Энергия и цивилизация - Вацлав Смил Страница 3

Рисунок 1.2. Шимпанзе (Pan troglodytes) в Габоне использует инструменты, чтобы вскрывать орехи (Corbis)

Инструменты дали нам механические преимущества в добывании пищи, создании убежища и одежды. Овладение огнем помогло освоить ранее недоступные территории и еще больше отделило нас от животных. Появление новых инструментов привело к приручению животных, к созданию более сложных, движимых мускульной силой машин и к тому, что мы научились превращать крошечную долю кинетической энергии ветра и воды в движение. Эти первичные движители увеличили силу в распоряжении человека, но долгое время их использование было ограничено природой и мощностью освоенных потоков энергии. Хорошим примером здесь служит случай с парусом, древним и эффективным средством передвижения, чьи возможности на протяжении тысячелетий зависели от превалирующих ветров и течений. Именно эта особенность позволила европейцам в конце пятнадцатого века добраться до Карибских островов и помешала испанцам открыть Гавайи, несмотря на то, что торговые корабли под флагом Испании, так называемые Манильские галеоны (Galeon de Manila) раз или два в год пересекали Тихий океан из Акапулько (Мексика) на Филиппины 250 лет подряд между 1565-м и 1815-м годами (Schurz 1939).

Контролируемое сгорание в очагах, печах и топках превращало химическую энергию растений в термальную. Тепло использовалось в домашних хозяйствах, а также для плавки металлов, обжига кирпичей, для обработки самых разных продуктов. Открытие ископаемого топлива сделало все традиционные способы использования тепла более широко распространенными и более эффективными. Набор фундаментальных изобретений дал возможность конвертировать термальную энергию от сгорания ископаемого топлива в механическую. Впервые это было сделано в паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания, позже к ним добавились газовые турбины и ракеты. Мы получали энергию, сжигая ископаемое топливо, используя кинетическую энергию воды (как минимум с 1882 года), а также атомный распад одного из изотопов урана (с 1956-го).

Сжигание ископаемого топлива и генерация энергии привели к возникновению новой формы высокоэнергетичной цивилизации, которая распространилась по всей планете, охватила ее целиком. В число базовых источников энергии этой цивилизации в данный момент входят (их доля мала, но постоянно растет) новые возобновляемые виды, такие как солнечная энергия (получаемая с помощью фотоэлементов на солнечных электростанциях) и энергия ветра (тут используются большие ветровые турбины). В свою очередь, освоение новых источников стало возможным только благодаря комплексу других усовершенствований. Используя аналогию с трубопроводом, можно сказать, что вентили должны быть установлены и затем открыты в правильной последовательности, чтобы поток человеческой изобретательности потек в нужном направлении.

Наиболее важный «вентиль», относящийся к освобождению большого энергетического потенциала, подразумевает необходимые образовательные возможности, предсказуемые законодательные основания, прозрачные экономические правила, адекватную доступность капитала и условия, благоприятные для базовых исследований. Ничего удивительного, что обычно требуются поколения для того, чтобы получить увеличение или качественное улучшение потоков энергии, или для того, чтобы в значительном масштабе освоить использование нового источника энергии. Сроки разработки, общий объем энергии и характеристики энергетических потоков исключительно трудно предсказать, и на ранних фазах процесса перехода невозможно оценить все конечные воздействия, которые изменения первичных движителей и топливной базы окажут на сельское хозяйство, промышленность, транспорт, устройство поселений, военное дело и окружающую среду. Количественные подсчеты являются сущностно важными для оценки ограничений наших действий и размаха наших достижений, и они требуют знания базовых научных концепций и измерений.

Под всеми энергетическими трансформациями лежит несколько базовых принципов. Любая форма энергии может быть превращена в тепло или термальную энергию. Никакая энергия ни при каких условиях не теряется при этих превращениях. Сохранение энергии, первый закон термодинамики – один из наиболее фундаментальных принципов, на которых держится реальность. Но по мере того как мы движемся по цепям преобразований, потенциал полезной работы постоянно уменьшается (примечание 1.2). Этот непреодолимый факт определяет второй закон термодинамики, и энтропия есть мера потери полезной энергии. В то время как общий объем энергии во вселенной остается неизменным, превращения энергии увеличивают энтропию (одновременно уменьшая полезность энергии). Корзина с зерном или цистерна сырой нефти – низкоэнтропийный запас энергии, который при проращивании или сжигании способен совершить много полезной работы, но заканчивается все случайным движением слега нагретых молекул воздуха, необратимым высокоэнтропийным состоянием, неизбежной потерей полезности.

Такое одностороннее энтропийное шоссе ведет к потере сложности, к увеличению беспорядка и гомогенности в любой замкнутой системе. Но все живые организмы, от крохотной бактерии до глобальной цивилизации, временно игнорируют этот принцип, импортируя и метаболизируя энергию. Любой живой организм должен быть открытой системой, в которой имеется постоянный приток и отток энергии и материи. Пока эти системы живые, они не могут находиться в состоянии химического и термодинамического равновесия (Prigogine 1947, 1961; von Bertalanffy 1968; Haynie 2001). Их отрицательная энтропия – рост, обновление и эволюция – приводит к увеличению гетерогенности, повышает структурную и системную сложность. Как и в случае со многими другими научными открытиями, связное понимание этих процессов пришло только в девятнадцатом веке, когда быстро развивающиеся физика, химия и биология начали активно изучать трансформации энергии (Atwater and Langworthy 1897; Cardwell 1971; Lindsay 1975; Muller 2007; Oliveira 2014; Vorvoglis 2014).

Примечание 1.2. Уменьшение полезности превращенной энергии

Любое превращение энергии иллюстрирует этот принцип.

Если американский читатель использует электрическое освещение для того, чтобы прочесть эту страницу, то электромагнитная энергия света составляет только крохотную часть химической энергии, которая содержалась в куске угля, сожженном для получения электричества (в 2015 году уголь использовался для производства 33 % электроэнергии в США). По меньшей мере 60 % энергии угля теряется в виде тепла через трубы электростанции и через охлаждающие контуры, а если читатель использует старые добрые лампы накаливания, тогда более 95 % добравшейся до лампы энергии рассеивается в виде тепла, порожденного раскаленной нитью внутри лампочки, поскольку металл нити сопротивляется прохождению тока. Свет, достигающий страницы, частично поглощается ею, частично отражается, частично снова превращается в тепло. Изначальный низкоэнтропийный кусок угля превращается в высокоэнтропийное тепло, которое нагревает воздух над электростанцией, вокруг проводов, вокруг лампочки, и даже слегка – над страницей. Никакая часть энергии не теряется, но ее форма, обладающая высокой полезностью, изменяется до такой степени, что теряет любое практическое значение.