Вечный двигатель не для энергии, а для науки
«Спицы колеса изогнуты и частично заполнены ртутью таким образом, что при вращении ртуть перетекает с одной стороны сосуда на другую, заставляя колесо продолжать движение» — эта конструкция была создана примерно в 1150 году индийским математиком Бхаскарой II и стала первым упоминанием вечного двигателя. Хотя сам изобретатель в то время вряд ли задавался целью открыть источник бесконечной энергии, он скорее пытался создать символ сансары — вечного круговорота бытия.
На протяжении веков развития науки многие ученые находились в поиске источника бесконечной энергии и предлагали различные механизмы так называемых вечных двигателей (лат. Perpetuum Mobile). Их идеи чаще всего основывались на трех потенциальных источниках энергии — воздействии гравитации, магнитных свойствах или химических реакциях.
Среди авторов вечных двигателей много известных имен, таких как Роберт Бойль, Иоганн Бернулли, Симон Стевин, Леонардо да Винчи, Никола Тесла и другие.
Но все вечные двигатели, начиная с колеса Бхаскары, невозможны. Каждый такой механизм нарушает первый или второй закон термодинамики либо оба закона одновременно. Создать машину, способную работать бесконечно без внешнего источника энергии, нельзя.
И хотя современная наука постулирует, что перпетуум мобиле не может существовать, бесконечный поиск источника бесконечной энергии двигает науку вперед и приводит ученых к новым открытиям. Так, Леонардо да Винчи во время своих экспериментов пришел к выводу о невозможности существования «вечного колеса» и тем самым приблизился к открытию закона сохранения энергии. А голландский ученый Симон Стевин доказал закон равновесия тела на наклонной плоскости.
Каждая новая предлагаемая конструкция вечного двигателя — занимательная задача для физиков. Исходя из текущего научного консенсуса, вечный двигатель существовать не может, значит, ученому просто необходимо объяснить, почему данная конструкция не работает. Часто такие задачи возникают в результате собственных мысленных экспериментов физиков. Например, идея броуновского храповика как вечного двигателя впервые была предложена Габриэлем Липпманом в 1900 году, и только в 1912 году Мариан Смолуховский дал адекватное объяснение, почему она не работает. Но все эти годы ученые не считали, что такая машина возможна, а лишь не могли найти решение этой научной задачи.
Примеры мысленных экспериментов ученых
Демон Максвелла — мысленный эксперимент, предложенный Джеймсом Максвеллом в 1867 году. В нем воображаемый демон управляет небольшой дверкой между двумя контейнерами, наполненными одним и тем же газом с одинаковой температурой. Когда быстро движущаяся молекула в первом контейнере подходит к двери, демон пропускает ее во второй контейнер. И наоборот, из второго контейнера более медленные молекулы он пропускает в первый. Таким образом, газ в первом контейнере охлаждается, а во втором нагревается. Демон должен нарушать второй закон термодинамики (тепло не может переходить от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без добавления энергии). Но это не так. На практике любой «демон» будет расходовать больше энергии, чем создавать, поскольку должен уметь измерять скорость молекул и избирательно пропускать их через дверь.
Броуновский храповик — простое устройство, состоящее из крошечной шестеренки, которая свободно вращается в одном направлении, но не может вращаться в противоположном из-за сдерживающей его собачки. Конструкция настолько маленькая, что приводится в движение броуновским движением молекул газа (хаотическое тепловое движение частиц под действием ударов молекул окружающей среды), которые ударяются о лопасти, и шестеренка из-за собачки вращается только в одном направлении. Если бы такая машина работала успешно, то она бы тоже нарушала второй закон термодинамики. Но по факту этот механизм находится в молекулярном масштабе, в котором броуновское движение будет влиять на сам храповик и вызовет его случайный отказ. А значит, никакие законы физики снова не нарушаются.
Энергия вакуума — это фоновая энергия, которая существует в пустом пространстве (вакууме) и считается энергией нулевой точки. В 1948 году голландские физики Хендрик Казимир и Дирк Польдер предсказали существование крошечной силы притяжения между близко расположенными металлическими пластинами из-за резонансов энергии вакуума в пространстве между ними. Сейчас это известно как эффект Казимира и было широко подтверждено экспериментально. Аналогичный анализ можно использовать для объяснения излучения Хокинга. Физик Стивен Хокинг предположил, что создание виртуальных частиц вблизи горизонта событий черной дыры является механизмом возможного «испарения» черных дыр. Существование энергии вакуума иногда используется как теоретическое обоснование возможности существования машин со свободной энергией, то есть по сути вечных двигателей. Но никаких подтверждений этому нет, природа вакуумной энергии остается нерешенным вопросом для ученых.
Возможно, вечный двигатель кто-то скрывает?
Вокруг концепции вечного двигателя существуют теории заговора. Самая популярная — теория подавления свободной энергии. Ее сторонники утверждают, что вечный двигатель был изобретен, но скрывается от общественности корпорациями или правительствами. Если бы источник бесплатной и экологически чистой энергии стал доступен каждому, то учреждениям ядерной промышленности или компаниям, владеющим месторождениями ископаемого топлива, это стало бы невыгодно.
По мнению сторонников этой теории, к подавляемым источникам бесплатной энергии помимо вечных двигателей относятся генераторы холодного ядерного синтеза, заимствованные внеземные технологии, антигравитационные двигатели. Все это не доказанные наукой технологии.
Так, сторонники теории утверждают, что Никола Тесла разработал систему, которая могла генерировать неограниченное количество бесплатной энергии, но дальше эта разработка по тем или иным причинам не прижилась. Речь идет о башне Ворденклиф, которая на самом деле предназначалась для бесплатной передачи энергии и была первой беспроводной телекоммуникационной башней, саму энергию в ней необходимо было генерировать с помощью обычных средств.
В XX веке в научном сообществе любые концепции свободной энергии перестали рассматриваться всерьез после появления теории относительности Альберта Эйнштейна, которая была принята за основополагающую.
Как фантастические идеи превращаются в реальность
Английский писатель и футуролог Артур Кларк, создавший совместно с режиссером Стэнли Кубриком сценарий фильма «Космическая одиссея 2001 года», предсказал будущее. В 1945 году он написал научную статью «Ретрансляторы вне Земли», в которой предложил идею геостационарных спутников. Во второй половине XX века эта идея была реализована и стала основой для всех современных систем коммуникации, в том числе интернета. Эту идею Кларк не патентовал, но впоследствии она принесла ему множество наград, а геостационарная орбита по инициативе Международного астрономического союза официально называется орбитой Кларка.
Помимо спутников Артур Кларк в своих фантастических произведениях делал технологические предсказания о новых источниках энергии — квантовый двигатель звездолета в романе «Песни далекой Земли» (1986) или космическая регата, движимая энергией солнечного света, в рассказе «Солнечный ветер» (1964).
Идеи в произведениях писателей-фантастов часто опережают научный прогресс и дают представление о том, к каким технологиям может стремиться современное общество в поиске дешевой, доступной и чистой энергии для своего прогресса.
Солнечные парусники и идея «запереть» Солнце
Космическая регата Артура Кларка основывается на принципе так называемого солнечного ветра. Солнечный свет оказывает на предметы очень слабое, но материальное давление. И в космосе, где вес предметов минимален из-за невесомости, возможно осуществить перемещение космического корабля с большим отражающим парусом при помощи солнечного света. Так, в 1960-е годы Кларк отправил масштабную регату космических парусников, а уже в следующем десятилетии начались реальные испытания подобных парусов на орбите. И в 2010 году Япония запустила космический аппарат с солнечным парусом IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation оf the Sun), который должен был испытать возможность перемещения в космосе при помощи солнечного света, добраться до Венеры и исследовать климат этой планеты.
Другой фантастический проект, связанный с энергией Солнца в космосе, — это размещение солнечных панелей прямо на орбите Земли и беспроводная передача энергии от них на Землю. Солнечные панели, установленные на Земле, получают только половину энергии Солнца, остальная часть фильтруется атмосферой (29% солнечной энергии отражается обратно в космос, 23% поглощают водяной пар, озон и пыль в атмосфере). Вторая проблема — низкий КПД солнечных батарей и способность работать только в светлое время суток (в реальности их максимальная эффективность составляет 22%).
Космические солнечные панели могут обеспечить население планеты огромным запасом энергии, главный вопрос в способе ее транспортировки на Землю. Ученые видят два способа беспроводной передачи — микроволны и лазер. Оба способа технически возможны, но пока еще неосуществимы на практике из-за больших затрат на создание и обслуживание.
Самой сюрреалистичной идеей в области солнечной энергетики можно считать проект сферической оболочки вокруг Солнца или другой звезды, предложенный американским физиком Фрименом Дайсоном в 1960 году. Сфера Дайсона должна зациклить всю энергию, исходящую от звезды, в пределах этой оболочки. Саму идею физик позаимствовал в фантастическом романе британского писателя Олафа Стэплдона «Создатель звезд» (1937).
Антиматерия, черные дыры и энергия вакуума
Вполне научное понятие антивещества, описанное в работе нобелевского лауреата 1933 года Поля Дирака, стало основой для появления в фантастике целого технологического направления. Частицы антиматерии и материи имеют одинаковую массу, но отличаются электрическим зарядом. Когда материя и антиматерия встречаются, то выделяют огромное количество энергии (масса этих частиц умножается на квадрат скорости света). По этому принципу работает варп-двигатель на звездолете Enterprise из фантастической вселенной «Звездный путь» Джина Родденберри (первый фильм вышел на экраны в 1966 году). Принцип работы двигателя состоит в деформации пространства впереди и позади корабля, за счет чего он может двигаться быстрее скорости света. При этом сам корабль находится в «пузыре» и не деформируется, он перемещается вместе с искаженным пространством вокруг него. В реальности производство энергии из антивещества очень затратно, а его использование и хранение логистически трудно осуществимы.
В другом научно-фантастическом сериале 1994 года «Звездные врата» энергия для межгалактических перемещений исходит от модуля нулевой точки, то есть, по сути, источником является энергия вакуума. По сюжету фильма древние люди построили реактор, который способен накапливать феноменальную энергию, позволяет проходить через врата и создавать мощное оружие. На самом деле энергия вакуума существует, ее можно рассчитать, но ее сила ничтожно мала.
Другой фантастический сюжет — реактор, работающий на микроскопических черных дырах. Эта идея получила развитие среди писателей-фантастов после открытия Стивеном Хокингом эффекта «испарения» черной дыры, то есть фактического превращения материи в энергию.
Водоросли и электростанция для Атлантиды
Не самый популярный сюжет в фантастической литературе, но наиболее реалистичный среди всех вышеперечисленных источников энергии будущего — фотосинтез водорослей. Во время фотосинтеза — биологического процесса преобразования энергии в питательные вещества — водоросли производят электроны, которые можно использовать как источник электропитания. Возможно, батарей, работающих на водорослях, будет недостаточно, чтобы покрыть потребности человечества, но в этой технологии точно есть потенциал развития экологически чистого источника энергии, например, для сельскохозяйственных районов, не подключенных к энергосети.
Энергия приливов и энергия волн — две технологии, которые уже используются для производства электроэнергии в мире. Более сложная и интригующая исследователей технология — тепловая энергия океана. Океан занимает 71% поверхности планеты со средней глубиной 3688 м, а самая глубокая часть — Бездна Челленджера, расположенная в южной части Марианской впадины, — 10935 м. Это дает колоссальную амплитуду температур на разных глубинах и позволяет приводить в действие турбины, вырабатывающие электроэнергию. Получается, что океаническая тепловая электростанция — отличный источник энергии для существования Атлантиды, а в реальном мире — хорошее подспорье для тропических регионов, где температура поверхностных вод выше, чем в других частях планеты.