Издательства «КоЛибри» и «Азбука-Аттикус» представляют книгу канадского ученого Вацлава Смила «Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого» (перевод Юрия Гольдберга).
Наша сегодняшняя жизнь перенасыщена информацией, однако большинство людей всё же не знают, как на самом деле устроен наш мир. Эта книга освещает основные темы, связанные с обеспечением нашего выживания и благополучия: энергия, производство продуктов питания, важнейшие долговечные материалы, глобализация, оценка рисков, окружающая среда и будущее человека. Поиск эффективного решения проблем требует изучения фактов: мы узнаем, например, что глобализация не была неизбежной и что наше общество всё сильнее зависит от ископаемого топлива, поэтому любые обещания декарбонизации к 2050 году — не более чем сказка. Что на каждый выращенный в теплице томат требуется энергия, эквивалентная пяти столовым ложкам дизельного топлива, и что мы не знаем таких способов массового производства стали, цемента и пластика, которые не оставляли бы гигантский углеродный след.
Кроме этого, эколог и политолог Вацлав Смил, знаменитый своими работами о связи энергетики с экологией, демографией и реальной политикой, а также виртуозным умением обращаться с большими массивами статистических данных, ищет ответ на самый главный вопрос нашего времени: обречено ли человечество на гибель или нас ждет счастливый новый мир?
Убедительная, изобилующая данными, нестандартная, отличающаяся широким междисциплинарным взглядом, эта книга отвергает обе крайности. Количественный взгляд на мир открывает истины, которые меняют наше отношение к прошлому, настоящему и неопределенному грядущему.
Предлагаем прочитать фрагмент книги.
Конечно, ежегодное потребление того или иного материала не является лучшим индикатором его незаменимости, но в данном случае вывод однозначен: несмотря на всю важность и революционность изменений в электронике после 1950-х гг., кремний не является незаменимой материальной основой современной цивилизации. Любая градация материалов по степени их значимости не является бесспорной, но я могу предложить обоснованную классификацию, которая учитывает их незаменимость, степень распространения и объем спроса. На этой комбинированной шкале первые места занимают четыре материала, и я называю их четырьмя столпами современной цивилизации: цемент, сталь, пластик и аммиак.
По своим физическим и химическим свойствам, а также функциям эти материалы значительно отличаются друг от друга. Но, несмотря на разницу в характеристиках и применении, у них есть важное общее свойство: они незаменимы для функционирования современных обществ. Они требуются в большем (и постоянно растущем) количестве, чем любые другие ресурсы. В 2019 г. во всем мире израсходовали 4,5 миллиарда тонн цемента, 1,8 миллиарда тонн стали, 370 миллионов тонн пластика и 150 миллионов тонн аммиака, которые невозможно заменить другими материалами — по крайней мере, в ближайшем будущем или в мировом масштабе.
Как отмечалось в главе 2, только полная переработка (что невозможно) всех отходов жизнедеятельности пастбищных животных в совокупности с почти идеальной утилизацией остальных источников органического азота способны обеспечить объем этого вещества, ежегодно вносимый в почву в виде удобрений на основе аммиака. В то же время у нас нет материалов, способных конкурировать со многими видами пластика по сочетанию пластичности, долговечности и небольшого веса. Аналогичным образом даже если бы мы могли произвести эквивалентное количество строительного леса или камня, то по прочности, универсальности и долговечности они не могли бы соперничать с армированным бетоном. Мы могли бы строить пирамиды и соборы, но не длинные арочные мосты, гигантские плотины гидроэлектростанций, многополосные шоссе или взлетно-посадочные полосы аэропортов. А сталь используется буквально везде и до такой степени незаменима, что определяет нашу способность вырабатывать энергию, производить продукты питания, строить дома, а также обеспечивать масштаб и качество важной инфраструктуры: с ней не сравнится ни один металл.
Другая общая характеристика этих четырех материалов особенно важна, если мы задумываемся о безуглеродном будущем: их массовое производство в значительной степени зависит от сжигания ископаемого топлива, а часть этого топлива также является сырьем для синтеза аммиака и для производства пластика. Плавка железной руды в доменных печах требует кокса, который получают из угля (с помощью природного газа); источником энергии для производства цемента служит в основном угольная пыль, нефтяной кокс и тяжелое нефтяное топливо. Подавляющее большинство простых молекул, соединяющихся в длинные цепочки, из которых состоит пластик, получают из сырой нефти и природного газа. А в современном синтезе аммиака природный газ служит как источником водорода, так и источником энергии.
В результате на глобальное производство этих четырех незаменимых материалов приходится приблизительно 17 % мировых поставок первичной энергии, а сжигание ископаемого топлива при их производстве дает 25 % выбросов CO2, и в настоящее время не существует доступных и реализуемых в массовом масштабе альтернатив, способных заменить эти традиционные процессы. Существует много разных предложений и экспериментальных технологий для производства этих материалов без опоры на ископаемые углеводороды — от нового каталитического синтеза аммиака до выплавки стали на водородном топливе, — но ни одна из этих альтернатив еще не стала экономически выгодной, и, даже если мы будем агрессивно внедрять безуглеродные варианты, потребуются десятилетия, чтобы заменить существующие производственные мощности, которые производят сотни миллионов и миллиарды тонн этих материалов по приемлемым ценам.
Чтобы по-настоящему оценить значение этих материалов, я расскажу об их основных свойствах и функциях, кратко опишу историю технических достижений и эпохальных изобретений, которые сделали возможным их дешевое и массовое производство, а также приведу примеры огромного разнообразия их применения в современном мире. Начну я с аммиака — потому что без него невозможно прокормить растущее население земли — а затем перейду (в порядке возрастания мировых объемов производства) к пластику, стали и цементу.
Аммиак: газ, который кормит мир
Из этих четырех веществ именно аммиак заслуживает первого места в списке (несмотря на мою нелюбовь к классификации!) самых важных материалов. Как я уже объяснял в предыдущей главе, без его использования в качестве главного азотного удобрения (непосредственно или как сырья для синтеза других азотных соединений) было бы невозможно накормить от 40 до 50 % населения планеты, численность которого приближается к 8 миллиардам. Еще раз повторим: в 2020 г. почти 4 миллиарда человек не смогли бы выжить без синтетического аммиака. Подобных жизненно важных ограничений нет у пластика стали или цемента, необходимого для производства бетона (и, как уже отмечалось выше, у кремния).
Аммиак — это простое неорганическое соединение, состоящее из одного атома азота и трех атомов водорода (NH3), а это значит, что 82 % его массы приходится на водород. При атмосферном давлении это невидимый газ с характерным неприятным запахом несмытого туалета или разлагающегося навоза. В низких концентрациях он может вызвать головную боль, тошноту, рвоту; высокие концентрации вызывают раздражение слизистой оболочки глаз, носа, рта, горла и легких, а очень высокая концентрация может привести к мгновенной смерти. В отличие от аммиака, аммоний (NH4+, ион аммония), образующийся при растворении аммиака в воде, нетоксичен и не способен проникать через клеточные мембраны.
Синтезировать такую простую молекулу оказалось на удивление сложно. История изобретений изобилует случайными открытиями, и в этой главе о материалах будет уместен пример тефлона. В 1938 г. химик компании Kinetic Chemicals Рой Планкетт и его ассистент Джек Ребок синтезировали тетрафторэтилен в качестве нового охлаждающего вещества. Вскоре выяснилось, что закачанный в баллоны тетрафторэтилен при охлаждении полимеризовался, превратившись в политетрафторэтилен, белый порошок, напоминающий парафин. После Второй мировой войны тефлон стал одним из самых популярных синтетических материалов и, возможно, единственным вошедшим в политический жаргон (у нас был «тефлоновый» президент*, а « бакелитовых» не было — хотя «железная» леди всё же была).
Синтез аммиака из составляющих его веществ относится к противоположному классу открытий — лучшие специалисты шли к четко поставленной цели, пока она не была достигнута одним из упорных исследователей. В период с 1850 по 1900 г. население промышленно развитых стран Европы и Северной Америки выросло с 300 до 500 миллионов человек, и быстрая урбанизация способствовала изменению питания людей, когда скудный рацион, в котором преобладали зерновые, сменился более калорийным, содержащим больше продуктов животного происхождения и сахара. Урожайность не увеличилась, но изменения в рационе опирались на беспрецедентный рост площади пахотных земель: с 1850 по 1900 г. около 200 миллионов гектаров лугов в Северной и Южной Америке, России и Австралии были превращены в поля.
Развивающаяся агрономическая наука указывала на то, что в XX в. единственный способ прокормить растущее население — повысить урожайность, увеличив насыщение почвы азотом и фосфором, двумя ключевыми макроэлементами, необходимыми для растений. Добыча фосфатов (сначала в Северной Каролине, а затем во Флориде) и их обработка кислотами открыли надежный способ обеспечения сельского хозяйства фосфорными удобрениями. Но у человечества по-прежнему не было такого же надежного источника азота. Добыча гуано (разложившегося помета птиц с относительно высоким содержанием азота) на тропических островах быстро истощила самые богатые источники, а растущий импорт чилийских нитратов (в засушливых северных регионах страны имеются богатые месторождения азотнокислого натрия) не мог удовлетворить будущий мировой спрос.
Чтобы прокормить растущее население, человечество требовалось обеспечить достаточным количеством азота. Эту потребность ясно и понятно объяснил в 1898 г. физик и химик Уильям Крукс в своей речи на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки, посвященном так называемому хлебному вопросу. Он предупреждал, что «над всеми цивилизованными странами нависла угроза голода», и предлагал выход: на помощь придет наука, превратив практически неисчерпаемые запасы азота в атмосфере (в виде инертной молекулы N2) в соединения, которые усваиваются растениями. Он вполне обоснованно заключил, что эта задача «существенно отличается от других химических открытий, которые, если можно так выразиться, витают в воздухе, но еще не созрели. Связывание азота жизненно важно для прогресса цивилизованного человечества. Другие открытия направлены на наш интеллектуальный комфорт, роскошь или удобство; они делают нашу жизнь легче и богаче, экономят время, здоровье и нервы. Связывание азота — это вопрос не такого уж далекого будущего».
Предвидение Крукса реализовалось всего через 10 лет после его доклада. Синтезом аммиака из составляющих его элементов, азота и водорода, занимались многие чрезвычайно квалифицированные химики (в том числе Вильгельм Оствальд, лауреат Нобелевской премии по химии за 1909 г.), но первым в 1908 г. успеха добился Фриц Габер — в то время профессор физической химии и электрохимии в Техническом университете Карлсруэ, — который работал вместе с помощником, англичанином Робертом Ле Россильолем, при поддержке компании BASF, крупнейшей в Германии (и в мире) химической корпорации. В качестве катализатора (вещества, которое ускоряет течение химической реакции, но само в ней не участвует) он использовал железо, а сама реакция проходила под высоким давлением.
Не менее сложно оказалось развить успех эксперимента Габера до промышленных масштабов. Задача была решена всего за четыре года — под руководством Карла Боша, химика и металлурга, который пришел работать в BASF в 1899 г.
* Тефлоновый президент — прозвище Рональда Рейгана. — Примеч. ред.