Цивилизация начинается с энергии. С тех пор как человечество приручило огонь, оно обрело невиданную власть над природой, научилось питать мощные машины и электрические механизмы – но, по сути, недалеко ушло от костра в первобытной пещере. Львиную долю электричества мы до сих пор получаем из огня: по данным Международного энергетического агентства (МЭА), больше 40% мирового производства электроэнергии приходится на сжигание торфа и угля, и ещё почти 30% – на газ и нефтепродукты. И всё это наполняет атмосферу углекислым газом – в масштабах, меняющих облик всей планеты.

Энергетические аппетиты человечества так велики, что использование ископаемого топлива нарушает естественный энергетический баланс Земли и приводит к глобальному потеплению. Растворяясь в воде, углекислый газ вызывает кислотные дожди и повышает кислотность мирового океана. Ещё хуже то, что эти аппетиты постоянно и быстро растут. С 1990 года каждый житель Земли стал использовать на 10% больше электричества – и это притом, что население увеличилось примерно на треть.

Нам требуется больше и больше топлива – и мы не только всё сильнее нарушаем климат планеты, но и рискуем оказаться лицом к лицу с серьёзным дефицитом топлива. Запасы угля, нефти и газа ограничены и не могут возобновляться с такой скоростью, с которой мы привыкли их потреблять. Например, человечество потребляет каждый год 4 млрд тонн нефти. При таких темпах через несколько десятков лет она попросту закончится. По счастью, у нас есть альтернативы – чистые и практически бесконечные.

Наша звезда – главный источник энергии на планете. Его излучение приносит около 340 Вт на каждый квадратный метр поверхности Земли. Большая часть этой энергии впустую отражается обратно в космос. Вот если бы мы научились эффективно и дёшево собирать эту энергию, её хватило бы надолго. И такие технологии существуют. Например, гелиотермальные электростанции используют прямое нагревание солнечными лучами сосуда с водой или густыми растворами солей. Используя концентраторы – большие системы зеркал, которые собирают излучение на сосуде – можно разогреть его до огромной температуры, заставив вращать турбины электрогенераторов.

Панели солнечных батарей работают совершенно иначе. Их тёмные, блестящие поверхности состоят из множества крошечных ячеек, фотоэлементов. Обычно их делают из кремния с небольшими добавками легирующих веществ, например, фосфора или бора. В кристаллической решётке такого полупроводника некоторые электроны оказываются слабо связаны со своими атомами, и как только они получают лёгкий толчок от падающего на них солнечного света, они освобождаются окончательно. Остаётся приложить к фотоэлементу небольшое напряжение, чтобы «уловить» эти электроны и заставить двигаться в определённом направлении, получив, правильно, ток.

Ещё эффективнее улавливать солнечное излучение прямо в космосе, где оно ещё не рассеяно облаками и атмосферой. Такие проекты разрабатываются уже не один десяток лет. Сегодня эти работы ведут консорциум японских корпораций во главе с Mitsubishi, а также американская компания Solaren и российский ЦНИИ машиностроения. Планируется, что энергию, полученную орбитальными спутниками, можно будет «концентрированно» передавать на Землю с помощью узкого лазерного луча или микроволн.

Энергию ветра человечество использует с незапамятных времён, сооружая большие мельницы. Современные ветрогенераторы используют тот же принцип и отличаются от них разве что большим совершенством материалов и механических узлов. Такие электростанции часто строят в море, неподалёку от берега, где дуют более устойчивые и сильные ветры. Разрабатываются даже парящие ветрогенераторы, которые поднимаются ввысь, как воздушные змеи, и могут улавливать стабильные высотные течения. Интересно, что если у крыльчатых ветрогенераторов, которые более широко известны, ось вращения расположена горизонтально, то существуют и «карусельные» системы, которые вращаются вокруг вертикальной оси.

Конечно, вращающиеся детали требуют ухода и со временем изнашиваются, к тому же они опасны для птиц и насекомых. Поэтому есть проекты ветряков, работающих вообще без вращения и без лопастей. Например, инженеры испанской компании Vortex Bladeless работают над «колышащимися» электростанциями. В самом деле, огибая ствол дерева, дымовую трубу или просто столб, ветер создает завихрения, которые заставляют их раскачиваться. Остаётся превратить эти колебания в электричество – и уже в 2016 году испанцы планируют испытать этот новый подход в полевых условиях.

Грозная сила. Одним из интересных альтернативных источников энергии могут стать грозы. Действительно, в некоторых тропических регионах каждый год в каждый квадратный километр ударяют десятки молний, и мощность каждой может достигать сотен гигаватт. Укротить эту силу обещают инженеры американской компании Alternative Energy Holdings, которые разрабатывают сложную систему, способную «захватить» молнию и быстро запасти её заряд в мощных конденсаторах.

Как и ветер, текущая вода «приручена» человеком уже давно, и гидроэлектростанции сегодня вырабатывают больше 15% электричества в мире. Однако эти мощные сооружения исключительно дорогие и сложные в обслуживании. Чтобы вращать их огромные турбины, приходится строить большие плотины, которые перегораживают полноводные реки и вызывают появление настоящих искусственных морей – водохранилищ, затопляющих большие территории. Поэтому энергетики давно присматриваются не только к силе речных течений, но и к мировому океану. В некоторых странах – в том числе и в России – работают экспериментальные электростанции, использующие приливно-отливные токи воды. Параллельно идёт разработка технологий, позволяющих получать энергию прямо из волн.

Вверх-вниз, вверх-вниз: инженеры австралийской компании Carnegie Wave Energy испытывают систему, которая использует колебания большого поплавка. Натягивая и ослабляя трос, он приводит в движение помпу, которая перекачивает морскую воду – и вращает генератор тока. А американский проект Triton вырабатывает энергию за счёт деформации волнами магнитного материала: тянущий за трос поплавок изгибает его, меняя намагниченность. Этот магнитоупругий эффект был открыт ещё полтора века назад и применяется для особо точных измерений приложенной силы, а теперь инженеры пробуют использовать его для выработки электричества.

Живое топливо. Топливо для сжигания на электростанциях можно получать не только из ископаемых источников. Сегодня в топку часто идут остатки сельскохозяйственных растений или вовсе «никому ненужные» водоросли, а в США и Бразилии распространено производство биотоплива, спиртов из ботвы кукурузы и сахарного тростника. Дешёвое и доступное пальмовое масло перерабатывают в биодизель – и хотя использование таких ресурсов также далеко небезупречно с точки зрения экологии, они могут стать хорошей альтернативой бензину и дизелю для двигателей автомобилей, самолётов и других видов транспорта.

Внутри Земли всегда очень жарко: на каждые 100 м глубины температура повышается на пару градусов. В отличие от Солнца или ветра, этот источник энергии стабилен и не зависит от капризов погоды, поэтому в регионах с повышенной вулканической активностью используется достаточно широко. В Исландии геотермальные станции обеспечивают четверть потребности в электроэнергии, несколько таких ГеоЭС действуют на российском Дальнем Востоке и на Кавказе.

Строители ГеоЭС стараются обойтись минимальными усилиями и напрямую используют воду, которая в земных недрах порой разогревается до температуры выше 100°С. Однако это требует постоянного пополнения водоносных слоёв, поэтому существуют проекты по бурению глубинных скважин и закачиванию в них воды с поверхности. Перегретая жидкость может попадать в соседнюю скважину и вырываться наружу уже в виде пара. Впрочем, пока такие петротермальные электростанции действуют лишь на бумаге: с существующими технологиями их энергия получается слишком дорогой.

Мощь ядерного распада удалось приструнить ещё в 1950-х годах прошлого столетия, контролируя цепную реакцию специальными веществами-замедлителями. Сегодня на долю атомных электростанций приходится около 10% мирового производства электроэнергии – но сила термоядерного синтеза остается неприрученной. Это слияние ядер лёгких химических элементов питает энергией Солнце и мощнейшие бомбы, не требует опасного топлива и не создаёт вредных отходов. Зато для её запуска нужна невероятная температура, при которой вещества существуют в виде раскалённой заряжённой плазмы. Контролировать её поведение невероятно сложно, и обычно этого пытаются добиться, заключая её внутрь мощного магнитного поля и заставляя бегать по кругу. Такие установки – токамаки – создаются уже не одно десятилетие, но пока энергии они потребляют больше, чем производят.

Вообще, многие эксперты считают, что термоядерные электростанции никогда не станут ключевым источником энергии для человечества. Даже если нам удастся усмирить плазму и получать энергию синтеза, это потребует сооружения исключительно сложных и очень дорогих токамаков; каждая из них будет «штучным» продуктом, питающим большие предприятия. Некоторую надежду даёт другой подход к запуску контролируемого термоядерного синтеза – под ударами мощных лазерных импульсов. Но главными источниками энергии будущего наверняка окажутся всё те же знакомые нам – солнце, воздух и вода.