Энергия прямо с неба: ветер

Держа эту модель в руках, он идет навстречу ветру. Модель по размерам почти такая же, как и он сам. По рации слышится голос из фургона: «Подготовишься, и запускай!». И тут самолетик взмывает в небо. Его пропеллер негромко жужжит. Пилот, встав поодаль, управляет аппаратом с дистанционного пульта, но даже со стороны видно, что перед нами вовсе не детские забавы с радиоуправляемыми самолетиками. Самолет не мечется по небу, а нарезает один за другим совершенно идентичные круги. С землей его соединяет тросик. Через несколько минут пилот кладет пульт на землю, и управление берет на себя электроника. Теперь аппарат летает уже сам по себе.

Если за всем этим действом станет наблюдать непосвященный, мысль о том, что на его глазах проходят испытания новейшего метода генерации экологически чистой энергии, вероятно, последней придет ему в голову. Однако именно эта догадка будет правильной. Прямо здесь, на побережье, к северу от города Санта-Круз (штат Калифорния) инженеры из компании Joby Energy занимаются разработкой электрогенератора типа «летающий ветряк». Как и в обычном ветрогенераторе, в нем для выработки электричества используются пропеллеры (ветровые колеса), приводящие во вращение вал генератора, однако на этом все сходство и кончается. В компании Joby хотят полностью избавиться от здоровенных мачт-опор, определяющих характерный силуэт ветряных электростанций. Цель конструкторов— приучить электростанцию к полету.

Запущенный оператором «самолетик» набирал высоту, пока не натянулся поводок. На этой высоте встречный ветер уже обеспечивает достаточную подъемную силу, так что самолетный пропеллер можно использовать как ротор ветрогенератора. В компании Joby строят сейчас подобные аппараты раз в десять больше модельки, которую испытывают у нас на глазах. На некоторых устанавливают сразу по 12 пропеллеров. Когда эта система начнет реально функционировать, выработанное электричество будут подавать на землю прямо через тросик-поводок, после чего ток направят в электрическую сеть.

Рядом с гидроэлектроэнергетикой или угольными электростанциями эти летающие генераторы выглядят примерно как комар рядом с «Боингом». Тем не менее эта недавно возникшая отрасль переживает сейчас бурный подъем, а лидируют в ней Joby и его ближайший конкурент Makani Power. Кроме того, поблизости толчется еще больше дюжины стартапов. На этапе НИОКР в это направление, судя по оценкам, вложено уже не меньше $50 млн. В надежде на грядущий серьезный прорыв начинание поддерживает венчурный капитал из Кремниевой долины, а также и ARPA-E — известное агентство при министерстве энергетики, финансирующее исследования в перспективных направлениях. Основатели компании Google Ларри Пэйдж и Сергей Брин буквально впали в восторг от перспектив летающей энергетики и вложили в компанию Makani свои $20 млн. Климатолог Кен Кальдейра, старший научный сотрудник в Институте науки Карнеги при Стэнфордском университете, методично сравнил по всем аспектам это новое направление с другими видами энергетики и пришел к весьма оптимистичным выводам: «Летающие электростанции — это один из немногих потенциальных источников, способных обеспечить выработку энергии в тех масштабах, в каких это требуется человечеству».

В летающих ветроэнергетических комплексах будущего может быть ровно столько же турбин, сколько их размещают в современных ветропарках, и расстояние между генераторами будет такое же. Единственное отличие в том, что энергоустановки станут летать на своих поводках на высотах метров на 300 выше, чем располагаются современные турбины. Ветер там отличается большей силой и постоянством, а это значит, что ветрогенерация окажется высокоэффективной не только в самых негостеприимных уголках нашего мира. В результате новая технология сможет получить весьма широкое распространение. «Летающий ветряк — это тот же обычный ветряк, только установленный на очень высокой башне, причем платить за эту башню вам уже не придется», — говорит Джо Бен Бевирт, основатель компании Joby Energy.

Высокий КПД, низкая стоимость, экологическая чистота — все это звучит прекрасно, однако, чтобы эти надежды дозрели до практического применения, проектируемые аппараты должны научиться безопасному самостоятельному взлету, парению в небесах в течение многих суток и приземлению без участия в этом человека. Таковы принципиальные требования, до полноценной реализации которых еще годы и годы.

«Летающими электростанциями занимаются сейчас те, кого можно причислить к породе мечтателей, — утверждает Форт Фелкер, ведущий специалист по ветроэнергетике в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, — однако никому из них пока еще не удалось представить на рынок такое изделие, которое бы полностью соответствовало требованиям по надежности и безопасности, которые предъявляются к летательным аппаратам».

В том самом фургоне, который снаружи разрисован рекламой завтраков, инженер Хенри Халлам делится со мной своими замыслами: «На сегодня у нас планы провести кое-какие испытания на выносливость и поработать в режиме автономного полета. Если все пройдет так, как мы предполагаем, это будет даже скучно». Зря он волновался — нынешний ветер скучать не даст. Уже на четвертом заходе неожиданный шквал переворачивает модель, она выплевывает сгусток пламени, делает несколько зигзагов и грубо шлепается о землю.

Бевирт выпрыгивает из грузовика, а следом за ним спешит инженер Грег Хорн с огнетушителем. К счастью, самолетик обошелся без повреждений. Эту авиамодельку следует рассматривать всего лишь как испытательный стенд, предназначенный для отладки систем управления полетом. Работы с электрогенератором отложены на потом, но на этот раз ветер оказался столь сильным, что контроллер, управляющий мотором, не смог должным образом подтормозить пропеллер. «У нас пошел такой сильный ток, что расплавились провода», — говорит Хорн. Бевирт оборачивается ко мне с улыбкой: «Теперь вы видите, сколько там наверху дармовой энергии?»

Установленные на земле ветряки не могут каждый день и каждую минуту крутиться на своих максимальных оборотах. Бывают дни, когда ветер стихает, иной раз до полного штиля. Из-за этого ветровая электростанция классической компоновки никогда не выдаст больше одной трети от своей установленной мощности. А вот на высотах около 400 м (а именно на них нацелены компании, разрабатывающие планеры-ветряки) ветер гораздо более стабилен и дует в два-три раза сильнее, чем у поверхности земли. Из этого, по расчетам Бевирта, следует, что на круг энергоотдача улетающего ветряка должна составлять как минимум 70%, то есть вдвое больше, чем у традиционных наземных турбин.

Правда, эти прикидки убеждают отнюдь не всех специалистов. И здесь мы сталкиваемся с типичным парадоксом: проверка новой идеи требует денег, а инвесторы боятся вкладывать свои деньги в непроверенное дело. Кроме того, это начинание рано или поздно упрется в мучительную бюрократическую процедуру, связанную с одобрением проекта со стороны законодательных органов. На недавней конференции, посвященной летающим ветрогенераторам, представитель FAA Элизабет Рэй прямо сказала, что этой отрасли нелегко будет пробиться в воздушное пространство, и без того забитое различными высотными зданиями, вышками сотовой связи и летающими повсюду самолетами. Если бы все складывалось по идеальному сценарию, со временем летающие ветряки забрались бы на девятикилометровую высоту, откуда можно было бы качать энергию мощных и устойчивых высотных воздушных потоков. Правда, коммерческая деятельность на таких высотах столкнулась бы с еще большими сложностями при согласовании с FAA. «Все это похоже на конкурентную борьбу разных сил за доступ к эксплуатации одного-единственного ресурса», — говорит Рэй, имея в виду, разумеется, воздушное пространство.

...Рассвет над заливом Сан-Франциско. Вздымающиеся над водой мосты постепенно заполняются автомобилями. Серфер Корвин Хардэм выгребает на своей доске, держа курс на золотые облака. Вместо автомобильных гудков он слышит плеск волн, вместо габаритов идущей впереди машины примечает высунувшуюся над волной тюленью голову. Хардэм — один из основателей компании Makani Power. Сейчас пятница, и я присутствую при его обычной утренней поездке на работу. Для этого я, чтобы не отстать, гребу изо всех сил, примостившись на его запасной доске.

Раз в неделю Хардэм добирается в час пик до работы вот таким образом. Так, видите ли, «более экологично». Да и вообще, на воде ему нравится больше, чем на шоссе. В юности Хардэм мечтал стать виндсерфером, и кто бы мог подумать, что эти мечты таким странным образом повлияют на его реальный жизненный путь! На старших курсах MIT он подружился с Солом Гриффитом — еще одним виндсерфером с такой же, как и у него, изобретательской жилкой. После магистратуры они, взяв в компанию третьего приятеля, Дона Монтегью, бывшего кайтбордера и виндсерфера-профессионала, основали фирму Makani Power. «Годы, проведенные на море под парусом, позволяют буквально животом почувствовать, какая мощь кроется в обычном ветре», — говорит Хардэм.

Через час мы добираемся до острова Аламеда, где на заброшенной военно-морской базе компания Makani организовала свои мастерские. Меняем гидрокостюмы на рабочие комбинезоны, и Хардэм везет нас по растресканному асфальту в конец взлетной полосы, где уже в полном разгаре предполетная подготовка.

Хардэм паркуется около пожарной машины, которая сейчас послужит заодно и якорем, чтобы закрепить на ней 150-метровый поводок, тянущийся к экспериментальному летательному аппарату. Это Wing 6, трехметровое крыло, к которому подвешено сразу три фюзеляжа. На момент старта хвостовой стабилизатор установлен в вертикальное положение, но в стационарном полете он должен развернуться горизонтально. В каждом из двух режимов полета аэродинамические задачи решаются относительно просто, — говорит Хардэм. — Вся проблема в том, чтобы создать крыло, пригодное для обоих вариантов».

Если отвлечься от того факта, что летающий ветряк работает на приличной высоте, самое интересное здесь состоит в том, что он не просто парит на месте, а весьма энергично маневрирует. Как управляемый воздушный змей, с какими часто играют на пляжах, он все время меняет положение и относительно земли, и относительно направления ветра. Такой прием (его называют полетом при боковом ветре) позволяет извлекать энергию из порывов ветра, которые могут иметь значительно большую скорость, чем общая скорость движения воздушных масс.

А между тем распространение нового типа ветрогенерации могло бы стать отличным подспорьем в борьбе против негативных перемен в климате.

Допустим, уровень углекислого газа в атмосфере примерно вдвое превысит концентрацию, существовавшую до эпохи промышленной революции (это пороговое значение, которое часто используется в публикациях климатологов). «Тогда человечеству потребуется изыскать базовые экологически чистые мощности где-то на 15 ТВт дополнительной электроэнергии, — говорит господин Калдейра из института Карнеги. — Это, грубо говоря, означает, что нам придется создать еще одну энергосистему примерно такого же масштаба, как нынешняя». Если мы хотим наладить альтернативную энергетику на базе солнечного света и ветра, нам потребуются для этого огромные свободные пространства. «Чтобы обеспечить хотя бы 20% нынешней потребности США в электричестве с использованием только наземных ветроэлектростанций, — говорит Хардэм, — нам придется весь штат Канзас утыкать полуторамегаваттными ветряками, расставив их так плотно, как только можно».

Калдейра и Кристина Арчер (специалист по летающим ветрякам в Университете штата Калифорния в Чико) подсчитали, что ветроэнергетика на базе летающих аппаратов может быть существенно более эффективной. «В перспективе летающие энергоустановки способны суммарно вырабатывать 18 ТВт электроэнергии, а этого более чем достаточно, чтобы обеспечивать современную цивилизацию, не опасаясь вредных воздействий на климат», — говорит Калдейра. Вырабатывать 18 ТВт энергии — значит запустить миллионы летающих ветряков. Правда, Калдейра не собирается ставить перед человечеством такой цели. Его задача— всего лишь показать, что крупномасштабное развертывание энергетики в этом направлении представляет собой вполне реальное дело. Он полагает, что неплохо было бы с помощью новой технологии обеспечить хотя бы 10% от всей используемой на планете энергии, что послужит вполне весомым вкладом в общий энергетический баланс. Одна ветроферма, в составе которой использовалось бы 800 летающих мегаваттных турбин, могла бы обеспечить энергией 250000 частных жилых домов.

На взлетной полосе Аламеды инженеры компании Makani заняты отработкой перехода от одного полетного режима к другому. Пока еще ни одна из компаний не смогла обеспечить полную автономность полета, хотя и в Joby, и у Makani уже имеются прототипы, которые нуждаются в управлении человеком только для взлета и посадки. Осенью 2010 года модель Wing 6 смогла перейти из режима набора высоты в режим свободного полета и обратно. «Для нас это серьезное достижение, — говорит Хардэм. — Вы видите, как один и тот же аппарат нормально ведет себя во всех нужных для нас режимах полета».

Механики отрабатывают предполетный чек-лист. «Последний замер ветра, — слышится голос по рации.- Сейчас 2,4 м в секунду. Направление подходящее». На горизонте дрожит силуэт города Сан-Франциско. Взвизгивает электромотор, и Wing 6 уносится к небесам...