О качестве энергии лазеров

Проблема качества энергии

С. И. ЯКОВЛЕНКО

Около трехсот лет назад в существенной части так называемого цивилизованного общества сформировалась труднообъяснимая вера во всесилие человека, в безграничные возможности удовлетворения различных материальных потребностей и даже прихотей путем использования научного знания. Эта вера глубоко проникла в сознание как общественных деятелей, так и ученых. Все, конечно, понимают, что нарушить законы природы человек не может. Однако многим кажется, что эти законы существенной преграды для человеческого могущества не представляют, а, наоборот, помогают человеку реализовать над природой неограниченную власть. Нельзя, например, иметь ковер-самолет, но можно построить реактивный лайнер. Нет волшебного зеркальца, но есть телевизор. Нельзя обеспечить себя теплом, светом, и уютом, не затрачивая энергии, но, казалось, ученые рано или поздно найдут неисчерпанные источники этой энергии.

Дерзость мысли стала похвальной, даже если она переросла в самоуверенность. Не так давно обещали осчастливить человечество самым научным устройством общества, искусственным интеллектом, электрохимическим синтезом живых организме. Подавляющее большинство ученых верило в то, что развитие живых организмов от амебы к человеку произошло за счет наследования случайных изменений, контролируемых естественным отбором, а наиболее последовательные сторонники этой веры собирались выращивать соловья из кукушки. Дело доходило до -того, что крупные математики всерьез рассматривали возможность аксиоматизации физики, т. е. вывода всех законов природы из конечного числа умозрительных предположений.

Не стоит, конечно, строго судить издержки периода детства и юношества современной науки. Тогда, например, мнение, что животные полностью аналогичны механическим автоматам, считалось научным. Блажен, кто смолоду был молод. Однако сейчас наука вышла из детского возраста, во многом определяет пути развития человечества и даже способна угрожать самой возможности его существования. При этом, хотя влияние науки на развитие общества усилилось, рост возможностей влияния на природу как бы замедлился. Все чаще мы сталкиваемся с тем, что законы природы не столько дают над нею власть, сколько ограничивают наши претензии. И жестоко себя накажет человечество, если не будет замечать ограничений, налагаемых законами природы.

Два важнейших закона-ограничителя

Одним из наиболее сейчас известных общих законов является закон сохранения энергии. Он состоит в том, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не может возникать из ничего или пропадать в никуда. Уверенно пользуясь этим законом, как чем-то очевидным, не все помнят, что окончательно установлен он всего лишь в середине прошлого века (Майер, Джоуль). До этого даже образованные, но лишенные творческой интуиции ученые, пытались построить вечный двигатель, т. е. устройство, которое производит работу, не потребляя энергии. Им казалось, что создать такое устройство мешают лишь технические трудности, которые можно преодолеть.

Практически одновременно с законом сохранения энергии (и даже, можно сказать, несколько ранее его) был установлен другой важнейший закон-ограничитель, получивший название второго начала термодинамики (Карно, Клаузиус, Томсон). Он может быть сформулирован как невозможность превращения тепла в механическую энергию в отсутствие холодильника, т. е. тела с температурой, меньшей температуры того тела, тепло которого переводится в механическую энергию. Итак, для превращения тепловой энергии в механическую необходим не только нагреватель, но и холодильник, причем максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины равен отношению разности температуры нагревателя и холодильника к температуре нагревателя (КПД цикла Карно).

Ограничительные свойства второго начала термодинамики наглядно иллюстрируются следующим примером. В Мировом океане содержится очень много тепловой энергии. Если понизить его температуру всего на градус, то выделится энергия, во много раз превосходящая ту, которая может быть получена от сжигания всех мировых запасов угля и нефти. Однако не видно соответствующего холодильника, который бы позволил эффективно преобразовать, например, в электричество какую-либо заметную часть этой огромной тепловой энергии.

Гипотетическую тепловую машину, преобразующую тепловую энергию в механическую или электрическую с нарушением второго начала термодинамики, называют вечным двигателем второго рода. В соответствии со вторым началом создание его невозможно. Иногда даже второе начало формулируют как невозможность создания такого двигателя.

Удивительно, но если с ограничениями, обусловленными законом сохранения энергии, общественное мнение смирилось практически сразу, то второе начало термодинамики воспринимают далеко не все. Видимо, поэтому его изучают не в средней школе, а только в технических вузах. Более того, даже среди людей с высшим техническим образованием находится как не понимающие смысл второго начала, так и старающиеся опровергнуть этот представляющийся им неприятным закон и создать вечный двигатель второго рода.

У энергии есть качество

Одним из важнейших выводов, следующих из второго начала термодинамики, является то, что, хотя энергия сохраняется, она не может быть преобразована из одной формы в другую по одному лишь нашему усмотрению. Это наводит на мысль, что энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Например, можно сказать, что вечный двигатель второго рода построить нельзя постольку, поскольку энергия среды, находящейся при более низкой температуре, имеет и более низкое качество. Энергию же низкого качества нельзя непосредственно перевести в энергию более высокого качества. Нельзя, например, скипятить чайник, погрузив его в воды Мирового океана, даже если это произойдет на экваторе.

Однако объективно и достаточно полно оценивать качество энергии тел, не находящихся в термодинамически равновесном состоянии, пока наука не умеет. По-видимому, это дело науки следующего века. В прошлом веке физики разобрались с качеством тепловой энергии. В нашем же веке они были заняты в основном другими вопросами (квантовой механикой и теорией относительности). При этом, хотя проблемы преобразования различных форм энергии без потери качества уже давно стали насущными, они как-то недостаточно проникли в общественное сознание.

Удивительно, но инженеры, как правило, лучше ощущают ограничения, связанные с качеством различных форм энергии, чем ученые, особенно — ученые, обсуждающие глобальные проблемы настоящего и будущего человечества. До сих пор сохраняется, например, тенденция оценивать развитость общества по количеству потребляемой энергии в топливных единицах. Это примерно то же, что оценивать интеллект человека по силе его мышц, или сравнивать вычислительные возможности современных и первых электронно-вычислительных машин по потребляемой ими энергии.

Возможно, качество энергии не имеет какой-либо абсолютной шкалы и характеризуется не одним числом, а совокупностью различных характеристик. Тем не менее кое-какие предварительные соображения о сравнительном качестве различных форм энергии можно высказать. Во-первых, ясно, что энергия более высокого качества может быть преобразована в энергию низкого качества с меньшими потерями, чем энергия низкого качества в высококачественную. Во-вторых, более высоким качеством обладает энергия, которую можно с меньшими; потерями концентрировать или передавать на большие расстояния. Например, лазерный луч несет энергию более высокого качества, чем поток света от лампочки. Кроме того, более высоким качеством обладает энергия, неравномерно распределенная по энергоносителям. Например, раскаленная игла и стакан с холодной водой до охлаждения иглы в стакане имеют энергию более высокого качества, чем после охлаждения.

Возрастание энтропии — деградация энергии

Более глубокое понимание вопроса о качестве энергии может дать статистическая механика—наука, использующая статистические методы для изучения динамики макроскопических (состоящих из большого числа частиц) объектов. Она создана в основном трудами Клаузиуса, Максвелла, Больцмана, Гиббса. В рамках статистической механики второе начало термодинамики является следствием стремления неживой материи к состоянию максимального хаоса, который соответствует состоянию термодинамического равновесия. Мерой хаоса является энтропия. Энтропия является некоторой однозначной функцией состояния макроскопических систем. Чем больше энтропия, тем в состоянии большего хаоса находятся составные части макроскопического объекта (микроскопические частицы). Считается, что энтропия может только расти (в предельном случае термодинамического равновесия — оставаться неизменной) и рост энтропии имеет вместо для так называемых замкнутых систем, не взаимодействующих с окружающим миром.

Энтропия растет по мере заполнения макроскопической системой всех доступных ей состояний (степеней свободы), и чем больше степеней свободы, тем больше максимально возможная энтропия системы. О процессе заполнения системой своих степеней свободы говорят как о диссипации (рассеянии) энергии. Максимальная энтропия (предельно большой хаос) соответствует термодинамически равновесному состоянию. Это такое состояние, в котором любой набор индивидуальных характеристик микроскопических частиц системы (совместимый с законом сохранения полной энергии) равновероятен — система заполнила с ^разной вероятностью все свои степени свободы. При этом в термодинамическом равновесии полностью утрачивается память о предыдущей эволюции системы. Совершенно естественно трактовать процессы, идущие с увеличением энтропии, как деградацию энергии рассматриваемого объекта. Недаром процессы, привозящие к повышению энтропии, часто называют не только релаксационными и 1диссипативными, но и деградационными, а термодинамически равновесное состояние — тепловой смертью. Ясно, что при таких процессах энергия тела хотя и не уменьшается, но становится хуже качеством. Продеградировавшую энергию трудно, а часто и невозможно использовать для практических целей. Можно скипятить воду, сжигая кусок угля размером меньше чайника, но, погрузив тайник в воды Мирового океана, обладающего огромной тепловой энергией, горячую воду можно только охладить. Ясно, что энергия, содержащаяся в куске угля, выше качеством тепловой энергии Мирового океана. Сжигая уголь, мы уменьшаем качество содержащейся в нем энергии и утрачиваем возможность ее дальнейшего практического использования.

Сейчас принято считать, что все процессы в природе приводят к повышению суммарной энтропии взаимодействующих тел. Это носит название закона возрастания энтропии. Результатом этих деградационных процессов должна быть тепловая смерть Земли и, возможно, Вселенной. В рамках этой картины мира утешает лишь то, что перспектива тепловой смерти, по мнению основоположников статистической физики, невообразимо далека. Впрочем, этот сравнительно оптимистический вывод был сделан давно и без учета влияния на природу результатов человеческой деятельности.

Надо, однако, отметить, что предположение о неизбежном росте энтропии системы частиц, двигающихся по законам механики и не подвергающихся вероятностному (стохастическому) внешнему воздействию, с самого начала вызвало заслуженную критику со стороны ряда ученых (Пуанкаре, Лошмидт, Цермело и др.). Они обратили внимание на то, что картина Мира, основанная полностью на динамических законах, противоречит закону возрастания энтропии. Динамические законы обратимы во времени, а рост энтропии характеризует необратимые физические процессы. Иначе говоря, второе начало термодинамики не может быть следствием законов Ньютона, а является дополнительным постулатом. Позднее была доказана теорема о сохранении энтропии в системе частиц, двигающихся по законам квантовой механики. Недавно мне с группой теоретиков удалось найти интересный пример, демонстрирующий, что деградационные процессы не являются следствием одних лишь законов взаимодействия частиц, а должны привноситься извне[1]. Однако не будем здесь останавливаться на этих сложных и тонких вопросах, в частности на том, что является источником роста энтропии. Достаточно знать, что закон ее возрастания подтверждается огромным количеством экспериментальных данных.

Из сказанного ясно, что при оценке качества энергии должно быть очень существенно, насколько эта энергия хаотизирована, т. е. насколько велика ее энтропия (мера беспорядка). Система, обладающая большей упорядоченностью (меньшей энтропией), должна, по-видимому, обладать и более высококачественной энергией.

Однако, судя по всему, энтропия является не единственной характеристикой качества энергии. Например, ее величина непосредственно не связана со сроком возможного хранения энергии без потерь. Важно также и то, насколько трудоемким оказывается процесс высвобождения энергии. Точнее, сколько энергии и какого качества понадобится, для того чтобы выделяемой энергии оказалось достаточно для покрытия расходов на запуск процесса энерговыделения. Этот вопрос мы обсудим ниже в связи с проблемами термоядерного синтеза.

О качестве энергии лазеров

В простейших случаях ограничения на преобразование энергии низкого качества в энергию высокого качества очевидны. Приведу несколько примеров из близкой мне области — лазерной физики.

При преобразовании обычного света в лазерное излучение (накачка лазера светом) часть энергии, как и следовало ожидать, теряется, т. е. переходит в тепло. Кроме того, излучение, накачивающее лазер, должно в свою очередь обладать сравнительно высоким качеством, в частности — иметь большую интенсивность, а часто и быть достаточно высокочастотным (коротковолновым). Трудности создания эффективных лазеров с прямой солнечной накачкой как раз связаны с невысоким качеством падающего на Землю светового потока. Если бы солнечное излучение было намного интенсивнее и существенно более коротковолновым, то создать эффективные лазеры с прямой солнечной накачкой было бы сравнительно просто. (Отмечу, что растения в отличие от технических устройств усваивают низкокачественную световую энергию с аномально высоким КПД.)

Энергия излучения различных лазеров в свою очередь обладает разным качеством. Лазерные лучи имеют некоторую расходимость — световое пятно увеличивается с расстоянием от источника. Большим качеством, естественно, обладает световой поток с малой расходимостью. Соответственно, лазеры с малой расходимостью излучения при прочих равных условиях обладают более низким КПД и требуют более качественной накачки. Аналогично снижение КПД и ужесточение требований к качеству накачки сопровождают создание мощных лазеров, лазеров дающих стабильное излучение и излучение с узкополосным спектром (т. е. лазеров с высокой когерентностью излучения). Энергия высокого качества стоит дорого.

Большие трудности при создании лазеров коротковолнового диапазона (лазеры в далеком ультрафиолете и рентгеновские лазеры) также обусловлены высоким качеством коротковолнового излучения. Поэтому, например, рентгеновские лазеры требуют накачки очень высококачественной энергией — световым потоком другого лазера (хотя и длинноволнового, но мощного и с малой расходимостью) или излучением ядерного взрыва.

Совокупность проблем, возникающих при попытках получить много лазерной энергии высокого качества, часто недооценивалась. Например, в 70-х годах имел место период эйфории, когда простые соображения на уровне закона сохранения энергии приводили, по мнению многих, к оптимистическим выводам относительно возможности создания эффективных рентгеновских лазеров.

Ярким примером в этом отношении является и так называемая стратегическая оборонная инициатива (СОИ). Предполагалось на основании новейших физических разработок создать непробиваемый противоракетный щит — сбивать каждую ракету оружием направленного действия (лазерами, пучками частиц и т.п.). Конечно, авторы этой программы исходили в основном из политических, а не научных соображений, но все же налицо и недостаточное осознание того, что за энергию высокого качества придется платить высокую цену, которая в реальных условиях может оказаться непомерной.

Термоядерная проблема

Из закона возрастания энтропии следует, что невозможно техническое устройство, в результате работы которого его энтропия в сумме с энтропией окружающей среды понижается. Получение положительного баланса в энергетическом цикле с понижающейся энтропией сопряжено не с техническими, а с принципиальными трудностями. Такое гипотетическое устройство можно назвать вечным двигателем третьего рода. При попытках создания вечного двигателя третьего рода пытаются нарушить закон возрастания энтропии для термодинамически неравновесных систем. (В вечном двигателе второго рода хотят нарушить закон возрастания энтропии для систем, близких термодинамическому равновесию.)

Уже много лет меня преследует мысль, что проектируемые сейчас термоядерные электростанции на основе известных установок «Токамак» могут оказаться чем-то вроде вечного двигателя третьего рода. Остановлюсь кратко на этом вопросе[2].

Конечно, на осуществление термоядерной электростанции нет принципиального запрета со стороны термодинамики. Можно, например, представить себе гигантский двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрах которого взрываются поочередно термоядерный бомбы. Более того, мне известны технически осуществимые проекты преобразования энергии подземного термоядерного взрыва в электроэнергию. Однако основное направление современных термоядерных исследований предполагает совсем другие энергетические циклы. Предполагается для поджига термоядерных реакций использовать электроэнергию, полученную в тепловой машине, нагреваемой продуктами ядерных реакций.

Казалось бы, ситуация вполне аналогична работе автомобильного двигателя. Там тоже часть выделившейся при сгорании бензина энергии преобразуется в электричество и с помощью электрической искры осуществляется поджиг бензина в цилиндрах двигателя. Однако на самом деле эта аналогия неточна. Разница не только в масштабах и техническом оснащении автомобиля и, например, «Токамака». Дело еще в том, что энергия термоядерного синтеза в отличие от энергии химического топлива (и ядерного деления) имеет низкое качество.

Низкое качество термоядерной энергии проявляется, в частности в том, что для запуска процесса энерговыделения за счет реакций синтеза ядер необходимо большое количество очень высококачественной энергии. Для поджига реакций в термоядерной бомбе, например, используется ядерный взрыв, характеризуемый огромной плотностью (а следовательно, и качеством) энергии.

Весь комплекс разносторонних характеристик, обусловливающих качество различных форм энергии, не учитывается простыми соображениями, основанными лишь на термодинамических законах. Для термодинамики есть только два типа энергии: с минимально возможной энтропией (механическая, электрическая и т.п.) и с максимально возможной энтропией (термодинамически равновесные газ, плазма и т.п.). В рамках термодинамики не различается качество различных форм, например, электрической энергии, в частности того, что ток, текущий по проводам электрической цепи, имеет энергию существенно более низкого качества по сравнению с энергией пучка частиц, двигающихся с малым разбросом скоростей. Не заложен в термодинамические соображения и учет потребления энергии высокого качества для инициирования и поддержания термоядерных реакций.

В то же время предлагаемые циклы получения термоядерной энергии недостаточно проанализированы с простейшей «энтропийной» точки зрения. Нельзя, конечно, сказать, что эти циклы вообще не анализировались. Расчеты инженерного характера регулярно проводятся. Однако в них для различных этапов преобразования энергии закладываются некие КПД, которые в совокупности на противоречие закону возрастания энтропии не проверяют. Соответствующие расчеты довольно сложно сделать, но пока они не проведены, нет уверенности в том, что «Токамак» не окажется вечным двигателем третьего рода.

Подозрения о неосуществимости планируемых термоядерных энергетических циклов подкрепляются тем, что в проектируемых термоядерных реакторах обращаются с энергией высокого качества просто по-варварски. Сначала выделенная тем или иным путем ядерная энергия переводится в тепло парового котла. Соответственно энергия каждой частицы, несущей термоядерную энергию, раздается по малой порции почти миллиарду частиц нагреваемого тела. При этом существенно теряется качество выделенной энергии. Затем это качество начинают повышать, что, конечно, сопровождается энергетическими потерями. Вырабатывается электроэнергия. Электричество используется для формирования пучков быстрых частиц, которые потом вводят в плазму «Токамака» для ее нагрева. (Замечу, что этот основной канал ввода энергии почему-то, как правило, называют дополнительным методом нагрева и, более того, часто не учитывают в энергобалансе при определении критерия зажигания термоядерной реакции)[3]. Принципиальная возможность такого цикла с положительным энергобалансом вызывает сомнения.

Таким образом, несмотря на давние и широко рекламируемые обещания создать источник практически даровой энергии на основе различных устройств с электрическим поджигом термоядерных реакций, следует признать, что для полной уверенности в успехе нет достаточных научных обоснований.

В связи с этим хочется упомянуть и об одной совсем свежей нездоровой сенсации, в основу которой положено, впрочем, реальное достижение японских ученых. В Институте исследования атома при Токийском университете удалось добиться того, что антипротон живет в окружении обычного вещества очень большое по соответствующим масштабам время — несколько микросекунд. В связи с этим начали всерьез обсуждать возможности разработки «удивительно мощного источника энергии» на основе антивещества. О каком источнике энергии можно в этом случае говорить, если на образование каждой античастицы затрачивается энергии на много порядков больше, чем выделяется при ее аннигиляции? Это является следствием того, что античастицы несут энергию высокого качества, а на их образование затрачивается энергия изначально значительно более низкого качества, получаемая обычно в результате сжигания угля. Конечно, авторы сенсации преследуют в основном рекламные цели, но мне кажется, что в достаточно информированном относительно физических законов обществе такая реклама имела бы противоположные последствия и не была бы выгодна.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: