Ознакомительная версия.
Человечество умело пользоваться разнообразными источниками энергии и до промышленной революции. Люди жгли дерево, чтобы плавить металл, обогревать дома и печь хлеб. Парусные суда эксплуатировали силу ветра, чтобы плыть к далеким берегам, водяные мельницы перехватывали течение реки и заставляли его молоть зерно. Но у таких источников есть очевидные ограничения и изъяны. Не всюду растут деревья, ветер дует, когда ему вздумается, а не когда тебе нужно, от реки польза только тем, кто живет на берегу. Еще большую проблему представляло неумение превращать один вид энергии в другой. Люди могли «оседлать» движение ветра и воды, заставить его двигать корабли и жернова, но с помощью этой энергии не получалось подогревать воду или плавить железо. И наоборот, тепловую энергию горящего дерева люди не умели направить на движение жернова. Человек располагал только одной машиной, способной к превращению энергии, — собственным телом. В естественном процессе метаболизма организмы людей и животных сжигают органическое топливо — пищу — и превращают высвобожденную энергию в мышечное движение. Люди и животные могли есть пшеницу и мясо, сжигать находящиеся в их составе углеводороды и жиры и использовать энергию, чтобы тащить повозку или пахать поле. А поскольку тела людей и животных были единственными устройствами, способными превращать энергию, практически любая человеческая деятельность зависела от мускульной силы. Человеческие мускулы строили дома и сколачивали повозки, мышцы быка пахали поле, мышцы коня перевозили товары. Энергия, которой питались эти органические мускульные машины, происходила из одного-единственного источника — из растений. Растения же получают энергию от Солнца. В процессе фотосинтеза они накапливают солнечную энергию и «складируют» ее в органических соединениях. На протяжении почти всей истории все, что люди делали, они совершали за счет солнечной энергии, накопленной растениями и конвертированной в мускульную. Соответственно, человеческая история подчинялась двум природным циклам: жизненному циклу растений и циклу солнечной энергии (день-ночь, зима-лето). Когда солнечного света недоставало и пшеница еще только зеленела, у людей было мало энергии. Амбары почти пусты, сборщики налогов уже выжали все, что могли, солдаты еле шевелятся, так что не до сражений, и цари соблюдают мир. Когда же солнце пригревало и созревала пшеница, крестьяне собирали урожай и наполняли амбары. Являлись за податью сборщики налогов. Солдаты принимались упражняться и точить мечи. Цари собирали советы и планировали походы. Все наполнялись энергией Солнца, полученной из пшеницы, риса или картофеля.
СЕКРЕТ РОДОМ С КУХНИ
Все эти долгие тысячелетия люди ежедневно видели ключ к величайшему открытию в области получения и превращения энергии — но не замечали его. А он был у них перед самым носом: каждый раз, когда хозяйка или слуга ставили на огонь чайник или горшок с картошкой, как только вода закипала, крышка чайника или горшка начинала прыгать. Тепло превращалось в движение. Но эти скачущие крышки казались лишь досадной помехой, особенно если забыть горшок на плите: вода выкипит. Быть может, неведомая миру служанка, оттирая плиту, восклицала: «Будь этот горшок побольше, он бы и карету с места сдвинул!» Но кто же слушает слова глупой служанки — да и у нее самой полно дел, некогда о локомотивах думать. Первый опыт превращения тепловой энергии в движение — изобретение пороха в Китае в IX веке. Поначалу идея использовать порох для придачи ускорения снаряду никому и в голову не приходила, настолько это выглядело противоестественно. Столетиями порох использовался для забавы, в петардах. Но в конце концов — может, после того как некий специалист по петардам принялся дробить порох в ступе и при взрыве ему в лицо полетел пестик — появилось и огнестрельное оружие. От изобретения пороха до развития эффективной артиллерии прошло примерно 600 лет. Но и тогда идея превратить тепло в движение казалась столь нелепой, что понадобилось еще 300 лет, чтобы люди придумали очередную машину, которая использовала тепло, чтобы приводить в движение механизмы. Новая технология зародилась на угольных шахтах Великобритании. По мере того как население острова росло, леса вырубали для «отопления» развивающейся экономики и освобождения места для домов и полей. Дров стало не хватать, вместо них научились использовать уголь. Многие угольные пласты находятся в заболоченных районах. Шахты заливало, и шахтеры не могли добраться до нижнего уровня. Эта проблема требовала решения, и около 1700 года оно было найдено: из британских шахт донесся неведомый прежде гул. Этот далекий гул стал предвестием промышленной революции: поначалу глухой, он становился с каждым десятилетием все громче, пока мир не погрузился в оглушительную какофонию, — гул паровых двигателей. Существует много разновидностей паровых двигателей, но принцип у них один: сжигаемое топливо (например, уголь) выделяет тепло, за счет этого тепла доводится до кипения вода, и появляется пар. Пар, расширяясь, давит на клапан. Клапан сдвигается с места и заодно двигает все, что с ним соединено. Так тепло преображается в движение. В XVIII века английские инженеры подсоединили к клапану помпу, которая откачивала воду со дна шахты. Первые паровые двигатели были чудовищно неэффективными. Приходилось жечь горы угля, чтобы откачать хоть немного воды. Но угля в шахте полным-полно, а потому всех всё устраивало. В следующие десятилетия английские предприниматели добились усовершенствования двигателя: извлекли его из шахты и подсоединили к ткацкому станку. Это преобразило текстильную отрасль, обеспечив возможность в огромных количествах производить дешевые ткани. В мгновение ока Англия сделалась главной мастерской мира. Но важнее другое: с выходом парового двигателя из шахты на поверхность рухнул психологический барьер. Если, сжигая уголь, удается привести в движение челнок, то ведь так можно привести в движение все, что угодно? Транспорт, например? В 1825 году английский инженер подсоединил паровой двигатель к цепочке груженных углем вагонов. Паровоз протащил вагоны по рельсам почти 20 километров от шахты до ближайшего порта. Это был первый в истории поезд. Но если пар везет уголь, то повезет и другие товары. А почему не людей? 15 сентября 1830 года открылась первая коммерческая железная дорога из Ливерпуля в Манчестер. Поезда влекла та же сила пара, которая прежде откачивала воду и толкала челнок. Не прошло и двадцати лет, а протяженность железных дорог в Британии насчитывала уже многие десятки тысяч километров. Машины, двигатели, способные превращать один вид энергии в другой, завладели умами. Оказывается, любой вид энергии где бы то ни было можно использовать для наших нужд, если придумать правильный механизм извлечения и конвертации энергии. Например, когда физики поняли, сколь невероятное количество энергии заключено в атоме, они тут же задались вопросом, как высвободить эту энергию и как ее использовать, чтобы получать электричество, управлять подводными лодками и стирать с лица земли города. С той поры, как китайские алхимики изобрели порох, и до того, как турецкие пушки обратили в прах стены Константинополя, прошло целых 600 лет — и всего сорок лет от доказательства Эйнштейном возможности превращения любой массы в энергию (именно это подразумевает формула Е=тс2) до взрыва атомных бомб, уничтоживших Хиросиму и Нагасаки. Вскоре атомные электростанции стали появляться по всему земному шару. Еще одно важнейшее открытие — двигатель внутреннего сгорания, который на глазах одного поколения полностью преобразил способы перемещения и транспортировки и сделал нефть жидкой формой политической власти. Нефть люди открыли давным-давно — они пропитывали ею кровлю от дождя и сказывали оси телег, но других применений у нее еще сто с небольшим лет назад не было. Проливать за нефть кровь никому бы и в голову не пришло. Люди сражались за землю, золото, пряности или рабов — но ради нефти? С какой стати? Но еще более удивительную карьеру сделало электричество. Двести лет назад оно не играло никакой роли в экономике и использовалось разве что в мудреных научных экспериментах да в магических фокусах. Теперь же ряд изобретений превратил электричество в того самого джинна, который появляется из старой лампы. Стоит щелкнуть пальцами — и джинн летит на край света выполнять любое наше желание. Он печатает книги и шьет одежду, не дает портиться овощам и таять мороженому, готовит нам обед и казнит преступников, записывает наши мысли, фотографирует улыбки, освещает наши ночи и развлекает бесконечными телешоу. Мало кто из нас способен объяснить, как электричество выполняет все эти задачи, и уж точно никто не способен вообразить жизнь без него.
ОКЕАН ЭНЕРГИИ
По сути промышленная революция была революцией конвертация энергии. Она открыла нам, что пределов количеству доступной нам энергии нет. Вернее, существует единственное ограничение — наше невежество. Каждые 30-40 лет мы находим новые источники энергии — таким образом, общие запасы энергии только растут. Почему же люди боятся, что энергия закончится? Откуда эти грозные пророчества о неминуемой гибели по исчерпании ископаемого топлива? Ведь в мире предостаточно энергии. Не хватает знаний, чтобы овладеть ею и обратить нам на пользу. Энергия всего ископаемого топлива Земли ничтожна по сравнению с той, которую Солнце расточает ежедневно и даром. Лишь малая доля солнечной энергии достигает Земли, но эта малая доля составляет за год 3 766 800 эксаджоулей (джоуль — метрическая единица энергии; примерно столько требуется, чтобы поднять небольшое яблоко примерно на метр, а эксаджоуль — миллиард миллиардов джоулей, в общем, много яблок можно перетаскать). Все растения мира улавливают в процессе фотосинтеза лишь 3000 солнечных эксаджоулей. Вся человеческая деятельность, в том числе производство, поглощает в год около 500 эксаджоулей — столько Земля получает от Солнца за полтора часа. И это лишь солнечная энергия, а нас окружают и другие мощные источники энергии: существует атомная энергия и энергия гравитации — наглядно она проявляется, например, в морских приливах, вызванных притяжением Луны. До промышленной революции практически всю энергию мы получали от растений. Люди жили бок о бок с зеленым резервуаром энергии, накапливавшим по 3000 эксаджоулей в год, и старались выжать из него как можно больше. Но предел возможного был вполне очевиден. Промышленная революция открыла нам глаза: вокруг бушующий океан энергии, миллиарды и миллиарды миллиардов эксаджоулей. Просто нужно придумать насос получше, чтобы ее выкачать. Способность эффективно конвертировать энергию устранила другую проблему, замедлявшую экономический рост: недостаток сырья. Когда люди сумели овладеть большим количеством дешевой энергии, они добрались до недоступных прежде источников сырья (например, стали добывать железо в недрах Сибири), смогли поставлять сырье из дальних стран (например, австралийскую шерсть на английские ткацкие фабрики). Одновременно научные открытия одарили человечество совершенно новым сырьем — например, пластиком — и обнаружили неведомые или не использовавшиеся раньше природные материалы, такие как кремний и алюминий. Химики открыли алюминий лишь в 1820-х, но выделить его из руды оказалось очень трудно и дорого. Поэтому алюминий был крайне редок и ценился на первых порах дороже золота. В 1860-х годах французский император Наполеон III велел подавать алюминиевые приборы лишь самым почетным гостям, остальным пришлось обходиться золотыми. Но под конец XIX века химики придумали способ извлекать алюминий в больших количествах и дешево. Ныне его добывается в мире по 30 миллионов тонн в год. Наполеон III был бы потрясен, доведись ему увидеть, как потомки заворачивают в алюминиевую фольгу бутерброды. Две тысячи лет назад жители Средиземноморья смазывали кожу, чтобы не сохла, оливковым маслом. Ныне нам требуется крем. Вот список ингредиентов самого простого современного крема для рук: дистиллированная вода, стеариновая кислота, глицерин, ка- прилик/каприктриглицерид, пропиленгликолЬу изопропилмири- стату экстракт корня женьшеня, отдушки, цетиловый спирт, триэтаноламин, диметикон, экстракт листа толокнянки, ас- корбилфосфат магния, имидазолидинил-мочевина, метилпа- рабен, камфора, пропилпарабен, гидроксиизогексил-3-циклогек- сенкарбальдегид, гидроксицитронеллаль, линалоол, бутилфенил метилпроплонал, цитроннелол, лимонен, гераниол. Почти все элементы в его составе были изобретены или обнаружены в последние двести лет. В Первую мировую войну Германия оказалась в блокаде, ей отчаянно не хватало сырья, в особенности селитры, без которой невозможно изготовить порох и другую взрывчатку. Основные месторождения селитры находятся в Индии и Китае, в Германии ее вовсе нет. Селитру можно заменить аммиаком, но его производство обходилось слишком дорого. Однако немцам повезло: их земляк, еврейский химик Фриц Габер, изобрел в 1908 году способ получать аммиак буквально из воздуха. Когда началась война, немцы использовали открытие Габера и наладили промышленное производство взрывчатых веществ, используя воздух в качестве сырья. Многие историки считают, что лишь благодаря открытию Габера Германия продержалась в войне до ноября 1918 года. Это открытие принесло Габеру (он, кстати, еще и первым додумался использовать на фронте отравляющие газы) Нобелевскую премию 1918 года. Хорошо хоть в области химии, а не премию мира.
Ознакомительная версия.
