Книга Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

Даже при использовании очень больших зеркал четкость изображения не пропадала. Чем больше зеркала, тем дальше позволял заглянуть телескоп. Живший в XVIII в. астроном Уильям Гершель довел использование этого принципа до крайних пределов [47]. Он сделал больше, чем кто-либо другой, для повышения мощности отражательных телескопов, сумел увидеть астрономические объекты за пределами Солнечной системы. «Великая цель, – писал он сэру Джозефу Бенксу, президенту Королевского научного общества, – увеличить то, что я назвал “силой проникновения в космос”» [48]. Шлифуя и полируя все более и более крупные зеркала, Гершель сумел в конце концов разглядеть, что некоторые мельчайшие световые точки на небе являются на самом деле распыленными объектами [49]. Некоторые из этих «туманностей», как было доказано позже, – это галактики, подобные Млечному Пути. С тех пор размеры отражательных телескопов значительно увеличились: в 1917 г. на горе Уилсон был установлен телескоп Хукера с зеркалом диаметром 2,5 метра, а в 1948 г. на горе Паломар – телескоп Хейла с зеркалом диаметром 5 метров. Сегодня телескопы с зеркалами диаметром более 10 метров, установленные на горных вершинах Канарских и Гавайских островов, позволяют с невиданной ранее точностью вести наблюдение за ночным небом.

Фотоны не только переносят информацию о соприродных им звездах, но переносят и энергию. Задолго до изобретения телескопов зеркала использовались, чтобы улавливать и фокусировать энергию света ближайшей к нам звезды – Солнца.

Солнечная энергия

В середине XVII в. Афанасий Кирхер, ученый-иезуит, установил пять зеркал, чтобы направить солнечный свет на мишень на расстоянии 30 метров. Температура воздуха около мишени была настолько высокой, что его помощник чувствовал себя рядом с ней крайне некомфортно. «Какого ужасного результата можно было бы добиться, – размышлял Кирхер, – использовав тысячу зеркал!» [50]. Кирхер, вероятно, был знаком с легендой об архимедовых зеркалах. В начале III в. до н. э., когда римские корабли под командованием полководца Марцелла подошли к Сиракузам, Архимед велел находившимся на берегу солдатам разместить блестящие щиты таким образом, чтобы они направляли отраженные солнечные лучи на вражескую армаду. В результате концентрация тепла оказалась столь высока, что вражеские корабли загорелись. Действительно, хорошо зная геометрию, Архимед мог рассчитать, как сфокусировать лучи света и как нацелить метательные орудия, чтобы разрушить корабли противника до того, как они смогут подойти близко к берегу и высадить десант [51].

В книге «Pirotechnia», изданной в XVI в., Ванноччо Бирингуччо вспоминает о беседе с другом, изготовившим зеркало диаметром почти 70 сантиметров. Однажды, наблюдая за парадом войск в германском городе Ульме, этот человек стал развлекаться тем, что постоянно направлял отражаемый зеркалом солнечный свет на железные доспехи одного из солдат. В результате их температура повысилась настолько, «что стала почти невыносимой… а одежда под доспехами вспыхнула и сгорела, причинив ему ужасные страдания» [52].

В XVI в. Леонардо да Винчи придумал новое применение для солнечных лучей в мирных целях. Как всегда амбициозный, Леонардо намеревался изготовить вогнутое зеркало диаметром шесть километров, которое концентрировало бы солнечную энергию в точке главного фокуса, чтобы нагревать воду или плавить металлы [53]. Как и многие его изобретения, этот проект остался на бумаге. Лишь с наступлением промышленной революции в Великобритании появилась возможность изготавливать линзы и зеркала больших размеров, хотя и не таких, о каких мечтал Леонардо. В последние годы своей жизни Генри Бессемер построил солнечную печь для плавки металлов. Отражатель, установленный внутри башни высотой 10 метров, направлял солнечный свет на расположенное на крыше вогнутое зеркало площадью четыре квадратных метра. Зеркало направляло сфокусированный с помощью линзы поток света в нижнюю часть башни на тигель. Бессемеру удавалось плавить медь и испарять цинк, но в целом это весьма дорогое устройство оказалось не очень эффективным. Спустя несколько лет даже Бессемер «разочаровался в солнечной печи и отказался от ее использования» [54].

По другую сторону Атлантики, в Филадельфии, американский изобретатель Фрэнк Шуман обратил внимание на проблему концентрации солнечной энергии. На рубеже XX в., используя способность стекла удерживать тепло, он поднимал температуру воды в придуманном им «солнечном нагревательном резервуаре» почти до точки кипения, даже когда на земле лежал снег [55]. «Я уверен, что мое изобретение будет иметь успех во всех жарких странах, – писал он. – Оно принесло бы пользу и здесь в любой из солнечных дней, но сами знаете, какая у нас погода» [56]. В Египте, где погода более подходящая, его солнечные нагревательные резервуары нагревали воду для паровых машин, с помощью которых перекачивалась вода для орошения полей. Другой изобретатель, Обри Энеас, построил гигантские конические отражатели площадью в несколько квадратных метров, чтобы улавливать энергию солнца в таких солнечных штатах, как Калифорния и Аризона. Энеаса также воодушевили параболические вогнутые рефлекторы, изобретенные Джоном Эриксоном, американским инженером шведского происхождения, который построил броненосец Monitor во время Гражданской войны в Америке, а последние 20 лет жизни посвятил созданию устройств, использующих солнечную энергию. Бессемер и Эриксон, безусловные новаторы в производстве и применении железа, были озабочены тем, что запасы каменного угля для плавки железной руды и работы паровых машин постепенно истощаются, и поэтому искали альтернативные источники энергии. План Энеаса состоял в том, чтобы предоставить дешевый источник энергии жителям пустынь, не имеющим возможности закупать каменный уголь. Увеличив масштаб своих систем, оба изобретателя надеялись производить более дешевую солнечную энергию, но даже в этом случае системы ее концентрации не могли производить электричество, как на традиционных электростанциях. И здесь мало что изменилось и в наши дни. В Испании, на засушливых равнинах вблизи Фуэнтес де Андалусия, было установлено более 2500 зеркал площадью 120 квадратных метров, направляющих солнечный свет на башню в центре. Там расплавленная соль нагревается до температуры почти в 600 °С. Расплавленная соль может храниться в цистернах, пока не потребуется, чтобы привести в действие паровые турбины и выработать электричество. Но без значительных субсидий даже это современное предприятие неконкурентоспособно.

О солнечной энергии на время забыли и вспомнили о ней вскоре после Второй мировой войны, когда ученые из Белловских лабораторий в Нью-Йорке начали исследовать некоторые необычные свойства кремния. Исследования Джеральда Пирсона, Дэрила Чейпина и Калвина Фуллера привели в 1954 г. к созданию первого кремниевого фотоэлектрического элемента.

Фотоэлектрические элементы

Дэрил Чейпин получил задание от Белловских лабораторий разработать новый портативный источник электропитания для систем телефонной связи, предназначенных для работы в тропическом климате, где традиционные батареи из сухих гальванических элементов садятся очень быстро. Он начал исследовать в качестве возможных вариантов ветряные электрогенераторы, паровые двигатели и солнечную энергию. Вместо того чтобы улавливать энергию солнца с помощью зеркал и тепловых резервуаров, Чейпин решил исследовать возможность преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта.