным явлением. Сильное наводнение затопило две трети территории страны, практически в одну ночь оставив 30 млн человек без крыши над головой. В результате одной из самых страшных природных катастроф последних лет погибло около 1000 человек, было разрушено 10 000 км дорог.

Еще одна страна, где даже небольшой подъем уровня Мирового океана вызовет настоящую катастрофу, — это Вьетнам. К середине века эта страна с населением 87 млн человек может лишиться своих основных сельскохозяйственных земель. Особенно уязвима здесь дельта реки Меконг, где выращивается половина всего вьетнамского риса и живет 17 млн человек. По данным Всемирного банка, подъем уровня океана всего на метр заставит сняться с места 11 % населения Вьетнама. Плодородные почвы дельты Меконга, оказавшись под соленой водой, погибнут навсегда. Лишившись домов и земель, миллионы людей устремятся в поисках убежища в город Хошимин. Но четверть территории этого мегаполиса также окажется под водой.

В 2003 г. Пентагон заказал Global Business Network исследование, которое показало, что в худшем случае глобальное потепление может вызвать на Земле столь же глобальный хаос. Миллионы беженцев двинутся куда глаза глядят, игнорируя государственные границы; правительства потеряют всякий авторитет и рухнут; начнутся мародерство, мятежи и хаос. В этой отчаянной ситуации соседние страны, столкнувшись с угрозой вторжения миллионов отчаявшихся людей, могут прибегнуть к ядерному оружию.

«Можно представить, что Пакистан, Индия и Китай — страны, обладающие ядерным оружием, — начинают вступать в пограничные стычки из-за беженцев, пахотной земли и права пользования реками, протекающими по территории нескольких стран», — говорится в докладе. Питер Шварц (Peter Schwartz), основатель Global Business Network и основной исполнитель заказа Пентагона, раскрыл мне подробности этого сценария. Он считает, что самой горячей точкой станет граница между Индией и Бангладеш. Серьезный кризис в Бангладеш может сорвать с насиженных мест до 160 млн человек. Возникнет одна из величайших миграционных волн в истории человечества. Стремительно возрастет напряженность, границы рухнут, местные власти ничего не смогут сделать, повсюду вспыхнут массовые мятежи. Шварц считает, что некоторые страны в качестве крайней меры могут прибегнуть к ядерному оружию.

В самом худшем случае парниковый эффект может стать самоподдерживающимся. К примеру, при таянии арктической тундры могут высвободиться миллионы тонн метана из гниющих растений. Под покровом тундры, покрывающей в Северном полушарии площадь около 23 млн км², кроется замороженная растительность еще времен последнего оледенения, закончившегося несколько тысяч лет назад. Углекислого газа и метана в ней больше, чем во всей земной атмосфере, и таяние вечной мерзлоты представляет страшную опасность для климата. Мало того, метан — еще более страшный парниковый газ, чем двуокись углерода. Он не задерживается в атмосфере надолго, зато вызывает гораздо более серьезные последствия. Высвобождение громадных запасов метана из тающей тундры может повлечь за собой стремительный подъем температуры, что, в свою очередь, вызовет дальнейшее высвобождение метана и запустит неудержимый цикл глобального потепления.

Ситуация отчаянная, но точки невозврата человечество еще не достигло. Контролирование выбросов парниковых газов в атмосферу — проблема в основном экономическая и политическая, а не техническая. Производство углекислого газа растет одновременно с активизацией экономики и связано, таким образом, с богатством. К примеру, США в настоящий момент производят около 25 % всего углекислого газа в мире. Причина в том, что около четверти всей мировой экономической деятельности сосредоточено именно в США. Правда, в 2009 г. Китай обогнал Соединенные Штаты по выработке парниковых газов, и связано это в основном с взрывным ростом экономики этой страны. Вот основная причина того, почему развитые страны не спешат принимать меры против глобального потепления: эти меры помешают экономической деятельности и отрицательно скажутся на процветании.

Предложено немало путей борьбы с этим мировым кризисом, но уже сегодня ясно, что быстрых разовых мер, скорее всего, будет недостаточно. Проблему могут разрешить только принципиальные изменения в энергетической системе Земли и в расходовании энергии. Серьезные ученые предлагают и технические меры, но ни одно подобное предложение не встретило пока широкой поддержки. Среди предложений:

•Искусственное уменьшение прозрачности атмосферы. Одно из предложений состоит в том, чтобы запустить в верхние слои атмосферы ракеты с подходящими веществами, такими как двуокись серы, и рассеять их на большой высоте. Цель — усилить отражение солнечного света от Земли в космос и тем самым слегка охладить планету. Более того, нобелевский лауреат Пол Крутцен (Paul Crutzen) считает, что такая мера могла бы стать «последним шансом» — шагом, при помощи которого человечество в последний момент могло бы остановить глобальное потепление. Идея возникла в 1991 г., когда ученые с большим интересом наблюдали, как сильнейший вулканический взрыв горы Пинатубо на Филиппинах забросил в верхние слои атмосферы 10 млрд тонн вулканической пыли. Небеса тогда заметно потемнели, а средняя температура на земном шаре уменьшилась на 0, 6 С. На основании полученных данных ученые рассчитали, сколько химикатов необходимо будет закинуть в стратосферу, чтобы снизить среднюю температуру на Земле. Это, конечно, серьезное предложение, но критики сомневаются в том, что такая мера сама по себе сможет решить наболевшую проблему. К примеру, почти ничего не известно о том, как именно повлияет на климат выброс в атмосферу громадного количества пыли. Может быть, действие его будет краткосрочным, а может, выявившиеся побочные эффекты только усилят первоначальную проблему. К примеру, после взрыва Пинатубо в мире наблюдалось довольно резкое падение количества осадков; если так произойдет и во время эксперимента, по всей Земле могут начаться засухи. Согласно оценкам, на полевые испытания этой идеи потребовалось бы 100 млн долларов. А поскольку сульфатные аэрозоли дают лишь временный эффект, на забрасывание их в больших количествах в стратосферу ежегодно уходило бы как минимум 8 млрд долларов.

•Стимулирование роста водорослей. Еще одно предложение — сбросить в океан большое количество железосодержащих веществ. Выступая в качестве минеральных удобрений, они вызовут активный рост водорослей, что, в свою очередь, увеличит количество поглощаемого ими углекислого газа. Однако когда корпорация Planktos со штаб-квартирой в Калифорнии объявила, что планирует самостоятельно начать операцию по удобрению части Южной Атлантики железом (компания надеялась таким образом искусственно вызвать цветение воды и быстрое размножение фитопланктона, который должен был активно поглощать из воздуха углекислый газ), страны, связанные Лондонской конвенцией о регулировании сбросов в океан, заявили о своей обеспокоенности, а некая группа под флагом ООН призвала к временному мораторию на подобные эксперименты. У Planktos закончились деньги, и проект был прекращен.

•Связывание углерода. Еще одна возможность — связывание углерода. Это процесс, при котором углекислый газ, выделяемый угольными станциями, переводится в жидкую форму и не допускается в окружающую среду; к примеру, его можно захоранивать под землей. Хотя в принципе такой проект мог бы сработать, связывание углерода — очень дорогой процесс, к тому же он ничего не может сделать с газом, уже выпущенным в атмосферу. Начиная с 2009 г. инженеры всего мира с интересом следят за первым серьезным испытанием этого метода. Громадная электростанция Mountaneer, построенная в 1980 г. в Западной Вирджинии, переоборудуется таким образом, чтобы не выпускать двуокись углерода в окружающую среду. Сжиженный газ планируется закачивать на глубину около 2, 5 км в слой доломита. Постепенно эта жидкость образует в глубине земли массу высотой 9–12 м и длиной несколько сотен метров. Компания American Electric Power, владелец электростанции, планирует закачивать под землю по 100 000 т двуокиси углерода в течение 2–5 лет. Это всего 1, 5 % годового производства углекислого газа на данной электростанции, но со временем система сможет улавливать до 90 % выбросов. Первоначальные затраты по проекту составят 73 млн долларов. В случае успеха эту схему можно будет быстро распространить на другие электростанции, к примеру, на четыре гигантские угольные станции суммарной мощностью 6 ГВт, расположенные неподалеку (из-за них этот район был даже прозван Мегаваттной долиной). Неизвестных здесь множество: неясно, что будет происходить со сжиженным углекислым газом дальше: будет ли он потихоньку мигрировать, не соединится ли с водой и не образует ли угольную кислоту, которая затем может отравить грунтовые воды. Однако если эксперимент пройдет успешно, этот подход может стать частью целого пакета технологий, при помощи которых человечество будет бороться с глобальным потеплением.

•Генная инженерия. Еще одно предложение сводится к тому, чтобы создать при помощи генной инженерии такие формы жизни, которые могли бы поглощать углекислый газ в больших количествах. Энтузиастом такого подхода является, к примеру, Крейг Вентер (J. Craig Venter), сделавший себе имя и состояние на том, что придуманные им высокоскоростные технологии позволили расшифровать геном человека на несколько лет раньше запланированного срока. «Мы рассматриваем геном как программу, а может, и как операционную систему клетки», — говорит он. Его цель — научиться переписывать эту программу, чтобы получить возможность генетически модифицировать или создавать практически с нуля микроорганизмы, так чтобы они поглощали углекислый газ с электростанций и перерабатывали его в полезные вещества, такие как природный газ. Он замечает: «На нашей планете уже существуют тысячи, а может, и миллионы организмов, умеющих это делать». Фокус в том, чтобы модифицировать их и таким образом увеличить выход, а также приспособить к существованию на угольных электростанциях. «Мы считаем, что у этой отрасли громадный потенциал и что она сможет заменить собой всю нефтехимическую промышленность. Не исключено, что это произойдет уже в ближайшем десятилетии», — оптимистично заявляет он.

Принстонский физик Фримен Дайсон (Freeman Dyson) выступает за другой вариант — создание генетически модифицированных деревьев, которые будут поглощать углекислый газ. Он заявил, что триллиона таких деревьев, вполне возможно, будет достаточно, чтобы надежно контролировать содержание углекислого газа в воздухе. В статье «Можем ли мы контролировать углекислый газ в атмосфере?» он выступил за создание «углеродного банка быстрорастущих деревьев», которые могли бы регулировать уровень углекислого газа.

Однако в этом случае, как и в любых планах по масштабному использованию генной инженерии, следует соблюдать осторожность и остерегаться побочных эффектов. Невозможно отозвать из природы живые существа так, как мы отзываем бракованные машины. Оказавшись в природных условиях, генетически модифицированный вид может неожиданным и незапланированным образом повлиять на другие виды животных и растений; в частности, он может вытеснить местные виды и нарушить сложившееся равновесие пищевой цепочки.

Как ни печально, политики не проявили должного интереса ко всем вышеперечисленным предложениям. Тем не менее когда-нибудь проблема глобального потепления станет настолько болезненной и взрывоопасной, что политикам придется что-то решать.

Критическими здесь, вероятно, станут следующие несколько десятилетий. К середине века человечество, по идее, перейдет на водородное топливо, а развитие термоядерной и солнечной энергетики в сочетании с возобновляемыми видами энергии позволит сделать экономику гораздо менее зависимой от потребления ископаемого топлива. Рыночные механизмы и водородные технологии дадут нам долгосрочное решение проблемы глобального потепления. Но сейчас, до наступления водородной эры, продолжается опасный период. В краткосрочной перспективе ископаемое топливо по-прежнему является самым дешевым источником энергии, а потому глобальное потепление будет грозить человечеству еще не один десяток лет.

К середине века на сцене появится новый игрок, способный резко изменить правила игры. Речь идет об энергии синтеза, или термоядерной энергии. К тому времени это техническое решение, по всей видимости, станет самым конкурентоспособным и, возможно, позволит решить проблему энергии навсегда. Если на атомных станциях энергия (и большое количество радиоактивных отходов) получается за счет расщепления ядер атомов урана, то термоядерный синтез основан на слиянии атомов водорода. При этом выделяется огромное количество тепла (а значит, энергии) и очень мало отходов.

В отличие от распада, синтез представляет собой имитацию процессов, протекающих в глубинах Солнца. Энергия, скрытая в глубине атомов водорода, обеспечивает существование Вселенной. Энергия синтеза зажигает Солнце и освещает небеса. В ней заключена главная тайна звезд. Всякий, кто сумеет обуздать термоядерный синтез, получит вечный источник неограниченной энергии. А топливо для термоядерных станций можно добывать из обычной морской воды. Термоядерный синтез дает в 10 млн раз больше энергии на единицу веса, чем бензин, и в обычном стакане воды содержится столько же энергии, сколько в 500 000 баррелей нефти.

Именно синтез (а не распад) использовала природа для обеспечения нашей Вселенной энергией. При образовании звезд газовый шар, богатый водородом, постепенно сжимается под действием гравитации, одновременно разогреваясь до огромных температур. Когда температура газа достигает порядка 50 млн градусов (конкретная цифра меняется в зависимости от условий), ядра водорода внутри шара, сталкиваясь между собой, начинают сливаться с образованием ядер гелия. При этом высвобождается громадное количество энергии, и газ вспыхивает. (Если говорить точнее, сжатие должно обеспечить выполнение так называемого критерия Лоусона, который требует, чтобы водород был сжат до определенной плотности при определенной температуре на определенное время. Если все три условия — плотность, температура и время — выполнены, возникает реакция ядерного синтеза. Результатом может быть водородная бомба, звезда или ядерный синтез в реакторе.)

Итак, есть ключевое условие: для высвобождения космических количеств энергии необходимо нагреть и сжать водород до определенной степени.

Но до сих пор все попытки обуздать эту космическую мощь терпели неудачу. Оказалось, что нагреть водород до десятков миллионов градусов, при которых протоны начнут объединяться в ядра гелия и выделять энергию, крайне трудно.

Более того, общество критически относится ко всем обещаниям такого рода — ведь каждые двадцать лет ученые заявляют, что через двадцать лет термоядерная энергия будет освоена. На самом же деле сейчас, после полувека сверхоптимистических обещаний, физики все больше убеждаются в том, что управляемый термояд действительно на подходе и первые экспериментальные реакторы могут быть созданы уже к 2030 г. Вполне возможно, что к середине века появятся и коммерческие станции.

Надо отметить, что общественность имеет полное право скептически относиться к термоядерному синтезу — слишком много в прошлом было хвастовства, обмана и просто неудач в этой области. В 1951 г., когда холодная война была в полном разгаре и разработка водородной бомбы шла бешеными темпами, президент Аргентины Хуан Перон объявил с большой помпой, что ученые его страны совершили прорыв и покорили энергию солнца. В средствах массовой информации поднялся страшный шум. Заявление казалось невероятным, но крупнейшие газеты мира, включая The New York Times, помещали его на первых полосах. Аргентина, хвастал Перон, совершила великое научное открытие там, где потерпели неудачу сверхдержавы. Неизвестный немецкий ученый Рональд Рихтер (Ronald Richter) убедил Перона профинансировать его «термотрон» и пообещал взамен неограниченное количество энергии и вечную славу Аргентине.

Американское научное сообщество, все еще лихорадочно работавшее над созданием водородной бомбы и мечтавшее успеть раньше русских, объявило заявление Перона чепухой. Ученый-атомщик Ральф Лэпп (Ralph Lapp) сказал тогда: «Я знаю, какой еще материал используют аргентинцы. Это чушь».

Другого ученого-атомщика, Дэвида Лилиенталя (David Lilienthal), спросили, существует ли хоть «самый крохотный шанс» на то, что аргентинцы могут оказаться правы. Он ответил: «Меньше, чем вы сказали».

Под таким давлением Перон уперся и стоял на своем; он намекал, что сверхдержавы просто завидуют Аргентине, которая сумела всех обойти. Момент истины наступил год спустя, когда представители Перона побывали в лаборатории Рихтера. Вообще, когда со всех сторон посыпались обвинения и вопросы, Рихтер повел себя странно; чем дальше, тем нелепее и беспорядочнее становились его поступки. Перед прибытием инспекторов он подорвал дверь своей лаборатории при помощи кислородных баллонов и написал на листе бумаги слова «атомная энергия». Он заказал порох и собирался поместить его в реактор. Создавалось впечатление, что ученый сошел с ума. Когда инспекторы поместили рядом со «счетчиками излучения» Рихтера кусочек радия, ничего не произошло; очевидно, его оборудование было просто подделкой. Позже Рихтер был арестован.

Но самый знаменитый случай связан с именами Стэнли Понса (Stanley Pons) и Мартина Флейшманна (Martin Fleischmann), двух известных и уважаемых химиков из Университета Юты, которые в 1989 г. объявили об открытии так называемого «холодного синтеза», т. е. реакции ядерного синтеза, протекающей при комнатной температуре. Ученые утверждали, что поместили в воду металлический палладий, который затем каким-то волшебным образом сжал атомы водорода до такой степени, что они слились и образовали гелий. Энергия солнца высвободилась практически на лабораторном столе.

Сообщение вызвало настоящий шок. Едва ли не все газеты мира поместили это открытие на первую полосу. Журналисты заговорили о конце энергетического кризиса и начале новой эры, эры неограниченной энергии. Штат Юта немедленно провел закон и выделил 5 млн долларов на создание Национального института холодного синтеза. Даже японские автопроизводители поспешили пожертвовать миллионы долларов на исследования в этой новой, но невероятно перспективной области. Вокруг холодного синтеза начали собираться последователи, мгновенно уверовавшие в него; образовалось даже что-то вроде секты.

В отличие от Рихтера, Понс и Флейшманн пользовались уважением в ученой среде и рады были поделиться своими результатами. Они предъявили оборудование и полученные данные, чтобы все желающие могли увидеть их воочию и убедиться.

Но затем ситуация осложнилась. Ученые пользовались настолько простым оборудованием, что повторить их опыт могла любая лаборатория мира. Естественно, желающих своими глазами увидеть поразительный результат хватало. Увы, большинству групп не удалось зарегистрировать какого бы то ни было выделения дополнительной энергии, и холодный синтез был объявлен тупиковым направлением. Однако забыть об этой истории тоже не удавалось, поскольку время от времени появлялись новые сообщения о том, что какие-то группы повторили эксперимент успешно.

Наконец вмешалось физическое сообщество. Физики проанализировали уравнения Понса и Флейшманна и сделали вывод, что они некорректны. Во-первых, если утверждения ученых верны и в ходе эксперимента действительно происходило то, о чем идет речь, из сосуда с водой, в котором происходил синтез, должен был вылететь обжигающий поток нейтронов. (В типичной реакции синтеза два ядра водорода сливаются в ядро гелия, выделяя при этом энергию и нейтрон.) Сам факт, что ученые остались живы, означал, что никакого ядерного синтеза в эксперименте не было; если бы он происходил, они должны были умереть от радиационных ожогов. Во-вторых, скорее всего, Понс и Флейшманн столкнулись с какой-то химической, а не термоядерной реакцией. И наконец, заключили физики, металлический палладий не в состоянии сблизить атомы водорода в достаточной степени, чтобы вызвать слияние. Это означало бы нарушение квантовой теории.

Несмотря ни на что, споры о холодном синтезе продолжаются по сей день. Время от времени появляются новые сообщения о том, что кому-то удалось получить холодный синтез. Проблема в том, что никому не удается воспроизвести такой результат надежно и по первому требованию. В конце концов, какой смысл делать автомобильный двигатель, если он будет работать от случая к случаю? Наука основывается на воспроизводимых, проверяемых и опровержимых результатах, которые можно получить в любой момент.

Надо сказать, что преимущества термоядерной энергии настолько велики, что загадка термоядерного синтеза влечет к себе ученых, как песня сирен влекла древних мореплавателей.

Так, загрязнение окружающей среды от синтеза минимально. Это относительно чистый способ получения энергии, с помощью которого природа обеспечивает энергией нашу Вселенную. Один из побочных продуктов реакции — гелий, который ко всему прочему пользуется спросом и имеет коммерческую стоимость. Другой — радиоактивная сталь камеры реактора, которую со временем надо будет захоранивать, потому что в течение нескольких десятков лет она будет представлять некоторую опасность. Но по сравнению с обычным урановым атомным энергоблоком (который каждый год производит по 30 т высокоактивных отходов, опасных на протяжении тысяч, а то и десятков миллионов лет) количество «мусора» здесь несущественно.

Кроме того, на термоядерной станции не может произойти такой катастрофы, как расплавление активной зоны. Урановые станции — именно потому, что в активной зоне у них находятся тонны высокоактивных отходов, — продолжают и после выключения реактора производить значительное количество тепла. Именно это остаточное тепловыделение может со временем расплавить и топливные стержни, и стальной корпус и привести к попаданию расплавленного топлива в грунтовые воды, взрыву и катастрофе, так красочно показанной в фильме «Китайский синдром».

Термоядерные станции по определению намного безопаснее. К примеру, если выключить магнитное поле такого реактора, горячая плазма соприкоснется со стенками камеры реактора, и процесс ядерного синтеза мгновенно прекратится. В термоядерном реакторе не может возникнуть неуправляемая цепная реакция; в случае сколько-нибудь серьезного происшествия он просто выключится.

«Даже если термоядерная электростанция будет стерта с лица земли, уровень радиации в километре от периметра окажется настолько низким, что эвакуация вообще не потребуется», — говорит Фаррох Наджмабади, руководитель Центра энергетических исследований Университета Калифорнии в Сан-Диего.

Несмотря на чудесные достоинства термоядерной энергетики, не стоит забывать об одной маленькой подробности: ее не существует на свете. Никому пока не удалось построить действующий термоядерный реактор.

Однако физики высказывают осторожный оптимизм. «Всего десять лет назад некоторые ученые сомневались в том, что можно получить управляемый термоядерный синтез хотя бы в лаборатории. Теперь мы точно знаем: синтез возможен. Вопрос в том, окажется ли он экономически выгодным», — говорит сотрудник General Atomics Дэвид Болдуин (David Е. Baldwin), курирующий один из крупнейших термоядерных реакторов в США, реактор DIII-D.

В ближайшие несколько лет ситуация в этой области может сильно измениться.

В последнее время ученые вели исследования одновременно по нескольким направлениям, и спустя несколько десятков лет сплошных неудач наконец настал радостный момент. Физики убеждены, что термояд вот-вот будет покорен. Во Франции с участием многих европейских стран, России, США и Японии строится Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER). В США тоже имеется экспериментальный реактор — National Ignition Facility (NIF).

Мне выпала возможность увидеть аппарат лазерного синтеза NIF собственными глазами, и это грандиозное зрелище. Поскольку термоядерный синтез состоит в близком родстве с водородной бомбой, реактор NIF базируется в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, где военные разрабатывают водородные боеголовки. Чтобы попасть туда, мне пришлось пройти через многоуровневую систему охраны.

Сам реактор, когда я наконец до него добрался, произвел на меня потрясающее впечатление. Я привык видеть лазеры в университетских лабораториях (более того, непосредственно под моим кабинетом в Городском университете Нью-Йорка располагается одна из крупнейших лазерных лабораторий в штате Нью-Йорк), но NIF меня ошеломил. Сам реактор занимает десятиэтажное здание размером с три футбольных поля, где 192 гигантских лазера направляют свои лучи в длинный туннель. Это крупнейшая лазерная система в мире, по мощности она превосходит предыдущую в 60 раз.

Пройдя по длинному туннелю, лазерные лучи попадают на систему зеркал, которые фокусируют их все на крошечной, размером с булавочную головку, мишени из дейтерия и трития (два тяжелых изотопа водорода). Невероятно, но лазерные лучи суммарной мощностью 500 трлн ватт сходятся на крошечном шарике, едва видимом невооруженным глазом, и поджаривают его до температуры в 100 млн градусов (намного горячее, чем в центре Солнца). За краткий миг в этом колоссальном импульсе выделяется энергия, которую выработали бы за этот промежуток времени полмиллиона атомных энергоблоков. Поверхность микроскопического шарика быстро испаряется, и ударная волна от этого микровзрыва сжимает шарик и запускает реакцию синтеза.

Строительство NIF завершилось в 2009 г., и в настоящий момент реактор проходит испытания. Если все получится, он может стать первым аппаратом термоядерного синтеза, которому удастся выдать не меньше энергии, чем тратится на его работу. Эта машина не предназначена для производства электроэнергии, она должна лишь продемонстрировать, что лазерные лучи можно сфокусировать так, чтобы нагреть богатую водородом мишень, запустить термоядерную реакцию и получить в конечном итоге больше энергии, чем затрачено.

Я побеседовал с одним из директоров лаборатории NIF Эдвардом Мозесом (Edward Moses) о надеждах и мечтах, связанных с его детищем. Директор был в каске и походил скорее на строительного рабочего, чем на видного физика-ядерщика, заведующего крупнейшей лазерной лабораторией в мире. Он признался мне, что в прошлом было немало неудачных проектов, но уверен, что этот проект реален: он и его команда вот-вот получат результат, который станет важным достижением в науке и войдет во все учебники истории. Они первые обуздают звездную энергию на Земле в мирных целях. Разговаривая с Мозесом, понимаешь, что такие проекты, как NIF, держатся на энтузиазме и энергии ученых. Он сказал мне, что заранее предвкушает день, когда сможет пригласить президента Соединенных Штатов в свою лабораторию и объявить о новом историческом свершении.

Однако с самого начала проект NIF сопровождают неудачи. Иногда происходят и вовсе странные вещи: так, в 1999 г. заместитель руководителя NIF Майкл Кэмпбелл (Е. Michael Campbell) вынужден был уйти в отставку, поскольку приписал себе степень доктора философии в Принстоне, которой в действительности не имел. Затем начали переносить срок завершения строительства, первоначально назначенный на 2003 г. Стоимость проекта подскочила с 1 до 4 млрд долларов. Наконец в марте 2009 г., с шестилетним опозданием, объект был сдан.

Говорят, что дьявол — в мелочах. В лазерном синтезе, к примеру, все 192 лазерных луча должны упасть на поверхность крошечного шарика с величайшей точностью, только тогда испарение произойдет равномерно и шарик «схлопнется». Все лучи должны достичь мишени в крошечном интервале времени длительностью 30 триллионных долей секунды. Малейший сбой в настройке лазеров или малейшая неровность самого шарика-мишени — и все, симметрия будет нарушена и мишень взорвется наружу, в одном направлении, а не сферически вовнутрь.

Если шарик-мишень отклоняется от сферической формы более чем на 50 нм (или примерно на 150 атомов), он тоже не сможет взорваться правильно. Так что основная проблема лазерного синтеза — обеспечить точное согласование лазерных лучей и правильную форму мишени.

Европейский союз ведет работы по собственной версии лазерного синтеза. Для испытаний будет построена лаборатория High Power Laser Energy Research Facility (HiPER); предполагается, что европейский реактор будет меньше, но несколько эффективнее NIF. Строительство HiPER предполагалось начать в 2011 г.

В настоящее время надежды ученых сосредоточены на американском проекте NIF. Однако если с лазерным синтезом ничего не получится, останется еще один, даже более продвинутый вариант управляемой термоядерной реакции: солнце в бутылке.

Во Франции испытывается термоядерный реактор другой конструкции. В Международном термоядерном экспериментальном реакторе (ITER) для удержания горячего водорода используются чрезвычайно мощные магнитные поля. Вместо того чтобы пытаться лазером мгновенно сжать крохотную мишень из богатого водородом вещества, ITER медленно сжимает газообразный водород при помощи магнитного поля. Внешне реактор очень напоминает гигантский пустотелый стальной бублик, дырку которого со всех сторон окружают витки магнитной катушки. Магнитное поле удерживает газообразный водород внутри бубликообразной камеры. Затем газ нагревают, пропуская через него электрический ток. Одновременное пропускание через газ электрического тока и сжатие его при помощи магнитного поля разогревает водород до температуры во много миллионов градусов.

Идея термоядерного синтеза в «магнитной бутылке» не нова, она зародилась еще в 1950-е гг[29]. Но почему реальное применение этой технологии стало возможно только сейчас? Почему до сих пор не создано коммерческих термоядерных реакторов по этому принципу?

Проблема в том, что магнитное поле требует чрезвычайно точной и тонкой настройки, иначе опять-таки не удастся достичь ровного сжатия газа — он вырвется из магнитной ловушки или будет неравномерным по плотности. Представьте, что вы пытаетесь сжать в руках надутый воздушный шарик. Вы увидите, что шарик все время норовит вспучиться у вас между руками и что сжать его равномерно практически невозможно. Основная проблема здесь — нестабильность — относится к области скорее техники, чем физики.

Вообще, проблемы с термоядерным синтезом сперва выглядят странно — ведь звезды легко сжимают водород, об этом ясно свидетельствуют триллионы звезд нашей Вселенной. Кажется, что природа зажигает звезды в небесах без всяких усилий, так почему мы не можем сделать это на Земле? Ответ заключается в простой и понятной, но притом фундаментальной разнице между гравитацией и электромагнетизмом.

Гравитация, как показал Ньютон, только притягивает. Поэтому в звезде водород под действием этой силы равномерно сжимается и принимает форму сферы. (Именно поэтому мы видим вокруг только круглые звезды и планеты, а не кубические и не пирамидальные.) А вот электрический заряд бывает двух типов: положительный и отрицательный. Если собрать в кучку отрицательные заряды, они оттолкнутся друг от друга и разлетятся в разные стороны. Но если свести вместе положительный и отрицательный заряды, получим так называемый «диполь», электрическое поле которого имеет сложную форму, а рисунок силовых линий напоминает паутину. Магнитные поля тоже имеют дипольную структуру; поэтому равномерно сжимать горячий газ — чрезвычайно сложная задача. Строго говоря, только суперкомпьютер способен построить карту магнитного и электрического полей, возникающих вокруг какой-нибудь несложной конфигурации электронов.

Суть вот в чем. Гравитация работает только на притяжение и может сжать газ в сферу очень равномерно. Поэтому звезды возникают сами по себе. Но электромагнетизм может работать как на притяжение, так и на отталкивание, поэтому газы при сжатии выпучиваются и образуют сложные конфигурации, делая управляемый ядерный синтез необычайно сложной задачей. Именно эта фундаментальная проблема полвека сдерживала ученых.

Но теперь ситуация изменилась. Физики утверждают, что в проекте ITER решена проблема стабильности при магнитном удержании плазмы.

ITER — один из крупнейших международных научных проектов в истории человечества. Сердце машины — металлическая камера в форме бублика весом в 23 000 т (т. е. намного тяжелее Эйфелевой башни, которая весит всего 7300 т).

Детали устройства настолько тяжелы, что для их перевозки пришлось специально усиливать некоторые дороги. К месту строительства части реактора, самая тяжелая из которых весит 900 т, а самая высокая достигает высоты четырехэтажного дома, будет доставлять колонна специальных транспортных машин. Девятнадцатиэтажное здание ITER будет стоять на гигантской платформе размером с 60 футбольных полей. Проектная стоимость реактора составляет 10 млрд евро, а финансирование возьмут на себя семь государств-участников (Европейский союз, США, Китай, Индия, Япония, Корея и Россия).

Когда реактор будет наконец запущен, он будет нагревать водородную плазму до температуры в 150 млн градусов, что намного превосходит 15 млн градусов в центре Солнца. Если все пойдет хорошо, он будет вырабатывать 500 МВт, т. е. в 10 раз больше, чем потреблять. (Нынешний рекорд для термоядерной энергии — 16 МВт, которые генерирует европейский реактор Joint European Torus в Калэмском научном центре в графстве Оксфордшир, Великобритания). После некоторых задержек выход ITER «в нуль» по балансу мощности назначен на 2019 г.

ITER, как и остальные действующие и строящиеся термоядерные реакторы, — все еще научный проект. Он не предназначен для выработки электроэнергии. Однако физики уже сегодня готовят базу для следующего шага — коммерческого производства термоядерной энергии. Фаррох Наджмабади, руководитель рабочей группы по анализу различных проектов термоядерных электростанций, предлагает проект ARIES-AT — токамак размером меньше европейского ITER, который, по расчетам, должен производить 1 ГВт по цене около 5 центов за киловатт-час, что сделает его конкурентоспособным по отношению к электростанциям на ископаемом топливе. Но даже Наджмабади, большой оптимист во всем, что связано с термоядерным синтезом, признает, что всерьез выйти на рынок термоядерная энергия сможет не раньше середины века.

Еще один коммерческий проект — термоядерный реактор DEMO. Если ITER, по проекту, должен будет производить 500 МВт в течение не менее 500 с., то DEMO проектируется так, чтобы генерировать энергию непрерывно. Кроме того, в DEMO должен присутствовать один дополнительный элемент, которого нет в ITER. Дело в том, что при слиянии двух ядер водорода возникает лишний нейтрон, который затем быстро вылетает из камеры реактора. Но можно окружить камеру специальным покрытием, известным как бланкет, предназначенным исключительно для того, чтобы поглотить энергию этого нейтрона. Поглощая нейтроны, бланкет нагревается. Вода в трубах, проходящих внутри его, нагревается и закипает. Образовавшийся пар направляют в турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор.

Если все пойдет как надо, реактор DEMO будет запущен в 2033 г. Планируется, что по размерам он будет на 15 % крупнее ITER, а энергии будет вырабатывать в 25 раз больше, чем потреблять. По проекту DEMO будет производить 2 ГВт энергии, что сделает его сравнимым с традиционными электростанциями. Если проект DEMO будет реализован успешно, начнется стремительное внедрение отработанной технологии.

Однако пока неясностей хватает. Проблема финансирования строительства ITER уже решена, но DEMO находится еще на стадии планирования, а значит, задержки неизбежны.

Специалисты по термоядерному синтезу уверены, что решающие ступени на пути к управляемому термояду уже пройдены. После десятков лет неоправданного оптимизма и неудач они различают впереди контуры будущих промышленных реакторов. В настоящий момент имеется не одна, а целых две разные конструкции (NIF и ITER), которые могут со временем принести энергию ядерного синтеза в каждый дом. Но пока ни тот ни другой проекты не доведены до уровня экономической целесообразности, остается место для самых разных неожиданностей, таких как холодный синтез или пузырьковый синтез.

Ставки в этой игре настолько высоки, что нельзя упускать из виду вероятности решения проблемы с совершенно иной, неожиданной стороны. Механизм ядерного синтеза хорошо известен, и существуют научные идеи, которые совершенно не укладываются в общее русло гигантских научных проектов с несметным финансированием и тем не менее имеют смысл. Некоторые из этих странных идей могут когда-нибудь принести плоды в виде настольных установок холодного ядерного синтеза.

В финальной сцене фильма «Назад в будущее» мы видим, как безумный ученый Док Браун заправляет свою машину времени — автомобиль «Делориан». Вместо того чтобы залить в бак бензин, он роется в мусорных ящиках в поисках банановых шкурок и другого мусора, а затем загружает все это в маленький контейнер под названием мистер Фьюжн (т. е. мистер Синтез).

Возможно ли, что в результате какого-нибудь неожиданного научного открытия всего через сотню лет громадные установки размером с многоэтажный дом съежатся до размера кофе-машин, как в фильме?

Один из серьезных вариантов реализации холодного синтеза носит название сонолюминесценция. Дело в том, что схлопывание пузырьков газа в жидкости приводит к возникновению чрезвычайно высоких температур. Иногда такое явление называют акустическим, или пузырьковым, синтезом. Вообще, этот любопытный эффект известен давно; еще в 1934 г. ученые Кёльнского университета экспериментировали с ультразвуком и фотопленками, надеясь ускорить процесс их проявления, и обратили внимание на крохотные точки на пленке. Точки фиксировали вспышки света, возникавшие в кавитационных пузырьках, которые ультразвук создавал в жидкости. Позже нацисты заметили, что пузыри, уходящие от винтов, часто светятся, указывая на то, что внутри их почему-то возникают высокие температуры.

Позже было установлено, что пузырьки ярко светились потому, что схлопывание происходило равномерно, и воздух внутри пузырьков, быстро сжимаясь, нагревался до необычайно высоких температур. Горячему синтезу, как мы уже видели, очень мешает недостаточно хорошая синхронизация и фокусировка лазерных лучей на мишени или неравномерное сжатие газа. А при схлопывании пузырька молекулы движутся так быстро, что давление воздуха внутри пузырька быстро выравнивается вдоль его стенки. В принципе, если схлопывание происходит в таких идеальных условиях, нельзя ли получить внутри пузырька достаточные условия для ядерного синтеза?

В экспериментах по сонолюминесценции ученым удалось получить температуры в десятки тысяч градусов. Если использовать инертные газы, можно существенно увеличить яркость света, излучаемого из пузырьков. Однако пока непонятно, может ли в этих условиях быть достигнута температура, достаточно высокая для ядерного синтеза. Масла в огонь подлила статья Рузи Талейархана (Rusi Taleyarkhan), работавшего прежде в Национальной лаборатории Окридж, который заявил в 2002 г., что получил реакцию ядерного синтеза на своей ультразвуковой установке. Он утверждал, что зарегистрировал в ходе эксперимента нейтроны — верный признак ядерного синтеза. Однако за несколько лет другим исследователям не удалось повторить его работу, поэтому результат Талейархана на данный момент считается недостоверным.

Еще одна темная лошадка — установка Фило Фарнсуорта (Philo Farnsworth), непризнанного соизобретателя телевидения. Еще ребенком Фарнсуорт придумал телевизор, наблюдая, как фермер распахивает свое поле, ряд за рядом, из стороны в сторону. В возрасте 14 лет он даже зарисовал детали своего изобретения — и он же первым воплотил идею в полностью электронное устройство, способное выводить на экран движущееся изображение. К несчастью, Фарнсуорту не довелось насладиться плодами своего эпохального изобретения, все его претензии потонули в бесконечных путаных патентных тяжбах с корпорацией RCA. Юридические баталии буквально свели изобретателя с ума, и кончилось тем, что он добровольно лег на лечение в психиатрическую больницу. Его новаторские работы в области телевидения в значительной степени остались незамеченными.

Много позже Фарнсуорт переключил свое внимание на фьюзор — небольшое настольное устройство, способное генерировать нейтроны путем ядерного синтеза. Прибор состоит из двух больших сфер из проволочной сетки, одна из которых располагается внутри другой. Внешняя сфера заряжена положительно, внутренняя — отрицательно, так что вводимые внутрь протоны отталкиваются от внешней сетки и притягиваются к внутренней. Затем протоны бомбардируют богатую водородом мишень в центре сфер, порождая реакцию синтеза и выброс нейтронов.

Конструкция фьюзора настолько проста, что даже старшекласснику под силу сделать то, чего не смогли добиться Рихтер, Понс и Флейшманн: получить поток нейтронов в результате ядерного синтеза. Однако маловероятно, что при помощи такого устройства можно будет когда-нибудь получать энергию. Число ускоряемых в нем протонов чрезвычайно мало, так что и полученная энергия будет минимальной.

Вообще говоря, реакцию ядерного синтеза можно получить на небольшой установке с использованием стандартного ускорителя атомов или частиц. Ускоритель атомов — более сложное устройство, чем фьюзор, но с его помощью тоже можно разгонять протоны и направлять их в богатую водородом мишень, вызывая реакцию синтеза. Но опять же число протонов при этом совсем невелико, и практического выхода энергии добиться невозможно. Вывод прост: при помощи фьюзора или атомного ускорителя можно провести реакцию ядерного синтеза, но эти устройства слишком неэффективны, чтобы служить источниками дешевой энергии.

Но вспомним: ставки в игре невероятно высоки. Несомненно, у каждого предприимчивого ученого или инженера будет шанс превратить собранное в подвале на коленке устройство в очередное мегаизобретение.

Предыдущее столетие можно по праву назвать веком электричества. Электронами несложно манипулировать, поэтому именно электричество в первую очередь стало почвой для создания новых технологий. Век электричества привел к появлению радио, телевидения, компьютеров, лазеров, магнитно-резонансной томографии и т. п. В наступившем веке ученым еще предстоит найти свою новую святыню, но она непременно появится: речь идет о сверхпроводимости при комнатной температуре. Это открытие ознаменует начало совершенно новой эры, эры магнетизма.

Представьте себе магнитный автомобиль, парящий над дорогой и преодолевающий за час несколько сотен километров, причем почти не расходуя топлива. Представьте поезда на магнитной подушке и даже людей, путешествующих по воздуху, парящих ка магнитной «подвеске».

Мы часто забываем, что большая часть бензина в автомобиле идет на преодоление силы трения. В принципе, от Сан-Франциско до Нью-Йорка можно было бы доехать, почти не затрачивая энергии. В реальности вам придется заплатить за бензин не одну сотню долларов, потому что автомобиль должен преодолевать трение колес относительно дорожного покрытия и сопротивление воздуха. Если бы всю дорогу можно было покрыть ровным слоем льда и скользить по нему, путешествие обошлось бы вам гораздо дешевле. Точно так же космические зонды могут улететь за Плутон, израсходовав по дороге всего несколько десятков литров топлива, потому что лететь им приходится сквозь космический вакуум. Магнитный автомобиль будет висеть над землей на магнитной подвеске; стоит дунуть — и он начнет двигаться.

Ключ ко всем этим технологиям — сверхпроводники. Еще в 1911 г. стало известно, что ртуть при охлаждении до четырех градусов по шкале Кельвина (т. е. до четырех градусов выше абсолютного нуля) полностью теряет электрическое сопротивление. Это означает, что на сверхпроводящих проводниках вообще не теряется энергия. (В нормальных условиях электроны при движении по проводнику теряют энергию, сталкиваясь с атомами. Но при температурах, близких к абсолютному нулю, атомы почти неподвижны, так что электроны проскальзывают между ними без всяких потерь энергии.)

Сверхпроводники обладают странными и чудесными свойствами, но имеют один серьезный недостаток: их надо постоянно охлаждать почти до абсолютного нуля жидким водородом, а это очень дорогое удовольствие.

Поэтому физики испытали настоящий шок, когда в 1986 г. было объявлено об открытии нового класса полупроводников, не нуждающихся в охлаждении до таких безумно низких температур. В отличие от уже известных сверхпроводящих веществ, таких как ртуть или свинец, новые сверхпроводники были керамическими (а керамика никогда не считалась серьезным кандидатом в сверхпроводники!) и обретали свойство сверхпроводимости уже при температуре 92 кельвина (-181 С). Прежде считалось, что сверхпроводимость при такой температуре теоретически невозможна[30].

На текущий момент мировой рекорд для керамических сверхпроводников составляет 138 К. Это очень важно, так как жидкий азот (который стоит не дороже молока) образуется при 77 К и, следовательно, с его помощью можно эту керамику поддерживать в сверхпроводящем состоянии. Одного этого факта оказалось достаточно, чтобы резко снизить стоимость сверхпроводников. Так что высокотемпературная сверхпроводимость — очень практичное открытие.

Однако, по правде говоря, керамические сверхпроводники лишь раздразнили аппетиты физиков. Ведь пока сделан гигантский, но недостаточный шаг в правильном направлении. Во-первых, несмотря на дешевизну жидкого азота, использовать его без какого-либо холодильного оборудования вряд ли возможно. Во-вторых, из керамики трудно делать провода. В-третьих, физики до сих пор не до конца понимают природу этой керамики и не могут с уверенностью сказать, почему в ней возникает сверхпроводимость. Квантовые уравнения керамических сверхпроводников слишком сложны, и решить их в настоящее время не представляется возможным, поэтому никто не знает наверняка, как они работают. Физики в недоумении. Ученого, который сможет объяснить теоретически природу высокотемпературной сверхпроводимости, ждет Нобелевская премия.

С другой стороны, каждый физик прекрасно понимает, какое громадное значение имела бы сверхпроводимость при комнатной температуре. Открытие такого явления стало бы толчком к новой промышленной революции. Ведь для сверхпроводников при комнатной температуре не нужно никакое холодильное оборудование, так что они стали бы источником постоянного магнитного поля невероятной мощности.

Если по медной проволочной рамке течет ток, его энергия рассеивается за долю секунды из-за сопротивления проволоки. Однако эксперименты показали, что электричество в сверхпроводящей рамке может течь без подпитки энергией долгие годы. Экспериментальные данные свидетельствуют, что время жизни тока в сверхпроводящем кольце может достигать 100 000 лет. Некоторые теории даже утверждают, что максимальное время жизни электрического тока в сверхпроводнике ограничивается лишь временем жизни известной нам Вселенной.

В самом худшем случае «комнатные» сверхпроводники могли бы резко уменьшить потери электричества в высоковольтных линиях и снизить таким образом стоимость электричества. Известно, что электростанции всегда строятся вблизи крупных городов; причина, в частности, в том, что в линиях электропередачи может теряться до 30 % вырабатываемой энергии. Именно поэтому опасные атомные станции приходится строить рядом с крупными городами, а ветряные электростанции невозможно строить там, где больше всего дует ветер.

Свыше 30 % электроэнергии, производимой электростанцией, расходуется при передаче. Провода, обладающие сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, могли бы полностью изменить картину. Уменьшение потерь снизило бы стоимость электричества, серьезно уменьшило загрязнение окружающей среды и опасность глобального потепления. Раз мировое производство углекислого газа определяется уровнем энергопотребления, а большая часть энергии расходуется на преодоление трения, то наступление эры магнетизма могло бы навсегда снизить и энергопотребление, и выработку углекислого газа.

Без всяких дополнительных затрат энергии сверхпроводники при комнатной температуре дадут человечеству мощные супермагниты, способные удерживать в воздухе автомобили и даже поезда.

Простую демонстрацию этого эффекта можно провести в любой лаборатории. Я и сам не раз проводил ее в передачах ВВС-TV и канала Science. Заказать небольшой кусочек керамического высокотемпературного полупроводника можно в компании, торгующей научным и учебным оборудованием. Это будет серый кусочек твердой керамики сантиметра 3 в поперечнике. Затем можно купить немного жидкого азота. Поместите керамическую пластинку в пластиковую тарелку и осторожно залейте жидким азотом. При соприкосновении с керамикой азот вскипит. Дождитесь, чтобы кипение прекратилось, а затем положите на сверхпроводник небольшой магнитик. Магнит волшебным образом зависнет в воздухе. Если осторожно подтолкнуть его пальцем, он начнет вращаться. Не исключено, что в этой небольшой тарелке — будущее мирового транспорта.

Причина, по которой магнит зависает в воздухе, проста. Магнитные силовые линии не могут войти в сверхпроводник. Это явление называется эффектом Мейснера. (Когда к сверхпроводнику прикладывают магнитное поле, на его поверхности возникает кольцевой ток, компенсирующий его, так что магнитное поле полностью вытесняется из объема сверхпроводника.) Вы помещаете магнит на керамический сверхпроводник, и его силовые линии сминаются, так как проникнуть в сверхпроводник они не в состоянии. Возникает «подушка» из сжатых вместе линий магнитного поля, которая отталкивает магнит от керамики и заставляет его плавать в воздухе.

Открытие сверхпроводимости при комнатной температуре, помимо всего прочего, может послужить началом эры супермагнитов. Мы уже видели, что аппараты для магнитно-резонансной томографии чрезвычайно полезны, но нуждаются для работы в мощных магнитных полях. «Комнатные» сверхпроводники дадут возможность ученым дешево и просто создавать магнитные поля невероятной мощности. Понятно, что это позволит миниатюризировать аппараты для МРТ. Уже сегодня можно с использованием неоднородных магнитных полей создавать MPT-аппараты размером с небольшой чемодан. Если же в распоряжении ученых появятся сверхпроводники при комнатной температуре, MPT-аппарат, возможно, удастся уменьшить до размера пуговицы.

В третьей части фильма «Назад в будущее» Майкл Фокс (Michael J. Fox) снят на «леталке» — доске вроде скейтборда, способной летать по воздуху. После премьеры фильма на магазины обрушился настоящий шквал звонков от подростков, мечтавших приобрести такую летающую доску. К сожалению, «леталок» пока не существует, но после открытия сверхпроводников при комнатной температуре они, возможно, появятся.

В первую очередь дешевые и удобные сверхпроводники найдут себе применение на транспорте, где неизбежна настоящая революция; появятся автомобили и поезда, которые будут парить над поверхностью, а значит, двигаться без всякого трения.

Представьте себе поездку в машине, сделанной с применением сверхпроводников при комнатной температуре. Дороги тогда будут покрывать не асфальтом, а сверхпроводником. В машине будет либо постоянный магнит, либо собственный сверхпроводник, генерирующий магнитное поле. Машина будет парить над дорогой. Для того чтобы начать движение, ей будет достаточно даже силы сжатого воздуха. Раз набрав скорость, она (если дорога горизонтальна) будет скользить вперед почти бесконечно. Электрический двигатель или струя сжатого воздуха будет работать только на преодоление сопротивления воздуха — и это все!

Даже теперь, когда ученым неизвестны сверхпроводники при комнатной температуре, в некоторых странах действуют железные дороги для поездов на магнитной подвеске, парящих над рельсами. Здесь левитация основана на том, что одинаковые (к примеру, северные) полюса магнитов отталкиваются друг от друга. Магниты в рельсах и в днище поезда организованы таким образом, что позволяют поезду парить над самой поверхностью рельсов.

Лидерами в этом направлении являются Германия, Япония и Китай. Поезда на магнитной подвеске успели уже поставить несколько мировых рекордов. Первым коммерческим поездом на магнитной подвеске стал довольно медленный челночный поезд, соединивший международный аэропорт и железнодорожный вокзал в Бирмингеме; маршрут начал действовать в 1984 г. Самая высокая скорость поезда на магнитной подвеске, составляющая 581 км/ч, зарегистрирована в Японии на поезде MLX01 в 2003 г. (Реактивные самолеты летают быстрее отчасти потому, что на больших высотах сопротивление воздуха меньше. Поскольку поезд на магнитной подвеске парит в воздухе, энергию он тратит в основном на преодоление трения о воздух. Если бы такой поезд ездил в вакууме, он мог бы развивать скорость до 6500 км/ч.) Но такие поезда обходятся очень дорого и вряд ли найдут широкое распространение в мире. Сверхпроводники при комнатной температуре могли бы полностью изменить ситуацию. В частности, они могли бы оживить систему железных дорог в США и уменьшить таким образом эмиссию парниковых газов от двигателей реактивных самолетов. Согласно оценкам, самолетные двигатели ответственны примерно за 2 % парниковых газов, и поезда на магнитной подвеске могли бы серьезно уменьшить эту долю.

К концу текущего века появится, вероятно, и еще один источник энергии — энергия космических солнечных электростанций. Ее добыча подразумевает отправку в космос и выведение на околоземную орбиту сотен спутников, которые будут поглощать солнечное излучение и передавать энергию на Землю в виде микроволнового излучения. Спутники будут базироваться на расстоянии 36 000 км над земной поверхностью, на геостационарной орбите (это означает, что они будут делать один оборот вокруг Земли ровно за сутки и, соответственно, будут все время висеть над одной и той же точкой поверхности). Поскольку известно, что до поверхности Земли доходит лишь восьмая часть солнечной энергии, такой подход представляется вполне реальным и даже выгодным.

В настоящее время главным камнем преткновения в деле добычи космической энергии является стоимость проекта и, главное, стоимость запуска всех этих космических коллекторов. Ничто в законах природы не запрещает добывать энергию непосредственно от Солнца, но для реализации масштабного проекта такого рода потребуется решить огромное множество технических и экономических проблем. Но если к концу века появятся новые дешевые способы космических путешествий, его вполне можно будет осуществить, как мы убедимся в главе 6.

Первое серьезное предложение о добыче космической солнечной энергии прозвучало в 1968 г., когда Питер Глейзер (Peter Glaser), президент Международного общества солнечной энергии, предложил вывести на орбиту спутники размером с современный город, которые затем передавали бы энергию на Землю энергетическим лучом. В 1979 г. ученые NASA проанализировали его предложение и выяснили, что стоить такой проект будет несколько сотен миллиардов долларов. Естественно, проект был отвергнут.

Однако в космической отрасли постоянно происходят подвижки, появляются новые технологии, поэтому с 1995 по 2003 г. NASA продолжало финансировать небольшие исследовательские проекты по космической энергетике. Ее сторонники утверждают, что реализация проекта — всего лишь вопрос времени. «Космическая энергетика предлагает поистине надежный, глобальный и не загрязняющий окружающую среду источник электричества», — говорит Мартин Хофферт (Martin Hoffert), физик, работавший прежде в Нью-Йоркском университете.

Такой амбициозный проект неизбежно столкнется с серьезными проблемами, как реальными, так и воображаемыми. Некоторые испытывают перед ним страх, потому что энергетический луч, по которому энергия будет передаваться из космоса на Землю, может быть случайно направлен в населенную местность, что вызовет громадные жертвы. На самом деле подобные страхи сильно преувеличены. Если рассчитать реальное излучение, которое будет приходить на землю из космоса, оно окажется слишком слабым и не опасным для здоровья. Так что образ взбесившегося спутника, посылающего с орбиты на Землю лучи смерти и поджаривающего целые города, пригоден только для голливудских кошмаров.

В 2009 г. писатель-фантаст Бен Бова изложил в газете Washington Post соблазнительную экономику солнечного энергетического спутника. Он оценил, что каждый спутник будет производить 5–10 ГВт энергии (это намного больше, чем производит традиционная угольная станция) по цене 8–10 центов за кВт-ч, что сделает эту энергию конкурентоспособной. Каждый спутник будет огромен, около 1, 5 км в поперечнике, и обойдется примерно в миллиард долларов (приблизительно во столько обходится средняя атомная станция).

Чтобы запустить эту технологию, он предложил нынешней администрации инициировать демонстрационный проект и запустить спутник, который будет генерировать 10–100 МВт. Гипотетически, если начать реализацию проекта не мешкая, такой спутник мог бы быть запущен к концу второго президентского срока президента Обамы.

Будто отзываясь на комментарии американского фантаста, японское правительство озвучило крупную инициативу. В 2009 г. Министерство торговли объявило о планах по изучению реализуемости проекта космических электростанций. Mitsubishi Electric и другие японские компании совместно профинансируют программу стоимостью 10 млрд долларов; возможно, в космос будет запущена солнечная электростанция мощностью 1 ГВт — громадный спутник площадью в несколько квадратных километров, полностью облицованный солнечными батареями.

«Похоже на фантастический мультик, но производство солнечной энергии в космосе через 100 лет, когда ископаемое топливо закончится, может стать значительным альтернативным источником энергии», — говорит Кенсукэ Канэкиё (Kensuke Kanekiyo) из Института экономики энергетики — правительственной исследовательской организации.

Учитывая размах этого амбициозного проекта, японское правительство пока ведет себя очень осторожно. Следующие четыре года исследовательская группа будет изучать, насколько этот проект реализуем с научной и экономической точек зрения. Если эта группа даст добро, Министерство торговли и Аэрокосмическое исследовательское агентство Японии планируют запустить в 2015 г. небольшой спутник для испытания технологий передачи энергии из космоса на Землю.

Вероятно, основное препятствие здесь будет не научным, а экономическим. Хироси Ёсида (Hiroshi Yoshida) из токийской компании Excalibur КК, занимающейся космическим консалтингом, предупредил: «Расходы необходимо снизить в сто раз относительно нынешних оценок». Одна из проблем состоит в том, что расстояние до геостационарных спутников (36 000 км) очень велико, гораздо больше, чем 300–800 км до низкоорбитальных аппаратов, и потери при передаче энергии лучом на такие расстояния могут оказаться огромными[31].

И все же основная проблема — стоимость запусков. Именно здесь самое узкое место, именно это тормозит все планы возвращения на Луну и полетов на Марс.

Если стоимость ракетных пусков не будет кардинально снижена, любые планы развития космической энергетики обречены на неудачу.

В том случае, если все сложится удачно, японский план может вступить в действие примерно к середине столетия. Учитывая, однако, проблему с запусками, его реализации скорее всего придется ждать до конца века, когда появятся новые поколения ракет и стоимость запусков упадет. С другой стороны, если главная проблема космической энергетики — стоимость ракетных запусков, то возникает следующий вопрос: можем ли мы снизить стоимость космических путешествий так, чтобы когда-нибудь достичь звезд?

Примечания:

1

Предавая анафеме противников глобализации, автор, очевидно, исходит из того, что образование планетарной цивилизации — не только закономерность, но и безусловное благо. Однако признать таковым планетарную цивилизацию в том виде, в каком ее видит Мичио Каку и в каком она действительно Пытается распространиться на весь мир, чрезвычайно трудно. — Прим. пер.

2

При наличии доступа к военным сигналам типа P/Y. При использовании только гражданского сигнала среднеквадратичная ошибка составляет порядка 2, 5 м. — Прим. пер.

3

Основой определения координат пользователя является измерение не частотных сдвигов, а лишь времени прохождения сигналов от нескольких спутников, находящихся на разных (но известных в каждый момент) расстояниях от него. Для определения трех пространственных координат в принципе достаточно обработать сигналы от четырех спутников, хотя обычно приемник «берет в расчет» все исправные спутники, которые он слышит в данный момент. Существует также более точный (но и более сложный в реализации) метод, основанный на измерении фазы принимаемого сигнала. — Прим. пер.

13

И до 194 ГВт в 2010 г. — Прим. пер.

14

К сказанному следует добавить, что производство самих фотоэлементов представляет собой достаточно затратный и «грязный» процесс. — Прим. пер.

15

Топливные элементы, или электрохимические генераторы, были впервые установлены на кораблях «Джемини» в 1965 г., а после этого использовались на «Аполлонах» и на орбитальной ступени шаттла. — Прим. пер.

16

В этот же период активно развивали ядерную энергетику Индия и Китай. — Прим. пер.

17

Именно это произошло в марте 2011 г. на трех блоках японской АЭС «Фукусима-1», оставшихся без охлаждения в результате разрушений от последовательного воздействия 9-балльного землетрясения и цунами. — Прим. пер.

18

Непонятно, о каких уровнях (классах) ядерных аварий рассуждает автор. Международная шкала ядерных событий INES включает три уровня происшествий (1–3), не влекущих повреждения оборудования реактора и не влияющих на жизнь за пределами площадки станции, и четыре уровня аварий (4–7), различающихся размерами последствий для станции и населения. Максимальный 7-й уровень присвоен авариям в Чернобыле и на «Фукусиме-1» (2011). Авария на Тримайл-Айленд была оценена уровнем 5. — Прим. пер.

19

Причины и механизм аварии на 4-м блоке Чернобыльской АЭС описаны автором неграмотно и неверно. Авария стала следствием группы причин, которые можно разделить на проектно-конструкторские и ситуативные. Серьезными конструктивными недостатками реактора были положительные паровой и мощностной коэффициенты реактивности и специфическое устройство стержней аварийной защиты, способных на начальном этапе движения в зону вносить положительную реактивность. Ситуативные причины включали продолжительную работу реактора на половинном уровне мощности, что привело к его отравлению и потребовало выведения большей части органов управления из активной зоны, и операции, выполненные персоналом по утвержденной программе с целью проведения эксперимента на турбогенераторе в момент остановки блока. Последние не были причиной аварии и, по-видимому, мало повлияли на ее развитие. Непосредственным толчком к разгону реактора, резкому скачку мощности и взрывному парообразованию стал ввод в активную зону стержней аварийной защиты с намерением заглушить его. — Прим. пер.

20

Как требовалось в соответствии с американским законом 1982 г., конгресс США в итоге утвердил прекращение финансирования проекта Юкка-Маунтин, однако горячие дискуссии о способе и месте захоронения ядерных отходов продолжаются. — Прим. пер.

21

Мощная авария на японской АЭС Фукусима-1 в марте 2011 г. дала новые аргументы противникам ядерной энергетики и уже привела к решению Германии отказаться от нее и демонтировать к 2022 г. имеющиеся атомные станции. Тем не менее такие страны, как Россия, Франция, Китай, Индия и Иран, по-видимому, будут продолжать строительство АЭС. — Прим. пер.

22

Центрифужный метод был впервые разработан в СССР при участии немецких специалистов, и благодаря своим преимуществам перед газодиффузионным стал основным уже в 1960-е гг. А вот в наши дни за право построить в США первый центрифужный завод с американской фирмой USEC сражаются, причем успешно, европейские компании URENCO и AREVA. — Прим. пер.

23

И владевшую патентами Гернота Циппе, который вместе с Максом Штеенбеком, Исааком Кикоиным, Евгением Каменевым и коллективом СКВ Кировского завода в Ленинграде создал первую в мире промышленную ультрацентрифугу. — Прим. пер.

24

Строго говоря, глобальное потепление уже началось, но к середине века его последствия скажутся в полной мере. — Прим. пер.

25

Тот факт, что глобальное потепление происходит, не подвергается сомнению. А вот о соотношении вклада в него естественных причин и результатов деятельности человека идет ожесточенная и весьма политизированная научная дискуссия. — Прим. пер.

26

Сама эта формулировка подчеркивает степень политизированности проблемы. В норме ученым не требуется посредник в лице комиссии ООН для публикации своих научных выводов. — Прим. пер.

27

Во-первых, дополнительным источником нагрева Земли является радиоактивный распад сохранившихся долгоживущих изотопов урана, тория и калия. Во-вторых, совпадать должно количество поступившей энергии и энергии, излученной Землей в космос, потому что отраженная часть в балансе не участвует. В-третьих, надежно измерить количество поглощенной солнечной энергии ни на каждом квадратном метре, ни по Земле в целом невозможно. Можно лишь определить количество пришедшей к Земле солнечной энергии (так называемая солнечная постоянная) и попытаться оценить ту ее часть, которая была отражена обратно в космос от облаков и льдов. Такие измерения ведутся лишь с конца 1970-х гг., и ни их продолжительность, ни точность не достаточны для уверенных выводов об энергетическом балансе Земли в прошлом и настоящем. — Прим. пер.

28

Следует отметить, что этот фундаментальный вывод автор дает без каких-либо ссылок на конкретные научные исследования. — Прим. пер.

29

Авторами ее являются советские ученые О.А. Лаврентьев, А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм, а первая экспериментальная установка этого типа была построена в 1955 г. — Прим. пер.

30

В начале 1986 г. Георг Беднорц и Карл Мюллер нашли сверхпроводящую керамику с температурой перехода 35 К — на 12 К выше, чем у лучшего из известных до этого соединений. В 1987 г. две группы американских исследователей сумели сделать еще более мощный рывок — до отметки 92 К. — Прим. пер.

31

Вторая проблема состоит в том, что космическая электростанция посылает на Землю энергию, которая без нее прошла бы мимо Земли, т. е. вносит свой вклад в разогрев планеты. — Прим. пер.