Экология
региональное природопользование

Природопользование

Применение ЭМИ

Ранее было указано на определяющую роль ЭМИ в разносторонних процессах жизнедеятельности, и в частности показано, что мониторинг окружающей среды с помощью ЭМИ решает основную контролирующую экологическую задачу. Кроме того, ЭМИ могут играть восстанавливающую роль в функционировании биообъектов, например применение лазеров в медицине. Еще одним важным звеном использования ЭМИ является интенсификация биологических процессов, обеспечивающих максимальную мобилизацию жизненных сил биообъектов. Примером может служит увеличение возможности повышения урожайности сельскохозяиственных культур. В этой связи среди физических факторов вн мание исследователей привлекают ионизирующее и лазерное лучения, импульсный свет, электрические поля, а в последнее десятилетие магнитные поля.

Так, для практического использования особое значение имеет технология применения энергетических методов подготовки семян или клубней растений. Магнитная обработка сопряжена с трудоемкими, дорогостоящими и нередко вредными для обслуживающего персонала операциями (как, например при хмической, радиоактивной или электрической обработке) и является технологичным и легко автоматизируемым процессом. Напряженность магнитного поля в различных конструкциях промышленных установок колеблется от 0,006 до 0,04 Тл. После многолетних полевых испытаний было показано, что обработайте магнитным полем зерна ячменя, пшеницы, кукурузы, сои яают урожай на 10—15 % выше, чем необработанные. Наблюдалось улучшение прорастания и дальнейшего роста томатов, перца, огурцовв как ПРИ обычных, так и при более низких температурах. В опытах по обработке яровизированного картофеля магнитным полем напряженностью 0,006 Тл при оптимальной продолжительности 5—14 ч отмечено увеличение урожайности на 30—40 % при одновременном увеличении количества хлоропластов на клетку и содержания хлорофилла.

В основу подбора режима положена гипотеза о том, что биологические эффекты магнитного поля обусловлены не абсолютным значением его напряженности, а изменением магнитного потока либо по пространственным координатам, либо во времени. Клубни картофеля перемещали с разной скоростью и на разных расстояниях от магнитов, формирующих неоднородное по пространственным координатам магнитное поле. Таким способом был подобран промышленный режим воздействия магнитным полем, при котором число проростков по сравнению с контролем увеличилось не менее чем на 15 %. На рис. 3.5 показана схема магнитной обработки клубней картофеля.

Положительный эффект в основном связан с электрическим напряжениями и соответствующими токами, наводимыми защитным полем в разных биологических структурах клеток. Не исключено, что при воздействии магнитного поля изменяется проницаемость клеточных мембран, результатом чего является нение регулируемой ими активности ферментов. После ной обработки отмечено повышение содержания воды проростках, увеличение количеств Сахаров в прорастающих семе, нах, усиление минерального питания, что действительно подтверждает изменение проницаемости клеточных мембран.

Анализ имеющихся данных позволяет рассматривать магнитное поле как универсальный физический фактор стимуляции роста и развития растений. Рассмотренный метод предпосевной обработки магнитным полем семенного материала в определенном режиме пригоден для широкого применения в сельскохозяйственной практике.

Вместе с тем в процессе роста картофеля при возникновении озонной дыры (УФстресс) наблюдается существенное падение урожайности. Например, на основании наблюдений за уровнем УФрадиации установлено, что после УФстресса в дозе 100 кДж/м2 потери урожая достигают 17 %, а в дозе 150 кДж/м2 22%.

Возвращаясь к вопросу радикального решения проблемы сохранения биосферы, и в частности рационального использования воды в экосистемах, кратко рассмотрим электромагнитную обработку воды.

Е.П. Петряев с сотрудниками убедительно показали, что одним из перспективных, экологически состоятельных, безреагентных методов обезвреживания сточных вод и их осадков является радиационная обработка. Обработка излучением высоких энергий позволяет одновременно дезинфицировать стоки, разлагать органические и неорганические загрязняющие вещества, ускорять коагуляцию коллоидных частиц, устранять цветное и запах. Радиационная обработка сточных вод является быстрым одностадийным процессом. Это значительно упрощает технол гию очистки, делая ее надежной, легко контролируемой, и обес чивает большую скорость обработки воды. Техникоэкономичекая оценка технологии радиационной очистки до уровня вй биологически очищенных сточных вод показала, что для обра ки стока объемом 10 тыс. м3/сут. требуется радиационная М° ность 100 кВт.

Особый интерес с точки зрения оптимизации процессов придопользования представляет изучение чувствительности живых рганизмов к ЭМП среды обитания. Реакцию биообъектов на из,6цение фоновых характеристик ЭМП пытаются использовать в практических нуждах, в частности в рыболовстве. Например, изчто все обитатели водоемов — от бактериопланктона до млекопитающих — являются не только электросенсорными компОнентами экосистем, но и источниками биоэлектрических и биомаггнитных полей. Жизненные функции гидрообъектов — ориентация, локационное общение, добывание пищи, реакции на раздражение, адаптационное поведение и др.— в экосистеме реализуются путем обмена электрическими сигналами с внешней средой. Таким образом, изучение механизмов взаимодействия электрического поля организмов с электрическими полями водной экосистемы представляет одну из актуальных задач не только экологии и биофизики, но и таких отраслей, как, например, пищевая промышленность.

Важнейшей проблемой, непосредственно связанной с рациональным природопользованием, является состояние энергетики. Связано это с тем, что мировое потребление любой внешней энергии непрерывно возрастает, причем темпы энергопотребления превышают темпы роста населения. Это значит, что растет потребление энергии, приходящееся на одного жителя планеты. В пересчете на условное топливо (с теплотой сгорания 29,31 МДж/кг) ОДин житель Земли в 1970 г. расходовал 1,9 т, в 1980 г.— 2,9 т, в 1990 г.— 3,4 т усл. топлива.

В настоящее время основными источниками энергии являются ископаемые топлива (в общемировом балансе их доля составляет более 90 %), а также гидроэнергия и атомная энергия. В России На долю ТЭС приходится примерно 80 % всей вырабатываемой энергии, на долю ГЭС — 13 и АЭС — 7 %. Однако источники энергии для функционирования ТЭС, ГЭС и АЭС небезграничны, этих электростанций всегда сопутствуют негативные экологиеские последствия. Это приводит к настоятельной необходимости исследовать потенциальные возможности так называемых традиционных» источников энергии. К ним прежде всего относится солнечная энергия — неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Важно напомнить, что все ископаемые источники энергии есть не что иное, как аккумулированная с помощью синтеза солнечная энергия.

Непосредственное использование солнечного излучения в качесщ источника энергии было начато еще в 1600 г., когда во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший на нагретом воздух и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в. ведущщ французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в ко. торой достигалась температура в 1650 °С и нагревались образцы «с, следуемых материалов в вакууме и защитной атмосфере, а такэк были изучены свойства углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и приводов насосов На всемирной выставке в Париже в 1878г. А. Мушо продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Док. Эриксон построил солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором сечением 4,8х 3,3 м2. Первый плоский коллектор солнечной энергии был построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м2 и использовался в тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885 г. была предложена схема солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, который был смонтирован на крыше пристройки к дому.

Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника. В 1890 г. профессор В.К Церасский в Москве осуществил процесс плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 °С.

В настоящее время установлено, что верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6 • 1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергии обратно в Космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности, испарительноосадочный цикл и образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра.

Среднегодовое количество солнечной энергии, поступают за один день на 1 м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДжА1 на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и тропиках. Из ежесекундно поступающего от Солнца ЭМИ только ИКдиапазона 1,2 • ДО в энергетическом эквиваленте за год можно использовать в 10 Раз больше всей энергии, которая сегодня потребляется в мире традиционных источников. Среднесуточное излучение в большинстве районов России составляет 200—250 Вт/м2, в то время к 216.

Средняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяйенной деятельностью, составляет около 0,02 Вт/м2. Расчеты показывают, что для удовлетворения современного электропоребления достаточно превратить солнечную энергию, попадающую на 0,0025 % поверхности Земли, в электрическую. Однако небулярный режим поступления к поверхности Земли солнечной радиации (вращение Земли, облачность) создает значительные технические трудности ее использования (необходимость больших отражающих и поглощающих поверхностей, систем ориентирования, аккумуляторов и т. п.).

Решение задач эффективного использования солнечного излучения осуществляется путем создания различных модификаций солнечных электростанций (СЭС). При создании СЭС возникает ряд трудностей (технических, экономических, экологических и др.), а достоинство — полное отсутствие экологических противопоказаний. Экспериментальные СЭС в настоящее время введены в действие или сооружаются во Франции, США, Японии, Германии, Испании, России. Большинство из них — хорошо известные фотоэлектрические станции, основой которых являются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Преимущество ФЭП обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП являются высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически Ю12 %).

Фотоэлектрический эффект возникает в солнечном элементе при его освещении светом в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. В солнечном элементе из полупроводниковоГо кремния толщиной 50 мкм поглощаются фотоны, и их энергия преобразуется в электрическую посредством р соедине
(создается фотоЭДС). Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с кратностью концентрации 50—100 позволяет повысить КПД до 35 %. В °9 г. фирмой «Боинг» создан двухслойный элемент, состоящий из двух полупроводников — арсенида и антимонида галлия,— с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электричестве, равным 37 %. В обычных кремниевых элементах инфракрасное излучение не используется, в то время как в новом эл менте в первом прозрачном слое (арсенид галлия) поглощается и преобразуется в электричество видимый свет, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот слой, поглощается и преок разуется в электричество во втором слое (антимониде галлия) итоге КПД составляет 28 % + 9 % = 37 %, что вполне сопоставив с КПД современных тепловых и атомных электростанций.

Практическое использование солнечной энергии началось в 1958 г. на первом искусственном спутнике Земли (ИСЗ) США третьем советском ИСЗ. Эти спутники имели солнечные батареи В I960 г. в СССР была высказана идея создать на основе ФЭП космическую электростанцию (КСЭС), а первая публикация по проблеме КСЭС с изложением технической сущности принадлежит американскому инженеру П. Гейзеру. В его проекте масса КСЭС достигает 30 тыс. т, размер («размах») солнечных батарей — 60 км, а электрическая мощность — примерно 8,5 ГВт. Таким образом, мощность спроектированной станции выше мощности эксплуатируемых ныне крупнейших электростанций мира: ГЭС «ГлендКули» (США) — 6,2 ГВт, Красноярской ГЭС — 6 ГВт, АЭС «Фукушима» — 4,7 ГВт, ТЭС «Кашима» — 4,4 ГВт (Япония).

В настоящее время остается проблема практической передачи энергии из Космоса на Землю. Расчеты показывают, что эта проблема решаема. Характеристики космических солнечных батарей (СБ), применяемых в настоящее время, весьма разнообразны. Удельная масса панельных СБ составляет 5—10 кг/м2, причем около 40 % массы приходится на полупроводниковые элементы, а остальное — на конструкцию. Ожидается, что использование материалов на основе бора и углерода позволит уменьшить массу конструкций в два раза.

Срок службы СБ пока подтвержден пятью годами, однако считается, что он может составить 30 лет, правда, с деградацией (уменьшением) КПД СБ к концу этого периода на 40 %. Достигнутое КПД для двухслойного элемента, составленного из арсеНИД галлия (GaAs) и кремния (Si), равно 28,5 %, что касается дальне ших перспектив, то они оцениваются довольно высокими зна ниями — до 60 %.

В космической энергетике большая роль отводится аккумуляторам. Самые лучшие из современных маховиков способны накапливать весьма значительную энергию — до 1 МДж/кг, хотя существуют и такие экспериментальные устройства, которые способны накапливать энергию до 12 МДж/кг. Но для расчетов ограничиваются значением 0,07 МДж/кг. Вряд ли первая опытная КСЭС установленной мощностью для земных потребителей 5000 кВт способна скольконибудь существенно помочь энергетике нашей страны. Тем не менее она, как и первая АЭС, необходима, причем главный смысл ее эксплуатации — натурное изучение способов беспроводной передачи энергии на сверхдальние расстояния, изучение влияния этого процесса на окружающую среду, оптимизация параметров станции.

Первые практические опыты по передаче энергии без проводов с помощью СВЧизлучения были проведены под руководством профессора СИ. Тетельбаума в Киевском политехническом институте около 30 лет назад. Две простейшие квадратные антенны со стороной квадрата 100 м при длине волны 1 см позволили передавать энергию на расстояние 50 км с КПД 40 %, а на асстояние 5 км — с КПД 60 %. Современное состояние техники позволяет существенно улучшить все показатели беспроводной нии передачи энергии с помощью СВЧизлучения.

Опыт строительства и эксплуатации разных типов СЭС незначителен, особенно это относится к космическим СЭС, ах дящимся в начальной стадии разработки. Пока СЭС не могут являться полностью автономными источниками питания непрерывной длительной эксплуатации, а могут успешно использоватьо лишь как дополнительные (или аварийные) источники электрической энергии.

Еще одной очень заманчивой перспективой выглядит создана солнечных аккумуляторов энергии на основе «очувствленных». Идея аккумуляции энергии заключается в облучении кристалла солнечным излучением, в результате которого кристалл приобретает окраску за счет трансформации ЦЭЧ. Это «трансформированное» состояние сохраняется в кристалле десятки лет.
Однако при нагреве такого кристалла до температуры 100150 °С (в зависимости от типа ЩГК температуры могут быть разными) в нем наблюдается термолюминесценция, причем спектр термолюминесценции представляет собой серию взаимонакладывающихся пиков в спектральном интервале 400—700 нм. Процесс свечения со времени установления температуры — визуально хорошо воспринимаемое глазом зрелище, заканчивающееся серией последовательных вспышек; весь процесс продолжается около 5 минут. Эффект длительной оптической памяти на ЩГК обнаружен автором книги.

В случае, если наша цивилизация будет более эффективно ис пользовать солнечное излучение с помощью идеальных солнечных батарей, вынесенных в Космос, и можно будет регистрировав вид излучения с температурой 900—1500 К, то есть отработанную энергию от поверхности солнечных батарей, тогда станет возможным существенное накопление солнечной энергии и останет единственная проблема — как ее из космоса доставить на Землю.

С другой стороны, принципиально возможно использование низкотемпературной люминесцентной реакции для облучения полупроводниковых фотоприемников и получения фотоЭДС. Однако пока такое решение скорее относится к области научной фантастики, чем к области практической энергетики. Решение этой задачи основано на грамотном и практически целесообразном использовании закона сохранения и превращения энергии.

<Правовые основы экологии
Жизнедеятельность с позиций биофизики
Главная   |   Поля   |   Жизнедеятельность   |   Природопользование   |   Безопасность   |   Карта сайта
2008-2015 © p0d.ru, E-mail:info@p0d.ru