Заглянем в будущее
Шрифт:
Общая годовая мировая продукция фотосинтеза на суше и в океанах оценивается (конечно, сугубо ориентировочно) в 80 миллиардов тонн, что примерно в 14 раз превышает количество добываемого ежегодно топлива (а в пересчете на калорийность в 7–8 раз больше). Конечно, цифры эти надо считать приблизительными, так как определить фотосинтетическую продукцию океанов и суши, не связанную с сельскохозяйственной деятельностью человека, довольно непросто. Однако сейчас ясно выявляется, что фотосинтетическая продукция океанов, во всяком случае, не превышает таковой на суше, хотя поверхность океанов в 4 раза больше. Остановимся на продуктивности лесов, где можно сделать более определенную оценку.
Общая площадь,
Так, продукция фотосинтеза для северных лесов составляет 8 тонн на гектар, а для тропических — значительно больше. Расчет ведется не только на деловую древесину, но и на сучья, корни и некондиционные деревья. Будем считать, что в среднем весь этот мировой прирост составляет 10 тонн с гектара. В таком случае все леса дают ежегодно 4 · 1010 тонн, то есть 40 миллиардов тонн древесины, что в 7 раз больше, чем добываемое ежегодно топливо по тоннажу, и в 4 раза больше по калорийности.
Само собой разумеется, что сжигать лес, являющийся ценным строительным материалом, сырьем для получения целлюлозы и многих других органических веществ нерационально. Однако сжигание только отходов леса уже обеспечит снабжение энергией всего лесного хозяйства. К сожалению, подавляющая часть прироста древесины вовсе не используется, а гниет из-за отсутствия правильной эксплуатации, вывоза леса из северных и тропических районов. Наладить уход за лесами и их эксплуатацию является необходимым мероприятием ближайшего будущего.
На первый взгляд приведенные цифры возможного использования фотосинтеза растений кажутся довольно большими. Однако при сравнении их с энергией солнечного излучения, падающего на сушу Земли, они оказываются ничтожными. Так, определяя к.п.д. перехода солнечной энергии в химическую энергию пищи и кормов при указанных ранее высоких урожаях (15 тонн сухого вещества с гектара), мы убеждаемся, что этот к.п.д. составит всего 1,5 процента, а при современных средних урожаях — еще раз в 5 меньше. (К.п.д. фотосинтеза определяется отношением калорийности урожая — в сухом весе — к количеству солнечной радиации на гектар, выраженной в тех же единицах, например в ккал/га. Биологи, обычно определяют к.п.д. по отношению лишь к части видимого солнечного спектра, являющейся активным началом фотосинтеза с энергией, равной половине энергии всего солнечного спектра. Отсюда принятый нами к.п.д. 1,5 процента соответствует «биологическому» к.п.д., равному 3 процентам.)
Такое низкое значение к.п.д. объясняется в первую очередь тем, что в ранних периодах вегетации, когда растения малы, листья покрывают лишь малую часть пашни и солнечная энергия в большей своей части падает на землю, а не на растения. Наоборот, при полном развитии растений одни листья затеняют другие и в основном работают лишь верхние листья. Это мешает физиологическим функциям растений, а также понижает к.п.д. фотосинтеза, и вот почему: при малой освещенности к.п.д. фотосинтеза составляет 10 процентов, но падает с увеличением интенсивности. При больших интенсивностях облучения выход вещества вообще перестает зависеть от интенсивности света, и скорость фотохимического процесса будет лимитироваться активностью ферментов, скоростью диффузии исходных веществ в растении и др.
Учитывая такое своеобразие к.п.д. фотосинтеза, было бы очень выгодно
Рассматриваемый нами эффективный к.п.д. фотосинтеза зависит от разнообразных условий (формы и расположения листьев, ухода за посевами и пр.), а не только от самого аппарата фотосинтеза.
Оказалось, что соответствующие значения начального к.п.д. и характер кривых не точно одинаковы для разных растений. Но в общем они распадаются на две группы. К одной относятся все растения средней полосы, а к другой — растения, относящиеся к так называемым тропическим травам. Для первых к.п.д. при малых интенсивностях составляет в среднем 8 процентов, а для вторых — 12 процентов, что соответствует «биологическому» к.п.д. 16 и 24 процента. Это обстоятельство также является одной из причин повышенной урожайности кукурузы, сахарного тростника и им подобных растений.
Итак, солнечная энергия в соединении с агрокультурными мероприятиями и селекцией способна обеспечить человечество питанием на сто-двести лет вперед даже при большом увеличении населения.
Поставим теперь вопрос: не сможем ли мы за счет энергии Солнца добывать в достаточном количестве и электроэнергию для нужд промышленности и быта, учитывая постепенное уменьшение запасов горючих ископаемых, накопленных в течение многих миллионов лет за счет той же солнечной энергии? А быть может, удастся получать органические вещества чисто химическим путем, за счет солнечной энергии вне растений?
При космических полетах и особенно при исследовании поверхности Луны (а впоследствии и Марса) применяются полупроводниковые солнечные батареи, которые работают с к.п.д., превышающим 10 процентов. Нет сомнений, что в будущем ученым удастся повысить к.п.д. преобразования солнечной энергии в электрическую, скажем, до 20 процентов. Кстати, в этих батареях к.п.д. не уменьшается при увеличении интенсивности солнечной энергии в противоположность тому, что имеет место при фотосинтезе в растениях.
В принципе при дальнейшем удешевлении полупроводниковых материалов не исключена возможность использования подобных батарей и на поверхности Земли, покрывая ими большие пространства суши. Суточные, месячные и годовые изменения интенсивности излучения, а значит, и электрического тока от батарей можно было бы выровнять с помощью аккумулирования электрической энергии батарей в виде продуктов электролиза. При этом можно было бы выбрать такой электролиз, продукты которого давали бы возможность переводить их химическую энергию в электрическую с к.п.д. около 100 процентов в топливных или обычных электрических элементах. От этих элементов мы могли бы получать ток уже постоянной мощности.