На производство строительных материалов и промышленного сырья идет 15% мирового потребления энергии. Такое количество можно получить из 10/9 т нефти или из всего добываемого в мире газа. Расход энергии для производства разных материалов неодинаков. Чтобы оценить энергоемкость того или иного материала, для сравнения удобно выбрать портландцемент, так как его изготавливают из известняка и глины — обычных и доступных веществ, которые в изобилии находятся на земной поверхности.
Мировое производство такого цемента за 1 год составляет огромное количество—10/9 т. На производство 1 м3 портландцемента расходуется 3 • 10/10 Дж. Для изготовления такого же объема полистирола энергии нужно в 6, а стали — в 29 раз больше.
Ясно, что такой неорганический материал, как портландцемент, имеет значительное преимущество перед пластмассами, изготовляемыми из органических веществ, и металлами, для выплавки которых нужны высокие температуры. Это обстоятельство, а также широкая распространенность и доступность природного сырья (оксидов кремния и алюминия, карбонатов кальция и магния и т.п.) приводят к необходимости пересмотреть роль неорганических веществ в технологии.
Возможно, они станут заменителями энергоемких материалов. В настоящее время это тем более важно, что сама энергия становится дорогой и в обозримом будущем наступит конец эры легкодоступных углеводородов, источником которых сейчас служит нефть.
Эта статья посвящена результатам исследований, доказывающих, что неорганические материалы действительно во многих случаях могут заменить энергоемкую продукцию современных производств. Первыми материалами такого рода, которыми прежде всего начал пользоваться человек в своей практической деятельности, были кремни и другие камни. Кремнями в каменном веке так широко пользовались, что возникла необходимость в их специальной добыче.
Затем наступила очередь бронзы. Ее производству способствовало то, что случайно оказались близко расположенными залежи легкоплавких горных пород (медно-цинковых руд), угля и источники тепла. Примерно в то же время обнаружили, что сырая глина при обжиге твердеет, сохраняя приданную ей до этого форму. Немного позже люди научились восстанавливать металлическое железо из железной руды. Таким образом, металлургия и гончарное ремесло — самые древние отрасли производства искусственных материалов.
Значительно позже римляне обнаружили, что если смешать вулканический пепел с известью и залить смесь водой, то получается прочная твердая масса — цемент. Изготовление цемента можно считать первым низкотемпературным способом производства неорганических веществ. В 1824 г. Дж. Эспдин улучшил технологию изготовления цемента, предложив нагревать известь с кремне-земсодержащими веществами, например глиной. Так появился всем теперь известный бетон — смесь цемента, песка и гравия.
Металл, керамика, камень и цемент были основными материалами промышленного производства вплоть до начала прошлого столетия. Цемент, однако, использовался в качестве материала «второго сорта». Затем наступила эра пластмасс, началом которой можно считать 1907 г., когда Л. Бакеланд получил первую искусственную пластмассу — бакелит.
Еще раньше из некоторых природных полимеров научились получать материалы с новыми полезными свойствами. Натуральный каучук, например, под нагрузкой легко растягивается. В 1839 г. Ч. Гудьир обнаружил, что добавление серы придает ему жесткость. Атомы серы, словно мостики, связывают углеводородные цепочки, из которых состоит каучук. Нитроцеллюлоза, полученная К. Шонбайном в 1845 г., была очень хрупкой.
Бакелит ознаменовал начало эры полимеров. Искусственная резина появилась в 1910 г., полистирол — в 1925 г., а найлон, полиэтилен и полиэфиры — в 30-х годах. В 40-х годах производство полимеров стало уже достаточно развитой отраслью промышленности. В это время основным сырьем для получения примерно 95% всех искусственных органических веществ был уголь. В настоящее время, т. е. четыре десятилетия спустя, производство синтетических органических материалов возросло более чем в 100 раз, а основным сырьем в производстве 91% из них стала нефть. Хотя цена нефти сравнительно невысока, за последние восемь лет она возросла примерно в пятнадцать раз.
Каково же будущее производства материалов, необходимых человечеству? Одной из возможностей является возврат к производству полимеров из угля. Она, конечно, будет реализована. С другой стороны, важную роль в качестве сырья снова станут играть природные неорганические вещества. Они не только более доступны, но и гораздо тверже органических полимеров. Более того, неорганические материалы не горючи, в то время как пожаро-опасность органических материалов в жилых домах и общественных зданиях вызывает все большую тревогу.