ГЛАВА 3 СОЛНЦЕ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УПРЯЖКЕ

Он восемь лет вынашивал идею получения солнечной энергии из огурцов, для чего помещал их в банку и в прохладные летние дни извлекал их для обогрева воздуха.

Д. Свифт

Машину времени придумал английский писатель-фантаст Г. Уэллс. Еще в 1895 году.

Очень удобно: сидя в кресле с книгой в руках, мчаться сквозь временные дали, вольно обращаясь с Прошлым и Будущим.

Подобный мысленный эксперимент доступен и для нас с вами, читатель. Перенесемся в Ашхабад, столицу Советской Туркмении. На его окраине, Бикрово, дорога приведет в городок Солнца — к Институту солнечной энергии Академии наук Туркмении и его исследовательскому полигону.

Институт солнечной энергии создан в феврале 1979 года. Это как бы знамение времени.

И вот мы сразу оказываемся где-то между эрой ископаемого топлива и эрой топлива звездного — термоядерной энергией. Вы догадались: в Бикрово уже царит эра солнца.

Солнечное тепло здесь заменяет нефть, уголь, газ, даже... лед. Оказывается, солнцем можно отапливать дома и теплицы, плавить металлы, опреснять воду, кондиционировать воздух не только в ясный день, но в пасмурную погоду, да и ночью тоже.

В последние годы энтузиасты-конструкторы создали целое семейство транспортных средств, получающих энергию для движения от солнца. Уже полетел в Англии первый «солнечный самолет» (поговаривают и о «солнечном дирижабле»). В ФРГ побежала «солнечная тележка». Они работают по одному принципу — панели с фотоэлементами вырабатывают электрический ток, который подается на электродвигатели.

Недавно житель Калифорнии Д. Дюнан сконструировал и «солнечный мотоцикл». Сверху, над сиденьем, укреплена панель с 40 фотоэлементами. Когда светит солнце, вырабатываемой ими энергии достаточно, чтобы мотоцикл мчался со скоростью до 50 километров в час. Если же солнце скрывается за тучами, в действие вступают аккумуляторы, их заряда достаточно для стокилометрового пробега.

Создана (в Италии) даже «солнечная... зажигалка». Ее не нужно заправлять ни бензином, ни газом. Она использует энергию солнечных лучей — так же, как использовал ее Сайрус Смит в романе Ж. Верна «Таинственный остров». В фокусе вогнутого зеркальца — стеклянный колпачок. Если в него поместить сигарету и направить зеркальце в сторону солнца, «экономичное» прикуривание обеспечено.

Конечно, все эти солнечные поделки погоды не делают. Гораздо серьезнее работы Института солнечной энергии — головного в научно-производственном объединении «Солнце» Академии наук Туркменской ССР, куда часто совершают паломничества специалисты из Азербайджана и Узбекистана, из Австрии и Чехословакии, с Кубы и из Латинской Америки.

Хотя Туркменистан и богат горючими ископаемыми (здесь вдоволь и нефти и газа), но гораздо более внушительно его солнечное богатство. 240 дней в году жители не знают, куда спрятаться от палящих лучей. А между тем 80 процентов территории республики занимают пустыни и пастбища для ценных каракулевых овец. Так что потребители воды и энергии разбросаны на громадных пространствах. И обеспечить их централизованным снабжением — задача технически трудно осуществимая. Это одна сторона проблемы. Другая, может быть, еще более важная — необходимо помочь сельскому труженику пользоваться всеми теми благами и удобствами, которые имеет горожанин.

Так сама жизнь заставила туркменских ученых прежде всего подумать о солнечных опреснителях — воды под песками много, но она соленая, непригодная для питья. И эту задачу успешно решают сотрудники Института солнечной энергии. Опытные образцы уже работают в чабанских бригадах в Овез-Шихе и других местах.

Но особый интерес представляют проекты гелиокомплексов, над которыми трудятся ученые института. Это двухквартирный дом. Его можно установить в пустыне или в степи, в горных или других труднодоступных районах. Домашнее отопление и охлаждение, водоснабжение горячее и холодное, все современные удобства. Рядом опреснитель, водоподъемник, теплица и кошара для отар — все на гелиоэнергетике.

В Ашхабаде разрабатываются и другие заманчивые проекты: гелиотехнические устройства для охлаждения производственных и бытовых помещений в городах, выращивания микроводорослей, богатых белковыми веществами, гелиотеплицы с замкнутым циклом водообеспечения для цитрусовых культур.

Возможно, что именно в этом институте будет осуществлена мечта биологов о гигантском синтетическом «зеленом листе», полностью закрывающем поверхность водоема и вырабатывающем тепло или электроэнергию по рецептам фотосинтеза.

Солнечная энергия привлекает людей не только своим обилием: ее количество, непрерывно получаемое Землей от солнца, чудовищно велико, оно примерно в сто тысяч раз превышает энергию, которую человечество потребляет в настоящее время! Гораздо важнее другое: сама по себе энергия солнца даровая, вечная и, видимо, экологически безвредная.

Солнечная радиация — один из естественных элементов теплового баланса земного шара независимо от того, используется ли она человеком, или нет. Поэтому она — единственный источник энергии, не связанный с риском теплового загрязнения, чем грешат и уголь, и нефть, и делящийся атом.

Отчего же люди до сих пор так слабо используют солнечные лучи? В чем тут трудности? Есть ли у солнечной энергии перспективы и какие? В этом мы и попробуем разобраться.

Спутники

Марк Клавдий Марцелл негодовал, рассматривая с высоты утеса свои горящие корабли. Поистине загадочной была эта история. Стоило его судну приблизиться к стене осажденного города, как оно вспыхивало, словно зажженная свеча.

Есть легенда, что Архимед, фокусируя слабые солнечные лучи с помощью зеркал, сжег римский флот, осаждавший Сиракузы. Во всяком случае, он оставил нам книгу «О зажигательных стеклах».

Преобразовать солнечную энергию в тепло заманчиво, но гораздо лучше сразу получать электрический ток. Фотоэффект в полупроводниках был открыт еще в 1876 году, в химическом элементе селене. О применении фотоэлементов в солнечной энергетике мечтал советский академик А. Иоффе, основатель физико-технического института Академии наук СССР. В этом институте в 30-е годы советские исследователи создали серно-таллиевые фотоэлементы с рекордным для тех времен КПД в 1 процент. Американские физики Пирсон и Фаулер в 1952 году создают кремниевые фотоэлементы с p-n-переходами. Первый успешно работающий солнечный элемент был продемонстрирован в 1953 году, а пять лет спустя для него уже нашлась серьезная работа — на спутниках.

Третий советский ИСЗ и американский «Авангард-1» (из серии ИСЗ «Эксплорер») — соответственно май и март 1958 года — были первыми космическими аппаратами, снабженными солнечными батареями.

И немудрено. В космосе солнечные лучи — естественный источник энергии. И привлекательный, ибо не требует топлива. Поэтому-то голубоватая чешуя кремниевых пластинок и покрывала часть поверхности третьего советского ИСЗ.

Но энергия, необходимая для питания приборов и для обеспечения быта космонавтов, быстро росла. И тут обнаруживается уязвимое место солнечной энергии: плотность ее потока мала. Следовательно, для орбитальных станций требуются солнечные батареи с общей площадью во многие сотни квадратных метров! Трудно поставить такой «парус» над космическим кораблем, но, по-видимому, еще труднее найти для него место во время вывода корабля на орбиту. Эту задачу пытались решить двумя способами.

В первом варианте солнечные элементы должны были укладываться на поверхность длинного нейлонового мешка. Он, как пожарный рукав, накручивался на барабан.

После выхода на орбиту рукав, полагали, автоматически будет развертываться, заполняясь газом, подаваемым под давлением, и батарея начнет работать.

Вторая конструкция была проще. На Земле солнечные батареи складывались в гармошку — в космосе такая гармошка разворачивалась.

Пока обсуждали, подсчитывали, прикидывали эти варианты, неожиданно нашелся и более мощный, и более компактный, и обладающий еще рядом других привлекательных свойств источник электроэнергии для космических аппаратов — топливные элементы. (О них мы еще будем подробно говорить в следующих главах.) Эти электрохимические источники тока и стали в космосе основным энергетическим подспорьем. Правда, лишь временно. Ибо потребляемые в космосе мощности продолжают быстро расти. Растет и продолжительность полетов. Поэтому в будущем преимущество солнечных батарей, не требующих никакого топлива и окислителя, может стать неоспоримым.

Земля

То, что кажется трудным в космосе, легко реализовать на Земле. Большие площади для солнечных батарей? Их вам предложит в изобилии любая пустыня — пустыни вроде бы самой Природой созданы для гелиоустановок.

Казалось бы, ибо тут возникает новое обстоятельство — экономика дела. В космосе проблемы «дорого», «не по карману», «слишком расточительно» — таких упреков не было.

Солнечные батареи были одним из самых дорогих источников энергии, но не надо забывать: в космосе солнечные батареи требовались почти что в единственном экземпляре — это не массовое производство!

Не то на Земле. Здесь в вопросах использования источников энергии физики и энергетики часто вступают в спор. Физику может казаться, что если открыт способ преобразования, например, солнечной энергии в электричество с достаточно высоким КПД, то это, собственно, уже решает все проблемы.

У энергетика же немедленно возникает вопрос: а сколько стоит такое устройство? Вопрос этот, может быть, и тривиальный, но справедливый. Энергия рек, например, тоже ничего не стоит, ее не нужно добывать, как, скажем, нефть или уголь, но энергия электростанции все же не бесплатна: сооружение ГЭС обходится достаточно дорого.

В площадях для солнечных электростанций гелиотехников не ограничивают. Нужны сотни гектаров пустыни? — берите, не жалко! Но ведь при этом потребуются груды монокристаллического кремния — исходного материала для солнечных фотопреобразователей. Вот тут-то будет загвоздка: цена такого кремния еще совсем недавно приближалась к цене чистого золота. Но технология изготовления кристаллов кремния неуклонно совершенствуется и упрощается. Фотоэлементы становятся все дешевле.

Теперь более подробно о площадях, потребных для солнечной энергетики, если бы она вдруг вошла «в моду». Размеры площадей зависят от величины КПД фотопреобразователя. Расчеты физика-теоретика академика М. Леонтовича показали, что максимально возможный КПД солнечного пребразователя энергии довольно велик — 93 процента. (Максимальный же КПД, скажем, двигателя внутреннего сгорания лишь 30 процентов!)

Однако пока реальные КПД кремниевых батарей обычно лежат в пределах 10—16 процентов.

Так вот, несложная арифметика показывает, что при КПД в 10 процентов (типичное значение для кремниевых фотоэлементов, освоенных в серийном промышленном производстве для нужд космической энергетики), чтобы произвести всю электроэнергию, необходимую США, скажем, на уровне 1974 года, потребовалось бы покрыть фотоэлементами 12 с половиной тысяч квадратных километров поверхности земного шара.

Это лишь доли процента от территории США — один только магистральные автомобильные дороги в этой стране занимают существенно больше места: 50 тысяч квадратных километров.

Для того чтобы полностью удовлетворить сегодняшние потребности СССР в энергии, нужен квадрат пустыни со стороной примерно в 100 км. Это будет меньше 1 процента той территории, которая занята у нас под сельскохозяйственные пашни, что также меньше площади, занятой угольными шахтами, нефтяными промыслами и нефтепроводами.

Да, места для солнечной энергетики требуется не так-то уж много. Однако с экономической точки зрения (большие количества кремния, металлов) реализация подобных проектов затруднительна.

Для удовлетворения нужд Большой Энергетики все же проще жечь уголь, ту же нефть, строить новые атомные электростанции.

Конечно, понятия «дорого» и «дешево» довольно относительны.

На площадях, ограниченных сороковыми параллелями, проживает около 80 процентов населения планеты. И количество солнечной энергии, которое можно было бы получить в этих районах, стоило бы сравнить не с годовой производительностью современной электростанции — около 3х109 киловатт-часов, — а с работой, совершенной парой волов — 1000 киловатт-часов в год.

Полезно также сопоставить годовую стоимость получения солнечной энергии и затраты на 25 тонн фуража, необходимого для питания этих волов!

Все это так. Критерии при подходе к энергетике у индустриальной державы и у развивающейся страны, конечно, разные. И тем не менее пока гелиотехники все же предпочитают не расстилать полупроводниковые ковры.

Электроэнергия от солнечных батарей в 100(!) раз дороже, чем поступающая с тепловых электростанций. Поэтому-то экономика вроде бы напрочь закрывает солнечным батареям путь в практику.

Казалось бы, неодолимое препятствие? Да, если использовать фотоэлементы традиционным образом. А нетрадиционный путь, новый взгляд на старые вещи дали ленинградские ученые.

Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе, или просто физтех. Из его стен вышло около 30 академиков. Вот в этой «кузнице» советской физики в лаборатории контактных явлений и полупроводников, которой руководит академик Ж. Алферов, и родилась радикально новая идея по использованию солнечных батарей.

Поток солнечных лучей слаб — нужны гигантские площади, покрытые фотоэлектрическими преобразователями, что крайне дорого. А что, если предварительно усилить солнечное излучение? «Усилить» солнце с помощью вогнутых зеркал и уже потом направлять на преобразователи концентрированные пучки лучей?

В установке, которую создают ленинградцы, на фотоэлементы будет падать теперь в 2500 раз большая энергия. А это означает, что во столько же раз можно уменьшить и площадь солнечных коллекторов. Или, наоборот, при том же количестве фотоэлементов получить мощности в 2500 раз большие! Но, главное, при этом «солнечное» электричество станет дешевле, чем от обычных электростанций.

Но серьезных проблем пока немало.

Ленинградцы любят показывать приезжим такой эффектный опыт. Берут пинцетом лезвие безопасной бритвы и помещают его в фокусе одного из зеркал. Минута, другая — и лезвие, стремительно пройдя все стадии нагрева, начинает плавиться, роняя ослепительно белые капли металла. И все это при вовсе не жарком ленинградском солнце.

Лезвие сделано из великолепной стали, можно представить, что сначала творилось с фотоэлементами в потоке столь яростного света, — они вспыхивали как солома. Пришлось ученым создавать новые фотоэлектрические преобразователи — достаточно жаропрочные. Но даже им потребовалась система для отвода избыточного тепла.

Ученые из физтеха считают, что их разработки уже в ближайшее время могут быть с успехом применены в портативных энергетических установках, например, для геологических партий, ведущих разведку вдалеке от населенных пунктов. Работая «на солнце» в течение дня, такая установка даст тепло и ток не только для бытовых нужд, но и для питания поисковой техники.

А дальше появятся и стационарные электростанции большой мощности. Разместившись в южных районах страны, они внесут ощутимый вклад в энергетику. Первый шаг в этом направлении уже сделан: в содружестве с коллегами из Ташкентского физико-технического института Академии наук Узбекистана ленинградцы сооружают серию крупномасштабных опытных фотоэлектрических установок.

Но использование для ловли солнечных лучей фотоэлементов — это лишь один из возможных вариантов, есть и другие. В любом дачном поселке можно встретить такую нехитрую гелиоустановку. Сорокаведерный металлический, окрашенный темной краской бак, водруженный на деревянный помост или крышу сарая. Солнечным летним днем вода в баке может нагреваться до 40—50 градусов. Эта идея стара как мир.

Еще в 1878 году на Всемирной выставке в Париже демонстрировалась солнечная паровая электростанция, основной частью которой было большое зеркало, фокусирующее солнечные лучи на специальный котел. Такие установки затем были построены в Калифорнии (1901г.), в Египте (1913 г.).

В 50-х годах у нас, в СССР, в лаборатории гелиотехники Энергетического института имени Г. М. Кржижановского, была спроектирована для Араратской долины (близ озера Айгерлич) в Армении станция подобного же типа.

Предполагалось на вершине 35-метровой башни установить плоский котел, вращающийся за солнцем вокруг вертикальной оси. Башню должны были окружать железнодорожные пути — 23 концентрически расположенных колеи. Идущие очень медленно (в ритме солнца!) по рельсам поезда везли бы тележки-вагоны с отражателями (всего около 1300 зеркал).

Рисунки общего вида этой грандиозной станции были очень эффектны, в свое время они обошли страницы всей мировой научно-популярной печати. 2,2 миллиона киловатт-часов электроэнергии в год должна была давать эта одна из самых крупных в мире солнечных электростанций. Цифра внушительная. Однако эксперименты на уменьшенных макетах электростанции не радовали: общий КПД установки достигал лишь 5 процентов.

Кроме малого КПД, были и другие трудности. Система (большое количество движущихся частей и необходимость строгой синхронности) оказалась очень сложной и малонадежной, требующей большого ухода и надзора. Так что дальше опытной установки дело не пошло.

Но эта заманчивая научная мечта не умерла. Летом 1980 года в Алуште, на Южном берегу Крыма, где щедрое солнце и ясное небо, началось строительство первой в СССР экспериментальной базы по использованию солнечной энергии. Важно то, что алуштинская база будет продолжать эксперименты уже в производственных условиях

Так, к примеру, начато проектирование солнечных электростанций следующего типа. Тысячи огромных зеркал образуют гигантскую плоскую чашу, в центре которой взметнется к небу трехсотметровая башня. На ее вершине укрепят парогенератор. Отраженные солнечные лучи нагреют воду до кипения. Образовавшийся пар приведет в действие турбину. Мощность этой электростанции 5 мегаватт. Но уже следующая станция будет в 40—50 раз мощнее.

До сих пор мы рассуждали о том, сможет ли и когда солнечная энергетика удовлетворить нужды энергетики «промышленной», где еще немало нерешенных проблем. Иное дело — энергетика «бытовая». Тут «желтый уголь» в большом почете и уже довольно широко используется.

У нас в стране, особенно в республиках Средней Азии — Узбекистане, Туркменистане, существуют проекты домов, которые должны обогреваться и охлаждаться с помощью солнца. В них широко используются и фотоэлементы. Особенно в небольших источниках тока, питающих автономные установки, расположенные где-нибудь вдали от населенных мест. Сюда относятся, например, маяки и навигационные знаки на морях и озерах. Приборы, работающие высоко в горах, в пустынях и так далее.

Правда, и здесь возникают неожиданные проблемы и осложнения. К примеру, оказалось необходимым периодически чистить концентраторы и приемники солнечных лучей от... загрязнения! Возможно, со временем, если солнечная энергетика войдет в силу, даже появится новая специальность «солнечных чистильщиков», или как там их окрестят!

Другой пример. На одном весьма авторитетном техническом совещании кто-то однажды забеспокоился: а вдруг верблюды или овцы (речь шла о гелиоустановках для пустынных пастбищ) будут чесаться о зеркала? Что тогда? Не закроет ли их шерсть поверхности отражателей?.. Да, в новом деле могут быть всякие сюрпризы.

Консервированное солнце

От древних греков пришла к нам легенда о титане Прометее, который похитил на небе огонь и принес его людям. А нельзя ли подобно Прометею похитить солнечное тепло, законсервировать его, а через день, неделю, даже месяц, словом, когда понадобится, использовать эту энергию?

Можно! В нашей стране с таким принципиально новым направлением в науке, названным солнечной тепло-химией, еще лет двадцать назад выступил азербайджанский ученый Г. Мамедбейли.

Предложенный им рецепт консервации солнечного тепла был прост. Возьмем кусочек известняка и выставим его на солнце в летний знойный день. Под действием солнечной энергии из известняка (он состоит из трех элементов: кальция, углерода и кислорода) начнет бурно выделяться углекислый газ.

Но это еще не все. Кладем теперь кусочек обожженной солнцем извести в воду. Известняк начинает кипеть, выделяя большое количество тепла и превращаясь при этом в так называемую гашеную известь. Следовательно, обжигая известняк летом солнечными лучами, мы даже через длительный промежуток времени сможем получать тепловую энергию. Следует подчеркнуть, что известняк можно использовать многократно.

Не только известняк обладает таким замечательным свойством — умением консервировать солнечное тепло. Если расплавить солнечными лучами гидрид лития, а затем остудить его, то в процессе кристаллизации выделится тепло, которое ранее было затрачено на его плавление. Это свойство солей лития и некоторых других солей используется гелиотехниками при создании солнечных батарей — аккумуляторов тепла.

Уже существуют экспериментальные дома, обогреваемые установками, похожими на парники. Только под стеклом не вода, как в теплицах, а соли лития. Днем, нагреваясь на солнце, они плавятся, а ночью, затвердевая, через теплообменники и систему центрального отопления отдают свое тепло домам.

Интересно сравнить тепловые аккумуляторы по энергетическим характеристикам с нефтью, углем и дровами. Возьмем для примера тот же гидрид лития: у этого вещества одно из самых больших значений скрытой теплоты плавления. Всего за 17 циклов аккумулирования (за счет поглощения дарового солнечного излучения) один килограмм практически не расходуемого вещества накапливает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании килограмма нефти. Если провести такое же сравнение с углем и дровами, то получим соответственно 10 циклов и 3—4 цикла зарядки.

Подсчитано и другое: чтобы обеспечить бесперебойное снабжение планеты энергией за счет солнечной радиации, необходимо было бы иметь тепловой аккумулятор, рабочее вещество которого весило бы несколько миллионов тонн. Тогда как ежегодная добыча топлива (в расчете на условное) составляет сейчас многие миллиарды тонн!

Но исследования «плавящихся» тепловых аккумуляторов ведутся не только на бумаге. Эти работы у нас в стране возглавил член-корреспондент Академии наук СССР Н. Лидоренко. Прежде всего были перепробованы многие вещества-кандидаты — фторид лития, окислы бериллия, магния, алюминия, кремния и так далее. Все они, как и гидрид лития, могут стать рабочим телом будущих тепловых аккумуляторов. Кроме экспериментов и теоретических расчетов, на Северном Кавказе проводятся и натурные испытания тепловых аккумуляторов — прототипов промышленных. Уже сейчас можно сказать, что эти устройства выходят за пределы лабораторий и скоро будут использованы для бытовых нужд и в сельском хозяйстве.

До сих пор мы говорили о том, что солнечная тепло-химия способна давать людям тепло, но с помощью аккумуляторов, оказывается, можно получать и ток! Вот один из вариантов подобных систем.

Рабочим органом установки служит параболическое зеркало, оно постоянно перемещается за солнцем с помощью специальной следящей аппаратуры. Создать требуемую высокую температуру в 800—1000 градусов Цельсия в энергопоглотителе, расположенном в фокусе зеркала, можно только при условии высокой концентрации солнечных лучей. Под действием созданных в зоне энергопоглотителя высоких температур серный ангидрид SО3 (в качестве исходного материала можно использовать и другие вещества, например, аммиак или соединения метана) разлагается на сернистый ангидрид SO2 и кислород. Продукты реакции подаются в емкости для регенерации. В регенерационных печах в присутствии специально подобранного катализатора происходит реакция соединения компонентов в исходное вещество. При этом температура повышается до 500 градусов Цельсия.

Итак, цикл замкнулся, но при этом мы получаем уже не тепло, а желаемый ток. Для вращения турбин электростанций можно использовать или непосредственно сернистый ангидрид, или пар, полученный за счет тепла, выделяющегося при реакции восстановления.

Часть сернистого ангидрида без особых трудностей можно вывести из технологического процесса регенерации, перевести в жидкое состояние и поместить в емкости на долгосрочное хранение. Чтобы потом в удобный момент использовать химическую энергию этого соединения. И это лишь один из многих вариантов по использованию консервированного солнца.

Зеленый головастик

Аккумуляторы солнечных лучей — а ведь они уже есть и существуют на Земле миллионы лет. Это растения. Действительно, растительность развивается, усваивая лучистую энергию солнца и преобразуя ее в химическую энергию углеродистых соединений. Сжигая древесину, человек преобразует тем самым эту энергию в тепловую (чем не аккумуляторы тепла!). В сверкающем черном угле, в нефти и сланцах нам снова светит солнце, которое веками (!) запасало там свою лучистую энергию.

И, возвращаясь теперь от тепловых аккумуляторов к проблеме фотоэлементов, заметим: то, что пока в солнечной энергетике не удается человеку — создать на Земле грандиозные площади, покрытые дешевыми фотоприемниками, — то для изобретательной природы давно уже пройденный этап.

Известно: хлорофилл растений умеет ловко улавливать солнечные кванты. И, говорят, общая площадь листвы растений планеты, этого конденсатора солнечной энергии, равна поверхности планеты-гиганта Юпитера!

При этом Природа использует не дорогой монокристаллический кремний, а дешевую органику. Отчего же не последовать этому примеру?

Но тут, чтобы хорошо понять дальнейшее, следует хотя бы кратко вспомнить ту главу из долгой двухвековой истории исследований фотосинтеза, которая посвящена хлорофиллу.

В 1817 году французские фармацевты Пельтье и Каванту впервые выделили из листьев их зеленую начинку — хлорофилл.

И вот уже полтора столетия ученые многих стран упорно исследуют это загадочное вещество. По числу публикаций хлорофилл, вероятно, занимает первое место среди всех химических соединений, и этот список непрерывно пополняется.

Сейчас в любом учебнике по физиологии растений можно найти «портрет» этой молекулы. Структурная формула хлорофилла занимает целую страницу. Хотя истинные его размеры предельно скромны — 30 ангстрем (ангстрем — одна стомиллионная доля сантиметра).

Молекула хлорофилла похожа на... головастика. У нее плоская квадратная «голова» (хлорофиллин) и длиннющий «хвост» (фитол). В центре головы, словно глаз циклопа или алмаз в царской короне, красуется атом магния.

Зачем нужна столь сложная конструкция? О, этот вопрос вызвал долгие споры.

Еще Фламмарион поставил изящный опыт. Растения росли у него в оранжереях под светофильтрами, пропускавшими только определенные лучи солнечного спектра. Под голубыми лучами растения развивались хуже всего, лучше при зеленом, и наиболее пышный рост наблюдался при красном освещении.

Мнение Фламмариона — красные, лучи наиболее желательны растениям — оспаривали немецкие ученые Их глава, профессор Юлиус фон Сакс, считал: ростки в основном поглощают желтые лучи. В то время все восхищались тем, как просто продемонстрировал Сакс факт образования в листе крахмала. Углерод, взятый растением из углекислого газа воздуха, откладывается в крахмал, учил Сакс, и доказывал это положение экспериментально.

Он брал зеленый лист, выставлял одну его половину на солнечный свет, другую же закрывал непроницаемым экраном. Спустя некоторое время он, опустив лист в спирт, обесцвечивал его (лишал хлорофилла), затем обрабатывал весь лист йодом. И вот в той половине листа, которая была выставлена на свет, обнаруживался крахмал: она синела или чернела от йода. Однако другая, затемненная, часть листа цветной реакции с йодом не давала: крахмала в ней не было!..

Но вот в спор Фламмариона с Саксом вмешался русский ученый К. Тимирязев. В серии блестящих экспериментов он дал полное решение этой проблемы.

К. Тимирязев заставил растение, так сказать, собственноручно «расписаться» в том, что прав был Флам-марион. Он использовал оружие своих научных противников — «крахмальную пробу» Сакса.

К. Тимирязев сумел-таки уложить на отдельном листе весь солнечный спектр, целиком! После обработки йодом он получил амилограмму (по-гречески «амил» — «крахмал», «грамм» —«оттиск», «запись»).

На листе был виден ряд полосок. Среди них выделялась одна наиболее темная: она была расположена не в том месте, куда, пройдя сквозь призму, падали желтые лучи, а там, где должна была бы красоваться красная полоска спектра...

Но и в спектр электромагнитных волн входит не только видимый свет — также инфракрасное излучение, ультрафиолет, космические лучи гигантских энергий... Отчего же растения обходятся лишь видимым светом?

Ответ прост: инфракрасные лучи несут фотоны (световые корпускулы) очень малых энергий. Крошечных: они не способны вызвать химических изменений в молекулах. (Так фотолюбители проявляют в красном свете, чтобы не засветить фотопленки.)

На другом полюсе ультрафиолетовое излучение настолько богато энергией, что способно погубить зеленый росток: эти лучи вызывают ионизацию и разрушение химических связей. Это «дубинка», все сокрушающая на своем пути.

К счастью, для всего живого слой озона в атмосфере почти полностью задерживает ультрафиолетовую часть солнечного спектра.

Вот и получилось: «питаться» растения могут лишь энергией видимого света. Но и этот участок непрост: есть желтые, зеленые и другие лучи. Отчего же растение предпочитает красные? И тут нашелся ответ. Красные лучи наиболее интенсивны (слабее всего рассеиваются атмосферой). Так в процессе длительной эволюции растения постепенно выбрали для себя наиболее подходящий участок энергии.

Но удивительнее всего в исследованиях хлорофилла то, что человек уже научился получать хлорофилл искусственно.

Это сделал в 1960 году американский химик-органик Р. Вудворд. То был крупный успех: одно дело разгадать состав и структуру этой знаменитой молекулы, совсем иное — синтезировать ее искусственно!

Вудворд создал множество шедевров органического синтеза. Он воссоздал хинин, стрихнин, кортизон, резерпин, холестерин и ланостерин, хлорофилл и витамин В12, тетрациклин и другие важные и чрезвычайно сложные природные соединения.

В 1965 году за эти работы Вудворд был удостоен Нобелевской премии.

Над синтезом хлорофилла Вудворду пришлось изрядно потрудиться Он возглавил громадный коллектив ученых-химиков. Ведь полный синтез хлорофилла включал в себя до 30 стадий!

Завет Фредерика Жолио-Кюри

Зеленый цвет вовсе не обязателен для каждого фо-тосинтезирующего организма. Так, водоросли в большинстве случаев желтые, бурые, оливковые, красные или синие, но не зеленые. И на суше некоторые растения имеют желтые или красные, а не зеленые листья.

Но в какие бы одежды ни рядились фотосинтетики, ключевую, доминирующую роль в них играет зеленый пигмент — хлорофилл. Всякий раз, когда пигментная система «цветного» фотосинтетика подвергалась тщательному научному анализу, в ней обязательно находили и хлорофилл.

Невольно рождается мысль: хлорофилл — это избранник Природы, ее «любимчик». В нем чувствуется даже нечто мистическое. Словно эта молекула — ключ к разгадке какой-то глубокой тайны живого, так много сулящей практике.

С исследованиями хлорофилла всегда были связаны большие надежды. Люди давно мечтают о техническом воплощении фотосинтеза, о дне, когда маститый ученый на глазах у благоговеющей публики совершит чудо.

Солнечный луч создаст из углекислого газа и воды «ложечку сахара» в пробирке, и мы перестанем быть в рабской зависимости от плодов, поставляемых биосферой. От капризов погоды, скудости почв... Так рассуждали не только простые неученые граждане. Сам К. Тимирязев писал:

«Тогда явится находчивый изобретатель и предложит изумленному миру аппарат, подражающий хлорофилловому зерну, — с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого — подающий печеные хлебы...»

Поэтому-то искусственный синтез хлорофилла Вудвордом был принят «на ура». То была научная сенсация. В популярной литературе того времени это замечательное достижение приравнивалось к решению (и окончательному) всей проблемы фотосинтеза, и даже революции в производстве пищи!

Увы! Революция не состоялась. Ученые знатоки фотосинтеза давно уже поняли всю неизмеримую сложность грандиозной проблемы. Двухсотлетний опыт исследований показывает: не существует одной загадки фотосинтеза, а есть целый ряд ключевых вопросов. И механизм действия хлорофилла лишь один из них.

Блестящий синтез хлорофилла, осуществленный Вудвордом, ничего не решал окончательно, и потому человек еще не может создать «ложечку сахара» в пробирке.

Однако в последние десятилетия наметился еще один заманчивый путь. Ученые пытаются создать технические устройства особого рода, которые бы помогли нам обуздать солнечную энергию, воспользоваться ее неисчерпаемыми запасами. Фотосинтез захотел породниться с энергетикой!

У нобелевских лауреатов, всемирно известных физиков Ирен и Фредерика Жолио-Кюри были дочь Элен и (младший) сын Пьер. Элен, окончив, как и отец, с отличием Школу физики и химии, тоже посвятила себя ядерной физике: пошла по стопам родителей. Но Пьер... Он занялся биологией! Его увлекли загадки фотосинтеза, тайны зеленого листа.

Каприз? Бунт? Дух противоречия? Вовсе нет! Оказывается, любимой научной идеей Ф. Жолио-Кюри, ученого-атомника, одного из «крестных» атомной энергетики, была мысль о непосредственном использовании энергии падающего на Землю света.

Как-то в один из приездов в Советский Союз в беседе с нашими учеными Ф. Жолио-Кюри здесь же, у доски, сделал простейшие подсчеты.

Вышло: если бы на малой части пустыни Сахары (скажем, территория Египта) при помощи соответствующего оборудования молено было бы использовать хоть 10 процентов солнечной радиации, то этой энергии с лихвой хватило бы для нужд всей планеты. Но еще поразительнее слова Ф. Жолио-Кюри, оставленные им как завещание будущим поколениям ученых: «Хотя я верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более высокого качества...»

Странные все-таки слова для физика-ядерщика! Человека, который одним из первых создал атомный реактор — сердце атомной электростанции.

Что это, причуда гения? Прихоть беспокойного, вечно мятущегося ума? Научное кокетство? Ни то, ни другое, ни третье. Это, как сейчас выясняется, трезвый взгляд в будущее.

Обыкновенный полупроводник

А началось все с практического вопроса: как помочь промышленности в борьбе против выцветания красителей.

Вещества, которыми красят, например, ткани, поглощают свет. Мельчайшие порции световой энергии — фотоны разбивают молекулы красителя, и он разрушается, выцветает.

Когда в первые послевоенные годы в лаборатории академика А. Теренина в Ленинграде стали изучать эти процессы, неожиданно выяснилось, что красители типичные полупроводники.

Но если на минуту отвлечься от проблем собственно фотосинтеза и взглянуть на дело широко, то все пигменты, которыми наполнены листья растений, также предстанут перед нами как рядовые великой армии красителей!

Среди многообразных соединений органической химии, красители выделяются интенсивным поглощением видимого света. Это и обусловливает их яркие цвета: поэтому их и используют с давних пор для крашения.

(Получение знаменитого в древности пурпура было связано с действием света и представляло, несомненно, фотохимическую реакцию. То же можно сказать и про беление тканей.)

Но, кроме эстетики, тут кроется и физика: красители — мощные приемники солнечной радиации, именно они способны превращать ее в иные формы. А. Теренин, всю жизнь изучавший взаимодействие света и вещества, не мог не увлечься красителями и пигментами. Эта тема на долгие годы становится одной из ведущих на его фотохимических семинарах.

И вот в ходе этой работы флёр таинственности начал спадать с хлорофилла. А что, если хлорофилл тоже всего лишь типичный полупроводник? И действует в зеленом листе по тем же прописям, что и его технические собратья? Но как это доказать?

Дело, начатое А. Терениным, было продолжено уже в Москве, в Институте биохимии Академии наук СССР, его сотрудником, ныне академиком, А. Красновским.

Надо было создать простейшие модели тех сложных явлений, которые идут в живом листе, что и сделали советские ученые. И внешне эксперимент выглядел весьма эффектно. Если зеленый лист опустить в спирт, то хлорофилл в нем растворяется, а лист, лишившись хлорофилла, становится бесцветным. Зеленый раствор хлорофилла и в пробирке, как это ни удивительно, служил для ученых моделью живого листа.

А теперь главное. (Научные тонкости и подробности мы опускаем.) Поставим пробирку на окно, на солнце — она вскоре начинает краснеть. Минут через десять жидкость становится совсем красной.

Убрали пробирку снова в темноту — и о чудеса! Красный цвет раствора постепенно вновь сменяется зеленым...

В этих превращениях заключен глубокий смысл. А. Теренин и А. Красновский показали: хлорофилл — всего лишь полупроводник. Это тот «насос», который в зеленом листе, повинуясь энергии солнечных лучей, «перекачивает» электроны.

В сказке про глупых жителей одного города говорится, будто они сначала построили дом без окон, а потом долго и упорно таскали в него мешками солнечный свет.

Абсурд, нелепица! Но хлорофилл и другие пигменты как раз и являются такими «световыми мешками», или лучше «антеннами», способными улавливать излучение солнца и преобразовывать его в химическую энергию продуктов фотосинтеза.

Квант света образует в этой молекуле пару: электрон — дырка. В листе по «электронно-транспортной цеги», словно по медной проволочке, течет микроток. И структура молекулы хлорофилла, обладающей очень развитой системой сопряженных связей, прекрасно приспособлена для этого дела. Поэтому-то для возбуждения электронов молекулы хлорофилла достаточно квантов красного света с довольно скромным запасом энергии.

Другая, не менее замечательная особенность хлорофилла — способность легко отдавать окислителям электрон, возбужденный в результате поглощения светового кванта. Благодаря этой особенности хлорофилл и восстанавливает — конечно, не напрямую, а через множество промежуточных этапов — углекислый газ воздуха до углеводов.

Вот эти замечательные свойства (один из центральных процессов, составляющих суть фотосинтеза) и удалось искусственно воспроизвести А. Теренину и А. Красновскому.

То был крупный успех советской науки. Не случайно работа ученых демонстрировалась в 1958 году в Брюсселе на Всемирной выставке.

Вот наконец мы в состоянии оценить слова, сказанные когда-то Ф. Жолио-Кюри. Энергетика и фотосинтез, оказывается, они не столь уж далеки друг от друга.

Ведь если хлорофилл — полупроводник, то появляется надежда создать особые «зеленые фотоэлементы», в которых под действием света будет образовываться и совершать работу электрический ток.

Природе можно бросить вызов

Ф. Жолио-Кюри скончался в 1958 году. А в 1959-м американские исследователи В. Арнольд и Е. Маклей впервые предложили и сконструировали батарею, содержащую пигменты растений — хлорофилл и каротин. Это устройство уже умело преобразовывать свет в электричество. Правда, оно было еще очень и очень несовершенным.

Работы в этом направлении велись и в СССР в Институте химической физики Академии наук СССР под руководством доктора физико-математических наук Г. Комиссарова.

В 1968 году эта группа построила «фотовольтаическую батарею». Это была модель зеленого листа, способная осуществлять трансформацию световой энергии в электрическую. Ее параметры год от года улучшались. Сейчас КПД уже достиг нескольких процентов. (Любопытно, что в соответствии с заветом Ф. Жо-лио-Кюри советские исследователи вместо хлорофилла использовали его аналог — фталоцианин. Молекулы эти менее капризны, чем хлорофилл, более доступны и лучше вписываются в технику, совместимы с ней.)

В 1961 году американскому химику М. Кальвину была присуждена Нобелевская премия за изучение так называемых «темновых процессов»: в них в зеленом листе из углекислоты воздуха образуются углеводы. (Этот процесс называют «циклом Кальвина».)

А теперь Кальвин предложил использовать хлорофилл (идея Ф. Жолио-Кюри!) непосредственно в технике.

Кальвин и его сотрудники обнаружили, что хлорофилл способен под действием света отдавать свои электроны некоторым полупроводникам, находящимся с ним в контакте.

Использовав в качестве полупроводника окись цинка, ученые создали хлорофилловый фотоэлемент, в котором на свету возникает ток плотностью около 0,1 микроампера на квадратный сантиметр поверхности элемента. Не много! Да и хлорофилл уже через несколько минут «выдыхался» — десенсибилизировался: терял способность отдавать электроны.

Правда, и в растении случается такое, но в листе на смену «сгоревшим» молекулам хлорофилла синтезируются новые.

Тогда, чтобы продлить действие зеленого фотоэлемента, ученые добавили в электролит (вода с примесью солей, в которую был погружен хлорофилл) еще и дополнительный источник электронов — гидрохинон.

Считается, что в такой системе хлорофилл действует как «электронный насос»: он отнимает электроны у гидрохинона, переводит их на более высокий энергетический уровень и отдает полупроводнику.

По оценкам Кальвина, такой вариант «зеленою фотоэлемента» площадью в 10 квадратных метров мог бы уже дать мощность около киловатта.

Ученые полагают: лет через 20—30 может стать реальностью промышленное производство хлорофилла и стеклянных листьев. И те, кто ходит сейчас в школу, возможно, пойдут работать на фабрики, производящие дешевые (раз в сто дешевле, чем нынешние кремниевые батареи) зеленые фотоэлементы.

Подобный прогноз может показаться слишком смелым. Однако не следует забывать, что синтезировать искусственно хлорофилл мы уже умеем.

Давайте помечтаем.

Земной шар опоясан желтой лентой пустынь. Чтобы окинуть взглядом этот пояс, не обязательно быть космонавтом. Достаточно крутануть рукой миниатюрную модель нашей планеты — школьный глобус. Лента пустынь вдоль экватора волнует воображение не только школьников. Она давно уже приковала внимание ученых-гелиотехников, энергетиков.

Как мы представляем себе, скажем, Аравийскую пустыню — безжизненное, выжженное солнцем пространство, покрытое бескрайними песчаными волнами. Редко-редко встретишь здесь закутанных в белоснежный бурнус арабов. Это бедняки. Они пасут скот, ловят рыбу и ныряют в прибрежных водах за жемчугом.

Нефтяной бум смазал идиллическую картинку. Жизнь этих краев резко изменилась. Вот, к примеру, маленький Кувейт, расположенный на западном побережье Персидского залива. Миллион триста тысяч жителей всего, а добывается тут 100 миллионов тонн нефти в год. Каждая тонна стоит 150 долларов — поэтому на жителя Кувейта приходится что-то около 10, а то и 15 тысяч долларов в год.

Но ничто не вечно под луной! Несколько лет назад по Кувейту разнесся слух, будто бы запасы нефти истощатся через 15 лет. Началась паника: кому охота поменять службу в банке на занятие полуголого ныряльщика за жемчугом!

Но, быть может, главное богатство Кувейта и других, расположенных в пустынных областях стран не быстро исчезающие нефть и газ, а неисчерпаемое, вечное солнце? Его горячие, щедрые лучи?

Конечно, при нынешнем уровне техники, чтобы перекрыть пустынные земли гигантской сетью коллекторов солнечного света, потребуется столько металла, сколько не смогут дать все известные ныне месторождения. А сколько потребуется дорогостоящего монокристаллического кремния!

Другое дело, если техника будет опираться на зеленые фотоэлементы, обходящиеся без металлов и полупроводников, действующие по рецептам живой природы, построенные из дешевой органики' и недефицитных материалов.

Не станут ли тогда пустыни и расположенные на них страны самыми богатыми областями Земли? И не сбудется ли тогда пророчество советского академика А. Иоффе, который некогда говорил и писал:

«Солнце, в течение тысячелетий бывшее проклятием пустыни, сделается ее благословением».