Возможно, в будущем нам удастся производить биотопливо, выращивая водоросли в трубах или емкостях на солнечных территориях, хотя на данный момент никому не удалось наладить этот процесс в крупных масштабах[283]. В конечном итоге на эффективность подобных систем накладывает ограничения сам фотосинтез: процесс устроен так, что в виде энергии сохраняется не более 12 % солнечного света, попадающего на растения[284]. На той же самой территории солнечные панели смогут преобразовать напрямую в электроэнергию около 20 % или более[285].
Сегодня мы едим нефть
Раньше пища была источником энергии, а сегодня производство продуктов питания ее сжирает. Если вы читаете маркировки продуктов, то знаете, сколько энергии в них содержится. А теперь представьте себе, что для их производства было потрачено в 10 раз больше энергии, большая часть которой – в форме ископаемых (нефть, уголь и газ). Энергия уходит на строительство инфраструктуры, производство и транспортировку удобрений, пестицидов и семян, вспахивание почвы, обслуживание систем полива, высушивание урожая и перевозку сырья, а также на производство, упаковку, охлаждение, транспортировку и приготовление пищи.
Долгое время для производства продуктов питания мы использовали почти всю доступную территорию. Только представьте: всего несколько десятилетий назад в Норвегии с ее фьордами использовали каждый клочок земли, чтобы вырастить корм для скота. С 1950-х годов в мире резко выросло производство продуктов питания – не из-за увеличения сельскохозяйственных площадей, а благодаря появлению методов, позволяющих применить в сельском хозяйстве намного больше энергии – например, в форме минеральных удобрений. Сегодня мировое производство продуктов питания строится на избытке дешевой энергии полезных ископаемых. В будущем для производства того же количества пищи, что и сейчас, нам потребуется больше энергии, поскольку из-за эрозии, климатических изменений, истощения плодородного слоя почвы и потери грунтовых вод условия производства продуктов питания станут сложнее[286].
Вот где мы оказались сегодня. Ископаемые источники энергии вот-вот истощатся. Мы знаем, что нам придется прекратить сжигать уголь, нефть и газ, если хотим оставить пригодный для жизни климат нашим потомкам, но мы по-прежнему не приблизились к тому, чтобы заменить все угольные электростанции возобновляемыми источниками электричества – не говоря уже о том, чтобы обеспечить достаточное количество энергии для промышленности, транспорта и производства продуктов питания. Без изобилия энергии общество не сможет поддерживать сложные структуры, передовую промышленность и необходимые для нее научные исследования. Чтобы решить задачи, которые возникнут перед нами в будущем, необходимо что-то предпринять, причем быстро.
9План Б
Я слишком ограниченная? Кажется, я вижу проблемы на каждом шагу. Слишком много мусора. Слишком мало еды. Слишком мало энергии и слишком дорогая сталь. Я застряла в сегодняшнем образе мышления? Разве людям несвойственно снова и снова достигать недостижимого?
Среди самых значимых будущих перспектив я пока не касалась трех заслуживающих внимания. Возможное наличие бесконечного источника дешевой энергии. Возможность брать ресурсы из космоса. И наконец, радикальный план Б: покинуть Землю и начать жизнь заново на других планетах.
Бесконечная энергия: Солнце на Земле
Энергия, которая непрерывным потоком идет к нам с Солнца, высвобождается в его недрах посредством реакции синтеза. Эта энергия остается, когда ядра самых легких химических элементов, таких как водород и гелий, сливаются и образуют новые, более тяжелые химические элементы. Если бы у нас был механизм, с помощью которого можно было воспроизвести этот же процесс в термоядерном реакторе на Земле, мы производили бы огромные количества энергии из тех элементов, которых у нас в избытке.
Тем не менее тут проще сказать, чем сделать. Чтобы атомные ядра слились, их необходимо прижать друг к другу с огромной силой. В недрах Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 340 миллиардов раз превышает атмосферное давление на поверхность Земли[287]. Подобные условия за гранью того, что можно воссоздать в реакторе здесь, на Земле.
Задача окажется более посильной, если обычный водород, у которого в ядре лишь один протон, заменить его более тяжелой версией, у которой есть еще один или два нейтрона. Называются эти версии дейтерий и тритий[288]. Атомы дейтерия весят в два раза больше, чем обычный водород, а когда дейтерий занимает место водорода в молекуле воды, получается то, что мы зовем тяжелой водой: компания Norsk Hydro производила ее в Рьюкане, и во время Второй мировой войны из-за нее на предприятии совершались диверсии[289], ведь тяжелая вода понадобится тому, кто производит ядерное оружие из плутония[290]. Тритий – версия водорода с двумя нейтронами – очень нестабильное вещество, распадающееся на другие элементы за несколько лет после образования. Чтобы использовать тритий в термоядерном реакторе, нам сначала придется его изготовить. Сегодня тритий производят из редкого изотопа лития – от всего объема имеющегося на Земле лития его количество составляет менее 10 %.
Возможно, водород, в отличие от лития, бесконечный ресурс. Согласно расчетам, если весь литий, который удастся извлечь из земной коры, мы отправим в термоядерный реактор, при сегодняшнем энергопотреблении его хватит на тысячу лет. Кроме того, дейтерий и тритий есть в морской воде. При наличии эффективного метода добычи этих элементов из океана на удовлетворение людских энергетических потребностей нам хватило бы их на несколько миллионов лет.
В термоядерных реакторах электроны отрываются от атомов, чтобы атомные ядра оказались друг к другу как можно ближе и слились. Газ, чья температура поднимается так высоко, что электроны отрываются от атомов, называется плазмой. На Земле, например, плазму можно обнаружить в молниях и северном сиянии. В случае с плазмой проблема в том, что у нее есть тенденция рассеиваться, следовательно, остывает она быстро. Звезды настолько крупные и тяжелые, что их гравитационное поле удерживает плазму на месте, однако на нашей планете размером с камушек повторить это не выйдет. Альтернатива для нас – с помощью магнитов собирать плазму в магнитное поле определенной формы. Если сконструировать реактор так, чтобы плазма никогда не касалась его стен, содержащееся в ней тепло не уйдет в окружающую среду, а стены реактора не расплавятся и не сгорят.
Охота на термоядерную энергию началась во время холодной войны с обеих сторон железного занавеса. В 1968 году советские ученые сообщили, что им удалось изготовить плазму под воздействием высокой температуры в магнитном поле в виде пончика – она называется «токамак». Вскоре такого же результата добились британские физики. Сегодня ученые со всего мира совместно работают над строительством самого крупного в мире экспериментального термоядерного реактора во Франции (ITER). Согласно плану, первую плазму токамак проекта ITER произведет в 2025 году[291].
Проблема токамака в том, что управлять им нужно очень точно, а магнитное поле удерживается благодаря тому, что электрический ток все растет, и растет, и растет. Разумеется, долго этот процесс продолжаться не может, а инженеры ITER рассчитывают, что им удастся удерживать плазму примерно полчаса, до того как механизм придется отключить и охладить. Подобного рода постоянные колебания температуры предъявляют очень высокие требования к материалам, которые применяются для строительства реактора.
Еще один замысел носит футуристичное название «стелларатор»: магнитное поле имеет безумно сложную форму, благодаря которой механизм можно охлаждать, не делая перерывов. Впервые идею подобного реактора предложили в 1950-е годы, но мощность компьютеров позволила ученым подступиться к задаче по разработке сложной геометрии только в 1980-е годы. В 2016 году в Германии стелларатор Wendelstein 7-X справился с задачей и удерживал плазму водорода при температуре более 10 миллионов градусов примерно одну секунду[292], а теперь ученые работают над его усовершенствованием.
Слияние атомов будет происходить лишь до тех пор, пока в реакторе поддерживается высокая температура. Если что-то пойдет не так и реактор потеряет контроль над магнитным полем, все остановится. Поэтому он не представляет таких опасностей, как неконтролируемая реакция, взрывы и расплавления, известных нам по катастрофам на ядерных электростанциях в Чернобыле и на Фукусиме. Также проблем с отходами у термоядерного реактора гораздо меньше, чем у сегодняшних ядерных электростанций, но, когда атомные ядра сливаются, выделяются нейтроны – они попадают на материалы, из которых сделан реактор, и выделяется небольшое количество радиоактивных отходов. В течение нескольких сотен лет с ними необходимо обращаться как с особыми отходами.
Несмотря на то что развитие идет медленно, в реальности нет никаких причин, чтобы нам не удалось построить термоядерный реактор. Может быть, через 100, 200 или 500 лет важнейшим энергоресурсом станет морская вода. Все, что нам нужно, – достаточное количество денег и ресурсов, чтобы поддерживать крупные научные программы до тех пор, пока нам не улыбнется удача. Но решит ли почти бесконечный источник чистой энергии все наши проблемы?
Не совсем. Конечно, энергия – потребность номер один, но все наши прочие материальные потребности энергия автоматически не покроет. Зубчатые колеса по-прежнему будут истираться, а стальные сваи – ржаветь. Чтобы восполнить потери, нам придется дробить все больше и больше породы. Дыры в земной коре и кучи отходов не станут новой породой – и не важно, сколько у нас будет энергии. Может быть, в мире, где все перекопано и раздроблено, материалов у нас будет достаточно. Но мы же хотим не этого.