Пояснения к таблицам солнечной энергии

Некоторые вычисления о солнечной энергии сосредоточены у меня в двух таблицах.

Они дают понятие об идеальной работе солнечных лучей, выраженное, то в механических единицах работы, то в тепловых единицах, то в форме химической работы и т. д.

Не надо забывать, что это максимум, и только некоторую долю его может получить человек, теми или другими способами. Так, растения дают от 0,05% до 5% в виде химической работы, двигатели – до 30% в виде механической работы; только теплота утилизируется почти целиком. Кроме того, среднее количество солнечной энергии на земле, не принимая в расчет облачных и туманных дней, еще в 8 раз меньше. Причина – круглота Земли и поглощение энергии атмосферой. Не только это, но и множество других условий мешают идеальной эксплуатации солнечных лучей. Таблицы относятся к эфирному пространству, непрерывному и нормальному действию лучей и идеальному способу эксплуатации. Чтобы перейти к Земле, надо эти числа уменьшить в 8 раз, а если обратить внимание на облачность, то раз в 20, в 100 и более, смотря по облачности и другим условиям. На короткое время, не больше 2–3 часов, при вертикальном стоянии Солнца, при чрезвычайно прозрачной атмосфере, на высоких горах, результаты действия солнечных лучей могут быть довольно близки к таблицам. Еще ближе они на нашей Луне, где нет атмосферы.

Объясним значение 7 строк первой таблицы.

1. Солнечная теплота в больших калориях. Например, в секунду квадратный метр нормальной к лучам поверхности получает полкалории, т. е. полкилограмма воды может нагреться в секунду на один градус Цельсия, в минуту на 30°, в час 1800 килограммов нагревается на 1°, или 18 килограммов на 100° Цельсия и т. д.

2-3. Представим себе, что квадратный метр залит ровным слоем воды. Строки показывают, какой толщины слой нагревается на один градус Цельсия. Так, в час нагревается слой глубиною в 1,8 метра; в минуту толщина будет только 0,03 метра, или 3 сантиметра, в секунду – 0,0005 метров или 1/2 миллиметра, в сутки – 43,2 метра, или 1 метр глубины от нуля до 43° Цельсия.

Разумеется, не имеют в виду потерю теплоты от лучеиспускания и теплопроводности.

4-5. Эти строки показывают также толщину нагретых на 20° Цельсия воздуха и почвы. Так, например, воздух в минуту прогревается от 0 до 20° на глубину 4,8 метра, а почва в то же время на глубину 0,003 метра, или на 3 миллиметра. В сутки нагревание почвы, конечно, при отсутствии тепловых потерь, дошло бы до глубины 4,3 метра, а воздух в то же время прогрелся бы на 6912 метров, т. е. почти на 7 километров, или более, чем на 6 верст (равной плотности).

6. Тут показана соответствующая механическая работа. Так, тепловая энергия одного квадратного метра (освещенного солнцем), превращенная без потерь в механическую работу, дает в секунду 214 килограмм-метров, т. е. 214 килограммов поднимаются на 1 метр высоты. Такая работа немного менее непрерывной работы машины в 3 лошадиных силы. В эфирном пространстве легко может утилизироваться до 30% и более этой энергии с помощью особых моторов. Тогда увидим, что каждый квадратный метр будет давать до 60 килограмм-метров, или немного менее одной лошадиной силы. Самая выгодная эксплуатация механической работы от солнечных лучей – это использование ее с помощью моторов, без посредства растений. На Земле, по разным причинам такая эксплуатация даст, по крайней мере, в 20 раз меньше. Но и то составит 3 килограмма-метра и будет в 2000 раз больше, чем сколько может дать весь добываемый на земле каменный уголь, работая в моторах. На самом деле только ничтожная его доля работает в моторах, именно, мы видели, что только 10%.

7. Здесь выражена та же работа, но в виде высоты поднятия слоя воды глубиною в 1 метр, и покрывающего освещенную Солнцем поверхность Земли. В минуту такой слой подымается на 13 метров, в час на 770, а в сутки на 18,5 километров, т. е. на 17 верст с лишком, в год на 6 тысяч верст. Если бы эту годовую работу употребить на сообщение поднятой массе воды скорости, то ее было бы достаточно для вечного удаления такой массы от земной поверхности, т. е. для полного одоления тяжести земли.

Поясним вторую таблицу. Тут проявление солнечной энергии медленнее, а потому срок дается от часу до столетия.

1. В первой строке выражено накопление теплоты в громадных калориях – тонно-градусах. Например, видно, что в сутки может нагреться тонна воды на 43 °C. Солнечная теплота опять относится к квадратному метру нормальным лучам и непрерывному действию лучей в эфире. Потери не считаются.

2. Показана толщина нагретой на 100 °C воды. В сутки может нагреться слой в 0,432 метра, или 43 сантиметра, в час около 2 сантиметров.

3. Выражена толщина слоя растаявшего льда, при 0 °C. В сутки растает полметра, в час 2 сантиметра, в год – 197 метров.

4. Указана толщина слоя воды при 100°, обратившейся в пар при той же температуре кипения. Так, в год найдем около 30 метров, в час 3 миллиметра. В час тропической жары и действия вертикальных лучей Солнца действительно может испариться если не 3, то 1–2 миллиметра. Интересно годовое число. Уменьшив его для Земли в 8 раз, найдем среднее наибольшее возможное количество испарения, а следовательно, и осадков. Получим 375 сантиметров. Это число на самом деле близко к наблюдаемому максимуму годовых осадков воды на экваторе.

5-15. В этих строках таблицы выражена в метрах толщина разных металлов и стекла, доведенных солнечными лучами до температуры плавления. Так, доходит до расплавления в час слой стекла в 9 миллиметров толщины. Конечно, как и всегда, не принимается в расчет потеря теплоты лучеиспусканием нагреваемого материала. На практике температура нагревания очень незначительна и не превышает 150 °C. Все же приводимые соображения имеют значение, так как потери теплоты хотя отчасти устранимы, и тогда расчеты эти близки к реальным явлениям.

Слой меди, серебра, платины более полметра толщины в течение суток должен бы дойти до точки плавления. Для олова и свинца найдем 3 и 4 метра; для чугуна, стали, железа и стекла – более 20 сантиметров.

16-21. Тут материалы не только нагреваются от 0° до температуры плавления, но и обращаются в жидкое состояние. Эти числа немного меньше предыдущих. Так, в час слои цинка, серебра и платины толщиною 20 миллиметров не только нагреваются, но и плавятся. Для чугуна слой будет около 9 миллиметров, для свинца 116 миллиметров.

Повторяю, эти числа дают только понятие о количестве испускаемой солнечной теплоты. Но они имели бы буквальное значение, если бы мы могли как-нибудь устранить потерю теплоты от лучеиспускания нагреваемых тел. Это отчасти возможно, особенно вне атмосферы.

22-24. В этих строках и далее вычислена степень энергии солнечных лучей, выражаемая разложением химически сложных веществ. Пока химическая энергия солнечных лучей проявляется практически лишь в растениях, причем утилизируется от 0,02% до 5%. Здесь же предполагается, что вся она целиком идет на химическую работу. Числа таблицы выражают идеал, которого люди никогда не достигнут – ни с помощью растений, ни другими способами. Приводимые три строки относятся к толщине образуемого на освещенной поверхности слоя углерода, муки и картофеля – при плотности воды. Эти же числа выражают и количества этих продуктов в тоннах на 1 кв. метр. Муки получается вдвое меньше, чем углерода, а картофеля в 4 раза меньше, чем муки. Так, годовое накопление углерода, муки и картофеля составляет около 2, 4 и 16 метров толщины или столько же тонн на один квадратный метр поверхности. Муки, например, 4 тонны, или 4000 килограммов, что в день составит более 10 килограммов. Это в 20 раз больше, чем нужно для непрерывного пропитания среднему человеку. Банан и другие растения, при самых благоприятных условиях, утилизируют до 5%, значит, как раз столько, сколько нужно для прокормления единицы населения. Итак, квадратный метр возделанной в эфире почвы, непрерывно освещаемой лучами Солнца, может дать полное пропитание одному человеку. На Земле для того же нужно 10–20 кв. метров.

25. При химической деятельности лучей образуется, вообще, несколько веществ, смотря по сложности разлагаемого или составляемого тела. Так, углекислый газ, одной и той же энергией, одновременно, разлагается на углерод и кислород. В строке показано количество полученного кислорода в виде толщины газового слоя, при давлении атмосферы и нулевой температуре по Цельсию. В год образуется равноплотный слой, толщиною в 3000 метров, т. е. масса, равная половине всей атмосферы. Вот как могла бы количественно преобразоваться атмосфера, если бы была полная утилизация солнечных лучей. Но растения, как мы знаем, утилизируют от 0,05% до 5%. Затем, Земля получает восьмую долю всей энергии. Значит, для прибавления половинной кислородной атмосферы надо от 160 до 16 000 лет.

26-27. Тут тоже имеется в виду разложение двуокиси углерода, но полученная масса углерода и кислорода вычислена в тоннах на квадратный метр освещенной поверхности. Числа выражают также толщину слоя при плотности воды. Так, в сутки образуется одновременно 5 килограммов угля и 14 килограммов кислорода. В столетие получается слой угля в 195 метров и кислорода в 520 метров. Принимая же в расчет наибольшую утилизацию растениями и еще уменьшая ее для Земли в 8 раз, получим слой углерода в 160 раз тоньше. Именно, вековое максимальное приращение угля в 1,2 метра и кислорода в 3,3 метра.

28-37. Далее идут числа, относящиеся к химическому разложению других веществ: руд, железа, кремния, цинка, меди и свинца. Как видим, в отношении металлов, наименьшее количество тонн приходится на окись кремния. Годовой прирост слоя, как и для углерода, около 2 метров. Для других металлов, по порядку, получается 8, 12, 23 и 59 тонн. Последнее число для свинца, первое для железной руды. Если бы могли утилизировать на Земле хоть 10% солнечной энергии для добывания железа, то и тогда получили бы на 1 кв. метр 0,1 тонны в год. А так как на человека одной суши приходится 9 гектаров, то при настоящем населении каждый получил бы на душу 9000 тонн железа, или в 330 000 раз больше, чем получает сейчас. Действительно, всего люди в год добывают 44 миллиона тонн чугуна, а на душу приходится 27,5 килограммов в год. На Земле затруднительно применить солнечную энергию для восстановления руд, но в эфире – другое дело. Там удобно построить параболические зеркала, и получить температуру в их фокусе до 5000 °C. На Земле и нагревание воздуха, и тяжесть и другие условия мешают применить солнечную энергию во множестве случаев.

В отношении количества получаемого кислорода кремний наименее выгоден, а окисел железа – наиболее. Но, вообще, разные металлы дают не очень отличающиеся между собой числа. Так, годовой продукт от окиси железа дает, слой кислорода в 7,5 метров, а окиси свинца 4,5 метра, или 4,5 тонны на квадратный метр.

38-39. Эти строчки относятся к разложению воды. Годовое количество для водорода равно 0,46 тонны, а кислорода – почти 4 тонны. Значит, кислорода – количество среднее, а водорода в 8 раз меньше. Добывание и водорода, и кислорода имеет важное значение для реактивных приборов, освобождающих человека от Земли и ее тяжести.

Сейчас химическая работа солнечных лучей не применяется для непосредственного анализа или синтеза сложных веществ, если не считать беления воска и тканей, фотографии и других мелочей. Пока, ввиду полного нашего незнания в этом отношении, возможно только пользоваться, для получения разных материалов, растениями и животными. Но они слабо утилизируют солнечную энергию, и круг добываемых веществ хотя и обширен, но односторонен. Например, мы не получим металлов и других простых продуктов, очень важных в промышленности.

Как ничтожно количество добываемых человеком энергии и веществ в сравнении с тем, которое могло бы, при умении, доставить непосредственная, т. е. без растений, энергия лучей! У человека сейчас в распоряжении двигатели в 49 миллионов лошадиных сил. На душу приходится 0,03 лошадиных силы… Девять же гектаров надельной суши дают ему в среднем, считая 10% утилизации, 240 000 килограмм-метров или 3200 лошадиных сил. Это число более имеющейся работы, если бы она была непрерывной, в 107 000 раз. Но великолепная эксплуатация может быть только в эфире, вне Земли. Люди сейчас добывают из Земли на душу 500 килограммов угля. Энергия лучей на суше, принимая опять утилизацию в 10%, дала бы на душу 2250 тонн, или в 4500 раз больше.

Человечество добывает железа на душу в год около 27,5 килограммов. На 9 гектаров суши 10% работы солнечных лучей дадут 9000 тонн, или в 330 000 раз больше. Про это было уже упомянуто. Культурные страны добывают разного зерна на человека 530 килограммов в год. Энергия Солнца, при тех же 10% использования, дала бы на 9 гектаров суши в 9000 раз больше.

Добыча культурного человека, в виде сахара, в год дает на душу 16 килограммов. Солнце могло бы дать, при тех же условиях, в 270 000 раз больше. 454 миллиона цивилизованного населения получают хлопчатника около 20 килограммов на душу. Солнце же, теоретически, даст в 340 тысяч раз больше.

40-41. Если бы солнечная энергия, падающая на квадратный метр, целиком пошла на создание мяса, то мы бы получили его столько, в виде людей и быков, сколько содержат единиц числа последних строк. Например, в год получилось бы столько, сколько имеют 200 человек или 20 быков.

Как почти целиком использовать солнечную энергию – это мы постараемся описать в особом сочинении: «Жизнь в эфире».

Солнечная энергия в секунду, минуту, час, сутки и год, в разных проявлениях, на 1 квадратный метр. Непрерывное действие нормальных лучей, при отсутствии атмосферы, т. е. в пустоте