Но затем Эйнштейну улыбнулась фортуна. Он получил работу в швейцарском патентном бюро в Берне. В июне 1902 г. Эйнштейн прибыл в офис патентного бюро в новом здании почты и телеграфа неподалеку от железнодорожного вокзала. Рассмотрение патентных заявок было не очень сложной работой для любознательного молодого физика, однако давало ему уверенность в завтрашнем дне и время.
Патентное бюро оказалось для Эйнштейна идеальным местом работы. Его интересовали как практические, так и теоретические аспекты всего, что имело отношение к электричеству, – ведь его отец был инженером. Герман и его самый младший брат Якоб управляли электрогенерирующей компанией в Мюнхене. Как представители первого поколения предпринимателей, воспользовавшихся революцией Эдисона в электроэнергетике, они находились на переднем крае высоких технологий того времени и конкурировали с такими компаниями, как Siemens, за контракты на организацию освещения в небольших и крупных городах Европы. К сожалению, Герман и Якоб Эйнштейны не сумели получить контракт на организацию освещения центральной части Мюнхена, а потому дела у них шли не слишком хорошо. Но по крайней мере Герман Эйнштейн мог теперь не переживать за сына1.
Десять недель, которые потрясли мир
Обосновавшись в патентном бюро и располагая временем, Эйнштейн в конце концов приступил к работе над проблемами, о которых постоянно размышлял. Всего за 10 недель летом 1905 г. он написал пять работ, которые трансформировали представление людей о вселенной и изменили мир, в котором мы живем. Одна из них называлась «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». Это была работа, содержавшая, наверное, самую знаменитую из всех известных нам формул: e = mc2. Она закладывала теоретические основы для изучения потенциала ядерных реакций в атомной бомбе и для использования ядерных реакций в целях производства мирной энергии.
Другая работа называлась «Об эвристической точке зрения на генерирование и преобразование света». В этой работе, как писал Эйнштейн своему другу, «рассматривается излучение и энергетические свойства света, и она является поистине революционной». В ней Эйнштейн выдвинул гипотезу, что материя и излучение могут взаимодействовать только при помощи обмена отдельными «квантами» энергии. Он продемонстрировал, что эта гипотеза объясняет целый ряд явлений, в том числе то, что в его лексиконе называлось «фотоэлектрическим эффектом»2.
Эта работа стала теоретической основой сегодняшней быстрорастущей индустрии фотоэлектрических преобразователей, индустрии, которую многие считают будущим возобновляемых источников энергии. Значимость данной работы лаконично подчеркнул более чем столетие спустя один из ведущих технологов этой индустрии.
«Эйнштейн, – сказал он, – объяснил все»3.
Солнечные батареи
Сегодня ни одна другая составляющая индустрии возобновляемых источников энергии не представляет такой интерес для ученых, как солнечная энергетика, в частности фотоэлементы, которые также называют солнечными батареями.
Во многом солнечные батареи олицетворяют идеал возобновляемой энергетики. Солнечный свет – это ресурс, имеющийся в изобилии. После изготовления солнечных батарей сложные промышленные установки для их эксплуатации не требуются. Солнечные батареи – базовая система, которая может располагаться на крыше дома, – устанавливаются за считаные часы. Для них не требуются линии электропередачи. Они просто преобразуют солнечный свет в электричество.
Сам процесс преобразования чем-то напоминает работу средневековых алхимиков по превращению обычных металлов в золото. Однако в отличие от магии средневековых колдунов эта современная алхимия реальна: свет проникает в материал, и появляется электричество. Это – фундаментальная физика, великое открытие Эйнштейна.
Рынок фотоэлементов, хотя и существенно вырос с середины 2000-х гг., по-прежнему гораздо меньше рынка ветрогенераторов. Однако ни на что иное в индустрии возобновляемых источников энергии не возлагаются такие большие надежды, как на возможность непосредственного использования энергии солнца, особенно на фотоэлементы. И не случайно – это позволяет не ждать сотни миллионов лет, за которые органические вещества превращаются в ископаемое топливо.
Многие уверены, что солнечная энергия, как выразился министр энергетики США Эрнест Мониц, в конечном итоге станет «самым высоким шестом палатки», основным источником электроэнергии. Но когда? И трансформируют ли фундаментальным образом фотоэлектрические преобразователи нашу электроэнергетическую систему? Превратится ли сеть электростанций и линий электропередачи в систему, где каждый дом и административное здание будет мини-электростанцией, вырабатывающей электричество без угля, природного газа, атомной энергии и даже энергии ветра? Или же распространение получат электростанции нового типа, где электроэнергия производится при помощи солнечных батарей?4
Каким бы ни был путь, одним из препятствий являются масштабы. Чтобы солнечная энергетика стала масштабной, т. е. чтобы солнечные батареи появились на крышах большинства домов в мире, необходимо существенно снизить стоимость. А это требует инноваций. Стоимость, конечно, уменьшается, но пока она все еще выше, чем стоимость энергии из других источников. Массовое производство пока еще не снизило стоимость до уровня, который делает возможными реальные масштабы.
Фотоэлементы конкурентоспособны там, где отсутствует инфраструктура передачи электроэнергии, например в космосе или в затерянных в джунглях поселениях, а также могут быть конкурентоспособны в условиях высоких цен на электроэнергию. В противном случае они нуждаются в значительной поддержке со стороны государства и дотациях, поскольку их энергия во много раз превышает стоимость электроэнергии, генерируемой традиционным образом. Вся индустрия сосредоточена на одной цели – дальнейшее снижение стоимости.
Тщательное исследование
Ученые и инженеры наблюдали фотоэлектрический эффект, т. е. появление электрического заряда под действием света при определенных условиях, задолго до того, как Эйнштейн написал свою знаменитую работу, но они не могли объяснить его. Ряд ученых и инженеров, работая с таким химическим элементом, как селен, получали электрический ток при воздействии солнечного света и даже света свечи. Вернер Сименс, основатель компании Siemens, заявил, что «прямое преобразование энергии света в электрическую энергию является совершенно новым физическим явлением», которое требует «тщательного исследования». Объяснить, почему это происходит, смог только Эйнштейн5. Свет, писал он в своей работе, посвященной фотоэлектрическому эффекту, состоит из крошечных частиц, квантов (или фотонов), которые перемещаются со скоростью 300 000 км в секунду и являются неделимыми.
