Как мы в прошлый раз выяснили, наш мир практически полностью - за исключением США - находится в состоянии "электропанка", то есть отстаёт от "нормального" темпа прогресса: в основной части мира сухопутная транспортная система основана на железнодорожном транспорте, а не на автомобильном. Сегодня мы убедимся, что ситуация на самом деле ещё более сложная.
Дело в том, что и там, где произошёл своевременный переход к автотранспорту как основе системы путей сообщения, царит всего лишь... - ну да: "нефтепанк", скажем так. Должно было бы уже быть иначе. Мы отстаём от "графика", и в общей сложности уже довольно сильно.
Напоминаю, что технологических укладов вроде как до сих пор было пять.
Примерное описание и датировка технологических укладов. Есть и другие их варианты.Однако можно заметить, что представление о том, что составляет современный (на завершающийся) пятый уклад, довольно невнятное. Если первые четыре уклада традиционно определяются чеканной формулой "основной двигатель - основной энергоноситель - основной конструктивный материал", то относительно пятого технологического уклада ничего подобного сформулировать нельзя.
В самом деле:
Первый технологический уклад - "парус - ветер/вода - дерево".
Второй технологический уклад - "паровой двигатель - уголь - чугун".
Третий - "электродвигатель (электрифицированные железные дороги) - электричество - сталь/сплавы".
Четвёртый - "двигатель внутреннего сгорания - нефть - пластмассы".
Но при этом:
Пятый технологический уклад - "микроэлектроника - информационные технологии"???
Ну да, интернет-технологии - это замечательно. Но это же всего лишь новая форма передачи и обработки информации. Новый уровень развития информационных и коммуникационных технологий.
И это очень важно! Вот только в прошлом КАЖДОМУ новому укладу соответствовал скачок и во всех прочих сферах - помимо транспорта, энергетики и строительства. В том числе - и в сфере обмена и обработки информации. Скажем, первому укладу соответствовала ежедневная пресса. Второму - проволочный телеграф. Третьему - телефон и радио. На четвёртом технологическом укладе развиваются кино и телевидение, в том числе цветное и многоканальное. Да: пятому технологическому укладу соответствует Интернет. Но где же прорывные технологии в остальных сферах? Соответствующие инновации на транспорте, скажем?
Подобный парадокс существует во многих сферах. Например, в становлении технологий полёта тоже чётко видна последовательность:
Первый технологический уклад - монгольфьеры.
Второй технологический уклад - дирижабли.
Третий - поршневая авиация.
Четвёртый - реактивная авиация и первые космические полёты на химических ракетах.
Пятый технологический уклад - что? Атомные ракеты? Ну в какой-то степени атомная энергия в космосе используется, но не особенно убедительно.
Что-то тут не так...
Радио королевы Виктории
Проведём мысленный эксперимент: предположим, что в сакраментальные викторианско-фандоринские времена изобретается и идёт в крупную серию радио. Сформировало ли бы одно это - революция в сфере информационных коммуникаций - новый технологический уклад?
Можно ли в принципе представить себе нечто подобное? Можно: ничего особо сложного в радиотехническом "железе" нет. Разве что, при массовом производстве, потребовалось бы повысить выпуск медной проволоки, но не так чтоб радикально (для проволочного телеграфа она всё равно нужна). Электричество тоже нужно, но в весьма ограниченных масштабах: это же не освещение и не транспорт.
Сильно ли бы это повлияло на общество? Очень сильно! Резко ускорилась и упростилась бы коммуникация если не между странами (всё же телеграф уже существовал), то между столицами и удалёнными провинциями (разнообразными "медвежьими углами", куда проволочный телеграф проводить слишком дорого). Основная масса населения куда более эффективно вовлекалась бы в информационное пространство цивилизации. Расширились бы возможности влияния государственной пропаганды на неграмотные слои населения (чтобы слушать радио, не нужно уметь читать). Возросли бы и возможности системы образования.
Прежде информационное воздействие на население шло в основном через печать. В этом случае затраты денег и времени на перевод, в сравнении с написанием и размножением в типографии текстов, не особенно велики. Но когда появляется и широко внедряется радио, то вопрос понимания аудиторией языка, на котором ведётся трансляция, становится определяющим. Соответственно, активно началась бы культурно-политическая интеграция монолингвистических регионов (ускоряется объединение Германии и Италии, под вопросом оказывается целостность Австро-Венгрии...).
Стали ли бы технологии радио локомотивом экономики на какой-то срок? Учитывая вышесказанное - бесспорно бы стали! Жители этого мира считали бы, что прогресс у них идёт семимильными шагами. Вот только...
Вот только на фоне того, что имело место в реальной технологической истории, с её ГОЭЛРО, ДнепроГЭСом, "Магниткой" и их аналогами в других странах, это всё смотрится, скажем так... бледненько. И странновато.
Условное радио XIX века. Изображение взято из открытого источника. Ну вот и у нас так же. Транспортно-энергетического технологического "ядра" пятого уклада не сформировалось. Но его "периферия" всё же возникла. Конечно, лучше, чем ничего...
Технологическое "ядро" пятого уклада: пропущенные технологии
Ну хорошо. Попробуем тогда выяснить, что за "ядро" у нас должно соответствовать пятому технологическому укладу.
В чём именно мы отстаём?
Нам нужен некий принципиально новый вид энергии, с которым технологически будут связаны новые материалы и инновации. Что бы это могло быть?
Очевидно, речь может идти только об атомной энергии. Других кандидатов просто нет: никаких инноваций сравнимого масштаба в сфере энергетики в XX веке не появилось. Собственно, она традиционно к пятому укладу и причисляется (но при том "повисает в воздухе", так как логически никак не связана с микроэлектроникой). Что нам мешает рассматривать её именно как искомое "ядро"?
То, что она таковым не является. Появление АЭС в какой-то степени усиливает электроэнергетику. Но и только. Если бы их не было, ситуация бы поменялась непринципиально. Точно так же, как электричество было известно и в эпоху угля и пара, но основой энергетики не было. Вот и мы - не так используем энергию атома. Не в той степени и не на том уровне.
Разберёмся.
Что не так с нашими АЭС?
Во-первых, для формирования нового уклада АЭС должны стать именно основой энергосистемы.
У атомной энергетики есть один очевидный минус. АЭС - это, в конечном счёте, всего лишь тепловая машина. Такая же, как самая древняя угольная ТЭЦ. А КПД тепловой машины всегда весьма ограничен. Вырабатываемое паровым котлом / реактором тепло преобразуется в электричество с большими потерями - это принципиальное ограничение, обойти его не удастся.
Вполне нормальным для АЭС является КПД в 30-40%. Тепловая мощность реактора всегда в разы выше его электрической мощности. К примеру, на отечественных ВВЭР-1200 на 1200 электрических мегаватт расходуется 3212 тепловых, то есть КПД составляет около 37%.
С тепловыми станциями выход был найден в использовании оставшейся части тепла для горячего водоснабжения и отопления. Но с АЭС так не выйдет: правила их размещения гораздо жёстче, чем правила для обычных ТЭЦ, расстояние до жилых районов больше, транспортировка горячей воды на такие дистанции подразумевает слишком большие энергопотери.
Во-вторых, атомная энергия должна каким-то образом применяться не только в области выработки энергии для крупных объединённых энергосистем, но и на транспорте.
Обратите внимание: MIT: ядерная энергия является неотъемлемой частью будущего энергетики с низким содержанием углерода.
И это - ключевой момент. Если она применяется только для дополнительной выработки электричества, то это ничего принципиально нового в сравнении с третьим-четвёртым укладами не даёт.Но как атомная энергия может использоваться в сфере транспорта?
Напрашивающийся вариант: АЭС будут использоваться для выработки электроэнергии, а та - для зарядки аккумуляторов электромобилей. Чем плох такой подход?
Как уже было сказано - большими потерями: часть тепловой энергии, не трансформированная в электрическую форму, теряется. Но также учтём, что выработка электрической энергии должна сильно вырасти в сравнении с современностью для того, чтобы её хватало бы и на транспорт. Существуют разные расчёты касательно того, какую долю от первичной энергии, производимой человечеством, потребляют транспортные средства - она не переводится в электрическую форму, а используется напрямую. Но она в любом случае весьма велика.
В связи с тем, что в разных источниках попадаются иногда в разы различающиеся цифры, рассчитаем самостоятельно. Тем более, что нам особая точность не нужна.
В мире в год производится около 4 млрд т нефти. Из них на бензин и прочее топливо идут, допустим, три четверти её, то есть 3 млрд тонн в год. Между тем, суммарная генерация первичной энергии оценивается примерно в 15 тыс Mtoe (то есть мегатонн нефтяного эквивалента). То есть генерация первичной энергии эквивалентна сжиганию 15 млрд тонн нефти. 3 млрд тонн, таким образом, это 20% от неё. Если считать, что остальное переводится в электрическую форму, то, значит, для покрытия нужд транспорта генерацию нужно увеличить где-то на четверть.
В барреле 42 галлона (американских). Бензин и дизель используются почти исключительно на транспорте, авиационное топливо - тем более. Примем минимальную долю нефти, идущую на нужды транспорта, за 75%. Расчёт грубый, так как не учитывает КПД, которые у ДВС обычно выше, чем у ТЭЦ. Но и так понятно, что повысить генерацию нужно будет весьма значительно.
Водородный транспорт пятого уклада
Выходом стала бы возможность каким-то образом использовать не только электрическую, но и тепловую энергию реактора. В частности, довольно проработана идея преобразования тепловой энергии в химическую форму. Обычно речь идёт о водороде:
При помощи технологий термохимических циклов можно "перегонять" тепло на водород...
То есть реактор будет не только вырабатывать электричество, но определенная доля избыточного тепла будет переходить в химическую форму - в виде выработки водорода, способного быть топливом.
КПД преобразования тепла в водород может достигать 50%, то есть половина от того, что ещё осталось после превращения части тепла в механическую энергию, не будет потеряна. Это может позволить повысить общий КПД реактора до вполне приличных 65-70%.
Водород же можно использовать в качестве топлива на транспорте. Такой вариант действительно позволил бы решить все проблемы.
В термохимических циклах обычно используется только тепловая энергия. Может также тратиться небольшое количество электричества - не более десятой части того, что ушло бы на прямой электролиз воды.Это выглядело бы довольно логично. В самом деле: если у нас много энергии, и мы научились производить водород как, по сути, аккумулятор атомной энергии, то использование его на транспорте в не столь уж сильно измененном электрическом двигателе (да даже и в ДВС) - вполне себе привлекательный вариант (уточним: под водородным двигателем подразумевается электрический, запитанный от водородных топливных элементов, в которых идёт постепенное окисление водорода).
С одной стороны, водородные автомобили вряд ли сразу достигнут параметров бензиновых. Но ключевое значение здесь имеет то обстоятельство, что водород - вернее, лежащее в основе его производства избыточное тепло ядерного реактора - это "бросовый" ресурс. Тот, который всё равно был бы потерян. А так хоть какая-то польза от него появляется. Это существенно снижает общую нагрузку на энергосистему.
Интересно получается. Если на каждый технологический уклад "отводится" примерно по полвека, то в наше время уже должен быть распространён именно водородный и - отчасти - электрический транспорт: он должен был начать распространяться примерно в то же время, что и Интернет.
Что "сломало" наш мир?
Что же помешало такому сценарию?
Страх человечества перед ракетно-ядерной войной, в конечном счёте. Общая атомофобия привела к торможению развития не только военных, но и мирных атомных технологий.
В частности, это привело к задержке развития технологий ЗЯТЦ - замкнутого ядерного топливного цикла:
В... ядерных реакторах используется уран-235 - изотоп, составляющий 0.7% - одну стопятидесятую часть природного урана. Практически всё остальное - это тяжёлый уран-238. Обычное ядерное топливо - это уран, обогащённый по 235-му изотопу. Но, соответственно, в качестве побочного продукта появляется уран обеднённый (практически чистый 238-й изотоп). Он неприменим в реакторах обычного типа, но при облучении быстрыми нейтронами тоже распадается, выделяя энергию, а также может трансформироваться в плутоний-239, который по ядерно-энергетическим свойствам эквивалентен урану-235.
Именно на этом основана и технология "быстрых" реакторов. Первый из них (из числа именно промышленных, не чисто экспериментальных) был построен в Советском Союзе, в г. Шевченко/Актау в 1973 году...
Развитие технологий ЗЯТЦ позволяло в 150 раз увеличить количество доступного ядерного топлива, а количество отходов примерно во столько же раз сократить...
Но быстрые реакторы в восьмидесятых-девяностых в крупную серию не пошли, нефти оставалось ещё достаточно... Следствием этого и стал наш "нефтепанк".
Разумеется, сыграло роль и отставание даже и от "нормы" четвёртого уклада, то есть господство в основной части мира "электропанка". В самом деле: что произошло бы, если бы не только в США, но и в Европе, СССР, а потом и в Восточной Азии шла бы тотальная автомобилизация с "рельсовыми погромами" по американскому образцу?
Очевидно, спрос на нефть оказался бы в разы выше, чем в нашей технологической истории. Сейчас рассказы о том, что нефть "вот-вот закончится", остаются байками. Но вот при таком сверхинтенсивном её потреблении ситуация сложилась бы другая: на многих месторождениях она бы уже либо заканчивалась, либо её добыча стала бы куда дороже. Да и проблемы с автомобильными выхлопами уже не выглядели бы такими уж надуманными...
В такой ситуации, понятно, альтернативу ДВС уже искали бы "не за страх, а за совесть". При бурном развитии атомной энергетики идея воспользоваться аккумулированным в виде водорода избыточным теплом АЭС стала бы напрашивающейся...
Метки: #стимпанк , #паропанк , #электропанк , #технологии , #наука и технологии , #наука и техника , #технологические уклады , #нефтепанк , #АЭС , #водородная энергетика
Всё логично. Для нас это не так очевидно лишь потому, что у нас и нефтяного мира по-настоящему не было...
Как должен был идти технологический прогресс в идеальном случае?
Сейчас идёт суматошная попытка перейти на водородные двигатели (с экологическим обоснованием), хотя, в общем-то, уже и их эпоха так-то, исходя из идеального ("амберского") графика развития техногенной цивилизации должна подходить к концу (с 2020-х "положено" начинать развиваться новому технологическому укладу).
Развитие водородных технологий на транспорте (и вообще в энергетике) - дело не такое простое. В частности, не очевиден даже ответ на вопрос, в каком виде хранился бы и транспортировался водород?
Расчёты показывают, что наиболее предпочтительным вариантом - несмотря на все оговорки - был бы сжиженный водород. На первый взгляд, это кажется странным: конечно, он более плотен, чем сжатый газообразный, но всё равно занимает относительно большой объём, его хранение всё равно создаёт сложности, а производство само по себе требует немалой энергии, плюс криогенные условия хранения создают серьёзные дополнительные проблемы.
Однако тут следует учесть важный момент. Дело в том, что мы - современная цивилизация - за последние десятилетия несколько утратили, так сказать, технологическую культуру "высокой криогеники". Она отчасти возвращается в связи с расширением производства сжиженного природного газа. Но ведь пятый уклад развивался бы в ситуации, когда она ещё существовала...
"Высокая криогеника"
До второй половины XX века сжиженные газы использовались куда более активно, чем сейчас. В частности, жидкий кислород применялся в технике весьма широко. Оксиликвиты - взрывчатка на основе органики, залитой жидким кислородом - активно использовались уже при строительстве ДнепроГЭСа.
И позже, во время Великой Отечественной войны, тоже: применялись иногда "бетонные" бомбы: в бетонную оболочку засыпается любая органика (опилки, к примеру) и заливается жидким кислородом - непосредственно перед вылетом бомбардировщика. Кислород, конечно, постепенно испаряется, мощность потенциального взрыва от этого, соответственно, снижается, но на несколько часов его хватит, так что самолёты успевали отбомбиться...
Сама идея конструкторов середины прошлого века использовать в первых космических ракетах в качестве окислителя жидкий кислород сейчас не кажется нам самоочевидной: всё-таки с ним сложновато обращаться, мы бы сейчас выбрали, скорее, сложную кислородсодержащую "химию". Но по состоянию на середину XX века всё было иначе: именно такой вариант был первым, что приходило в голову.
Криогенные технологии применялись и в других сферах. В частности, для создания низких температур в пищевой промышленности гораздо шире, чем сейчас, использовался "сухой лёд": замороженная углекислота, возгоняющаяся при температуре -78.5 Цельсия. Сейчас же гораздо шире распространены электрические холодильные установки.
И, в общем, вполне ясно, почему это так. Как химическая промышленность, так и производство разнообразной техники - дело сложное. А вот чтобы получить сжиженные газы, достаточно иметь мощный источник энергии и технику для сжижения (она тоже довольно сложна, но более-менее однотипна, и её достаточно произвести один раз...).
Вот в таком технологическом контексте и появляется у нас потребность в хранении и транспортировке большого количества водорода. Мысль использовать именно сжиженный газ на тот момент выглядела куда более естественно, чем сейчас. От температуры жидкого кислорода температура жидкого водорода отличается не так уж радикально (хотя, конечно, отличается...).
Правильный ход технологического развития в XX веке
То есть "правильная", но несостоявшаяся у нас последовательность событий должна была бы быть примерно такой:
- Очень быстрое развитие автотранспорта.
- Мировой "рельсовый погром".
- Резкий рост нефтедобычи.
- Дефицит нефти.
- Задействованы запасы природного газа, но он тоже быстро оказывается в дефиците.
- Широко распространённые атомные реакторы по схеме ЗЯТЦ задействуются для производства водорода, под который проектируются двигатели.
- Господство атомно-водородной энергетики в мировом масштабе.
Вот так должен был бы выглядеть современный мир: энергетика на основе продвинутых атомных реакторов, водородные электрические двигатели, "высокая криогеника" (провоцирующая развитие технологий сверхпроводимости) и всё в этом духе.
А в реальности... Мы зависли частично в "нефтепанковом", частично даже в "электропанковом" мире. Ей-богу, стимпанк на этом фоне отнюдь не кажется чем-то нереалистичным: да запросто и такое могло быть!
В следующий рассмотрим, как именно так могло получиться.
См. также
Возможен ли мир стимпанка? Часть 1: мы живём в неправильном мире
Навигатор по каналу "Море Ясности"
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Возможен ли мир стимпанка? Часть 2: что "сломало" наш мир?.