На первый взгляд приведенные цифры возможного использования фотосинтеза растений кажутся довольно большими. Однако при сравнении их с энергией солнечного излучения, падающего на сушу Земли, они оказываются ничтожными. Так, определяя к.п.д. перехода солнечной энергии в химическую энергию пищи и кормов при указанных ранее высоких урожаях (15 тонн сухого вещества с гектара), мы убеждаемся, что этот к.п.д. составит всего 1,5 процента, а при современных средних урожаях — еще раз в 5 меньше. (К.п.д. фотосинтеза определяется отношением калорийности урожая — в сухом весе — к количеству солнечной радиации на гектар, выраженной в тех же единицах, например в ккал/га. Биологи, обычно определяют к.п.д. по отношению лишь к части видимого солнечного спектра, являющейся активным началом фотосинтеза с энергией, равной половине энергии всего солнечного спектра. Отсюда принятый нами к.п.д. 1,5 процента соответствует «биологическому» к.п.д., равному 3 процентам.)
Такое низкое значение к.п.д. объясняется в первую очередь тем, что в ранних периодах вегетации, когда растения малы, листья покрывают лишь малую часть пашни и солнечная энергия в большей своей части падает на землю, а не на растения. Наоборот, при полном развитии растений одни листья затеняют другие и в основном работают лишь верхние листья. Это мешает физиологическим функциям растений, а также понижает к.п.д. фотосинтеза, и вот почему: при малой освещенности к.п.д. фотосинтеза составляет 10 процентов, но падает с увеличением интенсивности. При больших интенсивностях облучения выход вещества вообще перестает зависеть от интенсивности света, и скорость фотохимического процесса будет лимитироваться активностью ферментов, скоростью диффузии исходных веществ в растении и др.
Учитывая такое своеобразие к.п.д. фотосинтеза, было бы очень выгодно создать условия равномерного распределения солнечной энергии по всем листьям растений с таким расчетом, чтобы, увеличивая поверхность листьев, работать с уменьшенной интенсивностью света, а значит, с большим к.п.д. По-видимому, подобные условия осуществляются на кукурузных полях в течение 2–3 недель перед уборкой и на плантациях сахарного тростника для растений второго года. Своеобразие этих культур, как и многих других тропических трав, заключается в том, что их длинные листья расположены под малым углом к стволу. Это позволяет, особенно в южных районах, солнечным лучам проникать глубоко в толщу посева. При этом отраженный от листьев и проходящий сквозь них свет создает в толще всего посева равномерное, хотя и малоинтенсивное, освещение. Такие условия обеспечивают получение высокого к.п.д. фотосинтеза, гораздо большего, чем при непосредственном падении солнечных лучей на плотный верхний слой листьев. В указанных стадиях развития при хороших агротехнических условиях к.п.д. для названных растений составляет 7 процентов от всей падающей солнечной энергии.
Рассматриваемый нами эффективный к.п.д. фотосинтеза зависит от разнообразных условий (формы и расположения листьев, ухода за посевами и пр.), а не только от самого аппарата фотосинтеза.
Оказалось, что соответствующие значения начального к.п.д. и характер кривых не точно одинаковы для разных растений. Но в общем они распадаются на две группы. К одной относятся все растения средней полосы, а к другой — растения, относящиеся к так называемым тропическим травам. Для первых к.п.д. при малых интенсивностях составляет в среднем 8 процентов, а для вторых — 12 процентов, что соответствует «биологическому» к.п.д. 16 и 24 процента. Это обстоятельство также является одной из причин повышенной урожайности кукурузы, сахарного тростника и им подобных растений.
Итак, солнечная энергия в соединении с агрокультурными мероприятиями и селекцией способна обеспечить человечество питанием на сто-двести лет вперед даже при большом увеличении населения.
Поставим теперь вопрос: не сможем ли мы за счет энергии Солнца добывать в достаточном количестве и электроэнергию для нужд промышленности и быта, учитывая постепенное уменьшение запасов горючих ископаемых, накопленных в течение многих миллионов лет за счет той же солнечной энергии? А быть может, удастся получать органические вещества чисто химическим путем, за счет солнечной энергии вне растений?
При космических полетах и особенно при исследовании поверхности Луны (а впоследствии и Марса) применяются полупроводниковые солнечные батареи, которые работают с к.п.д., превышающим 10 процентов. Нет сомнений, что в будущем ученым удастся повысить к.п.д. преобразования солнечной энергии в электрическую, скажем, до 20 процентов. Кстати, в этих батареях к.п.д. не уменьшается при увеличении интенсивности солнечной энергии в противоположность тому, что имеет место при фотосинтезе в растениях.
В принципе при дальнейшем удешевлении полупроводниковых материалов не исключена возможность использования подобных батарей и на поверхности Земли, покрывая ими большие пространства суши. Суточные, месячные и годовые изменения интенсивности излучения, а значит, и электрического тока от батарей можно было бы выровнять с помощью аккумулирования электрической энергии батарей в виде продуктов электролиза. При этом можно было бы выбрать такой электролиз, продукты которого давали бы возможность переводить их химическую энергию в электрическую с к.п.д. около 100 процентов в топливных или обычных электрических элементах. От этих элементов мы могли бы получать ток уже постоянной мощности.
Сами фотоэлементы должны быть распределены на больших площадях. Они могут быть надежно укрыты в соответствующих пластмассовых кассетах. Уход за такими «энергетическими полями», вероятно, не был бы более трудоемким, чем уход за сельскохозяйственными полями.
Однако я думаю, что такое решение использования солнечной энергии не будет оптимальным. Уж очень много ценного полупроводникового материала для этого потребуется. Есть, правда, возможность получать некоторые органические полупроводниковые материалы, которые были бы значительно более дешевыми. К сожалению, эта область мало изучена, и пока к.п.д. соответствующих батарей еще очень мал (около 2 процентов). Однако нельзя исключать возможность повышения к.п.д. в дальнейшем и для этих материалов.
