Джеффри Уэст - Масштаб. Универсальные законы роста, инноваций, устойчивости и темпов жизни организмов, городов, экономических систем и компаний

Мы доказали коммерческую выгодность солнечной энергии… и, в частности, доказали, что после истощения наших запасов нефти и угля человечество сможет получать неограниченное количество энергии из солнечных лучей.

С учетом того, как давно было сделано это заявление, следует признать наблюдение Шумана чрезвычайно прозорливым, несмотря даже на то, что оно все еще не осуществилось. Открытие и разработка запасов дешевой нефти, начатые в 1930-х гг., помешали развитию солнечной энергетики, и взгляды и принципы конструкций Шумана были практически забыты вплоть до первых энергетических кризисов 1970-х. Однако внушает оптимизм тот факт, что сейчас уже разработаны технологические решения – например, в области солнечных элементов, – использование которых делает осуществление мечты Шумана вполне реальным, так как стоимость эксплуатации возобновляемых источников энергии позволяет им конкурировать с традиционной энергетикой, использующей ископаемое топливо.

Еще одно кардинальное различие между ископаемым топливом и солнечной энергией касается соответствующих фундаментальных физических механизмов выработки энергии. При сгорании ископаемого топлива высвобождается энергия химических связей, соединяющих атомы и молекулы угля, нефти или газа. Все молекулы, что бы они ни образовывали – наше тело, наш мозг, наш дом или наш компьютер, – удерживаются вместе электромагнитными силами, энергия которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ), отчего ее и удобно измерять в этих единицах. Электрон-вольт – это величина чрезвычайно малая в том масштабе, о котором мы говорим: 1 эВ составляет всего лишь около четырех сотых триллионной триллионной киловатт-часа (1 эВ = 4 × 10 –26кВ×ч), так что наше ежегодное энергопотребление, выраженное в этих единицах, приблизительно равно 4 × 10 39эВ. По самым грубым оценкам, таково число молекул, которые распадаются каждый год для удовлетворения наших энергетических потребностей.

Вместе с тем Солнце, состоящее в основном из водорода и гелия, получает ядерную энергию, накопленную в связях, скрепляющих атомные ядра. При слиянии ядер водорода с образованием ядер гелия эта энергия высвобождается в виде излучения. Этот процесс называется термоядерным синтезом и представляет собой фундаментальный физический механизм, благодаря которому Солнце светит и снабжает нас световой и тепловой энергией, которая и привела к возникновению всей жизни на нашей планете. Он остается единственным источником энергии для всех форм жизни на Земле, за исключением человека, открывшего несколько тысяч лет назад энергию, содержащуюся в ископаемом топливе.

Характерный масштаб ядерной энергии приблизительно в миллион раз больше, чем энергии электромагнитных химических связей, высвобождаемой при сгорании ископаемого топлива: в ядерных процессах участвуют энергии порядка миллионов (МэВ), а не единиц электрон-вольт, как в химических реакциях между молекулами. Именно это огромное увеличение делает столь привлекательной идею использования ядерной энергии: одно и то же количество вещества позволяет получить из атомных ядер приблизительно в миллион раз больше энергии, чем из молекул. То есть для автомобиля, расходующего около 2000 л бензина в год, потребовалось бы всего несколько граммов ядерного топлива, которые могут уместиться в небольшую таблетку.

Перспектива получения «неограниченной» энергии от атомных электростанций, работающих на тех же физических принципах, что и Солнце, была совершенно фантастической. Когда она только возникла, сразу после Второй мировой войны, в головокружительную эпоху, наступившую после создания атомной бомбы, были распространены чрезвычайно оптимистические ожидания близкого будущего, в котором ядерная энергетика станет нашим основным источником энергии вместо ископаемого топлива. Я хорошо помню газетные статьи 1950-х гг., которые я читал подростком: они обещали, что к тому времени, как я вырасту и обзаведусь семьей, электричество станет настолько дешевым, что его счетчики больше не будут нужны. Типичными для эйфории того времени были, например, заявления основоположника ядерной химии и нобелевского лауреата Гленна Сиборга, бывшего тогда председателем американской Комиссии по атомной энергии. Он утверждал, что «у нас будет транспортное сообщение с Луной на ядерной тяге, искусственные сердца с ядерными источниками питания, бассейны для аквалангистов с плутониевым подогревом и многое, многое другое».

К сожалению, создание конкурентоспособных источников энергии на основе термоядерного синтеза оказалось задачей трудноразрешимой и необыкновенно сложной технически, несмотря на интенсивную работу в этом направлении, проводившуюся по всему миру. Вместо этого были успешно разработаны технологии ядерной энергетики, в которой получают энергию, высвобождаемую в результате распада тяжелых ядер (урана) на более легкие. Этот процесс аналогичен обычному химическому производству энергии из ископаемого топлива. С использованием ядерного распада производится сейчас около 10 % всей вырабатываемой в мире электроэнергии, и лидирующее положение в этом отношении занимает Франция, более 80 % электроэнергии которой поступает из ядерных реакторов.

Производство энергии в ядерном реакторе, как и в традиционной электростанции, работающей на ископаемом топливе, есть процесс внутренний относительно глобальной системы и, следовательно, оно связано с теми же проблемами производства энтропии и вредных побочных продуктов. Хотя атомная энергетика подобно солнечной не является значительным источником парниковых газов и, следовательно, не вызывает возможных изменений климата, ее побочные продукты могут быть чрезвычайно вредоносными в связи с гораздо более высоким (в миллион раз) масштабом энергии. Излучение, возникающее в ядерных реакциях, может быть разрушительным для молекул и, следовательно, для органических тканей и вызывать тяжелые нарушения здоровья, самыми известными из которых являются раковые заболевания. Наша атмосфера в значительной степени защищает нас от аналогичного излучения, поступающего от Солнца, но в случае реакторов, расположенных на Земле, оно создает серьезные проблемы. Кроме того, возникает проблема безопасного хранения и утилизации отходов ядерных реакций, которые остаются радиоактивными в течение тысячелетий.

Несмотря на огромные усилия, направленные на обеспечение безопасности ядерных реакторов, число уже произошедших аварий было достаточно большим, чтобы охладить энтузиазм в отношении их использования в качестве альтернативного ископаемому топливу источника энергии, хотя число непосредственных жертв этих аварий и остается небольшим. Резонанс, который получила случившаяся в 2011 г. катастрофа на японской атомной электростанции «Фукусима-1», привел к резкому сокращению нынешнего и предполагаемого в будущем применения атомной энергии во всем мире. Хотя ископаемое топливо стало причиной сотен тысяч, если не миллионов смертей и неисчислимых нарушений здоровья, его использование по-прежнему кажется многим более приемлемым, чем потенциальная опасность ядерных реакторов. Вопросы долгосрочной безопасности и количественные оценки последствий производства и потребления энергии с точки зрения увеличения энтропии составляют предмет чрезвычайно запутанных и неоднозначных социальных, политических, психологических и научных исследований. Сколько смертей вызывает производство электроэнергии непосредственно, а сколько – косвенно, какие именно связанные с ним нарушения здоровья считать опасными и какими могут быть их долгосрочные последствия? Как можно сравнивать разные технологии? Какие параметры следует для этого использовать?