Энергия старая

Проблемы истощения ресурсов и загрязнения окружающей среды имеют одно и то же решение — переработку (Здесь речь идет только о материальном загрязнении. Существуют другие виды загрязнения, которые невозможно переработать и которые будут рассмотрены ниже). Ресурсы — это то, что извлекается из окружающей среды, а загрязнитель — это то, что возвращается в окружающую среду в избытке по сравнению с тем, что может быть переработано благодаря естественным процессам. Люди должны ускорить процесс переработки для того, чтобы восстанавливать ресурсы так же быстро, как они потребляются, и устранять загрязнение настолько быстро, насколько быстро оно создается. Могут быть созданы ускоренные циклы и в некоторых случаях такие, которые не имеют места в природе.

Решение обеих проблем требует времени, труда и разработки новых технологий. Требуется еще одна вещь — энергия. Энергия требуется, чтобы вести разработку морского дна, чтобы добраться до Луны, чтобы сконцентрировать тонкое рассеяние элементов, или для того, чтобы построить из простых веществ сложные. Требуется энергия и для того, чтобы уничтожить нежелательные отходы, или обработать их до безвредного уровня, или удалить их. Сколь упорно и решительно, сколь новаторски мы ни научились бы трансформировать цикл для того, чтобы ресурсы продолжали поступать, а загрязнение бы исчезало, — это требует энергии.

В отличие от материальных ресурсов энергию нельзя использовать бесконечно: она не перерабатываема. В то время как энергию невозможно уничтожить, часть ее любого фиксированного количества, которая может быть преобразована в работу, неуклонно уменьшается в соответствии со вторым началом термодинамики. Поэтому у нас больше оснований волноваться об энергии, нежели о других ресурсах.

Короче, говорить об истощении ресурсов в целом, это значит говорить лишь о возможности истощения нашего энергетического запаса. Если у нас есть большой и непрерывный запас энергии, тогда мы можем использовать его для переработки наших материальных ресурсов, и мы ничего не истощим. Если у нас будет лишь скудный запас энергии или если запас истощится, то мы потеряем возможность манипулировать окружающей нас средой, а также утратим все другие ресурсы.

Каково же у нас положение с энергией?

Главный источник энергии здесь, на Земле — это радиация Солнца, в которой мы постоянно купаемся. Растительная жизнь преобразует энергию солнечного света в химическую энергию, сохраняемую в ее тканях. Животные, поедая растения, создают свои запасы химической энергии.

Солнечный свет преобразуется также в неживые формы энергии. Благодаря неравномерному нагреву Земли образуются течения в океане и в воздухе, подобная энергия иногда может быть сильно сконцентрирована, например, в ураганах и торнадо. Благодаря испарению океаном воды и затем ее конденсации в виде осадков на суше образуется энергия текущей воды.

Существуют также несолнечные, менее значительные источники энергии. Это

— внутреннее тепло Земли, которое дает о себе знать более или менее слабо в виде горячих источников и гейзеров и сильно — в виде землетрясений и извержений вулканов. Это — энергия вращения Земли, которая проявляется в приливах и отливах. Это — энергия радиации от других источников, помимо Солнца (звезд, космических лучей), и естественная радиоактивность таких элементов, как уран и торий, в земле.

Растения и животные в большинстве случаев используют в своих тканях запасы химической энергии, хотя даже простые формы жизни могут использовать и неживую энергию — так растения дают своей пыльце и семенам разлетаться по ветру.

То же самое и древние люди. Они использовали свою мускульную энергию, перенося ее и концентрируя с помощью орудий. Это, естественно, нельзя отвергнуть. Многое можно сделать с помощью колес, рычагов и клиньев, если даже за ними только человеческие мускулы. Пирамиды Египта были построены таким образом.

Даже до начала цивилизации люди научились использовать мускулы животных для того, чтобы дополнять свой труд. Это в ряде случаев было шагом вперед от использования силы рабов. Животные были более послушны, чем люди, и животные могли есть пищу, которую люди есть бы не стали, так что от них не было ущерба пищевому запасу. Наконец, энергия некоторых животных более концентрированна, и они могут применять ее с большей силой, чем человек.

Вероятно, наиболее успешно одомашненным животным с точки зрения скорости и силы была лошадь. До начала девятнадцатого века люди не могли передвигаться по земле быстрее, чем лошадь галопом; и сельское хозяйство такой страны, как Соединенные Штаты, зависело от количества и здоровья ее лошадей.

Люди использовали также неживые источники энергии. Товары можно было сплавлять на плотах, используя течение реки. Паруса с помощью ветра могли двигать корабль и против течения. Водные течения могли быть также использованы для вращения водяного колеса, а ветер — для вращения крыльев ветряной мельницы. В океанских портах корабли могли пользоваться приливами и отливами для отправки в море.

Все эти виды энергии были, однако, ограниченны. Они либо давали только определенное количество энергии, как делала лошадь, либо были подвержены бесконтрольным колебаниям, что можно отнести к ветру, либо были привязаны к определенному географическому месторасположению, как реки с быстрым течением.

Однако наступил поворотный момент, когда человек впервые использовал неживой источник, который был в его распоряжении в любом необходимом количестве, на любое необходимое время, который можно было переносить и полностью контролировать, — огонь.

Что касается огня, то никакие другие организмы, кроме гоминидов, не осуществили ни малейшего продвижения в направлении его использования. Это самая четкая разделительная линия между гоминидами и другими организмами. (Я сказал «гоминиды», потому что огонь впервые использовал не Homo sapiens. Существует определенное свидетельство, что огонь использовался в пещерах в Китае, в которых по крайней мере полмиллиона лет назад обитал очень древний вид Homo erectus.) Огонь естественным образом появляется тогда, когда в дерево бьет молния, и несомненно первое использование огня было только последующим явлением. Подбирали огонь от дерева, пораженного молнией, питали его деревом, не давали угаснуть. Потухший костер на стоянке приводил к серьезному неудобству, потому что надо было искать огонь, который послужил бы для зажигания нового костра, а если его было не найти, неудобство превращалось в катастрофу.

Вероятно, только к 7000 году до н. э. были открыты методы разжигания огня трением. Как к этому пришли, где и когда метод был впервые использован, неизвестно и, может быть, никогда и не будет известно, но по крайней мере мы знаем, что открытие было сделано Homo sapiens, потому что к этому времени (и задолго до этого времени) это был единственный гоминид.

Главным топливом для огня в древности и в средние века было дерево (Жиры, масла и воски животного происхождения использовались в лампах и в свечах, но их вклад был незначительным). Другие энергетические ресурсы не могут быть использованы быстрее, чем они обновляются. Люди и животные устают и должны отдыхать. У ветра и воды фиксированное количество энергии, и больше от них взять нельзя. Не так обстоит дело с деревом. Растительные формы постоянно растут и замещают себя, так что до определенного предела истребление дерева может быть приемлемым. Но дерево может быть использовано и в темпе, опережающем темп восстановления, и люди в этом случае запускают руку в запасы будущего.

Так как использование огня с ростом народонаселения и развитием все более передовой техники неуклонно возрастало, стали исчезать леса в непосредственной близости от центров цивилизации.

Возможности сберегать лес тоже не было, потому что каждое продвижение техники увеличивало потребность в энергии, а люди никогда не хотели отказываться от своих технических достижений. Так, плавка меди и олова требовала тепла, а это означало сжигание дерева.

Плавка железа потребовала еще больше тепла, но дерево не могло дать достаточно высокой температуры. Однако, если дерево сжигалось при малой циркуляции воздуха или вообще без его доступа, середина древесного штабеля обжигалась дочерна и превращалась в почти чистый уголь (древесный уголь). Этот древесный уголь горел медленнее, чем дерево, не давал буквально никакого света, но создавал гораздо более высокую температуру, чем горящее дерево. Древесный уголь сделал плавку железа практичной (снабдил его углеродом и сделал полезным). Однако производство древесного угля вело к большим древесным отходам.

Леса продолжали отступать под натиском цивилизации, но даже при этом еще полностью не исчезли. Около 10 миллиардов акров, или 30 процентов всей суши на Земле, составляют леса.

Конечно, в наши дни предпринимаются усилия, чтобы сохранить лес и использовать его лишь в тех пределах, в которых можно восстановить. Каждый год может быть заготовлен 1 процент нарастающей древесины, и это составляет около 2 миллиардов кубических метров дерева. Из этого количества почти половина еще используется как топливо, главным образом в менее развитых странах мира. Вероятно, сейчас дерева в виде топлива употребляется больше, чем когда население мира было намного меньше, чем сегодня. Леса, которые остаются, сохраняются в неизменном виде (что, между прочим, не совсем хорошо) лишь потому, что дерево не является основным топливом и энергетическим источником человечества.

Значительная часть дерева образовалась в очень древние периоды истории Земли и полностью не исчезла, а, будучи погребена в болотах, сохранилась в условиях, когда атомы всех элементов, кроме углерода, были удалены. Этот углерод оказался погребенным под осадочными породами и претерпел сильное сжатие. Большие его количества, являющиеся окаменелой древесиной, находятся под землей. Это не что иное, как каменный уголь, который представляет собой сохраненную химическим способом энергию, произведенную Солнцем за сотни миллионов лет.

Мировые запасы угля оцениваются примерно в 8 триллионов тонн. Если это так, то содержание углерода в земных запасах каменного угля в два раза больше, чем в ныне существующих организмах.

Уголь, по‑видимому, жгли в Китае уже в средние века. Марко Поло, который посетил двор Хубилай‑хана в тринадцатом веке, сообщал, что черные камни сжигались в качестве топлива, и именно после этого его стали жечь то тут, то там в Европе, впервые в Нидерландах.

Тем не менее в широких масштабах употребление угля началось в Англии. В пределах границ этого небольшого королевства сокращение лесов оказалось очень значительным. Стало проблемой не только отопление домов в этом далеко не таком уж солнечном климате, но и удовлетворение потребностей в топливе растущей промышленности страны, а, кроме того, еще существовал английский флот, от которого зависела безопасность нации.

К счастью для Англии, в северной части страны нашелся легко добываемый уголь. Собственно, именно в Англии было выходов угля на поверхность больше, чем в любом другом регионе сопоставимого размера. К 1660 году Англия добывала 2 миллиона тонн угля ежегодно, это свыше 80 процентов угля, добываемого тогда в мире, и это стало главным фактором сохранения ценных и все более скудных лесов. (В наши дни добыча угля в Великобритании составляет около 150 миллионов тонн в год, но это лишь 5 процентов мировой добычи.) Уголь был бы особенно полезен, если бы его можно было использовать для плавки железа, потому что заготовка древесного угля приносила много отходов, и плавка железа была главной причиной уничтожения лесов.

В 1603 году Хью Платт (1552‑1608) открыл способ нагревания каменного угля для избавления от побочных веществ, в результате получался почти чистый углерод, названный коксом. Кокс оказался замечательным заменителем древесного угля при выплавке железа.

В 1709 году английским металлургом Абрахамом Дерби (1678‑1717) был усовершенствован способ изготовления кокса, и сразу же уголь начал занимать свое истинное место в качестве основного источника энергии в мире. Именно уголь придал сил промышленной революции в Англии, потому что горящий уголь нагревал воду, которая превращалась в пар, двигающий паровые машины, которые вращали колеса фабрик, локомотивов и пароходов. Именно уголь Рурского бассейна, Аппалачей, Донецкого бассейна сделал возможной индустриализацию, соответственно, Германии, Соединенных Штатов и Советского Союза.

Дерево и уголь — это твердое топливо, но существует также топливо жидкое и газообразное. Растительные масла могли быть использованы как жидкое горючее в лампах, а дерево при нагревании выделяло легковоспламеняемые пары. Собственно, именно сочетание этих паров в воздухе создает пляску пламени. Твердое топливо, которое не производит паров, как, например, древесный уголь и кокс, — просто тлеет.

Однако только в восемнадцатом веке научились производить и сохранять горючие газы. В 1766 году английский химик Генри Кавендиш (1731‑1810) получил и изучил водород, который он назвал «огневым газом» за его легкую воспламеняемость. Водород при горении дает значительно большее количество тепла, чем уголь, — 250 калорий на грамм по сравнению с 62 калориями для лучших сортов угля.

Недостатком водорода является то, что он горит слишком быстро, а если его перед зажиганием смешать с кислородом, то достаточно поднести искру, и он взрывается со страшной силой. Слишком возможно и его случайное смешивание.

Однако, если обычные сорта угля нагреваются без доступа воздуха, то выделяются легковоспламеняющиеся пары. Это «угольный газ», он только наполовину состоит из водорода. Вторая его половина — это углеводород и окись углерода, смесь эта в целом горюча, но уже не столь взрывоопасна.

В 1800 году шотландский изобретатель Уильям Мер‑док (1754‑1839) использовал струи горящего угольного газа для освещения своего дома доказывая, что его взрывоопасность низка. В 1803 году он использовал газовое освещение на своей фабрике, а в 1807 году газом стали освещать улицы Лондона.

В то же время в горах обнаруживали просачивающийся из недр маслянистый, легковоспламеняющийся материал, впоследствии его стали называть английским словом «петролеум» (от латинских слов «каменное масло»), потом и еще более употребительным словом — просто oil, или нефть. Как уголь является продуктом лесов минувших эпох, так и нефть — продукт одноклеточной морской жизни прошлых эпох.

Древним были известны довольно близкие к нефти по составу, выходившие на поверхность, но твердые материалы. Они назывались «битумом» или «варом» и применялись в качестве водонепроницаемой пропитки. Арабы и персы хорошо знали о воспламеняемости их жидких частей.

В девятнадцатом веке велись поиски газов или легко испаряющихся жидкостей, чтобы лучше удовлетворять потребности освещения, вместо используемых тогда угольного газа и китового жира. Нефть оказалась подходящим веществом, ее можно было перегонять, и жидкая ее часть — «керосин» — была идеальна для ламп. Единственно, что было необходимо, это

— большие запасы нефти.

В Титусвилле, штат Пенсильвания, имелись выходы нефти на поверхность, ее собирали и продавали как патентованное лекарство. Железнодорожный кондуктор Эдвин Лаурентин Дрейк (1819‑1880) сделал вывод, что под землей имеется большой запас нефти, и предпринял бурение. В 1859 году он успешно создал первую продуктивную скважину, после чего бурение стали производить повсюду, и родилась современная нефтяная промышленность.

С тех пор из земли с каждым годом добывалось все больше и больше нефти. Появление автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, который работал на бензине (жидкой фракции нефти, которая испаряется еще легче, чем керосин), придало колоссальное ускорение промышленности и заставило еще больше увеличивать добычу нефти. Существуют также газообразные фракции нефти, главным образом метан (с молекулами, состоящими из одного атома углерода и четырех атомов водорода), называемый еще «природный газ».

С началом двадцатого века потребление нефти стало заметно обгонять потребление угля, а после Второй мировой войны она стала главным топливом промышленности во всем мире. Таким образом, уголь, обеспечивавший до Второй мировой войны 80 процентов энергетических потребностей Европы, в 70‑е годы обеспечивал только 25 процентов этих потребностей. Мировое потребление нефти более чем учетверилось со времени Второй мировой войны и сейчас составляет около 60 миллионов баррелей в день (Баррель — примерно 160 литров. Все данные в книге даны на момент ее написания).

Общее количество нефти, добытой в мире со времени открытия первой нефтяной скважины Дрейка, составляет около 350 миллиардов баррелей, причем половина этого количества использована за последние двадцать лет. Общий запас нефти, еще остающейся в земле, оценивается в 660 миллиардов баррелей, и при нынешних темпах потребления ее хватит только на тридцать три года.

Это серьезная проблема. Нефть — это наиболее удобное топливо, и количество ее в наличии таково, какого люди никогда еще прежде не находили. Ее легко добыть, легко транспортировать, легко очищать, легко использовать — и не только ради получения энергии, но и как источник разнообразных синтетических материалов — краски, лекарства, синтетическое волокно, пластмасса. Именно благодаря нефти индустриализация распространяется по миру огромными темпами.

Переключение с нефти на другой энергетический источник причинит огромные неудобства и потребует больших капитальных затрат, хотя это безусловно придется когда‑нибудь делать. При этом неуклонно растущий темп потребления нефти и перспектива неизбежного падения производства при ее недостатке поднимают цену на нефть до небес. В 70‑е годы это существенно лихорадит мировую экономику. К 90‑м годам производство нефти, вероятно, упадет ниже потребностей, и если другие энергетические источники не закроют брешь, мир столкнется с нехваткой энергии (Открытие к этому времени новых месторождений нефти как на суше, так и на континентальном шельфе, открытие месторождений природного газа ныне в значительной степени смягчили эту проблему). Все опасности истощения ресурсов и загрязнения воды и воздуха обострятся, именно энергетический голод в домах, на фабриках и на фермах приведет к недостатку тепла, товаров и даже пищи.

В этом случае представляется неуместным опасаться катастроф Вселенной, Солнца, Земли; не стоит опасаться черных дыр и внеземных вторжений. Вместо этого не должны ли мы на протяжении жизни нынешнего поколения подумать о том, что запас доступной энергии, который неуклонно рос на протяжении всей истории человечества, наконец пройдет свой пик и начнет падать, и не погубит ли это человеческую цивилизацию, не вызовет ли отчаянную атомную войну за последние крохи, и на том закончится всякая надежда на выздоровление человечества?

Это катастрофа, с которой мы столкнемся скорее, чем с любой другой, которые я рассматривал выше.