Вода и жизнь на Земле - Юрий Новиков

Истощение запасов полезных ископаемых на суше заставляет многие страны проявлять все больший интерес к поиску и добыче различных минералов со дна моря. Немногим более ста лет началась история подводных полиметаллических руд. 7 марта 1873 г. трал английского фрегата «Челленджер», совершившего трехлетнее кругосветное плавание с целью исследования глубоководных впадин, поднял с глубины 4 тыс. м нечто вроде черноватой гальки. Химики быстро установили, что эти любопытные образования состоят почти исключительно из окиси марганца и представляют собой «марганцевые конкреции». В наш век интерес к этим конкрециям значительно возрос — ведь, кроме марганца, концентрация которого наиболее высока (в среднем около 25 %), они содержат большое число других металлов, в том числе медь, никель, кобальт, молибден. Конкреции обычно залегают в осадочных отложениях, так называемом радиоляриевом иле (радиолярии — планктонные животные организмы), на глубине свыше 4 тыс. м.

По данным американских исследователей, только в одном Тихом океане хранится 1500 млрд. т руды в форме конкреций. Если использовать всего лишь 1 % этой руды, то человечество будет обеспечено марганцем на 285 лет, никелем — на 230, медью — на 17, кобальтом — на 1200 лет. Правда, в последнее время появились менее оптимистические цифры — от 1 до 3 млрд. т руды для всего Мирового океана (никеля от 15 до 50, меди — от 12 до 36, кобальта — от 2,5 до 7,5 млн. т).

По установленным в настоящее время критериям, месторождение считается рентабельным, если общее содержание меди и никеля в руде составляет примерно 2,5 %. Другое необходимое условие — плотность конкреций на дне. Она должна быть от 4 до 10 кг/м2 для месторождений площадью порядка 30 тыс. км2, что обеспечит добычу 3 млн. т руды в год. Этим требованиям пока отвечает лишь одна зона, расположенная в северной части Тихого океана между 5° и 20° с. ш. и 110° и 160° з. д. Именно в этой зоне, которая занимает 6 млн. км2 (в 10 раз больше территории Франции), ведется основная исследовательская работа. Однако до сих пор никто не смог доказать, что предполагаемая промышленная добыча, которая по-прежнему упирается в технические трудности, экономически рентабельна.

В настоящее время рассматриваются два пути разработки подводных месторождений: механический и гидравлический. Механическая фильера представляет собой систему ковшей, перемещающихся вдоль троса, соединенного с двумя судами. Сторонники этого проекта утверждают: чем проще система, тем меньше у нее шансов выйти из строя. Гидравлическая фильера — это или система откачки (морская вода — конкреции), или система с эрлифтом (морская вода — конкреции — воздух). Главной проблемой этой гигантской отсасывающей трубы длиной в 5 тыс. м остается установка головки землесоса, которая должна собрать как можно больше руды достаточно быстрыми темпами в среде, имеющей консистенцию меда и обладающей неровным рельефом. Переработка, которая заключается в разделении различных руд, содержащихся в конкрециях, не ставит никаких специфических проблем. Она осуществляется так же, как и переработка любой «классической» руды.

Причины увлечения многих стран конкрециями различны. Например, для США они представляют огромный интерес, поскольку им приходится импортировать 85 % марганца и почти полностью кобальт и никель. Есть и другие страны, также зависящие от ввоза этих металлов. Так, Япония импортирует 95 % меди, кобальта и марганца и около 75 % никеля.

В конце 1978 г. группе американских, японских, канадских и западногерманских исследователей удалось добиться успеха. С глубины 5000 м в Тихом океане к юго-востоку от Гавайских островов подводный земснаряд исследовательского судна «Седко-445» впервые извлек на поверхность большое количество так называемых марганцевых конкреций. Внешне они напоминали крупные клубни картофеля и содержали никель, кобальт, титан, медь, а также марганец.

По оценочным данным, запасы нефти на морском дне, как разведанные, так и предполагаемые, составляют 90 млрд. т, т. е. в 30 раз превышают объем ежегодной мировой добычи. В конце 70-х годов в прибрежных шельфах действовали около 400 разведочных буровых платформ, из них 60 — в Северном море; свыше 3 тыс. установок на платформах уже добывали нефть с морского дна.

Значение Мирового океана в жизни человечества стремительно возрастает. В нем таятся колоссальные запасы энергии. Люди научились утилизировать лишь ничтожную ее долю, но есть надежда, что в будущем океан может сделаться одним из основных поставщиков энергии.

Идея использовать энергию приливов и отливов не нова. Но путь от замысла к его воплощению в строительстве приливных электрических станций — ПЭС — оказывается тернистым.

На первый взгляд, что может быть проще! Отгородил залив от моря в узком месте плотиной, поставил турбины — и черпай энергию. Во время прилива вода, вливаясь в залив, заставит крутиться лопасти гидротурбины. То же самое произойдет и во время отлива, когда вода будет стремиться уйти обратно в море. Однако, когда в 1967 г. во Франции была сооружена приливная электростанция (ПЕС) «Ране», то оказалось, что ее строительство обошлось в три раза дороже обычной речной ГЭС.

В Советском Союзе ПЭС в основном смонтировали на заводе в Мурманске и затем уже отбуксировали к месту расположения — в губу Кислая. Там готовый блок посадили на заранее приготовленную «постель», загрузив песчаным балластом. Так, в 1968 г. появилась первая отечественная ПЭС — Кислогубская.

Этот вариант стал основой нынешних проектов ПЭС, например в Лумбовском заливе, у побережья Кольского п-ва на границе Баренцева и Белого морей. Приливы в этом месте достигают 7-метровой высоты. Здесь предполагается построить две дамбы общей длиной 2,8–5 км и в одной из них расположить 8 отверстий для пропуска воды, в другой — 6 наплавных четырехагрегатных блоков, аналогичных Кислогубской ПЭС. 24 капсульных агрегата общей мощностью 0,3 млн. кВт позволят выработать за год около 600 млн. кВт*ч электроэнергии.

В 30 с лишним раз большую мощность — 10 млн. кВт — разовьет будущая Мезенская ПЭС. Плотина длиной 86 км отсечет восточную часть акватории залива в створе мысов Михайловский и Абрамовский. На 17-километровом трапециевидном «выступе» встанут 100 наплавных блоков с 400 агрегатами.

Большие возможности для строительства ПЭС открываются на побережье Охотского моря, где наблюдаются 14-метровые приливы. Так, в Пенжинской губе предполагается построить ПЭС мощностью в 100 млн. кВт. (Для сравнения укажем, что мощность крупнейшей в мире Саяно-Шушенской ГЭС — 6,4 млн. кВт.) Море в заливе редко бывает спокойным. Ураганный ветер гонит на берег волны высотой 5–7 м. Ветер не утихает и зимой, когда столбик термометра нередко опускается к отметке минус 50°. Более 200 дней в году море покрыто ледяными полями толщиной до 2 м. Какую же прочность должна иметь станция, чтобы противостоять натиску воды и льдов! Поэтому здание ПЭС предполагается сделать с наклонным перекрытием, через гребень которого могут свободно переползать льды. В техническом отношении создание Пенжинской ПЭС вполне осуществимо.

В последнее время появился новый тип волновой гидростанции, названной изобретателями «Ракушкой». Ее необходимо строить на морской отмели, с резким перепадом глубин от 100 до 20 м. Лучше всего для этого подходит подводная сопка. На ее вершине, и следует монтировать «Ракушку» — полую бетонную полусферу диаметром. 80 м. От макушки полусферы вниз идет вал гидротурбины, вращающий генератор. Работа такого энергоблока основана на возрастании волны, приближающейся к отмели. Вода, достигнув отверстия в «Ракушке», падает вниз. По расчетам, за 1 с на лопасти турбины будут обрушиваться 80 м3 морской воды. Этого вполне достаточно для работы мощного (1,5 МВт) генератора.

Изобретатели считают, что подобные волновые ГЭС выгодно располагать полукругом. Тогда станции будут не только вырабатывать энергию, но и выполнять роль волнолома, т. е. защищать берега от разрыва. Внутри такой бухты корабли могут пережидать непогоду. Оснастив щели в нижней части «Ракушки» фильтрами, можно добиться дополнительно очищения морской воды от нефти. Наиболее подходящим местом для сооружения подобной электростанции считаются прибрежные воды Гавайских о-вов.

В 1978 г. в Японии начала давать ток плавучая электростанция, работающая на энергии морских волн. Оригинально ее техническое решение. Энергия волн преобразуется в камерах компрессионного типа в энергию сжатого воздуха. Последний из соплового аппарата поступает на лопатки турбины, вращающей электрогенератор. Энергоустановка смонтирована на судне водоизмещением 500 т, общая длина которого 80 м, ширина 12 м. Максимальная мощность плавучей электростанции составит 2 мВт. Специалисты считают, что энергоустановки подобного типа уже в настоящее время экономически конкурентоспособны по отношению к другим известным методам электроснабжения небольших населенных пунктов на побережье океана, где дополнительные транспортные расходы существенно увеличивают стоимость привозного органического топлива.