Пролог: моторный детонационный нокдаун
Представьте себе бензиновый двигатель. Поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра проскакивает — и сила взрыва толкает поршень вниз. Красота! Но есть одна загвоздка, которую инженеры обнаружили ещё в начале XX века.
Иногда топливо воспламеняется раньше времени — не от искры, а от давления и высокой температуры в цилиндре. Смесь взрывается хаотично, со страшной силой. Поршень ещё не дошёл до нужной точки, а взрыв уже случился. Результат — металлический стук, тряска, падение мощности, перегрев и в конце концов - убитый двигатель.
Называется этот кошмар "детонацией", или, как говорят в народе, «пальцы застучали».
Именно детонация была главным врагом автомобильных конструкторов в 1910–1920-е годы. Чем выше степень сжатия в цилиндре — тем мощнее двигатель, тем быстрее едет машина. Но и тем выше риск, что топливо рванёт раньше времени.
Требовалось срочно найти вещество, которое успокоит нрав бензина, позволит поднять степень сжатия и выжимать из мотора всё больше лошадиных сил.
И его нашли.
Это было, наверное, и самое удачное, и одновременно самое неудачное решение на автомобильном рынке, которое человечество когда-либо принимало.
Томас Миджли и его гениально-кошмарная идея
В начале XX века инженеры бросились испытывать разные добавки к бензину. Пробовали всё: спирт, бензол, керосин, эфиры — сотни веществ. Многие работали, но почти все были либо дорогими, либо не очень эффективными, либо и тем и другим.
В 1916 году изобретатель и инженер-химик Чарльз Кеттеринг (тот самый, что позже изобрёл электрический стартёр) создал лабораторию в Дейтоне, штат Огайо, и нанял молодого химика выпускника Корнеллского университета.
Звали этого химика Томас Миджли.
То, что сделает этот новичок, изменит мир. И отравит его на полвека.
Миджли был настоящим асом своего дела. Улыбчивый, энергичный, он обожал химию и не боялся экспериментировать.
Он быстро понял, что нужно искать вещество, которое:
а) эффективно и в малых дозах подавляет детонацию;
б) дёшево в производстве;
в) доступно в промышленных масштабах.
Годы поисков, тысячи экспериментов. Они с Кеттерингом перебрали десятки элементов — йод, сера, фосфор, даже мышьяк. Но найденные решения либо не работали, либо стоили безумных денег.
И тут Миджли наткнулся на свинец, вернее, на его органическое соединение — тетраэтилсвинец (ТЭС).
Оказалось, что одна тысячная доля процента этого вещества превращает бензин из капризного балованного ребенка в вышколенного слугу. Двигатель переставал стучать, мощность росла, расход топлива падал.
Это было чудо.
В 1921 году Миджли зарегистрировал патент. В 1923 году на рынок вышли первые партии этилированного бензина под брендом «Ethyl».
Всё — детонация побеждена.
Или казалось, что побеждена.
Трагедия в лаборатории
Однако очень скоро начали происходить странные вещи. Рабочие на заводах, где производили тетраэтилсвинец, стали заболевать. В 1924 году случилась настоящая катастрофа. На нефтеперерабатывающем заводе Standard Oil в Бэйуэй, штат Нью-Джерси, случилась серия отравлений.
Пять рабочих сошли с ума, двое умерли в страшных мучениях. Симптомы — бред, галлюцинации, паралич.
Журналисты ликующе взвыли. «Свинцовое безумие», «Яд в моторе» — пестрели газетные заголовки. Власти закрыли завод на карантин.
И тогда Миджли, который по-прежнему не вылезал из лаборатории, созвал пресс-конференцию, чтобы доказать безопасность своего детища.
На этой самой конференции и случился поворот сюжета, достойный Шекспира.
Чтобы продемонстрировать, что тетраэтилсвинец не опасен, Миджли налил его себе на ладонь, поднёс к носу и глубоко вдохнул. На глазах у репортёров он почти минуту дышал парами своей присадки к топливу. Зачем он это сделал? Ну, наверное, хотел показать, что вещество не такое уж и токсичное, как говорят.
По сути, это был откровенный спектакль, рассчитанный исключительно на то, чтобы эффектным жестом впечатлить дилетантов. Хроническое отравление свинцом происходит не от одного вдоха, а от накопления металла в костях и тканях. Но пресса разразилась эффектными заголовками и публика на время успокоилась.
Но настоящая проблема не в легковерности журналистов, а совсем в другом. Сегодняшние историки науки в большинстве своем полагают, что на тот момент Миджли уже прекрасно знал о вредоносности своего изобретения - не мог не знать. И тем не менее - пошел на сознательный обман, тем самым приговаривая миллионы будущих жертв.
Потому что на кону были деньги. Большие деньги. Мы привыкли хихикать над фразой «Все крупные современные состояния нажиты самым бесчестным путём», которой Остап Бендер троллил подпольного миллионера Корейко, но почему-то при мало-мальском изучении вопроса она становится совсем не смешной.
Однако Миджли, в отличие от большинства своих коллег, за свой обман заплатит при жизни. Спустя годы он заболел полиомиелитом, но многие считают, что крайне тяжелая форма, в которой протекала болезнь, была обусловлена последствиями отравления свинцом, который он вдыхал годами.
Но мы забегаем вперёд.
Почему именно свинец? Химия для чайников
Минутка химии, обещаю, недолгая.
При сгорании бензина в цилиндре происходит цепная реакция свободных радикалов. Если смесь сжимается слишком сильно, радикалы начинают лавинообразно размножаться — и вуаля, детонация.
Свинец в тетраэтилсвинце (Pb(C₂H₅)₄) образует при горении мельчайшие частицы оксидов свинца. Эти частицы оседают на стенках камеры сгорания и... гасят цепную реакцию. Как учитель, который успокаивает расшалившийся класс. Они не дают радикалам разойтись, и топливо сгорает плавно, управляемо, от свечи зажигания.
Красота этого решения была в супермалых дозах присадки - меньше грамма на литр бензина. Ошеломляющий эффект достигался не только размерами присадок, но и их фантастической дешевизной.
Золотая лихорадка: как этилированный бензин завоевал мир
К концу 1920-х годов в США этилированный бензин производился уже миллионами галлонов. Компания «Ethyl Corporation» (совместное предприятие General Motors и Standard Oil) стала монополистом. Она лицензировала производство добавки, контролировала цены и не пускала конкурентов.
К 1930-м годам свинцовые добавки стали мировым стандартом для высокооктанового бензина. Их реклама была повсюду.
Но гораздо важнее, что реклама была чрезвычайно действенной.
Почему?
Во-первых, присадки были дешёвыми до неприличия. Свинец — весьма доступный металл, а тетраэтилсвинец довольно легко синтезировать. Но гораздо важнее, что они работали безотказно в любых двигателях. Никакие спирты или бензолы не могли сравниться с ними по эффективности.
Все это вместе взятое обеспечило невиданный взлет автопрома. Степень сжатия в двигателях росла как на дрожжах — с 4:1 в 1910-х до 8:1 и выше в 1950-х. Машины становились все мощнее и быстрее, они потребляли меньше бензина на километр — и всё благодаря свинцу.
К 1950-м годам практически весь бензин в мире содержал тетраэтилсвинец. США, Европа, Япония, СССР — все перешли на этилированное топливо. Автомобильная промышленность считала его таким же естественным и не отменяемым, как масло в двигателе.
Этилированный бензин в СССР
Инженеры в СССР тоже знали о проблеме детонации. В 1930–1940-е годы советские химики активно изучали алкильные соединения свинца. Уже в довоенные годы было налажено производство отечественного тетраэтилсвинца, который выпускался под аббревиатурой ТЭС. Испытания на моторах показывали: использование ТЭС буквально в долях грамма на литр (порядка 0,5–0,8 г/л тетраэтилсвинца для бензина АИ‑93 по тогдашним нормативам) полностью устраняло детонацию в двигателях.
Конечно, советские химики тоже видели токсичность этой присадки. Уже в 1940-е и 1950-е годы велись исследования, которые показывали, что выхлопы этилированных двигателей загрязняют воздух, а свинец накапливается в организме людей, живущих вдоль автотрасс. Но и здесь соображения экономии и технологического превосходства перевешивали.
Тогдашнее отношение к этиловому бензину в нашей стране очень точно объясняет вот этот абзац из прекрасной книги известного популяризатора науки Сергея Венецкого "Рассказы о металлах", изданная в 1975 году:
"Поскольку тетраэтилсвинец очень ядовит, этилированный бензин окрашивают в розовый цвет, чтобы отличить от обычного. К сожалению, значительные количества яда выбрасываются автомобильными двигателями с выхлопными газами. Любопытный подсчет произвели ученые Калифорнийского технологического института (США).
Выяснилось, что над головами жителей больших городов носятся целые тучи свинца (как видите, литературный эпитет «свинцовые тучи» может иметь и буквальный смысл): за год только над океанами и морями северного полушария выпадает около 50 тысяч тонн этого металла, образующегося главным образом из добавок к бензину (вот вам и 1 грамм на литр!). Свинец «автомобильного происхождения» был обнаружен даже в снегах Арктики. Видимо, нужно срочно подыскивать замену тетраэтилсвинцу, но пока без него не обойтись".
Это "пока не обойтись" затянулось надолго - этилированный бензин оставался основным видом топлива в СССР вплоть до 1980-х годов.
Тень, отравляющая мир
Вообще-то первые тревожные звонки прозвучали ещё в 1920–1930-е годы. Медики и экологи начали подозревать, что массовое использование свинца в топливе ведёт к хроническому отравлению целых городов.
Научные исследования подтвердили самое страшное.
Выяснилось, что при сгорании этилированного бензина свинец не исчезает, а рассеивается в виде микроскопических частиц в выхлопных газах. Он оседает на землю, попадает в воду, в растения. Через дыхание — в лёгкие людей и животных. Через загрязнённую почву и воду — в организм.
Хроническое отравление свинцом — это не острый припадок, а тихий, незаметный убийца. Головные боли, хроническая усталость, раздражительность, снижение интеллекта, гипертония, бесплодие, патологии беременности. У детей — самое страшное: свинец подавляет развитие мозга, снижает коэффициент интеллекта, приводит к поведенческим расстройствам.
В конце 1960-х годов американский геохимик Клэр Паттерсон провёл сенсационное исследование. Он измерил содержание свинца в ледяных кернах Гренландии за последние несколько тысяч лет и обнаружил, что с 1920-х годов концентрация свинца во льду взлетела в сотни раз. Основной источник — автомобильные выхлопы из США и Европы.
Свинец, который спасал двигатели, при этом отравлял планету. И человечество не знало, куда от него деваться.
Час расплаты: битва за чистый воздух
В 1970-х началась настоящая эпопея.
В США после публикации шокирующих данных Паттерсона и других учёных Конгресс принял Закон о чистом воздухе (Clean Air Act) - 31 декабря 1970 года президент Ричард Никсон подписал этот нормативный акт, который потребовал от автомобильной промышленности резко снизить выбросы токсичных веществ.
Автомобильные магнаты делали страшные глаза, скрипели зубами и отбивались руками и ногами. Они бесстыдно занимались лоббизмом, "заносили" чиновникам, угрожали экологам и мамой клялись, что без свинца двигатели взорвутся.
Но желание человечества выжить оказалось сильнее.
"Свинцовые тучи" над планетой развели не руками, и не одной-единственной волшебной присадкой, придуманной на замену тетраэтилсвинцу. Потребовалась перестройка всей топливной и автомобильной системы.
Магнаты, разумеется, врали - технические возможности для отказа от смертельной добавки уже были. К 1970-м годам в США уже появились более эффективная переработка нефти (прежде всего каталитический риформинг и изомеризация); марки бензина с более высоким исходным октановым числом; возможность регулировать состав топлива по фракциям и ароматике и новые типы двигателей и систем управления, которым не требовался свинец для нормальной работы.
Поэтому, когда государство надавило - и надавило всерьез! - нефтепереработчики быстро научились делать базовый бензин с более высоким октановым числом без свинца. Параллельно изменились и сами автомобильные двигатели. Когда государство объявило войну токсичным выбросам, с 1975 года в США автопроизводителей заставили ставить каталитические нейтрализаторы — а свинец был для них смертельным ядом: он быстро покрывал катализатор и делал его бесполезным. Значит, машинам нужен был уже не этилированный, а неэтилированный бензин. Так экологические нормы и технический прогресс сработали в связке: первые вынудили убрать свинец, второй позволил без него обойтись.
"Битва за чистый воздух" заняла примерно полтора десятка лет. К 1986 году доля "розового бензина" на американском рынке упала с почти 100% до буквально нескольких процентов. В 1996 году США полностью запретили этилированный бензин для дорожных автомобилей.
Европа, Япония, Австралия последовали за Америкой с некоторым отставанием, но к 2000-м годам в развитых странах этилированное топливо умерло.
СССР в конце 80-х тоже начал борьбу с "розовым бензином", но вдруг его обломки рухнули в "святые девяностые", когда всем и на людей-то наплевать было - что уж говорить об экологии? Поэтому в новой России этилированный бензин использовался массово. До конца 1990-х годов был популярен бензин АИ-93, в который добавляли тетраэтилсвинец в количестве до 0,37 г/л (для сравнения: в США максимальное содержание достигало 1,1 г/л). В начале 2000-х началось поэтапное сокращение. С 2002 года было ограничено производство этилированного бензина, а с 2003 года в России начался переход на стандарт «Евро-2» с жёстким ограничением свинца. Какое-то время этилированный и неэтилированный бензин существовали параллельно.
Конец 2000-х — начало 2010-х годов можно считать временем окончательного отказа от ТЭС в России.
Последним оплотом оставались страны третьего мира — Африка, части Азии, Ближний Восток. Там свинцовый бензин продолжали заливать в баки и в десятых годах. Но в 2011 году ООН запустила глобальную программу «Партнёрство по чистым видам топлива», и к 2021 году, после того как Алжир — один из последних производителей — официально прекратил выпуск этилированного бензина, ООН заявила об историческом событии: использование тетраэтилсвинца в автомобильных марках бензина в мире полностью прекращено.
Потребление свинца: взлёт и падение
Скачок потребления свинца в XX веке напрямую связан с автомобильным бумом. В 1960-е и 1970-е годы, когда этилированный бензин использовался повсеместно, около 2–3% всей мировой добычи свинца уходило на производство тетраэтилсвинца. Много это или мало? Свинец в основном шёл на аккумуляторы — от 80 до 90%, и пару процентов — на добавки в топливо.
Конечно, не свинец двигал автомобильную промышленность, но его роль была стратегической: без тетраэтилсвинца высокооктановые двигатели были бы невозможны. Мировой автопарк рос, двигатели совершенствовались — и без свинца автомобилизация планеты, безусловно, шла бы гораздо медленнее.
По оценкам историков химической промышленности, в 1970 году в США в бензин ежегодно добавляли около 279 тысяч тонн свинца, а ещё примерно 326 тысяч тонн свинца шло на производство органосвинцовых антидетонационных присадок в других странах. Таким образом, только в пиковый год около 600 тысяч тонн свинца ушло на производство этилированного бензина, а суммарно за десятилетия использования в атмосферу попали свыше 15 миллионов тонн свинца по всему миру.
Огромные масштабы! Заводы работали на полную мощность, каждая тонна топлива содержала доли грамма свинца, но перемножьте на миллиарды литров — и получите тонны тяжелого металла, рассеивающегося в атмосфере.
А потом всё рухнуло. С запретами в США и Европе производство тетраэтилсвинца резко пошло на спад. К 2000 году оно составляло уже менее 100 000 тонн, а к 2020-му — единицы тысяч тонн. Сейчас эти заводы или закрыты, или перепрофилированы. Свинец, который когда-то улетал в небо из выхлопных труб, остаётся в земле.
Фиаско третьего "звездного часа" свинца
Свинцовые добавки в бензин — идеальный пример того, как гениальное на первый взгляд инженерное решение обернулось экологической катастрофой, растянувшейся на долгие десятилетия.
Инженеры решили одну проблему — детонацию — но этим породили другую, неизмеримо более масштабную.
Ирония истории: Томас Миджли, подаривший миру этилированный бензин, в конце жизни тяжело болел и был прикован к постели. Для облегчения своей участи он придумал хитроумную систему шкивов и верёвок, чтобы поднимать свое тело. В 1944 году он запутался в этих верёвках и задохнулся.
Символичная смерть. "Свинцовый бензин" тоже опутал мир паутиной своей выгодности — и мы до сих пор расхлёбываем последствия.
Да, сегодня свинцовые добавки в бензине полностью запрещены во всём мире. Но свинец, выброшенный в атмосферу за половину столетия массового использования, никуда не делся. Он в почве, в воде, в костях миллионов людей, живших в 1950–1990-е годы. Исследования в США показывают, что поколение «бэби-бума» имеет повышенный уровень свинца в организме, что, по мнению учёных, сказалось на их здоровье, поведении и даже уровне IQ в масштабах целой нации.
Эпилог: не нужный старый друг и новая надежда
Третий «звёздный час» свинца начался в 1920-х годах с гениального открытия Томаса Миджли, решившего проблему детонации. Но цена этого успеха оказалась ужасной: сотни тысяч тонн свинца, рассеянных в атмосфере, отравленные города, хронические болезни миллионов людей. В итоге свинец проиграл битву за бензин. И мы все от этого только выиграли.
Свинец был одним из первых металлов, которые человек поставил себе на службу, но сегодня его судьба выглядит какой угодно, но не счастливой. Все три его "звездных часа", когда спрос на свинец взлетал до небес, де-факто завершились фиаско.
Из оружейного сектора его сегодня теснят из-за его токсичности. Из аккумуляторного бизнеса его медленно, но верно, выдавливают литий-ионные конкуренты. Его деятельность в качестве присадки к топливу завершилась громким и эпичным провалом - с 2021 года свинец навсегда покинул бензобаки во всем мире.
Вчерашний герой, двигавший прогресс, превратился в парию, которого изгоняют из тех отраслей, которые он когда-то создал. Сегодня свинец близок к тому, чтобы повторить путь ртути, и стать следующим после нее отошедшим от дел "металлом-пенсионером".
Но сама история свинца убедительно показывает - в нашем мире не стоит ни о чем загадывать, все взлеты и падения - непредсказуемы.
Кто знает, возможно, буквально через пару лет судьба-злодейка даст «металлу Сатурна» ещё один шанс?
Как говорится — hope is a good thing. Или, по-русски: «Надежда — хорошая вещь, возможно, лучшая из вещей, а хорошая вещь не умирает».
Аминь.