Солнце — единственный пополнитель имеющихся запасов энергии на Земле. Когда иссякнут все запасы топлива, перед человеком будет стоять вопрос о том, чтобы как можно лучше использовать ту энергию, которую посылает нам Солнце.
Температура поверхности Солнца — около 6000° Ц. По подсчетам Аррениуса, в год температура поверхности Земли достигает 530·10 8 биллионов больших калорий[3].Попробуем представить себе это число. Для сравнения возьмем количество тепла, содержащееся в том угле, который сжигается на всех заводах, фабриках, паровозах и пр. По подсчетам того же Аррениуса, это число равно около 7000 биллионов калорий (для 1921 г.). 530 000 000 и 7000 —вот те числа, которые вы должны сравнить.
Вы видите, что тепло, доходящее от Солнца на Землю, более чем в 75000 раз превосходит тепло, добываемое от топлива на Земле.
На квадратную поверхность, находящуюся на высоте 20 м над уровнем моря, перпендикулярную к солнечным лучам, размером в 1 кв. м, каждую минуту падает приблизительно 9 калорий лучистой энергии (по Аррениусу), при чем количество получаемой энергии увеличивается с высотой. По измерениям физика Крова, на высоте 1900 м количество «упавших» калорий уже будет 14, вместо 9. Русский ученый Ганский, пользовавшийся очень чувствительными приборами, произвел измерения на Монблане (высота 4810 м) и нашел, что там на каждый квадратный метр Солнце посылает 34 больших калорий в минуту.
Разница эта объясняется тем, что на высоте 1900 м содержится приблизительно в 5 1/2 раз меньше водяных паров, чем на высоте 20 м. Пары воды в атмосфере являются главными поглотителями лучистой энергии. Так как одна калория тепла соответствует 427 килограммометрам работы и так как одна лошадиная сила равна 75 килограммометрам в секунду, то 9 калорий в минуту равносильны приблизительно 0,86 лошадиной силы. Если подсчитать, сколько это выйдет на квадр. километр, то получим 860 000 лошадиных сил!
Сделаем небольшое отступление, чтобы помочь читателю уяснить себе, как велика мощность в одну лошадиную силу.
Лошадиная сила соответствует мощности такой машины, которая совершает 75 килограммометров работы каждую секунду, т. е. машины, которая, скажем, в состоянии поднимать ежесекундно 15 кг на высоту 5 м или 75 кг на высоту одного метра. Надо заметить, что лошадь такую работу может совершать лишь с перерывами.
Интересно происхождение этой единицы мощности. Ее установил Уатт. Одна из первых паровых машин, построенных этим изобретателем, должна была приводить в движение насос, работавший раньше с приводом в одну лошадь. При переходе на паровую силу было условлено, что машина должна делать в день такую работу, какую в состоянии произвести лошадь. При этом хозяин предприятия, где производилась установка, сам решил проверить, какова же мощность лошади. Чтобы получить машину возможно сильнее, заказчик при определении работы лошади заставил сильное животное работать под ударами кнута в течение 8 часов до полного истощения. При таких ненормальных условиях ему удалось получить от лошади работу, соответствующую мощности около 75 килограммометров в секунду. Впоследствии оказалось, что при длительной нормальной работе мощность лошади составляет всего 1/3 лошадиной силы.
Мощность человека, как машины, еще меньше. Чернорабочие совершают в час приблизительно ту же работу, что красноармеец при часовом ходе. Высчитано, что человек, например, при часовом нормальном переходе (около 5 км в час) совершает работу от 20 000 до 25 000 килограммометров. Поэтому мощность чернорабочего равна, самое большое, 1-й доле лошадиной силы.
Теперь вернемся к вопросу о том, сколько же лошадиных сил может дать Солнце. Если бы солнечные машины смогли работать в тех же условиях, что и паровые (с коэффициентом полезного действия от 10 до 15 %), то с каждого квадратного километра, заставленного такими машинами, мы могли бы получить не 860 000 лош. сил, а только от 86 000 до 129000 лошадиных сил.
На довоенных трансатлантических пароходах ставились паровые машины мощностью от 20000 и больше лошадиных сил; значит, солнечные двигатели, поглощающие солнечную энергию с площади в 1 кв. км, могут заменить около 5 или 6 таких крупных паровых машин.
Если теперь вспомнить о пустынях Азии (наш Туркестан), Африки (Сахара), Австралии и Америки, бесплодно накаляемых горячими лучами солнца, а также то, что температура в Туркестане бывает выше 60° Ц, а почва Аравийской пустыни накаляется даже до 90° Ц, то станет ясным, какой огромный запас энергии мы имеем в лучах Солнца.
Вот почему уже давно предпринимались попытки использовать солнечную энергию путем специальных солнечных двигателей.
Один из первых таких двигателей был устроен Соломоном де-Ко (рис. 34).
Рис. 34. Солнечный двигатель Соломона де-Ко (1615 г.). Лучи падают на 16 зажигательных стекол, в фокусе которых помещены герметически закрытые и налитые до половины водою ящики.
В нем солнечные лучи падали на 16 двояковыпуклых «зажигательных стекол», в главном фокусе которых были поставлены герметически закрытые металлические ящики. В ящики до половины их высоты была налита вода, а в нее почти до самого дна опущены трубы. Воздух в ящиках нагревался, расширялся, давил на поверхность воды, заставляя ее по трубе подниматься и бить фонтаном. Книга, в которой описана эта машина, относится к 1624 году (второе издание).
Первые опыты, рассчитанные на более серьезные применения, были произведены французом Мушо в Алжире в 1860 году. Его «солнечный котел» (рис. 35) состоял из приемника А, закрытого пробкой и прикрытого стеклянным колпаком В.
Рис. 35. Солнечная машина Мушо (1860 г.), где с помощью электрического зеркала С направляются лучи на котел А, прикрытый стеклянным колпаком В.
Рядом с ним ставилось зеркало, представляющее цилиндрическую посеребренную поверхность; фокус зеркала, — та точка, в которой собираются падающие на поверхность зеркала лучи солнца, — находился на котле. Образующийся пар может выходить через трубу, а вода, необходимая для питания котла, поступает по другой трубке. При помощи такого солнечного котла Мушо удавалось в 90 минут нагревать три литра воды до 85°, а два литра воды нагревались до 90° Ц и в один час. В общем Мушо получал только 0,03 лошадиной силы на квадратный метр, т. е. в 4 раза меньше, чем следовало ожидать. Полезное действие оказалось меньше 3 %. Такой низкий коэффициент объясняется, разумеется, несовершенствами паровых машин того времени.
Более 200 000 рублей затратил на опыты е солнечной машиной шведский инженер Эриксон. Вот некоторые данные об этих опытах. Зеркало, имеющее отверстие 9,3 кв. м, давало в Нью-Йорке в полуденное время приблизительно 0,1 лошадиной силы. В 1898 г. Эриксону в Калифорнии при помощи зеркала с общей поверхностью в 930 кв. м удалось получить всего 10 лошадиных сил. Изобретенное инженером Эриксоном зеркало имеет в диаметре 10 м и в глубину — 5 м и состоит из 1788 маленьких плоских зеркал, отражающих лучи к паровому котлу. Сам же котел представляет медный цилиндр, зачерненный поверху, и вмещает 670 литров воды.
Это зеркало-гигант вращается около своей оси в течение дня, все время будучи обращенным к Солнцу. Через час после восхода Солнца эта машина доводила давление в котле до 12 атмосфер, и котел мог приводить в движение девятисильную паровую машину, приводившую в действие насосы, которые доставляли воду для орошения. Но вследствие дешевизны угля и больших затрат на установку, машина оказалась невыгодной и разорила изобретателя.
Рис. 36. Шведско-американский инженер Эриксон, разорившийся на опытах с солнечными машинами.
В большем масштабе производились опыты американским инженером Шуманом, который в 1913 г. соорудил машину на 500 лошадиных сил в Египте, около Каира. Устройство машины следующее. В отличие от машины Эриксона, зеркала здесь возвышались невысоко над землей. Пять цилиндрических зеркал длиной в 60 м и шириной в 4 м были расположены горизонтально с севера на юг на общей площади в 3500 кв. м. В полуденное время зеркала затеняли приблизительно треть общей площади участка. Когда Солнце опускалось до 20° над горизонтом, тени зеркал сливались вместе, так что вся площадь оказывалась затененной. При дальнейшем опускании Солнца они уже начинали затенять друг друга. Паровые котлы помещены в фокусе зеркала и состоят из зачерненных цинковых коробок, проходящих по всей длине зеркала. С одной стороны в коробки поступает вода, а с другой принимается пар. Вся установка дала 0,06 лош. силы на каждый кв. метр. Стоимость каждой лошадиной силы в установке Шумана —300 рублей, втрое дешевле установки Эриксона. Поэтому машина Шумана, по-видимому, может получить распространение.
В последнее время предложено много проектов машин, устройство которых основано на новых началах. Назовем, например, опыты ленинградского физика проф. Б. П. Вейнберга, проектирующего устройство солнечных машин в Туркестане.