FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь 2019
176 городов
September – November 2019
312 cities
11-13 октября 2019
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры
21-22 сентября 2019 года
22-23 октября 2019 года
29-30 ноября 2019 года
7-8 сентября 2019 года
27-29 сентября 2019 года
4-5 октября 2019 года
10-12 октября 2019 года

Материалы XX века

Я уже говорил, что современное высокоэнергетическое общество XX века появилось благодаря беспрецедентному сочетанию технического, научного и управленческого прогресса с 1865 по 1913 год; изменения, которые повлек такой прогресс, вкупе с некоторыми значимыми инновациями привели к значимым количественным, социальным и экономическим перестановкам, а также к повышению уровня жизни людей (Smil, 2005, 2006). В последнем параграфе этой главы я бы хотел кратко рассказать о том, как важнейшие из произошедших в XX веке изменений в производстве и использовании материалов — от привычной биомассы до современной электроники — способствовали возникновению новых реалий. Пожнивные остатки, собираемые на полях каждый год, были незаменимым материалом во всех традиционных земледельческих обществах, поскольку это был возобновляемый ресурс. Во многих обезлесенных регионах они также были единственным источником бытового топлива; из смеси соломы и глины делались кирпичи и связки для крыш; в некоторых странах крестьяне носили соломенную обувь и плащи, а сено служило и подстилкой, и кормом для одомашненных жвачных (сено может наполовину состоять из целлюлозы, которую переваривают только жвачные). В XX веке соломенные крыши и сандалии практически исчезли; в богатых странах большая часть соломы (более 60% его годовых объемов) перерабатывалась с целью повышения качества почв; однако во многих других странах пожнивные остатки все еще использовались в качестве топлива и корма. Согласно моим ретроспективным расчетам ежегодного объема пожнивных остатков на них в 1900 году пришлось почти 75% всего урожая общей массой 1,5 миллиарда тонн; в 1950 году доля пожнивных остатков все еще составляла около 70% (Smil, 2013). Последующее распространение современных сортов и увеличение средних коэффициентов урожайности — соотношения масс зерна и соломы, которое сейчас достигло значения 1:1 — снизили долю соломы до 65% к 1975 году и до 58% к 2000 году. По моим расчетам, в том году общемировая масса пожнивных остатков продовольственных и кормовых культур составила не менее 3,75 миллиарда тонн сухого веса. Для сравнения: Вирсениус (Wirsenius, 2000) считает, что та же цифра в 1992–1994 гг. составляла 3,46 миллиарда тонн в год; Хаберл и др. (Haberl и соавт., 2006) называют цифру 2,71 миллиарда тонн за 2000 год. Не имеется достоверных данных о том, куда в конечном счете деваются все эти пожнивные остатки: во многих агроэкосистемах необходима их прямая переработка, позволяющая сохранять почву и предотвращать ее эрозию; однако порой масса таких остатков считается избыточной, и их просто сжигают в полях. Такая не вполне одобряемая практика широко распространена в тех регионах Азии, где занимаются рисоводством. До сих пор солому жгут даже в некоторых развитых странах, среди которых выделяется Дания, где около 1,4 миллиона тонн пшеничной соломы (почти четверть общей массы урожая) уходит на обогрев домов, центральное отопление и выработку электричества (Stenkjaer, 2009). Строительные плиты изготавливались из измельченной и прессованной (или плавленой со смолами) соломы; этим занимались такие компании, как Stramit International и Agriboard Industries, а некоторые «зеленые» архитекторы продвигают идею строительства зданий из соломенных блоков. Пожнивные остатки также можно использовать как источник органических соединений. Так, из соломы зерновых и кукурузы получают фурфурол — селективный растворитель, используемый при переработке сырой нефти и в производстве фенольных продуктов (Di Blasi и соавт., 2010). Солома также может использоваться в качестве субстрата при выращивании грибов: на пшеничной соломе выращивают шампиньоны двуспоровые, а на рисовой — соломенные грибы (De Carvalho и соавт., 2010). XX век, несомненно, был эпохой металлов и пластмасс; их новизна и повсеместность затмили древесину. И хотя в развитых странах расход древесины на душу населения действительно снизился, совокупный спрос на древесину значительно возрос, так как древесина не только сохранила, но даже укрепила свои позиции на большинстве устоявшихся рынков. Единственной категорией, где она практически перестала использоваться в XX веке, было кораблестроение: в современном мире из этого материала делают разве что небольшие суда (лодки и яхты), а также интерьеры более дорогих кораблей. В следующей главе я подробно рассмотрю две основные статьи расхода этого материала: производство пиломатериалов и древесной массы для изготовления бумаги; а пока отмечу, что древесина все еще важна в качестве топлива, а также для строительства железных дорог и добычи угля. Все агрегированные значения объемов израсходованной топливной древесины основываются на оценках и предположениях с неопределенностью порядка 50% — то есть оценочные данные за 2000 год не точнее данных за 1950 год (Fernandes и соавт., 2007). По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), в 2000 году по всему миру было сожжено около 1,825 миллиарда кубометров топливной древесины; организация также упоминает 75 миллионов кубометров древесных остатков и 49,2 миллиона тонн древесного угля, на производство которых при среднем значении множителя 6,0 ушло почти 300 миллионов кубометров древесины; таким образом, совокупный объем топлива из твердой биомассы составил порядка 2,2 миллиарда кубометров древесины (FAO, 2013). При плотности воздушно-сухой древесины около 0,65 т/м3 и энергоемкости 15 ГДж/т получаем 21,5 эксаджоулей энергии и 1,43 миллиарда тонн. Однако во многих странах источником древесины являются не леса, поэтому обобщенные оценки ФАО явно занижены. По самым точным из моих оценок было израсходовано порядка 2,5 миллиарда тонн воздушно-сухой древесины или 2 миллиарда тонн абсолютно сухого вещества, содержащего примерно 35 эксаджоулей; если включить в расчеты сжигание пожнивных остатков сельскими домохозяйствами, то нужно добавить как минимум еще 10 эксаджоулей, получив в итоге 45 эксаджоулей энергии, выработанной в 2000 году, что эквивалентно 3 миллиардам тонн древесины (Smil, 2010). Эти данные отлично согласуются с выводами Туркенбурга, который насчитал 45 ± 10 эксаджоулей (Turkenburg, 2000) и лишь на 20% выше цифр, названных Фернандесом и др.: 2,457 миллиарда тонн (37 эксаджоулей) твердой фитомассы, израсходованной в качестве топлива (75% в виде древесины и 20% в виде пожнивных остатков) (Fernandes и соавт., 2007). Таким образом в качестве удобного консенсуса по расчетам энергии, полученной из древесины и иной биомассы в 2000 году, можно взять цифру 40 эксаджоулей; если исходить из этого значения, то потребность в топливе из биомассы возросла на 70% с 1950 по 2000 год, а в целом в течение XX века сбор древесных и пожнивных остатков удвоился. Однако из-за быстрого роста населения в этот период средние подушевые показатели потребления сильно снизились; значительно возросли объемы добываемых ископаемых видов топлива, из-за чего доля биотоплива в общемировом производстве первичной энергии снизилась с 50% в 1900 году до менее 10% в 2000, а из-за низкого КПД сжигания древесины и соломы из этого источника было получено всего 5% полезной конечной энергии. Если говорить о крупнейших экономиках мира, то древесина занимает первое место среди источников энергии, вырабатываемой в Бразилии (примерно 10%); в богатых странах доля древесины варьируется от совсем незначительной (всего 1% в Великобритании и Испании) до примерно 20% в Швеции и Финляндии; в США этот показатель снизился с примерно 4,5% в 1950 году до 2% в 2010 году (Eurostat, 2012; USEIA, 2013). Деревянные шпалы — квинтэссенция инноваций XIX века — в течение всего XX столетия сохраняли лидирующее положение на мировом рынке. В 90-х гг. XX века 94% шпал в Америке были деревянными; и даже несмотря на относительно высокую долю бетонных шпал в некоторых частях Европы и Азии, лишь 15% шпал в мире были сделаны не из древесины (Sommath и соавт., 1995). Обработка шпал позволила продлить срок их службы; в 1940 году он составлял примерно 35 лет, в 2000 — уже 40–50 лет (James, 2001). В Европе и Северной Америке шпалы в основном покупаются для замены старых; а вот в Азии железнодорожная сеть продолжает расширяться, при этом на самой впечатляющей из новых веток азиатских железных дорог — маршрут Голмуд-Лхаса в Тибете — используются только бетонные шпалы. Мировой рынок рудничных стоек для подземных шахтных работ продолжал расти после Второй мировой войны, однако спрос на них снизился из-за сокращения угледобычи в Европе и перехода к поверхностной добыче в США и Австралии. По моим расчетам, объем древесины, задействованной в угольных шахтах, превысил 20 миллионов кубометров (примерно 15 миллионов тонн) в 1900 году и 40 миллионов кубометров в 1950 году, что составило примерно 2% общемировой добычи круглого леса. Европа и Япония теперь меньше зависели от угля, а увеличение доли поверхностной добычи и повсеместное внедрение так называемых «длинных забоев», использующих подвижные стальные опоры, привели к значительному падению спроса на рудничные стойки в западных странах после Второй мировой войны. В Китае, наоборот, добыча угля с 1950 по 2010 год увеличилась в 75 раз (с 43 до 3235 миллионов тонн), однако в этой стране, которая не может похвастаться большими запасами леса, удельный расход древесины всегда был значительно ниже, чем на Западе, где он обычно составлял 0,025 м3 /т. Низкий удельный расход рудничных лесоматериалов (сейчас составляет всего лишь 0,005 м3 /т) означает, что, несмотря даже на значительный рост объемов добычи угля, затраты круглого леса на нужды китайской угольной промышленности составляют менее 10% общего расхода древесины в стране (SFA, 2009). Однако будучи одним из ведущих экспортеров раз- Êàê ìû ê ýòîìó ïðèøëè 49 личной продукции, Китай занимает первое место по расходу древесины, фанеры, картона и бумаги на упаковку товаров. Как я уже отметил, в 1900 году уже существовали все технические предпосылки начала производства бетона — самого распространенного строительного материала в мире; однако первой крупной инициативой по его популяризации стал замечательный, хоть и считавшийся тогда бессмысленным, эксперимент Томаса Эдисона по проектированию и строительству монолитных бетонных домов (Courland, 2011). Изобретатель приступил к работе над этим проектом в 1906 году после неудачной попытки разработать улучшенные батареи. Пять лет спустя, когда и этот проект был близок к провалу, Эдисон попытался вдохнуть в него новую жизнь, пообещал изготовить дешевую бетонную мебель, включая полноценные спальные гарнитуры, и даже бетонный фонограф. Мечте Эдисона о строительстве недорогих домов из бетона не суждено было сбыться, однако некоторые архитекторы стали использовать бетон в своих наиболее важных и знаковых проектах. Во Франции Огюст Перре спроектировал несколько элегантных многоквартирных домов и Театр на Елисейских полях еще до начала Первой мировой войны; в США за применение этого материала выступал Франк-Ллойд Райт. Спроектировав несколько небольших зданий в США до начала Первой мировой, он построил Императорский отель в Токио, работа над которым завершилась незадолго до того, как город был разрушен землетрясением в 1923 году. Однако отель выстоял и получил лишь незначительные повреждения; в 1968 году его снесли. Среди других передовых проектов Райта по строительству бетонных сооружений можно отметить штаб-квартиру Johnson Wax в Расине, Висконсин (1939 год), Фоллингуотер-Хаус в Пенсильвании (1935 год) и Музей Гуггенхайма в Нью-Йорке (1959 год). Среди прочих известных возведенных после Второй мировой войны зданий, строительство которых стало возможно благодаря железобетону, отметим Сиднейскую оперу (построенная Йорном Утцоном и завершенная после многочисленных задержек в 1973 году, она славится своим изысканным обликом) и небоскреб Бурдж-Халифа в Дубае — самое высокое здание в мире, достроенное в 2010 году. Преднапряженные конструкции могут выдерживать ту же нагрузку, при этом они содержат на 70% меньше стали и на 40% меньше бетона, что позволяет им быть гораздо менее объемными. Этим пользовались авторы многих новаторских архитектурных проектов. Эжен Фрейсине стал первопроходцем в строительстве по такой технологии; он также ввел новую технологию, заключавшуюся в натяжении арматуры через проходы в сборном железобетоне (Grotte and Marrey, 2000). В первой половине XX века железобетон стал самым важным материалом в строительстве новых мостов и дамб, новых прибрежных сооружений; он также лежит в основе современной транспортной инфраструктуры. Швейцарский архитектор Робер Майяр проектировал изящные железобетонные мосты еще до Первой мировой войны (Billington, 1989). Самый длинный мост в мире — Великий мост Даньян-Куньшань в Китае — также построен из железобетона (строительство завершилось в 2010 году). Самые большие плотины в Америке, возведенные в 30-х гг. XX века (плотина Гувера на реке Колорадо и Гранд-Кули на реке Колумбия), стали предвестниками появления еще более крупных сооружений по всему миру после Второй мировой войны; самая большая плотина в мире — китайская плотина Санься («Три ущелья») на Янцзы, высокой 185 м и длиной 2,3 км — содержит почти 28 миллионов кубометров бетона и 500 000 тонн стальной арматуры. В 1982 году буровая платформа Statfjord B стала самым тяжелым перемещаемым объектом: 816 тысяч тонн (большая часть веса приходилась на железобетон в четырех массивных бетонных колоннах и резервуарах этого сооружения) было отбуксировано на позицию в Северном море (Aker Solution, 2013). Современная пассажирская авиация также полагается на железобетон: из него строятся взлетно-посадочные полосы, подходы и стоянки аэропортов, которым необходимо выдерживать постоянное движение самолетов весом от 150 (Boeing 737) до 277 тонн (Airbus 380); бетон ВПП достигает 1,5 метра в толщину, а длина полос может доходить до 3600–4000 метров. Однако большей частью железобетон уходил на строительство не шедевров архитектуры, а невзрачных или откровенно уродливых многоквартирных домов, высоток, фабрик, гаражей, дорог, эстакад и парковок. Технология Пилкингтона по производству так называемого «флоат-стекла» позволила изготавливать оконные стекла невиданных ранее размеров, и многие архитекторы этим воспользовались. В 2010 году объем общемирового рынка стекла достиг 56 миллионов тонн, наблюдался ежегодный прирост 4–5%; из них: 33 миллиона тонн качественного флоат-стекла, 1 миллион тонн листового стекла, 2 миллиона тонн прокатного стекла, примерно 20 миллионов тонн низкокачественного флоат-стекла, преимущественно китайского производства (NSG, 2011). Прогресс не обошел стороной и такую характеристику этого материала, как чистота. Стекло со времени стало проводником информации. К 1900 году лучшее оптическое стекло было примерно в 10 000 раз прозрачней первых образцов стекла, изготовленных в Египте около 5000 лет назад; после 1970 года путем применения высокочистого диоксида кремния удалось повысить прозрачность стекол на четыре порядка величины; так началась эра оптического волокна, позволяющего передавать данные на большие расстояния (Agrawal, 2010). Господство стали на мировом рынке металлов, установившееся к 1900 году, еще больше укрепилось в XX веке благодаря непрерывному улучшению технологий выплавки железа и производства стали, а также благодаря появлению новых рынков, где сплавы этой категории требовались в больших количествах. В течение более чем двух третей XX столетия сталь в основном производили в мартеновских печах. Принцип тихого дутья в таких печах не менялся, однако само оборудование увеличивалось в размерах и становилось куда более производительным. Незадолго до 1900 года самые большие сталеплавильные печи в США занимали площадь около 30 м2 , после Первой мировой войны максимальный размер увеличился до 55 м2 , к 1945 году практически достиг 85 м2 , а стандартная вместимость печи, составлявшая около 40 тонн в 1900 году, во время Второй мировой равнялась уже 200 тоннам (King, 1948). Кроме того, люди все чащи прибегали к электродуговым печам, появившимся в 1902 году, для превращения постоянно увеличивавшихся запасов металлолома в высококачественную сталь. На производство первых автомобилей 90-х гг. XIX века стали уходило немного, так как машины были штучным товаром, а кузова тогда изготавливались из дерева. Однако в 1908 году фордовская «Модель Т» положила начало массовому производству персональных транспортных средств, и автомобильная промышленность стала ведущим потребителем стали: ее спрос на этот сплав возрос с 70 000 тон в 1910 году до 1 миллиона тонн к 1920 году (Hogan, 1971). В течение многих десятилетий почти все эксперты-металлурги отвергали идею крупномасштабного производства нержавеющей стали. Английскому металлургу Гарри Брирли приписывают изобретение нержавеющей стали, предназначенной для коммерческого производства, в 1913 году. Та сталь, которой с готовностью стали пользоваться знаменитые шеффилдские производители столовых приборов, содержала почти 13% хрома. Однако американцы и немцы добились серьезных успехов на этом поприще примерно в то же время, что и англичане. Помимо столовых приборов из стали вскоре начали производить хирургические имплантаты и посуду; она нашла применение в пивоварении, виноделии, пекарном деле и мясоперерабатывающей промышленности, где из нее делались большие пищевые контейнеры. В 30-х гг. XX века нержавеющей сталью впервые воспользовались строители: первым примечательным сооружением из этого сплава стал воздвигнутый в 1930 году башенный шпиль нью-йоркского небоскреба Крайслер-билдинг. Год спустя на Эмпайр-стейт-билдинг установили оконные рамы и пилястры из нержавеющей стали. Популярностью пользовались скоростные пассажирские поезда с аэродинамическими стальными кузовами (начиная с появившегося в 1934 году поезда «Берлингтон-Зефир»), однако позже на смену стали пришел более легкий алюминий. Производство стали упало во время Великой депрессии. Так, в США оно снизилось в 1929–1932 гг. на 75% до 12,4 миллиона тонн, но достигло новых высот в военные годы, когда отмечался беспрецедентный спрос на металл. Такие изменения привели к возникновению новых проблем и решений. Из-за более высокой скорости дутья кирпичная футеровка быстро изнашивалась — и люди изобрели водное охлаждение. Увеличившиеся объемы руды, кокса и известняка уже нельзя было перемещать вручную — и появились механизированные подъемники и устройства автоматического сброса. Для работы нагнетателей требовался чистый газ — и инженеры разработали новое, более эффективное газоочистное оборудование, включая электростатический фильтр Фредерика Коттрелла, впервые представленный в 1919 году. Расход металла на производство вооружений, потребовавшихся для победы во Второй мировой войне, оживил американскую металлургию, и в 1950 году США первыми начали использовать такие технологии, как выплавка под давлением (позволяет экономить кокс), обогащенные руды, впрыск газообразного или жидкого топлива, обогащение вдуваемого воздуха кислородом, а также автоматический контроль рабочих операций (Gold и соавт., 1984). Но уже к 1960 году, ведущим инноватором черной металлургии стали Япония (крупнейший в мире производитель металлов после СССР) и Европа. Крупные и более эффективные доменные печи для выплавки железа, конвертерные (бессемеровские) печи для производства стали, а также непрерывное литье стальных изделий — вот эти три изобретения преобразили мировую металлургию после Второй мировой войны; в следующей главе, рассматривая достижения в производстве металлов, я подробнее на этом остановлюсь. Массовое производство недорогой и высококачественной конструкционной стали позволило начать строительство высотных зданий в центрах больших городов на всех населенных континентах; во многих этих зданиях сталь используется даже в наружных покрытиях. Завершенный в 1954 году нью-йоркский Сокони-Мобил стал первым небоскребом с облицовкой полностью из нержавеющей стали (впервые его почистили только в 1995 году). После него было построено множество небоскребов со стальной облицовкой (обычно в виде навесных стен), среди которых отметим Стальную башню в Питтсбурге и башни-близнецы Петронас в Куала-Лумпуре (некоторое время были самым высоким строением в мире). Небоскреб Бурдж-Халифа отличается светоотражающим остеклением и текстурированными перемычками из нержавеющей стали. Однако гораздо большее количество стали в виде листов и стержней уходило на производство легковых и грузовых автомобилей, создание новой наземной транспортной инфраструктуры: от многополосных автодорог и мостов до аэропортов, строительство больших нефтяных танкеров, сухогрузов, перевозящих все виды товаров от зерна до руды, а также, начиная с 60-х годов, контейнерных судов и портов. Сталь позволяет проектировать и строить весьма интересные с точки зрения архитектурного облика висячие мосты, длинные дорожные пролеты которых удерживаются тросами. Так, длина японского моста Акаси Кайкио, связывающего острова Хонсю и Сикоку, составляет почти 2 км (199110 м). Транспортная отрасль также стала основным потребителем алюминия: благодаря сочетанию легкости и долговечности этот металл и его сплавы стали идеальным выбором для широкого ряда изделий: от кухонной утвари до вагонов скоростных поездов; кроме того, он незаменим в авиации. С 1900 по 1943 год объемы производства алюминия, спрос на который был беспрецедентным благодаря развитию авиастроения, увеличились почти в 300 раз до 2 мегатонн; на пике спроса 45% алюминия расходовалось в США, которые тогда взялись за крупнейший в истории проект по производству рекордных количеств военных самолетов. После 1950 года к производству алюминия подключилось множество новых предприятий; к 2000 году объем электролитического производства этого металла приблизился к 25 миллионам тонн, в 2008 году достиг нового рекордного значения — почти 40 миллионов тонн, при этом спрос на алюминий после 2000 года возрастал в основном за счет Китая (USEIA, 2013; IAI, 2013). Помимо самолетостроения конструкционный алюминий стали широко использовать в строительстве палуб и надпалубных сооружений (начиная с 40-х гг.), судов (от небольших целиком алюминиевых лодок до сооружений на морских буровых платформах, от больших круизных лайнеров до дорогих яхт) и вагонов. Среди различных отраслей промышленности, возникших после 1950 года и нуждающихся в больших количествах алюминия, можно отметить производство ирригационных труб (особенно это касается систем кругового орошения, распространенных в засушливых регионах), теплообменников (широко применяются для кондиционирования воздуха, а также в медицинском оборудовании и электроники), и даже шпунтовых свай. В то же время спрос на алюминий упал там, где этот металл традиционно считался востребованным: в аэрокосмической отрасли ему на смену пришел титан (особенно это касается сверхзвуковых самолетов), а в производстве простых изделий его заменили на менее энергоемкие и более дешевые пластмассы. На производство титана уходит в два раза больше энергии (около 400 гигаджоулей  на тонну), чем на всю цепочку получения алюминия (в следующей главе опишу этот процесс поподробнее), однако его температура плавления составляет 1667°С, что в 2,5 раза выше, чем у алюминия (660°С), поэтому титан больше подходит для обшивки сверхзвуковых самолетов. После Второй мировой войны спрос на медь формировался в основном за счет пяти основных рынков конечной продукции: в строительстве медь уходила на производство электропроводки, сантехники, систем охлаждения, трубы кондиционеров, а также на обшивку и кровлю; из меди делались детали промышленного оборудования, соединения, проводка и теплообменники; медь использовалась во всех видах транспортных механизмов, а также в промышленном электрическом и электронном оборудовании, прежде всего телекоммуникационном и осветительном; наконец, медь применялась в производстве потребительских товаров, в основном различных электронных устройств, электрических кабелей и во многих странах – в чеканке монет. Общемировой объем используемой меди составлял менее 500 000 тонн в 1900 году, но превзошел 13 миллионов тонн в 2000; таким образом, медь осталась на третьем месте среди металлов XX века. Четвертым по важности металлом считается цинк, потребление которого составило 12,6 миллиона тонн в 2010 году; при этом отмечается стабильно растущий спрос на свинец: если раньше он, будучи на пятом месте, сильно отставал от цинка, то не так давно разрыв между этими двумя металлами сократился: в 2011 году общемировой объем поставок очищенного свинца впервые в истории превысил 10 миллионов тонн и достиг 10,6 миллиона, 45% которых было получено в виде первичного металла, остальное — из переработанных материалов (ILZSG, 2013). Хотя использование тетраэтилсвинца как автомобильной присадки, предотвращающей «стук»11 бензиновых двигателей, было запрещено в Японии в 1986 году, в США в 1995 году, в ЕС и Китае в 2000 году, рост мирового рынка легковых и грузовых автомобилей и, следовательно, ежегодная установка десятков миллионов новых и сменных свинцово-кислотных аккумуляторов, привели к возникновению рекордного спроса на этот металл. Общее число легковых автомобилей, легких и тяжелых грузовиков составляет чуть более 1 миллиарда; в среднем аккумулятор легкового автомобиля содержит 10 кг свинца, грузовика — 13 кг; таким образом, по дорогам мира в 2010 году ездило почти 11 миллионов тонн свинца. Кроме того, этот тяжелый металл остается незаменимым припоем в электронике. Использование кремния, легкого (2,3 г/см3 ) полуметалла, стало синонимом современной электроники, однако на заре этой отрасли и в ее развитии до 50-х гг. этот элемент не применялся. Теоретические начала электроники восходят к 60-м гг. XIX века, работам Джеймса Кларка Максвелла и Рудольфа Герца; практическое применение началось в 90-х гг. того же столетия, когда несколько исследователей и инженеров попытались создать беспроводную телеграфию — метод отправки сигналов по воздуху. Наиболее известными из них были Никола Тесла, Дэвид Хьюз, Александр Степанович Попов, Уильям Крукс, Эдуард Бранли, Оливер Джозеф Лодж и Гульельмо Маркони. Маркони был первопроходцем, не полагавшимся на новые материалы: его первые вещательные башни в Ньюфаундленде были деревянными, а искрогенераторы и проволочные антенны были сделаны из распространенных металлов. Более поздние модели высокочастотных генераторов были созданы Реджинальдом Фессенденом Обри и Эрнстом Фредериком Вернером Александерсоном и были способны генерировать незатухающую волну с радиосигналом. Это оборудование является замечательным примером точного машиностроения; однако настоящим прорывом, с которого началось массовое производство электроники, стало изобретение Флемингом диода — по сути, лампочки с электродом. «Потомки» диода — триоды, тетроды, и пентоды — требовали тщательного и осторожного подхода к их производству, однако с точки зрения используемых материалов все эти вакуумные трубки представляли собой просто много стекла и горячих нитей накаливания (в основном из вольфрама). Радио было впервые представлено в начале 20-х гг., а уже в 30-х стало недорогим и распространенным устройством; первым дорогим, но при этом массовым электронным прибором, стал телевизор. Телевещание впервые состоялось в Великобритании и США еще до Второй мировой войны; к 1948 году менее 200 тысяч семей имели у себя дома громоздкий шкаф с маленьким черно-белым экраном, однако уже к 1960 году телевизор стоял в 90% американских домов. Первая телепередача в цвете состоялась в 1954 году, однако доступные цветные телевизоры появились лишь в конце 60-х, а к 1975 цветной телевизор имелся у двух третей американских семей (Abramson, 2003). К тому времени уже практически завершился переход к твердотельной электронике. Земная кора почти на 28% состоит из кремния, и хотя в форме своего диоксида SiO2 (кремнезема) он присутствует в больших количествах в песке, песчанике и кварце, а также многих силикатах: от твердых полевых шпатов (породообразующих минералов) до мягкого каолинита (слоистого глинистого минерала), в природе его попросту не существует в чистом, элементарном виде (вне соединений). Однако чистый кристаллический кремний является материальной основой современной электроники: замысловатые переплетения полупроводников и соединений впечатываются в тонкие пластины из ультрачистого кремния; оптическое волокно (изготавливается путем сплавления SiO2 and GeO2 , помещения этого сплава в трубу, где из него образуется стекло, из которого вытягивают волокно) используется для передачи данных между странами и континентами; а фотоэлектрические преобразователи обеспечивают энергией спутники связи, передающие данные и сообщения между континентами. Кроме того, фотоэлементы все чаще используют для выработки электричества на земле. Кремний очень важен, и потому заслуживает отдельного подробного анализа. Пластмассы нередко рассматриваются как материальная квинтэссенция ХХ века; после Второй мировой войны они распространялись невероятно быстро, заменяя дерево, металлы и стекло во многих домашних, промышленных и транспортных приложениях (Strom and Rasmussen, 2011). Хотя история синтетических материалов начинается с 70-х гг. XIX века, когда Джон Уэсли Хайятт запатентовал свой целлулоидный процесс и химики начали изучать фенолформальдегидные реакции, реального прогресса удалось достичь только в 1907 году, когда Лео Хендрик Бакеланд, бельгийский химик, работавший в Нью-Йорке, подготовил первую в мире термореактивную пластмассу, образующуюся при температурах 150–160°C (Baekeland, 1909). Его фирма, General Bakelite Company, основанная в 1910 году, первой в истории начала масштабное промышленное производство пластмасс; из бакелита вскоре стали изготавливать широкий ряд изделий: от телефонов до электроизоляции, от дверных ручек до деталей легкого оружия. В 1912 году Жак Э. Бранденбергер представил несколько своих изобретений: целлофан (гидратцеллюлоза12, сначала была представлена во Франции, в 1924 году появилась и в США), стирол (его полимер со временем стал ведущим изоляционным и упаковочным материалом) и ацетат целлюлозы (Brydson, 1975). А вот 30-е годы стали эпохой непревзойденных до сих пор открытий в области изучения пластмасс, чему предшествовали систематические исследования на базе научных организаций; главную роль в этом глобальном научном прорыве сыграли крупные химкомпании, прежде всего американская DuPont, немецкая IG Farben и британская Imperial Chemical Industries. Сначала в 1930 году команда DuPont под руководством Уоллеса Хьюма Карозерса начала выпускать неопрен (синтетический каучук), а IG Farben синтезировали полистирол. В начале 30-х ICI занялись исследованиями органических реакций под очень высоким давлением, и к 1935 году смогли произвести полиэтилен. Кроме того, компания в 1933 году приступила к синтезу метилметакрилата; в том же году Ральф Уайли из Dow Chemical случайно открыл поливинилиденхлорид, больше известный как пищевая пленка. В 1935 году появился плексиглас (оргстекло), год спустя — полиуретаны (синтезированы Отто Байером в компании IG Farben), а в 1937 Карозерс запатентовал «полимер 66», известный под торговым наименованием «нейлон» (Carothers, 1937; Hermes, 1996). Первым нейлоновым изделием стали зубные щетки, выпущенные в 1938 году; вскоре за ними последовали чулки. В том же 1938 году Рой Планкетт (DuPont) случайно открыл политетрафторэтилен, известный под брендовым названием «тефлон». В 40-х были получены алкидные полиэфиры и полиэтилентерефталат (ПЭТ). Из ПЭТ изготавливалось волокно (терилен и дакрон), пленка (майлар); с 1973 года он стал основным пластиковым материалом для производства бутылок для напитков, растительного масла и соусов. Стоит отметить также очень высокую долю ПЭТ-бутылок и контейнеров, отправляющихся на переработку; по этому показателю они лидируют среди пластмассовых изделий. Полученный в результате такой переработки материал идет на изготовление полиэфирных ковриков, наполнитель из искусственного волокна для спальных мешков и пальто, автомобильных бамперов и дверных панелей. Среди величайших открытий 50-х годов отмечу полиимиды (используются в подшипниках и шайбах, а также в качестве устойчивых к тепловому и химическому воздействию материалов в электронике) и поликарбонаты (из них стали делать оптические линзы и окна, позже — покрытие для компакт-дисков); однако самым значимым достижением стал изобретенный Карлом Циглером метод синтеза полиэтилена при обычной температуре и под низким давлением с применением новых металлоорганических катализаторов. После 1960 года появились полисульфон (огнезащитный материал), полибутилен (гибкий полиолефин, используемый при изготовлении труб и пластиковой упаковки), жидкокристаллические полимеры (ароматические полиэфиры, широко используемые в электронике), а также пластмассовые материалы DuPont, продаваемые под широко известными торговыми наименованиями: лайкра (спандекс, используется в производстве спортивной одежды), кевлар (пуленепробиваемый пара-арамид, из которого изготавливаются бронежилеты), огнеупорный номекс (используется в производстве пожарного оборудования и экипировки пилотов) и тайвек (высокоплотный полиэтилен, применяется в качестве водои паропроницаемого изоляционного материала для домов). До начала 30-х гг. общемировое производство пластмасс не превышало 50 000 тонн; лишь в 1949 году оно достигло одного миллиона тонн, и лишь в 1960 смогло превзойти 6 миллионов тонн. Затем, благодаря доступности углеводородного сырья, мировой объем синтеза возрос на порядок величины: в 1989 году было произведено уже 100 миллионов тонн, в 2002-м — 200, в 2010-м— 265. Последняя цифра более чем шестикратно превышает мировое производство алюминия и равняется примерно 18% производства стали за тот же год. Но если сравнивать не по массе, а по объему, то пластмасс было произведено даже больше, чем стали: при средней плотности 1 г/см3 их объем составил 265 миллионов кубометров, а объем стали — всего 181 миллион кубометров (средняя плотность 7,8 г/см3 ). Увеличившееся количество пластиковых отходов и их негативное влияние на окружающую среду привели к активизации усилий по переработке как минимум нескольких основных разновидностей пластмасс; опасения, связанные с истощаемостью углеводородного сырья, возродили интерес к возобновляемым (растительным) источникам сырья для синтеза пластмасс. Всего химическая промышленность предлагает более 50 видов материалов в этой категории, однако большая часть общемирового производства приходится лишь на несколько из них. В следующей главе я подробнее остановлюсь на трех основных продуктах этой отрасли — полиэтилене, полипропилене и поливинилхлориде. Последними в этом кратком обзоре материальных инноваций ХХ века я рассмотрю достижения в производстве удобрений; если рассказывать о них в порядке важности для выживания человеческого рода, то в первую очередь следует рассмотреть синтез аммиака по методу Габера-Боша. В конечном счете, наша цивилизация вполне могла бы процветать и безо всякой кремниевой электроники (и до 50-х гг. XX века так и было); мы могли бы обойтись меньшим количеством стали (но тогда пришлось бы мириться с некоторыми неудобствами, да и производственные затраты были бы выше), могли бы жить без миллионов тонн пластика и металлических сплавов — но не выжили бы без применения удобрений, благодаря которым население Земли смогло увеличиться на 4,5 миллиарда человек за одно столетие, одновременно улучшив рацион большинства людей. Доступность азота в почве была ключевым фактором, ограничивающим урожайность традиционных сортов; усердная переработка органики (пожнивных остатков, животного позема, человеческой мочи и фекалий), севооборот с включением бобовых видов, способных связывать атмосферный азот (люцерна, клевер и вика), а также регулярное парование были единственными способами поддержания плодородности почвы. Многие богатые страны могли наращивать поставки пищи только за счет обеспечения большей урожайности, и решением проблемы стал азот (два других макроэлемента, фосфор и калий, легко обеспечиваются за счет добычи фосфори калийсодержащих минералов). В 1900 году у людей было всего три источника азота, пригодного для использования в качестве удобрений: постоянно снижающийся импорт гуано, чилийские нитраты и аммиак как побочный продукт работы коксовых печей. Во всем мире было израсходовано лишь 350 000 тонн азота, полученного из этих источников, что составило лишь 2% массы азотных удобрений, необходимой выращенным в том же году сельхозкультурам. Сохраняющаяся зависимость от переработки органического вещества и посадки азот-связывающих бобовых не могли гарантировать достаточно высокий урожай для обеспечения качественного питания для растущего городского населения с высоким уровнем располагаемого дохода. Решение было найдено в 1909 году, когда Фриц Габер, профессор химии из университета Карслруэ, продемонстрировал практичность каталитического синтеза аммиака из азота и водорода. Не менее значимо достижение Карла Боша, сотрудника корпорации BASF, Людвигсхафен, чья команда смогла на основе лабораторного опыта Габера развернуть полноценный синтез в промышленных объемах всего за четыре года (Smil, 2001). Большая часть синтезируемого тогда в Германии аммиака уходила на производство боеприпасов и взрывчатки для солдат, участвовавших в Первой мировой войне; прогресс, достигнутый в применении азотных удобрений за послевоенные годы, был не слишком значителен. А вот после 1950 года начались быстрые изменения, и в 70-х большая часть урожая выращивалась на азотных удобрениях в густонаселенных странах с низким уровнем дохода. Общемировое производство синтетических удобрений (в пересчете на чистый азот) возросло с 150 000 тонн в 1920 году до 3,7 миллиона тонн в 1950 и 85,13 миллиона тонн в 2000, увеличившись таким образом на два порядка величины (примерно в 570 раз) за 80 лет. Интересно, что этот прирост даже нельзя назвать чем-то экстраординарным, так как рост объема производства других материалов в течение XX века был еще более значительным: выпуск алюминия увеличился на три порядка величины (примерно в 3600 раз с 6800 тонн в 1900 году до 24,3 миллиона тонн в 2000), пластмассы — на четыре порядка величины (с примерно 20 000 тонн в 1925 году до 150 миллионов тонн в 2000). Даже уже привычные и давно существующие материалы стали производиться в гораздо больших объемах. Так, в течение века стали производить примерно в 30 раз больше бумаги, в 30 раз больше стали (с 28,3 до 850 миллионов тонн) и в 27 раз больше меди (с 495 000 тонн до 13,2 миллиона тонн). Сравним эти цифры с приростом населения, которое с 1900 по 2000 год увеличилось в 3,8 раза, и с ростом валового мирового продукта (в постоянных ценах) — в 20 раз за тот же период; из этого следует, что в течение ХХ века расход материалов значительно возрос при расчете как на душу населения, так и на экономическую единицу. Прежде чем приступать к подробному анализу долгосрочных тенденций расхода и потребления материалов, представлять системный обзор энергорасхода на их производство, выделять некоторые экономические проблемы, связанные с их производством и использованием, и отмечать некоторые успехи и задачи, связанные с переработкой материалов (четвертая глава посвящена как раз всему этому), я бы хотел поподробнее и более системно рассмотреть важнейшие составляющие потребления материалов в современном мире: от сыпучих строительных материалов до сверхчистого кремния. Во всех случаях такой анализ я буду проводить на общем и глобальном уровне, нередко уделяя внимание развитию отдельных государств.

Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 2

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Другие статьи в этой рубрике

Первый снимок черной дыры

Астрономы впервые получили прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87 и ее тени.

 

 

 

Как бактерии проводят электричество

Электропроводящие выросты на поверхности бактериальных клеток устроены подобно обычным электрическим проводам – с проводящей внутренней частью и изолирующей обмоткой.

 

 

 

 

Вездесущий натрий

Крупинки натрий-хлора в солонке, бензоат в газировке и лаурилсульфат в шампуне — натрий окружает нас если не повсюду, то, по крайней мере, на кухне и в ванной.

 

 

Новости в фейсбук

Случайные статьи

«У нас 15 миллисекунд на принятие решения»

Какой электроникой оснащают заводы и электростанции

Золотое сечение Вселенной

Вселенскую константу, известную как «золотая пропорция», можно найти в форме ураганов, в слоновьих бивнях, и даже в галактиках. Теперь исследователи заявляют, что это отношение проявляется также и в топологии пространства-времени, что влияет на весь мир в целом.

Медики научились предсказывать развитие кариеса

Исследователи разрешили проблему механизма генерации терагерцового излучения

Как просверлить квадрат

Да, это правда: существуют дрели позволяющие сверлить квадратные отверстия, вот такая экзотика. Безусловно, круглая дрель здесь не поможет, а вот дрель на основе треугольника Рёло - совсем неплохо справится с задачей.