Алексей Алексенко: Энергетика жизни
- Фото: Олег Королев
В чем именно состоит смысл жизни, пока точно не известно. Некоторые считают, что он — в созидании: проложить по всей стране сеть автомагистралей, достроить «Зенит-Арену», еще раз поменять тротуарную плитку в центре Москвы. Другие думают, что лучше, наоборот, поменьше дергаться, чтобы ненароком что-нибудь не испортить, а все силы посвятить размышлениям о сути бытия.
А есть и такое мнение: смысл жизни в том, чтобы ползти под землей, пропуская эту самую землю через желудочно-кишечный тракт и переваривая все то, что можно переварить. Энергию же от переваренного следует использовать для того, чтобы продолжать ползти. Такого мнения придерживаются, видимо, земляные черви, которые — если судить по суммарной биомассе на единицу площади планеты — представляют собой наиболее эволюционно успешный вид животных в земной биосфере. Это, конечно, не повод, чтобы принимать на веру их концепцию смысла жизни, но и сбрасывать ее со счетов было бы неправильно.
Итак, понимание смысла жизни у разных представителей биосферы сильно различается. Чтобы хоть как-то привести разные концепции к общему знаменателю, попробуем посмотреть на них со стороны. Непредвзятый инопланетянин, наблюдая за нашей земной суетой, сразу выделит в ней общую тему: все мы, от червяка до философа, перерабатываем энергию, которую планета получает от Солнца. Созидание, познание и все прочие разновидности копошения живых существ — просто разные вариации этого мотива.
Более того, инопланетянин заметит, что огромная часть нашей земной компании перерабатывает эту самую энергию не кое-как, а одним, довольно специальным способом. Скорее всего, этот способ инопланетянина удивит: он очень тесно связан с конкретной историей нашей конкретной планеты. В этом мы сейчас и разберемся.
Что планета делает с энергией
Итак, планета получает энергию от Солнца, а потом рассеивает ее в космос в виде тепла. Энергия в итоге сохраняется, энтропия увеличивается, а весь этот процесс крутит мельницу жизни на нашей планете.
От Солнца на планету поступает самая лучшая, самая низкоэнтропийная энергия. Ее несут фотоны электромагнитного излучения. Судьба этих фотонов складывается по-разному: большинство попадают в какую-нибудь земную каменюгу, нагревают ее, и на этом история заканчивается. Но с очень небольшой долей фотонов происходит куда более интересная вещь.
Они попадают в молекулу воды и разбивают ее на водород и кислород.
Так, по крайней мере, было в самом начале, и с этого, похоже, началась история жизни на Земле. О том, какую роль сыграл в развитии жизни выбитый из воды водород, можно прочитать в одной из наших прошлых публикаций. Тогда, на заре жизни, энергетика биосферы выглядела так: водород, выбитый солнечным фотоном из воды, становился топливом для жизни (или, как говорят химики, донором электрона). Этот электрон первобытная живая клетка навешивала на то, что у нее было под рукой. А под рукой у нее был углекислый газ, из которого в основном состояла первобытная атмосфера планеты. Углекислый газ, обвешанный электронами, — это уже практически готовая органика, из которой клетка строит саму себя. А если теперь эту органику окислять, то есть отрывать от нее электроны и передавать их еще куда-нибудь, получается энергия для всей клеткиной жизнедеятельности. На выходе опять же углекислый газ, вода и тепло, то есть все как было.
Позже биосфера разделилась по интересам в зависимости от того, какая часть этой работы у кого получалась лучше. Часть живых тварей специализировались на самой первой фазе процесса: стали ловить солнечные фотоны, разбивать ими воду, отнимать у водорода электроны и делать органику. Из них потом получились зеленые растения. Растения монополизировали процесс получения водорода из воды, и вместо того, чтобы кушать водород, всем остальным пришлось кушать растения, а впоследствии и друг друга. Для этого им надо было довольно много энергии, так что их специализацией стала как раз переработка съеденной органики в прыжки, погони, засады, драки и в конечном итоге опять же в тепло.
Вот так выглядела земная энергетика этак миллиард лет назад. Затем время внесло некоторые коррективы.
- Фото: Олег Королев
Ископаемое топливо
Как ни старались представители земной биосферы скушать друг друга, часть их все же осталась нескушанной. Они легли в землю, постепенно превращаясь в уголь и нефть. Нефть, собственно, состоит из углеродных цепочек, обвешанных водородами, — именно это случилось с атомами водорода, когда-то выбитыми солнечными фотонами из воды, будь то в первобытном океане или в зеленых листиках папоротника. Энергия этих фотонов превратилась в консервы, готовые пройти через последнюю фазу энергообмена — превратиться в тепло — при удобном случае.
Уголь — чистый углерод — более продвинутая форма таких консервов, но и он бы не получился, если бы в свое время углекислый газ не был «восстановлен» вырванными из водорода электронами.
Эти энергетические консервы сохранились до сегодняшнего дня, поскольку земные твари до недавнего времени так и не научились их вскрывать. В них запасена энергия Солнца, попавшая на Землю в прежние эпохи. Насколько эффективно биосфера ее запасает?
Экологи уже давно занимаются тем, что скрупулезно это подсчитывают. Эффективность получается никудышная. Из миллиона килокалорий солнечного света растения при фотосинтезе связывают только 1%, то есть 10 000 ккал. Когда растения съедаются козой, в козе остается всего тысяча килокалорий, а если бедную козу задерет страшный серый волк — в волке сохранятся жалкие 100 ккал. Эта закономерность известна экологам как правило Линдемана: при переходе на следующий уровень питания 90% энергии рассеивается в виде тепла, и лишь одна десятая сохраняется в виде биомассы.
Если не растрачивать растительную биомассу на откорм коз, а захоронить ее на уголь, результаты получаются не лучше: от миллиона солнечных килокалорий в угле останется только 500. Забегая вперед, скажем, что даже из этих пятисот на полезные дела, вроде получения электричества, невозможно использовать больше четверти. Таким образом, и биологическая, и технологическая переработка энергии сводится к одной и той же жалкой эффективности в 0,01%.
Что придумали люди
Едва появившись на арене эволюции, человек разумный внес в эту интересную игру совершенно новый поворот. Он решил, что часть энергии можно с большой пользой перерабатывать и вне собственных тел.
Рассмотрим, к примеру, что делал с энергией какой-нибудь обитатель Киевской Руси. Предположим, что он полноценно питался и съедал в день примерно 2000 ккал в составе разной органики, от репы и полбы до мяса. Но этим дело не ограничивалось: наш гипотетический русич еще и жег дрова, чтобы согреться и приготовить пищу. Вряд ли он был одинок; предположим, что на каждого члена его семьи в сутки, зимой и летом, приходился в среднем килограмм дров для отопления и готовки – это еще 4000 ккал энергии. Но и это еще не все: русичу надо было пахать, сеять, воевать половцев и ездить в гости к родителям жены в соседнюю деревню. Для этого ему нужна была лошадь. Лошадь перерабатывала в полезную для семьи русича форму энергии примерно 24 000 ккал в сутки. При семье из шести человек на каждого приходилось, таким образом, еще 4000 потребленных килокалорий. Итого этот человек Х века нашей эры из 10 000 использованных им за день килокалорий энергии пропускал через собственное тело только 2000, а 80% или более обрабатывал другими способами. С этого, собственно, начинались «технологии» — небиологическая переработка энергии представителями биосферы, которые с этого момента получили право называться «цивилизацией».
Есть люди с годами больше не стали, а вот технологии развивались. Понадобился, например, людям алюминий. А чтобы его сделать хотя бы один килограмм, нужно ни много ни мало 20 млн килокалорий (будем все считать в килокалориях, раз уж начали). С веками все большая и большая доля наших энергетических затрат приходилась на технологии, и все меньшая — на пищу (тут еще очень кстати пришлось изобретение способа передачи энергии с места на место в виде электричества). В результате сегодня мы потребляем больше энергии, чем древний русич...
...Кстати, не настолько уж и больше, как вы сгоряча могли подумать. Среднее энергопотребление на планете Земля составляет 20 000 кВт ч на человека в год (в США — в четыре раза больше, в малоразвитых странах — примерно в четыре раза меньше). В пересчете на килокалории получается всего-то 55 000 ккал в сутки. Энергопотребление на душу населения по сравнению с нашим типичным русичем возросло всего в шесть раз*. Беда в том, что численность человечества увеличилась за эту тысячу лет в 20 раз. Таким образом, сегодня человечеству ежедневно нужно в сто с лишним раз больше килокалорий — запасенных, как мы помним, в процессе синтеза органики нашими коллегами по биосфере за сотни миллионов лет.
- Фото: Олег Королев
Чем плох дедовский способ?
Внимательный читатель должен был заметить, что все способы переработки энергии, о которых мы до сих пор упоминали или еще не успели упомянуть, — еда, кормление лошади сеном, топка печей дровами, топка кузнечного горна углем, сжигание нефти на ТЭЦ или заправка вашего Cadillac CTS высокооктановым бензином — так или иначе восходят к древнему архетипу: в основе лежит (или когда-то лежало) выбивание водорода из воды солнечным фотоном и последующий синтез биомассы с использованием СО2.
Но кто вообще сказал, что выбивание водорода из молекулы воды — единственно возможный способ получения энергии от Солнца? Обречены ли мы на этот путь лишь потому, что только до этого мог додуматься первобытный микроб 4 млрд лет назад? Исторически сложилось так, что для нас, как и прочей земной жизни, именно этот способ оказался важнейшим, но жизнь не стоит на месте. Очень маловероятно, чтобы способ, изобретенный миллиарды лет назад, и сейчас оставался наилучшим из возможных.
Конечно, неприятно признать, что мы так недалеко ушли от практик первобытной клетки. Но «неприятно признать» — это просто эмоции. Что не так с древним и проверенным способом по существу?
Две проблемы. Во-первых, мы тратим запасенную биосферой энергию быстрее, чем биосфера успевает восстанавливать запасы.
Во-вторых, запасая энергию в виде ископаемых «консервов», древние организмы убирали из атмосферы углекислый газ. Было его там до 96%, а осталось всего 0,3%. Но когда мы употребляем ископаемое топливо, то пускаем этот процесс вспять, и углерод в виде СО2 возвращается в атмосферу. Чем это может кончиться, каждый может узнать из статьи Рамиза Алиева «Тепло Армагеддона». Подсказка: будет ад.
К счастью, человечество все же не настолько тупое, чтобы ограничиваться традиционным источником калорий, то есть восстановленным углеродом. Кроме революционного способа переработки энергии вне собственных тел, мы придумали еще кое-что интересное.
Новые возможности
Было бы странно, если бы за тысячи лет существования цивилизации люди не набрели на способы получения энергии, не связанные с окислением и восстановлением всяких химических субстанций. Вот, например, некоторые из наших наработок:
- Использование энергии ветра. Парус был изобретен людьми примерно 10 000 лет назад, а сейчас в Дании ветрогенераторы дают до трети потребляемого электричества. В конечном счете энергия циркуляции атмосферы тоже приходит от Солнца, нагревающего поверхность планеты, но использовать ее умеет только человечество.
- Использование энергии текущих рек. На этом, кроме водяных мельниц, основана гидроэнергетика.
- Солнечная энергетика. Мы и только мы умеем заставить солнечные фотоны делать не химию, а непосредственно электричество.
- Атомные реакторы. Энергия распада урана вообще не имеет отношения к Солнцу, уран была запасен не им, а древними звездами, взорвавшимися и рассеявшими по вселенной свое вещество задолго до рождения Земли.
- И, конечно, термоядерная энергетика, которой пока не существует. Это амбициозная человеческая попытка не дожидаться милостей от Солнца, а воспроизвести на Земле тот процесс, что питает энергией саму нашу звезду.
С другой стороны, и традиционный способ был серьезно усовершенствован. С точки зрения энергетического баланса планеты топка печей дровами, использование лошадей (или даже рабов) в качестве тягловой силы, двигатель на биоэтаноле и, к примеру, топливный элемент — перепевы старой идеи электрона, заброшенного на верхнюю ступеньку энергетической лестницы солнечным фотоном и постепенно спускающегося оттуда. Но какая технологическая разница!
- Фото: Олег Королев
Желание жить вечно
Таким образом, классификация способов получения энергии на «дедовский» и «инновационные», которую мы тут взяли за основу, хороша для теории, но не слишком содержательна для практики. Экологам гораздо интереснее вот что: может ли тот или иной способ поддерживать нашу цивилизацию бесконечно, или в нем заложена бомба замедленного действия?
Именно по этому принципу источники энергии разделяются на возобновляемые (ВИЭ) и невозобновляемые. Если источником можно пользоваться бесконечно в рамках нынешнего устойчивого состояния биосферы, с ним все в порядке. Солнечная энергетика, гидроэнергетика и термоядерная энергетика, которой нет, именно таковы. Но, как ни странно, к этому же типу надо отнести и топку бани дровами. Выше мы говорили, что энергооборот человечества — не более процента от той энергии, которую земная биосфера запасает в процессе фотосинтеза. Природа способна с лихвой вернуть нам весь тот восстановленный углерод, который мы сожжем в печке в виде дров. Следовательно, весь СО2, который выделится при этом в атмосферу, будет неизбежно употреблен природой для строительства новой органики.
Но с ископаемым топливом все далеко не так радужно. Как указано выше, эффективность его переработки человеком — менее 0,01%, а наша потребность в энергии — 0,16% от энергобаланса биосферы. Следовательно, природа ни за что не успеет вернуть в дело весь выделившийся СО2 и восстановить запасы уголька и нефти. А это значит, во-первых, что нефть и уголь когда-то кончатся. А во-вторых это значит, что СО2 будет накапливаться. Таким образом, человечество вполне способно сместить энергобаланс планеты необратимо, и это довольно неприятный сценарий.
Кстати, мы далеко не первые, кто пробовал это сделать. Когда на исходе палеозоя растения научились синтезировать лигнин — полимер, придающий твердость древесине, — они тоже сместили равновесие, хоть и в противоположную сторону. Они стали забирать из атмосферы СО2 и запасать его в такой форме, что вернуть его в оборот стало затруднительно. Собственно, запасы угля образовались именно тогда, и сжечь их полностью — значит, грубо говоря, вернуть природу на четверть миллиарда лет назад. Тогда было жарко, летали огромные стрекозы и атмосфера на ⅕ состояла из углекислого газа. Вам этого хочется?
Если нет, наши новости вас не обрадуют: из невозобновляемых источников мы сейчас получаем более двух третей всей потребляемой нами энергии.
Все сказанное вовсе не значит, что если источник энергии «возобновляемый», его использование ничем нам не грозит. Выложите пустыню Сахара солнечными батареями, и все тамошние суслики и скорпионы придут к вам на порог с воплями и проклятиями. Гидроэлектростанции — прекрасная вещь, никаких выбросов вообще, полная возобновляемость. Но разбуди гринписовца среди ночи, спроси его: «Что не так с ГЭС?» — и он, толком не проснувшись, отбарабанит что-то про деградацию водных экосистем, влияние на климат и кошмарные последствия возможных аварий. Даже термоядерная энергетика, которой нет, чревата накоплением радиоактивных изотопов в защите реактора, и этот мусор надо куда-то девать. Но никто и не говорил, что будет легко.
Нельзя перерабатывать энергию, не изменяя окружающую среду, и даже глупо ставить такую цель: мы, человечество, потому и наращиваем энергопотребление, что хотим сделать эту среду лучше (хотя бы для голодающих африканских детей). Остается придумать, как делать это, не загоняя себя в безвыходный тупик.
Об этом и повествуют статьи, которые будут появляться в ближайшие недели в разделе «Энергетика будущего» в проекте «Футуроскоп» при участии компании En+. В следующих заметках наши авторы расскажут о возобновляемых источниках энергии и о том, какие интересные задачки предстоит решать человечеству на неведомых путях прогресса. Получайте удовольствие от занимательного чтения.
_______________
* Примечание: правда, этот расчет учитывает только энергию, которую мы потребляем в виде электричества. Биологическая переработка (питание), отопление и неэлектрический транспорт, видимо, увеличат эту цифру еще примерно в полтора раза.
При поддержке:
