Затем их усовершенствовали – стали строить плавильные печи гораздо выше и мехами накачивать в них снизу поток воздуха: так удавалось получать более высокие температуры для плавления железа. Это доменная печь. Добавление известняка в качестве плавня (флюса) помогает отделить шлак, облегчает добычу железа и очищает его. Затем расплавленный металл сливают из нижней части печи – так получают чушки, или чугун. Чугун содержит много углерода (около 3 %), что делает его твердым, но хрупким. Первые доменные печи появились в Китае еще в V веке до н. э., а в I веке н. э. китайцы первыми стали раздувать мехи при помощи водяных колес[367]. В XI веке доменные печи и чугун переняли арабы, однако в Европу эти методы попали лишь в конце XIV века[368].
Железный век начался в разных уголках планеты в разное время, но так или иначе преобразил общество. Бронза оставалась относительно дорогой, поэтому по большей части была достоянием правящей элиты либо шла на экипировку армий, которые та же элита натравливала друг на друга. А железных руд везде в изобилии, и они дают универсальный металл, из которого можно изготавливать самые разные практичные изделия. К тому же железные инструменты значительно прочнее бронзовых и лучше сохраняют остроту. Это было важно не только для оружия, но и для бытовых орудий труда. Железные топоры стали огромным подспорьем в вырубке лесов, чтобы расчищать новые сельскохозяйственные земли. А железные плуги не только повысили производительность земледелия, но и помогли человечеству превратить в поля землю, которую раньше невозможно было возделывать. Оба эти орудия открыли совершенно новые регионы для заселения.
В частности, изобретение в конце III века н. э. плуга с отвалом и острым железным сошником сделало возможным производительное земледелие на плотных почвах европейского ландшафта к северу от Альп. Тяжелый плуг не просто процарапывает в почве борозду, но и глубоко подрезает дерн и затем переворачивает его через изогнутый отвал. В результате весь верхний слой почвы переворачивается, что помогает контролировать рост сорняков и подмешивать удобрения, а кроме того, такие борозды сильно улучшают дренаж глинистых почв, склонных к заболачиванию[369]. Появление железных орудий сделало плотные глинистые почвы Северной Европы гораздо более плодородными, чем песчаные почвы Средиземноморья. Так что железный топор и плуг постепенно превратили леса, оставшиеся еще с последнего ледникового периода, и заболоченные низины Северной Европы в гигантское волнистое покрывало из злаковых полей[370]. Это, в свою очередь, поспособствовало фундаментальному сдвигу в распределении населения и в урбанизации Европы в последующие века[371].
Физические свойства меди в сплавах только улучшаются, и для железа это тоже справедливо. Сталь – это железный сплав, содержащий немного углерода, как правило не более процента, так что по содержанию углерода она занимает промежуточное положение между чистым кованым железом и чугуном. И, подобно бронзе, сталь гораздо тверже чистого железа. Свойства стали можно менять, корректируя содержание углерода: можно запекать кованое железо с углем, чтобы оно впитало чуть больше углерода, а можно смешивать кованое железо и чугун в разных пропорциях. Однако изготавливать высококачественную сталь было по-прежнему трудно, поэтому она шла только на особенно важные детали, например на лезвия клинков и мечей или на мелкие детали, требовавшие гибкости, например на часовые пружины.
Нынешняя эпоха дешевого массового производства стали началась в середине XIX века, когда был изобретен простой способ очищать чугун от углерода – бессемеровский процесс. Для него расплавленный чугун заливают в глубокий котел, а затем продувают воздух сквозь расплавленный металл. Это выжигает углерод и очищает железо от прочих примесей, в сущности создавая «чистую доску» – беспримесное железо, в которое затем можно подмешать нужное количество углерода, чтобы получить требуемый сорт стали. Это изобретение сократило время на производство пяти тонн стали с целого дня примерно до четверти часа[372], вызвав настоящий взрыв в сталелитейной промышленности и резко снизив стоимость стали. Так поздняя Промышленная революция превратила общество в мир, где правит металл. Сегодня сталь встречается везде – из нее делают бытовую технику и кухонные принадлежности, инструменты, станки, рельсы, корабли и машины. Кроме того, мы научились применять ее в качестве каркаса для зданий, укрепляем арматурой бетон и строим из него небоскребы.
Таким образом, если железный век произвел революцию в человеческих поселениях, сельском хозяйстве и военном деле, наш современный мир выстроен из сплава железа – из стали. Но откуда взялось железо?
Железное сердце звезд
Все железо на Земле – от руды в коре до красного гемоглобина, который разносит кислород по нашим сосудам, – возникло в результате термоядерного синтеза в ядрах звезд. Возникшая в результате Большого взрыва Вселенная содержала в основном самый простой элемент – водород, – а также немного гелия и крошечную долю лития. Все остальные элементы из таблицы Менделеева возникли в результате термоядерного синтеза в звездах – либо при сгорании других элементов в недрах звезд, либо при взрывах массивных звезд в конце жизненного цикла.
Железо – убийца звезд. Когда при сгорании водорода в ядре массивной звезды накапливается достаточно гелиевого «пепла», начинается реакция, в ходе которой последовательно создаются другие элементы – углерод, кислород, сера, кремний и, наконец, никель и железо. Железо – самый стабильный элемент, и от его сгорания невозможно получить энергию. Когда гигантская звезда утрачивает способность производить достаточно энергии, чтобы удержать свои внешние слои, она коллапсирует в собственное ядро, после чего происходит мощнейший взрыв – рождение сверхновой. При этом последнем всплеске реакции синтеза создаются многие более тяжелые элементы из таблицы Менделеева, и все эти атомы выбрасываются в космос. Несколько важных элементов порождаются при столкновении нейтронных звезд: это и золото в обручальном кольце, и редкоземельные металлы в смартфоне, и свинец в церковной кровле, и уран в атомной электростанции[373]. А значит, не только наша планета, но и молекулы наших тел – звездная пыль[374].
Земля сформировалась из диска пыли и газа, вращавшегося вокруг прото-Солнца 4,5 миллиарда лет назад. Крупицы пыли слипались, возникали зерна, из которых слипались все более и более крупные куски породы, а затем гравитация собрала их вместе и создала нашу планету. Жар от всех этих столкновений расплавил первичную Землю, и железо с высокой плотностью по большей части погрузилось в ее ядро, оставив толстый слой мантии, богатой кремнием; мантия постепенно остыла, и ее поверхность затвердела и образовала тонкую кору. Многие другие металлы хорошо растворяются в жидком железе – их называют «сидерофилы» («железолюбивые»), – поэтому они тоже выделились из земной мантии и вместе с тонущим железом опустились в ядро. В результате элементы-сидерофилы – золото, серебро, никель и вольфрам, – а также металлы платиновой группы, о которых мы вскоре поговорим, практически отсутствуют в породах земной коры. Драгоценное золото, столь желанное для нас на протяжении веков, попало на поверхность Земли в результате столкновения с астероидами после того, как планета разделилась на железное ядро и кремнистую мантию[375][376].
Кроме того, железное сердце нашей планеты служит генератором магнитного поля Земли. Бурлящие течения жидкого железа во внешнем слое ядра нашей планеты генерируют это поле, словно динамомашина. Это приобрело для нас огромное значение начиная с XI века, поскольку сначала китайские, а затем и мусульманские и европейские мореходы начали применять компас для навигации (а задолго до этого – для мигрирующих животных, которые научились ощущать магнитное поле Земли за много веков до нас)[377]. Но у нашего магнитного кокона есть и более фундаментальная функция – он служит отражателем для потока частиц, льющегося на нас с Солнца, – так называемого солнечного ветра – и не позволяет ему сдуть атмосферу Земли в открытый космос. Поэтому ядро из расплавленного железа обеспечивает само существование сложной жизни на Земле: железо в вашей крови связывает вас не только с древними звездами, которые создали их в своей ядерной плавильне, но и с магнитным полем вокруг нашей планеты, которое защищает жизнь на Земле.
Впрочем, не все железо на Земле утонуло и попало в ядро: оно занимает четвертое место среди элементов по распространенности в коре и составляет в среднем 5 % веса всех горных пород. Однако, чтобы приносить пользу человечеству, железо должно было сконцентрироваться в богатых рудах, которые люди добывали и выплавляли. И это подводит нас с одному определенному моменту в истории нашей планеты.
Когда планета заржавела
Практически все железо, добытое в мире с древности до наших дней, взято из одной разновидности породы, которая сформировалась на определенном этапе развития Земли.
Большая часть железа, которое мы применяем, дают полосчатые железистые формации (а также образовавшиеся из них осадочные породы). Каждая формация может протягиваться на сотни километров и иметь толщину несколько сотен метров, а лучшие руды содержат более 65 % железа[378]