«С тех пор как существует мирозданье, такого нет, кто б не нуждался в знанье.

Какой мы не возьмём язык и век, всегда стремился к знанью человек.

А. А. Д. Рудаки»

Предисловие от авторов

 

Человек всегда всеми правдами и неправдами старается узнать будущее. Обращается к астрологии, гадает на кофейной гуще, составляет прогнозы, чтобы узнать, что его ждет в будущем. Но прогноз – это всегда дело неблагодарное, и мы понимает, что у будущего в зависимости от наших решений, может быть несколько векторов развития. Однако, в любом случаи, человек должен прогнозировать и стараться приложить максимум усилий, чтобы сбылся положительный сценарий. В истории человечества всегда были исследователи (напр. Платон, Томас Мор, Томазо Кампанелла и др.), которые старались представить совершенное общество, идеальное государство. В своем небольшом эссе мы постараемся окунуть читателей в будущее энергетики – что бы мы увидели, если бы сегодня сели в машину времени и оказались в 2100 году.

 

Введение

 

Мир стремительно меняется. Меняются машины, дома, технологии, даже ценности для каждого поколения свои. Человек, в отличие от остальных обитателей нашей планеты, всегда старался познать этот мир, получить новые знания и использовать их для освоения Земли. С древнейших времен человек нуждался в силе, которая помогала бы строить дома, вспахивать поля, вращать жернова, мелющие зерна и др. Изначально люди использовали живую силу (животные, рабы), затем на смену пришло водяное колесо, ветряная мельница, паровые двигатели, развивается угольная промышленность, электроэнергетика и т.д.

Энергетика всегда играла центральную роль в жизни человечества.  Продолжающийся рост численности населения, повышение благосостояния развитых и развивающихся стран приводят к наращиванию производства товаров, что увеличивает потребность в электричестве. Увеличение темпов производства и потребления энергии, с одной стороны – ключевое условие и индикатор экономического развития. С другой стороны, это приводит к увеличению нагрузки на окружающую среду, росту рисков дефицита энергетических ресурсов, а в целом ряде случаев к природно-техногенным катастрофам. Этим обусловлена необходимость совершенствования методов использования энергоисточников и поиск новых возобновляемых природой источников.

В результате воздействия данных факторов, человечество все больше усилий вкладывает на поиск новых альтернативных источников энергии: использование энергии солнца, энергия морских приливов, биологическую энергетику и др. Человек всегда был свидетелем стремительных изменений и эволюции, но с развитием науки и технологий мы оказываемся перед новыми вызовами и возможностями.

Таким образом, каждый этап развития человечества характеризовался сменой источников энергии, основных технологий, которые применялись. Лидирующие страны мира активно занимаются освоением технологий шестого технологического уклада, который характеризуется развитием робототехники, биотехнологий, космических технологий, искусственного интеллекта и др. Что же нас ждет на рубеже 2100 года? В данной научной работе мы постараемся исследовать, какие тенденции сформируют будущее энергетики, и какие важные аспекты этой эволюции стоит учитывать.

 

Вызовы человечеству

 

За прогресс человечеству приходится «платить». Развитие и применение новых технологий с одной стороны упрощают нашу жизнь (например, роботы-пылесосы, стиральные машины, посудомоечные машины и др.) делая ее комфортнее, но с другой стороны их производство не остается бесследным для экологии планеты. Кроме того, согласно демографическим прогнозам ООН, представленным в 2017 году, к 2100 году население планеты достигнет 11,2 миллиарда человек и будет продолжать расти со скоростью 0,1% в год [8]. Следовательно, нагрузка на планету Земля будет расти, так как будет увеличиваться спрос населения на товары, работы, услуги.

Увеличение потребления человечеством электроэнергии приводит к ряду процессов, способствующих росту нагрузки на природу планеты Земля и способствует глобальному потеплению. Основная задача, которую предстоит решить экономике – это как удовлетворить растущие потребности населения планеты в условиях ограниченности ресурсов. В сложившихся условиях перед человечеством стоят вызовы, которые необходимо учитывать и применять при создании и реализации будущего энергетики:

– изменение технологий генерации энергии на более экономичные;

– климатические изменения;

– исчерпаемость природных ресурсов;

– негативные воздействия на природу.

Таким образом, в сложившихся условиях человечеству необходимо найти баланс между тем, чтобы с одной стороны обеспечить комфортные условия жизни для населения, а с другой стороны сохранить нашу планету для будущих поколений. В решении данного вопроса, на наш взгляд, можно выделить два основных направления. Первое – это отказаться от прогресса и использовать те технологии, которые применялись раньше и наносили минимальный вред (воздействие) природе. Подобной идеологии придерживаются американские амиши, которые ведут традиционный образ жизни. Они не признают технического прогресса и фактически изолируют себя от благ цивилизации (телефоны, автомобили, компьютеров, электричества и др.). Кроме того, амиши являются пацифистами, а, следовательно, не производят и не используют оружие против людей. Однозначно переход обратно к такому образу жизни во многом снизил бы нагрузку на планету и позволил бы потреблять намного меньше невозобновляемых природных ресурсов. Однако мы понимаем, насколько глубоко проникли технологии в нашу жизнь, и человечеству будет тяжело отказаться от них. Поэтому второе направление в решении данного вопроса – это учитывать сложившиеся на сегодняшний день тенденции и именно благодаря научно-техническому прогрессу решать возникающие проблемы. На наш взгляд, решение необходимо найти в науке, в новых технологиях, которые должны позволить найти еще более экологически целесообразное, экономически рациональное решение. В связи с этим, постараемся разобраться, какие тенденции сформируют будущее энергетики.

 

Развитие науки

 

Наука является двигателем прогресса и основой для развития технологий, образования и инноваций. В будущем, она будет играть еще более значимую роль в развитии человечества.

Естественные науки, такие как физика, химия и биология, будут продолжать развиваться и расширять наше понимание мира. В будущем, это может включать более глубокое изучение квантовой физики, исследования на молекулярном уровне для создания новых материалов и лекарств, а также биотехнологии для решения проблем окружающей среды.

Технические науки, такие как инженерия и информационные технологии, будут непрерывно эволюционировать. Мы увидим развитие искусственного интеллекта, интернета, квантовых вычислений и других технологий, которые изменят способы нашего взаимодействия с миром и помогут в решении сложных задач.

Управление знаниями и инновациями станет ключевым аспектом будущей науки. С появлением больших данных и машинного обучения, ученые смогут извлекать ценные знания из массивных объемов информации. Это поможет в разработке новых технологий и решений.

Трансформация образовательных процессов также будет важным аспектом управления знаниями. Образование будет становиться более доступным и персонализированным благодаря онлайн-образованию, адаптивным платформам, тренингам, которые проводят коучи, используя методики «Летучки», «Мозгового штурма» и многое другое. Они дают достаточно знаний, чтобы стать сертифицированными специалистами и работать в разных сферах.

Интернет-технологии будут играть ключевую роль в будущей научной деятельности. С развитием быстрого интернета 5G от беспилотников и солнечных панелей позволят пользоваться интернетом в 50 раз быстрее обычного, что будет упрощать работу. На сегодняшний день уже создаются новые способы хранения информации на стекле, с помощью света и микроскопа. Крупные основатели, которые закрепились на рынке, уже придумали новую гибкую модель телевизора, который можно переносить собой в любую часть мира. С такими научными трансформациями, исследователи смогут проводить эксперименты и собирать данные на удаленных территориях. Виртуальная реальность уже используется в Южной Корее. Сканируя штрих код любой понравившейся вещи или заказав ее через интернет, можно оформить доставку товара электромобилем, без использования антропогенного воздействия.

Прогнозирование будущего науки является сложной задачей, но важной для определения приоритетов и ресурсов. Исследования в области глобальных процессов, таких как изменение климата и демография, помогут определить направления исследований, необходимые для решения будущих вызовов.

 

Искусственный интеллект

 

Продолжительность инновационных циклов сокращается, и соответственно очень быстро появляются новые технологии. Одним из самых быстроразвивающихся и актуальных направлений, начиная с 1950-х годов, стало развитие искусственного интеллекта (ИИ) [6]. ИИ на сегодняшний день представляет собой комплекс программ, который способен к воспроизведению человеческих навыков. Области применения ИИ очень разнообразны: медицина (диагностика и лечение) [5], образование, сельское хозяйство (выращивание урожая), голосовые помощники и многое другое. ИИ способны обрабатывать большие массивы данные, что позволяет использовать их в процессах планирования, решения конкретных заданий, информировании и даже в обучении [2].

Также необходимо отметить, что на сегодняшний день активно развивается генеративный тип системы искусственного интеллекта, который способен генерировать текст, изображения и другое в ответ на подсказки. Консалтинговая компания McKinsey прогнозирует влияние генеративного ИИ на производительность, автоматизацию и рабочую силу, который ежегодно будет приносить мировой экономике от 2,6 до 4,4 триллионов долларов (примерно 2–4% от совокупного мирового валового внутреннего продукта [4].

Перспективным является применение ИИ в развитии будущей энергетики. В России уже реализуется Национальная стратегия развития искусственного интеллекта на период до 2030 г. Основная цель данной стратегии – это «обеспечение ускоренного развития ИИ в стране, проведение научных исследований, повышение доступности информации и вычислительных ресурсов для пользователей, совершенствование системы подготовки кадров в этой области» [7]. В рамках реализации данной стратегии, а также нацпроекта «Цифровая экономика» в России по различным отраслям реализуются проекты по внедрению ИИ. К сожалению, в энергетике цифровые системы на данный момент применяются достаточно мало. Однако по оценкам Минэнерго, совокупный эффект от применения искусственного интеллекта в ТЭК превысит 5,4 трлн. рублей в перспективе до 2040 года [15]. С помощью искусственного интеллекта в электроэнергетике можно значительно повысить эффективность систем, а также уменьшить потребление энергии, снизить финансовые затраты.

 

Война за экологию

 

Война за экологию на сегодняшний день является одним из самых насущных вопросов для человечества. Производители товаров в жажде наживы часто загрязняют природу выбрасывая производственные отходы, не используя очистные сооружения и т.д. Кроме того, люди засоряют и истощают природу, добывают невозобновляемые природные ископаемые, засоряют океаны непроработанным пластиком, и загрязняют атмосферную среду. Подобные загрязнения нашей планеты могут привести к необратимым последствиям.

В качестве глобальных экологических проблем 21 века выделяют: глобальное изменение климата, уменьшение озонового слоя Земли, загрязнение воздуха, загрязнение Мирового океана, дефицит чистой воды [11]. Многие из этих перечисленных факторов, в том числе ведут к развитию заболеваний для людей (возникновение опухли, рака и т.д.). Для человечества уже давно настало время обратить внимание на экологию. Так как вопросы экологии являются проблемами глобального характера, то и решать их необходимо совместно. По всему миру должны действовать единые правила по отношению к утилизации отходов, сокращению выбросов в атмосферу и т.д. Для этого принимаются международные документы (Киотский протокол), подписываются климатические договоры (Парижское соглашение) для того, чтобы координировать усилия государств по сокращению выбросов парниковых газов и др. Однако, несмотря на то, что развитые страны снижают количество выбросов, но развивающиеся страны в погоне за высокими темпами экономического роста не спешат придерживаться подобных соглашений. Человечество должно осознать, что если сегодня мы не пример нужные решения для сохранения нашей планеты, то возможно уже завтра ничего будет беречь.

 

Электрокары – бум на рынке автомобилей

 

Автомобили играют важную роль в жизни современного человека. С одной стороны, автомобили – это один из самых удобных видов транспорта для передвижения, однако с другой стороны их эксплуатация оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Кроме того, автомобили являются потребителями исчерпаемого ресурса – нефти. В связи с перечисленными факторами человечество уже давно задумалось над альтернативным источником топлива для автомобилей. Так, на замену обычным автомобилям были разработаны электрокары. На автомобильном рынке наблюдается бум спроса на электрокары, а отдельные страны возводят переход на электротранспорт и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) в ранг своей государственной политики [12].

Таким образом, эксперты предполагают, что в ближайшие годы люди массово будут переходить на электрокары, благодаря преимуществам которыми они обладают, а именно: экономичность (затраты на бензин или дизель несоизмеримы с расходами на электроэнергию), отсутствие вредных выбросов, безопасность (за счет конструкции машины центр тяжести, в которой смещен вниз), низкий уровень шума. Кроме того, в ряде стран предполагается применять меры по стимулированию приобретения электрокаров, в том числе субсидирование части затрат при покупке, отсутствие транспортного налога. В результате все самые крупные компании автомобильной промышленности начинают гонку за долю на рынке электрокаров.

Также необходимо отметить, переход на электрокары приведет к экономии потребления исчерпаемого ресурса – нефти, и, следовательно, увеличению потребления электроэнергии. Это не говорит о завершении эры нефти, так как из нефти производят большое количество продуктов. Однако же данные тенденции приведут к тому, что экономике придется удовлетворять растущий спрос на электроэнергию. В свою очередь, рост спроса на электроэнергию отобразится на ее цене. Следовательно, человечеству для того, чтобы решить эту задачу придется искать новые методы для выработки электроэнергии. Подробнее рассмотрим, какие альтернативные источники энергии уже применяются в мире.

 

Альтернативные источники энергии

 

На сегодняшний день, основными видами энергии используемой в производстве электричества являются уголь и углеводороды (в мире – 62,9%, в России – 66,2%) [13]. Второе место по удельному весу в России занимает атомная энергетика. Однако стоит отметить, что из-за угрозы загрязнения окружающей среды в случаи аварии, а также выбросов радиоактивных отходов в рабочем режиме, все большее количество стран в мире предпочитают отказаться от атомных электростанций. В то время как в мире увеличивается доля применения альтернативных источников энергии: ветряная – 5,3%, солнечная – 2,6%, биотопливо – 2,4%, геотермальная, приливов и проч. – 0,5% [13].

Альтернативные источники – это те источники, которые позволяют экономично и без ущерба использовать природный ресурс. Солнечная энергия одна из самых распространённых источников использования неисчерпаемых ресурсов. Солнечной энергии хватит на большое количество сверхновых технологий через 100 лет. Солнечные лучи попадают на фотоэлемент электроны, поглощают свет и в ходе этого мы получаем ток и его уже используют в домах. Достоинствами применения солнечных электростанций является отсутствие вреда для окружающей среды, длительный срок эксплуатации, а также то, что данный ресурс является бесплатным и неисчерпаемым. Однако, несмотря на очевидные достоинства, есть и недостатки данного альтернативного источника энергии. Так, к примеру, в зависимости от погодных условий и времени суток невозможно использовать солнечные электростанции в любых регионах мира. Также недостатками применения солнечных станций является высокая стоимость реализации проекта, необходимость больших площадей для размещения [10].

Еще одним популярным видом альтернативного источника электроэнергии является выработка и применение энергии ветра. Ветроэнергетика – это источник для преобразования кинетической энергии в электрическую, ее можно использовать для питания домов, зданий, цехов, заводов [3]. Кинетическая энергия преобразовывается в электрическую с помощь лопастей ветрогенератора, который состоит из переработанного стекловолокна и прочно устанавливается на фундамент с магнитным полей, также там устанавливают систему направления и скорости ветра. Если разбирать недостатки, то самые ключевые – это высокий стартовый капитал. Выбор территории – эта самый важный вопрос при строительстве ветровых мельниц, так как не все регионы подходят для реализации таких энергетических комплексов. Перечисленные выше альтернативные источники энергии являются зависимыми от природных условий. В связи с тем, что обширная территория нашей страны располагается в неблагоприятных условиях для применения энергии ветра и солнца, то важным является поиск других источников энергии или же преобразование данных с учетом климатических условий.

Обширная территория с различными климатическими условиями диктует необходимость поиска источников энергии даже на крайнем севере. Энергетика в Арктики очень малоразвита, но она является ценным ресурсом для промышленного и социального освоения территории России. Именно здесь располагаются ресурсные базы самых основных нефтедобывающих компаний «Газпром», «Новатэк», «Роснефть» и др [14].

Несмотря на вечную мерзлоту, по потенциалу ветровой энергии арктический регион объективно является самым привлекательным на планете. Однако, на данный момент Россия не является технологическим лидером в данном направлении. Используемые в теплых странах промышленные серии ветряных генераторов не подходят для применения в арктических широтах России.

Тоже самое по отношению к солнечной энергетики. Полгода в условиях Арктики приходятся на полярный день, поэтому перспективы применения данного источника энергии большие. В связи с этим важным направлениям развития будущего энергетики в освоении арктических широт является разработка нового типа оборудования с учетом специфики суровых условий на всех уровнях – от материалов и механизмов до решения задачи сохранения и передачи энергии.

Кроме того, на данный момент ведутся исследования для преобразования и применения энергии арктического холода. Источником данной энергии может стать разница температур воды и воздуха. «Необходимо только найти вещество, упругость паров которого при указанных низких температурах позволила бы выполнять с этим веществом в пределах данных температур такого же рода круговой процесс, какой производится при гораздо более высоких температурах с водяным паром в наших паровых машинах» [13].

Еще один направлением поиска энергии является геотермальная энергетика. Основных источников геотермальной энергии является радиоактивный распад, при котором происходит распад природных газов и других элементов [1]. В результате выделяется огромное количество тепла, которое впоследствии передается на поверхность земли. Также в геотермальной энергетике изучается гравитационный источник, который представляет собой движение подземных потоков конвекции. Данное движение и вызывает трение межу плитами и также приводит к теплу. Подобные источники считаются безопасными, потому что вызваны самой природой. Поэтому данный источник является перспективным для энергетики. В будущем данный источник является перспективным для энергетики, и реализуем в лабораториях, в том числе искусственным путем.

Таким образом, человечество должно приложить максимум усилий, чтобы сделать традиционную энергетику экологически чистой и ресурсосберегающей. Основная задача экономики, как уже было упомянуто выше, – это удовлетворение постоянно растущего потребления населения с помощью ограниченных ресурсов. Основной же задачей будущей энергетики должно стать удовлетворение потребности человечества в энергетике для обеспечения комфортных условий жизни, производства, которое будет оказывать минимальное негативное воздействие на планету. Земля – это наш дом и если мы не ходим, чтобы он разрушился, то необходимо уже сегодня предпринимать шаги для ее сохранения. На основании изученных тенденций постараемся представить свой прогноз будущего энергетики на рубеже 2100 года.

 

Энергетика будущего 2100

 

На наш взгляд, один из самых хоть на сегодняшний день фантастических, но с другой стороны реализуемых в будущем способов может стать добыча энергии за пределами планеты. Борьба стран за освоение космоса активно началась еще во второй половине 20 века. Однако растущая нагрузка на нашу планету заставляет человечество все больше внимание уделять космосу и искать варианты за пределами Земли для обеспечения своей жизнедеятельности. Так, уже разрабатываются программы по освоению Луны (Российская лунная программа 2021-2040 г., Artemis и др.), программы по колонизации Марса (Mars Odyssey (США), Trace Gas Orbiter (Европейское космическое агентство, совместно с Россией и др.).

На сегодняшний день не только государства различных стран мира разрабатывают подобные программы, но даже частные компании заинтересованы в освоении космоса. Так, компанией SpaceX разработало программу по колонизации Марса. Основатель компании Илон Маск  строит весьма амбициозные планы – построить тысячу космических кораблей, чтобы к 2050 году переселить на планету Марс миллион человек. Исследования показывают, что на Марсе имеются необходимые ресурсы, поэтому планету считают потенциально пригодной для жизни. Однако, на наш взгляд, освоение космоса необходимо начать с самого ближайшего по расстоянию от Земли космического объекта – спутника нашей планеты Луны.

С одной стороны, на Луны много полезных ископаемых. Так, на поверхности грунта были обнаружены огромные запасы геляи-3, кремния, алюминия, стекла и др. С другой стороны, поверхность Луны постоянно получает от Солнца 13 тыс. ТВт энергии. В то время, когда солнечный свет попадает сквозь атмосферу и попадает на поверхность Земли, он теряет до 75% своей энергии. Солнечных батарей, имеющихся сегодня, способны превратить в электричество лишь 20% из доходящих до них 340 ватт [9].

Таким образом, можно использовать имеющиеся непосредственно на самой Луне ресурсы для создания солнечных панелей и установить их на поверхности спутника. Передавать собранную энергию на Землю, возможно, будет благодаря применению микроволнового или лазерного излучения. Вырабатываемая энергия также может быть использована для обогрева будущих поселений космонавтов, а также как топливо для ракет и грузовых кораблей. Кроме того, некоторые горные вершины на Северном полюсе Луны всегда освещены Солнцем. Поэтому разместив солнечные панели именно на таких участках появится возможность получать солнечную энергию круглосуточно на протяжении всего года.

 

Заключение

 

Будущее энергетики будет олицетворять собой синтез знаний, инноваций и технологий. Развитие различных научных областей, эффективное управление знаниями и использование интернет-технологий будут способствовать более быстрому прогрессу и улучшению качества жизни человечества. Важно поддерживать и инвестировать в науку, чтобы обеспечить устойчивое будущее для всех.

Каждое поколение застает технику на том уровне, до которого она была доведена в предыдущий период, дополняет ее своими открытиями, изобретениями, устройствами. Поэтому важным является уже сегодня определить те важные направления в развитии энергетики, которые будут актуальны в будущем и приведут к сбалансированному развитию человечества на планете Земля. Результаты преобразований, которые мы проводим сегодня, дадут эффект спустя десятилетия и даже столетия. Какой вектор развития мы заложим сегодня в развитии и энергетики и экономики, то такие открытия в данных направлениях и получат наши потомки. В естественных науках есть такой термин «эффект бабочки», согласно которому незначительное влияние на систему может иметь большие и непредсказуемые последствия, в том числе в совершенно другом месте. Достаточно хорошо данный эффект описан в произведении «И грянул гром» Рэя Бредбери. Один из героев рассказа переместившись в прошлое, случайно раздавил бабочку. В результате такое незначительное событие повлияло на настоящее. Таким образом, важно уже сегодня выбрать правильные направления развития энергетики, с учетом не только экономических показателей, но и эффектов, которые они оказывают в целом на планету Земля.