Принципы и технологии получения энергии — основная проблема современного развития цивилизации

В основе развития современной цивилизации лежит борьба за возможность производства энергии. Отражением этого факта является то, что валовой национальный продукт развитых стран мира прямо пропорционален количеству вырабатываемых этими странами электроэнергии [12, 22]. То же справедливо и для соотношения мирового валового продукта с выработкой электроэнергии в мире. Выработка энергии и энергопотребление является основным индикатором уровня развития страны и мирового сообщества в целом. Общие потребности в энергии определяются ее затратами на работу промышленности, социально-бытовых нужд и транспорта. Каждая из этих составляющих представлена в общем потреблении приблизительно в равных долях.

В настоящее время в основе получения энергии человечеством лежит второе начало термодинамики, справедливое для изолированных (замкнутых) систем и гарантирующее перевод высокоорганизованных продуктов, накопленных землей и космосом, в низкоорганизованные, которые и оказываются загрязнителями окружающей среды.

Системы, не обменивающиеся веществом и энергией со средой, называются замкнутыми. Гипотеза о том, что широкий класс систем можно рассматривать как замкнутые, до самого последнего времени использовалась как основная в науке, технике, организации производственно-технических и экономических систем. Теоретической основой такого подхода было установленное в начале XIX века второе начало термодинамики, определяющее направление процессов, происходящих в замкнутой системе (теплоту можно превратить в работу только при условии, что часть этой теплоты одновременно перейдет от горячего тела к холодному; чтобы теплота могла перейти от холодного тела к горячему, необходимо затратить механическую работу).

В результате технической реализации второго начала термодинамики появились тепловые машины, которые до сегодняшнего дня дают основную часть искусственно получаемой энергии путем ее выделения из топливно-энергетических ресурсов, в которых она была накоплена в результате взаимодействия со средой, т. е. по механизмам, противоречащим второму началу. По основному принципу — «не ждать милостей от природы, а взять их у нее» — условия формирования запасов топливно-энергетических ресурсов стали игнорироваться, а технологии, основанные на выжигании запасенной природой в этих ресурсах энергии, были признаны единственно возможными.

На этом пути, взяв нефть как сырье для энергетики и транспорта, человечество за последние 50 лет перевело половину накопленных Землей за десятки и сотни миллионов лет запасов в загрязнения. Оставшаяся часть, в основном, принадлежит к категории повышенной сложности извлечения, в результате чего происходит резкий рост себестоимости добычи, которая будет расти тем быстрее, чем ближе дно нефтяной бочки. Для данного нефтеносного региона стоимость добычи убывает с ростом уровня годовой добычи. Когда в связи с исчерпанием запаса начинается падение годового производства, себестоимость добычи начинается расти (чем дальше, тем быстрее). К настоящему времени основные страны-производители нефти прошли свои максимумы добычи. В результате этого стоимость ее дальнейшего извлечения резко возрастает. Относительно дешевая нефть на мировом рынке сегодня определяется тем, что Персидский залив пока способен компенсировать недостаток нефти в основных промышленных странах, поскольку в этой нефтеносной провинции максимум уровня годовой добычи еще не пройден. Возможности компенсировать дефицит нефти у стран Персидского залива хватит не более, чем до 2006-2007 гг.

На рис. 7 приведены графики динамики и прогноза мировой добычи нефти и цен на нее. Как видно на рис. 2, через ~ 10 лет начинается резкий спад уровня добычи (за 5-7 лет в. ~ 1,4 раза) с соответствующим ростом цен с ~ 20 до ~ 80-100 долл./баррель. В течение предстоящих 10 лет уровень добычи не будет возрастать, в то время как цена нефтепродуктов возрастет не менее чем в два раза по отношению к существующей. В связи с этим использование нефтепродуктов в качестве топлива будет эффективным не более чем в течение 10-12-летнего периода, после чего основная часть техники, использующая нефтепродукты, потребует кардинального переоснащения, либо превратится в металлолом

Рис. 7.. Динамика добычи нефти и цен на нефть: 1 — объем добычи в мире; 2 — объем добычи в мире без Персидского залива; 3 — объем добычи в Персидском заливе; 4 — цена (в долларах США) одного барреля нефти

Далее основным топливно-энергетическим ресурсом, заменяющим нефть, станет природный газ, максимум добычи которого придется на 2010-2015 гг. Затем должна наступить очередь, в рамках существующих технологий, использующих второе начало термодинамики, угля, который в этом случае проходит максимум своей добычи к 2030 г.
В качестве единственной альтернативы человечеству сегодня предлагается ядерная энергетика. Фактически ядерная энергетика является переразвитием идеи, представленной вторым началом термодинамики, т. е. по-прежнему, рассматривается изолированная система, в результате чего реализация происходит только на уровне уже накопленных в процессе синтеза и распада элементов таблицы Д. И. Менделеева. Продукты, получаемые в результате ядерных реакций, принципиально смещают равновесие естественного изотопного состава элементов в окружающей человека среде.

Сырьем атомной энергетики являются элементы, соответствующие границе стабильно существующих в природе атомов, которые накапливались в земной коре в процессе синтеза и распада атомных ядер, происходящем на уровне формирования элементной базы материальных миров космоса.

Современное распределение частости встречаемости элементов таблицы Д. И. Менделеева на земле характеризует глубинные механизмы ее взаимодействия с космосом и обеспечения устойчивости таких взаимодействий. С этой точки зрения изменение количества нестабильных изотопов, получающихся в результате деятельности ядерных энергетических установок, может привести к глубинным последствиям, способным изменить облик жизни на земле. Кроме того, слабые радиоактивные воздействия, формируемые на уровне «нормального фона» работы ядерных установок также могут давать сильные генетические последствия.

При этом следует иметь в виду, что также, как и использование технологий, основанных на втором начале термодинамики, привело к фактическому исчерпанию в исторически короткие сроки органического топлива, на создание которого земля и космос потратили сотни миллионов лет, использование ядерной энергетики является таким же тупиковым техническим путем.

Прежде всего, это связано с экологическими проблемами захоронения радиоактивных отходов деятельности ядерной энергетики. Суммарный объем радиоактивных отходов, образованных от добычи урановых руд, производства ядерного топлива, переработки отработанного ядерного топлива, оборонных программ, использования источников ионизирующего излучения оценивается ~ 610 млн м³.
Проблема захоронения радиоактивных отходов к настоящему времени не решена и перспективы ее решения принципиально не ясны.

Наконец, особенно значимо для использования ядерной энергетики то, что неизбежные в технических системах катастрофы в данном случае ставят под сомнение саму возможность выживания человечества в исторической перспективе.

В соответствии с отмеченным выше, ясна необходимость переосмысления тех принципиальных возможностей получения энергии, которые реализованы в природе и не подчиняются второму началу термодинамики. В настоящее время ситуация коренным образом меняется. Пересмотр отношения к гипотезе о возможностях функционирования замкнутых систем произошел практически одновременно в различных областях знаний (неравновесной термодинамике, биологии, экологии, экономике).

Природные системы являются открытыми, что позволяет им получать доступ к колоссальным энергиям среды не за счет ее принципиальной дезооганизаиии. а путем взаимодействия между системами (естественного и искусственного происхождения) и средой.

Необходимость рассмотрения открытых систем, для которых характерна возможность обмена с внешней средой энергией, веществом информацией и, тем самым, переход к эффективным механизмам получения энергии, реализуемых природой, обсуждалась достаточно давно. В.И. Вернадский в 1938 г. считал, что «все природные процессы области естественных косных тел — за исключением радиоактивности — уменьшают свободную энергию биосферы», тогда как «природные процессы живого вещества в их отражении в биосфере увеличивают ее свободную энергию» [6]. Лауреат Нобелевской премии И.Р. Пригожин предложил рассматривать изменение внутренней энергии системы как результат ее обмена с внешней средой и неравновесных процессов внутри самой системы. Это теоретическое положение в настоящее время дало возможность управления характеристиками неравновесных систем за счет обмена с внешней средой, реализованных в лазерах, физико-химических и биологических процессах.

Необходимость рассмотрения развития цивилизации на современном этапе как функционирование открытой системы ясно из того, что количество энергии, которое может использоваться человечеством, определяется ресурсами, заключенными в органическом и ядерном топливе, энергии падающей воды, приливов, солнечного света, внутреннего теплa земли (в этот перечень входят как продукты деятельности космоса солнца в виде органических топлив и запасов делящихся материалов, так и текущие характеристики солнечной активности, определяющие процессы фотосинтеза на земле).

Основные механизмы получения энергии в природных системах базируются на их синхронизации с ритмами среды, которые формируются при слабых связях между ними и обеспечивают на резонансных эффектах получение системой из среды больших энергий. Именно по этому пути должно пойти развитие технологий в третьем тысячелетии. В настоящее время в развитии мирового сообщества происходит переход от «ковбойской» экономики, для которой характерно представление о неограниченности природных ресурсов, к экономике «космонавтов», система жизнеобеспечения которых жестко лимитирована. Для первого варианта потребление и производство являются положительными факторами, а основным критерием уровня развития — пропускная способность, характеризуемая валовым национальным продуктом. Для второго варианта пропускная способность не является критерием — ее надо сокращать, а не увеличивать (критерием здесь является состояние природы, определяемое величиной, качеством и разнообразием элементов и структур природной среды, в том числе и психофизиологическим состоянием человека Таким образом, проблемы взаимодействия между элементами природы как системы, включающей человека, определяют перспективы развития цивилизации.

Эффективность функционирования любых технических систем определяется степенью их соответствия природным ритмам по всем физическим характеристикам. Только такие системы за счет резонансов со средой способны реализовывать максимальные физические возможности при низких энергетических затратах.

Направления развития новых фундаментальных знаний

1. Исследование взаимодействия систем, их иерархической структуры и дальних корреляций

Принцип «природа не делает скачков», доминировавший в представлении о физической картине мира, сменяется в последний период принципом дискретности. С.И. Вавилов писал: «Новая физика в некоторых пунктах отказалась от идеи непрерывности, идеи автомизации, скачков, прерывностей глубоко проникла в современную науку». Достижением исследований последних лет является осознание квантовых характеристик мира на всех уровнях его организации, проявленных во всех физических переменных. При этом наряду с механизмами квантования типа арифметических прогрессий, когда реализуются только кванты с вполне определенным значением характеристики («кирпичи» определенного размера) все больший интерес вызывают иерархии квантов, определяющие дискретные последовательности критических характеристик систем (например, это значения доминирующих размеров природных структур, представленные геометрической прогрессией с постоянным модулем, которые экспериментально выявлены для диапазона размеров от нанометров до тысяч километров). Такие последовательности установлены сегодня для всех основных физических величин. В физике такие явления представлены эффектом дробного квантования, когда передается не «полная порция» — квант, а некоторая его часть типа 19/7 — «порция». Таким образом, существуют закономерно повторяющиеся в природе доминирующие критические значения физических величин, иерархически упорядоченные по рангу значимости и единые для всех природных объектов.

Эти исследования приводят к иерархической структурной картине мира, единой для микро- и макроуровней, позволяют определять естественные границы реализации физических эффектов определенной природы, использовать знание точных значений границ классифицирующих диапазонов для выявления новых эффектов и технологий на их основе. Одновременно это позволяет получать информацию об эффективных комбинациях критических значений физических величин для технических приложений.

2. Исследование механизма синхронизации систем при слабых связях и управление резонансными эффектами

Синхронизация систем при слабых связях является механизмом выработки единой ритмически согласованной структуры взаимодействий систем и среды и формирования целостных систем, что характеризует принцип синхронизации для приобретения системой т. н. эмерджентных (целостных) свойств, которые реализуются при согласовании характеристик среды, системы и ее элементов.

Синхронизация динамических систем является одним из основных механизмов их самоорганизации. Синхронизацией называют явление согласования частот колебаний элементов при наличии даже слабых взаимодействий между ними. При отсутствии взаимодействия между системами они могут иметь различные частоты колебаний или вращаться с различными угловыми скоростями. Введение слабого взаимодействия между элементами приводит к тому, что они начинают развиваться с одинаковыми, кратными или соизмеримыми частотами.

Эффект синхронизации был впервые детально описан Г. X. Гюйгенсом на опытах с маятниковыми часами, которые при прикреплении к легкой балке, вместо стены, движутся синхронно [11]. В настоящее время явление синхронизации детально изучается и его проявления установлены в электрических, электромеханических, акустических, электромагнитных процессах, в радиотехнике, радиофизике, астрономии и биологии. В связи с этим возникают соображения об универсальности этого явления как фундаментального свойства колеблющихся систем [1, 2]. Автор теории биологического резонанса А. Е. Щербак отмечал, что «одни и те же виды энергии действуют как внутри, так и вне организма. Организм же с самых ранних ступеней развития неизбежно должен был приспосабливаться к внешней среде, т. е. именно к воздействию на него различных видов энергий, иначе самая жизнь стала бы невозможной, а это приспособление, этот важнейший биологический факт и есть, в сущности, то, что соответствует рабочей гипотезе о резонансе клетки и тканей. В то же время, это есть тот путь, посредством которого организм и может черпать нужную ему энергию из внешнего мира, ибо поглощается телом лишь та энергия, которая находит в теле свой резонанс. Преимущественному действию подвергаются те физиологические приборы, резонанс которых с наибольшей точностью совпадает с колебаниями внешнего раздражителя» [41].

Согласование, аналогичное частотным резонансам, на уровне пространственных структур определяется принципом П. Кюри, в соответствии с которым дисимметрическое явление вызывается только такой же дисимметрической причиной [26]. В связи с этим, наблюдая доминирующие пространственные структуры природных систем, можно изучать характеристики среды, вызывающие дисимметрическое развитие, и на этой основе задавать пространственные структуры технических систем, которые будут резонансными, а значит высокоэффективными.

В. И. Вернадский считал: «Можно допустить, что реальность геометрически неоднородна и что в разных явлениях могут проявляться разные геометрии и что мы с этим должны считаться в нашей работе» [6]. В связи с этим возникает необходимость исследования резонансных свойств пространственных структур с положительной, нулевой и отрицательной кривизной (пространств Римана, Евклидам, Лобачевского) как природных резонансных контуров.

В связи с эффектом синхронизации динамических систем при слабых связях между ними в природе реализуются единые закономерные системы ритмов и ритмической активности с доминирующими резонансными эффектами на основных частотах и пространственных структурах, формируемых природой. Именно резонансные частоты использует физиотерапия для регуляций состояния организма.

3. Исследование механизмов поведения систем в критических точках и управление их состояниями

Понятие о критической точке было введено Д. И. Менделеевым при описании равновесия между жидкостью и паром [31]. В этой точке исчезает физическое различие между жидким и газообразным состоянием вещества. Критические точки (точки фазовых переходов, катастроф, скачков в развитии) определяют состояния принципиального изменения структуры и свойств систем. В этих точках существуют два принципиально разных состояния системы, в связи с чем малыми внешними воздействиями проводятся принципиальные изменения свойств. Управление характеристиками систем непосредственно в критических точках, открывает исключительные возможности для разработки новых технологий. В критической точке принципиально меняются существующие представления о неизбежных компромиссах при проектировании технических систем.

Общеизвестным здесь является принцип «короткого одеяла», в соответствии с которым для улучшения некоторой характеристики неизбежно требуется ухудшить другую (при коротком одеяле мерзнут либо голова, либо ноги). В критических точках создаются ситуации, когда все основные факторы влияют на поведение системы благоприятно. Примером этого может быть основная длина волны радиопередач 1700 м, на которой одновременно реализуется минимальная энергия, потребная для передачи, максимальная помехоустойчивость (минимальный уровень шумов), максимальная дальность распространения радиоволн, максимальная технологичностьи надежность аппаратуры (именно на этой длине волны радиосигнал впервые обежал земной шар). Уход от этой длины волны (в данном диапазоне длин волн) приводит к резкому росту мощности станций, размеров антенных устройств, росту уровня шумов, снижению дальности распространения радиоволн, т. е. возникают обычные в технических задачах противоречия между характеристиками. Таким образом, обычные в практике проектирования технических систем проблемы оптимизации в критических точках если и имеют смысл, то принципиально другой по сравнению с состояниями вне критических точек. Это происходит за счет того, что в критической точке связи между элементами принципиально ослаблены, в связи с чем чрезвычайно слабые по энергетике воздействия оказывают сильное регуляторное влияние. Это же справедливо применительно к военной стратегии и тактике. К. Клаузевиц писал: «Всякое мероприятие, к которому прибегают в момент напряжения, важнее и ведет к большим последствиям, чем то же мероприятие, выполненное в состоянии равновесия, и это усугубление значения резко возрастает на высших ступенях напряжения». В спортивной борьбе попытка бросить противника не лишив его предварительной устойчивости и равновесия, не переведя его в критическую точку, приводит если не к проигрышу, то к излишней и непроизводительной трате сил по сравнению с тем напряжением, которое испытывает противник. Успех в этом случае возможен только при наличии огромного превосходства в силах, и даже в этом случае он не будет решающим.

4. Переход от электроники к использованию ядерных свойств элементов

В настоящее время основная ориентация в развитии электроники базируется на изучении свойств электронов, закономерности в характеристиках которых отражены в Периодическом законе Д. И. Менделеева, что и находит отражение в названии новейшего в настоящее время научно-технического направления. Общесистемные соображения требуют одновременно с внешними элементами структуры атома (электронами) рассматривать и внутренние структурные элементы — ядра. Естественно ожидать при этом, что ядерные свойства могут быть охарактеризованы своим аналогом Периодического закона, отличным от менделеевской периодизации. При этом общие периодические свойства атомов будут характеризоваться взаимодействием ядер и электронов. Тогда единый Периодический закон будет в качестве проекций на плоскость свойств электронов иметь менделеевский закон, а на плоскость свойств ядер — периодический закон ядерных свойств. В. связи с этим актуальной фундаментальной проблемой, способной обеспечить прорыв в развитии перспективных технологий, являются теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку периодической системы ядерных свойств [24, 25]

В связи с исчерпанием в ближайшее время возможностей технологий на механической основе по преодолению нижнего диапазона ультрадисперсных сред (нанотехнологии), возможности прогресса в науке и технике связаны с детальными знаниями о периодических свойствах ядер атомов и их взаимодействий с периодизацией свойств, определяемых электронами. Это, очевидно, приведет к созданию технологий, основанных на ядерных свойствах, прорыву к новым физическим эффектам (сверхпроводимость, сверхтекучесть, сверхчистые и сверхпрочные материалы, каналирование энергии, резонансные эффекты в точках фазовых переходов).

5. Исследование периодических свойств доатомарных структур с целью создания технологий на их основе

Необходимость исследования структуры периодических систем, предшествующих Периодическому закону, предъявлял как фундаментальную проблему Д. И. Менделеев в самом конце своего творческого пути. Он же сделал оценку двух основных элементов с атомной массой меньшей, чем у водорода [32]. Прежде всего, здесь представляют интерес периодические свойства атомных ядер. Процессы синтеза ядер во Вселенной показывают принципиальные изменения структуры ядерных реакций, происходящие на меди, стронции — иттрии, барии — лантане. Известно, что из соседних элементов в природе более распространены четные по сравнению с нечетными по их номеру в таблице Д. И. Менделеева. Данные о распространенности элементов в фотосфере Солнца показывают нарушение этого правила на меди — цинке, стронции — иттрии, барии — лантане и индии — олове. Анализируя распространенность элементов в природе, А. Е. Ферсман отмечал принципиальное изменение распространенности именно на этих элементах [37]. Отметим, что эффект высокотемпературной сверхпроводимости был реализован на составах: лантан-барий-медь-кислород и иттрий-стронций-медь-кислород, т.е. на элементах с критическими ядерными свойствами.

Таким образом, современные сверхпроводники создаются из элементов таблицы Д. И. Менделеева с ядрами, взаимодействие которых, как известно в геохимии, обладают критическими свойствами. Это показывает, что при построении теории высокотемпературной сверхпроводимости необходимо учитывать, в первую очередь, свойства ядер и их способность к взаимодействию с другими ядрами.

6. Развитие интегративных знаний для решения проблем управления системами при слабых воздействиях

Разработка энергосберегающих технологий приводит к необходимости развития интегративных направлений в науке и технике, так как именно за счет взаимодействия систем, принадлежащих к различным иерархическим уровням, и появляется принципиальная возможность организации технологических новаций.

А. А. Богданов заложил основы всеобщей организационной науки [3, 4], которая стала ядром кибернетики Н. Винера [7]. Кибернетика была определена как наука об общих законах управления и связи в природе, обществе, живых организмах и машинах и немедленно вошла в моду. Заниматься конкретизацией этих общих законов любителей не нашлось, а сложившиеся глубоко специализированные научные и технические направления получили «престижные» кибернетические титулы (так мы получили специальности типа технической кибернетики, биологической кибернетики, геологической кибернетики, экономической кибернетики и т.д. по числу позиций общего рубрикатора специализаций). Этим проблема перехода к интегративным знаниям после Н. Винера была закрыта.

Фактически в настоящее время необходимо действенное развитие кибернетических направлений в их исходном смысле. При взаимодействии природы, общества, живых организмов и машин в настоящее время возникают кризисные ситуации именно в связи с их изолированным рассмотрением. Проблемы здесь могут быть сформулированы и в более конкретной и жестокой постановке.

В соответствии с концепцией гармонии сфер Пифагора ритмы космоса, Солнечной системы и человека едины и представимы в числах, которые кодируют состояния коренных качественных изменений свойств систем. Современные исследования показывают, что эта концепция не является «светлым поэтическим образом», а конкретна, характеризует ритмическое единство мира, знание которого позволяет определять на уровне количественных значений физических величин требования к параметрам новых технологий и образцам перспективной техники.

Направления развития новых технологий

1. Получение энергии на принципах открытых систем

Фактически речь идет о возможностях получения энергии на резонансных взаимодействиях со средой, как это было предложено, например, в теории биологического резонанса А. Е. Щербака. Существующие в природных средах доминирующие размеры, закономерно заполняющие весь диапазон линейных размеров, доступных измерениям современными средствами, резонансно усиливают любые приходящие в них взаимодействия.

Абсолютные значения доминирующих размеров природных структур не зависят от фазового состояния среды — они едины для атмосферы, океана и земли. Именно это позволяет находить сквозные «окна прозрачности», через которые электромагнитный сигнал распространяется из космоса под воду Резонансные взаимодействия технических систем с доминирующими природными ритмами могут быть одним из примеров реализации принципов получения энергии в открытой системе.

2. Управление за счет организации взаимодействия между системами разного и одного уровня

Примером открывающихся здесь возможностей может служить аппаратура, используемая в физиотерапии, которая при частоте электрических сигналов 8 Гц применяется для регуляций нервной системы. При совместном использовании частот 8 Гц и 120 Гц реализуется аппаратура для стимуляции электросна, а добавление к указанным частотам диапазона 20-50 Кгц вызывает электроанальгезию (обезболивание). Таким образом, одновременное замыкание механизмов, воздействующих на процессы, происходящие на разных уровнях иерархии, позволяет реализовывать принципиально новые типы эффектов.

3. Новые физические принципы, связанные с не силовыми регуляциями

Прежде всего, речь идет о разработке технических систем использующих в качестве основного принципа согласованность их характеристик со свойствами природной среды и ее систем (резонансы, критические уровни физических характеристик систем, взаимодействия на доатомарных уровнях) [25].

Учитывая схожесть ситуаций 1811 и 1990 гг., для исключения серьезных ошибок в технической политике необходимы:

1. детальная фиксация всех принципов (уже выдвинутых и тех, которые еще будут выдвинуты в окрестности критической точки 1990 г.) и создание условий для их разработки;
2. выявление «неожиданных» явлений и оперативное информирование о них научных работников.

Уникальность современной ситуации в России состоит в том, что с переходом к рыночной экономике естественным образом подготавливается почва для инициирования принципиально новых технологий, которые станут основой существования мирового сообщества в третьем тысячелетии. Такая возможность является следствием острого социально-политического и экономического кризиса в России. Именно такие исторические моменты, при всем их негативном проявлении в состоянии общества, играют и положительную роль, предоставляя ему потенциальную возможность преодолеть кризис путем исторически быстрого перехода на новый качественный уровень социального, технического, экономического и духовного развития.

Именно такая ситуация была после второй мировой войны в Германии, Японии и Италии — побежденных странах с уничтоженной промышленностью, которые вместо ее восстановления встали на путь создания новых технологий, основанных на не реализованных патентах и идеях. В результате мир получил пример экономического чуда.