Энергия волн

Если известны периоды волн и время их прибытия в некоторую точку, то можно определить, откуда они пришли. Возьмем, воспользовавшись номограммами ИОН, ветер скоростью 50 узлов и длиной разбега 100 км. Тогда то, что принято называть характерной высотой волны [14] , составляет 6 м. Допустив, что скорость ветра составляет 50 узлов при разгоне 1000 км, получим характерное значение высоты волны — 8 м. Каждому, кто знаком с алгебраическими уравнениями, очевидно, что, зная две из этих величин, можно определить третью. Но решение подобных задач, определяющих некоторые наши перспективы, потребовало длительного времени и незаурядных способностей. Я намеренно упрощаю проблему. Почему, например, штормовые волны столь различны по высоте? Ответ м-ра Дрэйпера содержит некоторые указания на трудности, с которыми сталкивались он и его коллеги и их предшественники, занимавшиеся этим предметом: «Каждая отдельная волна порождена одним и тем же ветром, одновременно действующим над однородной средой, и все же высота их может отличаться в отношении 1:10. Объяснение состоит в том, что существует волна очень недолго; ни одна штормовая волна как идентифицируемое индивидуальное образование не живет более двух минут. Даже 80-футовые чудовища имеют короткий период триумфа, и если можно было бы проследить за их эволюцией, то было бы видно, как они уменьшаются и за пару минут опускаются до уровня остальных, приняв участие в случайной сумятице волн на морской поверхности и никогда не возвращаясь к первоначальным формам. Такое поведение является следствием того, что энергия морских волн распределена по очень широкому спектру волновых компонент, каждая из которых имеет свою амплитуду и период.

14

Иногда ее называют высотой значительных волн. В отечественной практике характерной считают такую высоту, которую превышают 3 волны из 100. Эта высота в 1,32 раза больше видимой. — Прим. ред.

Каждая компонента движется со скоростью, определяемой ее периодом, так что более быстрые компоненты (имеющие больший период) постоянно опережают более медленные. Представим на момент простейший случай волновой системы, состоящей из двух компонент с несколько различными скоростями. Когда вершина одной волны настигнет вершину другой, временно возникает волна, превышающая по высоте и ту и другую; аналогично когда вершина одной волны попадает в подошву другой, то поверхность относительно сглаживается, В реальном море не две, а миллионы волновых компонент (бесконечное число, если перейти к их математическому пределу), и каждая движется со своей собственной изначальной скоростью. Если бы когда-нибудь, чисто случайно, очень большое число компонент совместилось в одной пространственно-временной точке и наблюдатель, к несчастью, оказался поблизости, он узрел бы волну огромных размеров [15] .

15

Предельное значение высот для морских волн составляет примерно 30-35 м. Более высокие волны неустойчивы. — Прим. ред.

Отсюда можно понять, что задача идентификации волн — действительно задача. В этом одна из причин того, что инженеры и ученые, занимающиеся волновой энергетикой, проявляют осторожность даже сегодня, когда потребность в дополнительных энергетических источниках выше, чем в прошлом. Самые тщательные эксперименты в модельных условиях, на озерах или в бухтах никогда не в состоянии воспроизвести ярость открытого моря.

Все же факт, что викторианские инженеры, не обладавшие познаниями о надежности, умели строить гавани, волноломы и дамбы, которые противостоят морю уже 150 лет и более. Большая волна, которая в январе 1978 г. снесла часть Маргейского пирса, явилась свидетельством не того, что море непобедимо, а — показателем инженерных возможностей в 1800 г.; при этом следует учесть, что тип сооружений, устоявших до нашего времени, может строиться сегодня значительно лучше.

Не следует забывать, что пирс, как и нефтяная платформа, конструируется таким образом, чтобы испытывать возможно меньшее воздействие моря, в то время как генераторы волновой энергии предназначены для противоположной цели. Они будут, следовательно, подвержены большим нагрузкам. Но техника строительства прошла большой путь с тех пор, как возникли гидротехнические сооружения, и в том числе нефтяные платформы Северного моря.

Мы не можем быть уверенными в надежности, генераторов, пока не проверили их в реальных условиях. Вполне может быть, что те из нас, чья осторожность опирается лишь на интуицию, окажутся более правы, чем специалисты, настаивающие на безотлагательных действиях. Действительность рассудит нас.

Я упоминал о характерной высоте волны, определяемой как среднее от 1/3 наибольших значений из общей совокупности высот волн. Это понятие возникло в результате анализа волнограмм. Замечательно, что современные данные, полученные с помощью сложной электронной аппаратуры, появившейся в последние два десятилетия, подтверждают рассказы старых моряков о волнах. Как утверждает м-р Дрэйпер, «если замерить 99 последовательных волн, то их характерной высотой будет средняя величина 33 наибольших из общего числа и эта величина будет очень близка к той, которую назовет опытный моряк, если попросить его оценить волнение [16] ”.

16

Высота значительных волн (или, иначе, видимая высота) в 1,6 раза превышает среднюю высоту всех волн и только 14% волн имеют высоту больше видимой. — Прим. ред.

Так, в 1839 г. капитан Роберт Фицрой докладывал о виденной им в Атлантике волне высотой 18 м, а экипаж американского судна «Рампапо» утверждал, что в Тихом океане в 1933 г. наблюдалась волна высотой 34 м. Можно было бы счесть это фантазией, но не сегодня. В наши дни существует достоверное свидетельство о волне высотой 27 м, снесшей буровую вышку на острове Ванкувер в Тихом океане, а в 1971 г. волна высотой 26 м была зарегистрирована кораблем погоды в Северной Атлантике. Таким образом, то, что видели старые морские волки, подтверждается современной наукой. Внешние впечатления не всегда ошибочны.

С другой стороны, м-р Дрэйпер позволил себе усомниться в почтенном мифе. Могут возникнуть, он утверждает, «искаженные» волны, существующие короткое время как результат сложения большого числа волновых компонент. Они редко бывают изолированными и обычно представляют собой одну огромную волну, сопровождаемую несколькими меньшими волнами, вытянутыми на расстояние сотни футов, «следующими послушно друг за другом упорядоченной цепочкой по озеру Лох-Несс, прежде чем исчезнуть при попадании в противофазу (или ныряя за пищей, если вы предпочитаете такую интерпретацию)». И он добавляет как добросовестный ученый: «Следует заметить, что такое правдоподобное объяснение не может считаться доказательством того, что лохнесское чудовище является лишь плодом воображения последователей этой версии».

Когда в 1971 г. он писал это, то еще не мог знать, что через 7 лет появится проект, позволяющий с помощью самой современной техники проводить испытания волноэнергетических конструкций в озере Лох-Несс с побочной перспективой обнаружения чудовища, если оно действительно там существует.

Глава 3. Назад — к водяному колесу

Волновая энергетика означает в определенном смысле, что мы возвращаемся к водяному колесу. Мы оказываемся, таким образом, в ирреальной обстановке отголосков шума, сопровождавшего появление гидроэнергетики, шума, в котором звучали «религиозные» возражения и протесты против использования водяного пара. Можно провести параллель с концом XVIII в., когда паровая машина Джеймса Уатта выдавала энергию мощностью только 11 кВт, а текстильной фабрике требовалось 190 кВт. В то время была нужна немалая проницательность, чтобы понять, что основным источником энергии станет пар, одержав победу над водой. Водяная мельница была самой ранней формой механизации труда, освободившей животных и рабов от однообразной механической работы и крестьян от перемалывания зерна вручную. Гидроэнергетика жила в сознании поколений. Она неохотно освободила место пару, но и сегодня вода в гидроэлектростанциях представляет основной источник электроэнергии.

К 1086 г. — во времена «Книги судного дня» [17] — в Британии было 5624 действующие мельницы, почти все — водяные, обслуживающие двухмиллионное население, т.е. одна мельница приходилась на 400 человек. Затем начался прогресс. Пар был пленен, и его притягательная сила оказалась непреодолимой. Но стало ли это прогрессом?

М-р Давид Брайсвэйт, архитектор и издатель, суммирует ситуацию в своем введении к «Ветряным и водяным мельницам» Джона Рейнольдса. «Если верно то, что открытие новых источников энергии составляет основу развития цивилизации и скорость прогресса определяется изменением количества энергии, приходящейся на человека, то вытеснение энергии воды и ветра энергией пара следует безусловно приветствовать. Но неопровержимый факт состоит в том, что использование сил огня и пара для моторов и турбин будет расточительством и невообразимо загрязнит нашу атмосферу». Заметим, что м-р Брайсвэйт не считает наше ископаемое топливо достойным упоминания. Он писал это в 1930 г., до наступления энергетического кризиса.

17

«Книга судного дня» — основной кадастровый документ при разборе земельных тяжб времен Вильгельма Завоевателя. — Прим. пер.

Великое обещание волновой энергетики состоит в том, что впервые после изобретения водяного колеса появилась возможность осознать концепцию, именуемую прогрессом, не проливая слезы по поводу ее побочных нежелательных эффектов. Все экологические последствия, насколько это известно сегодня, в нашем случае благоприятны и проблемы, связанные с ними, разрешимы. Вопросы ставятся так: могут ли волны когда-нибудь стать основным источником энергии? Какой тип или типы устройств предпочтительней? Каковы социальные последствия? И наконец, говоря о том, что почти всегда замалчивается, является ли морально приемлемым безнаказанное использование природных ресурсов? Последний аргумент выражает современное преломление взглядов древних римлян на гидроэнергию — «религиозный» аргумент, вновь сегодня появившийся и отягощенный коллективным чувством вины. Попросту говоря, в этом чувствуется заковыка.

Первое водяное колесо, известное как персидское колесо, восходит к 200 г. до н.э. Оно работало точно так, как представляет себе это большинство людей сегодня, если вообще себе это представляет. Колесо, помещенное в поток, приводилось в движение текущей водой. С обода колеса свисали бадьи, подобно сиденьям в аттракционе «Большое колесо». Бадьи черпали воду и при подходе к наивысшей точке опорожнялись либо на площадь, подлежащую ирригации, либо в акведук. Прошло еще сто лет, прежде чем в 85 г. до н. э. появилось первое упоминание об использовании колеса в его обычном механическом назначении.