Энергии Солнца хватит на 5 миллиардов лет
Уже длительное время астрофизики наблюдают за активностью Солнца, и за этот период учёные выяснили множество интересных фактов.
Как известно, в ходе своей активности, Солнце из последнего слоя атмосферы постоянно излучает ряд составляющих его частиц, таких, как протоны, нейтрино, альфа-частицы и электроны. Указанный поток частиц называется «солнечным ветром», скорость которого составляет 400 — 500 километров в секунду. Солнечный ветер прорывается через дыры в атмосфере, тем самым возникает вспышка огромнейшей мощности. Природа вспышки связана с изменениями магнитного поля.
Что же служит источником энергии Солнца и насколько долго оно будет нас согревать своим теплом? До недавнего времени на этот счёт существовало несколько теорий, которые поочерёдно были отвергнуты в силу своей несостоятельности. Основной теорией об энергии Солнца, имеющей множества подтверждений, является теория Ханса Бете, согласно которой внутри светила постоянно происходят термоядерные реакции, преобразующие водород в гелий, в результате чего выделяется колоссальная энергия, кроме того, синтезируются и распространяются в космическое пространство так называемые солнечные частицы, упомянутые ранее. Согласно расчётам последних исследований запаса элементов Солнца хватит примерно на пять миллиардов лет, после чего его внутренние процессы подвергнутся значительным изменениям. Солнце начнёт расширяться, поглощая находящиеся рядом планеты своей системы, в свою очередь, наша планета потеряет биологические формы жизни, а её обитатели будут вынуждены перебираться на другие планеты, более пригодные для проживания. После стадии расширения Солнце перейдёт в стадию сжатия, оно начнёт остывать и уже через два миллиарда лет после начала рассматриваемых событий превратится в холодное космическое тело.
Источник
Сколько осталось Солнцу или когда остановится жизнь?
Каждый день мы просыпаемся, идем заниматься своими делами. Кто-то весь день проведет дома а кто-то будет на улице. Так или иначе мы все получаем будем получать солнечную энергию. Витамин D, электричество от солнечных панелей, тепло. Солнце сопровождает Землю с момента появления, и когда-то подарило жизнь это планете. Солнце — неотъемлимая часть нашей жизни, и даже в голову не может придти, что его когда-то не станет.
Солнце — звезда типа желтый карлик. Далеко не самый большой объект относительно других звезд, даже маленький, однако в солнечной системе является главным.
Во вселенной все находится в движение, и у всего есть свой логический конец. Какой он? Совершенно разный.
Во вселенной есть разные звезды отличающиеся друг от друга размерами, массой и цветом. Чем массивнее звезда, тем ярче у нее конец. Некоторые звезды в конце жизненного цикла превращаются в черные дыры после мощнейшего взрыва, а некоторые тихо и мирно угасают.
Но почему Солнце угасает? Каждый день солнце вырабатывает большое количество энергии и тепла благодаря термоядерным процессам, протекающим внутри звезды. Под воздействием сверх высоких температур атомы водорода объединяются и образуют атомы гелия. Таким образом солнце более чем на 97% состоит из водорода и гелия (водород преобладает в значительной степени). В ходе этих реакций и вырабатывается энергия.
Атомы водорода объединяются и образуют атомы гелия
Чтобы появился гелий, нужен водород. К сожалению водород не образуется в Солнце, а значит его запасы ограничены, и можно сказать, что водород — топливо солнца. Но и тут все не так гладко.
Давайте обратимся к строению солнца
Температура солнца резко уменьшается по мере отдаления от ядра. А для образования гелия подходит только температура и давление ядра. Несмотря на то, что ядро занимает почти 1/3 внутреннего объема солнца, в нем содержится лишь 2% водорода. Т.е. от всех запасов водорода в Солнце, пригодны для термоядерной реакции только 2%. Остальные 98% практически не участвуют в реакциях.
Стоит волноваться?
Нет. Этих двух процентов хватает солнцу на
10 миллиардов лет существования. Ученым известно, что Солнцу
4.5 миллиарда лет, т.е. оно прошло уже половину жизненного цикла.
Что будет дальше?
Через миллиард лет:
Солнце станет на 11% ярче. Уже тогда Земля может стать непригодной для нормальной жизни из-за высокой температуры, однако сохранятся моря и океаны, где все еще будет протекать жизнь. К этому моменту Солнце достигнет максимальной температуры поверхности, а дальше будет только остывать.
Через 3.5 миллиарда лет:
Солнце станет ярче на 40% и начнется превращение в красного гиганта. Из-за заканчивающихся запасов водорода в ядре, Солнце начнет увеличиваться. При увеличение внешнего радиуса, ядро Солнца будет наоборот сжиматься. К этому моменту жизнь на Земле перестанет существовать. Вся вода выкипит и исрпаится в космос. Если у Земли еще останется атмосфера, то условия будут схожими с нынешней Венерой. Внешняя оболочка солнца будет остывать, а ядро наоборот разогреваться.
Через 6.5 миллиардов лет:
Водород в ядре закончится, а оставшийся гелий начнет сжиматься и уплотняться. Оставшийся во внешнем слое ядра водород будет медленно выгорать. Радиус Солнца увеличится в 1.5 раза и станет ярче на 120%.
В течение следующего миллиарда лет солнце увеличиться в 2.2 раза от современного.
Через 8 миллиардов лет:
Ядро разогреется так сильно, что начнется сгорание водорода во внешней оболочке. Из-за этого процесса Солнце резко увеличится в размере, и станет в 250 раз больше современного Солнца. Оно станет красным гигантом. Меркурий и Венера будут уничтожены и поглащены, тоже самое может произойти и с Землей. Даже если Солнце не поглатит нашу планету, она потеряет больше половины массы и диаметра от сегодняшнего размера и превратится в космический камень.
В данной фазе Солнце просуществует не больше 10 миллионов лет. Ничто, по сравнению с миллиардами. Ядро разогреется до максимальной температуры. Произойдет гелевая вспышка. Все неиспользованные остатки гелия будут выброшенны в космос, тем самым создав новые условия для термоядерных реакций. После вспышки Солнце уменьшится в 240 раз. Через
100 миллионов лет и эти запасы гелия закончатся, и Солнце снова станет красным гигантом, вернув преждний размер. Спустя 20 миллионов лет произойдет последняя крупная вспышка.
Внешняя оболочка Солнца будет «сорвана», массы звезды не хватит, чтобы удерживать ее, поскольку сила притяжения зависит от массы.
Чем станет солнце?
В итоге Солнце превратится в белого карлика. Его размер будет схож с нынешним размером Земли, но плотность и масса Солнца будет непропорционально велика таким размерам. Это свойственно для всех белых карликов.
Вот и все краткое описание жизненного цикла Солнца. Такой расклад свойственен для любой звезды, схожей с Солнцем по массе и размеру. Точно неизсветно, что будет дальше. Скорее всего Солнце будет вновь медленно угасать, пока не закончится время.
Вот так будет выглядеть последствие гелевой вспышки. Ужасная красота.
Источник
Светить всегда, светить везде (солнечная энергетика: окупаемость, налоги, целесообразность)
Проблема выбора самых эффективных энергоресурсов заботит человечество уже не одну сотню лет. Многие сегодня пророчат близкий конец углеводородной эры и параллельной ей эпохе ядерной энергетики, утверждая, что уже в ближайшие десятилетия им на смену придет повальное доминирование альтернативной энергетики. Вопрос, дескать, состоит лишь в том, какая разновидность и в какие сроки завоюет мировой энергетический ландшафт быстрее: ветровая или солнечная. Попробуем присмотреться к перспективам гелиоэнергетики.
Безусловные достоинства
Звезда по имени Солнце – великолепный источник энергии, запасы которой просто трудно себе вообразить. С точки зрения человеческой цивилизации излучаемая в космос энергия этой скромной по вселенским масштабам звезды поистине неисчерпаемы. Испускаемые Солнцем фотоны позволяют произрастать квадриллиону тонн растительной биомассы и 10 триллионам тон массы животной (правда, большая часть этих животных, разумеется, одноклеточные организмы).
За несколько геологических эпох солнечная энергия трансформировалась на Земле в могучие запасы углеводородов (нефть, природный газ и торф). Для удовлетворения насущных потребностей необходимо порядка 10 миллиардов тонн условного топлива (я имею в виду докризисные показатели, ковид внес свои коррективы).
Насколько хватит человечеству этих запасов? При нынешних темпах (будем надеяться, что через пару лет мировая экономика начнет восстанавливаться) угля людям хватит на 200 лет; нефти и природного газа – на 36 лет; ядерного топлива на 36 лет. Вроде бы в среднесрочной перспективе волноваться не о чем, но ведь стоит подумать и о следующих поколениях. Кроме того, тот же уголь – жутко не экологичное топливо. Так что пора посмотреть на Солнце.
Для сравнения: наша звезда обрушивает на поверхность Земли ежегодно столько энергии, что в переводе на условное топливо этот показатель будет равняться 100 триллионам тонн. И по прогнозам астрофизиков этот чудодейственный термоядерный реактор будет бесперебойно работать еще примерно шесть миллиардов лет. Весь вопрос: как эту энергию можно использовать?
Теория и практика
Явление фотоэффекта было открыто еще в позапрошлом веке, а теоретическое объяснение ему дал более 100 лет тому назад Эйнштейн. Во второй половине прошлого века от теории смогли перейти к практике: физики научились получать электрический ток при помощи этого эффекта. Свою лепту в это внесли советские и американские ученые. Изначально КПД таких установок был очень низок, порядка 1 процента. Но прогресс не стоит на месте. КПД современных гелиопанелей составляет уже свыше 15 процентов. Вполне приличный показатель. А сколько это удовольствие стоит?
Экономический фактор
Современные технологии позволяют изготавливать солнечные батареи на основе кремния. С одной стороны, это здорово: кремний второй после кислорода химический элемент, содержащийся в земной коре. Но с ним проблема примерно такая же, как когда-то с алюминием: в чистом виде кремний не встречается, а извлечение этого элемента из его двуокиси (того самого песка, которого на Земле многие Кара-Кумы/Сахары навалено) стоит немалых денег. Конечно, история с алюминием настраивает на оптимистичный лад. Когда-то ложечки из этого вещества были дороже золотых, но после изобретения соответствующих технологий все стало на свои места. Будем надеяться, что с кремнием случится примерно то же самое, но пока стоимость добычи этого элемента делает солнечную энергетику развлечением не из дешевых.
Просто пример. В США солнечная установка мощностью 1 кВт обойдется вам примерно в три тысячи долларов, а окупится она только лет через 15. Что делать потребителю, пока дожидаются нового технологического прорыва? В Москве 1 кВт обойдется в среднем от 80-150 рублей, срок окупаемости (опять же в среднем) 8-15 лет.
Не только фотоэффект
Любой двоечник советских времен изучал древнюю историю по мультикам. Помню, в одном из них рассказывалась история про Архимеда. Когда его родные Сиракузы осадили римляне во главе со злобным Марцеллом, великий инженер придумал множество остроумных оборонительных изобретений. В том числе – хитрые зеркала, которые поджигали деревянные галеры на большом расстоянии.
Сегодня изобретение Архимеда используют и в мирных целях. Например, так работают гелиоэлектростанции. Специальные зеркала, которые разворачиваются в соответствии с местонахождением светила на небосклоне, концентрируют солнечные лучи и направляют тепловую энергию на емкость с водой. Потом – как в самой типичной ТЭС: вода превращается в пар и крутит турбину. Температура пара в подобных установках может достигать 370 градусов, а его давление – порядка 100 атмосфер.
Подобная станция работала в Крыму в советские времена, потом была закрыта ввиду нерентабельности. А вот в тех же США такие гибридные станции (ночью они переходят на газ) в той же Калифорнии применяются достаточно широко. И себестоимость выдаваемой ими электроэнергии примерно в два раза ниже, чем у АЭС.
Подобные автономные источники энергии применяются на Западе для обслуживания энергоэффективных домов. Это становится там правилом хорошего тона, но цена подобного жилища в США примерно на 10 тысяч дороже, чем у менее продвинутых аналогов (стоимость солнечных элементов составит примерно 7 тысяч зеленых).
Лидерами по внедрению солнечной энергетики являются сегодня Германия, США и Япония. Страны, мягко говоря, не самые бедные. Американцы, например, собираются инвестировать на подобные цели порядка 6 миллиардов за десять лет. И результатами в целом довольны. Сегодня в США уже функционирует порядка полутора миллионов «солнечных» домов, что позволяет сэкономить 1,4 МВт электроэнергии, это эквивалентно сжиганию пяти миллионов тонн нефти.
Но впереди планеты всей, как и полагается, обитатели Страны восходящего солнца. Именно здесь пользователи получают более половины мирового объема энергии солнечных станций.
Опыт возведения прогрессивных домов имеется и в России (Краснодарский край, Свердловская область, Приморский край, Москва). Но наши результаты пока гораздо скромнее. В чем дел? Снова отстаем от Запада?
Не все так просто. Во-первых, у солнечной энергетики имеются не только достоинства, но и недостатки. И, кроме того, энергетический ландшафт России отличается уникальными особенностями.
Пятна на Солнце
Достоинства солнечных электростанций, наверное, достаточно очевидны: солнечная энергия относится к числу возобновляемых (практически неисчерпаемых) энергоресурсов. И она считается экологически чистой. Еще один плюс (не такой очевидный) – позитивное влияние на развитие солнечной отрасли научно-технического прогресса. В конце концов, СЭС активно развивают каких-то 30 – 40 лет, на исследования направлены относительно небольшие деньги. Вот японские инженеры разработали солнечные панели, которые можно использовать при остеклении.
Тот же Жорес Алферов как-то сказал, что, если бы на солнечную энергетику направили хотя бы процентов 10 от того, что имеет энергетика атомная, сегодня мы бы имели совсем другие результаты. А пока КПД солнечных установок существенно отстает от традиционных энергетических установок (зато превосходит своих конкурентов в сфере альтернативной энергетики).
Еще одно важное достоинство – автономность. Вы строите дом на краю света, но у вас имеется собственная СЭС. Вам больше ничего (кроме яркого солнышка) не потребуется.
А теперь о недостатках. Об одном я уже упоминал – высокая стоимость . Она объясняется не в последнюю очередь тем, что для изготовления гелиопанелей применяется не только кремний, но и ряд других, достаточно дорогих металлов (тот же индий).
Кстати, когда говорят об экологичности солнечной энергетики, почему-то забывают упомянуть о том, что при изготовлении самих гелиопанелей используются не самые «чистые» технологии и источники энергии. Кроме того, для сбора солнечных лучей с последующим производством электроэнергии в масштабах, близких к промышленным, потребуются большие площади .
Вроде бы сегодня на нашей планете неиспользуемых территорий хватает (те же гигантские пустыни наподобие Сахары). Но дело в том, что слишком большие площади, занятые под солнечные панели, способны изменить альбедо (отражающая способность) планеты, что может вызвать не совсем пока понятные климатические последствия.
Но это так, мелочи. Теперь о серьезных недостатках. Зависимость от состояния земной атмосферы. В пасмурную погоду получить энергию солнца очень непросто . Одно дело – солнечная Калифорния, и совсем другое – Санкт-Петербург.
Нерегулярность . Солнце, как известно, ночью не светит. И если житель дома с автономной СЭС просто может лечь поспать и резко сократить потребление энергии, то для промышленного применения такой подход не годится. Проблема выравнивания уровня выдаваемой установкой энергии в разные периоды, от пиковых до минимальных, в классической энергетике решается довольно просто: сжигаем топлива меньше или больше, по потребностям. Для альтернативной энергетики задача будет решена только с разработкой эффективных аккумуляторных устройств . А пока упор делается на комплексные устройства: солнечная электростанция днем, газовая – ночью.
Еще один минус – солнечные батареи вырабатывают только постоянный ток . Если вам требуется ток переменный – дополнительные затраты на преобразование.
Очистка . Большие поверхности солнечных батарей требуется очищать от пыли, снега, загрязнений иного рода.
Обратите внимание, перечисленные недостатки не относятся к категории принципиально неустранимых. А запасов традиционного топлива пока достаточно для их устранения. Между тем, темпы развития солнечной энергетики, как я уже отмечал, в разных странах и регионах серьезно отличаются.
Почему немцы и японцы так активны на этом направлении, а Россия отстает?
Что русскому хорошо, то немцу Сталинград
Указанные мной выше недостатки солнечной энергетики в Германии решили преодолеть самым эффективным путем: перекладывая затраты на внедрение «чистой» энергетики на потребителя. Правительство всячески поощряет производителей солнечной и иных видов альтернативной энергии, а средства на это получает за счет повышения платы за электроэнергию . То есть потребитель фактически платит эколого-энергетический налог. Немцы, судя по всему, с этим соглашаются. Это как с экологически чистыми продуктами питания: хочешь потреблять такую пищу – плати. Психология нашего массового потребителя немножко другая. И ведь речь идет не только о гражданах, но и о бизнесе.
Но немцам, похоже, деваться особенно некуда. Сегодня у них выбор: или дальнейшее развитие альтернативной энергетики, или выбор между российским Северным потоком-2 и американским СПГ (сжиженным природным газом).
А теперь Россия. Наша страна, как известно, углеводородный гигант. А на газовом рынке сегодня происходят очень интересные вещи. В связи с пандемией ковида и снижением темпов экономического роста цены на голубое топливо упали до рекордно низких отметок (в Европе до 40 – 50 долларов за тысячу кубометров газа из СПГ). Между тем, именно в прошлом году были сделаны рекордные инвестиции именно по СПГ-проектам: 60 миллиардов долларов, а производственные мощности СПГ вышли на уровень 70 миллионов тонн в год.
Кто от этого пострадал? Россию этот шквал тоже не обошел стороной. Тот же «Обской проект» был отложен Новатэком на несколько лет. Но вот для поставок нашего трубопроводного газа наступила передышка. Сегодня цена поставок трубопроводного газа на экспорт составляет 120 – 130 долларов за тысячу кубометров. Это чуть выше окупаемости поставок (примерно 100 долларов).
Американский СПГ по крайней мере на несколько лет стал неконкурентоспособным. Предполагается, что уровень потребления энергии начала 2020 года будет достигнут в мире не раньше конца следующего, а то и вообще 2022 года. А потом станет сказываться инвестиционная яма нынешнего года, и цена на газ, наконец-то, снова пойдет вверх.
И вот тут как раз должен заработать наш проект «Арктик СПГ-2». Обратите внимание на сообщения о скорейшем наращивании мощностей ледокольного флота России. Уже сегодня объемы перевозок по Северному морскому пути превысили советские. И основными грузами в этом транспортном коридоре становятся как раз полезные ископаемые, добываемые (планируемые к добыче) в Арктике. В том числе и сжиженный природный газ, который предназначается для быстро растущих азиатских экономик. Не все же, как японцы, сделают ставку на солнечную энергию. Зато во многих азиатских странах планируют замещение угольной энергетики именно газовой.
Масштабы вложений в подобные проекты трудно переоценить. И вы все еще считаете, что при инвестициях такого масштаба серьезные люди на самом деле задумаются над внедрением альтернативной энергетики? Многие полагают, что разумно делать упор именно на природный газ , самый чистый из всех видов невозобновляемых природных ресурсов. Как я уже говорил, его можно использовать и в качестве резервного компонента для объектов альтернативной энергетики.
Если немного помечтать
Но уже сегодня имеются сферы, где применение солнечной энергии просто незаменимо. Это энергоснабжение космических объектов. Именно солнечные батареи снабжают энергией ту же МКС. В космосе нет атмосферы, это устраняет, пожалуй, самый серьезный недостаток солнечной энергетики. И сегодня разрабатываются пока еще фантастические проекты по снабжению Земли энергией Солнца, полученной в космосе. Причем не обязательно на околоземной орбите. Почему бы не построить солнечные энергоустановки на поверхности Луны? Тем более, что кремния хватает и на естественном спутнике нашей планеты. Но как организовать передачу полученной электроэнергии на Землю? Ученые предлагают использовать для этого специальный СВЧ-луч, который при прохождении через атмосферу Земли теряет не более двух процентов своей мощности. Солнечные станции можно построить по экватору Луны таким образом, чтобы энергия на Землю поступала бесперебойно.
Но этого, возможно, не потребуется. По некоторым прогнозам, стоимость солнечного электричества сравняется с электричеством традиционным уже лет через десять.
А напоследок – вообще фантастика. Российские ученые в Дубне разработали супербатарею на основе нового фотоэлемента. Его себестоимость ниже, чем у привычной солнечной батареи. Для создания фотоэлемента было применено новое вещество – гетероэлектрик . Это позволяет использовать для получения электричества не только свет Солнца, но и других космических объектов. Причем независимо от погодных условий. Кстати, масса «звездной» батареи на один вырабатываемый Ватт электроэнергии в 1000 раз меньше, чем у солнечной батареи. Это снимает проблему больших площадей, занимаемых солнечными батареями.
Прямо по Маяковскому получается: светить всегда, светить везде до дней последних донца. Светить – и никаких гвоздей…
Налог на солнце
Федеральный закон от 27 декабря 2019 года N 471-ФЗ «Об Электроэнергетике» В ЧАСТИ РАЗВИТИЯ МИКРОГЕНЕРАЦИИ
«Технологическое присоединение объектов микрогенерации должно предусматривать обеспечение технического ограничения выдачи электрической энергии в сеть с максимальной мощностью, не превышающей величину максимальной мощности принимающих устройств потребителя электрической энергии, которому принадлежат на праве собственности или ином законном основании объекты микрогенерации, и составляющей не более 15 киловатт.»
Реализация физическими лицами электрической энергии, произведенной на объектах микрогенерации, не является предпринимательской деятельностью.
Источник