Энергия играет важнейшую роль в развитии цивилизации. Имеется в виду, конечно, не энергия вообще, а энергия, которой человек может располагать. Направлять её на движение машин, синтез полезных для него веществ, например удобрений и пр, обогрев зимой и охлаждение летом и так далее. От энергии и зависит то, что мы понимаем под уровнем жизни. Первый скачок в уровне жизни проявился в освоении огня, то есть, как сказали бы сейчас, биотоплива) потому что огонь, естественно, был на дровах. Потом приручили тягловых животных, и располагаемая энергия сразу повысилась. Но это опять же была "экологически чистая энергия", потому что животные в конечном счете заправляются от солнца. Да, солнце дает энергию растениям, а растения поедаются животными)
Так жили много тысяч лет вплоть до XIX века, когда на сцену вышел уголь. Уголь можно было сжигать и получать пар под давлением, отсюда мы имеем паровозы, пароходы, паровые двигатели на фабриках и пр. Уголь уже принципиально отличается от растительных источников энергии. Да, надо еще упомянуть ветряки и водяные колеса, которые внесли свой вклад в прогресс Средневековья. Это всё были возобновляемые источники энергии в том смысле, что их первоисточником является энергия Солнца. Причем та, которая поступает сейчас. Уголь - это накопленная энергия Солнца за миллионы лет, которую мы извлекаем из земли и тратим за короткий промежуток времени. В этом смысле это невозобновляемый ресурс, то есть он тратится гораздо быстрее, чем накапливается.
Потом в XX веке наступила эра нефти, хотя и уголь потреблялся больше и больше. Практически газ повторял путь нефти, хотя запасы газа больше, как говорят. Нефть и газ - тоже ископаемые виды топлива. Есть версия, что нефть - тоже продукт органический, например, образуется из океанических осадков. То есть в конечном счете тоже продукт накопления энергии Солнца.
Нефть, уголь и газ дали нам свободу передвижения, легко получаемое тепло в домах, свет и всякие интернеты. Ну и самое важное, наверное - интенсивное земледелие, это трактора, удобрения и пр. Благодаря чему у нас есть свободный доступ к продуктам питания.
Чем хороши нефть и газ? Они накопились в гигантских количествах. В пористых пластах их миллионы и миллиарды тонн. И их можно добывать сравнительно просто (и дешево) в больших количествах. Но очевидная вещь - раз они копились миллионы лет, а мы их расходуем гораздо быстрее (есть оценки, что запасов нефти хватит, например, на 50 лет), то рано или поздно они закончатся. То же самое уголь. Заканчиваться они будут не внезапно, а просто постепенно углеводороды, как их называют обобщенно, начнут становиться всё дороже и дороже. И есть предел, когда их станет вообще бессмысленно добывать. Этот предел настанет, когда на добычу одной единицы энергии, например, тонны нефтяного эквивалента, будет получаться, что нужно будет потратить больше этой единицы, например, тонны нефти.
Есть еще энергия атома, то есть атомного распада. Эта энергия имеет принципиально иное происхождение, то есть это не накопленная энергия Солнца. Это накопленная энергия давних космических катастроф, например, взрыва нейтронных звезд. Она запасается в неустойчивой структуре атомного ядра, и при распаде ядра на осколки выделяется энергия. Но процесс возникновения тяжелых ядер, сами понимаете, не такой распространенный, и тяжелые элементы сравнительно редки (сюда же относится и золото, например). При всей перспективности атомной энергии доля её сравнительно невелика, как видно на графике. Кроме всего прочего, для использования атомной энергии нужно много квалифицированного персонала, а это тоже ограниченный ресурс)
Запасов урана (опять же легко добываемых) хватит на 85 лет. Понятно, это всё условные оценки, но важен порядок величин - это всё десятки лет.
Правда, есть вариант повысить запасы с помощью вовлечения U-238, для этого надо строить реакторы на быстрых нейтронах. Которые гораздо сложнее в использовании, хотя и безопасней. Это примерно увеличит условные запасы на два порядка, то есть у нас получаются тысячи лет.
С другой стороны, это расчеты с учетом сегодняшнего уровня потребления. Если мы вдруг захотим и сможем заместить углеводородную энергию атомной, то как раз два порядка и будет повышение потребления урана. То есть опять возвращаемся к десяткам лет.
Что делать? (с)
Обобщенная Грета Тунберг предлагает вернуться к ветрякам, гидроэнергии, солнечным панелям, и вот недавно продавили их на атомную энергию. Правда, они объясняют необходимость отказа от углеводородов вредным влиянием углекислого газа. Но здравое зерно в их идеях есть, ведь действительно, рано или поздно полезные ископаемые закончатся. К этому моменту надо готовиться заранее, и СО2 тут в общем ни при чем. Ещё у них термин есть - устойчивое развитие. То есть развитие без угрозы окончания чего-либо, бесконечное, так сказать.
Но ветряки и плотины - это ведь не что-то новое, это уже было. Сама по себе идея рабочая, но энергия ветра и воды (которая в общем тоже получается из энергии Солнца) не концентрирована, её надо собирать. Если в средние века мощности нужны были небольшие, и ветряки строили вручную, то теперь требования возросли. Нужны большие мощности. Для этого надо строить большое число мощных конструкций, если речь идет о ветряках. Ну или конструкций не так много, если речь идет о плотинах, но удачных мест для строительства гидроэлектростанций мало, и они все уже задействованы. Что мы и видим на рисунке, доля гидроэнергетики мала, несмотря на богатую историю. То есть перспективы заменить всю энергетику на гидро нет.
Ветряки - отдельная песня. Во-первых, они занимают землю. Во-вторых, на их изготовление нужно столько энергии, что это количество примерно равно получаемой за весь их срок службы. В-третьих, они тоже дают отходы в виде стеклопластиковых лопастей, которые непонятно куда девать и сейчас их просто закапывают. В-четвертых, для изготовления эффективных генераторов нужны редкоземельные металлы, медь, никель и пр. Что тоже является конечным ископаемым ресурсом. В общем, не вариант.
Солнечные панели. Тоже примерно та же система, что с ветряками. На их изготовление энергии тратится столько же энергии, сколько они вырабатывают, и занимают место. То есть просто невозможно изготавливать солнечные батареи на фабриках, которые питаются энергией от солнечных батарей. Сейчас их изготавливают в Китае на фабриках, которые запитываются от угольных электростанций.
И к ветрякам и панелям есть еще одна очень существенная претензия. Они работают в зависимости от природы, от силы ветра или освещения. А не тогда, когда энергия нужна. Способов дешевого запасания энергии нет. Батареи Маска провалились. Мест для гидроаккумулирующих станций тоже мало, как и для самих гидроэлектростанций.
Вроде перспективный вариант - термоядерный синтез. То есть не расщеплять тяжелые ядра, а наоборот, соединять легкие. При этом также вырабатывается энергия. И самих легких ядер завались, водород, и его изотопы. Но. Чтобы добиться термоядерного синтеза, надо хорошенько разогнать ядра и влепить их друг в друга. Сымитировать условия в недрах звезд. То есть перенести Солнце на Землю. Возьмем ядерную реакцию деления, на уране. Для её запуска самым сложным было добиться получения достаточного количества урана. А после этого запустить реакцию получилось очень просто. Сложили бруски графита и урана и всё, процесс пошел.
После этого сравнительно быстро в СССР запустили первую в мире ядерную электростанцию в Обнинске, в 1954 году.
Первые результаты по слиянию ядер были получены в конце 50-х годов, но рабочего проекта термоядерной электростанции нет до сих пор, и планируются только экспериментальные установки разной степени приближения к результату. 12 лет и 60+ - разница есть. И как-то складывается у стороннего наблюдателя впечатление, а можно ли сделать такую станцию вообще? Или это в принципе невозможно?
И к чему же мы пришли? После не столь отдаленного исчерпания запасов углеводородов как дешевого источника энергии человечеству придется ужиматься не только в потребностях, но и в численности. Проще говоря, начнется голод, и выживут не все. О прогрессе можно будет забыть (откровенно говоря, я думаю, что мы уже вступили в эту фазу), и начнется закат человечества как вида. Ибо он связал свой успех с прогрессом. Что делать? Может ли нам предложить что-то наша палочка-выручалочка, наука? Попробуем рассмотреть варианты в следующем блоге.