Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого бесплатное чтение

Вацлав Смил
Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого

Vaclav Smil

How the World Really Works. A Scientist’s Guide to Our Past, Present and Future

Оригинальное издание на английском языке впервые опубликовано изд-вом Penguin Books Ltd, Лондон.

© Vaclav Smil, 2022

© Гольдберг Ю. Я., перевод на русский язык, 2022

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа „Азбука-Аттикус“», 2022

КоЛибри®

* * *

Обнадеживающее чтение от автора, столь невосприимчивого к риторической моде и отстаивающего неопределенность…

The New York Times

Квинтэссенция научных знаний о нашей жизни… Смил заглядывает за горизонты будущего со спокойствием и смирением, предвидя сочетание прогресса и неудач, кажущихся непреодолимыми трудностей и почти чудесных достижений.

Wall Street Journal

Известный ученый стремится показать приоритет материалов, а не электронных потоков данных, изучая то, что он называет четырьмя столпами современной цивилизации: цемент, сталь, пластик и аммиак.

The New York Times Magazine

С точки зрения Смила, нереалистичные представления о сокращении выбросов углерода по иронии судьбы отчасти и объясняются той самой производительностью, которой достигли общества, заменив работу тягловых животных и физический труд людей машинами, работающими на ископаемом топливе.

The Washington Post

Введение
Зачем нужна эта книга?

Каждая эпоха претендует на уникальность, но, даже если опыт трех последних поколений — то есть десятилетий, прошедших после окончания Второй мировой войны, — не изменил наше представление о мире так сильно, как опыт трех поколений, предшествующих началу Первой мировой войны, мы все равно стали свидетелями огромного количества беспрецедентных свершений и открытий. Самое главное, у многих людей теперь существенно повысилось качество жизни, они живут дольше и обладают лучшим здоровьем, чем когда-либо за всю историю человечества. Тем не менее эти преимущества пока доступны лишь меньшинству (примерно пятой части) живущих на земле людей, общее число которых приближается к 8 миллиардам.

Второе достижение, которым мы вправе восхищаться, — беспрецедентное расширение наших знаний о материальном мире и обо всех формах жизни. Наше знание простирается от грандиозных обобщений о сложных системах вселенной (галактик, звезд) до планетарных явлений (атмосфера, гидросфера, биосфера) и устройства материи на уровне атомов и генов: дорожки на поверхности самых мощных микропроцессоров всего в два раза толще диаметра спирали ДНК. Мы превратили это знание в постоянно расширяющийся набор механизмов, устройств, процедур, протоколов и действий, поддерживающих современную цивилизацию, и разум одного человека просто не в состоянии охватить весь гигантский объем нашего общего знания, а также все способы, которыми мы поставили его себе на службу.

Настоящего «человека эпохи Возрождения», обладавшего универсальными знаниями, можно было встретить на площади Синьории во Флоренции в 1500 г., но не позже. В середине XVIII в. двое французских ученых, Дени Дидро и Жан Лерон Д’Аламбер, еще могли собрать группу широко образованных людей для изложения современного понимания мира в довольно обстоятельных статьях своей многотомной «Энциклопедии, или Толкового словаря наук, искусств и ремесел» (Encyclopédie, ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers). Прошло еще несколько поколений, и объем и специализация знаний увеличились на несколько порядков, а в самых разных областях были сделаны фундаментальные открытия, от электромагнитной индукции (Майкл Фарадей, 1931 г., предпосылка производства электроэнергии) до метаболизма растений (Юстус фон Либих, 1840, предпосылка повышения урожайности) и теории электромагнетизма (Джеймс Клерк Максвелл, 1861 г., предпосылка беспроводной связи).

В 1872 г., через 100 лет после выхода последнего тома Энциклопедии, любое собрание знаний было вынуждено ограничиться поверхностным описанием быстро расширяющегося диапазона тем, а еще через полтора столетия стало невозможным суммировать знания даже в пределах узко очерченных специальностей: даже такие термины, как «физика» или «биология», превратились в относительно бессмысленные ярлыки, и специалисты по физике элементарных частиц с трудом поймут даже первую страницу последней научной работы в области вирусной иммунологии. Совершенно очевидно, что такая атомизация знания не сделала проще общественное принятие решений. Узкоспециализированные направления современной науки стали такими сложными, что многие люди, которые ими занимаются, вынуждены учиться до тридцати или тридцати пяти лет, чтобы войти в круг нового жречества.

Да, они долго учатся, но слишком часто не могут прийти к согласию относительно наилучшего образа действий. Пандемия SARS-CoV-2 со всей очевидностью показала, эксперты не способны прийти к согласию даже по такому простому на первый взгляд вопросу, как ношение маски. В конце марта 2020 г. (через три месяца после начала пандемии) Всемирная организация здравоохранения все еще рекомендовала носить маску только инфицированным, изменив свою позицию лишь в начале июня 2020 г. Как люди, не обладающие специальными знаниями, могут принять сторону в споре или просто понять его смысл, если в финале опровергается то, что утверждалось в начале?

Тем не менее существующая неопределенность и споры не оправдывают глубины непонимания большинством людей основ функционирования современного мира. В конце концов, знать, как выращивают пшеницу (глава 2), как выплавляют сталь (глава 3), или понимать, что глобализация не является ни новой, ни неизбежной (глава 4), — не то же самое, что разбираться в фемтохимии (изучение химических реакций в масштабах времени 10^–15 секунд, Ахмед Зевейл, Нобелевская премия 1999 г.) или полимеразной цепной реакции (быстрое копирование ДНК, Кэри Муллис, Нобелевская премия 1993 г.).

Почему же большинство людей в современных обществах имеют такое поверхностное представление о том, как на самом деле функционирует мир? Самое очевидное объяснение — сложность современного мира. Люди постоянно имеют дело с «черными ящиками», относительно простые правила обращения с которыми почти или совсем не требуют понимания, что происходит внутри. Это относится к таким распространенным устройствам, как мобильные телефоны и ноутбуки (набери простой вопрос, и получишь результат), или к массовым процедурам вроде вакцинации (ярким примером для всей планеты стал 2021 г., когда единственной понятной частью процедуры было закатать рукав). Но объяснение дефицита понимания не ограничивается фактом, что обширность наших знаний способствует специализации, обратной стороной которой является поверхностное понимание — или даже непонимание — основ.

Урбанизация и механизация — вот две главные причины этого дефицита понимания. С 2007 г. более половины человечества живет в городах (в богатых странах больше 80 %), и, в отличие от промышленных городов XIX и начала XX в., большинство рабочих мест в них — это сфера услуг. Таким образом, современные горожане в массе своей никак не связаны с производством не только продуктов питания, но также машин и механизмов, а усиливающаяся механизация всех процессов означает, что лишь малая часть населения планеты теперь участвует в обеспечении нашей цивилизации энергией и материалами, без которых современный мир невозможен.

В Америке лишь около 3 миллионов мужчин и женщин (владельцев ферм и наемных работников) напрямую связаны с производством продуктов питания — пашут, сеют, вносят удобрения, выпалывают сорняки, собирают урожай (самая трудоемкая часть процесса — сбор фруктов и овощей) и ухаживают за животными. Это меньше 1 % населения страны, и поэтому не стоит удивляться, что большинство американцев не представляют — или смутно представляют, — откуда у них на столе появляется хлеб и мясо. Урожай пшеницы собирают комбайны — а соевых бобов или фасоли? Сколько времени нужно для превращения крошечного поросенка в свиную котлету: несколько недель или несколько лет? Подавляющее число американцев этого просто не знают. И они не одиноки. Китай является крупнейшим в мире производителем стали — почти миллиард тонн стали, чугуна и проката в год, — но все это производит меньше 0,25 % населения страны численностью 1,4 миллиарда человек. Ничтожный процент китайцев хотя бы раз в жизни стоял рядом с домной или видел огненные красные ленты в процессе непрерывной разливки стали. И подобный отрыв от реальности наблюдается во всем мире.

Вторая главная причина плохого и постоянно ухудшающегося понимания фундаментальных процессов получения энергии (в виде пищи или в виде топлива), долговечных материалов (металлов, нерудных минералов или бетона) заключается в том, что их стали считать старомодными — или даже устаревшими — и совсем неинтересными по сравнению с миром информации, данных или изображений. Так называемые лучшие умы не идут изучать почву и не пробуют свои силы в усовершенствовании цемента: их привлекает работа с нематериальной информацией в виде потоков электронов в мириадах миниатюрных устройств. Непропорционально большое вознаграждение этих людей — от юристов и экономистов до программистов и инвестиционных менеджеров — никак не связано с реалиями материальной жизни на земле.

Более того, многие из тех, кто поклоняется данным, пришли к убеждению, что потоки электронов сделали ненужными эти старомодные материальные объекты, которые раньше были необходимостью. Поля будут заменены городским сельским хозяйством в высотных зданиях, а синтетические продукты вообще исключат потребность выращивать какую-либо пищу. Дематериализация, основой которой станет искусственный интеллект, положит конец нашей зависимости от большого количества обработанных металлов и минералов, и в конечном итоге мы сможем даже обойтись без земной окружающей среды: кому она нужна, если мы собрались терраформировать Марс? Конечно, это всего лишь преувеличенные и преждевременные прогнозы, фантазии, порожденные обществом, где фейковые новости стали обычным делом и где реальность и вымысел смешались до такой степени, что легковерные умы, склонные к своего рода культу больше, чем к анализу, верят в то, что проницательные наблюдатели прошлого безжалостно сочли бы частичным или полным бредом.

Никто из читающих эту книгу не переселится на Марс; все мы продолжим потреблять зерновые культуры, выращенные на обширных участках сельскохозяйственных земель, а не в небоскребах, которые воображают сторонники так называемой урбанистической агрокультуры; никто из нас не будет жить в дематериализованном мире, где стали ненужными такие незаменимые естественные процессы, как испарение воды или опыление растений. Но получение этих жизненно важных ресурсов становится все более сложной задачей, потому что значительная часть человечества живет в условиях, которые богатое меньшинство преодолело много лет назад, и потому что растущая потребность в энергии и материалах так резко и так быстро увеличивает нагрузку на биосферу, что мы угрожаем ее способности поддерживать процессы и ресурсы в границах, необходимых для ее долгосрочного функционирования.

Приведем один, но очень важный пример: в 2020 г. среднее ежегодное энергопотребление в расчете на одного человека приблизительно 40 % населения мира (3,1 миллиарда человек, в том числе почти все жители африканских стран южнее Сахары) не превышало уровень, достигнутый Германией и Францией в 1850-м! Для достижения стандарта достойной жизни эти 3,1 миллиарда человек должны как минимум удвоить — а предпочтительно утроить — энергопотребление, что приведет к многократному увеличению потребности в электроэнергии, росту производства продуктов питания, появлению необходимой городской, промышленной и транспортной инфраструктуры. Эти потребности неизбежно повлекут за собой дальнейшее разрушение биосферы.

А как нам противостоять ускоряющемуся изменению климата? В настоящее время практически все согласны, что необходимо что-то делать, чтобы предотвратить крайне нежелательные последствия, но какие действия, какое изменение поведения окажется самым эффективным? Для тех, кто игнорирует энергетические и материальные потребности нашего мира, кто заменяет мантрами «зеленых» решений понимание того, как мы пришли к этой ситуации, рецепт прост. Это декарбонизация — переход от сжигания ископаемого топлива к преобразованию неисчерпаемых потоков возобновляемой энергии. Но тут есть одна загвоздка: наша цивилизация основана на ископаемом топливе, и все наши технические и научные достижения, качество жизни и процветание общества зависят от сжигания огромного количества ископаемых углеводородов, и мы просто не можем отказаться от этой критически важной составляющей нашей жизни за несколько десятилетий, не говоря уже о годах.

Полная декарбонизация глобальной экономики к 2050 г. в настоящее время достижима лишь ценой невероятного экономического спада — или как результат необычайно быстрых перемен, в основе которых будут лежать похожие на чудо технологические прорывы. Но для первого варианта у нас еще нет убедительной, практичной и доступной по цене глобальной стратегии, а для реализации второго — необходимых технических средств. Что же произойдет? Пропасть между фантазиями и реальностью глубока, но в демократическом обществе любое соперничество идей и предложений может протекать рационально, когда все стороны обладают хотя бы малой толикой релевантной информации о реальном мире, а не просто повторяют свои предрассудки и делают заявления без какой-либо связи с материальными возможностями.

Эта книга представляет собой попытку снизить дефицит понимания, объяснить некоторые фундаментальные основы выживания и развития нашего общества. Моя цель — не прогноз и не описание самых оптимистичных или пессимистичных сценариев будущего. Не вижу никакой необходимости прибегать к этому популярному — но регулярно терпящему неудачу — жанру: в долговременном плане нас ждет слишком много непредвиденных событий и слишком много сложных взаимодействий, которые не в состоянии предсказать ни один человек или коллектив. Я также не буду защищать любую конкретную (предвзятую) интерпретацию реальности — ни как повод для отчаяния, ни как источник безграничных ожиданий. Я не пессимист и не оптимист; я ученый, пытающийся объяснить, как на самом деле функционирует мир, и я буду использовать это понимание, чтобы помочь нам лучше осознать будущие ограничения и возможности.

Естественно, такого рода исследование обречено быть выборочным, но каждая из семи главных тем, выбранная для более подробного анализа, представляет собой пример экзистенциального императива: здесь у нас нет свободы выбора. Первая глава этой книги показывает, как наше энергозатратное общество постоянно увеличивало свою зависимость от ископаемого топлива и особенно от электричества, самого универсального вида энергии. Осознание этой реальности служит настоятельно необходимой поправкой к широко распространенным заявлениям (основанным на плохом понимании сложных реалий), что мы способны быстро декарбонизировать глобальные энергоресурсы и что через два или три десятилетия мы полностью перейдем на возобновляемые источники энергии. Несмотря на то что все большая часть электрогенерации приходится на новые возобновляемые источники (солнце и ветер, в отличие от давно существующей гидроэнергетики), а на дорогах появляется все больше электромобилей, декарбонизация наземного, воздушного и морского транспорта станет гораздо более серьезным вызовом — как и производство основных материалов без использования ископаемого топлива.

Вторая глава книги посвящена самому главному условию нашего выживания: производству еды. В ней объясняется, что у всего, что поддерживает нашу жизнь — от пшеницы до томатов и креветок, — есть одно общее свойство: существенный расход ископаемого топлива, как непосредственный, так и косвенный. Осознание этой фундаментальной зависимости от ископаемого топлива ведет к реалистичному пониманию нашей продолжающейся потребности в ископаемом углероде: вырабатывать электричество с помощью ветряных турбин или солнечных батарей гораздо легче, чем сжигать для этого уголь или природный газ, но без жидкого ископаемого топлива гораздо труднее обслуживать сельскохозяйственную технику, а без нефти и газа невозможно производить удобрения и другие химикаты, использующиеся в сельском хозяйстве. Другими словами, еще несколько десятилетий мы не сможем кормить планету, не используя ископаемое топливо как источник энергии и сырья.

В третьей главе объясняется, как и почему существование нашего общества поддерживается материалами, созданными человеческой изобретательностью, в частности теми, которые я называю четырьмя столпами современной цивилизации: аммиаком, сталью, бетоном и пластиком. Понимание этих реалий обнажает заблуждения, часто встречающиеся в модных заявлениях о дематериализации современной экономики, в которой якобы преобладает сфера услуг и миниатюрные электронные устройства. Относительное снижение материалоемкости многих конечных продуктов было одной из ведущих тенденций развития современного производства. Но в абсолютных цифрах потребность в материалах выросла даже в самых развитых современных обществах и остается очень далекой от насыщения в странах с низким уровня дохода, где владение благоустроенным жильем, кухонными приборами и кондиционерами (не говоря уже об автомобилях) остается несбыточной мечтой для миллиардов людей.

Четвертая глава — это история о глобализации, о том, как транспорт и средства связи связали мир в одно целое. Историческая перспектива показывает, насколько старым (и даже древним) является начало этого процесса и как недавно произошел его поистине масштабный — глобальный — расцвет. При ближайшем рассмотрении становится очевидным, что в этом неоднозначном явлении (одни его хвалят, другие в нем сомневаются, третьи критикуют) нет ничего неизбежного. В последнее время в мире наблюдается явный отказ от этой тенденции, а также движение в сторону популизма и национализма, и пока непонятно, насколько далеко это все зайдет или в какой степени изменится под влиянием экономики, политики и соображений безопасности.

Пятая глава предлагает реалистичную основу для оценки рисков, с которыми мы сталкиваемся: современные общества добились успехов в устранении многих смертельных или опасных для здоровья рисков — например полиомиелита или осложнений при родах, — но многие опасности нас будут подстерегать всегда, и мы постоянно ошибаемся в оценке риска, недооценивая или переоценивая угрозы. Ознакомившись с этой главой, читатель получит представление об относительных рисках многих привычных действий, вынужденных или сознательных (от падения на лестнице у себя дома до перелета с одного континента на другой, от жизни в городе, на который часто обрушиваются ураганы, до прыжков с парашютом). Отбросив всю чушь, которой нас кормит индустрия здорового питания, мы увидим диапазон возможностей в отношении еды, которая поможет нам жить дольше.

В шестой главе мы сначала рассмотрим, как изменения окружающей среды могут повлиять на три элемента, без которых нам не выжить: кислород, воду и пищу. Остальная часть главы будет посвящена глобальному потеплению, которое в последнее время стало нашей главной заботой, когда речь идет об окружающей среде, и которое привело к появлению двух противоположных тенденций — ожиданию катастрофы (почти апокалипсиса) и полному отрицанию. Я не буду повторять и сравнивать эти полярные утверждения (этому посвящена масса книг), а подчеркну, что вопреки распространенному мнению глобальное потепление — не новость: основы этого процесса стали ясны более 150 лет назад.

Более того, мы знали, в какой степени потепление климата связано с удвоением концентрации CO₂ в атмосфере за прошедшие 100 лет, и больше 50 лет назад нас предупреждали о непредсказуемой (и невоспроизводимой) природе этого эксперимента над планетой (непрерывное точное измерение концентрации CO₂ началось в 1958 г.). Но мы решили игнорировать эти объяснения, предупреждения и зарегистрированные факты. Более того, мы стали еще сильнее зависеть от сжигания ископаемого топлива, и избавиться от этой зависимости будет трудно и дорого. И неизвестно, сколько на это понадобится времени. Прибавьте все остальные проблемы окружающей среды, и вы неизбежно придете к выводу, что ключевой вопрос нашего существования — сможет ли человечество реализовать свои желания, не разрушая биосферу, — не имеет простых ответов. Но в любом случае необходимо осознать и принять факты. Только тогда мы сможем приступить к эффективному решению проблемы.

В заключительной главе я попробую описать будущее, в частности две распространившиеся в последнее время теории: катастрофизм (мнение, что до окончательного заката современной цивилизации осталось несколько лет) и технооптимизм (предсказание, что новые открытия и изобретения откроют бесконечные горизонты за пределами нашей планеты, превратив земные проблемы в нечто совершенно несущественное). Нетрудно догадаться, что мне не близки обе эти позиции, и мои прогнозы не имеют ничего общего с обеими доктринами. Я не предполагаю неминуемого разрыва с историей в любом направлении; я не вижу каких-либо запрограммированных результатов — только довольно сложную траекторию, зависящую от нашего выбора, который тоже не предопределен.

В основе этой книги два краеугольных камня: многочисленные научные открытия и полвека моих собственных исследований и литературной деятельности. Диапазон этих научных открытий чрезвычайно широк, от классических работ XIX в. по преобразованию энергии и парниковому эффекту до новейших оценок глобальных вызовов и вероятностей рисков. И эта серьезная книга не могла быть написана без нескольких десятилетий междисциплинарных исследований, результаты которых были изложены в других моих книгах. Я не склонен обращаться к древней метафоре о лисе и еже («лиса знает много секретов, а еж — один, но самый главный»), а предпочитаю делить современных ученых на два типа: одни бурят все более глубокие скважины (верная дорога к славе), а другие изучают широкие горизонты (в настоящее время эта группа значительно уменьшилась).

Меня никогда не привлекала перспектива пробурить самую глубокую скважину и стать лучшим специалистом по крошечному кусочку неба, видного с ее дна. Я всегда предпочитал смотреть как можно шире и дальше — насколько позволяли мои ограниченные возможности. Всю жизнь меня интересовало такое направление, как исследования в области энергии, поскольку удовлетворительное понимание этой обширной сферы требует знания физики, химии, биологии, геологии и инженерного дела, а также учета исторических, социальных, экономических и политических факторов.

Почти половина из моих теперь уже более 40 (в основном научных) книг имеют отношение к разным аспектам энергии, от масштабных исследований общей энергетики и использования энергии на протяжении всей истории человечества до более подробного анализа отдельных категорий топлива (нефть, природный газ, биомасса), конкретных свойств и процессов (плотность энергии, передача энергии). Остальные мои работы имеют междисциплинарный характер: я писал о таких фундаментальных явлениях, как развитие — во всех его естественных и антропогенных проявлениях — и риск; я писал об окружающей среде (биосфере, биохимических циклах, глобальной экологии, эффективности фотосинтеза и урожаях), о продуктах питания, сельском хозяйстве, материалах (прежде всего стали и удобрениях), технических достижениях, о прогрессе и неудачах производства, а также об истории Древнего Рима и современной Америки, о японской еде.

Таким образом, эта книга — результат трудов всей моей жизни. Она написана для неспециалистов и стала итогом моих стремлений понять основные аспекты биосферы, истории и мира, который мы создали. И она призвана продолжить то, на чем я настаивал на протяжении нескольких десятилетий: держаться как можно дальше от экстремальных точек зрения. Нынешние (предельно жесткие или предельно фантазирующие) защитники таких позиций будут разочарованы: здесь они не найдут ни стенаний по поводу конца мира в 2030 г., ни одержимости волшебной преобразующей силой искусственного интеллекта, который появится раньше, чем мы думаем. Нет, эта книга пытается предложить основу для более взвешенной и неизбежно агностической перспективы. Надеюсь, что мой рациональный, основанный на фактах подход поможет читателям понять, как на самом деле функционирует наш мир и каковы наши шансы на лучшие перспективы для будущих поколений.

Но прежде чем переходить к конкретным темам, я хотел бы вас кое о чем предупредить, а возможно, и попросить. Эта книга изобилует цифрами (в метрической системе), поскольку реалии современного мира невозможно понять только с помощью качественных описаний. Многие цифры, приведенные в этой книге, либо очень большие, либо очень маленькие, и поэтому для их понимания удобнее оперировать порядками величин, которые обозначаются признанными во всем мире префиксами. Если вы не знакомы с основами такого представления чисел, вам поможет приложение, посвященное числам, большим и маленьким, — некоторым читателям стоит начать знакомство с этой книгой с конца. В противном случае мы встретимся с вами в главе 1, предлагающей более подробный, количественный рассказ об энергии. Это тема, которая никогда не выйдет из моды.

1
Энергия
Топливо и электричество

Представим не совсем обычный сценарий научно-фантастического романа: не путешествие к далеким планетам в поисках жизни, а Земля и ее обитатели как объект дистанционного наблюдения высокоразвитой цивилизации, которая посылает свои зонды в соседние галактики. Зачем они это делают? Просто для систематического расширения своих знаний и, возможно, предупреждения опасных сюрпризов, если третья планета, вращающаяся вокруг ничем не примечательной звезды в спиральной галактике, превратится в угрозу? А может, на тот случай, если им потребуется второй дом? Поэтому они периодически проверяют Землю.

Представим, что зонд приближается к нашей планете каждые 100 лет и что он запрограммирован на второй проход (более тщательное исследование) только при обнаружении ранее ненаблюдаемого способа преобразования энергии — превращения энергии из одной формы в другую — или соответствующего физического воплощения. В терминах общей физики любой процесс — дождь, извержение вулкана, рост растения, питание животного или совершенствование человеческого разума — можно определить как последовательность преобразований энергии, и на протяжении сотен миллионов лет после образования Земли зонды видели бы одну и ту же однообразную (с небольшими вариациями) картину извержений вулканов, землетрясений и атмосферных бурь.

Фундаментальные сдвиги

Первые микроорганизмы появились на нашей планете около 4 миллиардов лет назад, но пролетающие мимо зонды инопланетян не заметили бы их, поскольку эта форма жизни оставалась редкой и скрытой от наблюдения, сосредоточившись в окрестностях щелочных гидротермальных источников на океанском дне. Первая причина для более близкого знакомства появляется приблизительно 3,5 миллиарда лет назад, когда зонд регистрирует на мелководье первые простые одноклеточные организмы, способные к фотосинтезу: они поглощают инфракрасное излучение ближнего диапазона — сразу за видимым спектром, — но не вырабатывают кислород^[1]. Пройдет еще несколько сотен миллионов лет, прежде чем цианобактерии научатся использовать энергию видимого солнечного света для превращения CO₂ и воды в новые органические вещества, выделяя при этом кислород^[2].

Это радикальный сдвиг, который приведет к созданию кислородной атмосферы Земли, хотя до появления сложных морских организмов пройдет еще много времени — 1,2 миллиарда лет назад зонды зафиксируют рост и распространение ярко-красных водорослей (из-за фотосинтезирующего пигмента фикоэритрина), а также более крупных бурых водорослей. Зеленые водоросли появятся еще через полмиллиона лет, и из-за широкого распространения морских растений для наблюдения за морским дном зондам потребуются более совершенные датчики. Но это принесет свои плоды, поскольку приблизительно 600 миллионов лет назад зонды сделают еще одно эпохальное открытие: первые организмы, состоящие из дифференцированных клеток. Эти плоские и мягкие придонные обитатели (их называют эдиакарской фауной, от названия Эдиакарских гор в Южной Австралии) были первыми простыми животными, которым для метаболизма был необходим кислород, и, в отличие от водорослей, которые переносятся волнами и течениями, они были способны двигаться^[3].

Затем зонды начнут регистрировать относительно быстрые изменения: если раньше, пролетая над безжизненными континентами, они сотни миллионов лет ждали следующего эпохального сдвига, то теперь видели многочисленные волны появления, распространения и исчезновения огромного количества видов животных. Этот период начинается с так называемого кембрийского взрыва, расцвета маленьких морских животных, обитателей морского дна (541 миллион лет назад, преимущественно трилобиты), и продолжается появлением первых рыб, амфибий, наземных растений, а затем четвероногих (и следовательно, чрезвычайно подвижных) животных. Все эти виды периодически сокращались или вообще исчезали, и 6 миллионов лет назад зонды не обнаружили бы какого-либо одного организма, доминирующего на всей планете^[4]. Но вскоре после этого зонды едва не пропустили бы одно важное изменение в механике движений, на первый взгляд незначительное, но с громадными энергетическими последствиями: многие четвероногие животные начинали становиться на две ноги или даже неуклюже передвигаться в таком положении, и более 4 миллионов лет назад этот способ передвижения стал нормой для маленьких обезьяноподобных существ, которые теперь больше времени проводили на земле, а не на деревьях^[5].

Теперь интервалы между передачей ценной информации на родную для зондов планету уменьшились с сотен миллионов до всего лишь сотен тысяч лет. В конечном итоге потомки этих первых двуногих (мы называем их гоминидами, и они принадлежат к роду Homo, стоящему в длинном ряду наших предков) совершили нечто такое, что ускорило их продвижение к доминированию на планете. Несколько сотен тысяч лет назад зонды зарегистрировали первое экстрасоматическое использование энергии — то есть внешнее по отношению к организму, любое преобразование энергии кроме пищеварения, — когда некоторые из этих прямоходящих освоили огонь и стали сознательно использовать его для приготовления пищи, обеспечения комфорта и безопасности^[6]. Это контролируемое горение преобразует химическую энергию растений в тепловую энергию и свет, что позволяло гоминидам употреблять трудноперевариваемую пищу, согревало их холодными ночами и отгоняло опасных животных^[7]. Это были первые шаги в сознательном преобразовании окружающей среды и управлении ею в беспрецедентных прежде масштабах.

Эта тенденция укрепилась после следующей значительной перемены: появления земледелия. Приблизительно 10 тысяч лет назад зонды увидели первые участки намеренно выращенных растений, вносивших крошечный вклад в общий фотосинтез Земли; этими участками управляли люди, которые ради своей выгоды (отложенной) одомашнили зерновые растения — селекционировали, сеяли, ухаживали и собирали урожай^[8]. Вскоре появились и первые домашние животные. До этого главной двигательной силой были мышцы человека — они превращали химическую энергию (пищи) в кинетическую (механическую) энергию физического труда. Одомашнивание тягловых животных началось с крупного рогатого скота приблизительно 9 тысяч лет назад, что позволило получить экстрасоматическую энергию не только от человеческих мышц — животные использовались для обработки полей, извлечения воды из колодцев, перемещения грузов, а также в качестве личного транспорта^[9]. Гораздо позже появились первые неодушевленные первичные двигатели: более 5 тысяч лет назад — паруса, более 2 тысяч лет назад — водяные колеса, более тысячи лет назад — ветряные мельницы^[10].

Затем последовал еще один период затишья (относительного), когда зонды не регистрировали ничего существенного: век за веком наблюдалось лишь повторение, стагнация или медленное развитие и распространение прежних достижений. В Америке и Австралии (в отсутствие тягловых животных и простейших механизмов) до появления европейцев вся работа выполнялась с помощью мускульной силы человека. В некоторых доиндустриальных регионах Старого Света тягловые животные, ветер, а также текущая или падающая вода обеспечивали значительную долю энергии для помола зерна, отжима масла, шлифовки и ковки, а тягловые животные стали незаменимыми для тяжелых полевых работ (прежде всего вспашки, поскольку урожай по-прежнему собирали вручную), перевозки товаров и ведения войн.

Но на этом этапе даже в обществах с домашними животными и примитивными механизмами большая часть работы все еще выполнялась людьми.

По моим подсчетам — естественно, с использованием приближенной оценки численности тягловых животных и людей, а также оценки производительности труда, основанной на современных измерениях физических возможностей, — более 90 % всей полезной механической энергии и в начале второго тысячелетия нашей эры, и 500 годами позже (в 1500 г., в начале современной эпохи) обеспечивалось за счет мускульной силы, примерно поровну людей и животных, а вся тепловая энергия добывалась сжиганием растительного топлива (по большей части дерева и древесного угля, но также соломы и высушенного навоза).

А затем, приблизительно в 1600 г., инопланетный зонд заметил бы нечто беспрецедентное. На одном из островов люди перестали рассчитывать только на дерево и стали во все больших количествах сжигать уголь, топливо, образовавшееся в результате фотосинтеза десятки или сотни миллионов лет назад и окаменевшее под действием тепла и давления за время долгого пребывания под землей. Наиболее точные реконструкции показывают, что в качестве источника тепла уголь опередил биомассу приблизительно в 1620 г. (возможно, даже раньше); в 1650 г. уже две трети вырабатываемого тепла обеспечивалось сжиганием каменного топлива, а к 1700 г. эта доля достигла 75 %^[11]. Пионером этого процесса была Англия: во всех месторождениях угля, сделавших Великобританию ведущей экономикой XIX в., добывали уголь еще до 1640 г.^[12]. А затем, в самом начале XVIII в., на некоторых английских шахтах установили паровые машины, первые неодушевленные первичные двигатели, приводимые в движение посредством сжигания ископаемого топлива.

Эти первые машины были настолько неэффективными, что использовать их можно было только на тех шахтах, где уголь не нуждался в транспортировке^[13]. На протяжении нескольких поколений Великобритания остается самой интересной страной для инопланетного зонда как пионера внедрения технических новинок. Даже в 1800 г. добыча угля в нескольких европейских странах и в Соединенных Штатах Америки составляла лишь малую долю добычи угля в Великобритании.

В 1800 г. пролетающий мимо нашей планеты зонд подсчитал бы, что растительное топливо по-прежнему обеспечивает более 98 % всего тепла и света, используемых доминантными двуногими, а мускульная сила людей и животных все еще поставляет 90 % механической энергии, необходимой для сельского хозяйства, строительства и промышленного производства. В Великобритании, где Джеймс Уатт в 1770-х гг. внедрил и усовершенствовал паровую машину, компания Boulton & Watt начала выпускать машины мощностью 25 лошадиных сил, но к 1800 г. они продали меньше 500 таких машин, что составляло крошечную часть от общей мощности лошадей и работников физического труда^[14].

Даже в 1850 г. увеличившаяся добыча угля в Европе и Северной Америке обеспечивала не более 7 % энергии от топлива; почти половину всей полезной кинетической энергии получали от тягловых животных, около 40 % — от мускульной силы людей и всего 15 % от трех видов неодушевленных первичных двигателей: водяных колес, ветряных мельниц и медленно завоевывавших признание паровых машин. В 1850 г. мир был гораздо больше похож на мир 1700-х или даже 1600-х гг., чем на мир 2000-х.

Однако к 1900 г. общая доля ископаемого топлива, возобновляемых и неодушевленных источников энергии существенно изменилась — современные источники (уголь и в какой-то степени сырая нефть) обеспечивали половину всей первичной энергии, а вторая половина приходилась на традиционное топливо (дерево, древесный уголь, солома). Водяные турбины на гидроэлектростанциях начали вырабатывать электричество в 1880-х гг.; следующей была геотермальная электростанция, а после Второй мировой войны появились атомные, солнечные и ветряные электростанции (новые источники возобновляемой энергии). Но и в 2020 г. более половины вырабатываемого в мире электричества производится путем сжигания ископаемого топлива, в основном угля и природного газа.

В 1900 г. неодушевленные первичные двигатели поставляли около половины всей механической энергии: наибольший вклад вносили паровые машины, работающие на угле, далее шли усовершенствованные водяные колеса и новые водяные турбины (появившиеся еще в 1830-х гг.), ветряные мельницы и новые паровые турбины (с конца 1880-х), а также двигатели внутреннего сгорания (первые бензиновые двигатели также появились в 1880-х гг.)^[15].

В 1950 г. ископаемое топливо обеспечивало почти три четверти первичной энергии (преимущественно за счет угля), а неодушевленные первичные двигатели — теперь среди них доминировали бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания — более 80 % механической энергии. А в 2000 г. только бедняки в странах с низким доходом использовали топливо из биомассы; дерево и солома составляли лишь около 12 % первичных источников энергии в мире. На первичные источники из плоти и крови приходилось только 5 % механической энергии; людей и тягловых животных почти полностью заменили механизмы, приводимые в действие жидким топливом или электричеством.

На протяжении двух последних веков инопланетные зонды наблюдали бы по всему миру быструю замену первичных источников энергии, сопровождавшуюся расширением и диверсификацией ископаемых энергоресурсов, а также не менее быстрым появлением, освоением и распространением новых неодушевленных первичных двигателей — сначала паровых машин, работающих на угле, затем двигателей внутреннего сгорания (поршневых и турбин). Самый последний визит зондов открыл бы перед ними картину по-настоящему глобального общества, основанного на массовом — стационарном и мобильном — преобразовании ископаемых углеводородов, развернутом практически везде, за исключением некоторых необитаемых регионов планеты.

Использование энергии в современном мире

Какие изменения принесла эта мобилизация экстрасоматической энергии? Глобальные энергоресурсы обычно относят к общей (валовой) продукции, но более наглядным было бы оценить энергию, доступную для преобразования в полезные формы. Для этого мы должны вычесть предварительные потери (во время сортировки и очистки угля, перегонки сырной нефти и обработки природного газа), неэнергетическое использование (преимущественно в качестве сырья для химической промышленности, а также смазочных материалов для машин и механизмов, от насосов до авиадвигателей, и как дорожное покрытие) и потери при передаче электроэнергии. С этими поправками — и округлением, чтобы избежать впечатления неуместной точности, — мои расчеты показывают, что в XIX в. потребление ископаемого топлива выросло в 60 раз, в XX — в 16 раз, а за последние 220 лет — в 1500 раз^[16].

Усиливающаяся зависимость от ископаемого топлива — самый важный фактор, объясняющий достижения современной цивилизации, а также наши опасения относительно уязвимости его поставок и воздействия его сжигания на окружающую среду. В реальности прирост энергоресурсов был значительно больше 1500-кратного, о котором я упоминал, поскольку следует учитывать сопутствующее повышение эффективности преобразования энергии^[17]. В 1800 г. эффективность сжигания угля в печах и бойлерах для получения тепла и горячей воды не превышала 25–30 %, и только 2 % угля, потребляемого паровыми машинами, превращались в полезную работу, так что общая эффективность преобразования не превышала 15 %. Сто лет спустя усовершенствованные печи, бойлеры и двигатели повысили эффективность до почти 20 %, а к 2000 г. средняя эффективность преобразования составляла около 50 %. Следовательно, XX в. дал почти 40-кратный рост полезной энергии, а с 1800 г. ее выработка увеличилась почти в 3500 раз.

Чтобы еще лучше оценить масштаб этих перемен, следует привести эти показатели в пересчете на одного человека. Численность населения нашей планеты увеличилась с 1 миллиарда в 1800 г. до 1,6 миллиарда в 1900 г. и до 6,1 миллиарда в 2000 г. Таким образом, поставки полезной энергии (все величины выражены в гигаджоулях на душу населения) увеличились с 0,05 в 1800 г. до 2,7 в 1900 г. и 28 в 2000 г. Стремительный рост экономики Китая после 2000 г. стал главной причиной увеличения поставок полезной энергии в 2020 г. до 34 ГДж на человека. В среднем современный житель Земли имеет в своем распоряжении почти в 700 раз больше полезной энергии, чем его предки в начале XIX в.

Более того, на протяжении жизни людей, родившихся непосредственно после Второй мировой войны (с 1950 по 2020 г.), этот показатель вырос более чем в три раза, с 10 до 34 ГДж на человека. Для наглядности можно воспользоваться следующей метафорой: как будто в личном распоряжении каждого жителя Земли находится около 800 килограммов (0,8 тонны, или почти 6 баррелей) сырой нефти или около 1,5 тонны хорошего битуминозного угля. Это количество энергии можно также перевести в трудозатраты: на каждого из нас круглосуточно работают 60 взрослых мужчин. А если речь идет о богатых странах, эквивалент непрерывного труда будет составлять от 200 до 240 человек, в зависимости от конкретной страны. Другими словами, в нашем распоряжении находится беспрецедентное количество энергии.

Последствия этого очевидны — с точки зрения интенсивности труда, рабочего времени, отдыха и общего уровня жизни. Изобилие полезной энергии подчеркивает и объясняет все достижения — от лучшего питания до массовых путешествий, от механизации производства до транспорта и личных электронных средств связи, — которые в богатых странах являются скорее нормой, чем исключением. Эти недавние изменения отличаются в разных странах: естественно, они менее заметны в странах с высоким доходом, где использование энергии на душу населения уже 100 лет назад было относительно высоким, и явно видны в странах, модернизация экономик которых резко ускорилась с 1950-х гг., особенно в Японии, Южной Корее и Китае. В период с 1950 по 2020 г. Соединенные Штаты практически удвоили производство полезной энергии на душу населения из таких источников, как ископаемое топливо и первичное электричество (приблизительно до 150 ГДж на человека); в Японии этот показатель вырос более чем вчетверо (почти до 80 ГДж на человека), а Китай стал свидетелем невероятного роста в 120 раз (почти до 50 ГДж на человека)^[18].

Траектория ресурсов полезной энергии чрезвычайно информативна, потому что энергия не просто один из компонентов сложной структуры биосферы, человеческого общества и экономики, не просто еще одна переменная в сложных уравнениях, описывающих эти взаимосвязанные системы. Преобразование энергии — это основа жизни и эволюции. Современную историю можно рассматривать как необычно быструю последовательность переходов к новым источникам энергии, а современный мир — как совокупный результат этих преобразований.

Значение энергии в жизни человеческого общества первыми поняли физики. В 1886 г. Людвиг Больцман, один из основателей термодинамики, говорил о свободной энергии — то есть энергии, доступной для преобразования, — как о Kampfobjekt (объекте борьбы) за жизнь, которая в конечном итоге зависит от приходящего к нам солнечного излучения^[19]. Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г., так определил основу жизни: «Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается» (отрицательная энтропия, или негэнтропия = свободная энергия)^[20]. В 1920-х гг., после этих фундаментальных физических открытий конца XIX и начала XX в. американский математик и статистик Альфред Лотка пришел к выводу, что эволюционным преимуществом обладают организмы, способные лучше улавливать доступную энергию^[21].

В начале 1970-х гг. американский эколог Говард Одум объяснил, что «весь прогресс обусловлен специальными субсидиями в энергию и, как только они прекращаются, прогресс исчезает»^[22]. Уже после него физик Роберт Эйрес в своих работах постоянно подчеркивал центральную роль энергии во всех экономиках: «в сущности, экономическая система предназначена для извлечения, усвоения и преобразования энергии как ресурсов в энергию, воплощенную в товарах и услугах»^[23]. Другими словами, энергия — это единственная по-настоящему универсальная валюта, и без ее трансформации невозможны никакие процессы (от вращения галактик до жизни эфемерных насекомых)^[24].

Учитывая все эти легко проверяемые реалии, трудно понять, почему современная экономика, этот свод объяснений и правил, знатоки которых имеют большее влияние на политику общества, чем любые другие специалисты, в большинстве своем игнорируют энергию. Как отметил Эйрес, в экономике не только отсутствует систематическое осознание значения энергии для физического процесса производства; экономика предполагает, «что энергия не имеет значения (большого), потому что доля затрат на энергию в экономике настолько мала, что ее можно игнорировать… как если бы продукция могла быть произведена только за счет труда и капитала — или как если бы энергия была просто формой созданного руками человека капитала, который может быть произведен (а не добыт) трудом и капиталом»^[25].

Современные экономисты не получают наград и премий, занимаясь энергией, а современные ученые начинают беспокоиться только тогда, когда возникает угроза поставки той или иной коммерческой формы энергии или цены на нее начинают расти. Эту ситуацию иллюстрирует поисковый сервис Ngram Viewer компании Google, позволяющий увидеть популярность терминов, использовавшихся в печатных источниках в период с 1500 по 2019 г. В ХХ в. частота использования термина «стоимость энергии» оставалась пренебрежимо малой до внезапного пика начала 1970-х (вызванного тем, что ОПЕК в пять раз повысила цены на сырую нефть; более подробно об этом чуть ниже), а затем еще одного подъема в начале 1980-х. После снижения цен наблюдался такой же крутой спад частоты упоминаний, и в 2019 г. термин «стоимость энергии» использовался не чаще, чем в 1972 г.

Не обладая хотя бы начальной энергетической грамотностью, невозможно понять, как на самом деле функционирует мир. В этой главе я сначала покажу, как сложно дать определение энергии, но легко сделать весьма распространенную ошибку, спутав ее с мощностью. Мы рассмотрим, как разные виды энергии (каждый со своими преимуществами и недостатками) и разные плотности энергии (энергия на единицу массы или объема, что очень важно для хранения и транспортировки) влияли на разные стадии экономического развития. Кроме того, я предложу реалистичные оценки некоторых труднорешаемых проблем, с которыми сталкивается общество по мере последовательного отказа от ископаемых углеводородов. Как мы увидим, наша цивилизация настолько сильно зависит от ископаемого топлива, что следующий переход займет гораздо больше времени, чем нам кажется.

Что такое энергия?

Как определить это фундаментальное понятие? Греческое происхождение этого слова очевидно. Аристотель в своей «Метафизике» соединил ἔν («в») с ἔργον («работа») и сделал вывод, что существование любого объекта поддерживается ἐνέργεια^[26].

За последующие 2 тысячи лет никаких существенных изменений в понимании энергии не произошло. Затем Исаак Ньютон (1643–1727) сформулировал основные физические законы, связывающие массу, силу и движение, и его второй закон движения позволил определить основную единицу энергии. В терминах современных единиц измерения 1 джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной 1 ньютону на расстояние одного метра в направлении действия силы^[27]. Но это определение относится только к кинетической энергии и явно не дает интуитивного понимания энергии во всех ее формах.

Практическое понимание энергии было значительно расширено в XIX в. благодаря большому количеству экспериментов с горением, теплотой, излучением и движением^[28]. В результате появилось наиболее распространенное определение энергии: «способность производить работу». Это определение правомерно только при условии, что термин «работа» обозначает не только некий вложенный труд, но и, как выразился один из ведущих физиков той эпохи, общий физический «акт изменения конфигурации системы, направленный против силы, сопротивляющейся этому изменению»^[29]. Тем не менее это определение все еще очень похоже на ньютоновское и далеко от интуитивного.

Пожалуй, на вопрос «что такое энергия?» лучше всего ответил один из самых выдающихся и разносторонних физиков XX в. Ричард Фейнман, который в своих знаменитых «Лекциях по физике» со свойственной ему прямотой подчеркнул, что «энергия имеет множество разных форм и для каждой из них есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, электроэнергия, химическая энергия, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы».

А потом сделал обескураживающий, но очевидный вывод:

Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия передается в виде маленьких пилюль. Ничего подобного. Просто имеются формулы для расчета определенных численных величин, сложив которые мы получаем число… всегда одно и то же число. Это нечто отвлеченное, ничего не говорящее нам ни о механизме, ни о причинах появления в формуле различных членов^[30].

Так оно и есть. Мы можем использовать формулы для очень точного вычисления энергии летящей стрелы или реактивного самолета, потенциальной энергии массивного камня, готового скатиться с вершины горы, тепловой энергии, получаемой в результате химической реакции, световой (лучистой) энергии мерцающей свечи или сфокусированного лазера — но не можем свести все эти виды энергии в единое, легко определяемое понятие.

Тем не менее неуловимая природа энергии не смущала армии современных экспертов: с начала 1970-х гг., когда энергия стала темой широкого обсуждения, они с необыкновенным невежеством и вдохновением рассуждали об энергии. Энергия относится к самым трудным для понимания и неверно интерпретируемым понятиям, и плохое знание основ привело к многочисленным иллюзиям и заблуждениям. Как мы видели, энергия существует в разных видах, и, для того чтобы извлечь из нее пользу, необходимо преобразовать один ее вид в другой. Но раньше эту многогранную абстракцию рассматривали как нечто целое, словно разные виды энергии легко взаимозаменяемы.

Некоторые из этих замен на самом деле относительно просты и полезны. Польза от замены свечей (в них химическая энергия воска превращается в лучистую энергию) электрическими лампочками, для которых требуется электроэнергия, вырабатываемая паровыми турбинами (химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепло, а затем в электрическую энергию, которая затем превращается в лучистую энергию), совершенно очевидна — безопаснее, ярче, дешевле и надежнее. Замена паровозов и тепловозов электровозами обеспечила более дешевую, чистую и быструю перевозку грузов и людей: все скоростные поезда электрические. Но многие желательные замены остаются дорогостоящими, нереализуемыми в настоящее время или невозможными в требуемых масштабах — независимо от того, как громко рекламируются их достоинства.

Самым распространенным примером из этой категории являются электромобили: в настоящее время они доступны, а лучшие модели достаточно надежны, но в 2020 г. они все еще были дороже автомобилей того же класса с двигателем внутреннего сгорания. Что касается второй категории, то в следующей главе я подробно расскажу о том, что синтез аммиака, необходимого для производства азотных удобрений, в настоящее время в значительной степени зависит от природного газа как источника водорода. Водород можно получить путем разложения (электролиза) воды, но этот способ почти в пять раз дороже, чем процесс извлечения водорода из весьма распространенного и дешевого метана, — масштабное промышленное производство водорода нам еще предстоит создать. Ярчайшим примером последней категории может служить использование самолетов на электрической тяге для дальних перелетов (эквивалент Boeing 787 с керосиновыми двигателями для путешествия из Нью-Йорка в Токио): как мы убедимся, это преобразование энергии еще долго будет оставаться нереалистичным.

Первый закон термодинамики утверждает, что при преобразовании энергии не происходит ее потерь: из химической в химическую при переваривании пищи, из химической в механическую при сокращении мышц, из химической в тепловую при сжигании природного газа, из тепловой в механическую при вращении турбины, из механической в электрическую внутри генератора или из электрической в электромагнитную в виде света, освещающего страницу этой книги. Тем не менее любое преобразование энергии приводит к рассеиванию тепла: энергия не теряется, но уменьшается ее полезность, способность совершать нужную нам работу (второй закон термодинамики)^[31].

Все виды энергии можно измерять в одних и тех же единицах; в естественных науках используют джоуль, а в работах по диетологии — калорию. В следующей главе, где я подробно расскажу о масштабных энергетических субсидиях в современную пищевую промышленность, мы столкнемся с разными свойствами энергии, имеющими жизненно важное значение. Производство курятины требует энергии, во много раз превышающей ту, что содержится в пригодном для еды мясе. Мы можем подсчитать уровень субсидий в виде отношения энергий (затраченные джоули/полученные джоули), однако между затраченной энергией и результатом существует очевидная разница: мы не можем питаться соляркой или электричеством, тогда как нежирное куриное мясо представляет собой почти идеальную пищу, содержащую высококачественный белок, необходимый макроэлемент, который невозможно заменить эквивалентным количеством энергии из жиров или углеводов.

Когда речь идет о преобразовании энергии, перед нами открывается широкий выбор, причем разные способы обладают разной эффективностью. Высокая плотность химической энергии в керосине и дизельном топливе подходит для межконтинентальных перелетов или морских перевозок, но, если вы хотите, чтобы подводная лодка пересекла Тихий океан, не всплывая на поверхность, лучшим решением будет расщепление урана в маленьком реакторе для выработки электричества^[32]. А на земле крупные ядерные реакторы являются наиболее надежными источниками электричества: некоторые из них вырабатывают электроэнергию 90–95 % времени, тогда как для лучших морских ветряных турбин этот показатель не превышает 45 %, а для фотоэлементов — 25 % даже в самом солнечном климате (в Германии солнечные панели вырабатывают электроэнергию только около 12 % времени)^[33].

Все это элементарная физика или электротехника, но эти реалии игнорируются на удивление часто. Еще одна распространенная ошибка — путать энергию и мощность, и такое происходит еще чаще. Эта ошибка выдает незнание основ физики, и, к сожалению, ее совершают не только дилетанты. Энергия — это скаляр, и в физике характеризуется только величиной; скалярными также являются такие известные величины, как объем, масса, плотность, время. Мощность характеризует энергию в единицу времени и поэтому аналогична скорости (в физике скорость указывает на изменения, обычно в единицу времени). Установки, вырабатывающие электроэнергию, как правило, характеризуются мощностью, но мощность — это всего лишь скорость производства или потребления энергии. Мощность вычисляется делением энергии на время: единица ее измерения, используемая в науке, называется ватт = джоуль/секунда. Энергия равняется мощности, умноженной на время: джоули = ватты × секунды. Если вы зажжете маленькую свечку в католическом соборе, она может гореть 15 часов, преобразуя химическую энергию воска в тепло (тепловую энергию) и свет (электромагнитную энергию), а ее средняя мощность составит почти 40 Вт^[34].

К сожалению, даже в технической литературе встречаются такие абсурдные выражения, как «электростанция вырабатывает 1000 МВт электроэнергии». Электростанция может иметь установленную мощность 1000 мегаватт — то есть вырабатывать столько электричества, — но при этом произведет 1000 мегаватт-часов или (в единицах, используемых в науке) 3,6 триллиона джоулей энергии в час (1 000 000 000 Вт × 3600 секунд). Аналогичным образом скорость основного обмена веществ взрослого мужчины (энергия, необходимая для поддержания всех функций организма в полном покое) составляет около 80 Вт, или 80 джоулей в секунду; мужчине весом 70 килограммов, неподвижно лежащему весь день, потребуется приблизительно 7 мегаджоулей (80 × 24 × 3600) пищевой энергии, или около 1650 килокалорий, чтобы поддерживать температуру тела, обеспечивать сокращение сердца, а также осуществлять мириады ферментативных реакций^[35].

В последнее время непонимание сути энергии привело к тому, что сторонники нового «зеленого» мира наивно призывают к почти мгновенному переходу от мерзкого грязного ископаемого топлива, запасы которого ограниченны, к более совершенному, не загрязняющему окружающую среду и возобновляемому солнечному электричеству. Но жидкие углеводороды, извлекаемые из сырой нефти (бензин, авиационный керосин, дизельное топливо, мазут) обладают наибольшей плотностью энергии из всех доступных источников и поэтому больше всего подходят для всех видов транспорта. Вот как выглядит лестница плотности энергии (в гигаджоулях на тонну): сухое дерево — 16, битуминозный уголь (в зависимости от качества) — 24–30, керосин и дизельное топливо — около 46. В терминах объема плотность энергии (все величины в гигаджоулях на кубический метр) дерева — 1, качественного угля — 26, керосина — 38. Плотность энергии природного газа (метана) составляет всего лишь 35 МДж/м³ — менее 1/1000 плотности энергии керосина^[36].

Значение плотности энергии — а также физических свойств топлива — для транспорта очевидно. Океанские лайнеры с паровыми турбинами не сжигают дерево, поскольку при прочих равных условиях дерево займет в 2,5 раза больший объем, чем качественный битуминозный уголь, необходимый для пересечения океана (и будет как минимум на 50 % тяжелее), что значительно уменьшит эффективность перевозки людей и товаров. Самолеты на природном газе нереализуемы, потому что плотность энергии у метана на три порядка меньше, чем у авиационного керосина; уголь тоже не подходит — разница в плотности энергии не столь велика, но он не потечет из расположенных в крыльях баков к двигателям.

Преимущества жидкого топлива не ограничиваются высокой плотностью энергии. В отличие от угля, сырую нефть гораздо легче добывать (нет нужды отправлять шахтеров под землю или портить ландшафт карьерами), хранить (в цистернах или под землей, поскольку из-за гораздо более высокой плотности энергии сырой нефти любое замкнутое пространство вмещает на 75 % больше энергии в виде жидкого топлива, чем в виде угля) и перемещать (танкерами или с помощью трубопроводов, самого безопасного вида транспортировки на большие расстояния), и поэтому она легко доступна там, где в ней возникает потребность^[37]. Сырая нефть требует перегонки, чтобы разделить сложную смесь углеводородов на фракции (бензин является самой легкой фракцией, мазут — самой тяжелой), но этот процесс позволяет получить более ценные виды топлива для конкретных нужд, а также незаменимые побочные продукты, такие как смазочные масла.

Смазка нужна для минимизации трения во всех движущихся механизмах, от громадных турбореактивных двигателей широкофюзеляжных авиалайнеров до миниатюрных подшипников^[38]. Самым крупным потребителем смазочных материалов является автомобильный сектор (в настоящее время на дорогах мира насчитывается более 1,4 миллиарда автомобилей), следующей идет промышленность (самые большие рынки — текстильная, энергетическая, химическая и пищевая), затем океанские суда. Ежегодное потребление смазочных материалов превышает 120 мегатонн (для сравнения: суммарное производство всех пищевых масел, от оливкового до соевого, составляет около 200 мегатонн в год), а поскольку доступная альтернатива — синтетическая смазка, изготовленная из более простых, но, как правило, тоже получаемых из нефти компонентов, а не непосредственно из сырой нефти, — обходится дороже, потребность в них будет расти по мере роста промышленности во всем мире.

Еще один продукт, получаемый из сырой нефти, — асфальт. В настоящее время в мире производится порядка 100 мегатонн этого черного липкого материала; 85 % используется для дорожного покрытия (горячие и теплые асфальтовые смеси), остальное для кровли^[39]. Есть и другие способы использования углеводородов не в качестве топлива. Они — незаменимое сырье для самых разных процессов химического синтеза (в основном получения этана, пропана и бутана из сжиженного природного газа), при производстве синтетических волокон, смол, клеящих веществ, красок и покрытий, растворителей и пестицидов — без всего этого современный мир не может существовать^[40]. Учитывая эти преимущества и полезные свойства, совершенно очевидно — и неизбежно, — что наша зависимость от сырой нефти будет расти по мере ее удешевления и возможности доставки в любую точку мира.

Переход от угля к сырой нефти растянулся на несколько поколений. Промышленная добыча сырой нефти началась в 1850-х гг. в России, Канаде и США. Скважины, которые бурили древним ударным способом, когда тяжелый буровой снаряд забивается в почву, были неглубокими, а главным продуктом примитивной перегонки нефти оставался керосин для ламп (который заменил китовую ворвань и свечи)^[41]. Новые рынки для продуктов перегонки нефти появились только после широкого распространения двигателей внутреннего сгорания: сначала изобрели бензиновые двигатели (с использованием цикла Отто) для легковых автомобилей, автобусов и грузовиков, затем более эффективные двигатели конструкции Рудольфа Дизеля, топливом для которых служила более тяжелая и дешевая фракция (солярка, как вы уже догадались) и которые ставились преимущественно на суда, грузовики и тяжелое машинное оборудование (более подробно об этом см. главу 4, посвященную глобализации). Распространение этих новых первичных двигателей было медленным, и до Второй мировой войны количество владельцев личных автомобилей быстро росло только в США и Канаде.

Сырая нефть стала глобальным топливом и в конечном итоге самым главным источником первичной энергии благодаря открытию гигантских нефтяных месторождений на Ближнем Востоке и в СССР — и, разумеется, благодаря появлению больших танкеров. Некоторые крупные месторождения на Ближнем Востоке начали разрабатывать еще в 1920-х и 1930-х гг. (иранский Гечсаран и иракский Киркук в 1927 г., кувейтский Бурган — в 1937 г.), но большинство были открыты после войны, в том числе Гавар (крупнейшее в мире) в 1948 г., Сафания в 1951 г. и Манифа в 1957 г. — все в Саудовской Аравии. В Советском Союзе самые богатые нефтяные месторождения были открыты в 1948 г. (Ромашкинское в Волго-Уральской нефтегазоносной области) и в 1965 г. (Самотлорское в Западной Сибири)^[42].

Рост и относительное падение спроса на сырую нефть

Массовое производство легковых автомобилей в Европе и Японии и сопутствующий перевод экономик этих стран с угля на сырую нефть, а впоследствии на природный газ началось только в 1950-х гг. — одновременно с расширением международной торговли и путешествий (в том числе на новых реактивных лайнерах), а также с использованием нефтехимического сырья для производства аммиака и пластика. В 1950-х гг. мировая добыча сырой нефти удвоилась, а в 1964 г. сырая нефть заменила уголь как главное ископаемое топливо. Добыча постоянно увеличивалась, спрос удовлетворялся, и цены падали. В фиксированных ценах (скорректированных с учетом инфляции) мировая цена на нефть в 1950 г. была ниже, чем в 1940-м, в 1960 г. — ниже, чем в 1950-м, а в 1970 г. — ниже, чем в 1960-м^[43].

Неудивительно, что спрос генерировали все сектора экономики. Собственно, сырая нефть была такой дешевой, что отсутствовали стимулы для ее эффективного использования: дома американцев в регионах с холодным климатом обогревали нефтяными горелками, но строили с одинарными стеклами и без дополнительного утепления; средний КПД американских машин снизился за период с 1933 по 1973 г., а отрасли с высоким энергопотреблением продолжали использовать процессы с низкой энергоэффективностью^[44]. Наиболее показательный пример — в Америке темп замены старых мартеновских печей на более совершенные кислородные конвертеры для производства стали был гораздо ниже, чем в Японии и Западной Европе.

В конце 1960 г. в Америке спрос на нефть, и без того высокий, повысился на 25 %, а во всем мире — почти на 50 %. В период с 1965 по 1973 г. спрос на нефть в Европе почти удвоился, а японский импорт увеличился в 2,3 раза^[45]. Как отмечалось выше, открытие новых месторождений позволяло удовлетворить рост спроса, и нефть продавалась практически по той же цене, что и в 1950 г. Но такая ситуация не могла сохраняться слишком долго. В 1950 г. на США приходилось около 53 % мировой добычи нефти; в 1970 г. эта доля упала до 23 % — хотя страна еще оставалась крупнейшим производителем, было очевидно, что придется наращивать импорт — тогда как на Организацию стран — экспортеров нефти (ОПЕК) приходилось 48 % мировой добычи.

Время играло на стороне ОПЕК, основанной в 1960 г. в Багдаде пятью странами с целью предотвратить дальнейшее падение цен на нефть: в 1960-х гг. организация была недостаточно сильной, чтобы оказывать существенное влияние, но к 1970 г. ее доля в мировой добыче нефти, а также снижение добычи в США (пик пришелся на 1970 г.) уже не позволяли игнорировать ее требования^[46]. В апреле 1972 г. Техасская железнодорожная комиссия сняла ограничения на добычу нефти в штате и таким образом отказалась от контроля над ценами, существовавшего с 1930-х гг. В 1971 г. Алжир и Ливия приступили к национализации добычи нефти; в 1972 г. их примеру последовал Ирак, и в том же году Кувейт, Катар и Саудовская Аравия начали постепенно забирать себе нефтяные месторождения — до сих пор они находились в руках иностранных корпораций. Затем в апреле 1973 г. США сняли ограничения на импорт сырой нефти к востоку от Скалистых гор. Неожиданно цены на рынке начал диктовать продавец, и 1 октября 1973 г. ОПЕК подняла официальную цену на 16 %, до 3,01 доллара за баррель, а после победы Израиля над Египтом и Сирией на Синайском полуострове в октябре 1973 г. шесть арабских стран Персидского залива подняли цену еще на 17 % и установили эмбарго на экспорт нефти в США.

1 января 1974 г. страны Персидского залива подняли официальную цену до 11,65 доллара за баррель, то есть всего за один год стоимость главного источника энергии увеличилась в 4,5 раза, и в результате закончилась эпоха быстрого экономического развития, движущей силой которой была дешевая нефть. С 1950 по 1973 г. ВВП Европы почти утроился, а в США при жизни одного поколения ВВП увеличился более чем в два раза. В период с 1973 по 1975 г. темпы мирового экономического роста снизились почти на 90 %, а когда экономики, пострадавшие от высоких цен на нефть, начали приспосабливаться к новым реалиям — прежде всего впечатляющим ростом энергоэффективности в промышленности, — исламская революция в Иране (падение монархии и приход к власти фундаменталистской теократии) привела ко второй волне роста нефтяных цен, с 13 долларов в 1978 г. до 32 долларов в 1981 г., и еще 90-процентному спаду темпов мирового экономического роста в период с 1979 по 1982 г.^[47].

Цена нефти более 30 долларов за баррель уничтожила спрос, и к 1986 г. нефть снова продавалась по 13 долларов за баррель, что создало условия для очередного раунда глобализации — на этот раз с центром в Китае, быструю модернизацию которого обеспечили экономические реформы Дэн Сяопина и значительные иностранные инвестиции. Два поколения спустя только те, кто пережил эти годы хаоса цен и поставок (или те немногие, кто изучал последствия), могли понять, насколько травматичными были эти две волны роста цен. Последствия экономических спадов ощущаются и сегодня, спустя несколько десятилетий, поскольку, когда спрос на нефть стал расти, многие меры экономии остались, а некоторые — в частности, переход к более эффективному использованию энергии в промышленности — продолжали совершенствоваться^[48].

В 1995 г. добыча сырой нефти наконец превысила рекорд 1979 г. и продолжила рост, отвечая на спрос со стороны реформирующейся экономики Китая, а также на повышение спроса во всей Азии, — однако относительное доминирование сырой нефти, отмечавшееся до 1975 г., так и не восстановилось^[49]. Ее доля в коммерческих поставках первичных источников энергии сократилась с 45 % в 1970 г. до 38 % в 2000 г. и до 33 % в 2019 г., и теперь совершенно очевидно, что с ростом потребления природного газа и выработки электричества ветряными и солнечными электростанциями эта тенденция продолжится. Производство электроэнергии с помощью фотоэлементов и ветряных турбин обладает огромным потенциалом, но нельзя забывать о фундаментальной разнице между системами, получающими 20–40 % электроэнергии от этих нестабильных источников (среди крупных экономик яркими примерами таких систем могут служить Германия и Испания), и национальными энергосистемами, зависящими от них полностью.

В больших густонаселенных странах полный переход на эти возобновляемые источники потребует того, чего у нас до сих пор нет: либо устройств для масштабного и долговременного (от дней до недель) хранения электроэнергии, которые будут защищать от перебоев в выработке электричества, либо густой сети высоковольтных линий для передачи электроэнергии между часовыми поясами, а также из солнечных и ветреных регионов в крупные города и промышленные центры. Смогут ли эти новые возобновляемые источники вырабатывать достаточно электричества, чтобы заменить не только сегодняшнее производство, основанное на угле и природном газе, но также всю энергию, которая в виде жидкого топлива поступает машинам, кораблям и самолетам, если полностью перейти на электротранспорт? И возможно ли это сделать — как теперь обещают многие — всего за два или три десятилетия?

Многочисленные преимущества электричества

Если энергия, как утверждал Фейнман, всего лишь «абстракция», то электричество — одна из самых абстрактных ее форм. Для того чтобы понять или непосредственно ощутить разные виды энергии, различать их и пользоваться их преобразованием, не обязательно обладать научными знаниями. Твердое или жидкое топливо (химическая энергия) можно пощупать (ствол дерева, кусок угля, канистра бензина), а его горение — лесной пожар, костер в пещере в эпоху палеолита, топка паровоза или двигатель внутреннего сгорания — высвобождает тепло (тепловую энергию). Падающая и текущая вода — наглядный пример гравитационной и кинетической энергии, которую довольно легко преобразовать в полезную кинетическую (механическую) энергию, соорудив простые деревянные водяные колеса, — а для того, чтобы преобразовать кинетическую энергию ветра в механическую энергию для помола зерна или выжимки масла, необходим ветряк и деревянные шестерни, передающие движение жерновам.

Но электричество неосязаемо, и мы не можем интуитивно понять его так же, как указанные выше виды топлива. Однако мы видим его проявления в виде статического электричества, искр, молний; мы способны почувствовать слабый ток, а ток, сила которого превышает 100 миллиампер, может стать смертельным. Обычные определения электричества невозможно понять на интуитивном уровне, и они требуют предварительного знакомства с такими терминами, как «электроны», «поток», «заряд» и «ток». Фейнман в своем первом томе знаменитых «Лекций по физике» дает достаточно поверхностное определение — «имеется энергия электрическая, связанная с притяжением и отталкиванием электрических зарядов», — но когда возвращается к этому вопросу во втором томе, подробно рассматривая механическую и электрическую энергию, а также постоянный ток, то уже прибегает к дифференциальному исчислению^[50].

Для большинства наших современников мир состоит из черных ящиков, внутреннее устройство которых остается — в разной степени — загадкой для пользователей. Электричество можно рассматривать как вездесущий и всеобъемлющий черный ящик: многие люди довольно хорошо представляют, что является его источником (сгорание ископаемого топлива на большой тепловой электростанции, падение воды на гидроэлектростанции, солнечное излучение, поглощаемое фотоэлектрическими ячейками, расщепление урана в реакторе), и все извлекают пользу из результата (свет, тепло, движение), но лишь меньшинство полностью понимает, что происходит внутри генераторов, трансформаторов, линий электропередачи и устройств, которыми мы пользуемся.

Самое распространенное естественное проявление электричества — молния — является слишком мощным, слишком скоротечным (доли секунды) и слишком разрушительным для использования. Каждый из нас способен произвести крошечные порции статического электричества, потерев друг о друга соответствующие материалы, или пользоваться маленькими аккумуляторами, которые без подзарядки обеспечивают несколько часов работы фонарика или портативной электроники, но выработка электричества для массового коммерческого использования — это дорогостоящее и сложное дело. Не менее сложна и передача электричества от генерирующих мощностей до мест и регионов максимального использования — к городам, промышленным предприятиям и скоростному электротранспорту. Для нее требуются повышающие трансформаторы и обширная сеть высоковольтных линий электропередачи, а затем понижающие трансформаторы и низковольтные электрические сети, воздушные или подземные, для доставки к миллиардам потребителей.

Даже в нашу эпоху высокотехнологичных электронных чудес мы не можем позволить себе хранить электричество в масштабах, достаточных для удовлетворения потребностей среднего по размеру города (с населением 500 тысяч человек) в течение одной или двух недель или обеспечивать электроэнергией мегаполис (более 10 миллионов человек) даже полдня^[51]. Но, несмотря на эти сложности, высокую стоимость и технические проблемы, мы пытались электрифицировать современную экономику, и движение к электрификации продолжится, поскольку эта форма энергии обладает множеством уникальных преимуществ. Самое очевидное заключается в том, что в месте конечного потребления она простая в использовании, чистая, а в большинстве случаев и чрезвычайно эффективная. Щелчком выключателя, нажатием кнопки или поворотом ручки термостата (сегодня зачастую достаточно жеста или голосовой команды) мы включаем освещение, электродвигатели, нагреватели и кондиционеры — ни громоздких запасов топлива, ни трудозатрат на переноску и складирование, ни опасности неполного сгорания (когда вырабатывается ядовитый угарный газ), ни необходимости чистки ламп, плит или котлов.

Электричество — наилучший вид энергии для освещения: у него нет конкурентов ни в частных домах, ни в общественных местах. Лишь немногие изобретения оказали такое влияние на современную цивилизацию, как возможность убрать ограничения светового дня и осветить темное время суток^[52]. Все предыдущие альтернативы, от древних восковых свечей и масляных ламп до первых газовых и керосиновых светильников индустриальной эпохи, были ненадежными, дорогостоящими и в высшей степени неэффективными. Наиболее наглядным будет сравнение источников света с точки зрения их светоотдачи — способности испускать видимый свет, измеренной как отношение излучаемого светового потока (в люменах) к потребляемой мощности (в ваттах). Если принять светоотдачу свечи за 1, то светильники на каменноугольном газе первых лет индустриализации превосходили ее в 5–10 раз. До Первой мировой войны электрические лампочки с вольфрамовой нитью накаливания обеспечивали светоотдачу порядка 60. У современных люминесцентных ламп светоотдача в 500 раз выше, чем у свечи, а у натриевых ламп (используемых для уличного освещения) — в 1000 раз выше^[53].

Трудно сказать, какой вид преобразователей электричества оказал большее влияние на наш мир — лампы или двигатели. Преобразование электричества в кинетическую энергию с помощью электродвигателей совершило переворот практически во всех отраслях промышленности, а затем проникло в каждый дом. Были почти полностью электрифицированы ручные операции, а также производственные процессы, где раньше использовались паровые машины — подъемники, прессы, режущие механизмы, ткацкие станки и т. д. В Соединенных Штатах этот процесс занял всего четыре десятилетия — после появления первых двигателей переменного тока^[54]. В 1930 г. электропривод почти удвоил производительность труда в американской промышленности, а к концу 1960-х гг. этот показатель снова удвоился^[55]. Одновременно электродвигатели начали завоевывать рельсовый транспорт: сначала электрическими стали трамваи, а затем и пассажирские поезда.

В настоящее время во всех экономиках доминирующее положение занимает сектор услуг, а его работа полностью зависит от электричества. Электродвигатели приводят в движение лифты и эскалаторы, обеспечивают работу кондиционеров, открывают двери, прессуют мусор. Они также незаменимы для электронной торговли, поскольку приводят в движение лабиринты конвейеров на гигантских складах. Но самые распространенные устройства люди не видят, хотя пользуются ими ежедневно. Это крошечные моторы, создающие вибрацию в мобильных телефонах: самый миниатюрный из них имеет размеры 4 × 3 мм, а его ширина не превышает половины ширины ногтя на мизинце взрослого человека. Увидеть его можно только разобрав телефон или посмотрев видеоролик с этой операцией^[56].

В некоторых странах практически весь железнодорожный транспорт электрифицирован, а высокоскоростные поезда (до 300 км/ч) приводятся в движения либо электрическими локомотивами, либо электродвигателями, установленными в нескольких местах, как в инновационной японской системе «Синкансэн», первый поезд которой был запущен в 1964 г.^[57]. Даже в недорогих автомобилях насчитывается от 20 до 40 маленьких электродвигателей — а в роскошных еще больше, — что увеличивает вес машины и нагрузку на аккумуляторы^[58]. В жилых домах кроме освещения и питания всех электронных приборов (в их число теперь входят и системы сигнализации) электричество выполняет механическую работу, обеспечивает работу плит и холодильников на кухне, нагревает воду, а во многих случаях и сам дом^[59].

Без электричества во всех городах была бы недоступна питьевая вода, а также жидкое и газообразное топливо. Мощные насосы качают воду в водопроводную систему, а в городах с высокой плотностью населения или крупными промышленными предприятиями воду приходится поднимать на огромную высоту^[60]. Электродвигателями оснащены все топливные насосы, необходимые для перекачки бензина, керосина и дизеля в баки автомобилей и самолетов. Большое количество природного газа поставляется по трубопроводам — для перекачки топлива часто используются газовые турбины, — но в Северной Америке, где преобладает воздушное отопление, маленькие электродвигатели вращают вентиляторы, которые гонят по трубам воздух, нагретый с помощью природного газа^[61].

Долгосрочная тенденция к электрификации общества (растет доля топлива, которое преобразуют в электричество вместо непосредственного использования) не подлежит сомнению. Новые возобновляемые источники — солнце и ветер, в отличие от гидроэлектростанций, первая из которых появилась в 1882 г., — готовы подключиться к этому процессу, но история производства электроэнергии напоминает, что его сопровождают многочисленные сложности. Кроме того, несмотря на огромное и постоянно растущее значение электричества, на него все еще приходится небольшая часть глобального энергопотребления, всего 18 %.

Прежде чем щелкнуть выключателем

Чтобы оценить основы, инфраструктуру и наследие 140 лет развития производства элекроэнергии, нужно вернуться к самому началу. Промышленную выработку электричества начали в 1882 г. три пионера этой индустрии. Это были две электростанции на угле, спроектированные Томасом Эдисоном (станция на Холнборском виадуке в Лондоне начала работу в январе 1882 г., а на Перл-стрит в Нью-Йорке — в сентябре 1882 г.), и первая гидроэлектростанция на реке Фокс в Аплтоне, в штате Висконсин, также давшая первый ток в сентябре 1882 г.^[62]. В 1890-х гг. объем производства электричества быстро увеличивался — благодаря переходу на передачу переменного тока вместо постоянного и распространению в промышленности и в домашнем хозяйстве новых электродвигателей переменного тока. В 1900 г. для выработки электричества использовали меньше 2 % мировой добычи ископаемого топлива; в 1950 г. эта доля еще не превышала 10 %, а сегодня приближается к 25 %^[63].

Мощности гидроэлектростанций значительно возросли в 1930-х гг., когда в США и СССР были реализованы крупные финансируемые государством проекты; новые высоты были достигнуты после Второй мировой войны, а кульминацией стали рекордные по своим размерам комплексы в Бразилии («Итайпу», завершена в 2007 г., 14 гигаватт) и Китае («Три ущелья», завершена в 2012 г., 22,2 гигаватта)^[64]. Тем временем развивалась атомная энергетика (первой промышленной атомной электростанцией стала Обнинская АЭС, запущенная в 1954 г., первой коммерческой — британская «Колдер-Холл» в 1956-м), она пережила период бурного развития в 1980-х гг. и достигла пика в 2006 г., а затем последовал небольшой спад, и в настоящее время на нее приходится около 10 % глобального производства электроэнергии^[65]. В 2020 г. на долю гидроэлектростанций приходилось почти 20 %, на солнечную и ветроэнергетику — почти 7 %; остальную электроэнергию (приблизительно две трети) вырабатывали крупные электростанции, работающие на угле и природном газе.

Неудивительно, что спрос на электроэнергию рос гораздо быстрее, чем на все остальные виды коммерческих энергоресурсов: за 50 лет, с 1970 по 2020 г., выработка электроэнергии увеличилась в пять раз, а совокупный спрос на первичную энергию вырос только втрое^[66]. По мере того как росла доля городского населения, увеличивалась и базовая нагрузка — минимальное количество электроэнергии, которое должно потребляться в день, месяц или год. Несколько десятилетий назад спрос на электроэнергию в Америке был минимален летними ночами, когда закрывались заводы и магазины, останавливался общественный транспорт, а большинство населения спало с открытыми окнами. Теперь окна закрываются и в ночи гудят кондиционеры, чтобы было комфортно спать в жаркую и влажную погоду; в крупных городах и мегаполисах многие предприятия работают в две смены, а магазины и аэропорты открыты 24 часа в сутки. Лишь COVID-19 остановил круглосуточную работу метро в Нью-Йорке, а токийская подземка закрывается только на пять часов (первый поезд со станции Токио отправляется в Синдзюку в 5:16, а последний — в 0:20)^[67]. Ночные спутниковые снимки, снятые с разницей в несколько лет, показывают, как улицы, парковки и здания сияют все ярче и освещенные области увеличиваются, зачастую объединяя соседние города и образуя огромные, ярко освещенные агломерации^[68].

Чрезвычайно высокая надежность электроснабжения — управляющие сетями говорят о желательности достижения «шести девяток»: при надежности 99,9999 перерыв в энергоснабжении не превышает 32 секунд в год! — это необходимость в обществах, где электричество является источником энергии буквально для всего, от освещения (больницы, автострады, указатели аварийного выхода) до аппаратов искусственного дыхания и огромного количества производственных процессов^[69]. Эпидемия COVID-19 стала причиной несчастий, страданий и неизбежных смертей, но эти бедствия меркнут по сравнению с несколькими днями серьезных сбоев в электроснабжении любого густонаселенного региона, а если сбои распространятся на всю страну и продлятся несколько недель, это будет катастрофа с беспрецедентными последствиями^[70].

Декарбонизация: темп и масштаб

В земной коре достаточно ископаемого топлива, и можно не опасаться быстрого истощения запасов угля и углеводородов: при сохранении добычи на уровне 2010 г. запасов угля хватит приблизительно на 120 лет, нефти и газа — на 50 лет, а продолжающаяся разведка переведет большую их часть из ресурсов в категорию резервов (технически и экономически доступные). Ископаемое топливо создало современный мир, но озабоченность относительно большой скоростью глобального потепления привела к все более громким призывам как можно скорее избавиться от ископаемых углеводородов. В идеале декарбонизация энергопотребления должна происходить достаточно быстро, чтобы ограничить глобальное потепление 1,5 °C (в худшем случае 2 °C). Согласно большинству климатических моделей, это значит, что необходимо к 2050 г. снизить до нуля глобальные выбросы CO₂, а затем до конца столетия поддерживать их отрицательный уровень.

Обратите внимание на главную особенность этих моделей: целью является не полная декарбонизация, а «нулевой баланс», или углеродная нейтральность. Это определение предполагает, что продолжающаяся эмиссия CO₂ будет компенсироваться его изъятием (по еще не существующей технологии) из атмосферы и хранением под землей или такими временными мерами, как масштабная посадка деревьев^[71]. К 2020 г. установка цели «нулевого баланса» на годы, заканчивающиеся цифрами 5 или 0, превратилось в настоящее соревнование: к этой гонке присоединились более 100 стран — от Норвегии в 2030 г. и Финляндии в 2035 г. до всего Европейского союза, Канады, Японии и Южной Африки в 2050 г., а также Китая (самого крупного потребителя ископаемого топлива) в 2060 г.^[72]. Учитывая тот факт, что выбросы CO₂ от сжигания ископаемого топлива в 2019 г. превысили 37 миллиардов тонн, цель достижения нулевого баланса требует беспрецедентного энергетического перехода — как по темпам, так и по масштабу. Пристальный взгляд на его ключевые компоненты открывает огромные трудности.

Быстрее всего можно провести декарбонизацию выработки электричества, поскольку затраты на установку солнечных батарей и ветрогенераторов теперь сравнимы с самыми дешевыми способами использования ископаемого топлива, а некоторые страны уже в значительной степени совершили этот переход. Самым показательным примером среди крупных экономик является Германия: с 2000 г. мощности солнечных и ветряных электростанций увеличились в 10 раз, а доля возобновляемой энергии (ветряной, солнечной и гидро-) в общем балансе — с 11 до 40 %. Нестабильность производства энергии солнечными и ветряными электростанциями не создает проблем, пока эти новые возобновляемые источники покрывают относительно небольшую часть спроса или пока нехватку электроэнергии можно компенсировать за счет импорта.

В результате многие страны теперь получают до 15 % электроэнергии от нестабильных источников, не прибегая к серьезным изменениям, а Дания демонстрирует, что на относительно небольшом и хорошо взаимосвязанном рынке эта доля может быть значительно больше^[73]. В 2019 г. 45 % электроэнергии страна получала от ветряных станций, и эта необыкновенно высокая доля могла поддерживаться без больших национальных резервных мощностей, поскольку любой дефицит можно было без труда компенсировать импортом из Швеции (гидроэлектростанции и атомные электростанции) и Германии (разные источники электроэнергии). В Германии такое невозможно: спрос на электроэнергию здесь в 20 раз выше, чем в Дании, и страна должна иметь достаточно резервных мощностей, которые можно активировать при снижении выработки электроэнергии от новых возобновляемых источников^[74]. В 2019 г. Германия выработала 577 тераватт-часов электричества, всего лишь на 5 % больше, чем в 2000 г., — но ее генерирующие мощности увеличились приблизительно на 73 % (с 121 до почти 209 гигаватт). Причина такой разницы очевидна.

В 2020 г., через 20 лет после начала Energiewende, ускоренного энергетического перехода, Германия все еще сохранила большую часть мощностей, использующих ископаемое топливо (89 %), чтобы удовлетворить спрос на электричество в пасмурные и безветренные дни. В не слишком солнечной Германии фотоэлектрические панели работают в среднем 11–12 % времени, и в 2020 г. сжигание ископаемого топлива давало почти половину (48 %) всей электроэнергии. Более того, доля ветроэнергетик увеличивалась, а строительство высоковольтных линий для передачи электричества из ветреных северных регионов в южные запаздывало. А в США, где требуются гораздо более масштабные проекты по передаче электричества от ветряных генераторов Великих Равнин или солнечных электростанций юго-запада страны к прибрежным регионам с высоким спросом, долгосрочные планы по строительству этих линий передачи так и не были реализованы^[75].

При всех трудностях этих проектов они основаны на технически зрелых (и постоянно совершенствующихся) решениях — то есть на более эффективных фотоэлементах, больших сухопутных и морских ветряных турбинах и высоковольтной передаче (в том числе магистральной с использованием постоянного тока). При устранении таких препятствий, как стоимость, процесс получения разрешений и протесты местных жителей, эти технологии внедряются достаточно быстро и дешево. Более того, проблемы нестабильности получения солнечной и ветряной электроэнергии могут быть разрешены с помощью возвращения к атомным электростанциям. Возрождение атомной энергетики будет особенно полезным, если мы не сумеем быстро найти более эффективные способы масштабного хранения электроэнергии.

Нам требуются очень вместительные (на десятки и сотни гигаватт-часов) хранилища для больших городов и мегаполисов, но до сих пор единственным реализуемым вариантом является система гидроаккумуляции: более дешевая электроэнергия, вырабатываемая в ночное время, используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний, расположенный на возвышенности, и при необходимости спуск воды мгновенно обеспечивает производство электроэнергии^[76]. Возобновляемые источники позволят перекачивать воду, когда доступен избыток электроэнергии от солнца и ветра, но совершенно очевидно, что гидроаккумуляция реализуема лишь в местах, где есть необходимый перепад высот; кроме того, при перекачке воды наверх потребляется примерно четверть вырабатываемого электричества. Мощность других средств хранения энергии, таких как электрические аккумуляторы, сжатый воздух и суперконденсаторы, на несколько порядков меньше, чем требуется большим городам, даже для одного дня^[77].

В отличие от хранилищ электроэнергии, ядерные реакторы — при должной конструкции и тщательном обслуживании — обеспечивают безопасный, долговременный и высоконадежный способ генерации электроэнергии; как уже отмечалось выше, они способны работать более 90 % времени, а их срок службы превышает 40 лет. Тем не менее будущее атомной энергетики остается неопределенным. Только Китай, Индия и Южная Корея намерены и дальше расширять ее мощности. На Западе сочетание высоких капитальных затрат, серьезных задержек в строительстве и доступности более дешевых альтернатив (природный газ в США, ветер и солнце в Европе) снизили привлекательность новых атомных станций. Более того, новые американские реакторы — маленькие, модульные и безопасные (впервые предложенные в 1980-х гг.) — до сих пор не запущены в коммерческое производство, а Германия, принявшая решение отказаться от всей атомной энергетики к 2022 г., служит показательным примером широко распространенного в Европе неприятия этого вида производства электроэнергии (оценку реальных рисков атомных электростанций см. в главе 5).

Но ситуация может измениться: в настоящее время даже Европейский союз признает невозможность достижения амбициозной цели нулевого баланса без ядерных реакторов. Сценарий достижения углеродной нейтральности к 2050 г. отказывается от политики стагнации и пренебрежения атомной энергетикой на протяжении десятилетий и предполагает, что 20 % всего энергопотребления будут обеспечивать атомные электростанции^[78]. Обратите внимание, что речь идет о потреблении общей первичной энергии, а не только электричества. На электричество приходится лишь 18 % совокупного мирового потребления энергии, и декарбонизация 80 % конечных потребителей энергии — промышленных предприятий, домашних хозяйств и транспорта — будет еще более сложной задачей, чем декарбонизация выработки электричества. Расширение производства электроэнергии может быть использовано для отопления и для многих производственных процессов, в настоящее время потребляющих ископаемое топливо, а вот перспективы декарбонизации дальнемагистральных перевозок остаются туманными.

Как скоро мы станем летать на другие континенты на широкофюзеляжных лайнерах с электродвигателями? Новостные заголовки убеждают нас, что будущее авиации — это электричество, полностью игнорируя огромную разницу в плотности энергии керосина, сжигаемого турбореактивными двигателями и лучшими из современных литий-ионных аккумуляторов, которые должны быть установлены на этих самолетах. Турбореактивные двигатели самолета сжигают топливо с плотностью 46 мегаджоулей на килограмм (почти 12 000 ватт-часов на килограмм), превращая химическую энергию в тепловую и кинетическую, тогда как плотность энергии у лучшего современного литий-ионного аккумулятора составляет 300 Вт⋅ч/кг — в 40 раз меньше^[79]. Конечно, КПД электродвигателя в два раза выше, чем у газовой турбины, и поэтому реальная разница в плотности энергии «всего лишь» 20-кратная. Но за последние 30 лет максимальная плотность энергии аккумуляторов почти утроилась, но если мы повысим ее еще в три раза, то все равно к 2050 г. она будет гораздо меньше 3000 Вт⋅ч/кг — этого недостаточно для перелета широкофюзеляжного лайнера из Нью-Йорка в Токио или из Парижа в Сингапур, что на протяжении нескольких десятилетий делают самолеты Boeing и Airbus с двигателями на керосине^[80].

Более того (подробнее об этом в главе 3), у нас нет готовых промышленных альтернатив для обеспечения производства четырех главных материалов современной цивилизации только с помощью электроэнергии. Это означает, что даже при изобилии и надежности возобновляемых источников электроэнергии нам предстоит разработать новые процессы масштабного производства стали, аммиака, цемента и пластика.

Поэтому неудивительно, что за исключением производства электричества процесс декарбонизации идет медленно. Германия вскоре будет получать больше половины электроэнергии от возобновляемых источников, но за два десятилетия Energiewende доля ископаемого топлива в поставках первичной энергии страны уменьшилась всего лишь с 84 до 78 %: немцы любят свои автобаны, где нет ограничения скорости, и межконтинентальные перелеты, а немецкая промышленность ориентируется на природный газ и нефть^[81]. Если скорость изменений останется прежней, то в 2040 г. доля ископаемого топлива в энергоресурсах страны все еще будет близка к 70 %.

А что насчет стран, которые не внедряли возобновляемые источники энергии, невзирая на затраты? Показателен в этом отношении пример Японии: в 2000 г. приблизительно 83 % энергопотребления страны приходилось на ископаемое топливо. А в 2019 г. эта доля увеличилась (из-за уменьшения производства атомной электроэнергии после аварии на Фукусиме и необходимости увеличения импорта ископаемого топлива) до 90 %!^[82] Соединенные Штаты значительно снизили свою зависимость от угля — в производстве электричества его заменил природный газ, — но в 2019 г. доля ископаемого топлива в энергетическом балансе страны по-прежнему составляла 80 %. Тем временем в Китае доля ископаемого топлива снизилась с 93 % в 2000 г. до 85 % в 2019-м — но это относительное снижение сопровождалось почти утроением спроса на ископаемое топливо. Экономический рост в Китае был главной причиной того, что глобальное потребление ископаемого топлива за первые два десятилетия XXI в. увеличилось почти на 45 %, и что, несмотря на экстенсивное и дорогостоящее освоение возобновляемых источников, доля ископаемого топлива в мировых поставках первичной энергии сократилась совсем ненамного, с 87 до 84 %^[83].

В настоящее время глобальная потребность в ископаемых углеводородах составляет чуть больше миллиарда тонн в год — это почти в пять раз больше, чем масса всех зерновых, потребляемых человечеством, и в два с лишним раза больше массы воды, выпиваемой в год почти 8 миллиардами жителей планеты. Совершенно очевидно, что заместить такую массу невозможно с помощью целей, которые установили правительства, ориентируясь на годы, оканчивающиеся на цифры 5 или 0. И относительно высокая доля ископаемых углеводородов в энергобалансе, и масштаб нашей зависимости от них делают невозможной любую быструю замену. Это не предвзятое личное мнение, обусловленное плохим знанием глобальной энергетической системы, а логичный вывод, основанный на технических и экономических реалиях.

В отличие от поспешных политических заявлений, популярных в последнее время, эти реалии учтены во всех тщательно разработанных долгосрочных сценариях энергоснабжения. Сценарий заявленной политики, опубликованный Международным энергетическим агентством (МЭА) в 2020 г., предусматривает снижение доли ископаемого топлива в мировом энергетическом балансе с 80 % в 2019 г. до 72 % в 2040 г., тогда как сценарий устойчивого развития МЭА (на данный момент наиболее агрессивный сценарий декарбонизации, предусматривающий ее существенное ускорение во всемирном масштабе) предполагает снижение доли ископаемого топлива в 2040 г. до 56 % — маловероятно, что такая большая доля будет сведена к нулю всего за одно десятилетие^[84].

Не подлежит сомнению, что развитый мир — благодаря богатству, техническим возможностям, высокому уровню потребления на душу населения и высокому уровню загрязнения — может предпринять впечатляющие и относительно быстрые меры для декарбонизации (попросту говоря, просто потреблять меньше энергии в любом ее виде). Но этот вариант не подходит для 5 миллиардов человек, которые потребляют в разы меньше энергии, чем в развитых странах, и которым нужен аммиак для повышения урожайности полей, чтобы кормить растущее население, а также сталь, цемент и пластик, чтобы строить жизненно важную инфраструктуру. Мы должны действовать так, чтобы неуклонно снижать нашу зависимость от видов энергии, создавших современный мир. Нам до сих пор неизвестны подробности будущего перехода, но одно совершенно ясно: это не будет (и не может быть) ни внезапный отказ от ископаемых углеводородов, ни даже быстрый спад потребления — только постепенное снижение^[85].

2
Производство продуктов питания
Мы едим ископаемое топливо

Обеспечение достаточного количества и разнообразия пищи — основа выживания для любого вида. В процессе долгой эволюции наши человекоподобные предки приобрели важные преимущества — прямохождение, передвижение на двух ногах и относительно большой мозг, — что выгодно отличало их от обезьяноподобных предков. Это сочетание позволило им успешнее искать падаль, собирать растения и охотиться на мелких животных.

Первые гоминиды использовали простейшие каменные орудия (рубила, скребки), которыми было удобно разделывать туши животных, но у них не было приспособлений, которые помогают охотиться. Они могли без труда убить раненое или больное животное, а также мелких и не отличающихся проворством млекопитающих, но большую часть мяса крупной добычи наши предки отбирали у диких хищников^[86]. Появление длинных дротиков, топоров с рукоятью, луков со стрелами, плетеных сетей, корзин и удочек позволило человеку охотиться на самые разные виды животных. Некоторые группы — в частности, охотники на мамонтов в эпоху верхнего палеолита (она закончилась приблизительно 12 тысяч лет назад) — научились убивать крупных животных, а жители прибрежных районов стали искусными рыбаками, некоторые даже выходили в море на лодках и убивали мелких китов в период их миграции.

Переход от кочевого образа жизни (охоты и собирательства) к оседлому, чему способствовало появление земледелия и одомашнивание нескольких видов млекопитающих и птиц, сделал снабжение продовольствием более предсказуемым, но все еще не слишком надежным, в результате чего стало возможным поддерживать большую плотность популяции, чем в более ранних группах людей, хотя качество питания не сильно изменилось. При охоте и собирательстве в засушливой местности могла потребоваться площадь более 100 квадратных километров, чтобы прокормить одну семью. Для современных жителей Лондона это расстояние от Букингемского дворца до Собачьего острова, а для жителей Нью-Йорка — от оконечности Манхэттена до середины Центрального парка. Приходилось преодолевать слишком большое расстояние, чтобы просто выжить.

В регионах с более благоприятным климатом плотность населения могла увеличиваться до 2–3 человек на 100 гектаров (по площади эквивалентно 140 стандартным футбольным полям)^[87]. Единственными сообществами собирателей с высокой плотностью населения были группы прибрежных жителей (в частности, на Северо-Западном побережье Тихого океана), имевшие доступ к ежегодным миграциям рыбы и возможность охотиться на морских млекопитающих: надежный источник богатой белками и жиром пищи позволил некоторым группам перейти к оседлому образу жизни в больших деревянных общинных домах, а также оставлял свободное время для вырезания необыкновенных тотемных столбов. В отличие от них, у первых земледельцев, выращивавших недавно окультуренные растения, один гектар обрабатываемой почвы мог прокормить лишь одного человека.

Охотники и собиратели могли добывать разные виды животных и растений, но у первых земледельцев выбор был невелик: их рацион, преимущественно растительный, состоял из нескольких основных культур (пшеница, ячмень, рис, кукуруза, бобовые, картофель). Тем не менее эти сельскохозяйственные культуры позволяли поддерживать плотность населения на два или три порядка больше, чем у охотников и собирателей. В Древнем Египте плотность населения выросла от 1,3 человека на гектар обрабатываемой земли в додинастическом периоде (до 3150 г. до н. э.) до приблизительно 2,5 человека на гектар 3500 лет спустя, когда страна стала провинцией Римской империи^[88]. То есть, чтобы прокормить одного человека, требовалось 4000 квадратных метров обрабатываемой земли — шесть теннисных кортов. Но такая высокая урожайность (благодаря регулярному ежегодному разливу Нила) была исключением.

Со временем, очень медленно и постепенно, доиндустриальный уровень производства продуктов питания повышался, но показатель в 3 человека на гектар был достигнут только в XVI в. и только в некоторых регионах Китая с интенсивным земледелием; в Европе он оставался ниже 2 человек на гектар. Эта стагнация — или очень медленный рост — производства продуктов питания в долгую доиндустриальную эпоху означала, что лишь несколько поколений отделяют нас от тех времен, когда от забот о пропитании была избавлена лишь узкая прослойка элиты. Даже в редкие годы высоких урожаев рацион людей был однообразным, а недоедание и неполноценное питание оставались распространенным явлением. Но урожай мог быть плохим, а поля часто уничтожались в результате войн, что регулярно приводило к голоду. В результате ни одно из достижений последнего времени — увеличение мобильности или увеличение личного имущества — не имело такого значения, как наша способность производить год за годом достаточное количество пищи. Сейчас в богатых странах и в странах со средними доходами населения люди больше беспокоятся о том, что (и сколько) нужно есть, чтобы поддерживать и улучшать свое здоровье и увеличивать продолжительность жизни, а не о том, чтобы не умереть от голода.

В наше время все еще остается много детей, подростков и взрослых, особенно в африканских странах южнее Сахары, которые регулярно недоедают, но за последние три поколения их количество значительно уменьшилось — с большинства населения мира до менее 10 %. По оценкам Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), во всем мире доля людей, которые недоедают, уменьшилась с 65 % в 1950 г. до 25 % в 1970 г. и до приблизительно 15 % в 2000 г. Процесс продолжается (с колебаниями, вызванными природными катастрофами или войнами в отдельных странах и регионах), и в 2019 г. этот показатель снизился до 8,9 % — то есть растущее производство продуктов питания привело к тому, что если в 1950 г. недоедали 2 из 3 человек, то в 2011 г. — 1 из 11^[89].

Это впечатляющее достижение становится еще очевиднее, если принять во внимание значительный рост населения нашей планеты, с 2,5 миллиарда человек в 1950 г. до 7,7 миллиарда в 2019 г. Резкое уменьшение количества недоедающих означает, что в 1950 г. мир мог обеспечить достаточным количеством продовольствия около 890 миллионов человек, а в 2019 г. это число превысило 7 миллиардов — почти восьмикратный рост в абсолютных цифрах!

Чем объяснить такие впечатляющие достижения? Сказать, что причина в повышении урожайности, было бы банально. Объяснение, что такой рост производства продуктов питания вызван сочетанием более урожайных сортов, механизации сельского хозяйства, применения удобрений, ирригации и защиты растений, — подчеркивает важные изменения составляющих, но упускает главное. Современное производство продуктов питания, будь то выращивание зерновых или рыболовство, представляет собой странный гибрид, зависящий от двух разных видов энергии. Первый и самый очевидный — это солнце. Но нам также не обойтись без ископаемого топлива и электричества, которое производится людьми.

На просьбу привести примеры нашей зависимости от ископаемого топлива жители холодных регионов Европы и Северной Америки в первую очередь вспоминают о газе, используемом для обогрева домов. Во всем мире люди говорят также о сжигании жидкого топлива, на котором работает почти весь транспорт, но больше всего наш мир зависит (и это вопрос жизни и смерти) от прямого и косвенного использования ископаемого топлива при производстве продуктов питания. Непосредственное использование — это жидкое топливо для всей сельскохозяйственной техники (в основном тракторов, комбайнов и других уборочных машин), транспорта для перевозки урожая с полей на склады и предприятия переработки, а также насосов, использующихся для орошения. Косвенное использование гораздо шире — необходимо учесть топливо и электричество, расходуемое на производство сельскохозяйственной техники, удобрений и агрохимикатов (гербицидов, инсектицидов, фунгицидов) и других товаров, от стеклянных и пластиковых панелей для теплиц до приборов спутниковой навигации, обеспечивающих системы точного земледелия.

Основной вид преобразования энергии для получения пищи остался прежним: как и раньше, мы едим — либо непосредственно в растительной пище, либо косвенно в животной — продукты фотосинтеза, самого главного вида преобразования энергии, источником которой является солнечное излучение. Изменилось другое — интенсивность нашего растениеводства и животноводства. Мы умеем производить нужное количество продуктов питания, причем в высшей степени предсказуемо, не увеличивая потребление ископаемого топлива и электричества. Без этих антропогенных источников энергии мы не смогли бы снабдить 90 % человечества полноценным питанием и уменьшить долю недоедающего населения до такой большой степени, одновременно сократив площадь сельскохозяйственных земель, необходимую для того, чтобы прокормить одного человека.

Сельское хозяйство — выращивание растений для питания людей и на корм домашнему скоту — должно получать энергию от солнечного излучения, в частности от синей и красной частей видимого спектра^[90]. Хлорофиллы и каротиноиды, чувствительные к свету молекулы в клетках растений, поглощают свет с этими длинами волн и используют его энергию для фотосинтеза, череды химических реакций, соединяющих углекислый газ, содержащийся в атмосфере, с водой, а также с небольшим количеством других элементов, в частности азотом и фосфором, для получения новой растительной массы — зерна, бобовых, корнеплодов, масличных растений и сахарной свеклы. Часть собранного урожая используется как корм для домашних животных при производстве мяса, молока и яиц; кроме того, источником животной пищи служат млекопитающие, пасущиеся на лугах, и морские животные, основой существования которых является фитопланктон, доминирующая растительная масса, созданная фотосинтезом водных растений^[91].

Так было всегда с зарождения оседлого земледелия приблизительно 10 тысяч лет назад, но двести лет назад появление видов энергии, не связанных с солнцем, начало влиять на производство зерновых, а впоследствии и на добычу морских животных. Поначалу это влияние было незначительным, а заметным стало только в первых десятилетиях XX в.

Чтобы проследить за траекторией этого эпохального сдвига, мы подробно рассмотрим производство пшеницы в Америке на протяжении двух последних столетий. Но с таким же успехом я мог бы выбрать производство пшеницы в Англии или Франции, производство риса в Китае или Японии. Усовершенствование сельского хозяйства на возделываемых землях Северной Америки, Западной Европы и Восточной Азии происходило в разное время, но в сравнительной последовательности, основанной на данных из США, нет ничего уникального.

Три долины, два столетия

Начнем с долины Дженеси к западу от Нью-Йорка в 1801 г. Новой республике было всего 26 лет, но американские фермеры выращивали хлеб уже не совсем так, как их предки до эмиграции из Англии в Британскую Северную Америку несколько поколений назад; но в целом их методы не слишком отличались от тех, которые использовали в Древнем Египте 2 тысячи лет назад.

Процесс начинался с двух быков, впряженных в деревянный плуг, режущая кромка которого была усилена железной пластиной. Семена, сохраненные от предыдущего урожая, разбрасывались руками, а затем закапывались в землю с помощью тяжелой бороны. Засев одного гектара требовал 27 человеко-часов^[92]. Но самая тяжелая работы была еще впереди. Урожай срезали серпами, колосья собирали и вручную связывали в снопы, которые устанавливали вертикально (в копны или стога) и оставляли сушиться. Затем снопы переносили в амбар и молотили, ударяя снопами о твердый пол; солому собирали, а зерно веяли (отделяли от мякины), взвешивали и загружали в мешки. Сбор урожая с одного гектара требовал не менее 120 человеко-часов.

На полный цикл производства зерна с 1 гектара тратилось около 150 часов ручного труда и около 70 часов работы быков. Урожайность составляла всего лишь 1 тонну с гектара, причем не меньше 10 % собранного зерна следовало отложить для посева на следующий год. В среднем для производства килограмма пшеницы требовалось 10 минут ручного труда, и из этого количества цельносмолотого зерна получалось 1,6 килограмма (две буханки) хлеба. Это тяжелый, медленный и неэффективный процесс — но для него не требуется никакой энергии, кроме солнечного излучения: выращенный урожай дает еду людям и корм животным, деревья дают древесину, топливо для приготовления пищи и обогрева, а также ее используют для получения древесного угля, необходимого для выплавки железа из руды и производства мелких металлических изделий, таких как пластины для плуга, серпы, косы, ножи и обода для деревянных колес. Выражаясь современным языком, этот тип сельского хозяйства не использует невозобновляемую энергию (ископаемое топливо) и требует минимума невозобновляемых материалов (железных деталей, камней для жерновов), а и выращивание урожая, и производство материалов основано только на возобновляемой энергии в виде мускульной силы человека и животных.

По прошествии столетия, в 1901 г., большую часть пшеницы выращивали на Великих Равнинах, и поэтому мы перемещаемся в долину Красной реки на востоке штата Северная Дакота. За два последних поколения заселение и индустриализация Великих Равнин значительно ускорились, и, хотя при выращивании пшеницы все еще используются тягловые животные, крупные фермы Дакоты уже в значительной степени механизированы. Упряжки из четырех лошадей тянут многолемешные стальные плуги и бороны, для посадки используются механические сеялки, механические устройства срезают колосья и связывают их в снопы, но копны по-прежнему складывают вручную. Снопы собирают и загружают в молотилки, приводимые в действие паровыми двигателями, а затем зерно отправляют в элеваторы. Весь процесс сбора урожая занимает около 22 часов на один гектар, примерно в семь раз меньше, чем в 1801 г.^[93]. При таком экстенсивном развитии увеличивались посевные площади, но урожаи оставались низкими, на уровне 1 тонны на гектар, хотя для получения одного килограмма зерна теперь требовалось лишь около 1,5 минуты ручного труда людей (по сравнению с 10 минутами в 1801 г.), а 37 часов работы тягловых животных на гектар добавляли к этому времени еще 2 минуты.

Это была новая, гибридная разновидность сельского хозяйства, когда незаменимая солнечная энергия дополняется невозобновляемой энергией, получаемой в основном из угля. В новой системе труд людей заменялся трудом животных, а рабочим лошадям (и мулам на американском юге) требовался корм в виде зерна (в основном овса), а также травы и сена. Увеличение их поголовья существенно влияло на производство зерна в стране: приблизительно четверть сельскохозяйственных земель в Америке были заняты под фуражные культуры для тягловых животных^[94].

Высокопродуктивное сельское хозяйство стало возможным благодаря растущему использованию энергии ископаемого топлива. Уголь перерабатывали в металлургический кокс, с помощью которого выплавляли чугун, который, в свою очередь, превращался в сталь в мартеновских печах (см. главу 3). Сталь была необходима для сельскохозяйственной техники, а также для производства паровых двигателей, рельсов, вагонов, локомотивов и судов. На угле также работали паровые двигатели, и он являлся источником тепла и электричества, требующихся для производства плугов, буров, уборочных приспособлений (а также первых комбайнов), вагонов и силосных башен, для работы железнодорожного и морского транспорта, доставлявшего зерно конечному потребителю. Появились первые неорганические удобрения — нитраты, импортируемые из Чили, и фосфаты из Флориды.

В 2021 г. лидером по производству пшеницы стал штат Канзас, и поэтому мы перемещаемся в долину реки Арканзас. В этом сердце пшеничного края Америки фермы теперь в 3 или 4 раза крупнее, чем были 100 лет назад^[95], и при этом большую часть полевых работ выполняют один или два человека, управляющие сельскохозяйственными механизмами. Министерство сельского хозяйства США прекратило подсчет поголовья тягловых животных в 1961 г., и в настоящее время полевые работы выполняют мощные тракторы — многие модели имеют мощность более 400 лошадиных сил и снабжены восемью гигантскими колесами — трактора тянут за собой разнообразные агрегаты, от стальных плугов (с большим числом лемехов) до сеялок и подкормщиков^[96].

Семена поставляют специализированные фирмы, а ростки получают оптимальное количество неорганических удобрений — в первую очередь много азота в виде аммиака или мочевины, — а также целенаправленно защищаются от насекомых, грибка и сорняков. Жатва с одновременным обмолотом выполняется большими комбайнами, которые насыпают зерно непосредственно в грузовики для перевозки на элеваторы и продажи по всей стране или транспортировки в Азию или Африку. Теперь производство пшеницы требует всего 2 человеко-часа на гектар (по сравнению со 150 в 1801 г.), а урожайность составляет от 3 до 5 тонн с гектара — при пересчете на трудозатраты это менее двух секунд на килограмм зерна^[97].

Сегодня многие с восхищением говорят о совершенствовании современных компьютеров («огромная скорость обработки данных») или телекоммуникации («гораздо быстрее») — а как насчет урожайности? За двести лет трудозатраты на производство одного килограмма американской пшеницы уменьшились с 10 минут до менее 2 секунд. Именно так на самом деле функционирует наш мир. Как уже упоминалось выше, аналогичные расчеты снижения трудоемкости, повышения урожайности и роста эффективности можно выполнить для китайского или индийского риса. Временные рамки будут другими, но результаты похожими.

Большинство достойных восхищения и действительно замечательных достижений, полностью изменивших промышленность, транспорт, связь и повседневную жизнь, были бы невозможны, если бы 80 % людей по-прежнему жили в сельской местности, обеспечивая себя куском хлеба (в 1800 г. доля сельского населения в Америке составляла 83 %) или чашкой риса (в Японии в 1800 г. в деревнях жили почти 90 % населения). Путь к современному миру начался с недорогих стальных плугов и неорганических удобрений, и нам стоит немного углубиться в этот вопрос, чтобы объяснить их незаменимый вклад в развитие общества, который наша сытая цивилизация принимает как данность.

Во что это обходится

У доиндустриального сельского хозяйства, основанного на мускульной силе человека и животных и использовавшего простые деревянные и железные орудия, был единственный источник энергии — солнце. Сегодня, как и всегда, сельское хозяйство основано на фотосинтезе под действием солнечных лучей, но высокие урожаи, получаемые с минимальными затратами труда и, следовательно, с беспрецедентно низкими затратами, были бы невозможны без прямого и косвенного поступления энергии от ископаемых источников. Часть этой антропогенной энергии имеет форму электричества, которое может генерироваться из угля, природного газа или возобновляемых источников, но большая ее часть — это жидкие и газообразные углеводороды в виде автомобильного топлива и сырья.

Механизмы потребляют энергию ископаемого топлива непосредственно как дизель или бензин для сельскохозяйственных работ, в том числе выкачивания из скважин воды для орошения, сбора и сушки урожая, его транспортировки внутри страны на грузовиках, поездах и баржах, а также экспорта в другие страны в трюмах гигантских сухогрузов. Косвенное использование энергии для изготовления этих машин носит более сложный характер, поскольку ископаемое топливо и электричество необходимы не только для производства стали, резины, пластика, стекла и электроники, но также для сборки тракторов, навесных орудий, комбайнов и грузовиков, строительства сушилок и элеваторов^[98].

Но энергия, необходимая для производства и работы сельскохозяйственной техники, не идет ни в какое сравнение с энергией, которая тратится на производство агрохимикатов. Современному сельскому хозяйству требуются фунгициды и инсектициды для уменьшения потерь, а также гербициды, чтобы сорняки не конкурировали с выращиваемыми культурами за питательные вещества и воду. Все это чрезвычайно энергоемкие продукты, но их используют в относительно небольших количествах (доли килограмма на гектар)^[99]. В отличие от них удобрения, содержащие три очень важных для растений макроэлемента — азот, фосфор и калий, — требуют меньше энергии на единицу конечного продукта, но для обеспечения высоких урожаев вносятся в больших количествах^[100].

Дешевле всего обходится производство калия — для этого нужно лишь извлечь калийную соль (KCl) из подземных шахт или открытых разрезов. Производство фосфорных удобрений начинается с добычи фосфатов, после чего они подвергаются обработке для получения синтетических суперфосфатных соединений. Исходным компонентом для всех синтетических азотных удобрений служит аммиак. Для получения высоких урожаев пшеницы и риса, а также многих овощей требуется более 100 (иногда до 200) килограммов азотных удобрений на гектар, и такой высокий спрос на них привел к тому, что синтез азотных удобрений — это самые важные косвенные энергозатраты в современном сельском хозяйстве^[101].

Азот требуется в таких больших количествах потому, что он содержится в любой живой клетке: в хлорофилле, отвечающем за фотосинтез, в нуклеиновых кислотах ДНК и РНК, содержащих и обрабатывающих генетическую информацию, а также в аминокислотах, из которых состоят белки, необходимые для роста и функционирования тканей организма. Запасы азота практически неисчерпаемы — он составляет почти 80 % атмосферы, и мы буквально плаваем в нем — и тем не менее он остается главным ограничивающим фактором и урожайности, и роста численности населения. Это один из главных парадоксов биосферы, но объяснить его просто: азот в атмосфере присутствует в виде инертной молекулы (N ₂), и лишь небольшое количество естественных процессов способно разорвать связь между двумя атомами азота, чтобы в результате появилось вещество, пригодное для образования активных веществ^[102].

На это способна молния: в результате ее воздействия образуется окись азота, которая растворяется в дожде и образует нитраты, которые сверху удобряют леса, поля и луга, — но совершенно очевидно, что этого количества, образующегося естественным путем, не хватит для выращивания урожая, достаточного для того, чтобы прокормить 8 миллиардов человек. То, что делает молния с помощью огромных температур и давления, фермент нитрогеназа может делать при нормальных условиях; его вырабатывают бактерии, живущие в корнях бобовых растений (а также некоторых деревьев) или в почве. Бактерия в корнях бобовых растений выполняет большую часть работы по естественному связыванию азота — то есть расщепляет нейтральную молекулу N ₂ и встраивает азот в молекулу аммиака (NH₃), чрезвычайно активного вещества, которое легко превращается в растворимые нитраты, тем самым обеспечивая потребность растений в азоте в обмен на органические кислоты, синтезируемые растениями.

В результате продовольственные бобовые культуры, в том числе соя, бобы, горох, фасоль и арахис, способны сами себя обеспечивать азотом — точно так же, как запашные культуры, относящиеся к семейству бобовых, в частности люцерна, клевер и вика. Но ни зерновые, ни масличные культуры (за исключением сои и арахиса), ни корнеплоды этого делать не могут. Единственный способ извлечь для них пользу из свойства бобовых связывать азот — чередовать их с люцерной, клевером или викой, то есть выращивать бобовые, а затем запахивать их, насыщая почву активным азотом, который будет использоваться высаженными на этом же поле пшеницей, рисом или картофелем^[103]. В традиционном сельском хозяйстве единственная альтернатива бобовым — собирать отходы жизнедеятельности человека и животных и удобрять ими почву. Но это заведомо трудоемкий и неэффективный способ внесения питательных веществ. Содержание азота в этих отходах низкое, и к тому же он интенсивно улетучивается при испарении жидкости (отсюда чрезвычайно сильный запах аммиака от навоза).

В доиндустриальном сельском хозяйстве отходы приходилось собирать в городах и деревнях, ферментировать в кучах или ямах и из-за низкого содержания азота вносить на поля в огромных количествах — обычно 10 тонн на гектар, но иногда до 30 тонн (что по массе эквивалентно 25–30 маленьким европейским автомобилям), чтобы обеспечить посевы необходимым количеством азота. Неудивительно, что в традиционном сельском хозяйстве это была самая трудоемкая операция, на которую уходило от пятой части до трети всего затрачиваемого времени. Переработка органических отходов не относится к числу тем, к которым обращались знаменитые писатели, но Эмиль Золя, всегда остававшийся реалистом, оценил ее значение, когда описывал молодого парижского художника Клода, который «питал симпатию к навозу». Клод вызвался сбросить в навозную яму «комья рыночной грязи, отбросы, упавшие с гигантского стола рынка, продолжали жизнь, возвращаясь туда, где выросли эти овощи… Все это вновь обретало жизнь, превращаясь в великолепные плоды, чтобы снова красоваться на тротуарах у рынка. Париж все превращал в тлен, все возвращал земле, которая, не зная устали, возрождала то, что уничтожала смерть»^[104].

Но сколько труда нужно было в это вложить! Эту большую азотную преграду высокой урожайности преодолели только в XIX в. после начала добычи и экспорта чилийских нитратов, первых неорганических азотных удобрений. Затем она окончательно была снята изобретением синтеза аммиака Фрицем Габером в 1909 г. и последующей быстрой коммерциализацией процесса (первая партия аммиака была поставлена в 1913 г.), однако производство росло медленно, и широкое применение азотных удобрений началось только после Второй мировой войны^[105]. Новые высокоурожайные сорта пшеницы и риса, появившиеся в 1960-х гг., не могли в полной мере проявить свой потенциал без синтетических азотных удобрений. А серьезные изменения в сельском хозяйстве, получившие название «зеленой революции», не могли произойти без этого сочетания урожайных сортов и применения азотных удобрений^[106].

С 1970-х гг. синтез азотных удобрений, вне всякого сомнения, лидирует среди получателей энергии в сельском хозяйстве, но истинный масштаб этой зависимости становится понятен только при тщательном подсчете энергии, необходимой для производства самых распространенных продуктов питания. В качестве примера я выбрал три продукта, руководствуясь их доминирующей ролью в рационе. Во-первых, это хлеб, который на протяжении нескольких тысячелетий был главным пищевым продуктом европейской цивилизации. С учетом религиозных ограничений на употребление в пищу свинины и говядины, единственным универсальным мясом на протяжении многих веков оставалась курятина. Что касается овощей, то больше всего в мире выращивают томатов (хотя с точки зрения ботаники это ягода), причем не только в открытом грунте, но все чаще в пластиковых или стеклянных теплицах.

У каждого из этих продуктов своя роль в нашем рационе (хлеб обеспечивает нас углеводами, курятина — качественными белками, а в томатах велико содержание витамина С), но ни один из них не может производиться в таких количествах и так дешево без интенсивного использования ископаемого топлива. В конечном итоге производство продуктов питания коренным образом изменится, но в настоящее время — и в обозримом будущем — мы не можем накормить мир без использования ископаемого топлива.

Затраты энергии на производство хлеба, курятины и томатов

Учитывая огромное разнообразие сортов хлеба, я ограничусь лишь несколькими его разновидностями из дрожжевого теста, широко представленными в рационе европейцев и в настоящее время доступными во всем мире, от Западной Африки («заморская территория» французского багета) до Японии (где в любом крупном супермаркете есть французская и немецкая выпечка). Мы начнем с пшеницы, и, к счастью, тут у нас нет недостатка в исследованиях, где делается попытка подсчитать все топливо и электричество в расчете на один гектар или на единицу урожая, и сравним получившиеся величины для разных зерновых^[107]. Выращивание зерна наименее энергозатратно по сравнению с другими продуктами питания, но как мы вскоре убедимся, оно все равно требует на удивление много энергии.

В США эффективное выращивание пшеницы на обширных неорошаемых полях Великих Равнин требует лишь около 4 мегаджоулей на килограмм зерна. Большая часть этой энергии приходится на дизельное топливо, полученное из сырой нефти, и поэтому сравнение будет более наглядным в его эквиваленте, чем в стандартных единицах энергии (джоулях)^[108]. Более того, гораздо легче представить эти энергозатраты, если выразить потребность в дизельном топливе как объем на единицу съедобного продукта (1 килограмм, 1 буханка хлеба или 1 порция).

Энергоемкость дизельного топлива составляет 369 мегаджоулей на литр, и следовательно, для производства пшеницы на Великих Равнинах требуется почти 100 миллилитров (1 децилитр, или 0,1 литра) дизельного топлива на килограмм — чуть меньше половины чашки, распространенной в США меры измерения объема жидкости^[109]. Я буду использовать эквивалент объема дизельного топлива, чтобы показать, сколько энергии вложено в производство того или иного продукта питания.

Возьмем простой дрожжевой хлеб, один из главных пищевых продуктов европейской цивилизации: он состоит из муки, воды и соли. Для получения килограмма такого хлеба требуется приблизительно 580 граммов муки, 410 граммов воды и 10 граммов соли^[110]. Обмолот — то есть удаление отрубей, или внешней оболочки, — уменьшает массу обмолоченного зерна приблизительно на 25 % (коэффициент извлечения муки составляет 72–76 %)^[111]. Это означает, что для получения 580 граммов хлебопекарной муки мы должны взять 800 граммов цельной пшеницы, производство которой требует энергии, эквивалентной 80 миллиграммам дизельного топлива.

Энергозатраты на обмолот и помол зерна для получения пшеничной муки составляют около 50 мл/кг, а опубликованные данные для масштабного хлебопекарного производства на современных предприятиях — использующих природный газ и электричество — указывают на энергетический эквивалент порядка 100–200 мл/кг^[112]. Таким образом, выращивание зерна, помол и выпечка 1 килограмма дрожжевого хлеба требует затрат энергии, эквивалентных как минимум 250 миллилитрам дизельного топлива — чуть больше, чем американская мерная чашка. Для стандартного багета (250 граммов) эквивалент затраченной энергии содержится примерно в 2 столовых ложках дизельного топлива, а для большого немецкого Bauernbrot (2 килограмма) — в двух чашках (для хлеба из цельносмолотого зерна немного меньше).

В реальности затраты ископаемого топлива еще больше, поскольку лишь небольшая часть хлеба выпекается на месте. Даже во Франции мелкие boulangeries постепенно исчезают и багеты доставляются в булочные из крупных пекарен: экономия энергии за счет эффективности массового производства сводится на нет увеличением энергозатрат на транспортировку, и общие затраты энергии (от выращивания пшеницы и помола до выпечки хлеба на крупных хлебозаводах и доставки потребителям) могут достигать эквивалента 600 миллилитров дизельного топлива на килограмм!

Но, если вам кажется, что отношение (5:1) массы съедобного продукта к затраченной энергии слишком велико (на 1 килограмм хлеба требуется эквивалент 210 граммов дизельного топлива), вспомните, о чем я уже предупреждал: даже после обработки и превращения в наш любимый продукт зерно остается на нижней ступени лестницы энергозатрат. А каковы будут последствия, если мы последуем сомнительным рекомендациям некоторых популярных диетологов и перейдем на так называемую «палеолитическую диету», то есть откажемся от зерновых и будем употреблять в пищу только мясо, рыбу, овощи и фрукты?

Я не стану подсчитывать энергозатраты на производство говядины (в последнее время это мясо подвергалось серьезной критике), а попробую оценить энергоемкость наиболее эффективного производства мяса — выращивания бройлеров в огромных птичниках, получившее название интенсивного откорма по замкнутому циклу (CAFO). Для кур это означает содержание и откорм тысяч птиц в длинных прямоугольных сооружениях, где они содержатся в тесноте и полутьме (освещение эквивалентно лунной ночи); их откармливают приблизительно семь недель, а затем отправляют на бойню^[113]. Министерство сельского хозяйства США публикует ежегодную статистику эффективности откорма домашних животных, и за пять последних десятилетий этот показатель (кормовые единицы в зерновом эквиваленте на единицу живого веса) показывает слабую тенденцию к уменьшению для говядины и свинины и резкое падение для кур^[114].

В 1950 г. для получения единицы живого веса бройлера требовалось 3 кормовые единицы, а в настоящее время — всего 1,82, что приблизительно в три раза меньше, чем для свиней и в семь раз меньше, чем для крупного рогатого скота^[115]. Очевидно, что перья и кости в птице не едят, и поправка на массу съедобной части (60 % от массы курицы) дает минимальное соотношение корма к мясу в 3:1. То есть для выращивания одной американской курицы (в настоящее время масса съедобной части бройлера составляет в среднем 1 килограмм) требуется 3 килограмма зерновых кормов^[116]. Интенсивное земледелие на неорошаемых полях дает высокие урожаи и отличается относительно низкими энергозатратами — эквивалентными 50 миллилитрам дизельного топлива на килограмм зерна, — но орошаемое земледелие может требовать в два раза больше энергии, а урожайность зерновых и эффективность откорма птицы в других странах ниже, чем в США. В результате только энергозатраты на откорм могут варьироваться от 150 мл дизельного топлива на килограмм съедобной части до 750 мл/кг.

Дополнительные энергозатраты обусловлены масштабной международной торговлей кормами: в ней доминируют поставки американской кукурузы и сои, а также бразильской сои. Выращивание сои в Бразилии требует эквивалента 100 миллилитров дизельного топлива на килограмм зерна, но доставка урожая с полей в порты, а затем транспортировка морем в Европу удваивает эту цифру^[117]. Выращивание бройлеров до убойного веса также требует энергии на отопление, кондиционирование воздуха и обслуживание птичников, обеспечение водой и опилками, а также удаление и компостирование помета. Эти затраты в разных регионах могут сильно разниться (в первую очередь, из-за необходимости охлаждения воздуха летом и отопления зимой), а в сочетании с энергозатратами на доставку кормов общий результат может отличаться в несколько раз — от 50 до 300 миллилитров на килограмм съедобной части^[118].

Таким образом, наиболее консервативная оценка энергозатрат на откорм и выращивание птицы — это эквивалент 200 миллилитров дизельного топлива на килограмм мяса; максимальная величина может достигать 1 литра. Если добавить энергию, необходимую для забоя и обработки птицы (в настоящее время мясо кур продается преимущественно частями, а не целыми тушками бройлеров), розничной продажи, хранения в домашнем холодильнике и приготовления пищи, то общие затраты энергии для получения килограмма жареной курятины на тарелке составляют не менее 300–350 миллилитров сырой нефти — это примерно половина бутылки вина (а для наименее эффективных производителей — больше литра).

Минимальное значение 300–350 миллилитров на килограмм — это очень хороший показатель, сравнимый с 210–250 мл/кг для хлеба, что отражается в относительно доступной цене на курятину: в городах США средняя цена килограмма белого хлеба лишь на 5 % ниже, чем средняя цена килограмма куриной тушки (а хлеб из цельносмолотого зерна дороже на 35 %!), а во Франции килограмм стандартной куриной тушки стоит приблизительно на 25 % дороже килограмма хлеба^[119]. Это помогает объяснить, почему курятина быстро стала преобладающим мясом во всех странах Запада (в мировом масштабе лидирует свинина благодаря огромному спросу в Китае).

Поскольку веганы ратуют за растительный рацион, а средства массовой информации все чаще рассказывают о вреде животноводства для окружающей среды, может создаться впечатление, что энергозатраты на выращивание и продажу овощей еще ниже, чем на производство куриного мяса. Это глубокое заблуждение. В действительности все ровно наоборот, и самый яркий пример, иллюстрирующий этот факт, — тщательный подсчет на удивление высоких затрат энергии для выращивания томатов. У этого овоща масса достоинств — красивый цвет, разнообразие форм, гладкая кожица, сочная мякоть. С точки зрения ботаники томат является ягодой — это плод Lycopersicon esculentum, небольшого растения родом из Центральной и Южной Америки, которое стало известно в остальном мире в эпоху первых трансатлантических путешествий европейцев, но для его широкого распространения потребовалось несколько поколений^[120]. Томаты можно есть просто так, добавлять в суп, фаршировать, запекать, нарезать, варить, использовать для приготовления соусов, класть в самые разные салаты и блюда, подвергающиеся кулинарной обработке. Теперь это любимый овощ всего мира, от родных Мексики и Перу до Испании, Италии, Индии и Китая (ныне крупнейшего производителя).

Диетологи превозносят томаты за высокое содержание витамина С: действительно, крупный помидор (200 граммов) может обеспечить две трети рекомендуемой суточной нормы потребления для взрослого человека^[121]. Но томаты, как и все остальные свежие и сочные ягоды, едят не ради содержащейся в них энергии; это всего лишь красивый сосуд для воды, которая составляет 95 % его массы. Остальное — это преимущественно углеводы, немного белка и слабый намек на жиры.

Томаты можно выращивать в любом климате с 90 днями теплой погоды, в том числе на террасе приморской дачи под Стокгольмом или в саду среди Канадских прерий (в обоих случаях рассаду высаживают в помещении). Другое дело — коммерческое производство. Выращивание томатов, как и большинства фруктов и овощей, потребляемых в современном обществе, является узкоспециализированным делом, и большинство сортов, продающихся в супермаркетах Северной Америки и Европы, поступают туда лишь из небольшого количества регионов. В США это Калифорния, в Европе — Италия и Испания. Для повышения урожаев, улучшения качества и снижения энергозатрат томаты все чаще выращивают в покрытых пластиком теплицах — не только в Канаде и Нидерландах, но также в Мексике, Китае, Испании и Италии.

Это возвращает нас к ископаемому топливу и электричеству. Пластик — это менее дорогая альтернатива для строительства больших теплиц, но выращивание

Vaclav Smil

HOW THE WORLD REALLY WORKS

A Scientist’s Guide to Our Past, Present and Future

Оригинальное издание на английском языке впервые опубликовано изд-вом Penguin Books Ltd, Лондон.

© Vaclav Smil, 2022

© Гольдберг Ю. Я., перевод на русский язык, 2022

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2022

КоЛибри^®

* * *

Обнадеживающее чтение от автора, столь невосприимчивого к риторической моде и отстаивающего неопределенность…

The New York Times

Квинтэссенция научных знаний о нашей жизни… Смил заглядывает за горизонты будущего со спокойствием и смирением, предвидя сочетание прогресса и неудач, кажущихся непреодолимыми трудностей и почти чудесных достижений.

Wall Street Journal

Известный ученый стремится показать приоритет материалов, а не электронных потоков данных, изучая то, что он называет четырьмя столпами современной цивилизации: цемент, сталь, пластик и аммиак.

The New York Times Magazine

С точки зрения Смила, нереалистичные представления о сокращении выбросов углерода по иронии судьбы отчасти и объясняются той самой производительностью, которой достигли общества, заменив работу тягловых животных и физический труд людей машинами, работающими на ископаемом топливе.

The Washington Post

Введение

Зачем нужна эта книга?

Каждая эпоха претендует на уникальность, но, даже если опыт трех последних поколений – то есть десятилетий, прошедших после окончания Второй мировой войны, – не изменил наше представление о мире так сильно, как опыт трех поколений, предшествующих началу Первой мировой войны, мы все равно стали свидетелями огромного количества беспрецедентных свершений и открытий. Самое главное, у многих людей теперь существенно повысилось качество жизни, они живут дольше и обладают лучшим здоровьем, чем когда-либо за всю историю человечества. Тем не менее эти преимущества пока доступны лишь меньшинству (примерно пятой части) живущих на земле людей, общее число которых приближается к 8 миллиардам.

Второе достижение, которым мы вправе восхищаться, – беспрецедентное расширение наших знаний о материальном мире и обо всех формах жизни. Наше знание простирается от грандиозных обобщений о сложных системах вселенной (галактик, звезд) до планетарных явлений (атмосфера, гидросфера, биосфера) и устройства материи на уровне атомов и генов: дорожки на поверхности самых мощных микропроцессоров всего в два раза толще диаметра спирали ДНК. Мы превратили это знание в постоянно расширяющийся набор механизмов, устройств, процедур, протоколов и действий, поддерживающих современную цивилизацию, и разум одного человека просто не в состоянии охватить весь гигантский объем нашего общего знания, а также все способы, которыми мы поставили его себе на службу.

Настоящего «человека эпохи Возрождения», обладавшего универсальными знаниями, можно было встретить на площади Синьории во Флоренции в 1500 г., но не позже. В середине XVIII в. двое французских ученых, Дени Дидро и Жан Лерон Д’Аламбер, еще могли собрать группу широко образованных людей для изложения современного понимания мира в довольно обстоятельных статьях своей многотомной Энциклопедии, или Толкового словаря наук, искусств и ремесел» (Encyclopédie, ou Dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers). Прошло еще несколько поколений, и объем и специализация знаний увеличились на несколько порядков, а в самых разных областях были сделаны фундаментальные открытия, от электромагнитной индукции (Майкл Фарадей, 1931 г., предпосылка производства электроэнергии) до метаболизма растений (Юстус фон Либих, 1840, предпосылка повышения урожайности) и теории электромагнетизма (Джеймс Клерк Максвелл, 1861 г., предпосылка беспроводной связи).

В 1872 г., через 100 лет после выхода последнего тома Энциклопедии, любое собрание знаний было вынуждено ограничиться поверхностным описанием быстро расширяющегося диапазона тем, а еще через полтора столетия стало невозможным суммировать знания даже в пределах узко очерченных специальностей: даже такие термины, как «физика» или «биология», превратились в относительно бессмысленные ярлыки, и специалисты по физике элементарных частиц с трудом поймут даже первую страницу последней научной работы в области вирусной иммунологии. Совершенно очевидно, что такая атомизация знания не сделала проще общественное принятие решений. Узкоспециализированные направления современной науки стали такими сложными, что многие люди, которые ими занимаются, вынуждены учиться до тридцати или тридцати пяти лет, чтобы войти в круг нового жречества.

Да, они долго учатся, но слишком часто не могут прийти к согласию относительно наилучшего образа действий. Пандемия SARS-CoV-2 со всей очевидностью показала, эксперты не способны прийти к согласию даже по такому простому на первый взгляд вопросу, как ношение маски. В конце марта 2020 г. (через три месяца после начала пандемии) Всемирная организация здравоохранения все еще рекомендовала носить маску только инфицированным, изменив свою позицию лишь в начале июня 2020 г. Как люди, не обладающие специальными знаниями, могут принять сторону в споре или просто понять его смысл, если в финале опровергается то, что утверждалось в начале?

Тем не менее существующая неопределенность и споры не оправдывают глубины непонимания большинством людей основ функционирования современного мира. В конце концов, знать, как выращивают пшеницу (глава 2), как выплавляют сталь (глава 3), или понимать, что глобализация не является ни новой, ни неизбежной (глава 4), – не то же самое, что разбираться в фемтохимии (изучение химических реакций в масштабах времени 10^–15 секунд, Ахмед Зевейл, Нобелевская премия 1999 г.) или полимеразной цепной реакции (быстрое копирование ДНК, Кэри Муллис, Нобелевская премия 1993 г.).

Почему же большинство людей в современных обществах имеют такое поверхностное представление о том, как на самом деле функционирует мир? Самое очевидное объяснение – сложность современного мира. Люди постоянно имеют дело с «черными ящиками», относительно простые правила обращения с которыми почти или совсем не требуют понимания, что происходит внутри. Это относится к таким распространенным устройствам, как мобильные телефоны и ноутбуки (набери простой вопрос, и получишь результат), или к массовым процедурам вроде вакцинации (ярким примером для всей планеты стал 2021 г., когда единственной понятной частью процедуры было закатать рукав). Но объяснение дефицита понимания не ограничивается фактом, что обширность наших знаний способствует специализации, обратной стороной которой является поверхностное понимание – или даже непонимание – основ.

Урбанизация и механизация – вот две главные причины этого дефицита понимания. С 2007 г. более половины человечества живет в городах (в богатых странах больше 80 %), и, в отличие от промышленных городов XIX и начала XX в., большинство рабочих мест в них – это сфера услуг. Таким образом, современные горожане в массе своей никак не связаны с производством не только продуктов питания, но также машин и механизмов, а усиливающаяся механизация всех процессов означает, что лишь малая часть населения планеты теперь участвует в обеспечении нашей цивилизации энергией и материалами, без которых современный мир невозможен.

В Америке лишь около 3 миллионов мужчин и женщин (владельцев ферм и наемных работников) напрямую связаны с производством продуктов питания – пашут, сеют, вносят удобрения, выпалывают сорняки, собирают урожай (самая трудоемкая часть процесса – сбор фруктов и овощей) и ухаживают за животными. Это меньше 1 % населения страны, и поэтому не стоит удивляться, что большинство американцев не представляют – или смутно представляют, – откуда у них на столе появляется хлеб и мясо. Урожай пшеницы собирают комбайны – а соевых бобов или фасоли? Сколько времени нужно для превращения крошечного поросенка в свиную котлету: несколько недель или несколько лет? Подавляющее число американцев этого просто не знают. И они не одиноки. Китай является крупнейшим в мире производителем стали – почти миллиард тонн стали, чугуна и проката в год, – но все это производит меньше 0,25 % населения страны численностью 1,4 миллиарда человек. Ничтожный процент китайцев хотя бы раз в жизни стоял рядом с домной или видел огненные красные ленты в процессе непрерывной разливки стали. И подобный отрыв от реальности наблюдается во всем мире.

Вторая главная причина плохого и постоянно ухудшающегося понимания фундаментальных процессов получения энергии (в виде пищи или в виде топлива), долговечных материалов (металлов, нерудных минералов или бетона) заключается в том, что их стали считать старомодными – или даже устаревшими – и совсем неинтересными по сравнению с миром информации, данных или изображений. Так называемые лучшие умы не идут изучать почву и не пробуют свои силы в усовершенствовании цемента: их привлекает работа с нематериальной информацией в виде потоков электронов в мириадах миниатюрных устройств. Непропорционально большое вознаграждение этих людей – от юристов и экономистов до программистов и инвестиционных менеджеров – никак не связано с реалиями материальной жизни на земле.

Более того, многие из тех, кто поклоняется данным, пришли к убеждению, что потоки электронов сделали ненужными эти старомодные материальные объекты, которые раньше были необходимостью. Поля будут заменены городским сельским хозяйством в высотных зданиях, а синтетические продукты вообще исключат потребность выращивать какую-либо пищу. Дематериализация, основой которой станет искусственный интеллект, положит конец нашей зависимости от большого количества обработанных металлов и минералов, и в конечном итоге мы сможем даже обойтись без земной окружающей среды: кому она нужна, если мы собрались терраформировать Марс? Конечно, это всего лишь преувеличенные и преждевременные прогнозы, фантазии, порожденные обществом, где фейковые новости стали обычным делом и где реальность и вымысел смешались до такой степени, что легковерные умы, склонные к своего рода культу больше, чем к анализу, верят в то, что проницательные наблюдатели прошлого безжалостно сочли бы частичным или полным бредом.

Никто из читающих эту книгу не переселится на Марс; все мы продолжим потреблять зерновые культуры, выращенные на обширных участках сельскохозяйственных земель, а не в небоскребах, которые воображают сторонники так называемой урбанистической агрокультуры; никто из нас не будет жить в дематериализованном мире, где стали ненужными такие незаменимые естественные процессы, как испарение воды или опыление растений. Но получение этих жизненно важных ресурсов становится все более сложной задачей, потому что значительная часть человечества живет в условиях, которые богатое меньшинство преодолело много лет назад, и потому что растущая потребность в энергии и материалах так резко и так быстро увеличивает нагрузку на биосферу, что мы угрожаем ее способности поддерживать процессы и ресурсы в границах, необходимых для ее долгосрочного функционирования.

Приведем один, но очень важный пример: в 2020 г. среднее ежегодное энергопотребление в расчете на одного человека приблизительно 40 % населения мира (3,1 миллиарда человек, в том числе почти все жители африканских стран южнее Сахары) не превышало уровень, достигнутый Германией и Францией в 1850-м! Для достижения стандарта достойной жизни эти 3,1 миллиарда человек должны как минимум удвоить – а предпочтительно утроить – энергопотребление, что приведет к многократному увеличению потребности в электроэнергии, росту производства продуктов питания, появлению необходимой городской, промышленной и транспортной инфраструктуры. Эти потребности неизбежно повлекут за собой дальнейшее разрушение биосферы.

А как нам противостоять ускоряющемуся изменению климата? В настоящее время практически все согласны, что необходимо что-то делать, чтобы предотвратить крайне нежелательные последствия, но какие действия, какое изменение поведения окажется самым эффективным? Для тех, кто игнорирует энергетические и материальные потребности нашего мира, кто заменяет мантрами «зеленых» решений понимание того, как мы пришли к этой ситуации, рецепт прост. Это декарбонизация – переход от сжигания ископаемого топлива к преобразованию неисчерпаемых потоков возобновляемой энергии. Но тут есть одна загвоздка: наша цивилизация основана на ископаемом топливе, и все наши технические и научные достижения, качество жизни и процветание общества зависят от сжигания огромного количества ископаемых углеводородов, и мы просто не можем отказаться от этой критически важной составляющей нашей жизни за несколько десятилетий, не говоря уже о годах.

Полная декарбонизация глобальной экономики к 2050 г. в настоящее время достижима лишь ценой невероятного экономического спада – или как результат необычайно быстрых перемен, в основе которых будут лежать похожие на чудо технологические прорывы. Но для первого варианта у нас еще нет убедительной, практичной и доступной по цене глобальной стратегии, а для реализации второго – необходимых технических средств. Что же произойдет? Пропасть между фантазиями и реальностью глубока, но в демократическом обществе любое соперничество идей и предложений может протекать рационально, когда все стороны обладают хотя бы малой толикой релевантной информации о реальном мире, а не просто повторяют свои предрассудки и делают заявления без какой-либо связи с материальными возможностями.

Эта книга представляет собой попытку снизить дефицит понимания, объяснить некоторые фундаментальные основы выживания и развития нашего общества. Моя цель – не прогноз и не описание самых оптимистичных или пессимистичных сценариев будущего. Не вижу никакой необходимости прибегать к этому популярному – но регулярно терпящему неудачу – жанру: в долговременном плане нас ждет слишком много непредвиденных событий и слишком много сложных взаимодействий, которые не в состоянии предсказать ни один человек или коллектив. Я также не буду защищать любую конкретную (предвзятую) интерпретацию реальности – ни как повод для отчаяния, ни как источник безграничных ожиданий. Я не пессимист и не оптимист; я ученый, пытающийся объяснить, как на самом деле функционирует мир, и я буду использовать это понимание, чтобы помочь нам лучше осознать будущие ограничения и возможности.

Естественно, такого рода исследование обречено быть выборочным, но каждая из семи главных тем, выбранная для более подробного анализа, представляет собой пример экзистенциального императива: здесь у нас нет свободы выбора. Первая глава этой книги показывает, как наше энергозатратное общество постоянно увеличивало свою зависимость от ископаемого топлива и особенно от электричества, самого универсального вида энергии. Осознание этой реальности служит настоятельно необходимой поправкой к широко распространенным заявлениям (основанным на плохом понимании сложных реалий), что мы способны быстро декарбонизировать глобальные энергоресурсы и что через два или три десятилетия мы полностью перейдем на возобновляемые источники энергии. Несмотря на то что все большая часть электрогенерации приходится на новые возобновляемые источники (солнце и ветер, в отличие от давно существующей гидроэнергетики), а на дорогах появляется все больше электромобилей, декарбонизация наземного, воздушного и морского транспорта станет гораздо более серьезным вызовом – как и производство основных материалов без использования ископаемого топлива.

Вторая глава книги посвящена самому главному условию нашего выживания: производству еды. В ней объясняется, что у всего, что поддерживает нашу жизнь – от пшеницы до томатов и креветок, – есть одно общее свойство: существенный расход ископаемого топлива, как непосредственный, так и косвенный. Осознание этой фундаментальной зависимости от ископаемого топлива ведет к реалистичному пониманию нашей продолжающейся потребности в ископаемом углероде: вырабатывать электричество с помощью ветряных турбин или солнечных батарей гораздо легче, чем сжигать для этого уголь или природный газ, но без жидкого ископаемого топлива гораздо труднее обслуживать сельскохозяйственную технику, а без нефти и газа невозможно производить удобрения и другие химикаты, использующиеся в сельском хозяйстве. Другими словами, еще несколько десятилетий мы не сможем кормить планету, не используя ископаемое топливо как источник энергии и сырья.

В третьей главе объясняется, как и почему существование нашего общества поддерживается материалами, созданными человеческой изобретательностью, в частности теми, которые я называю четырьмя столпами современной цивилизации: аммиаком, сталью, бетоном и пластиком. Понимание этих реалий обнажает заблуждения, часто встречающиеся в модных заявлениях о дематериализации современной экономики, в которой якобы преобладает сфера услуг и миниатюрные электронные устройства. Относительное снижение материалоемкости многих конечных продуктов было одной из ведущих тенденций развития современного производства. Но в абсолютных цифрах потребность в материалах выросла даже в самых развитых современных обществах и остается очень далекой от насыщения в странах с низким уровня дохода, где владение благоустроенным жильем, кухонными приборами и кондиционерами (не говоря уже об автомобилях) остается несбыточной мечтой для миллиардов людей.

Четвертая глава – это история о глобализации, о том, как транспорт и средства связи связали мир в одно целое. Историческая перспектива показывает, насколько старым (и даже древним) является начало этого процесса и как недавно произошел его поистине масштабный – глобальный – расцвет. При ближайшем рассмотрении становится очевидным, что в этом неоднозначном явлении (одни его хвалят, другие в нем сомневаются, третьи критикуют) нет ничего неизбежного. В последнее время в мире наблюдается явный отказ от этой тенденции, а также движение в сторону популизма и национализма, и пока непонятно, насколько далеко это все зайдет или в какой степени изменится под влиянием экономики, политики и соображений безопасности.

Пятая глава предлагает реалистичную основу для оценки рисков, с которыми мы сталкиваемся: современные общества добились успехов в устранении многих смертельных или опасных для здоровья рисков – например полиомиелита или осложнений при родах, – но многие опасности нас будут подстерегать всегда, и мы постоянно ошибаемся в оценке риска, недооценивая или переоценивая угрозы. Ознакомившись с этой главой, читатель получит представление об относительных рисках многих привычных действий, вынужденных или сознательных (от падения на лестнице у себя дома до перелета с одного континента на другой, от жизни в городе, на который часто обрушиваются ураганы, до прыжков с парашютом). Отбросив всю чушь, которой нас кормит индустрия здорового питания, мы увидим диапазон возможностей в отношении еды, которая поможет нам жить дольше.

В шестой главе мы сначала рассмотрим, как изменения окружающей среды могут повлиять на три элемента, без которых нам не выжить: кислород, воду и пищу. Остальная часть главы будет посвящена глобальному потеплению, которое в последнее время стало нашей главной заботой, когда речь идет об окружающей среде, и которое привело к появлению двух противоположных тенденций – ожиданию катастрофы (почти апокалипсиса) и полному отрицанию. Я не буду повторять и сравнивать эти полярные утверждения (этому посвящена масса книг), а подчеркну, что вопреки распространенному мнению глобальное потепление – не новость: основы этого процесса стали ясны более 150 лет назад.

Более того, мы знали, в какой степени потепление климата связано с удвоением концентрации CO₂ в атмосфере за прошедшие 100 лет, и больше 50 лет назад нас предупреждали о непредсказуемой (и невоспроизводимой) природе этого эксперимента над планетой (непрерывное точное измерение концентрации CO₂ началось в 1958 г.). Но мы решили игнорировать эти объяснения, предупреждения и зарегистрированные факты. Более того, мы стали еще сильнее зависеть от сжигания ископаемого топлива, и избавиться от этой зависимости будет трудно и дорого. И неизвестно, сколько на это понадобится времени. Прибавьте все остальные проблемы окружающей среды, и вы неизбежно придете к выводу, что ключевой вопрос нашего существования – сможет ли человечество реализовать свои желания, не разрушая биосферу, – не имеет простых ответов. Но в любом случае необходимо осознать и принять факты. Только тогда мы сможем приступить к эффективному решению проблемы.

В заключительной главе я попробую описать будущее, в частности две распространившиеся в последнее время теории: катастрофизм (мнение, что до окончательного заката современной цивилизации осталось несколько лет) и технооптимизм (предсказание, что новые открытия и изобретения откроют бесконечные горизонты за пределами нашей планеты, превратив земные проблемы в нечто совершенно несущественное). Нетрудно догадаться, что мне не близки обе эти позиции, и мои прогнозы не имеют ничего общего с обеими доктринами. Я не предполагаю неминуемого разрыва с историей в любом направлении; я не вижу каких-либо запрограммированных результатов – только довольно сложную траекторию, зависящую от нашего выбора, который тоже не предопределен.

В основе этой книги два краеугольных камня: многочисленные научные открытия и полвека моих собственных исследований и литературной деятельности. Диапазон этих научных открытий чрезвычайно широк, от классических работ XIX в. по преобразованию энергии и парниковому эффекту до новейших оценок глобальных вызовов и вероятностей рисков. И эта серьезная книга не могла быть написана без нескольких десятилетий междисциплинарных исследований, результаты которых были изложены в других моих книгах. Я не склонен обращаться к древней метафоре о лисе и еже («лиса знает много секретов, а еж – один, но самый главный»), а предпочитаю делить современных ученых на два типа: одни бурят все более глубокие скважины (верная дорога к славе), а другие изучают широкие горизонты (в настоящее время эта группа значительно уменьшилась).

Меня никогда не привлекала перспектива пробурить самую глубокую скважину и стать лучшим специалистом по крошечному кусочку неба, видного с ее дна. Я всегда предпочитал смотреть как можно шире и дальше – насколько позволяли мои ограниченные возможности. Всю жизнь меня интересовало такое направление, как исследования в области энергии, поскольку удовлетворительное понимание этой обширной сферы требует знания физики, химии, биологии, геологии и инженерного дела, а также учета исторических, социальных, экономических и политических факторов.

Почти половина из моих теперь уже более 40 (в основном научных) книг имеют отношение к разным аспектам энергии, от масштабных исследований общей энергетики и использования энергии на протяжении всей истории человечества до более подробного анализа отдельных категорий топлива (нефть, природный газ, биомасса), конкретных свойств и процессов (плотность энергии, передача энергии). Остальные мои работы имеют междисциплинарный характер: я писал о таких фундаментальных явлениях, как развитие – во всех его естественных и антропогенных проявлениях – и риск; я писал об окружающей среде (биосфере, биохимических циклах, глобальной экологии, эффективности фотосинтеза и урожаях), о продуктах питания, сельском хозяйстве, материалах (прежде всего стали и удобрениях), технических достижениях, о прогрессе и неудачах производства, а также об истории Древнего Рима и современной Америки, о японской еде.

Таким образом, эта книга – результат трудов всей моей жизни. Она написана для неспециалистов и стала итогом моих стремлений понять основные аспекты биосферы, истории и мира, который мы создали. И она призвана продолжить то, на чем я настаивал на протяжении нескольких десятилетий: держаться как можно дальше от экстремальных точек зрения. Нынешние (предельно жесткие или предельно фантазирующие) защитники таких позиций будут разочарованы: здесь они не найдут ни стенаний по поводу конца мира в 2030 г., ни одержимости волшебной преобразующей силой искусственного интеллекта, который появится раньше, чем мы думаем. Нет, эта книга пытается предложить основу для более взвешенной и неизбежно агностической перспективы. Надеюсь, что мой рациональный, основанный на фактах подход поможет читателям понять, как на самом деле функционирует наш мир и каковы наши шансы на лучшие перспективы для будущих поколений.

Но прежде чем переходить к конкретным темам, я хотел бы вас кое о чем предупредить, а возможно, и попросить. Эта книга изобилует цифрами (в метрической системе), поскольку реалии современного мира невозможно понять только с помощью качественных описаний. Многие цифры, приведенные в этой книге, либо очень большие, либо очень маленькие, и поэтому для их понимания удобнее оперировать порядками величин, которые обозначаются признанными во всем мире префиксами. Если вы не знакомы с основами такого представления чисел, вам поможет приложение, посвященное числам, большим и маленьким, – некоторым читателям стоит начать знакомство с этой книгой с конца. В противном случае мы встретимся с вами в главе 1, предлагающей более подробный, количественный рассказ об энергии. Это тема, которая никогда не выйдет из моды.

1

Энергия

Топливо и электричество

Представим не совсем обычный сценарий научно-фантастического романа: не путешествие к далеким планетам в поисках жизни, а Земля и ее обитатели как объект дистанционного наблюдения высокоразвитой цивилизации, которая посылает свои зонды в соседние галактики. Зачем они это делают? Просто для систематического расширения своих знаний и, возможно, предупреждения опасных сюрпризов, если третья планета, вращающаяся вокруг ничем не примечательной звезды в спиральной галактике, превратится в угрозу? А может, на тот случай, если им потребуется второй дом? Поэтому они периодически проверяют Землю.

Представим, что зонд приближается к нашей планете каждые 100 лет и что он запрограммирован на второй проход (более тщательное исследование) только при обнаружении ранее ненаблюдаемого способа преобразования энергии – превращения энергии из одной формы в другую – или соответствующего физического воплощения. В терминах общей физики любой процесс – дождь, извержение вулкана, рост растения, питание животного или совершенствование человеческого разума – можно определить как последовательность преобразований энергии, и на протяжении сотен миллионов лет после образования Земли зонды видели бы одну и ту же однообразную (с небольшими вариациями) картину извержений вулканов, землетрясений и атмосферных бурь.

Фундаментальные сдвиги

Первые микроорганизмы появились на нашей планете около 4 миллиардов лет назад, но пролетающие мимо зонды инопланетян не заметили бы их, поскольку эта форма жизни оставалась редкой и скрытой от наблюдения, сосредоточившись в окрестностях щелочных гидротермальных источников на океанском дне. Первая причина для более близкого знакомства появляется приблизительно 3,5 миллиарда лет назад, когда зонд регистрирует на мелководье первые простые одноклеточные организмы, способные к фотосинтезу: они поглощают инфракрасное излучение ближнего диапазона – сразу за видимым спектром, – но не вырабатывают кислород[1]. Пройдет еще несколько сотен миллионов лет, прежде чем цианобактерии научатся использовать энергию видимого солнечного света для превращения CO₂ и воды в новые органические вещества, выделяя при этом кислород[2].

Это радикальный сдвиг, который приведет к созданию кислородной атмосферы Земли, хотя до появления сложных морских организмов пройдет еще много времени – 1,2 миллиарда лет назад зонды зафиксируют рост и распространение ярко-красных водорослей (из-за фотосинтезирующего пигмента фикоэритрина), а также более крупных бурых водорослей. Зеленые водоросли появятся еще через полмиллиона лет, и из-за широкого распространения морских растений для наблюдения за морским дном зондам потребуются более совершенные датчики. Но это принесет свои плоды, поскольку приблизительно 600 миллионов лет назад зонды сделают еще одно эпохальное открытие: первые организмы, состоящие из дифференцированных клеток. Эти плоские и мягкие придонные обитатели (их называют эдиакарской фауной, от названия Эдиакарских гор в Южной Австралии) были первыми простыми животными, которым для метаболизма был необходим кислород, и, в отличие от водорослей, которые переносятся волнами и течениями, они были способны двигаться[3].

Затем зонды начнут регистрировать относительно быстрые изменения: если раньше, пролетая над безжизненными континентами, они сотни миллионов лет ждали следующего эпохального сдвига, то теперь видели многочисленные волны появления, распространения и исчезновения огромного количества видов животных. Этот период начинается с так называемого кембрийского взрыва, расцвета маленьких морских животных, обитателей морского дна (541 миллион лет назад, преимущественно трилобиты), и продолжается появлением первых рыб, амфибий, наземных растений, а затем четвероногих (и следовательно, чрезвычайно подвижных) животных. Все эти виды периодически сокращались или вообще исчезали, и 6 миллионов лет назад зонды не обнаружили бы какого-либо одного организма, доминирующего на всей планете[4]. Но вскоре после этого зонды едва не пропустили бы одно важное изменение в механике движений, на первый взгляд незначительное, но с громадными энергетическими последствиями: многие четвероногие животные начинали становиться на две ноги или даже неуклюже передвигаться в таком положении, и более 4 миллионов лет назад этот способ передвижения стал нормой для маленьких обезьяноподобных существ, которые теперь больше времени проводили на земле, а не на деревьях[5].

Теперь интервалы между передачей ценной информации на родную для зондов планету уменьшились с сотен миллионов до всего лишь сотен тысяч лет. В конечном итоге потомки этих первых двуногих (мы называем их гоминидами, и они принадлежат к роду Homo, стоящему в длинном ряду наших предков) совершили нечто такое, что ускорило их продвижение к доминированию на планете. Несколько сотен тысяч лет назад зонды зарегистрировали первое экстрасоматическое использование энергии – то есть внешнее по отношению к организму, любое преобразование энергии кроме пищеварения, – когда некоторые из этих прямоходящих освоили огонь и стали сознательно использовать его для приготовления пищи, обеспечения комфорта и безопасности[6]. Это контролируемое горение преобразует химическую энергию растений в тепловую энергию и свет, что позволяло гоминидам употреблять трудноперевариваемую пищу, согревало их холодными ночами и отгоняло опасных животных[7]. Это были первые шаги в сознательном преобразовании окружающей среды и управлении ею в беспрецедентных прежде масштабах.

Эта тенденция укрепилась после следующей значительной перемены: появления земледелия. Приблизительно 10 тысяч лет назад зонды увидели первые участки намеренно выращенных растений, вносивших крошечный вклад в общий фотосинтез Земли; этими участками управляли люди, которые ради своей выгоды (отложенной) одомашнили зерновые растения – селекционировали, сеяли, ухаживали и собирали урожай[8]. Вскоре появились и первые домашние животные. До этого главной двигательной силой были мышцы человека – они превращали химическую энергию (пищи) в кинетическую (механическую) энергию физического труда. Одомашнивание тягловых животных началось с крупного рогатого скота приблизительно 9 тысяч лет назад, что позволило получить экстрасоматическую энергию не только от человеческих мышц – животные использовались для обработки полей, извлечения воды из колодцев, перемещения грузов, а также в качестве личного транспорта[9]. Гораздо позже появились первые неодушевленные первичные двигатели: более 5 тысяч лет назад – паруса, более 2 тысяч лет назад – водяные колеса, более тысячи лет назад – ветряные мельницы[10].

Затем последовал еще один период затишья (относительного), когда зонды не регистрировали ничего существенного: век за веком наблюдалось лишь повторение, стагнация или медленное развитие и распространение прежних достижений. В Америке и Австралии (в отсутствие тягловых животных и простейших механизмов) до появления европейцев вся работа выполнялась с помощью мускульной силы человека. В некоторых доиндустриальных регионах Старого Света тягловые животные, ветер, а также текущая или падающая вода обеспечивали значительную долю энергии для помола зерна, отжима масла, шлифовки и ковки, а тягловые животные стали незаменимыми для тяжелых полевых работ (прежде всего вспашки, поскольку урожай по-прежнему собирали вручную), перевозки товаров и ведения войн.

Но на этом этапе даже в обществах с домашними животными и примитивными механизмами большая часть работы все еще выполнялась людьми.

По моим подсчетам – естественно, с использованием приближенной оценки численности тягловых животных и людей, а также оценки производительности труда, основанной на современных измерениях физических возможностей, – более 90 % всей полезной механической энергии и в начале второго тысячелетия нашей эры, и 500 годами позже (в 1500 г., в начале современной эпохи) обеспечивалось за счет мускульной силы, примерно поровну людей и животных, а вся тепловая энергия добывалась сжиганием растительного топлива (по большей части дерева и древесного угля, но также соломы и высушенного навоза).

А затем, приблизительно в 1600 г., инопланетный зонд заметил бы нечто беспрецедентное. На одном из островов люди перестали рассчитывать только на дерево и стали во все больших количествах сжигать уголь, топливо, образовавшееся в результате фотосинтеза десятки или сотни миллионов лет назад и окаменевшее под действием тепла и давления за время долгого пребывания под землей. Наиболее точные реконструкции показывают, что в качестве источника тепла уголь опередил биомассу приблизительно в 1620 г. (возможно, даже раньше); в 1650 г. уже две трети вырабатываемого тепла обеспечивалось сжиганием каменного топлива, а к 1700 г. эта доля достигла 75 %[11]. Пионером этого процесса была Англия: во всех месторождениях угля, сделавших Великобританию ведущей экономикой XIX в., добывали уголь еще до 1640 г.[12]. А затем, в самом начале XVIII в., на некоторых английских шахтах установили паровые машины, первые неодушевленные первичные двигатели, приводимые в движение посредством сжигания ископаемого топлива.

Эти первые машины были настолько неэффективными, что использовать их можно было только на тех шахтах, где уголь не нуждался в транспортировке[13]. На протяжении нескольких поколений Великобритания остается самой интересной страной для инопланетного зонда как пионера внедрения технических новинок. Даже в 1800 г. добыча угля в нескольких европейских странах и в Соединенных Штатах Америки составляла лишь малую долю добычи угля в Великобритании.

В 1800 г. пролетающий мимо нашей планеты зонд подсчитал бы, что растительное топливо по-прежнему обеспечивает более 98 % всего тепла и света, используемых доминантными двуногими, а мускульная сила людей и животных все еще поставляет 90 % механической энергии, необходимой для сельского хозяйства, строительства и промышленного производства. В Великобритании, где Джеймс Уатт в 1770-х гг. внедрил и усовершенствовал паровую машину, компания Boulton & Watt начала выпускать машины мощностью 25 лошадиных сил, но к 1800 г. они продали меньше 500 таких машин, что составляло крошечную часть от общей мощности лошадей и работников физического труда[14].

Даже в 1850 г. увеличившаяся добыча угля в Европе и Северной Америке обеспечивала не более 7 % энергии от топлива; почти половину всей полезной кинетической энергии получали от тягловых животных, около 40 % – от мускульной силы людей и всего 15 % от трех видов неодушевленных первичных двигателей: водяных колес, ветряных мельниц и медленно завоевывавших признание паровых машин. В 1850 г. мир был гораздо больше похож на мир 1700-х или даже 1600-х гг., чем на мир 2000-х.

Однако к 1900 г. общая доля ископаемого топлива, возобновляемых и неодушевленных источников энергии существенно изменилась – современные источники (уголь и в какой-то степени сырая нефть) обеспечивали половину всей первичной энергии, а вторая половина приходилась на традиционное топливо (дерево, древесный уголь, солома). Водяные турбины на гидроэлектростанциях начали вырабатывать электричество в 1880-х гг.; следующей была геотермальная электростанция, а после Второй мировой войны появились атомные, солнечные и ветряные электростанции (новые источники возобновляемой энергии). Но и в 2020 г. более половины вырабатываемого в мире электричества производится путем сжигания ископаемого топлива, в основном угля и природного газа.

В 1900 г. неодушевленные первичные двигатели поставляли около половины всей механической энергии: наибольший вклад вносили паровые машины, работающие на угле, далее шли усовершенствованные водяные колеса и новые водяные турбины (появившиеся еще в 1830-х гг.), ветряные мельницы и новые паровые турбины (с конца 1880-х), а также двигатели внутреннего сгорания (первые бензиновые двигатели также появились в 1880-х гг.)[15].

В 1950 г. ископаемое топливо обеспечивало почти три четверти первичной энергии (преимущественно за счет угля), а неодушевленные первичные двигатели – теперь среди них доминировали бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания – более 80 % механической энергии. А в 2000 г. только бедняки в странах с низким доходом использовали топливо из биомассы; дерево и солома составляли лишь около 12 % первичных источников энергии в мире. На первичные источники из плоти и крови приходилось только 5 % механической энергии; людей и тягловых животных почти полностью заменили механизмы, приводимые в действие жидким топливом или электричеством.

На протяжении двух последних веков инопланетные зонды наблюдали бы по всему миру быструю замену первичных источников энергии, сопровождавшуюся расширением и диверсификацией ископаемых энергоресурсов, а также не менее быстрым появлением, освоением и распространением новых неодушевленных первичных двигателей – сначала паровых машин, работающих на угле, затем двигателей внутреннего сгорания (поршневых и турбин). Самый последний визит зондов открыл бы перед ними картину по-настоящему глобального общества, основанного на массовом – стационарном и мобильном – преобразовании ископаемых углеводородов, развернутом практически везде, за исключением некоторых необитаемых регионов планеты.

Использование энергии в современном мире

Какие изменения принесла эта мобилизация экстрасоматической энергии? Глобальные энергоресурсы обычно относят к общей (валовой) продукции, но более наглядным было бы оценить энергию, доступную для преобразования в полезные формы. Для этого мы должны вычесть предварительные потери (во время сортировки и очистки угля, перегонки сырной нефти и обработки природного газа), неэнергетическое использование (преимущественно в качестве сырья для химической промышленности, а также смазочных материалов для машин и механизмов, от насосов до авиадвигателей, и как дорожное покрытие) и потери при передаче электроэнергии. С этими поправками – и округлением, чтобы избежать впечатления неуместной точности, – мои расчеты показывают, что в XIX в. потребление ископаемого топлива выросло в 60 раз, в XX – в 16 раз, а за последние 220 лет – в 1500 раз[16].

Усиливающаяся зависимость от ископаемого топлива – самый важный фактор, объясняющий достижения современной цивилизации, а также наши опасения относительно уязвимости его поставок и воздействия его сжигания на окружающую среду. В реальности прирост энергоресурсов был значительно больше 1500-кратного, о котором я упоминал, поскольку следует учитывать сопутствующее повышение эффективности преобразования энергии[17]. В 1800 г. эффективность сжигания угля в печах и бойлерах для получения тепла и горячей воды не превышала 25–30 %, и только 2 % угля, потребляемого паровыми машинами, превращались в полезную работу, так что общая эффективность преобразования не превышала 15 %. Сто лет спустя усовершенствованные печи, бойлеры и двигатели повысили эффективность до почти 20 %, а к 2000 г. средняя эффективность преобразования составляла около 50 %. Следовательно, XX в. дал почти 40-кратный рост полезной энергии, а с 1800 г. ее выработка увеличилась почти в 3500 раз.

Чтобы еще лучше оценить масштаб этих перемен, следует привести эти показатели в пересчете на одного человека. Численность населения нашей планеты увеличилась с 1 миллиарда в 1800 г. до 1,6 миллиарда в 1900 г. и до 6,1 миллиарда в 2000 г. Таким образом, поставки полезной энергии (все величины выражены в гигаджоулях на душу населения) увеличились с 0,05 в 1800 г. до 2,7 в 1900 г. и 28 в 2000 г. Стремительный рост экономики Китая после 2000 г. стал главной причиной увеличения поставок полезной энергии в 2020 г. до 34 ГДж на человека. В среднем современный житель Земли имеет в своем распоряжении почти в 700 раз больше полезной энергии, чем его предки в начале XIX в.

Более того, на протяжении жизни людей, родившихся непосредственно после Второй мировой войны (с 1950 по 2020 г.), этот показатель вырос более чем в три раза, с 10 до 34 ГДж на человека. Для наглядности можно воспользоваться следующей метафорой: как будто в личном распоряжении каждого жителя Земли находится около 800 килограммов (0,8 тонны, или почти 6 баррелей) сырой нефти или около 1,5 тонны хорошего битуминозного угля. Это количество энергии можно также перевести в трудозатраты: на каждого из нас круглосуточно работают 60 взрослых мужчин. А если речь идет о богатых странах, эквивалент непрерывного труда будет составлять от 200 до 240 человек, в зависимости от конкретной страны. Другими словами, в нашем распоряжении находится беспрецедентное количество энергии.

Последствия этого очевидны – с точки зрения интенсивности труда, рабочего времени, отдыха и общего уровня жизни. Изобилие полезной энергии подчеркивает и объясняет все достижения – от лучшего питания до массовых путешествий, от механизации производства до транспорта и личных электронных средств связи, – которые в богатых странах являются скорее нормой, чем исключением. Эти недавние изменения отличаются в разных странах: естественно, они менее заметны в странах с высоким доходом, где использование энергии на душу населения уже 100 лет назад было относительно высоким, и явно видны в странах, модернизация экономик которых резко ускорилась с 1950-х гг., особенно в Японии, Южной Корее и Китае. В период с 1950 по 2020 г. Соединенные Штаты практически удвоили производство полезной энергии на душу населения из таких источников, как ископаемое топливо и первичное электричество (приблизительно до 150 ГДж на человека); в Японии этот показатель вырос более чем вчетверо (почти до 80 ГДж на человека), а Китай стал свидетелем невероятного роста в 120 раз (почти до 50 ГДж на человека)[18].

Траектория ресурсов полезной энергии чрезвычайно информативна, потому что энергия не просто один из компонентов сложной структуры биосферы, человеческого общества и экономики, не просто еще одна переменная в сложных уравнениях, описывающих эти взаимосвязанные системы. Преобразование энергии – это основа жизни и эволюции. Современную историю можно рассматривать как необычно быструю последовательность переходов к новым источникам энергии, а современный мир – как совокупный результат этих преобразований.

Значение энергии в жизни человеческого общества первыми поняли физики. В 1886 г. Людвиг Больцман, один из основателей термодинамики, говорил о свободной энергии – то есть энергии, доступной для преобразования, – как о Kampfobjekt (объекте борьбы) за жизнь, которая в конечном итоге зависит от приходящего к нам солнечного излучения[19]. Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г., так определил основу жизни: «Отрицательная энтропия – вот то, чем организм питается» (отрицательная энтропия, или негэнтропия = свободная энергия)[20]. В 1920-х гг., после этих фундаментальных физических открытий конца XIX и начала XX в. американский математик и статистик Альфред Лотка пришел к выводу, что эволюционным преимуществом обладают организмы, способные лучше улавливать доступную энергию[21].

В начале 1970-х гг. американский эколог Говард Одум объяснил, что «весь прогресс обусловлен специальными субсидиями в энергию и, как только они прекращаются, прогресс исчезает»[22]. Уже после него физик Роберт Эйрес в своих работах постоянно подчеркивал центральную роль энергии во всех экономиках: «в сущности, экономическая система предназначена для извлечения, усвоения и преобразования энергии как ресурсов в энергию, воплощенную в товарах и услугах»[23]. Другими словами, энергия – это единственная по-настоящему универсальная валюта, и без ее трансформации невозможны никакие процессы (от вращения галактик до жизни эфемерных насекомых)[24].

Учитывая все эти легко проверяемые реалии, трудно понять, почему современная экономика, этот свод объяснений и правил, знатоки которых имеют большее влияние на политику общества, чем любые другие специалисты, в большинстве своем игнорируют энергию. Как отметил Эйрес, в экономике не только отсутствует систематическое осознание значения энергии для физического процесса производства; экономика предполагает, «что энергия не имеет значения (большого), потому что доля затрат на энергию в экономике настолько мала, что ее можно игнорировать… как если бы продукция могла быть произведена только за счет труда и капитала – или как если бы энергия была просто формой созданного руками человека капитала, который может быть произведен (а не добыт) трудом и капиталом»[25].

Современные экономисты не получают наград и премий, занимаясь энергией, а современные ученые начинают беспокоиться только тогда, когда возникает угроза поставки той или иной коммерческой формы энергии или цены на нее начинают расти. Эту ситуацию иллюстрирует поисковый сервис Ngram Viewer компании Google, позволяющий увидеть популярность терминов, использовавшихся в печатных источниках в период с 1500 по 2019 г. В ХХ в. частота использования термина «стоимость энергии» оставалась пренебрежимо малой до внезапного пика начала 1970-х (вызванного тем, что ОПЕК в пять раз повысила цены на сырую нефть; более подробно об этом чуть ниже), а затем еще одного подъема в начале 1980-х. После снижения цен наблюдался такой же крутой спад частоты упоминаний, и в 2019 г. термин «стоимость энергии» использовался не чаще, чем в 1972 г.

Не обладая хотя бы начальной энергетической грамотностью, невозможно понять, как на самом деле функционирует мир. В этой главе я сначала покажу, как сложно дать определение энергии, но легко сделать весьма распространенную ошибку, спутав ее с мощностью. Мы рассмотрим, как разные виды энергии (каждый со своими преимуществами и недостатками) и разные плотности энергии (энергия на единицу массы или объема, что очень важно для хранения и транспортировки) влияли на разные стадии экономического развития. Кроме того, я предложу реалистичные оценки некоторых труднорешаемых проблем, с которыми сталкивается общество по мере последовательного отказа от ископаемых углеводородов. Как мы увидим, наша цивилизация настолько сильно зависит от ископаемого топлива, что следующий переход займет гораздо больше времени, чем нам кажется.

Что такое энергия?

Как определить это фундаментальное понятие? Греческое происхождение этого слова очевидно. Аристотель в своей «Метафизике» соединил ἔν («в») с ἔργον («работа») и сделал вывод, что существование любого объекта поддерживается ἐνέργεια[26].

За последующие 2 тысячи лет никаких существенных изменений в понимании энергии не произошло. Затем Исаак Ньютон (1643–1727) сформулировал основные физические законы, связывающие массу, силу и движение, и его второй закон движения позволил определить основную единицу энергии. В терминах современных единиц измерения 1 джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной 1 ньютону на расстояние одного метра в направлении действия силы[27]. Но это определение относится только к кинетической энергии и явно не дает интуитивного понимания энергии во всех ее формах.

Практическое понимание энергии было значительно расширено в XIX в. благодаря большому количеству экспериментов с горением, теплотой, излучением и движением[28]. В результате появилось наиболее распространенное определение энергии: «способность производить работу». Это определение правомерно только при условии, что термин «работа» обозначает не только некий вложенный труд, но и, как выразился один из ведущих физиков той эпохи, общий физический «акт изменения конфигурации системы, направленный против силы, сопротивляющейся этому изменению»[29]. Тем не менее это определение все еще очень похоже на ньютоновское и далеко от интуитивного.

Пожалуй, на вопрос «что такое энергия?» лучше всего ответил один из самых выдающихся и разносторонних физиков XX в. Ричард Фейнман, который в своих знаменитых «Лекциях по физике» со свойственной ему прямотой подчеркнул, что «энергия имеет множество разных форм и для каждой из них есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, электроэнергия, химическая энергия, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы».

А потом сделал обескураживающий, но очевидный вывод:

Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия передается в виде маленьких пилюль. Ничего подобного. Просто имеются формулы для расчета определенных численных величин, сложив которые мы получаем число… всегда одно и то же число. Это нечто отвлеченное, ничего не говорящее нам ни о механизме, ни о причинах появления в формуле различных членов[30].

Так оно и есть. Мы можем использовать формулы для очень точного вычисления энергии летящей стрелы или реактивного самолета, потенциальной энергии массивного камня, готового скатиться с вершины горы, тепловой энергии, получаемой в результате химической реакции, световой (лучистой) энергии мерцающей свечи или сфокусированного лазера – но не можем свести все эти виды энергии в единое, легко определяемое понятие.

Тем не менее неуловимая природа энергии не смущала армии современных экспертов: с начала 1970-х гг., когда энергия стала темой широкого обсуждения, они с необыкновенным невежеством и вдохновением рассуждали об энергии. Энергия относится к самым трудным для понимания и неверно интерпретируемым понятиям, и плохое знание основ привело к многочисленным иллюзиям и заблуждениям. Как мы видели, энергия существует в разных видах, и, для того чтобы извлечь из нее пользу, необходимо преобразовать один ее вид в другой. Но раньше эту многогранную абстракцию рассматривали как нечто целое, словно разные виды энергии легко взаимозаменяемы.

Некоторые из этих замен на самом деле относительно просты и полезны. Польза от замены свечей (в них химическая энергия воска превращается в лучистую энергию) электрическими лампочками, для которых требуется электроэнергия, вырабатываемая паровыми турбинами (химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепло, а затем в электрическую энергию, которая затем превращается в лучистую энергию), совершенно очевидна – безопаснее, ярче, дешевле и надежнее. Замена паровозов и тепловозов электровозами обеспечила более дешевую, чистую и быструю перевозку грузов и людей: все скоростные поезда электрические. Но многие желательные замены остаются дорогостоящими, нереализуемыми в настоящее время или невозможными в требуемых масштабах – независимо от того, как громко рекламируются их достоинства.

Самым распространенным примером из этой категории являются электромобили: в настоящее время они доступны, а лучшие модели достаточно надежны, но в 2020 г. они все еще были дороже автомобилей того же класса с двигателем внутреннего сгорания. Что касается второй категории, то в следующей главе я подробно расскажу о том, что синтез аммиака, необходимого для производства азотных удобрений, в настоящее время в значительной степени зависит от природного газа как источника водорода. Водород можно получить путем разложения (электролиза) воды, но этот способ почти в пять раз дороже, чем процесс извлечения водорода из весьма распространенного и дешевого метана, – масштабное промышленное производство водорода нам еще предстоит создать. Ярчайшим примером последней категории может служить использование самолетов на электрической тяге для дальних перелетов (эквивалент Boeing 787 с керосиновыми двигателями для путешествия из Нью-Йорка в Токио): как мы убедимся, это преобразование энергии еще долго будет оставаться нереалистичным.

Первый закон термодинамики утверждает, что при преобразовании энергии не происходит ее потерь: из химической в химическую при переваривании пищи, из химической в механическую при сокращении мышц, из химической в тепловую при сжигании природного газа, из тепловой в механическую при вращении турбины, из механической в электрическую внутри генератора или из электрической в электромагнитную в виде света, освещающего страницу этой книги. Тем не менее любое преобразование энергии приводит к рассеиванию тепла: энергия не теряется, но уменьшается ее полезность, способность совершать нужную нам работу (второй закон термодинамики)[31].

Все виды энергии можно измерять в одних и тех же единицах; в естественных науках используют джоуль, а в работах по диетологии – калорию. В следующей главе, где я подробно расскажу о масштабных энергетических субсидиях в современную пищевую промышленность, мы столкнемся с разными свойствами энергии, имеющими жизненно важное значение. Производство курятины требует энергии, во много раз превышающей ту, что содержится в пригодном для еды мясе. Мы можем подсчитать уровень субсидий в виде отношения энергий (затраченные джоули/полученные джоули), однако между затраченной энергией и результатом существует очевидная разница: мы не можем питаться соляркой или электричеством, тогда как нежирное куриное мясо представляет собой почти идеальную пищу, содержащую высококачественный белок, необходимый макроэлемент, который невозможно заменить эквивалентным количеством энергии из жиров или углеводов.

Когда речь идет о преобразовании энергии, перед нами открывается широкий выбор, причем разные способы обладают разной эффективностью. Высокая плотность химической энергии в керосине и дизельном топливе подходит для межконтинентальных перелетов или морских перевозок, но, если вы хотите, чтобы подводная лодка пересекла Тихий океан, не всплывая на поверхность, лучшим решением будет расщепление урана в маленьком реакторе для выработки электричества[32]. А на земле крупные ядерные реакторы являются наиболее надежными источниками электричества: некоторые из них вырабатывают электроэнергию 90–95 % времени, тогда как для лучших морских ветряных турбин этот показатель не превышает 45 %, а для фотоэлементов – 25 % даже в самом солнечном климате (в Германии солнечные панели вырабатывают электроэнергию только около 12 % времени)[33].

Все это элементарная физика или электротехника, но эти реалии игнорируются на удивление часто. Еще одна распространенная ошибка – путать энергию и мощность, и такое происходит еще чаще. Эта ошибка выдает незнание основ физики, и, к сожалению, ее совершают не только дилетанты. Энергия – это скаляр, и в физике характеризуется только величиной; скалярными также являются такие известные величины, как объем, масса, плотность, время. Мощность характеризует энергию в единицу времени и поэтому аналогична скорости (в физике скорость указывает на изменения, обычно в единицу времени). Установки, вырабатывающие электроэнергию, как правило, характеризуются мощностью, но мощность – это всего лишь скорость производства или потребления энергии. Мощность вычисляется делением энергии на время: единица ее измерения, используемая в науке, называется ватт = джоуль/секунда. Энергия равняется мощности, умноженной на время: джоули = ватты × секунды. Если вы зажжете маленькую свечку в католическом соборе, она может гореть 15 часов, преобразуя химическую энергию воска в тепло (тепловую энергию) и свет (электромагнитную энергию), а ее средняя мощность составит почти 40 Вт[34].

К сожалению, даже в технической литературе встречаются такие абсурдные выражения, как «электростанция вырабатывает 1000 МВт электроэнергии». Электростанция может иметь установленную мощность 1000 мегаватт – то есть вырабатывать столько электричества, – но при этом произведет 1000 мегаватт-часов или (в единицах, используемых в науке) 3,6 триллиона джоулей энергии в час (1 000 000 000 Вт × 3600 секунд). Аналогичным образом скорость основного обмена веществ взрослого мужчины (энергия, необходимая для поддержания всех функций организма в полном покое) составляет около 80 Вт, или 80 джоулей в секунду; мужчине весом 70 килограммов, неподвижно лежащему весь день, потребуется приблизительно 7 мегаджоулей (80 × 24 × 3600) пищевой энергии, или около 1650 килокалорий, чтобы поддерживать температуру тела, обеспечивать сокращение сердца, а также осуществлять мириады ферментативных реакций[35].

В последнее время непонимание сути энергии привело к тому, что сторонники нового «зеленого» мира наивно призывают к почти мгновенному переходу от мерзкого грязного ископаемого топлива, запасы которого ограниченны, к более совершенному, не загрязняющему окружающую среду и возобновляемому солнечному электричеству. Но жидкие углеводороды, извлекаемые из сырой нефти (бензин, авиационный керосин, дизельное топливо, мазут) обладают наибольшей плотностью энергии из всех доступных источников и поэтому больше всего подходят для всех видов транспорта. Вот как выглядит лестница плотности энергии (в гигаджоулях на тонну): сухое дерево – 16, битуминозный уголь (в зависимости от качества) – 24–30, керосин и дизельное топливо – около 46. В терминах объема плотность энергии (все величины в гигаджоулях на кубический метр) дерева – 1, качественного угля – 26, керосина – 38. Плотность энергии природного газа (метана) составляет всего лишь 35 МДж/м³ – менее 1/1000 плотности энергии керосина[36].

Значение плотности энергии – а также физических свойств топлива – для транспорта очевидно. Океанские лайнеры с паровыми турбинами не сжигают дерево, поскольку при прочих равных условиях дерево займет в 2,5 раза больший объем, чем качественный битуминозный уголь, необходимый для пересечения океана (и будет как минимум на 50 % тяжелее), что значительно уменьшит эффективность перевозки людей и товаров. Самолеты на природном газе нереализуемы, потому что плотность энергии у метана на три порядка меньше, чем у авиационного керосина; уголь тоже не подходит – разница в плотности энергии не столь велика, но он не потечет из расположенных в крыльях баков к двигателям.

Преимущества жидкого топлива не ограничиваются высокой плотностью энергии. В отличие от угля, сырую нефть гораздо легче добывать (нет нужды отправлять шахтеров под землю или портить ландшафт карьерами), хранить (в цистернах или под землей, поскольку из-за гораздо более высокой плотности энергии сырой нефти любое замкнутое пространство вмещает на 75 % больше энергии в виде жидкого топлива, чем в виде угля) и перемещать (танкерами или с помощью трубопроводов, самого безопасного вида транспортировки на большие расстояния), и поэтому она легко доступна там, где в ней возникает потребность[37]. Сырая нефть требует перегонки, чтобы разделить сложную смесь углеводородов на фракции (бензин является самой легкой фракцией, мазут – самой тяжелой), но этот процесс позволяет получить более ценные виды топлива для конкретных нужд, а также незаменимые побочные продукты, такие как смазочные масла.

Смазка нужна для минимизации трения во всех движущихся механизмах, от громадных турбореактивных двигателей широкофюзеляжных авиалайнеров до миниатюрных подшипников[38]. Самым крупным потребителем смазочных материалов является автомобильный сектор (в настоящее время на дорогах мира насчитывается более 1,4 миллиарда автомобилей), следующей идет промышленность (самые большие рынки – текстильная, энергетическая, химическая и пищевая), затем океанские суда. Ежегодное потребление смазочных материалов превышает 120 мегатонн (для сравнения: суммарное производство всех пищевых масел, от оливкового до соевого, составляет около 200 мегатонн в год), а поскольку доступная альтернатива – синтетическая смазка, изготовленная из более простых, но, как правило, тоже получаемых из нефти компонентов, а не непосредственно из сырой нефти, – обходится дороже, потребность в них будет расти по мере роста промышленности во всем мире.

Еще один продукт, получаемый из сырой нефти, – асфальт. В настоящее время в мире производится порядка 100 мегатонн этого черного липкого материала; 85 % используется для дорожного покрытия (горячие и теплые асфальтовые смеси), остальное для кровли[39]. Есть и другие способы использования углеводородов не в качестве топлива. Они – незаменимое сырье для самых разных процессов химического синтеза (в основном получения этана, пропана и бутана из сжиженного природного газа), при производстве синтетических волокон, смол, клеящих веществ, красок и покрытий, растворителей и пестицидов – без всего этого современный мир не может существовать[40]. Учитывая эти преимущества и полезные свойства, совершенно очевидно – и неизбежно, – что наша зависимость от сырой нефти будет расти по мере ее удешевления и возможности доставки в любую точку мира.

Переход от угля к сырой нефти растянулся на несколько поколений. Промышленная добыча сырой нефти началась в 1850-х гг. в России, Канаде и США. Скважины, которые бурили древним ударным способом, когда тяжелый буровой снаряд забивается в почву, были неглубокими, а главным продуктом примитивной перегонки нефти оставался керосин для ламп (который заменил китовую ворвань и свечи)[41]. Новые рынки для продуктов перегонки нефти появились только после широкого распространения двигателей внутреннего сгорания: сначала изобрели бензиновые двигатели (с использованием цикла Отто) для легковых автомобилей, автобусов и грузовиков, затем более эффективные двигатели конструкции Рудольфа Дизеля, топливом для которых служила более тяжелая и дешевая фракция (солярка, как вы уже догадались) и которые ставились преимущественно на суда, грузовики и тяжелое машинное оборудование (более подробно об этом см. главу 4, посвященную глобализации). Распространение этих новых первичных двигателей было медленным, и до Второй мировой войны количество владельцев личных автомобилей быстро росло только в США и Канаде.

Сырая нефть стала глобальным топливом и в конечном итоге самым главным источником первичной энергии благодаря открытию гигантских нефтяных месторождений на Ближнем Востоке и в СССР – и, разумеется, благодаря появлению больших танкеров. Некоторые крупные месторождения на Ближнем Востоке начали разрабатывать еще в 1920-х и 1930-х гг. (иранский Гечсаран и иракский Киркук в 1927 г., кувейтский Бурган – в 1937 г.), но большинство были открыты после войны, в том числе Гавар (крупнейшее в мире) в 1948 г., Сафания в 1951 г. и Манифа в 1957 г. – все в Саудовской Аравии. В Советском Союзе самые богатые нефтяные месторождения были открыты в 1948 г. (Ромашкинское в Волго-Уральской нефтегазоносной области) и в 1965 г. (Самотлорское в Западной Сибири)[42].

Рост и относительное падение спроса на сырую нефть

Массовое производство легковых автомобилей в Европе и Японии и сопутствующий перевод экономик этих стран с угля на сырую нефть, а впоследствии на природный газ началось только в 1950-х гг. – одновременно с расширением международной торговли и путешествий (в том числе на новых реактивных лайнерах), а также с использованием нефтехимического сырья для производства аммиака и пластика. В 1950-х гг. мировая добыча сырой нефти удвоилась, а в 1964 г. сырая нефть заменила уголь как главное ископаемое топливо. Добыча постоянно увеличивалась, спрос удовлетворялся, и цены падали. В фиксированных ценах (скорректированных с учетом инфляции) мировая цена на нефть в 1950 г. была ниже, чем в 1940-м, в 1960 г. – ниже, чем в 1950-м, а в 1970 г. – ниже, чем в 1960-м[43].

Неудивительно, что спрос генерировали все сектора экономики. Собственно, сырая нефть была такой дешевой, что отсутствовали стимулы для ее эффективного использования: дома американцев в регионах с холодным климатом обогревали нефтяными горелками, но строили с одинарными стеклами и без дополнительного утепления; средний КПД американских машин снизился за период с 1933 по 1973 г., а отрасли с высоким энергопотреблением продолжали использовать процессы с низкой энергоэффективностью[44]. Наиболее показательный пример – в Америке темп замены старых мартеновских печей на более совершенные кислородные конвертеры для производства стали был гораздо ниже, чем в Японии и Западной Европе.

В конце 1960 г. в Америке спрос на нефть, и без того высокий, повысился на 25 %, а во всем мире – почти на 50 %. В период с 1965 по 1973 г. спрос на нефть в Европе почти удвоился, а японский импорт увеличился в 2,3 раза[45]. Как отмечалось выше, открытие новых месторождений позволяло удовлетворить рост спроса, и нефть продавалась практически по той же цене, что и в 1950 г. Но такая ситуация не могла сохраняться слишком долго. В 1950 г. на США приходилось около 53 % мировой добычи нефти; в 1970 г. эта доля упала до 23 % – хотя страна еще оставалась крупнейшим производителем, было очевидно, что придется наращивать импорт – тогда как на Организацию стран – экспортеров нефти (ОПЕК) приходилось 48 % мировой добычи.

Время играло на стороне ОПЕК, основанной в 1960 г. в Багдаде пятью странами с целью предотвратить дальнейшее падение цен на нефть: в 1960-х гг. организация была недостаточно сильной, чтобы оказывать существенное влияние, но к 1970 г. ее доля в мировой добыче нефти, а также снижение добычи в США (пик пришелся на 1970 г.) уже не позволяли игнорировать ее требования[46]. В апреле 1972 г. Техасская железнодорожная комиссия сняла ограничения на добычу нефти в штате и таким образом отказалась от контроля над ценами, существовавшего с 1930-х гг. В 1971 г. Алжир и Ливия приступили к национализации добычи нефти; в 1972 г. их примеру последовал Ирак, и в том же году Кувейт, Катар и Саудовская Аравия начали постепенно забирать себе нефтяные месторождения – до сих пор они находились в руках иностранных корпораций. Затем в апреле 1973 г. США сняли ограничения на импорт сырой нефти к востоку от Скалистых гор. Неожиданно цены на рынке начал диктовать продавец, и 1 октября 1973 г. ОПЕК подняла официальную цену на 16 %, до 3,01 доллара за баррель, а после победы Израиля над Египтом и Сирией на Синайском полуострове в октябре 1973 г. шесть арабских стран Персидского залива подняли цену еще на 17 % и установили эмбарго на экспорт нефти в США.

1 января 1974 г. страны Персидского залива подняли официальную цену до 11,65 доллара за баррель, то есть всего за один год стоимость главного источника энергии увеличилась в 4,5 раза, и в результате закончилась эпоха быстрого экономического развития, движущей силой которой была дешевая нефть. С 1950 по 1973 г. ВВП Европы почти утроился, а в США при жизни одного поколения ВВП увеличился более чем в два раза. В период с 1973 по 1975 г. темпы мирового экономического роста снизились почти на 90 %, а когда экономики, пострадавшие от высоких цен на нефть, начали приспосабливаться к новым реалиям – прежде всего впечатляющим ростом энергоэффективности в промышленности, – исламская революция в Иране (падение монархии и приход к власти фундаменталистской теократии) привела ко второй волне роста нефтяных цен, с 13 долларов в 1978 г. до 32 долларов в 1981 г., и еще 90-процентному спаду темпов мирового экономического роста в период с 1979 по 1982 г.[47].

Цена нефти более 30 долларов за баррель уничтожила спрос, и к 1986 г. нефть снова продавалась по 13 долларов за баррель, что создало условия для очередного раунда глобализации – на этот раз с центром в Китае, быструю модернизацию которого обеспечили экономические реформы Дэн Сяопина и значительные иностранные инвестиции. Два поколения спустя только те, кто пережил эти годы хаоса цен и поставок (или те немногие, кто изучал последствия), могли понять, насколько травматичными были эти две волны роста цен. Последствия экономических спадов ощущаются и сегодня, спустя несколько десятилетий, поскольку, когда спрос на нефть стал расти, многие меры экономии остались, а некоторые – в частности, переход к более эффективному использованию энергии в промышленности – продолжали совершенствоваться[48].

В 1995 г. добыча сырой нефти наконец превысила рекорд 1979 г. и продолжила рост, отвечая на спрос со стороны реформирующейся экономики Китая, а также на повышение спроса во всей Азии, – однако относительное доминирование сырой нефти, отмечавшееся до 1975 г., так и не восстановилось[49]