Читать книгу «Сколль. Холод и мгла» онлайн.
— Ого!
— Клапаны, насосы, кварцевые лампы для обеззараживания, температурные демпферы, датчики газов, температур и давления, вентиляторы, рекуператоры, фильтры, радиаторы, тысячи и тысячи километров труб — дорогое удовольствие!
Глава 9. Да будет Свет!
— Рад снова видеть вас, друзья! Продолжаем знакомство с миром «Свартальвхейма». На этот раз мы выслушаем доклад доктора химических и физико-математических наук Перова Сергея Сергеевича, который доступно нам объяснит, зачем нам нужна столь основательная система теплообмена. Сергей Сергеевич, прошу.
— Здравствуйте, коллеги! Признаться, не верю я в катастрофу, но привык доверять профессионалу и не буду лезть в тему, где понимаю не более, чем свинья в апельсинах. Тем более Андрея я знаю уже давно. Мой бывший студент всё-таки, и не самый худший. До последнего момента я работал начальником отдела роста института кристаллографии имени Шубникова и светодиоды дело всей моей жизни.
Фотосинтез — ключевой процесс, который происходит в каждом растении и обеспечивает весь цикл оборота питательных веществ. Спектр, воспринимаемый растениями, наглядно показан на рисунке, — Сергей Сергеевич указал на экран. — Энергетическая эффективность света в листе определяется кривой McCree 1972. Хлорофилл поглощает максимум солнечного света в синей и красной части спектра. В свою очередь, зелёная составляющая практически полностью отражается растениями, что и неудивительно.
Цвет любого предмета, воспринимаемого человеческим глазом, не что иное, как отражённая часть солнечного света. Растения отличаются составом хлорофилла, а значит, максимум поглощения в красной зоне спектра тоже может быть разным. Одним видам растений достаточно облучения в шесть сот шестьдесят нанометров, а другие прекрасно растут под воздействием лучей инфракрасного диапазона. Изобретение фитосветодиодов, работающих в фитоактивном спектре частот, значительно увеличивает эффективность фотосинтеза.
В нашей лаборатории разработан белый фитосветодиод, обеспечивающий оптимальное освещение для наилучшего роста растений со световым потоком триста люменов на ватт, что в тридцать раз эффективней лампы накаливания. Такие лампы потребляют в шесть раз меньше электричества, чем натриевые, а срок службы некоторых лабораторных образцов достигает ста двадцати тысяч часов — тринадцать с половиной лет непрерывной работы! Светодиоды практически не излучают тепла, что позволяет размещать их в непосредственной близости от листьев, всхожесть семян увеличивается на двадцать процентов, рассада на девяносто процентов быстрее набирает биомассу, на такую же величину замедляется скорость роста в высоту, но в то же время увеличивается масса, прирост корневой системы, количество хлорофилла возрастает вдвое, а цветение начинается раньше на неделю. Помимо спектра, на урожайность влияет тепловой режим и продолжительность светового дня.
При безоблачной погоде поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности в полдень, находится в интервале от 700 до 1300 Вт/м2 в зависимости от широты, долготы, высоты над уровнем моря и от времени года. Чем южней находится растение, тем больше света ему требуется. Большинству культур хватает тринадцатичасового светового дня, но у некоторых потребность в свете может быть больше, поэтому в теплицах для каждого вида растений индивидуально подбирается количество и тип ламп, определяется их высота.
Сама по себе мощность, измеряемая в ваттах, — общая характеристика. Вот возьмём лампу накаливания мощностью сто ватт. Из них, семьдесят тратятся на нагревание окружающего пространства, большая часть энергии излучается в невидимом для глаза диапазоне, оставшиеся тридцать ватт, тот свет, который мы видим.
Обычная освещённость летом в средних широтах в полдень семнадцать тысяч люменов, в море на глубине пятидесяти метров двадцать, а в безлунную ночь всего две тысячных люмена. Растениям для развития требуется световой поток от тысячи до двенадцати тысяч люменов. Соответственно, чем больше люменов на ватт, тем меньше мы тратим энергии на освещение. Чем выше уровень освящения, тем активней рост растений. Уровень мощности для питания диодов в современных теплицах составляет от 20 до 100 Вт/м2. Однако нам не нужна досветка, нам потребуется полностью искусственное освещение и здесь у нас начинаются совсем нехорошие цифры в триста и четыреста ватт на метр квадратный. Если взять наши лучшие светодиоды и среднюю температуру в плане облучения светом разных растений, то на квадратный метр потребуется 220 Ватт. Ирина любезно рассказала нам про полезный объём фитотрона, но не про площадь освещения.
— Четыреста квадратных метров для полного обеспечения человека растительной пищей, семьсот тридцать — аква- и зоотроны и тысяча двести на полноценный вариант, включающий весь цикл — тут же отреагировала Ирина.
— Примем за базу второй вариант, полноценный, — вставил я слово.
— Хорошо, Андрей. Разберём этот вариант. Мощность всех светодиодов сто сорок четыре киловатта. Ну хорошо, с учётом того, что не все светодиоды работают круглые сутки — сто двадцать. Два миллиона человек — двести сорок миллионов киловатт на освещение, что больше, чем мощность всех электростанций России, — шум в зале.
— Кхм. Основная технология производства — выращивание светодиодов с квантовыми точками, с комбинацией металлорганических и органических материалов на кремниевой подложке, — Сергей Сергеевич достал из портфеля и выложил на стол внушительных размеров папку. — Здесь планы НИОКР и развития необходимых производств для того, чтобы не вылететь в трубу с такими объёмами, — пояснил профессор. — Необходимо организовать сквозной цикл производства начиная от кремния. Печи бесхлорного получения солнечного кремния, карботермия в потоке синтез газа, установки получения тетрафторида, кремния, роста кристаллов диаметром пятьсот миллиметров, газовой эпитаксии, производство радиаторов и люминофоров, определяющих светоотдачу и скорость старения излучателя, драйверы для питания светодиодов в конце концов.
Ты многое упустил, Андрей! — он повернулся ко мне. — Потребуются ведь не только промышленные и фитодиоды для растений, крайне желательно освоить технологии производства гибких экранов OLED и больших экранов, набираемых из диодов с квантовыми точками технологии QNED и Mini-LED. Сенсорная депривация, страшная вещь! Представляете, что будет с людьми через год, через два, три после пребывания в замкнутом пространстве? Даже в тюрьме есть прогулки, а тут ничего не будет. Депрессии, провал иммунитета, самоубийства. Виртуальная реальность на больших мониторах и шлемы VR в качестве медицинского инструмента позволят генерировать виртуальное естественное окружение — бескрайние пространства полей, моря, океаны, Швейцарские Альпы, да всё, что угодно!
Мои группы собрали перспективные отечественные разработки, производство которых мы рекомендуем организовать, уникальная катодолюминесцентная лампа, разработанная в МФТУ, работает по принципу ЭЛТ телевизора, не теряет яркость и не боится перегрева, а её цена в два раза дешевле светодиодов. В Томском университете разработаны технологии третьего поколения OLED (органические светодиоды) на основе бис-карбазолилфталонитрила, позволяющие печатать функциональные слои в одном технологическом процессе. По деньгам, на порядок дешевле традиционной «трехслойной» технологии. OLED для шнуров и широких лент заменят светодиоды в жилых зонах и складах. В перспективе организовать лаборатории по светоизлучающим белкам с КПД до восьмидесяти пяти процентов, по объёмным голограммам. Обязательно нужна группа для синтеза перовскитов методов СВС синтеза, они в пять раз дешевле светодиодов. Интересна тема светоизлучающих кристаллических нанотрубок, яркость которых превышает в двести раз современные источники света.
— Сергей Сергеевич, мы эти системы обсудим отдельно.
Он кивнул в ответ и продолжил:
— Остро необходима система искусственного солнца типа итальянской CoeLux. Знаете, несложная конструкция создает просто потрясающий эффект. Солнечное окно можно смонтировать на потолке в спальне, чтобы каждое утро, просыпаясь, взбадривать себя лучами солнца. Или в ванной комнате, чтобы принимать ванну с ощущением, будто вы находитесь где-нибудь на пляже в Испании. Когда я в первый раз её увидел, то был абсолютно уверен в том, что перед мной настоящее окно, из которого на стол попадают солнечные лучи.
— Знаю я эту систему, — выкрикнул со своего места Тимур. — Стоит у меня в офисе. Профессор, а вас не смущает, что цена солнечного окна за десять тысяч бакинских?
— Да бросьте! Если будет финансирование, то мы её раз в пятьдесят снизим. Поручу работу паре толковых аспирантов. Заменим подвижную оптическую систему, которая создает ощущение расстояния между «небом» и «солнцем», поработаем с материалами, рассеивающими свет и имитирующими небосвод. Сделаем всё ещё лучше, добавим Луну и свет звёзд.
— Свет Луны крайне необходим многим животным и растениям во время развития, — добавил басом мужчина с бородой.
— Вот-вот, Андрей, если серьезно походить к вопросу, необходимо организовать производство ксеноновых ламп для освещения больших залов, а также, люминофорной керамики.
— Сергей Сергеевич, вы тут столько всего предложили, голова кругом идёт. Что у нас по деньгам?
— Бюджетный вариант — пять миллиардов двести миллионов, полноценный — двенадцать миллиардов и минимум две тысячи исследователей!
— Ну что же. Благодарю вас! Дмитрий, поднимайтесь на трибуну, ваша очередь, — я подал знак полноватому мужчине в очках.
— Бронин Дмитрий. Кандидат химических наук. Институт высокотемпературной химии, лаборатория твердооксидных топливных элементов, — представился он. — Проект «Свартальфахейм» энергетически чрезвычайно затратен. По самым скромным оценкам на каждого человека потребуется сто семьдесят КВт установленных мощностей. Выработка за год составит запредельные 1 490 Мвт*часов, что в двести двадцать пять раз выше годового потребления электроэнергии на человека в России. Цена киловатт-часа генерируемых мощностей ключевой параметр, и по этому параметру наши метановые, твердооксидные топливные элементы вне конкуренции. При условии организации полного цикла производства, цена киловатта составит всего сорок долларов, против тысячи у считающейся очень «дешевой» газовой турбины. Срок службы электролита и катодов составил двадцать шесть тысяч пятьсот часов. В отличие от традиционных технологий, топливный элемент преобразует химическую энергию водорода в электрическую в процессе электрохимической реакции, напрямую. КПД топливных элементов в нашей разработке составляет восемьдесят пять процентов, из которых на электричество приходится шестьдесят два процента, а на тепло двадцать три. Отсутствие термодинамического ограничения коэффициента использования энергии делает их более эффективным, чем двигатели внутреннего сгорания и снимает ограничения цикла Карно.
Твердотельные оксидные топливные элементы, употребляемые в проекте, отличаются простотой конструкцией и позволяют использовать «грязное», неочищенное топливо, такое как природный газ, метан, пропан, биогаз или синтез-газ. Анод, катод и электролит изготовлены из смесей оксида циркония, оксида иттрия и бария, оксида церия-гадолиния. Все элементы выполняются в виде плоских плат, методом отливки, что позволяет автоматизировать производство. При подаче к аноду метана происходит его прямое окисление кислородом. На катоде образуются ионы кислорода, которые мигрируют через пористую кристаллическую решетку на анод, где взаимодействуют с ионами водорода, образуя воду и углекислый газ, попутно высвобождая свободные электроны. В батарее топливных ячеек вырабатывается неустойчивый постоянный ток, который отличается низким напряжением и большой силой. Для преобразования его в переменный ток, используется полупроводниковый преобразователь напряжения. Кроме этого, в состав блока входят ионисторы медь-графит, управляющие устройства и схемы защитной блокировки, позволяющие отключать топливный элемент в случае различных сбоев. Мощность типовых элементов от 1 кВт до 2 МВт. Из кубометра природного газа можно извлечь 6 кВт*часов электрической энергии и две с половиной тепловой. В нашей лаборатории есть и твёрдоокисные элементы с прямым окислением сероводорода и получение серной кислоты.
— Минуту, это что же получается, что у вашего топливного элемента цена киловатт*часа девяносто копеек? — оживился Тимур.