В простейших случаях ограничения на преобразование энергии низкого качества в энергию высокого качества очевидны. Приведу несколько примеров из близкой мне области — лазерной физики.
При преобразовании обычного света в лазерное излучение (накачка лазера светом) часть энергии, как и следовало ожидать, теряется, т. е. переходит в тепло. Кроме того, излучение, накачивающее лазер, должно в свою очередь обладать сравнительно высоким качеством, в частности — иметь большую интенсивность, а часто и быть достаточно высокочастотным (коротковолновым). Трудности создания эффективных лазеров с прямой солнечной накачкой как раз связаны с невысоким качеством падающего на Землю светового потока. Если бы солнечное излучение было намного интенсивнее и существенно более коротковолновым, то создать эффективные лазеры с прямой солнечной накачкой было бы сравнительно просто. (Отмечу, что растения в отличие от технических устройств усваивают низкокачественную световую энергию с аномально высоким КПД.)
Энергия излучения различных лазеров в свою очередь обладает разным качеством. Лазерные лучи имеют некоторую расходимость — световое пятно увеличивается с расстоянием от источника. Большим качеством, естественно, обладает световой поток с малой расходимостью. Соответственно, лазеры с малой расходимостью излучения при прочих равных условиях обладают более низким КПД и требуют более качественной накачки. Аналогично снижение КПД и ужесточение требований к качеству накачки сопровождают создание мощных лазеров, лазеров дающих стабильное излучение и излучение с узкополосным спектром (т. е. лазеров с высокой когерентностью излучения). Энергия высокого качества стоит дорого.
Большие трудности при создании лазеров коротковолнового диапазона (лазеры в далеком ультрафиолете и рентгеновские лазеры) также обусловлены высоким качеством коротковолнового излучения. Поэтому, например, рентгеновские лазеры требуют накачки очень высококачественной энергией — световым потоком другого лазера (хотя и длинноволнового, но мощного и с малой расходимостью) или излучением ядерного взрыва.
Совокупность проблем, возникающих при попытках получить много лазерной энергии высокого качества, часто недооценивалась. Например, в 70-х годах имел место период эйфории, когда простые соображения на уровне закона сохранения энергии приводили, по мнению многих, к оптимистическим выводам относительно возможности создания эффективных рентгеновских лазеров.
Ярким примером в этом отношении является и так называемая стратегическая оборонная инициатива (СОИ). Предполагалось на основании новейших физических разработок создать непробиваемый противоракетный щит — сбивать каждую ракету оружием направленного действия (лазерами, пучками частиц и т.п.). Конечно, авторы этой программы исходили в основном из политических, а не научных соображений, но все же налицо и недостаточное осознание того, что за энергию высокого качества придется платить высокую цену, которая в реальных условиях может оказаться непомерной.
Термоядерная проблема
Из закона возрастания энтропии следует, что невозможно техническое устройство, в результате работы которого его энтропия в сумме с энтропией окружающей среды понижается. Получение положительного баланса в энергетическом цикле с понижающейся энтропией сопряжено не с техническими, а с принципиальными трудностями. Такое гипотетическое устройство можно назвать вечным двигателем третьего рода. При попытках создания вечного двигателя третьего рода пытаются нарушить закон возрастания энтропии для термодинамически неравновесных систем. (В вечном двигателе второго рода хотят нарушить закон возрастания энтропии для систем, близких термодинамическому равновесию.)
Уже много лет меня преследует мысль, что проектируемые сейчас термоядерные электростанции на основе известных установок «Токамак» могут оказаться чем-то вроде вечного двигателя третьего рода. Остановлюсь кратко на этом вопросе[2].
Конечно, на осуществление термоядерной электростанции нет принципиального запрета со стороны термодинамики. Можно, например, представить себе гигантский двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрах которого взрываются поочередно термоядерный бомбы. Более того, мне известны технически осуществимые проекты преобразования энергии подземного термоядерного взрыва в электроэнергию. Однако основное направление современных термоядерных исследований предполагает совсем другие энергетические циклы. Предполагается для поджига термоядерных реакций использовать электроэнергию, полученную в тепловой машине, нагреваемой продуктами ядерных реакций.
Казалось бы, ситуация вполне аналогична работе автомобильного двигателя. Там тоже часть выделившейся при сгорании бензина энергии преобразуется в электричество и с помощью электрической искры осуществляется поджиг бензина в цилиндрах двигателя. Однако на самом деле эта аналогия неточна. Разница не только в масштабах и техническом оснащении автомобиля и, например, «Токамака». Дело еще в том, что энергия термоядерного синтеза в отличие от энергии химического топлива (и ядерного деления) имеет низкое качество.
Низкое качество термоядерной энергии проявляется, в частности в том, что для запуска процесса энерговыделения за счет реакций синтеза ядер необходимо большое количество очень высококачественной энергии. Для поджига реакций в термоядерной бомбе, например, используется ядерный взрыв, характеризуемый огромной плотностью (а следовательно, и качеством) энергии.
Весь комплекс разносторонних характеристик, обусловливающих качество различных форм энергии, не учитывается простыми соображениями, основанными лишь на термодинамических законах. Для термодинамики есть только два типа энергии: с минимально возможной энтропией (механическая, электрическая и т.п.) и с максимально возможной энтропией (термодинамически равновесные газ, плазма и т.п.). В рамках термодинамики не различается качество различных форм, например, электрической энергии, в частности того, что ток, текущий по проводам электрической цепи, имеет энергию существенно более низкого качества по сравнению с энергией пучка частиц, двигающихся с малым разбросом скоростей. Не заложен в термодинамические соображения и учет потребления энергии высокого качества для инициирования и поддержания термоядерных реакций.
В то же время предлагаемые циклы получения термоядерной энергии недостаточно проанализированы с простейшей «энтропийной» точки зрения. Нельзя, конечно, сказать, что эти циклы вообще не анализировались. Расчеты инженерного характера регулярно проводятся. Однако в них для различных этапов преобразования энергии закладываются некие КПД, которые в совокупности на противоречие закону возрастания энтропии не проверяют. Соответствующие расчеты довольно сложно сделать, но пока они не проведены, нет уверенности в том, что «Токамак» не окажется вечным двигателем третьего рода.
Подозрения о неосуществимости планируемых термоядерных энергетических циклов подкрепляются тем, что в проектируемых термоядерных реакторах обращаются с энергией высокого качества просто по-варварски. Сначала выделенная тем или иным путем ядерная энергия переводится в тепло парового котла. Соответственно энергия каждой частицы, несущей термоядерную энергию, раздается по малой порции почти миллиарду частиц нагреваемого тела. При этом существенно теряется качество выделенной энергии. Затем это качество начинают повышать, что, конечно, сопровождается энергетическими потерями. Вырабатывается электроэнергия. Электричество используется для формирования пучков быстрых частиц, которые потом вводят в плазму «Токамака» для ее нагрева. (Замечу, что этот основной канал ввода энергии почему-то, как правило, называют дополнительным методом нагрева и, более того, часто не учитывают в энергобалансе при определении критерия зажигания термоядерной реакции)[3]. Принципиальная возможность такого цикла с положительным энергобалансом вызывает сомнения.
Таким образом, несмотря на давние и широко рекламируемые обещания создать источник практически даровой энергии на основе различных устройств с электрическим поджигом термоядерных реакций, следует признать, что для полной уверенности в успехе нет достаточных научных обоснований.
В связи с этим хочется упомянуть и об одной совсем свежей нездоровой сенсации, в основу которой положено, впрочем, реальное достижение японских ученых. В Институте исследования атома при Токийском университете удалось добиться того, что антипротон живет в окружении обычного вещества очень большое по соответствующим масштабам время — несколько микросекунд. В связи с этим начали всерьез обсуждать возможности разработки «удивительно мощного источника энергии» на основе антивещества. О каком источнике энергии можно в этом случае говорить, если на образование каждой античастицы затрачивается энергии на много порядков больше, чем выделяется при ее аннигиляции? Это является следствием того, что античастицы несут энергию высокого качества, а на их образование затрачивается энергия изначально значительно более низкого качества, получаемая обычно в результате сжигания угля. Конечно, авторы сенсации преследуют в основном рекламные цели, но мне кажется, что в достаточно информированном относительно физических законов обществе такая реклама имела бы противоположные последствия и не была бы выгодна.