35. Батареи

В Лондоне начала XIX века убийцы иногда пытались покончить с собой, чтобы избежать виселицы. Если это им не удавалось, они просили друзей как следует дернуть их за ноги, пока они болтаются на эшафоте. Им хотелось быть абсолютно уверенными, что они умрут. Они знали, что их недавно повешенное тело передадут ученым для анатомических исследований, и не хотели очнуться при расчленении.

Если бы Джордж Фостер, казненный в 1803 году, проснулся на лабораторном столе, это было бы очень унизительно. Перед увлеченной и слегка испуганной лондонской толпой итальянский ученый, словно шоумен, присоединял к заднему проходу Фостера электрод.

Кто-то в аудитории подумал, что Фостер действительно ожил. Электрически заряженный зонд заставил безжизненное тело вздрогнуть, а кулак сжался. Присоединенные к лицу электроды скривили рот гримасой, открылся глаз. Один зритель оказался настолько впечатлительным, что упал замертво. Ученый скромно заверил аудиторию, что на самом деле он и не собирался возвращать Фостера к жизни, а просто показывал новую, недостаточно проверенную методику. Кто знает, что может произойти? Полиция была наготове: вдруг Фостера придется вешать заново?[470]

Тело Фостера гальванизировали — это слово образовано от имени Луиджи Гальвани, дяди итальянского ученого. В 1780-х годах в Италии Гальвани обнаружил, что, если прикоснуться к отрезанным лапкам мертвой лягушки двумя видами металла, они задергаются. Гальвани полагал, что открыл «животное электричество», и его племянник продолжил опыты. Гальванизм некоторое время захватывал публику, вдохновив Мэри Шелли написать историю о Франкенштейне[471].

Гальвани заблуждался. Животного электричества не существует. Невозможно вернуть повешенное тело к жизни, и монстр Виктора Франкенштейна безопасно остается в мире художественной литературы. Но ошибка пошла на пользу науке. Ученый показал свои эксперименты другу и коллеге Алессандро Вольте, а у того оказалась лучше развита интуиция. Важно не то, осознал Вольта, что плоть лягушки животного происхождения, а то, что в ней содержатся жидкости, которые проводят электричество и позволяют заряду проходить между разными видами металла. Когда два металла соединяются — скальпель Гальвани касается медного крюка, на котором висят лапки, — контур замыкается, и химическая реакция заставляет электроны двигаться.

Вольта экспериментировал с разными сочетаниями металлов и разными заменителями лягушачьих лап. В 1800 году он показал, что можно генерировать постоянный ток, если сложить листы цинка, меди и пропитанного соленой водой картона. Так появилась батарея.

Как и его друг Гальвани, Вольта подарил миру новое слово — «вольт». А еще он подарил нам изобретение, которым вы, может быть, пользуетесь прямо сейчас, если слушаете аудиокнигу или читаете на планшете. Такие портативные устройства возможны только благодаря батареям. Представьте себе на секунду мир без батарей: мы заводили бы машины заводной ручкой и путались в проводах для пульта управления телевизором.

Прозрение Вольты принесло ему поклонников, а Наполеон даже даровал графский титул. Впрочем, созданная им батарея оказалась не слишком удобной, во всяком случае, поначалу: металл подвергался коррозии, соленая вода протекала, ток сохранялся недолго, ее нельзя было перезарядить. Лишь в 1859 году появился первый перезаряжаемый аккумулятор, сделанный из свинца, диоксида свинца и серной кислоты. Он получился объемным и тяжелым, а кислота выплескивалась, когда батарею переворачивали, но при этом полезным. Та же базовая конструкция по-прежнему запускает наши машины. Первые знакомые нам современные «сухие» батареи созданы в 1886 году, а следующий большой прорыв последовал спустя целое столетие в Японии.

В 1985 году Акира Ёсино запатентовал литийионную батарею, производство которой Sony позже поставила на коммерческую основу[472]. Исследователям очень хотелось заставить легкий и высокореактивный литий работать в батарее. Литийионные батареи могли вместить большую мощь в маленьком объеме. К сожалению, литий имеет неприятное свойство взрываться под воздействием воздуха и воды, поэтому потребовалась хитрая химия, чтобы сделать его довольно стабильным.

Без литийионных батарей мобильные телефоны, вероятно, приживались бы гораздо медленнее. Вспомните, как выглядели передовые технологии в этой области, когда Ёсино подал заявку на патент. Motorola только что выпустила первый в мире мобильный телефон DynaTAC 8000x, который клиенты ласково называли «кирпичом». Он весил почти килограмм, а говорить по нему удавалось всего полчаса[473].

Технологии, лежащие в основе литийионных батарей, безусловно, развиваются. Ноутбуки 1990-х годов были громоздкими и быстро разряжались, а сегодняшние тонкие портативные устройства способны выдержать долгий авиаперелет. Тем не менее время работы батарей улучшается намного медленнее, чем другие элементы ноутбуков, например объем памяти и мощность процессора[474]. Где же легкая и дешевая батарея, которая заряжается за несколько секунд и не портится от постоянного использования? Мы по-прежнему ее ждем.

Очередной крупный прорыв в химии батарей может случиться буквально завтра, а может, и нет. Нет недостатка в исследователях, которые считают, что близки к очередной большой идее. Кто-то разрабатывает «проточные» батареи, работающие путем прокачивания заряженных жидких электролитов, кто-то экспериментирует с новыми материалами, в том числе серой и воздухом, чтобы соединить их с литием, кто-то использует в проводах электродов нанотехнологии, благодаря чему батареи дольше держат заряд[475]. История советует быть осторожными: революции происходят нечасто.

В любом случае в грядущие десятилетия настоящий прорыв в области батарей может быть связан не с технологиями, а с их использованием. Хотя мы привыкли считать, что батареи позволяют отсоединиться от сети, вскоре они могут стать предметами, которые заставляют сеть лучше работать.

Стоимость обновляемой энергии постепенно снижается. Однако даже дешевая обновляемая энергия представляет собой проблему, так как ее нельзя вырабатывать непрерывно. Даже при идеально предсказуемой погоде в солнечные дни солнечной энергии много, а вот зимними вечерами ее почти нет. Когда не светит солнце и нет ветра, для освещения приходится сжигать уголь, газ и ядерное топливо. А раз такие электростанции уже построены, почему бы им не работать постоянно?[476] В недавнем исследовании, проведенном в Юго-Восточной Аризоне, затраты от отключения электричества сравнили со стоимостью выбросов углекислого газа. Был сделан вывод, что солнечные батареи должны давать всего 20 процентов мощности[477]. А ведь Аризона — довольно солнечное место.

Для того чтобы сеть больше зависела от обновляемых источников, нужно найти более совершенные методы хранения энергии. Проверенное временем решение — закачивать воду наверх, когда есть лишняя энергия, а затем, в период недостатка, спускать ее вниз через гидроэлектростанцию. Однако для этого требуется удобный горный рельеф, а это не самый доступный ресурс. Могут ли батареи стать решением?[478] Такое возможно, и это зависит отчасти от того, насколько активно регулирующие органы будут продвигать индустрию в этом направлении, а отчасти от того, как быстро батареи будут дешеветь[479].

Илон Маск надеется, что цены снизятся очень быстро. Предприниматель, который занимается производством электромобиля Tesla, строит в Неваде гигантскую фабрику литийионных батарей. Он утверждает, что это будет второе по величине здание в мире, уступающее только цехам по сборке «Боинга-747»[480]. Компания утверждает, что производство станет значительно дешевле не благодаря технологическим прорывам, а из-за чистой экономии на масштабе.

Батареи, конечно, нужны этой компании для установки на транспортных средствах, но уже сейчас есть предложения для домов и предприятий. Если на крыше стоит солнечный элемент, батарея в доме обеспечит возможность хранить избыток дневной энергии для использования ночью, а не отдавать ее обратно в сеть.

Путь к миру, в котором электрические и транспортные сети работают исключительно на обновляемых источниках и батареях, долог. Но цель становится достижимой, и в стремлении противодействовать изменениям климата мир должен как-то «гальванизировать» эти идеи и заставить их работать. Так что, возможно, самое значительное следствие изобретения Алессандро Вольты еще впереди.