Возрождение Земли: 20 экологических технологий будущего.

Человек – основной фактор, вызывающий глобальное потепление. Однако он же способен стать и спасителем для экосистемы Земли.
В этой статье мы рассмотрим инновационные технологии, которые помогут (или уже помогают) предотвратить неблагоприятные последствия климатических изменений, считающихся учеными результатом человеческой деятельности. Представляем вашему вниманию топ-20 проектов, программ и направлений, способных улучшить наш мир.

Электромобили

Илона Маска продолжают критиковать, а другие восхищаются современными электромобилями. Тем не менее, статистика демонстрирует цифры, которые еще десять лет назад казались нереальными: в первом квартале 2013 года в США было реализовано почти пять тысяч Tesla Model S, что обеспечило модели статус самого востребованного представительского седана. Благодаря этому, такие крупные производители, как BMW седьмой серии, остались позади. Дальше – больше. Только в четвертом квартале 2018 года произвели почти 62 тысячи одних Tesla Model 3, а за два предыдущих года было произведено 245 тысяч экземпляров, что обеспечило модели звание самой востребованной электромобилем в мире.

В настоящее время эксперты не пришли к единому мнению о том, какую пользу и какой вред приносят электромобили. Следует учитывать, что энергия для электрокаров поступает от электростанций, использующих неэкологичные источники, такие как ископаемое топливо. Тем не менее, очевидно, что отсутствие выбросов парниковых газов значительно лучше, чем даже самые низкие показатели у традиционных автомобилей, а решение вопроса утилизации батарей, представляющих опасность для окружающей среды, позволит сделать этот вид транспорта полностью экологически безопасным.

Водородный транспорт

Водородное топливо сегодня активно используется в производстве автомобилей, автобусов и даже поездов по всему миру. Например, в 2016 году в Германии был представлен первый водородный поезд – Coradia iLint – от компании Alstom. Среди марок, выпустивших водородные автомобили: BMW, Mazda, Ford, Honda, Hyundai, Toyota и многие другие.

По мнению специалистов, использование водорода в качестве источника энергии позволит значительно уменьшить зависимость от традиционных углеводородных ресурсов. Тем не менее, существуют определенные сложности. Высокая летучесть и склонность к воспламенению представляют опасность при использовании водорода в качестве топлива. Кроме того, в настоящее время отсутствует развитая инфраструктура для его хранения и достаточный опыт широкого применения.

Зеленая авиация

Несомненно, авиация оказывает негативное воздействие на экологию. Согласно заявлению профессора Ульриха Шумана, сотрудника Института физики атмосферы Немецкого аэрокосмического центра, вклад авиации приходится примерно три процента антропогенного парникового эффекта. Это намного больше, чем может показаться, ведь из такого рода составных частей в итоге и вырисовывается неблагоприятная картина.

Переход от обычного самолета к экологически чистому значительно сложнее, чем замена автомобиля на электромобиль. Тем не менее, это задача, которую можно решить. Серьезные дискуссии о возможностях экологически чистых самолетов начались после того, как в 2009 году был представлен «солнечный» самолет Solar Impulse смог продержаться в воздухе десятки часов. Это первый пилотируемый самолет, который способен летать за счет энергии солнца неограниченно долго, запасая энергию в аккумуляторных батареях и набирая высоту днем. Машина получила четыре электромотора, которые приводятся в движение энергией, собираемой массивом из множества фотоэлементов, размещенных на крыльях.

И это только начало. Еще в 2017 году корпорация Airbus совместно с Rolls-Royce и Siemens начала реализовывать программу E-Fan X, предполагающую создание крупного пассажирского «электрического» самолета. Демонстратор технологий должен совершить первый полет в 2020 году.

Солнечные коллекторы

Солнечные коллекторы представляют собой одну из первых значительных попыток использования энергии солнца энергию светила, компании стремятся к максимизации прибыли, извлекая из нее выгоду. В отличие от солнечных батарей, которые непосредственно вырабатывают электричество, солнечные коллекторы нагревают теплоноситель, например воду. Одним из примеров такого коллектора является испанская солнечная электростанция Planta Solar ее сердце – это бетонная башня высотой 115 метров: северная часть башни окружена полем из 624 больших зеркал. Они отражают свет и фокусируют его на вершине, где находятся солнечный приемник и паровая турбина, управляющая генератором электроэнергии.

Техническая реализация может казаться безупречной, однако необходимо учитывать сопутствующие сложности. Часто эксплуатация солнечных коллекторов сопровождается значительными теплопотерями, ограниченной эффективностью в холодный период и сложностью, а также высокой стоимостью конструкции.

Солнечные батареи

В качестве следующего рассматриваемого объекта, использующего энергию солнца, выступают фотоэлектрические панели. По сравнению с солнечными коллекторами, батареи способны на прямую трансформацию солнечной энергии в электроэнергию, что более универсально и эффективно. В основе современных солнечных батарей лежат фотоэлементы – полупроводниковые устройства, преобразующие солнечную энергию в электрический ток. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом. Первоначально в качестве фотоэлектрического материала выбрали селен, однако он имел очень низкий коэффициент полезного действия. Массовое производство солнечных батарей стало возможным после того, как компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния, который до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей.

Несмотря на то, что солнечные батареи имеют определенные ограничения, включая сложность монтажа и требуемую площадь, их преимущества неоспоримы. Они обеспечивают получение экологически чистой энергии в значительных количествах. В 2014 году специалисты Международного энергетического агентства отметили, что к середине века солнечные батареи смогут производить 16 процентов всей электроэнергии, а еще 11 процентов – гелиотермические электростанции, что сделает солнечную энергетику ведущим источником электричества к этому времени. Достижение этих результатов будет связано с уменьшением стоимости фотоэлектрических модулей.

Термоядерный реактор

Как уже отмечалось, глобальное потепление во многом обусловлено зависимостью человечества от углеводородного топлива. Увы, резкого перехода на солнечную энергетику не произойдет – по причинам, давно всем известным. Но ученые надеются, что помочь в борьбе с глобальным потеплением сможет «ручное Солнце» – термоядерный реактор.

Термоядерная реакция – это процесс слияния атомных ядер, сопровождающийся высвобождением энергии, которая может стать решением энергетического кризиса. Аналогичный процесс происходит внутри Солнца, которое считается экологически чистым и достаточно безопасным источником энергии. Управляемый термоядерный синтез принципиально отличается от традиционной ядерной энергетики, поскольку последняя основана на реакции деления, в ходе которой тяжелые ядра распадаются на более легкие.

К сожалению, на пути к строительству термоядерных реакторов существует множество проблем, и некоторые из них до сих пор не имеют окончательного решения. Значительной трудностью является потребность в сверхпрочной оболочке реактора, которая должна выдерживать плазму – горячую ядерную смесь, в которой синтез происходит под колоссальным давлением.

Ветрогенераторы высокой мощности

В 2017 году датский ветрогенератор MHI Vestas V164 побил мировой рекорд, выработав 216 мегаватт-час электроэнергии за сутки. Сама конструкция представляет собой гигантское сооружение с гондолой весом в 390 тонн и 140-метровой башней: полная высота ветрогенератора с учетом размаха лопастей – 220 метров.

По мнению исследователей, подобные инновационные технологии могут сделать ветроэнергетика одним из способов решения проблемы климатических изменений. В 2014 году ветряные электростанции обеспечили 8,6% от общего объема электроэнергии, произведенной в Германии. К 2025 году Берлин планирует, чтобы возобновляемые источники обеспечивали 40-45% от всей электроэнергии, потребляемой страной. Другие государства также стремятся к увеличению доли возобновляемых источников энергии: так, Индия, например, ранее ставила задачу удвоить свои ветряные мощности к 2012 году, относительно уровня 2008 года. И эта задача была успешно выполнена.

Разработка месторождений полезных ископаемых на астероидах и других планетах

Космическая энергетика, не производящая негативного воздействия на окружающую среду, является одним из направлений альтернативной энергетики. Известно, что металлические и каменно-металлические астероиды содержат значительные запасы железа, никеля и кобальта. Также в них присутствуют золото, платина, родий и редкоземельные металлы, которые крайне востребованы в современной промышленности.

В настоящее время добыча полезных ископаемых на астероидах или других планетах не способна оказать влияние на борьбу с глобальным потеплением. Несмотря на то, что современные технологии позволяют предположить возможность организации подобного процесса и доставки ископаемых на Землю, на данном этапе это экономически нецелесообразно. Напомним, один запуск тяжелой ракеты Falcon 9 стоит более 60 миллионов долларов: и это относительно дешево на фоне аналогов изделия Илона Маска.

Удаление углекислого газа из атмосферы Земли

Данная концепция не является новой, и некоторые из предложенных мер уже находятся в стадии активной реализации. В качестве примера стоит вспомнить, что в 2018 году швейцарская компания Climeworks открыла третий завод, который выкачивает углекислый газ из атмосферы Земли. Проект, как несложно догадаться, призван уменьшить негативные последствия глобального потепления.

В соответствии с утвержденными планами, ежегодно предприятие будет улавливать 150 тонн углекислого газа, который затем перерабатывается в метан и используется в качестве топлива для поездов. Следует отметить, что первый завод, предназначенный для извлечения углекислого газа из атмосферы, Climeworks запустила в 2017 году. По прогнозам специалистов, предприятие может выкачивать до 900 тонн углекислого газа каждый год.

В 2019 году Немецкий технологический институт Карлсруэ совместно с партнерами запустил первую в мире экспериментальную мобильную установку контейнерного типа для производства топлива непосредственно из воздуха. Данная установка предназначена для снижения концентрации углекислого газа в атмосфере и функционирования в качестве накопителя энергии, получаемой из возобновляемых источников.

Распыление в атмосфере серы

Одной из ключевых мер, направленных на снижение негативного воздействия вредных выбросов, является предложение о распылении диоксида серы в атмосфере Земли.

Концепция эта не является новой, однако свежие исследования и технологический прогресс предоставили ученым возможность более глубоко изучить способы ее реализации. Недавно исследователи из Гарварда, Принстонского университета и Массачусетского технологического института пришли к заключению, что метод может быть эффективным и безопасным при условии точного определения оптимального количества аэрозолей. В случае корректного выполнения, распыление серы позволит значительно увеличить отражательную способность верхних слоев атмосферы Земли, что поможет избежать повышения температуры на планете.

«Конструирование» перистых облаков

Новые технологии в теории
позволят трансформировать состав перистых облаков, что предоставит возможность более
эффективно бороться с глобальным потеплением. Но каким образом планируется
достичь этой цели? Перистые облака поглощают длинноволновое излучение, уходящее
от Земли, что препятствует охлаждению планеты. Ученые создали специальные
модели для изучения возможностей устранения или формирования искусственных
перистых облаков, поглощающих меньшее количество тепла. Реализация этой
технологии возможна при помощи гранул-зародышей, которые концентрируют влагу –
например, путем рассеивания ледяных кристалликов. Эти частицы способны стать
центрами формирования более крупных кристаллов льда, что приведет к уменьшению
их общего количества. По мнению ученых, в результате длинноволновое излучение
будет свободно покидать атмосферу, а температура на Земле начнет снижаться.

Однако ситуация не столь однозначна: по мнению исследователей, практическая реализация данного метода может повлечь за собой температурные колебания, прогнозировать которые затруднительно. Таким образом, на текущий момент ученые не могут дать однозначные ответы.

Проект Carbfix

Какие еще меры можно предпринять в отношении вредных выбросов, помимо их предотвращения изначально? Эксперты проекта Carbfix из Исландии предлагают их… закапывать. Конечно, в обычных условиях негативные последствия такого решения не заставили бы себя долго ждать.

Европейские ученые выбрали иной подход: они намерены фиксировать углекислый газ, превращая его в камень и захоранивая в недрах земли. Исследование проводилось на заводе Hellisheidi – входит в число крупнейших геотермальных станций в мире. Под предприятиями залегают базальтовые породы Hellisheidi, более 95% углерода, поступившего в процесс, затвердели менее чем за два года. По словам участников проекта, это свидетельствует об эффективности данного метода улавливания и использования выбросов.

Проект от The Ocean Cleanup

Индийские ученые из Технологического института в Мумбае и Национального центра полярных и океанологических исследований установили, что накопление пластика в Мировом океане способствует глобальному потеплению. Исследователи выяснили, что пластмасса снижает способность океана поглощать солнечный свет, что приводит к отражению значительной его части в атмосферу и, как следствие, усиливает глобальное потепление.

В случае, если оценки индийских экспертов окажутся точными, это послужит дополнительным стимулом для компании The Ocean Cleanup из Голландии. Ее целью стала ликвидация Большого тихоокеанского мусорного пятна, площадь которого, по оценкам специалистов, в два раза превышает площадь штата Техас.

Напомним, комплекс System 001 от The Ocean Cleanup – 600-метровый «поплавок» в форме буквы U, автономное устройство передвигается по поверхности океана. В нижней его части расположена сеть, которая опускается на три метра. Благодаря особой конструкции система движется по течению, одновременно собирая мусор. Установка предназначена для консолидации различных отходов, после чего их извлекают суда для последующей переработки. Разработчики утверждают, что комплекс из 60 подобных систем может очистить половину Большого тихоокеанского мусорного пятна за пять лет.

Искусственный заменитель мяса

Животноводство оказывает значительное влияние на глобальное потепление. Исследования показывают, что на него приходится 15% мировых выбросов углекислого газа, что сопоставимо с совокупными выбросами от автомобильного, железнодорожного, морского и воздушного транспорта. В развитых странах, например, в США, потребление мяса на одного человека в день достигает 250 граммов, что также не является оптимальным с точки зрения здорового питания.

Специалисты из Финляндии выявили альтернативный подход к решению подобных задач. Финский стартап Gold & Green Foods создал заменитель мяса из овса и фасоли. Как сообщило Reuters, полученный продукт назвали pulled oats. Экологичный и благоприятный для здоровья продукт уже получил признание среди жителей Финляндии. Однако, повсеместного отказа от мяса, вероятно, не произойдет: искусственные заменители, скорее всего, смогут лишь дополнить его. Трудно предположить, что люди во всем мире внезапно изменят свои вкусовые предпочтения.

Умный дом

Умный дом» – это автоматизированное централизованное управление системами отопления, вентиляции, кондиционирования и освещения, осуществляемое через систему управления зданием. В основе подобной системы лежит совокупность различных датчиков, предназначенных для выполнения определенных функций.

Системы умного дома упрощают быт и способствуют решению проблемы глобального потепления. Синхронизация работы бытовых приборов, рациональное использование природных ресурсов и выбор экологически чистых источников энергии позволяют сделать дом более дружественным к окружающей среде, не нанося ей вреда.

Рассматривая вопрос шире, умные дома можно интерпретировать как выражение личного подхода к решению проблемы глобального потепления, при котором каждый житель города и каждая семья вносит значимый вклад в смягчение последствий изменения климата.

Энергетические микросети

Как было сказано ранее, человек не всегда может точно оценить необходимый ему уровень энергии для поддержания нормальной жизнедеятельности. Было бы полезно разработать алгоритм, который самостоятельно рассчитывал бы подобные потребности, способствуя энергосбережению и предотвращая избыточные выбросы. Концепция стала ответом на возникающие задачи MicroGrid. Локальная энергетическая сеть включает в себя различные источники электроэнергии и потребителей. Мощность в ней не является фиксированной: компания АВВ установила ее себе на мощности около 20 МВт.

Система, посредством непрерывного анализа объемов производства и потребления энергии, способна самостоятельно определять оптимальный источник генерации и распределять электроэнергию в локальную сеть, поддерживая требуемый уровень мощности. Например, в случае аварии на одном из элементов генерации, система автоматически переключит подачу электроэнергии на другой источник. В ситуации, когда возникает избыток энергии, система направит ее в общую сеть.

«Продвинутый» искусственный интеллект

Технология имеет некоторые общие черты с ранее описанными решениями, однако существует и принципиальное различие. В будущем ИИ сможет взять на себя не только распределение энергии, но и лучше прогнозировать применение тех или иных методов борьбы с глобальным потеплением вообще. Иными словами, ИИ сможет лучше и быстрее человека анализировать, есть ли смысл применять те или иные подходы.

И если это возможно, то каким образом лучше всего это реализовать. Однако, разработка искусственного интеллекта, сопоставимого по своим возможностям с человеческим мозгом, не планируется в ближайшем будущем. И, возможно, никогда не будет реализована.

Солнечный зонт

Для борьбы с глобальным потеплением американский астроном Роджер Энджел из Университета Аризоны предложил разместить в космосе большой солнечный зонт, состоящий из множества тонких кремниевых дисков. Эти диски, объединенные вместе, должны образовать облако цилиндрической формы, ширина которого составит 100 тысяч километров.

С помощью разработанной прозрачной пленки возможно отклонение солнечного света: по мнению ученого, при грамотном применении эта идея может оказаться весьма действенным решением. Тем не менее, уже сейчас очевидно, что практическая реализация подобного проекта потребует значительных финансовых вложений и скоординированных усилий различных государств.

Наблюдение за лесными ресурсами с использованием космических аппаратов

Высадку деревьев сложно назвать «новыми технологиями», но важно осознавать, что только сейчас, благодаря современным техническим возможностям и наличию статистических данных, стало возможным эффективно прогнозировать, как «озеленение» планеты может улучшить экологию.

Недавно ученые из Швейцарии смогли существенно улучшить точность этих расчетов, изучив около 80 тысяч фотографий различной лесных массивов на всех континентах Земли, полученных спутниками Европейского космического агентства. По оценкам, площадь лесов на сегодня составляет примерно 5,5 миллиарда гектаров. Опираясь на новые данные, швейцарцы пришли к выводу, что этот показатель можно повысить примерно на треть без особого ущерба для жизни людей и экономической ситуации.

По мнению ученых, снижение выбросов углекислого газа возможно при условии полного восстановления утраченных лесных массивов. Эта задача представляет собой серьезный вызов, однако ее решение представляется осуществимым.

Города с искусственным микроклиматом

Если человечество не сможет остановить глобальное потепление, ему придется адаптироваться к новым условиям. Одним из возможных решений является создание в будущем города «под куполом», где созданы условия искусственного микроклимата, что обеспечивает возможность эффективного ведения сельского хозяйства, разведения животных и выполнения других задач. В качестве иллюстрации можно привести пример комплекса Bay South Garden из сингапурского природного парка «Сады у залива». Тепличный комплекс включает в себя две оранжереи – Цветочный купол и Облачный лес. Они расположены вдоль берегов водохранилища. Первая признана крупнейшей в мире и занимает 1,2 гектара, состоя из семи садовых зон.

Если предложенные меры не окажутся действенными в борьбе с глобальным потеплением, у человечества есть еще несколько потенциальных мест для существования: дно океана и другие планеты. Однако, создание города на океанском дне и терраформирование Затраты на колонизацию Марса превысят стоимость всех ранее упомянутых способов спасения в сотни раз.