Аннотация: Публикуется в связи с авариями на атомных станциях Японии
Солнечная энергия позволяетжить на Земле
без нефти и атомных станций
Пришло время начать промышленный
выпуск искусственного топлива на основе
использования солнечной энергии
Вводные замечания
- Цены на нефть установились на высоком уровне. Согласно прогнозам их рост продолжится. Это позволяет тоталитарным режимам шантажировать мир.
- Атомные электростанции на тысячелетия засевают планету отравленным урожаем, и каждый день угрожают катастрофами. Жизнь и ядерные цепные реакции несовместимы.
- Концентрация солнечной энергии с помощью зеркал или полупроводниковых элементов требует больших затрат и огромных площадей.
- Армия не может надежно защищать страну без собственных источников топлива.
- "Ноу-хау" искусственного топлива, аккумулирующего энергию солнца, само по себе явится выгодным экспортным продуктом.
- В Израиле имеются все необходимые условия для надежного и постоянного обеспечения своих нужд топливом собственного производства.
Почему сегодня солнечная энергия используется лишь в малой степени (5% от электрической)? Главная причина состоит в том, что не найдены экономичные способы накопления естественного солнечного излучения.
Концентрация энергии с помощью зеркал оказалась слишком дорогой. Употребление полупроводниковых элементов требует чрезмерных площадей. Иные идеи, типа накачки лазера и химической солнечной трубы разрабатываются уже много лет без заметных успехов.
Почему-то поиски сосредоточились в направлении физических и химических методов. В то время как биологический способ давно изобретен и успешно используется природой. Это - фотосинтез в молекулах хлорофилла.
В самом деле, почти вся энергия, используемая человеком, заключена в нефти, газе, угле, торфе и древесине - продуктах изначально растительного происхождения.
Любопытно, первые сообщения о биотопливе повергли нефтяных магнатов и кормящихся вокруг них террористов в легкую панику. Иные источники не являлись для них конкурентными. СМИ заполнили истерические лозунги: "Биотопливо - это голод". Призывают толпы людей скрутить головы создателям биотоплива.
Оценим возможности биотехнологии получения искусственного топлива.
Предложение
А) Выращивать органическую среду - биомассу - в условиях симбиоза микроводорослей, бактерий и других микроорганизмов, в открытых бассейнах с пресной или морской водой.
В) Полученную биомассу химическим путём перерабатывать в искусственное
топливо типа спирта.
Количественные оценки
1. Урожайность биомассы
Планктон (криль) в естественных условиях в морской воде достигает плотности 15 кг/м3. В пресноводных прудах для откорма скота выращивают биомассу плотностью до 8 кг/м3.
Можно допустить, что в мелководном бассейне при оптимальных условиях специально подобранное сообщество мелких дрейфующих водорослей, бактерий и других микроорганизмов будет иметь плотность 5 кг/м3.
Известно, что бактерии размножаются чрезвычайно быстро и достигают полной зрелости за время менее 3 дней. Известно также, что за 10 дней вырастает поколение таких высокоорганизованных насекомых, как дрозофилы.
Допустим, что в бассейне "урожай" будет созревать за 15 дней.
В результате количество биомассы с 1 гектара (10000 м2) бассейна глубиной в 1 метр за 9 солнечных месяцев в год составит
5кг/м3 * 10000м2 * 30/15 дней * 9 мес. = 900 тонн
Напомним для сравнения, что урожайность пшеницы составляет до 9 тонн/га, сахарного тростника - 20 тонн/га, кукурузы - 60 тонн/га, морских водорослей до 160 тонн/га.
2. Энергетический эквивалент биомассы
Поскольку получение искусственного высокомолекулярного горючего типа нефти из органической массы до сих пор не производится, можно ориентироваться на расщепление биомассы с выходом низкомолекулярного горючего типа спирта.
Общее уравнение фотосинтеза:
6CO2 + 6H2O= C6H12O2 + 8O2 ,
Из глюкозы C6H12O2 с помощью обычной технологии получают этиловый спирт C2H5OH.
Можно принять, что выход спирта из биомассы составит 8 %. Для сравнения учитываем, что в винограде содержится до 12.5 % спирта.
При калорийности спирта 6500 ккал/кг получим с одного гектара в год
900000кг * 0.08 * 6500ккал/кг = 0.468 млрд. ккал
3. Энергетический баланс
Известно, что Солнечная постоянная равна 3 кал/мин*см2, то есть за минуту на 1 квадратный сантиметр поверхности Земли падает 3 калории энергии Солнца (справедливо для пустыни Негев в Израиле).
Поэтому полная энергия, падающая от Солнца на 1 гектар за 9 месяцев в год и 8 часов в сутки, составляет
3 кал/мин*см2 * 108 см2 * 480 мин * 270 дней * 10-3 ккал * 0.854 * 0.75=
= 24.9 млрд. ккал
Коэффициенты 0.854*0.75 учитывают отклонение Солнца от зенита и прозрачность атмосферы.
Таким образом, в расчёте допустили использование
0.468/24.9 = 0.0188, т.е. около 1.9 % всей энергии.
Известно, что при фотосинтезе растение использует до 4% всей энергии. Так что это ограничение не превышено, и имеется определенный резерв.
4. Замечания по осуществлению предложения
Неподвижные растения неизбежно затеняют друг друга. Это ограничивает интенсивность поглощения солнечной энергии. Эффективность фотосинтеза у свободно движущихся в бассейне организмов будет существенно выше. Они смогут периодически подниматься в верхние слои воды, насыщаться энергией Солнца, и опускаться вглубь для её усвоения, уступая место массам "голодных" частиц.
Экономичность процессов аэрации, перемешивания среды и фильтрации биомассы можно также повысить, используя энергию солнца.
Основная часть биомассы после выделения спирта будет возвращаться в бассейн, облегчая сохранение материального баланса.
Биомасса в бассейне будет поглощать энергию Солнца не поверхностью (квадратные метры), а объемом (кубические метры), то есть на порядки интенсивнее..
5. Финансы
Полная оценка новой технологии требует проведения экспериментов. На предварительном этапе можно ориентироваться на данные аналогичных производств.
Примем цену сырой нефти 100 долларов за баррель (160 литров). При выходе бензина 40% и его удельном весе 0.7 кг/л, исходная стоимость бензина
100дол/(160л * 0.4 * 0.7) = $2.23 за 1 кг.
Цена искусственного топлива типа спирта с калорийностью 6500 ккал/кг должна быть ниже, чем бензина с калорийностью 10000 ккал/кг. Учтём также непривычность для потребителей нового вида горючего - коэффициентом 0.75:
2.23 * 0.75 * 6500/10000 = $1.088за 1 кг.
В соответствии с п.2 на 1 кг спирта потребуется 12.5 кг биомассы. Примем затраты на получение спирта в 25% от стоимости продукта. Поэтому допустимая цена биомассы
0.75 * 1.088/12.5 = $ 0.0653 за 1 кг.
Тогда полная стоимость продукции (биомассы) с 1 гектара в год составит
900000кг * 0.0653 = $ 58752.
Для сравнения заметим: стоимость пшеницы с 1 гектара поля составляет сегодня $ 2500. В рыбоводческих хозяйствах при продуктивности 60 центнеров с гектара и цене $3 за 1 кг, полная стоимость продукции составляет
6000 кг * 3 = $ 18000.
Здесь следует учесть, что при химической переработке биомассы может быть получено много других ценных продуктов.
6. Многотоннажное производство
Для примера оценим необходимую площадь бассейнов для обеспечения топливом автомобильного парка Израиля.
1.7 миллиона автомобилей, проезжая за год по 15000 километров и расходуя по 10 литров на 100 километров, потребляют
Для разработки приемлемой технологии получения биомассы создаётся исследовательская группа в составе биологов, химиков и энергетика. Группа может разместиться в любой лаборатории существующего биологического центра.
На начальном этапе (1 год и $1 млн) ощутимым результатом работы станут
две пробирки - с биомассой и спиртом,
которые можно будет предъявить инвесторам вместе с расчётами.
Этот результат позволит основать фирму, продавать технологию и развернуть более масштабные эксперименты.
Для реализации идеи не требуются единовременные крупные вложения. Каждый предприниматель по своему желанию и возможностям строит бассейн, покупает у фирмы-разработчика "затравку", выращивает биомассу, которую продаёт заводу на переработку.
Масштабное производство биомассы будет рассредоточено на множество отдельных хозяйств.
Попутно страна получит развитие мелкого и среднего бизнеса и новые рабочие места.
Заключение
В космическом масштабе развитие жизни на Земле - это история открытия, усовершенствования и массового употребления метода накопления солнечной энергии.
На удачно расположенной на безопасном и достаточно близком расстоянии к неисчерпаемому ядерному Солнечному котлу Земле возник растительный и животный мир. Первичные клетки жили только днём. На ночь они погружались в анабиоз, чтобы с восходом Солнца снова включиться в лихорадочную гонку поиска лучшего способа накопления солнечной энергии. В этом была единственная надежда - выжить и совершенствоваться без непрерывной зависимости от солнечного освещения.
Величайшим событием на нашей молодой планете был момент, когда зёрнышко хлорофилла сумело связать лучик солнца с каплей воды и углекислого газа, и сделать кусочек материи. Так растения научились накапливать энергию Солнца и послужили источником энергии для животных.
Современная биология, химия и техника находятся на таком уровне, чтобы в короткое время и при небольших затратах решить проблему накопления энергииСолнца.
Эта технология актуальна для Израиля, к тому же она явится выгодным экспортным продуктом.
В земле Израиля нет кратковременного подарка - нефти. Взамен он имеет достаточной площади солнечную пустыню Негев (около 8000 км2), способную постоянно обеспечивать энергией все нужды народа, при его достаточной сообразительности и предприимчивости.
Последние события на атомных станциях Японии обязаны учитываться со всей серьезностью. Астрономы видят какие эффекты гудят в мертвой вселенной. Совсем не обязательно физикам тащить их на нашу Землю.
Похоже, что Создатель не предусматривал изобретение людьми атомных станций. Ему пришлось на примере Чернобыля, а теперь и авторитетной и несчастной Японии - напомнить о ТАБУ на атомные фокусы.