Энергия притяжения Луны. «В мире науки» №8-9, 2020

Энергия притяжения Луны. "В мире науки" №8-9, 2020

О том, что нам надо переходить на альтернативные энергетические источники, говорят уже давно, и чем дальше, тем громче. Один из таких источников — приливы

В рукописном научном трактате начала прошлого тысячелетия
неизвестный автор представил вариант вечного двигателя,
конструкцию которого невозможно оспорить. Изобретатель предложил
собрать крепкий шест, достаточно длинный для того, чтобы
дотянуться до Луны, соединив его наземный конец с шатунным
механизмом и возвратной пружиной. По его замыслу, Луна должна
была с помощью шеста приводить в движение шестерни механизма, а в
пору, когда ночное светило уходило «за Землю», пружина возвращала
шест в исходное положение, в котором он дожидался нового прихода
земного спутника.

Скорее всего, это была идея ради идеи и изобретатель вовсе не
планировал воплотить ее в жизнь, а просто демонстрировал живость
своего ума. В те давние времена человечество еще не испытывало
того острого дефицита энергии, в котором оно находится сейчас.
Жителям нашей планеты тогда вполне хватало энергии ветра, дров и
домашних животных. Зато сейчас пришло время вспомнить о давнем
проекте.

ВОДНЫЙ ПОМОЛ

Наш изобретательный предок сильно бы удивился, узнав, что
предложенный им шест уже давно существует и работает. И не один,
а целых два: второй связывает нас с Солнцем. Собственно,
существуют они столько же времени, сколько существуют Земля,
Солнце и Луна. Мы их называем гравитацией. Правда, шестерни они
не вращают, но воздействие на Землю оказывают серьезное.

О том, что уровень воды в больших водоемах изменяется несколько
раз в день, люди знали давно. Океанские и морские приливы и
отливы были настолько обычным явлением, что человечество даже не
особенно задумывалось над их причинами. Хотя в IV в. до н.э.
греческий купец и географ Пифей заметил, что изменение уровня
воды в океане зависит от движения по небу основных светил —
Луны и Солнца. Спустя три столетия его наблюдения развил в своих
трудах учитель Цицерона Посидоний. Правда, о гравитации там речи
не шло, да и не могло идти, поскольку о ней тогда люди еще
попросту не знали. Предполагалось, что наши светила обладают
неким особенным полумагическим притяжением наподобие магнита.

Труды Посидония были на некоторое время забыты, и первые
приливные мельницы строились без их учета. По косвенным данным,
самые древние из известных нам работали на реке Флит, в районе
современного Лондона, еще во времена Римской империи. Старейшая
из них, остатки которой удалось раскопать археологам, относится к
концу VIII в. Это небольшая мельничка при основанном святым
Патриком монастыре Нендрум в Северной Ирландии. Устроена она была
чрезвычайно просто. Во время прилива вода через открытые воротца
заполняла небольшой бассейн. Когда прилив сменялся отливом,
ворота закрывались и вода из бассейна спускалась через
специальное сливное отверстие, под которым находилось
закрепленное горизонтально колесо с мельничными лопастями. Поток
воды вращал лопасти, и это вращение передавалось уже на рабочие
жернова. Нехитрая установка развивала мощность чуть меньше одной
лошадиной силы и позволяла перемалывать до 4 т муки за сутки.

Первое документальное упоминание о приливной мельнице относится к
1086 г. В знаменитой «Книге Страшного суда», составленной по
результатам первой в средневековой Европе поземельной переписи,
говорилось о приливной мельнице, расположенной в Дувре, на берегу
пролива Па-де-Кале. Кроме нее в книге упоминалась мельница на
острове Трех Мельниц, что на реке Ли (приток Темзы).

Самая старая из сохранившихся до наших времен приливная мельница
была построена в городке Вудбридже в Восточной Англии еще в 1170
г. Она была уже значительно больше и мощнее, чем в Нендруме.
Колесо было вертикальным, наподобие пароходных, а площадь
приливного бассейна составляла 28 тыс. м2. Мельница
молола зерно вплоть до 1957 г.

Вообще, в начале прошлого века только по побережью Атлантического
океана работало более 750 таких мельниц, из них около 300 — в
Северной Америке, 200 — в Британии и примерно 100 — во Франции.

НЕБЕСНЫЙ НАСОС

Большая часть этих мельниц была построена без всякого
теоретического обоснования, хотя научная теория приливов
появилась еще в 1687 г. и создал ее, как и следовало ожидать,
отец закона всемирного тяготения сэр Исаак Ньютон. 

Основными «виновниками», как люди верно догадывались, оказались
Солнце и Луна. Своим притяжением они «подсасывают» земной водяной
покров. Причем если Солнце вызывает в сутки лишь один прилив, то
Луна отвечает за два. Один происходит, что называется, прямо «под
Луной», второй — на совершенно противоположной стороне планеты.
Секрет этого второго, парадоксального (на первый взгляд, на
противоположной приливу стороне должен быть как раз отлив),
прилива заключается в том, что на самом деле не Луна вращается
вокруг Земли, а и Луна, и Земля вместе вращаются вокруг одного
центра масс, который отстоит от центра Земли примерно на 5 тыс.
км, при том что радиус всей планеты составляет приблизительно 6,3
тыс. км. При вращении вокруг этого центра воды Мирового океана
под действием центробежной силы скатываются на сторону,
противоположную «подлунной».

Солнечная гравитация, действующая на Землю, в 200 раз сильнее
лунной. Но лунные приливы почти в 2,5 раза мощнее солнечных. Это
связано с тем, что характер прилива в большой степени связан с
неравномерностью распределения притяжения. Луна по сравнению с
Солнцем имеет почти точечный размер, ее радиус меньше радиуса
светила в 411 раз. Примерно во столько же раз она ближе к нам,
чем Солнце. Соответственно, солнечное притяжение распространяется
на всю освещенную сторону планеты почти равномерно, понемногу
притягивая воду. Луна же притягивает ближний участок значительно
сильнее, чем отдаленные, образуя на водной поверхности настоящий
горб. В открытом море он невысок, не более одного метра. Но по
мере приближения к суше высота его многократно увеличивается. Как
в случае с цунами, низенькая, но многосоткилометровая волна,
упираясь в сушу и набегая сама на себя, постепенно растет.
Наиболее интенсивным этот рост получается в узких местах
побережий — проливах, сужающихся заливах, устьях рек. Доходит до
того, что некоторые реки во время мощных приливов меняют
направление течения на противоположное. На Северной Двине
действие приливов в виде замедления течения ощущается за 200 км
от устья, а на Амазонке — до 1,4 тыс. км. Попав в узкую речную
заводь, прилив может создавать высокую, до 5 м, волну, движущуюся
против течения со скоростью 7 м/с. В Бразилии такую волну
называют «порока», во Франции — «маскаре», в Британии — «бор».
«Порока», кстати, при удачном стечении обстоятельств, проходит по
Амазонке до 300 км.

Удачное стечение случается тогда, когда лунный прилив совпадает с
солнечным. Такой прилив называется сизигийным, поскольку
происходит в дни сизигий — новолуний и полнолуний. Прямая
противоположность сизигийным — квадратурные (происходящие в дни
квадратур: первой и последней четверти нашего спутника) приливы.
Здесь Луна и Солнце располагаются под прямым углом по отношению к
Земле и не просто не помогают, но мешают друг другу, оттягивая на
себя чужие порции воды. В результате вода во время сизигийных
приливов поднимается на в 2,7 раза большую высоту, чем во время
квадратурных приливов.

Высота прилива в некоторых местах действительно впечатляет. В
районе залива Фанди (атлантическое побережье Канады) разница
уровней воды может достигать 18 м (высота шестиэтажного дома). В
устье реки Северн (Бристольский залив, Англия) высота прилива
доходит до 16,3 м, в Гранвиле (Франция) перепад уровней воды
доходит до 14,7 м, а в Сен-Мало — до 14 м. В то же время прилив в
Финском заливе редко превышает уровень 4-5 см, а в районе
Трапезунда (Черное море, Турция) — 8 см.

ЛУННЫЙ КИЛОВАТТ

По расчетам, мощность земных приливов составляет 2,5 ТВт. Для
сравнения: потенциальная мощность всех земных рек чуть превышает
850 МВт.

До начала прошлого века эти мощности мы худо-бедно использовали с
помощью тех же приливных мельниц. Кое-где были построены еще и
приливные насосы, приливные подъемники и даже приливные
лесопилки. Однако после того как человечество познакомилось с
фантастически дешевой и доступной энергией сгорания
углеводородного топлива, все другие способы ее добычи отошли в
сторону.

Вновь вспомнили о мощном альтернативном энергоресурсе лишь во
второй половине XX в. Первыми за сооружение промышленных ПЭС
(приливных электростанций) взялись французы. Еще в 1925 г. они
присмотрели перспективное место под приливную электростанцию
AberWrac'h
(департамент Финистер). И не просто присмотрели, а даже начали
строительство, но из-за финансовых проблем к 1930 г. забросили.
Однако конструкторские наработки, которые энергетики планировали
использовать на этой ПЭС, пригодились при строительстве
следующей, которая и стала действительно первой.

Идея построить работающую на энергии приливов электростанцию в
устье реки Ранс (провинция Бретань) родилась еще в 1921 г. Место
для этого было как нельзя более подходящим. Даже в самые плохие
квадратурные дни вода здесь дважды в сутки стабильно поднималась
на 8 м, а в дни сизигий высота прилива достигала 13,5 м. Но путь
от идеи до ее воплощения оказался долгим. Только в 1943 г.
Общество по изучению использования приливов
(Societe d'etudepour
I'utilisation des
marees, SEUM) провело
необходимые исследования и составило необходимое техническое
обоснование проекта ПЭС «Ля Ранс». Сами же работы по
строительству начались только в 1961 г.

Два года ушло на осушение строительной площадки. 20 июля 1963 г.,
когда бассейн будущей ПЭС был надежно заблокирован двумя мощными
дамбами, состоялась церемония закладки первого камня в фундамент.
А 26 ноября 1966 г. построенную «Ля Ранс» открыл лично президент
Франции генерал Шарль де Голль. Плотина общей длиной почти 800 м
отгораживала приливной бассейн общей площадью 22,5
км2. Собственно на электростанцию у плотины отводилось
332,5 м. На этом участке было смонтировано 24 турбины общей
мощностью 240 МВт. Сейчас эта электростанция — крупнейшая в
Бретани, на ней производится около 60% электроэнергии провинции,
за год — более 600 млн кВтч. Постройка обошлась французам в 620
млн франков (на сегодняшние деньги — примерно €740 млн). Однако
за время работы станция себя уже давно окупила, и теперь ее
электричество стоит дешевле, чем ток АЭС и ГЭС, — 1,8 цента за
кВт-ч против 2,5 центов.

Станция во Франции была построена, начало приливной энергетике
было положено — и на этом дело остановилось. Почти.

БЫСТРЕЕ, ВЫШЕ, СЛАБЕЕ

В России первые приливные мельницы были построены на Белом и
Баренцевом морях еще в XVII в. Приливы здесь поднимают воду на
высоту до 10 м. И когда в начале 1960-х гг. руководство СССР
узнало, что французы строят первую ПЭС, вопрос о том, у кого
приоритет больше, решился моментально. Наш ответ капиталистам
решено было дать в Баренцевом море на Кислой губе, недалеко от
поселка Ура-Губа. Место, будто специально созданное для этого
природой, — естественный залив площадью более 1 млн
м2, глубина — около 35 м и узкое, всего 40 м, горло
залива. Единственными существенными минусами было то, что
площадка располагалась довольно далеко от других промышленных и
строительных объектов и к ней не было подведено нормальных дорог.

Чтобы ускорить темпы строительства, конструкторы придумали
способ, который сейчас называется наплавным. А именно: здание
размером 36 х 18,5 м и высотой 15,35 м, которое одновременно
служило и плотиной, было построено не на Кислой губе, а в
строительном доке на мысе Притыка, рядом с Мурманском. А после
постройки его вместе с уже смонтированным оборудованием вывели из
дока и отбуксировали по месту службы, где установили на
выровненное и подготовленное дно. Открыли станцию в 1968 г.; она
была оборудована двумя гидроагрегатами общей мощностью 400 кВт.

Конечно, 400 кВт даже для конца 1960-х гг. было не бог весть что.
Но эта станция принесла миру никак не меньше пользы, чем ее
сестра на Рансе, потому что именно она стала одной из основных
мировых экспериментальных площадок по отработке новых технологий,
связанных с приливной энергетикой. Одно из последних ноу-хау —
разработка новой ортогональной турбины, работающей при любом
направлении потока.

Одним из минусов турбин, работающих на приливных электростанциях,
было то, что между приливами и отливами их приходилось
останавливать, чтобы повернуть лопасти. Только в этом случае они
вращались в одном направлении и при приливе, и при отливе. Такие
остановки через каждые пять-шесть часов приводили к тому, что ПЭС
могли использоваться только как резервные электростанции в
больших энергосетях. Подумайте сами, понравилось бы вам жить в
таком режиме: пять часов в вашем доме электричество присутствует,
потом оно выключается и только почти через час включается опять.

Ортогональную турбину примитивно можно представить как бочку,
разрезанную на две половинки, закрепленные на оси напротив друг
друга. Если их поместить в поток воды, одну из них он будет
омывать по внешней стороне, а другую ударять изнутри, толкая ее
вперед. Соответственно, вся конструкция при любом направлении
потока будет вращаться в одну сторону. Такие турбины уже давно
использовали в ветряной энергетике, но для приливной они
оказались плохо приспособленными. Разработанные в середине 1980-х
гг. в Канаде и Японии прототипы выдавали низкий, 40-процентный
КПД. Зарубежные специалисты отчаялись произвести на их основе
что-то стоящее и забыли об идее. Разворачивать лопасти им
показалось легче. Зато от нее не отказались наши ученые. В
результате за 11 лет они разработали горизонтальную турбину,
которая в зависимости от диаметра выдавала КПД от 60 до 75%.
Установив такой агрегат на Кислогубской ПЭС диаметром 2,5 м,
конструкторы увеличили ее выходную мощность с 400 до 580 кВт.

БОЛЬШЕ, ЛУЧШЕ, КРАСИВЕЕ

Но все-таки освоение дешевой энергии приливов оказалось настолько
дорогим, что следующая промышленная ПЭС была открыта только в
сентябре 1984 г. На этот раз приливами заинтересовалась Канада.
Свою станцию мощностью 20 мВт она построила в устье реки
Аннаполис, на острове Хогс. Амплитуда приливов тут колеблется от
4,4 до 8,7 м.

И снова затишье на долгие два десятилетия.

Активизация началась только в начале нового тысячелетия. В
сентябре 2003 г. ПЭС мощностью 300 кВт была запущена в Норвегии.
Постройка станции обошлась в $11 млн, за год она выдавала около
700 тыс. кВт-ч электроэнергии, однако проработала недолго, всего
четыре года, затем проект был свернут.

А чуть раньше, в июне того же года, опытную турбину мощностью 300
кВт на Девонском побережье Великобритании установила компания
Marine Current Turbines
(MCT, «Турбины морского течения»). Впрочем,
девонская ПЭС в корне отличается от своих предшественниц прежде
всего тем, что у нее отсутствуют плотина и отгораживаемый ею
приливный бассейн. В сущности, это обычный ветряк, только
опущенный под воду. Такой способ получения приливной энергии еще
в 1960-х гг. предлагал использовать советский ученый, доктор
технических наук Б.С. Блинов. Он называл такие
гидроэлектростанции в отличие от классических плотинных
(гравитационных) свободно-поточными. По расчетам, в такой
электростанции двухлопастной пропеллер диаметром 1 м при скорости
течения 2 м/с (7 км/ч) может выдавать до 7 кВт мощности. Агрегат
от MCT снабжен однонаправленными пропеллерами
диаметром 11 м, в движение его приводит приливное течение.
Вращается пропеллер относительно медленно, за минуту он совершает
всего 20 оборотов, а это значит, что протесты «зеленых»,
утверждающих, что ПЭС представляют опасность для местной фауны,
мягко говоря, несколько преувеличены.

Протестировав свое детище на девонских берегах, компания уже в
августе 2008 г. поставила еще одну станцию у берегов Северной
Ирландии, в зоне действия приливного течения залива
Странгфорд-Лох. Новая ПЭС получила название SeaGen
(«Морской генератор»). Тут уже на одной подводной башне
закреплены две турбины диаметром 16 м каждая, лопасти которых
вращаются еще медленнее, делая всего 14 оборотов в минуту, но
энергии при этом производя значительно больше, чем девонская
предшественница. При необходимости, например при поломке, башня
может раздвигаться, как подзорная труба, поднимая турбины над
водой. В октябре 2012 г. компания подвела предварительные итоги
работы станции, и они оказались вполне положительными. При
установленной мощности в 1,2 МВт она вырабатывала 22,53 МВт-ч в
день, выдавая в среднем 1 ГВт-ч за 68 дней, что эквивалентно
годовой выработке в 5,4 ГВт-ч.

Однако самой мощной продолжала оставаться французская «Ля Ранс» —
вплоть до 2011 г., когда в Южной Корее открыли станцию мощностью
254 МВт (на 14 МВт больше, чем во Франции) — Сихвинскую ПЭС.
Озеро Сихва, на котором работает станция, расположено в 40 км от
Сеула. По сути, это даже не озеро, а морской залив, отгороженный
от Желтого моря дамбой. Приливы здесь достигают высоты 9 м. Через
десять турбин станции за год проходит около 60 млрд т воды.
Годовой выработки в 552,7 ГВт-ч достаточно, чтобы «прокормить»
расположенный рядом полумиллионный город Ансан.

Сегодня в Корее на стадии строительства находятся еще две более
мощные станции — на 800-1300 МВт, 520 МВт. В остальных
странах ПЭС имеют экспериментальный характер и вырабатывают
минимум энергии. Среди таких стран Канада (20 МВт), Китай (3,2
МВт), Нидерланды (1,2 МВт), Индия (план на 50 МВт).

Но 254 МВт и даже 1,3 ГВт — это далеко не предел. Еще во времена
СССР были разработаны и полностью просчитаны куда более
грандиозные проекты. На Охотском море запланирована постройка
Тугурской ПЭС мощностью 3,6-8 ГВт. Энергия от этой северной
электростанции будет направлена в Юго-Восточную Азию.

В утвержденной еще в РАО «ЕЭС» Генеральной схеме размещения
объектов электроэнергетики до 2020 г. на 2016—2020 гг. было
запланировано начать подготовительные работы по строительству на
Белом море Мезенской ПЭС. Площадь отсекаемого для нее бассейна
составит 2640 км2 (в 120 раз больше, чем на Рансе).
Предполагаемая мощность составит от 11 до 24 ГВт — в зависимости
от того, какие агрегаты будут установлены. Общая протяженность
плотины по проекту равна 53,2 км. Сооружаться она будет уже
описанным наплавным способом на глубине до 10 м. Вырабатываемые
станцией в год 40 млрд кВт-ч будут поступать в объединенную
энергосистему страны и экспортироваться в Европу. Стоимость
проекта оценивается в $12,2 млрд, или $1072 за кВт-ч (при
мощности 11,4 ГВт). Для сравнения: последние из крупных
построенных у нас ГЭС, Гилюйская и Средне-Учурская, стоили
соответственно $1587 и $1316 за кВт-ч. Расчетная стоимость
электроэнергии, получаемой от Мезенской ПЭС, в два раза меньше,
чем на Гилюе: 31 цент за кВт-ч против 63 центов. Вообще, при
длительном использовании ПЭС ее энергия получается самой дешевой
из возможных. В связи с накопившимися проблемами сроки
строительства были отодвинуты, однако отказываться от него никто
не собирается. Более того: на месте будущего строительства уже
реализован предварительный проект Малой Мезенской ПЭС мощностью
1,5 Мвт. Предполагается, что сама станция будет состоять из серии
именно таких малых ПЭС.

Но и Мезенская ПЭС, если сравнить ее с другим российским
проектом, Пенжинской ПЭС, выглядит почти игрушкой.
Спроектированная для района Пенжинской губы в Охотском море, где
приливы достигают рекордных для Тихого океана 12,9 м, при площади
бассейна 20,5 тыс. км2 она могла бы выдавать от 87 до
120 ГВт мощности. Ни один проект в мире даже не приближается к
такому показателю. Реализация первой очереди намечена на
2020—2035 гг., общая стоимость составит $260 млрд (первая очередь
— $60 млрд).

Но это все капитальные сооружения. А в июне 2006 г. двое ученых
из английского Саутгемптонского университета Стив Тернок и
Сулейман Абу-Шарх разработали и в 2011 г. выпустили в продажу
портативные приливные генераторы, так сказать, для личного
пользования. Внешне агрегат напоминает небольшую самолетную
турбинку диаметром 25 см. Основное преимущество турбинки —
простота и дешевизна. Разработчики намереваются наладить массовое
производство таких турбинок, чтобы каждый житель Земли, живущий
недалеко от приливов, смог бы запитать от океана (моря, реки)
свои телевизоры (компьютеры, электробритвы).

Энергию приливов хотят использовать даже дизайнеры, но уже в
эстетических целях. В рамках проекта Aluna они хотят
построить в Англии и Австралии гигантские лунные часы диаметром
45 м и высотой 15 м. По замыслу британского дизайнера Лоры
Уильямс, руководителя созданной под это начинание общественной
организации Aluna Limited, часы будут
представлять собой три светящихся диска. Внешний будет светлым
сектором отображать фазу Луны. В полнолуние он будет полностью
освещен, в новолуние — практически черен и т.д. Средний диск
небольшим освещенным сектором будет показывать положение нашего
спутника относительно находящегося в центре наблюдателя.
Внутренний, торчащий из земли, диск будет показывать уровень
прилива в данное время в данном месте. Энергию для Aluna
будет давать небольшая расположенная поблизости приливная
турбина. Все это, конечно, пока красивый проект, но ведь так
хорошо будет постоять или посидеть под такими часами и посмотреть
на Луну, благодаря которой будет действовать вся эта красота. Тем
более что в современном мире с его кризисами и скачками цен на
нефть мы на нее, такую величественную, спокойную и близкую, так
редко смотрим.

Валерий Чумаков

Иллюстрация на странице: Кислогубская ПЭС, Россия

Источник: scientificrussia.ru