Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Тепло, теплее, горячо…

Человечеству, чтобы выжить, придется организовать круговорот производимого им тепла

Тепло — это космическое благо, которое надо ценить и беречь. А значит, использовать разумно. Фото (Creative Commons license): The Real Darren Stone

Страсти вокруг глобальных климатических изменений накаляются. Самая авторитетная организация в этой области — Межправительственная группа экспертов по изменению климата (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), учрежденная в 1988 году Всемирной метеорологической организацией и Программой ООН по окружающей среде и объединяющая несколько сотен ученых из ста тридцати стран. В своем последнем на сегодня докладе от 2 февраля 2007 года IPCC утверждает, что факт глобального потепления доказан, что оно грозит человечеству разнообразными бедствиями, расходы на преодоление которых могут составить через 20 лет триллионы долларов, и что с вероятностью более 90% оно вызвано ростом содержания в атмосфере парниковых газов, прежде всего углекислого газа, примерно 65% эмиссии которого вызвано сжиганием ископаемого топлива и 35% — освоением новых земель и вырубкой лесов.

У этой точки зрения немало противников. Одни считают, что глобальное потепление — это умышленный обман, на который пустилась международная бюрократия, преследуя корыстные интересы некоторых немногочисленных групп. Другие говорят, что потепление происходит, но в нем повинно исключительно разрушение человеком природных экосистем. Вариант — потепление является фазой очередного природного долгопериодного цикла и закончится в ближайшие годы, после чего начнется похолодание. Кто-то объясняет потепление изменением солнечной активности, кто-то — истощением озонового слоя ультрафиолетовой компонентой излучения Солнца… Катаклизмы вроде извержения исландского вулкана Эйяфьядлайёкюдля добавляют масла в огонь.

Но отставим на время всю эту полемику и взглянем на дело под другим углом. Мы увидим, что если даже человек не повинен в сегодняшнем потеплении, он с необходимостью вызовет его завтра, причем в апокалипсических масштабах. И вызовет его по причинам, о которых мировое сообщество пока вспоминает нечасто. Решение этой завтрашней проблемы окажется и решением проблемы сегодняшней.

Рост потребления энергии — угроза человечеству

Расходуя энергию, мы ее не уничтожаем — это запрещено законом сохранения энергии, — но только превращаем одну ее форму в другую, в конечном же счете практически вся добываемая энергия рассеивается в виде тепла. Такова конечная судьба энергии, идущей на отопление зданий, приготовление пищи, стирку, плавку стали, работу транспорта. «Практически вся» — потому что какая-то ее часть тратится на увеличение гравитационного потенциала (когда строительные материалы поднимаются на высоту) или фиксируется в форме потенциальной энергии создаваемых структур. Доля нерассеиваемой энергии неизвестна (во всяком случае автору этих строк), составляя, по-видимому, проценты или доли процента.

Что за беда, скажет читатель, добываемая человеком энергия в тысячи раз меньше энергии достигающего поверхности Земли солнечного излучения. Так, да не так. В 2003 году и на самом деле было произведено энергии примерно в 5 тыс. раз меньше, чем ее упало от Солнца. Однако на протяжении последних 100–200 лет мировое потребление энергии растет экспоненциально с периодом удвоения, равным лет 23,4 года (одна оценка) или 27,5 лет (другая оценка).

Вулкан Эйяфьядлайёкюдль (Eyjafjallajökull) на юге Исландии. Вид из космоса. Фото: Jeff Schmaltz, MODIS Land Rapid Response Team, NASA/GSFC

Удвоение за 27,5 лет — это очень быстрый рост. Если такие темпы сохранятся, то уже через 340 лет добыча энергии сравняется с солнечной радиацией, что будет означать удвоение теплового потока на Земле, с чем биосфере заведомо не справиться.

При всей размытости момента наступления катастрофы сама ее угроза несомненна. Именно об этой «тепловой смерти», по сути дела, писали во второй половине XIX века классики термодинамики, прогноз которых применительно ко всей Вселенной был отвергнут физиками в XX веке. Теперь она настигает нас на Земле.

Момент, когда энергопотребление станет равным по мощности солнечному потоку на поверхности Земли (8,2.1015 Вт), — это, конечно же, реально недостижимый рубеж. К этому времени, если не принимать предупредительных мер, человечества на Земле уже не будет. Реагировать следует с опережением.

Одни эксперты полагают, что добываемая энергия не должна превышать 0,1% от солнечной, другие — 1%. При периоде удвоения добычи энергии 27,5 лет эти пороговые значения будут достигнуты через соответственно 65 и 156 лет (с 2003 года). Согласно оценкам Л. М. Гиндилиса — через 77 лет и 153 года.

Несмотря на всю свою приблизительность, эти оценки приводят к очевидному и неприятному выводу — в ближайшие 50–150 лет, дабы избежать «тепловой смерти», человечеству придется подвергнуть планетарную энергетику радикальной перестройке.

Популярный сценарий: торможение роста потребления энергии

Среди обстоятельств, сопутствующих грядущему глобальному энергетическому кризису, традиционно упоминается три: 1) исчерпание углеводородных ресурсов; 2) подрыв энергетической безопасности стран, лишенных этих ресурсов; 3) химическое и радиоактивное загрязнение среды. К ним можно добавить четвертую: тепловое загрязнение среды потреблением энергии как таковым, включая использование «чистых» или «альтернативных» источников. Проблема не только в том, как производится потребляемая энергия, но и в ее потреблении вообще.

Вторую и третью компоненты кризиса мировое сообщество бурно обсуждает. Реакция на первую компоненту не всегда адекватна, поскольку в качестве замены углеводородам сегодня всё чаще обсуждаются такие «грязные» или небезопасные энергоресурсы, как уголь и делящиеся вещества. Реакция же на четвертую компоненту у мирового сообщества, включая природоохранные организации (!), отсутствует напрочь.

Всякий электронагреватель превращает электрическую энергию в тепловую. Около 2% излучается в виде электромагнитных волн, но и они скоро поглощаются, также рассеиваясь в виде тепла. Фото (Creative Commons license): jam343

Об угрозе «тепловой смерти» из-за самого по себе экспоненциального роста потребления энергии пишут считанные единицы ученых, которые, однако, почему-то уверены в том, что человечество сможет затормозить рост добычи энергии. Эрик Шэссон (Eric J. Chaisson), например, пишет:

Было бы фатальным заблуждением думать, что мы можем генерировать неограниченное количество энергии, ради удовлетворения ежедневных потребностей быстро умножающегося населения… Чтобы избежать болезненного нагревания нашей среды, общее потребление энергии нашей цивилизации необходимо быстро выровнять [must soon level off].

Производство первичной энергии на душу населения меняется от сотен ватт в бедных странах до десятков киловатт в богатых. Призывы к выравниванию подразумевают рост потребления в первых за счет добровольного отказа от потребления во вторых. Они накладываются на мощный поток аналогичных призывов, мотивированных глобальным экологическим кризисом. Технологическая цивилизация и общество потребления, говорят нам, обречены и должны уйти в прошлое.

Я уверен в том, что прекращение существования индустриальной (и базирующейся на ней постиндустриальной) цивилизации означало бы социальную катастрофу, какой еще свет не видывал. Сколько-нибудь существенное замедление потребления энергии и потребления вообще пошло бы вразрез с законами эволюции.

Против вектора эволюции

Основные законы эволюции не ограничиваются биологией — они едины для органического, неорганического и социального миров, принимая лишь разную форму. Существует, в частности, единый вектор эволюции, направленный в сторону интенсификации метаболизмов (взаимодействий) разной природы (энергообмен и обмен веществ, химические метаболизмы и «метаболизмы» социальные). Иначе говоря, эволюционные процессы принципиально необратимы и задают то, что в физической кинетике принято называть «стрелой времени».

Органический мир в ходе эволюции перешел от менее интенсивных метаболизмов (брожение) к более интенсивным (фотосинтез, дыхание и фотодыхание) и соответственно к макроэргическим соединениям, играющим центральную роль в работе клеточных органелл, ответственных за снабжение клетки энергией. В эволюционном соревновании раз за разом побеждали органические формы с более интенсивными энергетическими метаболизмами. Скажем, скелетами обзавелись лишь животные, достигшие достаточно высокого уровня энергообмена. Млекопитающие обошли рептилий потому, что насыщенное кислородом (точнее — митохондриями) «красное мясо» первых обеспечивает существенно бóльшую интенсивность энергообмена, нежели «белое мясо» вторых. Примеры можно множить.

Дабы не получить превратных выводов о векторе эволюции, следует учитывать не только данную конкретную эволюционирующую систему, но и ее окружение. Поселяясь в пещерах, например, организмы регрессируют по сравнению с наземными, зато интенсифицируются метаболизмы во всей экосистеме «пещера» по сравнению с тем, что в ней было до ее заселения живыми формами.

Появление человека вызвало дальнейшую интенсификацию метаболизмов. Вся история человечества, если ее рассматривать как макроисторию, отвлекаясь от судьбы отдельных смертных по своей природе социумов, представляет собой историю интенсификации торговых, экономических, культурных и иных взаимодействий разных элементов и частей социального мира.

22 апреля День Земли отмечается в США в 40-й раз. В Годдардовском центре космических полетов НАСА (NASA Goddard Space Flight Center) подготовили внушительную экспозицию и ждут многочисленных гостей — в том числе, учащихся из 350 школ страны. Фото: NASA/GSFC

Законы эволюции — столь же обязательные к исполнению законы природы, как и законы гравитации. Если человечество попытается затормозить потребление, то, пойдя поперек законов эволюции, погибнет. Гибель «поперечных» или недостаточно «параллельных» вектору эволюции социальных систем многократно наблюдалась в прошлом. Эволюция — мера всех вещей.

Впрочем, дело не сводится просто к максимизации метаболизмов в данный момент времени. Иначе, например, эволюции была бы «выгодна» ядерная бойня, устроенная человечеством на Земле: в этот момент интенсивность взаимодействий была бы чрезвычайно велика. Однако это надолго снизило бы интенсивность метаболизмов в будущем, затормозив эволюцию. Этого не происходит, и не происходит потому, что, как говорят факты, эволюция «стремится» интенсифицировать метаболизмы не только в данный текущий момент времени, но и во всем возможно более протяженном будущем. Другими словами, в каждый текущий момент времени интенсификация метаболизмов осуществляется с минимальными «потерями».

Мы приходим к принципу минимакса (максимина), который, надо сказать, хорошо известен математикам (в исследованиях операций, теории принятия решений и теории игр) и который в данном случае может быть сформулирован так: в ходе эволюции максимизируется скорость метаболизмов, ведущих к последующей их (метаболизмов) интенсификации, и минимизируется скорость метаболизмов, не ведущих к дальнейшей их интенсификации.

Круговорот тепла

Требуемая принципом минимакса экономизация метаболизмов диктует их замыкание друг на друга, откуда и происходят круговороты вещества и энергии. Именно круговороты вещества и энергии стягивают множество организмов и среду их обитания на Земле в биосферу. В ходе эволюции биотических круговоротов происходило наращивание их масштабов и суммарной интенсивности с превращением биосферы во все более целостную систему.

Накладывая опыт органического мира на социальный, мы приходим к выводу, что ограниченность ресурсов планеты вынуждает социальный мир осуществлять социальную эволюцию через интенсификацию круговоротов вещества и энергии. Истощение ресурсов и загрязнение среды — это две стороны одного процесса и результат недостаточной замкнутости процессов производства и потребления в круговороты вещества и энергии.

Поскольку практически вся потребляемая человеком энергия оказывается рассеянной в среде, постольку круговорот энергии на Земле может быть реализован только как круговорот тепла. Человеку предстоит научиться собирать рассеиваемое тепло, чтобы вновь и вновь использовать его энергию.

Собирание рассеянного тепла с последующим его использованием в энергетических установках — не химера. Именно это делают сегодня гео- и гидротермальные энергоустановки и тепловые насосы. Таковы же экспериментальные океанические установки, работающие за счет разницы температур между глубинными и поверхностными слоями воды (одна такая установка размещена на старом танкере). Сюда же можно отнести, пусть и достаточно условно, ветровые энергоустановки и солнечные энергосистемы.

Одна из первых «фабрик холода» была разработана учеными Университета Сага (Saga University) в Японии и Национального института океанских технологий (National Institute of Ocean Technology, NIOT) Индии и установлена на барже «Сагар-Шакти» в 2006 году. Генератор мощностью в один мегаватт использует разность температур у поверхности океана и на глубине, реализуя идею французского физика Жака Дарсонваля (Jacques-Arsène d’Arsonval, 1851–1940), выдвинутую им более столетия назад. Фото: NIOT/Saga University

Энергоустановки, потребляющие рассеянное тепло и тем самым охлаждающие среду, этакие «фабрики холода», могут послужить основой для реорганизации энергетики — на термоциклической основе. Это традиционные тепловые машины с холодильником, и второе начало термодинамики, запрещающее прямое превращение тепла в другие виды энергии, не может использоваться как аргумент против развертывания термоциклической энергетики. Хотя проблемы возникают с КПД таких «фабрик холода» — он очень низок. Но если удастся создать в достаточном количестве достаточно эффективные «фабрики холода» и расставить их повсюду в атмосфере, гидросфере и земной коре, то, снова и снова собирая рассеиваемое в среде тепло, теоретически они смогут возвращать в энергооборот почти всю добываемую энергию.

Если все это удастся сделать, то «фабрики холода» не только сообщат энергопотреблению форму круговорота тепла, что снимет угрозу «тепловой смерти», но и предоставят неистощимый источник энергии, который снимет проблему исчерпания энергоресурсов. Круговорот тепла позволит наращивать потребление энергии человеком за счет его (круговорота) ускорения, не нарушая экологического равновесия со средой, подобно тому, как это на своем уровне делает органический мир, который, сохраняя массу биосферы более или менее постоянной, многократно увеличил за время своей эволюции ежегодное потребление энергии и вещества.

Сергей Хайтун, 21.04.2010

 

Новости партнёров