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

начала 1970-х гг. (первые микропроцессоры Intel) и начала 1980-х гг. (начало широкого распространения персональных компьютеров)[167]. До 1990-х мы умудрялись интегрировать экономики, мобилизовывать необходимые инвестиции, строить нужную инфраструктуру и объединять мир с помощью широкофюзеляжных реактивных самолетов, обходясь без всяких смартфонов, социальных сетей и развлекательных приложений. Но ни одно из этих достижений в электронике и телекоммуникациях не было бы возможно без стабильных поставок энергии и материалов, необходимых для воплощения изобретений в мириады потребляющих электричество компонентов, приборов, устройств и систем, от крошечных микропроцессоров до гигантских центров обработки данных.

Тонкие пластины из кремния (Si), основа для производства микросхем, являются важнейшим материалом века электроники. Но миллиарды людей могут благополучно прожить и без них; от этого материала не зависит выживание современной цивилизации. Производство больших и чрезвычайно чистых (99,999999999 процента) кристаллов кремния и их резка на пластины — это сложный, многоступенчатый и энергозатратный процесс: он требует на два порядка больше первичной энергии, чем получение алюминия из бокситов, и на три порядка больше, чем плавка железной руды и производство стали[168]. В то же время запасы сырья практически неограниченны (кремний — второй по распространенности элемент земной коры — почти 28 %; больше в ней только кислорода — 49 %), а объем производства кремния для нужд электроники очень мал по сравнению с другими незаменимыми материалами; в настоящее время предприятия имеют заказы на 10 000 тонн пластин[169].

Конечно, ежегодное потребление того или иного материала не является лучшим индикатором его незаменимости, но в данном случае вывод однозначен: несмотря на всю важность и революционность изменений в электронике после 1950-х гг., кремний не является незаменимой материальной основой современной цивилизации. Любая градация материалов по степени их значимости не является бесспорной, но я могу предложить обоснованную классификацию, которая учитывает их незаменимость, степень распространения и объем спроса. На этой комбинированной шкале первые места занимают четыре материала, и я называю их четырьмя столпами современной цивилизации: цемент, сталь, пластик и аммиак[170].

По своим физическим и химическим свойствам, а также функциям эти материалы значительно отличаются друг от друга. Но, несмотря на разницу в характеристиках и применении, у них есть важное общее свойство: они незаменимы для функционирования современных обществ. Они требуются в большем (и постоянно растущем) количестве, чем любые другие ресурсы. В 2019 г. во всем мире израсходовали 4,5 миллиарда тонн цемента, 1,8 миллиарда тонн стали, 370 миллионов тонн пластика и 150 миллионов тонн аммиака, которые невозможно заменить другими материалами — по крайней мере, в ближайшем будущем или в мировом масштабе[171].

Как отмечалось в главе 2, только полная переработка (что невозможно) всех отходов жизнедеятельности пастбищных животных в совокупности с почти идеальной утилизацией остальных источников органического азота способны обеспечить объем этого вещества, ежегодно вносимый в почву в виде удобрений на основе аммиака. В то же время у нас нет материалов, способных конкурировать со многими видами пластика по сочетанию пластичности, долговечности и небольшого веса. Аналогичным образом даже если бы мы могли произвести эквивалентное количество строительного леса или камня, то по прочности, универсальности и долговечности они не могли бы соперничать с армированным бетоном. Мы могли бы строить пирамиды и соборы, но не длинные арочные мосты, гигантские плотины гидроэлектростанций, многополосные шоссе или взлетно-посадочные полосы аэропортов. А сталь используется буквально везде и до такой степени незаменима, что определяет нашу способность вырабатывать энергию, производить продукты питания, строить дома, а также обеспечивать масштаб и качество важной инфраструктуры: с ней не сравнится ни один металл.

Другая общая характеристика этих четырех материалов особенно важна, если мы задумываемся о безуглеродном будущем: их массовое производство в значительной степени зависит от сжигания ископаемого топлива, а часть этого топлива также является сырьем для синтеза аммиака и для производства пластика[172]. Плавка железной руды в доменных печах требует кокса, который получают из угля (с помощью природного газа); источником энергии для производства цемента служит в основном угольная пыль, нефтяной кокс и тяжелое нефтяное топливо. Подавляющее большинство простых молекул, соединяющихся в длинные цепочки, из которых состоит пластик, получают из сырой нефти и природного газа. А в современном синтезе аммиака природный газ служит как источником водорода, так и источником энергии.

В результате на глобальное производство этих четырех незаменимых материалов приходится приблизительно 17 % мировых поставок первичной энергии, а сжигание ископаемого топлива при их производстве дает 25 % выбросов CO2, и в настоящее время не существует доступных и реализуемых в массовом масштабе альтернатив, способных заменить эти традиционные процессы[173]. Существует много разных предложений и экспериментальных технологий для производства этих материалов без опоры на ископаемые углеводороды — от нового каталитического синтеза аммиака до выплавки стали на водородном топливе, — но ни одна из этих альтернатив еще не стала экономически выгодной, и, даже если мы будем агрессивно внедрять безуглеродные варианты, потребуются десятилетия, чтобы заменить существующие производственные мощности, которые производят сотни миллионов и миллиарды тонн этих материалов по приемлемым ценам[174].

Чтобы по-настоящему оценить значение этих материалов, я расскажу об их основных свойствах и функциях, кратко опишу историю технических достижений и эпохальных изобретений, которые сделали возможным их дешевое и массовое производство, а также приведу примеры огромного разнообразия их применения в современном мире. Начну я с аммиака — потому что без него невозможно прокормить растущее население земли — а затем перейду (в порядке возрастания мировых объемов производства) к пластику, стали и цементу.

Аммиак: газ, который кормит мир

Из этих четырех веществ именно аммиак заслуживает первого места в списке (несмотря на мою нелюбовь к классификации!) самых важных материалов. Как я уже объяснял в предыдущей главе, без его использования в качестве главного азотного удобрения (непосредственно или как сырья для синтеза других азотных соединений) было бы невозможно накормить от 40 до 50 % населения планеты, численность которого приближается к 8 миллиардам. Еще раз повторим: в 2020 г. почти 4 миллиарда человек не смогли бы выжить без синтетического аммиака. Подобных жизненно важных ограничений нет у пластика стали или цемента, необходимого для производства бетона (и, как уже отмечалось выше, у кремния).

Аммиак — это простое неорганическое соединение, состоящее из одного атома азота и трех атомов водорода (NH3), а это значит, что 82 % его массы приходится на водород[175]. При атмосферном давлении это невидимый газ с характерным неприятным запахом несмытого туалета или разлагающегося навоза. В низких концентрациях он может вызвать головную боль, тошноту, рвоту; высокие концентрации