Все их рассуждения касаются преимущественно таких нематериальных и неосязаемых вещей, как ежегодный процент прироста ВВП (западные экономисты падают в обморок при виде двузначных цифр в Китае!), рост национального долга стран (в мире современной монетарной теории это не имеет значения, поскольку денежная масса считается неограниченной), рекордные суммы, привлеченные первоначальным размещением акций (таких жизненно необходимых изобретений, как игровые приложения), преимущества беспрецедентного развития мобильной связи (сетей 5G ждут как второго пришествия) или надежд на то, что искусственный интеллект неизбежно изменит нашу жизнь (пандемия стала превосходной демонстрацией абсолютной бессмысленности подобных заявлений).
Но давайте по порядку. Мы могли бы создать относительно богатую цивилизацию, которая обеспечивает изобилие пищи, материальный комфорт, а также доступ к образованию и здравоохранению без полупроводников, микросхем или персональных компьютеров: она у нас уже была до середины 1950-х гг. (первое серийно выпускаемое изделие с транзисторами), начала 1970-х гг. (первые микропроцессоры Intel) и начала 1980-х гг. (начало широкого распространения персональных компьютеров)[167]. До 1990-х мы умудрялись интегрировать экономики, мобилизовывать необходимые инвестиции, строить нужную инфраструктуру и объединять мир с помощью широкофюзеляжных реактивных самолетов, обходясь без всяких смартфонов, социальных сетей и развлекательных приложений. Но ни одно из этих достижений в электронике и телекоммуникациях не было бы возможно без стабильных поставок энергии и материалов, необходимых для воплощения изобретений в мириады потребляющих электричество компонентов, приборов, устройств и систем, от крошечных микропроцессоров до гигантских центров обработки данных.
Тонкие пластины из кремния (Si), основа для производства микросхем, являются важнейшим материалом века электроники. Но миллиарды людей могут благополучно прожить и без них; от этого материала не зависит выживание современной цивилизации. Производство больших и чрезвычайно чистых (99,999999999 процента) кристаллов кремния и их резка на пластины — это сложный, многоступенчатый и энергозатратный процесс: он требует на два порядка больше первичной энергии, чем получение алюминия из бокситов, и на три порядка больше, чем плавка железной руды и производство стали[168]. В то же время запасы сырья практически неограниченны (кремний — второй по распространенности элемент земной коры — почти 28 %; больше в ней только кислорода — 49 %), а объем производства кремния для нужд электроники очень мал по сравнению с другими незаменимыми материалами; в настоящее время предприятия имеют заказы на 10 000 тонн пластин[169].
Конечно, ежегодное потребление того или иного материала не является лучшим индикатором его незаменимости, но в данном случае вывод однозначен: несмотря на всю важность и революционность изменений в электронике после 1950-х гг., кремний не является незаменимой материальной основой современной цивилизации. Любая градация материалов по степени их значимости не является бесспорной, но я могу предложить обоснованную классификацию, которая учитывает их незаменимость, степень распространения и объем спроса. На этой комбинированной шкале первые места занимают четыре материала, и я называю их четырьмя столпами современной цивилизации: цемент, сталь, пластик и аммиак[170].
По своим физическим и химическим свойствам, а также функциям эти материалы значительно отличаются друг от друга. Но, несмотря на разницу в характеристиках и применении, у них есть важное общее свойство: они незаменимы для функционирования современных обществ. Они требуются в большем (и постоянно растущем) количестве, чем любые другие ресурсы. В 2019 г. во всем мире израсходовали 4,5 миллиарда тонн цемента, 1,8 миллиарда тонн стали, 370 миллионов тонн пластика и 150 миллионов тонн аммиака, которые невозможно заменить другими материалами — по крайней мере, в ближайшем будущем или в мировом масштабе[171].
Как отмечалось в главе 2, только полная переработка (что невозможно) всех отходов жизнедеятельности пастбищных животных в совокупности с почти идеальной утилизацией остальных источников органического азота способны обеспечить объем этого вещества, ежегодно вносимый в почву в виде удобрений на основе аммиака. В то же время у нас нет материалов, способных конкурировать со многими видами пластика по сочетанию пластичности, долговечности и небольшого веса. Аналогичным образом даже если бы мы могли произвести эквивалентное количество строительного леса или камня, то по прочности, универсальности и долговечности они не могли бы соперничать с армированным бетоном. Мы могли бы строить пирамиды и соборы, но не длинные арочные мосты, гигантские плотины гидроэлектростанций, многополосные шоссе или взлетно-посадочные полосы аэропортов. А сталь используется буквально везде и до такой степени незаменима, что определяет нашу способность вырабатывать энергию, производить продукты питания, строить дома, а также обеспечивать масштаб и качество важной инфраструктуры: с ней не сравнится ни один металл.
Другая общая характеристика этих четырех материалов особенно важна, если мы задумываемся о безуглеродном будущем: их массовое производство в значительной степени зависит от сжигания ископаемого топлива, а часть этого топлива также является сырьем для синтеза аммиака и для производства пластика[172]. Плавка железной руды в доменных печах требует кокса, который получают из угля (с помощью природного газа); источником энергии для производства цемента служит в основном угольная пыль, нефтяной кокс и тяжелое нефтяное топливо. Подавляющее большинство простых молекул, соединяющихся в длинные цепочки, из которых состоит пластик, получают из сырой нефти и природного газа. А в современном синтезе аммиака природный газ служит как источником водорода, так и источником энергии.
В результате на глобальное производство этих четырех незаменимых материалов приходится приблизительно 17 % мировых поставок первичной энергии, а сжигание ископаемого топлива при их производстве дает 25 % выбросов CO2, и в настоящее время не существует доступных и реализуемых в массовом масштабе альтернатив, способных заменить эти традиционные процессы[173]. Существует много разных предложений и экспериментальных технологий для производства этих материалов без опоры на ископаемые углеводороды — от нового каталитического синтеза аммиака до выплавки стали на водородном топливе, — но ни одна из этих альтернатив еще не стала экономически выгодной, и, даже если мы будем агрессивно внедрять безуглеродные варианты, потребуются десятилетия, чтобы заменить существующие производственные мощности, которые производят сотни миллионов и миллиарды тонн этих материалов по приемлемым ценам[174].
Чтобы по-настоящему оценить значение этих материалов, я расскажу об их основных свойствах и функциях, кратко опишу историю технических достижений и эпохальных изобретений, которые сделали возможным их дешевое и массовое производство, а также приведу примеры огромного разнообразия их применения в современном мире. Начну я с аммиака — потому что без него невозможно прокормить растущее население земли — а затем перейду (в порядке возрастания мировых объемов производства) к пластику, стали и цементу.
Аммиак: газ, который кормит мир
Из этих четырех веществ именно аммиак заслуживает первого места в списке (несмотря на мою нелюбовь к классификации!) самых важных материалов. Как я уже объяснял в предыдущей главе, без его использования в качестве главного азотного удобрения (непосредственно или как сырья для синтеза других азотных соединений) было бы невозможно накормить от 40 до 50 % населения планеты, численность которого приближается к 8 миллиардам. Еще раз повторим: в 2020 г. почти 4 миллиарда человек не смогли бы выжить без синтетического аммиака. Подобных жизненно важных ограничений нет у пластика стали или цемента, необходимого для производства бетона (и, как уже отмечалось выше, у кремния).
Аммиак — это простое неорганическое соединение, состоящее из одного атома азота и трех атомов водорода (NH3), а это значит, что 82 % его массы приходится на водород[175]. При атмосферном давлении это невидимый газ с характерным неприятным запахом несмытого туалета или разлагающегося навоза. В низких концентрациях он может вызвать головную боль, тошноту, рвоту; высокие концентрации вызывают раздражение слизистой оболочки глаз, носа, рта, горла и легких, а очень высокая концентрация может привести к мгновенной смерти. В отличие от аммиака, аммоний (NH4+, ион аммония), образующийся при растворении аммиака в воде, нетоксичен и не способен проникать через клеточные мембраны.
Синтезировать такую простую молекулу оказалось на удивление сложно. История изобретений изобилует случайными открытиями, и в этой главе о материалах будет уместен пример тефлона. В 1938 г. химик компании Kinetic Chemicals Рой Планкетт и его ассистент Джек Ребок синтезировали тетрафторэтилен в качестве нового охлаждающего вещества. Вскоре выяснилось, что закачанный в баллоны тетрафторэтилен при охлаждении полимеризовался, превратившись в политетрафторэтилен, белый порошок, напоминающий парафин. После Второй мировой войны тефлон стал одним из самых популярных синтетических материалов и, возможно, единственным вошедшим в политический жаргон (у нас был «тефлоновый» президент[176]