Чтобы решить проблему нового источника пищи, энергии и свободного места для заселения, можно использовать ресурсы мирового океана. Что уже сейчас готовы предложить ученые?

В 2011 году население Земли превысило 7 млрд человек. Фонд ООН в области народонаселения (UNFPA) прогнозирует, что

к 2050 году численность населения нашей планеты достигнет 9,3 млрд человек, а к 2100 году – превысит 10 млрд. Если рождаемость повысится, то к концу столетия людей на Земле будет еще больше – 15 млрд.

К сожалению, в наиболее активных в демографическом отношении регионах уровень жизни невысок. При этом сегодня налицо очень неравномерное распределение доходов, и сложно ожидать, что в будущем наиболее богатые поделятся своими благами с растущим количеством малоимущих людей. Единственный выход и спасение человечества – поиск нового источника пищи, энергии, а главное – места приложения растущего человеческого ресурса.

Спасение таится в мировом океане, занимающем более двух третей поверхности Земли. Именно это место богато ресурсами и лишено многолетнего груза политических и социальных проблем, которые делают невозможными освоение многих регионов суши. Сегодня ученые и специалисты только начинают рассматривать океан как одну из немногих надежд человечества на выживание. Однако ряд перспективных проектов уже сейчас дает возможность представить будущее нашей цивилизации, тесно связанное с океаном.

Источник энергии

Проблема глобального энергодефицита сложнее, чем кажется на первый взгляд. И дело не только в удорожании ядерного и углеводородного топлива, которое слишком дорого обходятся небогатым странам. Проблема в том, что в настоящее время десяток стран потребляет более 75% всей производимой мировой электроэнергии, причем этот показатель растет с каждым годом, несмотря на принимаемые меры по энергосбережению. При этом в Индии половина сельских домов не подключены к электросети, а это значит, что в будущем, после тотальной электрификации, потребность в энергии возрастет многократно, и беднейшие регионы начнут догонять по энергопотреблению регионы более богатые.

Пока трудно сказать, как быстро будет достигнут предел коммерческой эффективности угольных, газовых, ядерных, солнечных и ветровых наземных электростанций. Такие исследования в глобальном масштабе еще никогда не проводились, однако понятно, что развитие современной энергетики рано или поздно «упрется» в потолок дефицита земли и сверхдороговизны энергии, которая не обеспечивается покупательной способностью.

Рис. 1. Немецкий проект SkySails предлагает использовать постоянные сильные морские ветры в качестве источника электроэнергии.

И здесь взоры ученых обращаются к океану. Прежде всего, их привлекает его гигантский энергетический потенциал. В последнее время начата разработка нескольких интересных проектов морских возобновляемых источников энергии.

Немецкий проект SkySails предлагает использовать постоянные сильные морские ветры в качестве источника электроэнергии. Необычность проекта – в уникальной конструкции ветряка. Он представляет собой дешевую и простую в установке невысокую опору (можно даже привязной понтон), на которую установлен генератор, компьютер и барабан с тросом.

Трос с помощью компьютерных алгоритмов удерживает в воздухе воздушный парус, кайт. В потоке воздуха кайт поднимается вверх, как воздушный змей, а затем опускается вниз. В процессе этого движения вращается барабан и вырабатывается электроэнергия. В случае ненастья или изменения ветровых условий компьютер разматывает или сматывает трос, поддерживая максимальную эффективность установки или оберегая кайт от поломок.

Рис. 2. Такая конструкция ветряка имеет неоспоримые преимуществе перед обычными ветровыми турбинами с вертикальными лопастями.

Такая конструкция ветряка имеет неоспоримые преимуществе перед обычными ветровыми турбинами с вертикальными лопастями. Прежде всего, не надо строить дорогостоящую высокую опору, ориентируясь на максимальную силу высотных ветров. Кайт может подниматься на большую высоту и ловить ветер на высоте от 200 до 800 метров в зависимости от погоды, что обычному ветряку не под силу. SkySails также может использоваться и на морских судах – в качестве дополнительного источника энергии.

Солнечные панели на воде

В настоящее время земля на побережье в большом дефиците, при этом тенденция последних лет указывает на рост плотности населения не в центре материков, а именно на побережьях. Океан может представить огромные площади для размещения энергогенерирующих мощностей. Австралийская компания Sunengy предлагает размещать солнечные панели прямо на поверхности океана. Проект под названием Liquid Solar Arrays (LSA) предполагает размещение массивов солнечных панелей на плаву, причем не только в океанах, но и на поверхности озер, искусственных водоемов вблизи плотин, АЭС и т.д.

Солнечная панель LSA имеет весьма оригинальную конструкцию, выполненную из недорогих материалов. Она состоит из поплавков, фокусирующей солнечный свет линзы (кусок пластика на раме любой формы) и собственно фотоэлектрической ячейки. Подобная конструкция имеет массу преимуществ. Использование поплавков позволяет обойтись без подводных опор и легко объединять отдельные модули в массивы панелей. Дешевый пластиковый концентратор направляет солнечный свет на небольшую солнечную панель размером не в метры, а считанные сантиметры. При этом панель охлаждается морской водой, что повышает ее эффективность и предотвращает перегрев. Таким образом

LSA является дешевым и эффективным способом использовать водную поверхность для установки электростанций мощностью до 1 гигаватта.

Если в солнечном регионе покрыть панелями LSA поверхность водохранилища ГЭС, можно увеличить годовую выработку электроэнергии вдвое. Также плавучие солнечные электростанции можно использовать и для снабжения энергией побережья, буровых платформ, островных курортов и т.д.

Тепло – в электричество

Мы умышленно пропускаем использование энергии морских волн, поскольку до сих пор не созданы надежные приливные электростанции. Ни одна опытная установка не протянула в открытом океане дольше полугода – штормы и подводная флора и фауна разрушают небольшие электростанции. Есть надежда, что более крупные приливные турбины смогут проработать не один десяток лет, проектирование и испытания таких установок уже ведутся. Трудно сказать, во сколько обойдется строительство и эксплуатация гигантских подводных турбин, к тому же, их влияние на экологию пока под большим вопросом.

Рис. 3. Преобразование тепловой энергии океанов в электричество (OTEC) является очень перспективной технологией, которая соответствует гигантским масштабам океанов.

А вот преобразование тепловой энергии океанов в электричество (OTEC) является очень перспективной технологией, которая соответствует гигантским масштабам океанов. В среднем за день 60 млн кв. км тропических морей поглощают солнечное излучение эквивалентное сжиганию примерно 250 млрд баррелей нефти. Если использовать менее 0,1% этой энергии, она в 20 раз перекроет дневную потребность в электроэнергии крупнейшего потребителя в мире, США.

OTEC использует разницу температур между теплыми приповерхностными и холодными придонными водами. Теплая вода испаряет рабочую жидкость с низкой температурой кипения, вроде аммиака, а холодная вновь возвращает ее в жидкое состояние. Давление пара в процессе испарения крутит турбины и вырабатывает электричество – «дармовое» и неисчерпаемое, пока светит Солнце. Пока разница температур приповерхностных и придонных вод составляет примерно 20°C, система OTEC может производить огромное количество энергии – тысячи мегаватт. Причем непрерывно, вне зависимости от погоды и цен на нефть или газ. Более того, OTEC-станция мощностью, например, 2 МВт может производить до 4,3 тыс. кубометров пресной воды, охлаждать поля и другие объекты, служить базой для добычи ценных веществ, растворенных в морской воде.

Рис. 4. OTEC использует разницу температур между теплыми приповерхностными и холодными придонными водами.

Над этой технологией (как, впрочем, и над многими другими, включая приливные турбины) работают компании, нанятые военно-морскими силами США. В ближайшее время у побережья Гавайских островов будет построена первая опытно-промышленная установка. Цена такой электростанции невысока: 2,5 млн долл. за 1 МВт при сроке службы станции в 25 лет. 14-МВт электростанция OTEC, которую компания OTECPOWER планирует разместить у западного побережья Индии обойдется в 50 млн долл. Для сравнения: требующие уйму сырья угольные и газовые электростанции стоят приблизительно 2 млн долл. и 1,5 млн долл. за 1 МВт соответственно, а атомная – 2,7 млн долл. за 1 МВт.

Растение-панацея

Морские водоросли – настоящая панацея для решения будущих проблем с дефицитом топлива и продовольствия. Водоросли – одно из самых быстрорастущих растений в мире, и около 50% их веса составляет масло, которое можно переработать в биотопливо. Водоросли не нуждаются в пресной воде и потребляют только углекислый газ, который является одним из основных вредных побочных продуктов промышленности.

Рис. 5. Морские водоросли – настоящая панацея для решения будущих проблем с дефицитом топлива и продовольствия.

Существуют сотни крупных проектов по генетической модификации и использованию водорослей для производства биотоплива. Английский проект BioMara пытается использовать уникальные свойства морских водорослей для создания комплексного производства топлива и продовольствия. Ученые планируют использовать большие коричневые водоросли, которые очень быстро растут в легко доступных прибрежных районах. Они содержат меньше лигнина и клетчатки, чем наземные растения, что облегчает генерацию метана путем анаэробного сбраживания и в итоге удешевляет производство этанола путем ферментации. Наиболее выгодно производить из водорослей биодизельное горючее. При этом биодизель из водорослей имеет массу преимуществ перед обычным дизтопливом, например кукурузным или нефтяным. Прежде всего, водоросли имеют высокий уровень полиненасыщенных жирных кислот, что делает топливо более устойчивым к низким температурам. Также водоросли производят в 20–30 раз больше топлива, чем культуры, выращиваемые, на суше, в фотобиореакторах или открытых водоемах. Ученые из BioMara занимаются выведением высокоурожайных штаммов водорослей и определением оптимальных условий для их выращивания.

Рис. 6. Водоросли производят в 20–30 раз больше топлива, чем культуры, выращиваемые, на суше, в фотобиореакторах или открытых водоемах.

Обширные прибрежные районы являются более предпочтительным местом для выращивания биомассы, чем суша. Вода покрывает большую часть нашей планеты, а человек может жить только на ее меньшей части – суше. Выглядит логичным перемещение основных мощностей по выращиванию биомассы в океан. Первые опыты в этом направлении уже проводятся в Китае.

Все растения используют фотосинтез для преобразования солнечного света в энергию химических веществ (в основном сахара), которые затем преобразуются в более сложные органические молекулы, в том числе липиды (масла). Водоросли являются одним из наиболее перспективных источников возобновляемой биомассы, фактически только они способны в обозримом будущем ликвидировать голод на нашей планете. Они более эффективно преобразуют солнечную энергию, чем наземные растения и принимают углекислый газ из атмосферы, как они растут.

В BioMara используют три вида распространенных водорослей: Alaria esculenta, Sacchoriza polyschides и Saccharina latissima. Будущее сельское хозяйство на базе водорослей будет похоже на современное. Та же посевная кампания весной, тот же сбор урожая осенью. После сбора урожая, водоросли высушиваются и охлаждаются. Затем, после транспортировки, их вновь помещают в воду комнатной температуры, где происходит массовый выпуск спор – будущих семян. В течение всего лишь 15 минут водоросли площадью в десять квадратных сантиметров выпускают несколько миллионов спор. Споры осаждаются на 1,5-мм веревку из ацетилированного поливинилового волокна (куралона), которая сматывается в катушки. Длина веревки может достигать 400 м. Посевная проходит просто: катушка разматывается в воде и связывается с веревками, которые будут поддерживать водоросли.

Можно с уверенностью сказать, что спасение человечества от надвигающейся опасности перенаселения связано с мировым океаном. Это касается не только площадей, пригодных для возведения плавучих городов. В ближайшем будущем только океан, тем или иным образом, способен предоставить нам энергию и пищу, необходимую для выживания человечества.