Данный ретофутурологический материал из довоенного выпуска журнала «Техника-Молодежи» выкладывается на сайт в продолжение темы, поднятой уважаемым коллегой NF в статье «Арктические амбиции Путина».
По Великому Северному морскому пути двигались мощные ледоколы и суда особого устройства, переползавшие ледовые поля. Больший флот торговых пароходов и теплоходов, множество шхун и катеров бороздили полярное море на всем направлениям. Даже подо льдом сообщение поддерживалось подводными лодками.
Культура народов Севера поднялась на большую высоту. В прошлое отошли первобытные чумы и яранги. Культурные промысловые станции регулировали добычу пушного зверя. Выводились даже новые виды зверей. Огромные оленьи стада обеспечивали мясом местное население. Оленье мясо вывозилось в другие края и за границу в замороженном и консервированном виде.
Оленьи и собачьи упряжки сохранились только как вид спортивных развлечений. Тундру пересекали вездеходы, тракторы и специально приспособленные автомобили. Широко развивались воздушные сообщения.
Разведывательные экспедиции обнаруживали все больше и больше месторождений полезных ископаемых, в том числе редчайших ископаемых, которых не было в других местах Союза.
Между тем Север оставался севером. Солнце по-прежнему светило только часть года. По-прежнему дули свирепые ветры, наметая огромные сугробы снега, по-прежнему нарастали ледяные массивы в бухтах и заливах, на много месяцев парализуя порты, по-прежнему землю сковывала вечная мерзлота.
Разработку полезных ископаемых можно было вести только в небольших количествах. Полным ходом работа могла итти лишь в течение небольшой части года, во время короткого полярного лета.
Арктика нуждалась в огромном количестве энергии, которое возместило бы недостаток солнечного тепла и помогло бы одолеть непокорную природу. Эту энергию надо было найти тут же, на месте: нельзя было строить расчеты на горючем, привозимом из-за моря Северным морским путем, — понадобилось бы перевозить десятки тысяч тонн, а это, разумеется, немыслимо.
Об использовании местных источников анергии думали уже давно. Мелкие установки опытного характера уже давно работали на полярных станциях и культбазах и оправдали себя. Но они удовлетворяли только самые ограниченные требования. Для того чтобы преобразить крайний Север, нужно было создать целую сеть мощных электрических станций.
С каждым годом усиливалась, индустриализация Арктики, и прежде всего были созданы мощные источники энергии.
Это не были, однако, те электрические станции, которые мы привыкли видеть а других областях нашего Союза. Это не были огромные здания, расположившиеся подле мощных плотин, перегораживающих многоводные реки; это не были огромные здании, увенчанные рядами высоких труб и неустанно поглощающих уголь. Энергетические станции Севера имели совсем другой вид, потому что были приспособлены к особым, своеобразным и суровым условиям крайнего Севера. Это были либо высокие ажурные стальные башни, увенчанные трехлопастными крыльчатками; либо здания, к которым из-под земли шли толстые металлические трубы с добытым на глубине газом; либо, наконец, здания, поставленные на далеко вдающемся в море молу и неустанно сосущие сверху морозный воздух, а снизу, из-под льда, — сравнительно теплую морскую воду. Это были, иными словами, либо ветроустановки, либо станции, работающие на подземной газификации угля, либо, наконец, разностнотемпературные установки. Ни одна из этих станций не нуждалась в привозном топливе.
Арктика «богата ветром». На крайнем Севере тянется безлесная ровная тундра и только кое-где возвышаются пологие и обнаженные холмы и горы. А с другой стороны на огромном протяжении открывается море. Это создает раздолье для ветра. Ветер дует в большей части крайнего Севера в течение всего года. Особенной силы он достигает зимой. Таким образом, в Арктике повсюду можно найти исключительно дешевую ветровую энергию.
Опыт предыдущих лет с маленькими ветроэлектростанциями не пропал даром. Выяснилось, что нельзя беспрестанно увеличивать мощность отдельного ветродвигателя; размах его крыльев можно доводить только до определенной величины. Поэтому мощные ветростанции строились теперь в виде крыльчаток, вращающихся на общей стальной раме, укрепленной на высокой башне. Вся башня может поворачиваться по ветру. Верхняя ее часть вращается в подшипнике, который удерживается растяжками, а нижняя часть — в специальном подпятнике.
Помимо этого начали строиться ветровые установки, основанные на совершенно новом принципе. Снаружи эти установки представляют собой высокую трубу большого диаметра, удерживаемую целой сетью растяжек. Никаких вращающихся частей снаружи нет. В верхней части трубы имеется кольцевая щель. С какой бы стороны ни дул ветер, он врывается в эту щель и выходит через верх трубы. Создается мощный поток воздуха, который увлекает за собой воздух, поступающий снизу трубы. Через трубу просасываются мощные воздушные потоки. Внизу, внутри трубы, вращается огромный «вентилятор», сцепленный с вертикальным электрическим генератором. Это и есть, собственно говоря, сам ветродвигатель. Труба же служит для того, чтобы «упорядочить» ветер.
Оказалось, что эти установки лучше используют ветер и значительно проще, так как не имеют громоздких вращающихся башен, сложных подпятников и контактных колец для собирания электрической энергии со всех крыльчаток.
Под вытяжной трубой, так же как под башней крыльчатого ветродвигателя, имеется специальное помещение. В нем находятся трансформаторы, распределительное устройство, аккумуляторные установки и т. д.
Из этого здания электрическая энергия, полученная от ветродвигателя, направляется в линию передачи, соединяющую несколько ветроэлектрических и других станций. Работа одной из электрических станций пополняется и выравнивается работой других. В том случае, когда в данном районе наступает штиль, энергия может быть получена с соседних станций. Вот почему теперь уже не было такой надобности, кап прежде, запасать резервную энергию в виде топлива или устанавливать огромные аккумуляторные батареи.
Дешевизна электроэнергии, вырабатываемой на таких ветроустановках, позволила перевести на электрическое питание не только промышленность и освещение, — в зданиях и сельскохозяйственных таблицах появились электрические радиаторы, которые щедро давали тепло.
***
В Арктике 50-х годов применялся в широких масштабах новый способ использования каменного угля.
Добыча местных углей на крайнем Севере очень трудна. Подъем угля на поверхность — на-гора — практически возможен только в течение двух-трех летних месяцев. Разработка обходилась настолько дорого, что оказывалось возможным добывать только высокосортные угли; все же менее качественные угли добывать не имело смысла, и они оставались в земле.
Тогда была выдвинута мысль о подземной газификации этих второсортных углей. Замечательная особенность этого способа заключается в том, что при нем вовсе не приходится поднимать уголь из-под земли на поверхность. Уголь подвергают переработке на месте, под землей. Наружу выходят только продукты переработки в виде газа. И, этот газ используют с большей выгодой, чем каменный уголь.
Вся шахта превращается как бы в гигантский газогенератор. Единственная обработка угольного пласта заключается в том, что в пласте проделывают горизонтальную скважину, уголь поджигают и продувают сквозь него воздух. При этом уголь сгорает иначе, чем, например, в топках парового котла. Вместо углекислого газа, который получается в результате сгорания угля в топках, при подземной газификации получается горючий генераторный газ. Иначе говоря, вместо очень тяжелой работы по добыче угля под землей и сжигания его после этого под котлами уголь сначала перерабатывают в газ под землей почти без участия рабочей силы. Затем этот газ без затруднений отводят наружу и используют в газовых двигателях. Отпадает тяжелая работа углекопов, и больше чем в два раза увеличивается использование углей.
Еще в 1913 г. Владимир Ильич Ленин обратил внимание на этот замечательный способ. Он предвидел тот огромный переворот в энергетике, который должна произвести в условиях социалистического хозяйства подземная газификация угля.
Преимущества подземной газификации угля оказались особенно ценными для крайнего Севера. Газификация давала возможность за один-два летних месяца произвести все подготовительные работы, с тем чтобы в течение всего остального года спокойно пользоваться газом — продуктом, подготовленным под землей.
Появились было опасения, что вечная мерзлота должна таять от жара, развивающегося под землей, и вода может залить искусственный подземный пожар. Но сомнения эти рассеялись, после того как припомнили случай большого подземного пожара в районе Анадыря, который начался незадолго до Великой пролетарской революции и длился в течение нескольких лёт. Вода, получавшаяся вследствие таяния вечной мерзлоты, находила себе пути помимо горящего угля. Породы, окружающие угольный пласт, не засыпали воздушные каналы, по которым воздух проникал к углю и поддерживал его горение.
Как же выглядит станция, использующая этот искусственный пожар? На поверхности земли, вблизи подземного пожара, расположено несколько зданий. В одном из них находятся компрессорные и насосные установки. От этих установок под землю к горизонтальной скважине в угольном пласту идут трубы, по которым подается воздух, необходимый для горения. От другого конца скважины также идут трубы, подведенные ко второму зданию. Здесь помещаются газоотсосные и очистительные устройства, в которых от генераторного газа отделяются смолы и другие вредные примеси. В этом же здании работают мощные насосы, откачивающие из-под земли воду. Рядом с зданием отсоса и очистки газа стоят газохранилища, непрестанно пополняемые газом и отдающие газ. Эти газохранилища настолько вместительны, что запаса газа хватило бы на несколько дней работы, если бы даже подача газа из-под земли по какой-нибудь причине приостановилась.
Из газохранилищ газовые трубы по поверхности земли входят в четвертое здание — электростанцию. Здесь через регуляторы они подходят к газовым двигателям. С каждым быстроходным газовым двигателем при помощи муфт соединен генератор электрического тока. Генераторы подают электрическую энергию высокого напряжения в распределительное устройство, от которого расходятся линии к потребителям.
От трансформаторов электростанции идет линия к отдельным портовым механизмам. Электроэнергия направляется также в линии передачи, соединяющие кольцом несколько различных станций.
От подземного пожара непрерывно тает вечная мерзлота и образуются целые потоки теплой воды. Их тепло не пропадает даром. Горячую воду откачивают мощными насосами, установленными в здании отсоса и очистки газа, и по закутанным в тепловую изоляцию трубам направляют для отопления помещений, в огромные теплицы, на строительные площадки, которые при помощи горячей воды освобождаются от вечной мерзлоты, и т. д. Таким образом, используется даже та часть энергии, которая непосредственно под землей, в процессе газификации угля, переходит в теплоту.
Подобно тому как это было во время «пожара» анадырского угля, поверхность земли над газифицируемым участком нагревается настолько, что даже зимой на ней не держится снег. Кое-где были сделаны даже удачные попытки засевать эту нагретую площадь земли.
Наибольший интерес представляли собой энергоцентрали крайнего Севера, которые использовали разность температур между водой и воздухом.
В самом деле, как было не задуматься о таком контрасте: температура воздуха зимой в Арктике бывает минус 40—50°, а тут же рядом, отделенная от воздуха только слоем льда, находится води, температура которой держится около нуля градусов. Таким образом, разность температур доходит до 50°, а в среднем всегда бывает около 15°. И все это в непосредственном соседстве друг с другом!
Между тем мы знаем, что, для того чтобы тепловой двигатель работал, к нему надо только подать некоторое количество тепловой энергии, т. е. повысить температуру внутри двигателя.
Двигатель, цилиндр которого то охлаждается зимним арктическим воздухом, то нагревается сравнительно теплой морской водой, должен работать! Вопрос только а том, чтобы создать соответствующую конструкцию.. И советские инженеры создали такую конструкцию!
Представим себе, что имеется цилиндр с поршнем. Под поршнем находится какая-то жидкость. Пока жидкость сохраняет свою температуру неизменной, поршень будет стоять на месте. Но если эту жидкость нагреть, она расширится, нажмет на поршень и поднимет его. Если эту жидкость охладить, она опять сожмется, и поршень вернется на прежнее место. Повторяя это снова и снова, можно заступить поршень двигаться внутри цилиндра взад и вперед, как .в паровой машине, только вместо пара в цилиндре будет работать какая-то жидкость. А от движения поршня, так же как и в паровой машине, при помощи коленчатого вала начнут вращаться и маховик и шкив. Таким образом, будет получаться механическая энергия.
Значит, нужно только поочередно нагревать и охлаждать какую-то рабочую жидкость. Для этого и были использованы арктические контрасты: к цилиндру приключается поочередно то вода из-под морского льда, то холодный воздух; температура жидкости в цилиндре быстро меняется, и такой двигатель начинает работать. Не важно, будут ли температуры выше или ниже нуля, нужно только, чтобы между ними была разность. При этом, конечно, рабочая жидкость для двигателя должна быть взята такая, которая не замерзала бы при самой низкой температуре.
Уже в 1937 г. был сконструирован двигатель, работающий на разности температур. Конструкция этого двигателя несколько отличалась от описанной схемы. Были сконструированы две системы труб, одна из которых должна находиться в воздухе, а другая в воде. Рабочая жидкость в цилиндре автоматически приводится в соприкосновение то с одной, то с другой системой труб. Жидкость внутри труб и цилиндра не стоит неподвижно: ее все время приводят в движение насосами. Двигатель имеет несколько цилиндров, и они поочередно приключаются к трубам. Все эти устройства дают возможность ускорить процесс нагревания и охлаждения жидкости, а стало быть, и вращение вала, к которому присоединены штоки поршней. В результате получаются такие скорости, что их можно передать через редуктор на вал электрического генератора и, таким образом, переработать тепловую энергию, полученную от разности температур, в энергию электрическую.
Первый двигатель, работающий на разности температур, удалось сконструировать только для сравнительно больших перепадов температуры, порядка 50°, Это была нена разности температур воздуха и воды из горячих источников, которые имеются кое-где на Севере.
На этой установке удалось проверить конструкцию разностнотемпературного двигателя и, самое главное, удалось накопить опытный материал. Затем был построен двигатель, использующий меньшие температурные перепады — между водой моря и холодным арктическим воздухом. Постройка раэностнотемпературных станций стала возможной повсеместно.
Несколько позднее был сконструирован еще другой разностнотемпературный источник электрической энергии. Но это был уже не механический двигатель, а установка, действующая подобно огромному гальваническому элементу.
Как известно, в гальванических элементах происходит химическая реакция, в результате которой получается электрическая энергия. Многие химические реакции связаны либо с выделением, либо с поглощением тепла. Можно подобрать такие электроды н электролит, что никакой реакции не будет, пока температура элементов остается неизменной. Но стоит их только подогреть, как они начнут давать ток. И тут не имеет значения абсолютная температура; важно только, чтобы температура электролита начала повышаться относительно температуры воздуха, окружающего установку.
Таким образом, и в этом случае, если такую установку поместить в холодном, арктическом воздухе и подводить к ней «теплую» морскую воду, будет получаться электрическая энергия.
Разностнотемпературные установки были уже достаточно распространены в Арктике 50-х годов. Они представляли собой довольно мощные станции.
Устанавливались эти станции на Т-образном молу, глубоко вдающемся в морской залив. Такое расположение станции сокращает трубопроводы, связывающие рабочую жидкость разностнотемпературной установки с водой моря. Для хорошей работы установки требуется значительная глубина залива. Вблизи станции должны быть большие массы воды, чтобы при охлаждении ее вследствие отдачи тепла двигателю не происходило замерзания.
Чем крепче морозы, тем больше вырабатывают энергии эти станции, потому что больше разница температур, на которой основана их работа. А как раз в это время и требуется больше всего энергии для отопления жилищ, теплиц и других помещений. Зимой, во время полярной ночи, увеличивается также потребность в энергии, идущей на освещение.
Разностнотемпературные установки позволили создать в Арктике искусственные незамерзающие порты. Работа станции направлялась непосредственно на подогрев определенного небольшого участка поверхности воды. При этом станция использовала разность температур между воздухом и массами воды, лежащими в стороне от того участка, который нужно освободить от льдов.
Энергия, полученная станцией от разности температур, направлялась на обогрев верхних слоев воды незамерзающего участка порта. Чтобы лучше сохранять теплоту этих поверхностных слоев воды, на освобожденную от льда поверхность моря пускалось специальное масло. Это масло растекалось тончайшим слоем, толщиной в сотые доли миллиметра, по всей незамерзающей поверхности и служило изолятором от холодного воздуха.
В такой незамерзающий порт заходили ледоколы, пароходы и теплоходы отдохнуть от борьбы со льдами, а подводные суда — отдышаться. Здесь производились их разгрузка, осмотр и ремонт.
По мере роста мощности и количества разностнотемпературных станций качались опыты по соединению этих незамерзающих портов такими же незамерзающими каналами. Для этого использовались естественные морские течения.
Таким образом, в Арктике постепенно создавалась широкая сеть водных незамерзающих артерий.
Основной недостаток разностнотемпературных станций — это сезонность их работы. Наибольшую выработку, как мы говорили, они дают именно в холодное время года.
В связи с этим возникла мысль — использовать для них лучистую энергию солнца.
В Арктике, несмотря на то, что солнце поднимается невысоко, на землю падает огромное количество лучистой энергии. Объясняется это чистотой воздуха, отсутствием частиц пыли, которые в южных районах рассеивают лучистую энергию и отражают ее от земли. В результате оказывается, что далеко за полярным кругом на землю падает не меньше лучистой энергии, чем на юге. Эти наблюдения были сделаны уже давно.
Лучистую энергию солнца пытались улавливать зеркалами или затемненными трубами и превращать ее в тепловую энергию для подогрева котлов паровой машины. Однако большая стоимость этих установок и малый коэффициент полезного действия вследствие больших потерь не позволили применить такой способ на практике.
На арктических энергетических установках лучистая энергия применяется теперь иначе. Для этого используются те же самые разностнотемпературные установки. Системы труб, которые зимой охлаждаются холодным воздухом (воздушные радиаторы), летом, наоборот, нагреваются при помощи лучистой энергии солнца. К этим трубам приключаются дополнительные устройства, представляющие собой систему прозрачных труб, наполненных черной жидкостью. Солнечные лучи падают на эти трубы и поглощаются черной жидкостью. Жидкость нагревается,— лучистая энергия переходит в тепловую. «Приемники холода» легко превращаются, таким образом, в приемники тепла. Вторые же радиаторы, опушенные в морскую воду и служащие зимой источником тепла, выполняют теперь роль приемников холода.
Этот же способ удалось применить и для разностнотемпературных установок, работающих по принципу гальванического элемента. Если лучи солнца могут подогревать черную жидкость, то с тем же успехом можно их направить и на электролит особой гальванической батареи. В результате получается электрическая энергия, которая направляется в сеть.
Таким образом, разностнотемпературная установка работает и зимой и летом.
Электричество светит, греет и движет все механизмы на крайнем Севере.
Вот как выглядела в 50-х годах XX в. зимовка на мысе Оловянном. Когда-то здесь была одна из самых суровых зимовок в далекой Арктике. А теперь?..
Ветроэлектрическая станция на мысе Оловянном работает в кольце двух ветроэлектрических н двух разностнотемпературных станций. Станция без отказа питает электричеством оловянные шахты и порт. На 2 км протянулась подвесная электрическая дорога. Электричество приводит в движение станки мастерских, заливает светом всю территорию поселка и шахт, а также большие теплицы. Электричество обеспечивает работу радиостанций, светит в маяках, пышет жаром в радиаторах отопления домов и теплиц. Оно превращает снег в снеготаялках в пресную воду, приводит в действие механический и термический льдоразрушители и снегоуборочные машины. Оно избавляет человека от изнурительной борьбы с суровой арктической природой.
Советская техника оттеснила в область воспоминаний то время, когда тепло, свет и механическая энергия на крайнем Севере добывались сжиганием привозного керосина, бензина, нефти или угля. Социализм во всеоружии техники победил суровую природу Севера.
источник: инж. Л. ВАРШАВСКИЙ, рисунки С. ЛОДЫГИНА «1950 год в Арктике» «Техника-Молодежи» 06-1937
