20 инноваций, которые спасут нашу планету — Naked Science
39 минут
Илья Ведмеденко

20 инноваций, которые спасут нашу планету

4.3

Человек – главная причина глобального потепления. Но он же может стать и спасением для экосистемы Земли. Сегодня речь пойдет о передовых технологиях, которые помогут (или уже это делают) избежать негативных последствий климатических изменений, вызванных, как считают ученые, деятельностью людей. Встречайте топ-20 проектов, программ и направлений, который позволят сделать наш мир лучше.

Добыча полезных ископаемых на астероидах / ©Naked Science №46

Электромобили

Кто-то по старой, доброй традиции критикует Илона Маска, а кто-то  восхищается модными электрическими авто. В то же время статистика совершенно безэмоционально приводит данные, которые еще десять лет назад казались фантастикой: в первом квартале 2013 года в Штатах продали почти пять тысяч Tesla Model S, что сделало модель самым популярным люксовым седаном. Такие гиганты, как BMW седьмой серии, остались позади. Дальше – больше. Только в четвертом квартале 2018 года произвели почти 62 тысячи одних Tesla Model 3, а всего за позапрошлый год их изготовили 245 тысяч, что сделало модель самым продаваемым электромобилем в мире.

Сейчас ученые не могут однозначно оценить пользу и вред от электромобилей. Стоит отметить, что электрические авто потребляют энергию, которую вырабатывают неэкологичные электростанции, работающие на ископаемом топливе. Однако ясно, что нулевые выбросы парниковых газов – намного лучше, чем даже самые высокие показатели у обычных машин, а решение проблем с утилизацией небезопасных для экологии батарей электромобилей окончательно сделает этот вид транспорта экологически чистым.

Водородный транспорт

Сегодня по всему миру активно производят автомобили, автобусы и даже поезда, использующие водород в качестве топлива. Так, еще в 2016 году в Германии показали первый водородный поезд – Coradia iLint – от компании Alstom. Среди брендов, представивших водородные автомобили: BMW, Mazda, Ford, Honda, Hyundai, Toyota и многие другие.

В будущем машины могут использовать водородное топливо / © Naked Science №46

По оценкам ученых, применение водорода в качестве энергоносителя даст возможность резко сократить потребление ископаемого углеводородного топлива. Однако не все так просто. Высокая летучесть водорода и легкость его воспламенения делают это топливо весьма опасным. Сюда следует добавить отсутствие необходимой для хранения инфраструктуры (по крайне мере, сегодня) и опыта повсеместного применения.

Зеленая авиация

То, что самолеты загрязняют окружающую среду, очевидно и не вызывает никаких сомнений. По словам профессора Ульриха Шумана из Института физики атмосферы Немецкого аэрокосмического центра, на долю авиации приходится примерно три процента антропогенного парникового эффекта. Это намного больше, чем может показаться, ведь из такого рода составных частей в итоге и вырисовывается неблагоприятная картина.

«Солнечный» самолет Solar Impulse / © Naked Science №46

Заменить обычный самолет зеленым сложнее, чем заменить электромобилем обычное авто. Но это тоже выполнимая задача. Впервые о перспективах экологически чистых самолетов всерьез заговорили после того, как в 2009 году «солнечный» самолет Solar Impulse смог продержаться в воздухе десятки часов. Это первый пилотируемый самолет, который способен летать за счет энергии солнца неограниченно долго, запасая энергию в аккумуляторных батареях и набирая высоту днем. Машина получила четыре электромотора, которые приводятся в движение энергией, собираемой массивом из множества фотоэлементов, размещенных на крыльях.

И это только начало. Еще в 2017 году корпорация Airbus совместно с Rolls-Royce и Siemens начала реализовывать программу E-Fan X, предполагающую создание крупного пассажирского «электрического» самолета. Демонстратор технологий должен совершить первый полет в 2020 году.

Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы можно считать первой серьезной попыткой человечества обуздать энергию светила, извлекая из нее выгоду. По сравнению с солнечными батареями, производящими непосредственно электричество, солнечные коллекторы нагревают материал-теплоноситель, например воду. Один из примеров такого коллектора – испанская солнечная электростанция Planta Solar 10. Ее сердце – гигантская бетонная башня высотой в 115 метров: ее северная часть окружена полем из 624 огромных зеркал. Они отражают свет и фокусируют его на вершине башни, где расположены солнечный приемник и паровая турбина, которая управляет генератором, производящим электроэнергию.

Солнечная электростанция рядом с городом Севилья, Испания / © Naked Science №46

Со стороны технология выглядит идеально, но не стоит забывать о технических сложностях. Во многих случаях работа солнечных коллекторов связана с большими теплопотерями, невысокой работоспособностью в холодное время года, а также сложностью и дороговизной конструкции.

Солнечные батареи

Перейдем к нашему следующему «гостю», который тоже опирается на энергию светила. В сравнении с солнечными коллекторами, батареи способны на прямую трансформацию солнечной энергии в электроэнергию, что более универсально и эффективно. В основе современных солнечных батарей лежат фотоэлементы – полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в электрический ток. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом. Первоначально в качестве фотоэлектрического материала выбрали селен, однако он имел очень низкий коэффициент полезного действия. Массовое производство солнечных батарей стало возможным после того, как компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния, который до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей.

Модели солнечных батарей / © Naked Science №46

Несмотря на недостатки солнечных батарей, такие как сложность обсаживания и большая площадь, которую они занимают, преимущества очевидны. Это экологически чистая энергия в больших объемах. В 2014 году эксперты Международного энергетического агентства пришли к выводу, что солнечные батареи к середине века смогут генерировать 16 процентов электричества, а еще 11 процентов придется на гелиотермические электростанции: то есть солнечная энергетика станет основным источником электричества к середине века. Результаты будут достигнуты в том числе за счет снижения цены на фотоэлектрические модули.

Термоядерный реактор

Как уже отмечалось, глобальное потепление во многом обусловлено зависимостью человечества от углеводородного топлива. Увы, резкого перехода на солнечную энергетику не произойдет – по причинам, давно всем известным. Но ученые надеются, что помочь в борьбе с глобальным потеплением сможет «ручное Солнце» – термоядерный реактор.

Так выглядит термоядерный реактор / © Naked Science №46

Напомним, термоядерной реакцией называют слияние атомных ядер, в результате чего высвобождается энергия, способная разрешить энергетический кризис. Схожий процесс имеет место внутри нашего светила: его считают чистым и относительно безопасным. Управляемый термоядерный синтез отличается от привычной ядерной энергетики тем, что в последней применяют реакцию распада, при которой из тяжелых ядер получаются более легкие.

Увы, проблем на пути строительства термоядерных реакторов очень много, и некоторые из них не были полностью решены. Один из главных вызовов – необходимость сверхпрочной оболочки реактора, способной сдержать плазму – горячий ядерный «бульон», в котором происходит синтез под огромным давлением.  

Ветрогенераторы высокой мощности

В 2017 году датский ветрогенератор MHI Vestas V164 побил мировой рекорд, выработав 216 мегаватт-час электроэнергии за сутки. Сама конструкция представляет собой гигантское сооружение с гондолой весом в 390 тонн и 140-метровой башней: полная высота ветрогенератора с учетом размаха лопастей – 220 метров.

Лопасти ветрогенератора / © Naked Science №46

Новые технологии такого типа, как считают ученые, смогут сделать ветряную энергетику одним из путей спасения от угрозы климатических изменений. Еще в 2014 году ветряные электростанции Германии выработали 8,6 процента от всей произведенной в стране энергии. Всего же к 2025 году Берлин намерен выдавать 40-45 процентов электроэнергии из возобновляемых источников. Аналогичные планы есть у других стран: например, даже Индия ранее планировала к 2012 году увеличить свои ветряные мощности в два раза по сравнению с 2008 годом. И этой цели удалось достигнуть.

Добыча полезных ископаемых на астероидах и других планетах

Одним из видов альтернативной энергетики считается космическая энергетика, исключающая вредные выбросы, связанные с обычными методами добычи полезных ископаемых. Ученые давно знают, что в металлических или каменно-металлических астероидах много железа, никеля и кобальта. Кроме того, там можно найти золото, платину, родий и так нужные современной промышленности редкоземельные металлы.

В астероидах можно найти много полезных металлов / © Naked Science №46

К сожалению, добыча полезных ископаемых на астероидах или других планетах может помочь в борьбе с глобальным потеплением только в будущем. И хотя современные технологии теоретически позволяют организовать такой процесс и доставку ископаемых на Землю, сейчас это просто нерентабельно. Напомним, один запуск тяжелой ракеты Falcon 9 стоит более 60 миллионов долларов: и это относительно дешево на фоне аналогов изделия Илона Маска.

Выкачка углекислого газа из атмосферы Земли

Эта идея не нова, и часть планов уже активно реализуют. Напомним, в 2018 году швейцарская компания Climeworks открыла третий завод, который выкачивает углекислый газ из атмосферы Земли. Проект, как несложно догадаться, призван уменьшить негативные последствия глобального потепления.

Машины захвата воздуха Climeworks / © Naked Science №46

Согласно озвученным планам, каждый год предприятие будет захватывать 150 тонн углекислого газа, который затем будут преобразовывать в метан и использовать как топливо для поездов. Отметим, что первый завод, высасывающий углекислый газ из атмосферы, Climeworks запустила в 2017 году. По прогнозам специалистов, предприятие может выкачивать до 900 тонн углекислого газа каждый год.

А в 2019 году Немецкий технологический институт Карлсруэ вместе с партнерами развернул первую в мире опытную контейнерную мобильную установку для добычи топлива из окружающего воздуха. Она будет как очищать атмосферу от насыщения углекислым газом, так и выступать в роли аккумулятора для возобновляемой энергетики.

Распыление в атмосфере серы

Следующим важным направлением, призванным помочь в борьбе с последствиями вредных выбросов, можно назвать идею распыления в атмосфере нашей планеты диоксида серы.

Выброс диоксида серы в атмосферу / © Naked Science №46

Стоит сказать, что сама концепция далеко не новая, но именно новые исследования и технические возможности позволили ученым лучше понять, как именно это можно реализовать самым оптимальным способом. Недавно группа ученых из Гарварда, Принстонского университета и Массачусетского технологического института пришла к выводу, что метод может быть эффективен и безопасен, если верно рассчитать оптимальное количество аэрозолей. Однако если все сделать правильно, то за счет распыления серы можно резко повысить отражательную способность верхних слоев атмосферы Земли, что предотвратит повышение температур на планете.

«Конструирование» перистых облаков

Новые технологии в теории позволят изменить состав перистых облаков, что даст возможность более эффективно противодействовать глобальному потеплению. Но как именно этого хотят достичь? Дело в том, что перистые облака поглощают уходящее от Земли длинноволновое излучение, что мешает охлаждению планеты. Ученые разработали специальные модели, чтобы изучить возможности уничтожения или создания искусственных перистых облаков, поглощающих меньше тепла. Все можно производить при помощи гранул-зародышей, концентрирующих влагу – например, путем рассеяния ледяных кристалликов. Такие частицы могут стать центрами образования более крупных кристаллов льда с одновременным уменьшением их количества. По оценкам ученых, результатом может стать то, что длинноволновое излучение будет беспрепятственно уходить в космос, а температура на Земле неуклонно поползет вниз.

Перистые облака / © Naked Science №46

Однако не все так просто: как полагают исследователи, реализация подобного метода на практике грозит колебаниями температур, которые сложно прогнозировать. Словом, пока что ученые не готовы к однозначным ответам.

Проект Carbfix

Что еще можно сделать с вредными выбросами, кроме их недопущения априори? Специалисты проекта Carbfix из Исландии предлагают их… закапывать. Конечно, в обычных условиях негативные последствия такого решения не заставили бы себя долго ждать.

Станция проекта Carbfix в Исландии / © Naked Science №46

Однако европейские исследователи пошли особым путем: они решили превратить выбросы углекислого газа в камень, закачав его в землю. Эксперимент проходил на заводе Hellisheidi – одной из самых крупных в мире геотермальных станций. В базальтовых породах, расположенных ниже уровня предприятий Hellisheidi, 95 процентов введенного углерода затвердело менее чем за два года. По мнению представителей проекта, это демонстрирует эффективность такого способа утилизации вредных выбросов.

Проект от The Ocean Cleanup

Индийские специалисты из Технологического института в Мумбае и Национального центра полярных и океанологических исследований выяснили, что накопление в Мировом океане пластика ведет к глобальному потеплению. Ученые определили, что пластмасса сокращает уровень поглощения океаном солнечного света: это приводит к тому, что существенная часть его отражается в атмосферу, способствуя глобальному потеплению.

Судно The Ocean Cleanup / © Naked Science №46

Если выводы индийских специалистов верны, это станет дополнительным стимулом для компании The Ocean Cleanup из Голландии. Ее целью стала ликвидация Большого тихоокеанского мусорного пятна, площадь которого, по оценкам специалистов, в два раза превышает площадь штата Техас.

Напомним, комплекс System 001 от The Ocean Cleanup – 600-метровый «поплавок» в форме буквы U, передвигающийся по поверхности океана. В нижней части закреплена сеть, опускающаяся на три метра в глубину. В силу специальной конструкции система следует по направлению движения воды, захватывая при этом мусор. Установка призвана собирать разные отходы в одном месте, а затем их должны извлекать суда, отправляя потом на переработку. По мнению создателей, комплекс из 60 таких систем способен за пять лет убрать половину Большого тихоокеанского мусорного пятна.

Искусственный заменитель мяса

Огромный вклад в глобальное потепление вносит животноводство. Согласно выводам исследователей, на него приходится 15 процентов мировых выбросов углекислого газа, что приблизительно равно выбросам всех автомобилей, поездов, кораблей и самолетов. При этом в развитых странах, таких как США, на одного человека в день приходится четверть килограмма мяса, что к тому же не особо полезно с точки зрения питания.

Искусственное мясо из овса и бобов / © Naked Science №46

Эксперты из Финляндии предложили свой способ решения такого рода проблем. Финский стартап Gold & Green Foods создал заменитель мяса из овса и фасоли. Как сообщило Reuters, полученный продукт назвали pulled oats. Безопасный для экологии и полезный для здоровья продукт уже успели оценить обычные жители Финляндии. Впрочем, едва ли нам стоит ожидать повсеместный отказ от мяса: скорее всего, искусственные заменители смогут в лучшем случае дополнить его. Сложно представить, что люди на Земле в одночасье поменяют свои гастрономические пристрастия.

Умный дом

Под словосочетанием «умный дом» понимают автоматическое централизованное управление отоплением, вентиляцией,  кондиционированием воздуха, а также освещением через систему управления зданием. По сути, речь идет о наборе разных датчиков, каждый из которых выполняет свои задачи.

«Умным домом» можно будет управлять со смартфона или планшета / © Naked Science №46

Умный дом не только делает нашу жизнь легче, но также может помочь в борьбе с глобальным потеплением. Ведь благодаря синхронизации электробытовых приборов, экономии природных ресурсов и правильному выбору экологичных систем выработки электричества можно сделать свое жилище частью окружающей среды. Без угрозы для нее.

В более широком смысле умные дома можно считать проявлением индивидуального понимания коллективной ответственности за глобальное потепление, когда каждый житель города и каждая семья будут вносить свой неоценимый вклад в борьбу с изменениями климата.

Энергетические микросети 

Как уже отмечалось выше, человек не всегда способен определить, сколько энергии ему нужно для нормальной жизни. И хорошо бы иметь алгоритм, который сможет сам вычислять такие потребности, экономя энергию и не приводя к лишним вредным выбросам. Ответом на новые вызовы стала концепция MicroGrid. Речь идет о локальной энергетической сети, состоящей из набора генерирующих электроэнергию объектов и конечных пользователей. Четкой границы мощности нет: компания АВВ установила ее себе на мощности около 20 МВт.

Схема сети MicroGrid / © Naked Science №46

Система, используя постоянный анализ уровня выработки и потребления энергии, сама может выбирать наилучший источник генерации и подавать электроэнергию в локальную сеть, обеспечивая при этом ее мощность на необходимом уровне. То есть, например, если в одном из элементов генерации случится авария, система перенаправит электричество из другого источника. Ну а если  будет переизбыток энергии, система направит излишки  в общую сеть.

«Продвинутый» искусственный интеллект

Эта технология частично пересекается с вышеупомянутыми, но есть и важное отличие. В будущем ИИ сможет взять на себя не только распределение энергии, но и лучше прогнозировать применение тех или иных методов борьбы с глобальным потеплением вообще. Иными словами, ИИ сможет лучше и быстрее человека анализировать, есть ли смысл применять те или иные подходы.

Искусственный интеллект может помочь справиться с глобальным потеплением / © Naked Science №46

И если да, то как лучше всего это осуществить. Впрочем, «полноценный» искусственный интеллект, который был бы по многофункциональности сравним с человеческим мозгом, создадут еще не скоро. Если вообще когда-то создадут.

Солнечный зонт

Американский астроном Роджер Энджел из Университета Аризоны для противостояния глобальному потеплению предложил развернуть в космосе огромный солнечный зонт из гигантского количества тонких кремниевых дисков, которые вместе должны сформировывать облако цилиндрической формы шириной в 100 тысяч километров.

Проект Starshade, показанный NASA / © Naked Science №46

Благодаря специальной прозрачной пленке солнечный свет может отклоняться: сам ученый полагает, что концепция может стать весьма эффективным решением при правильном использовании. Однако уже сейчас ясно, что реализация чего-то подобного на практике потребует гигантских капиталовложений и слаженной работы множества стран.

Мониторинг лесных ресурсов с орбиты Земли

Конечно, высадку деревьев сложно отнести к «новым технологиям», однако нужно понимать, что только сейчас, имея продвинутые технические возможности и набор статистических данных, люди могут эффективно прогнозировать, как можно улучшить экологию путем «озеленения» планеты.

Фото со спутника / © Naked Science №46

Так, недавно швейцарские ученые значительно повысили точность этих расчетов, проанализировав почти 80 тысяч фотографий разных лесных массивов на всех континентах Земли, полученных спутниками Европейского космического агентства. По оценкам, площадь лесов на сегодня составляет примерно 5,5 миллиарда гектаров. Опираясь на новые данные, швейцарцы пришли к выводу, что этот показатель можно повысить примерно на треть без особого ущерба для жизни людей и экономической ситуации.

В целом ученые полагают, что дальнейший рост СО2 можно замедлить, если полностью восстановить вырубленные леса. Задача очень сложная, но не невозможная.

Города с искусственным микроклиматом

В случае если человечество все же проиграет борьбу глобальному потеплению, ему придется как-то с ним жить. Один из вариантов – создание в будущем города «под куполом», где будет искусственный микроклимат, позволяющий эффективно вести сельское хозяйство, разводить животных и многое другое. В качестве примера можно вспомнить комплекс Bay South Garden из сингапурского природного парка «Сады у залива». Тепличный комплекс включает в себя две оранжереи – Цветочный купол и Облачный лес. Они расположены вдоль берегов водохранилища. Первая признана крупнейшей в мире и занимает 1,2 гектара, состоя из семи садовых зон.

Парк Bay South Garden в Сингапуре / © Naked Science №46

Если и этот способ противодействия глобальному потеплению не станет эффективным, у человечества есть как минимум еще два потенциальных места, где можно жить, — дно океана и другие планеты. Впрочем, строительство города на океанском дне и терраформирование Марса будут стоить в сотни раз дороже каждого из методов спасения, описанных выше.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
7 часов назад
13 минут
Александр Речкин

В учебниках истории XX века, на сотнях плакатах и в десятках кинофильмах о Второй мировой войне мы видели знаменитые танки, «катюши» и бороздящие небеса Ил-2. Давайте проверим, сможете ли вы отличить советскую военную технику от машин союзников и стран «оси».

Вчера, 15:24
5 минут
Илья Ведмеденко

Военно-морской флот получил многоцелевую атомную подводную лодку К-561 «Казань». Это один из самых совершенных кораблей такого типа в мире.

5 часов назад
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

2 мая
62 минуты
Николай Цыгикало

Знаменитый ракетный комплекс «Искандер» стал одним из символов российской военной мощи. Он не покидает центра внимания экспертов и средств массовой информации, а его тактико-технические характеристики приводятся в каждом информационном ресурсе военной тематики. Но цифры цифрами, а что за ними? Посмотрим на работу «Искандера» с разных сторон, чтобы разобраться в принципах действия и логике конструктивных решений. Тогда глубина понимания позволит пройти дальше одних лишь цифр ТТХ, и при всей важности они окажутся не на первом месте. Наш материал — самый полный рассказ о работе «Искандера» в открытом доступе.

Позавчера, 17:46
17 минут
Александр Березин

SpaceX после затяжной серии аварий нормально посадила прототип Starship SN15. Огромная стальная ракета поднялась в воздух на десять километров, выполнила там сложные кульбиты, которые не могла сделать ни одна ракета ранее, а затем плавно опустилась вниз. Одни говорят, что это революция, другие — что «СССР так умел полвека назад». Кто прав и что будет дальше? Попробуем разобраться.

4 мая
4 минуты
Ольга Иванова

Ученые из Финляндии определили причины того, почему «собака бывает кусачей» по отношению к человеку и другим животным.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: