От терм Ветрувия до спутников: как мы учились добывать электричество из света

Понимание, что солнце – это гигантский бесплатный обогреватель, пришло к нашим предкам интуитивно. Не нужно было быть гением, чтобы заметить: повернись к светилу боком – станешь теплее. Черный камень на солнцепеке раскаляется, а светлый – лишь нагревается. В пасмурный день и вовсе нет разницы. Эврика! Источник всего – вот оно, на небе.

Солнечные бани Ветрувия

Ладно, хватит иронизировать над древними. Серьезно говоря, еще до рождения Христа греки умно распоряжались рельефом, строя дома на южных склонах, чтобы ловить каждый луч своего «космического» радиатора.

Но римляне, как всегда, взяли хорошую идею и довели ее до абсолюта. Архитектор Ветрувий, впечатленный греческим опытом, предложил строить знаменитые термы с гигантскими окнами, обращенными на юг. Получались этакие античные теплицы. Философ Сенека позднее жаловался, что в послеобеденные часы в этих ванных под стеклом можно было запросто свариться, как рак. Не самый приятный спа-опыт, согласитесь?

Свет в ток

Отопление – это, конечно, здорово. Но настоящая магия началась, когда люди научились превращать свет прямо в электричество. Первую скрипку здесь сыграл француз Александр Беккерель. Примерно в 1839 году он, нагревая через линзы раствор с хлоридом серебра, получил самый что ни на есть электрический ток. Заряжен был, видимо, не только раствор.

Спустя пару десятилетий его соотечественник Огюстэн Мушо собрал устройство под названием «солнечный счетчик» – по сути, прадедушку современной фотоэлектрической ячейки. Любопытно, что Мушо уже тогда пророчил истощение угольных запасов. Наверное, современники крутили пальцем у виска, слушая этого чудака.

А дальше эстафету подхватил американец Чарльз Фритц. Он создал настольную электростанцию на селеновой пластине с позолотой. И уже через год его более мощная батарея скромно трудилась на нью-йоркской крыше. Представьте лица прохожих, впервые увидевших такое!

Альберт, и тут ты?

К концу XIX века физики уже вовсю ломали голову: как же, черт возьми, этот процесс работает? Появилась теория фотовольтаики. В 1888 году немец Вильгельм Гальвакс экспериментально объяснил странный эффект: ультрафиолетовый свет помогал разрядить отрицательно заряженный электрод. Явление назвали в его честь – эффект Гальвакса.

А куда же без него? Да-да, Альберт Эйнштейн тоже приложил руку, объяснив, что ток рождается, когда фотоны света выбивают электроны из атомов – просто и гениально.

Следующий ключевой пазл вставил химик Ян Чохральский. В разгар Первой мировой он открыл способ выращивать идеальные монокристаллы металлов. Без его метода мы бы сегодня не имели полупроводниковых пластин – фундамента для всех современных солнечных элементов.

Энергия для космических кораблей

Сами фотоэлементы, какими мы их знаем, родились в 1940-х в лабораториях Bell Labs. Инженер Рассел Ол запатентовал кремниевую солнечную ячейку. После войны компания удачно сыграла на дефиците энергии и начала первые в мире коммерческие продажи солнечных батарей. Та самая панель 1954 года с ее 6% КПД сегодня выглядит музейным экспонатом, но тогда это был прорыв. Современные панели, к слову, выдают до 22%.

И кто же стал первым крупным заказчиком? Конечно, космические агентства! Солнечные панели оказались идеальным источником энергии для спутников и кораблей. Ведь в космосе, без защиты атмосферы, солнечная радиация – это не угроза, а неиссякаемый мощный поток.

Солнце против атома

Все наслышаны о вкладе советских ученых в атомный проект. Но знаете ли вы, что и в солнечной гонке наши физики были на передовой? Помните эффект Гальвакса? Практически одновременно с немцем его открыл и наш соотечественник Александр Столетов. А в 60-х Жорес Алфёров и американец Герберт Крёмер независимо предложили использовать полупроводниковые гетероструктуры, чтобы почти вдвое поднять КПД панелей. За это открытие Алфёров и Крёмер в 2000 году получили Нобелевку.

«Уже через 10-15 лет фотоэлектроэнергетика станет очень экономически выгодной, а к середине 21 века может вытеснить энергию от горения углеводородов и атомную энергетику», – заявлял Алфёров в 2015-м. Его прогноз начинает сбываться на наших глазах: в 2022 году солнце дало миру 12% электричества, в то время как атом – лишь 3,9%. Осталось обогнать уголь и газ. Как думаете, успеем?