Энергетика была и будет не только средством жизнеобеспечения, но и системой, интегрирующей космопланетарные, социально - производственные и человеческие процессы жизнедеятельности. Наряду с традиционным (на сегодняшний день) использованием природных ресурсов для производства электрической и тепловой энергии, моторного топлива, существует и бурно развивается экстремальная энергетика со сверхвысокими и сверхнизкими параметрами давления и температур, частоты и плотности, скорости и длительности физических процессов, ударных волн. Это - прежде всего энергия как далекого, так и осваиваемого человеком Космоса. Кроме того, существует энергия биологических объектов и самого Homo sapiens, обеспечивающего единство всех физических и ментальных процессов живых систем. Если до недавнего времени все виды энергии рассматривались порознь, то с переходом к новому технологическому укладу (индустрия 4.0) большие и малые энергетические системы интегрируются в единую систему жизнедеятельности триады «природа - общество - человек» с эффектом технологической синергии. В данной статье подчеркивается принципиальное единство всех энергетических процессов и необходимость их совместного использования для развития энергетики будущего.
Ключевые слова: энергия и энергетика, экстремальная энергия, новые энергетические технологии, когнитивная энергетика.
«Энергия» - это (по Аристотелю) синоним всякой работы, всякой деятельности (движения, развития, жизни) в противовес «потенции» - как возможности для осуществления этой деятельности. Мы «живем в объятьях Солнца», но не оно является источником всех энергетических процессов во Вселенной. Оно лишь трансформирует общекосмические потоки, а в преобразователях энергия трансформируется из одного вида в другой, наиболее адекватный для естественной природной эволюции и для работы искусственных технических систем. Многие технические установки «копируют» природные энергетические преобразователи, используя весь арсенал накопленных в процессе земной и космической эволюции решений в «большой» и «малой» энергетике.
Солнечная активность определяет формирование пассионарных (энергонасыщенных) объектов и субъектов, проявляющих особую активность в своём поведении и стимулирующих повышенную поведенческую реакцию своих «соседей». Эти процессы носят, как правило, ударно - волновой характер, когда сверхконцентрация энергетического потенциала вызывает взрывной характер процессов его реализации. При этом волнообразно меняется не только параметрический набор, но и структурный вид самих энергетических объектов и систем. Происходит их как бы мутация и готовность к новому, как правило, более ускоренному развитию. Ударные волны в Космосе несут нам информацию об эволюции Вселенной, о гравитационных и энергетических процессах в астрофизических объектах, о природе появления тяжелых химических элементов при взрывах новых звёзд и, в конечном счете, помогают найти ключ к пониманию возникновения самой жизни и разума, которые являются не только земным, но и общекосмическим явлением.
Физика ударных волн имеет не только познавательное значение для понимания энергетических явлений в Космосе и на Земле, но и давно стала практическим средством для применения в астрофизических, энергетических и оборонных сферах деятельности человека. Вспышки на Солнце (как и на других звёздах) выбрасывают в околосолнечную систему мощные волновые потоки энергии в виде переменных электромагнитных полей, наводящих при пересечении вращающихся объектов индуцированные токи, ответственные за формирование новых полевых энергетических структур. Физические явления в Космосе и их исследования в физических лабораториях демонстрируют поразительные аналогии процессов экстремальной энергетики. Подобные ударно-волновые явления были использованы в оборонных и исследовательских проектах для формирования новых импульсных генераторов высоких плотностей энергии и создания сверхмощных ускорителей тяжелых частиц.
Физика высоких плотностей энергии явилась основой для создания ядерного оружия, развития гражданской ядерной промышленности и атомной энергетики. То обстоятельство, что многие из этих установок пока не дали прямого эффекта в сфере технического применения для т.н. «генерации» больших токов и больших мощностей (МГД - генераторы, термоядерные установки), не отрицает возможности их использования в будущем для трансформации потоков ударных волн в практически используемые виды энергии. Кроме того, не следует сбрасывать со счета возможность использования в будущем не только традиционной электроэнергетики, основанной на 50-герцовых волнах, но и на УКВ и сверхдлинных волнах, смыкающихся с гравитационными потоками.
Одним из проявлений этих физических процессов являются взрывные эффекты, имеющие место, как в естественных геологических средах, так и в ядерной энергетике, в использовании искусственного направленного взрыва в строительстве и гидротехнике, прокладке туннелей и взрывном соединении проводов на ЛЭП. Мощные ударные волны становятся сегодня основным инструментом для изучения экстремальных состояний вещества и средством для практического создания установок экстремальной энергетики. Динамические эффекты, образующиеся при выбросе камня из первобытной пращи, в принципе аналогичны тем процессам, которые имеют место в современных сверхскоростных артиллерийских установках, стреляющих металлическими «болванками». Исследования ударных волн позволили создать сверхзвуковые установки для военной и гражданской авиации.
Эффекты, порождающие мощными ударными волнами, определяют работу импульсных термоядерных реакторов, мощных взрывомагнитных и магнитодинамических генераторов, гиперзвуковых реактивных двигателей и токоограничивающих энергоустановок.
Вещество в условиях высокой плотности энергии находится в ионизированном (плазменном) состоянии. И работы ученых уже привели к созданию многочисленных плазменных установок, используемых в различных отраслях техники для обработки материалов, сварки и резки труб, создания многокомпонентных конструкций, утилизации всех видов отходов промышленной и бытовой деятельности, к созданию плазмохимических и СВЧ - реакторов. В энергетических устройствах будущего сильно сжатая и разогретая плазма будет использоваться в качестве рабочего тела подобно водяному пару на современных тепловых электростанциях. Плазменные концентраторы уже привели к созданию различного вида лазеров, применяемых не только в промышленности, но и в медицине, научной сфере. Таким образом, исследования в области экстремальной энергетики уже проложили мост между подобными космопланетарными явлениями и их техногенным использованием.
Сегодня много говорится о практическом использовании солнечной энергии. Но ведь это старо как мир. Именно физико-химическое преобразование потоков солнечной энергии ответственно за формирование углеводородных запасов земных недр, и эти процессы имели место не только в далеком прошлом, но продолжаются и сегодня. Поэтому нефть и газ, строго говоря, можно отнести к возобновляемым источникам энергии, и миру не грозит исчерпание их запасов при разумном использовании. А если учесть новые технологии газификации углей и возможности использования биогаза, а также газогидратов в морских толщах, то говорить о закате нефтегазовой эры явно преждевременно. К тому же мы ещё практически не приступили к освоению ресурсов гидросферы в виде энергии волн, подводных течений, приливов и уж тем более энергии вихревых концентраторов энергии, как гидросферы, так и атмосферы, тепла недр Земли. То обстоятельство, что пока - это достаточно дорогие ресурсы, не должно останавливать процессы их научного и опытного продвижения. Конечно, мы должны понимать, что в существующей парадигме человеческая цивилизация развивается с ускоренным наращиванием использования ископаемых органических энергоресурсов накопленных сотнями миллионов лет и видимо в ходе реализации нового технологического уклада человечество все же сформирует действенные механизмы гармоничного развития без вреда для экосистемы планеты, забирая у планетарных природных процессом часть энергии для своей жизнедеятельности.
Важно, что высококонцентрированная энергия, наиболее освоенная в газодинамических системах с экстремальными параметрами, открывает широкие возможности своего практического применения не только в сфере астрофизики и военного применения новых технологий, но и в гражданской сфере будущей энергетики. Импульсные системы, основанные на ударно-волновом эффекте, вполне вероятно, станут одним из направлений развития энергетики, а сама экстремальная энергетика станет уделом не только научного и военного применения, но сферой промышленного использования новых технологий.
Одним из важнейших направлений технологического развития в энергетике станет создание т.н. накопителей. Энергия - это процесс, и формально, его нельзя «накопить». Новые энергетические установки (преобразователи энергии) позволят с их помощью трансформировать одни потоки энергии, одни виды энергии в другие физические, механические и химические виды. Так, например, электролиз воды позволяет получать на выходе водород и кислород, которые впоследствии могут быть использованы как новые энергетические ресурсы. Причём эти ресурсы могут быть использованы сразу же или с задержкой во времени, даже могут транспортироваться в сжиженном и «замороженном» виде на далекие расстояния, к месту их будущего применения. Получение водорода, помимо паровой конверсии метана, эффективно осуществлять с помощью электролиза воды при избытках мощности АЭС или при использовании ВИЭ, в т.ч. приливных ГЭС. При этом удаленному потребителю могут быть поставлены не удаленные мощности для получения электрической энергии, а сжиженный или «замороженный» и даже металлизированный водород как новый энергетический ресурс для промышленных и транспортных целей. Тем самым осуществляется водородный эффект накопления энергии. Существует и большая группа аккумуляторов (свинцовых, литий-ионных) для автомобилей и других транспортных средств. Большого эффекта при создании аккумуляторов будущего можно ждать и при разработке новых наноматериалов на основе специальных углеродных трубок. Разрабатываются и сверхпроводящие индуктивные «накопители» энергии, которые на базе электрических катушек, находящихся в поле сверхнизких температур, превращают одни электромагнитные потоки в аналогичные, но с запаздыванием по времени процессов их реализации. Накопители различного вида являются необходимым средством как для балансирования больших энергосистем, повышения качества и надежности электроснабжения конечных потребителей, неотъемлемым элементов развиваемых новых и высокотехнологичных объектов, как «умный дом – задание – предприятие». Накопители могут внести важнейшую лепту в повышении эффективности АЭС, принимая на себя использования свободной ночной энергии АЭС при временном отсутствии потребителя, так же и для малой распределенной энергетики, когда автономные источники на базе ВИЭ в условиях неравномерного графика действия внешних сил (ветра и солнца) требуют аккумулирования (запасание впрок мощности этих установок) для последующего использования потребителем.
Все большее применение на практике находят не стационарные установки больших мощностей, а батареи бытового назначения. Сегодня больше половины (не по мощности, а по сфере применения) в быту занимают электрохимические батарейки, от которых питаются многочисленные бытовые электроприборы, особенно в умных домах и установках повышенного требования к бесперебойному питанию. От «розеточной» психологии потребитель все больше переходит к автономным установкам собственного энергоснабжения, используя для этого как локальные аккумуляторы, так и местные источники солнечных энергоресурсов, биоэнергию отходов как вторичного энергоресурса, энергию, запасенную в новых строительных материалах и конструкциях, и наконец, биоэнергию самого человека. Все эти как централизованные, так и локальные источники составляют богатый арсенал новой энергетики с их кумулятивным синергетическим эффектом.
Новая технологическая революция, называемая «индустрия 4.0», активно проникает в нашу жизнь, в том числе с привнесением своеобразных ударно-волновых процессов. Если длительность прежних промышленных укладов (век пара и электричества) измерялась столетиями, то сегодня мы имеем бурное развитие микроэлектроники как материальной базы информационного общества, которая меняет не только производственный уклад, но и социальный облик нашего общества. Экстремальный характер будущей энергетики (как энергетики больших мощностей, так и сверхмалых параметров биоэнергетики) не отмирает, а трансформируется на путях интеграции силовых физических и информационных процессов. В широчайшем диапазоне плотностей (примерно 42 порядка) и температур (до 10 в 13-й степени по Кельвину) несмотря на все различие макро- и микромира их внутренняя структура и закономерности поведения весьма схожи. Недаром, как говорили восточные мудрецы: хочешь познать Вселенную, познай Человека, и наоборот. В своё время все зачитывались книгой английского физика индийского происхождения Фр. Капра «Дао физики», где подчеркивалось принципиальное единство мира и общие корни современной физики и восточного мистицизма. Сегодня научная мысль работает не на противопоставлении физики высоких энергий и «тонкой материи», а на их интеграции. И главным средством этой интеграции сегодня является цифровизация энергоинформационных систем как средство сращивания физического и виртуального мира посредством человеческого восприятия силовых и когнитивных энергетических процессов в единой системе «природа - общество - человек». Информационные гаджеты прочно вошли в нашу жизнь, заменяя собой технические средства коммуникации людей, переводя рынок товаров и услуг в интернет вещей. В ближайшем будущем мы станем свидетелями, что классическая схема индустриального производства и распределения (товар - деньги - товар) уступит место энергоинформационному обмену (продукт - цифра - услуга), где цифровой эквивалент всякого обменного процесс (энергии) станет новой виртуальной мерой всех видов жизнедеятельности (производственной и интеллектуальной). Роль энергетики в будущем не сократится (энергия не исчезает, а превращается из одного вида в другой), а видоизменится. Наряду с силовыми процессами физической и промышленной энергетики больших мощностей, биохимическая энергия сверхмалых параметров составят новый спектр экстремальной энергетики, а энергия человека (в том числе и когнитивные процессы мышления) будет не только средством управления энергообеспечением человечества, но и составит особый вид взаимосвязи природы и социума. И в энергетике будущего будут развиваться все технологии и природно-космической, и эколого - биохимической и информационно - когнитивной деятельности с их значимым синергетическим эффектом.
Список литературы:
1. Фортов В.Е. Мощные ударные волны на Земле и в Космосе. –М.: Физматлит, 2019 – 416 с.
2. Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. - Долгопродный: ИД. «Интеллект» - 2011 с. – 168 с.
3. Бушуев В.В., Кучеров Ю.Н. Инновационное развитие электроэнергетики как важнейший приоритет стратегического развития России/ «Электро» № 1, 2016.
4. Factory of Future / White Paper IEC, 2016
Бушуев В.В., Кучеров Ю.Н.