На самом деле даже до сих пор это не такой уж очевидный факт. Пользовательский интерфейс iPhone может казаться универсальным, но течение этой «воды» только выглядит простым и спокойным. За устойчивым к царапинам и способным к мультитачу экраном скрывается обширная и сложная система. Следующий раздел освещает железную начинку iPhone: крохотную батарею, камеру, процессор, Wi-Fi-чип, датчики и прочее, – всё то, что заставляет работать наше универсальное устройство.
Глава 5Литий-ионные батареи
Чилийская пустыня Атакама – самое бесплодное место на всей Земле, если не брать в расчёт промёрзшие полюса. Осознание этого факта не заставляет себя ждать. Сперва чувствуешь, как сохнет задняя стенка горла, затем сухость добирается до нёба, а после заполняет носовые пазухи, которые сразу же начинают напоминать кожу животного, блуждавшего неделю под палящим солнцем. Клаудио везёт меня и моего помощника Джейсона к югу от Каламы, одного из крупнейших шахтёрских городов Чили; в окнах нашего пикапа горбятся угрюмые буро-рыжие скалы Анд.
Мы направляемся к Салар-де-Атакама, крупнейшему в мире месту добычи лития. SQM, или Чилийская горнодобывающая и химическая компания, представляет собой некогда государственную, а теперь принадлежащую зятю бывшего директора компанию, ведущую разработку местного солончака. Она – лидирующий производитель калиевой селитры, йода и лития, и её руководство согласилось устроить мне и Джейсону частную экскурсию.
С виду Атакама не выглядит такой уж рекордно засушливой: зимой вдали можно различить снежные шапки гор. Однако на всю пустыню площадью почти в сто тысяч квадратных километров за год выпадает в среднем пятнадцать миллиметров осадков. А кое-где ещё меньше. Здесь находятся метеорологические станции, по данным которых рекордная засуха, когда вовсе не случалось дождей, длилась более ста лет.
В самых обезвоженных регионах Атакамы почти никто не обитает, даже микробы. Мы останавливаемся в одной из самых известных пустынных зон: Валье-де-ла-Луна (Лунной долине). Она настолько сильно похожа на Марс, что NASA проводила здесь испытания луноходов для «красной планеты» и оборудования для поиска жизни. И именно этому пустынному неземному месту наши iPhone обязаны своей работой.
Чилийские рудокопы трудятся в этой чуждой человеческому глазу местности каждый день, добывая литий из обширных испаряющихся озёр солончака. Солончак представляет собой естественный насыщенный соляной раствор, скапливающийся в огромных подземных резервуарах. Более тысячи лет минеральные отложения стекали со склонов Анд в мокрые солончаки, образуя водоемы с высоким содержанием лития. Литий – самый лёгкий металл, обладающий наименьшей плотностью, и, хотя его используют по всему миру, в чистом виде в естественных условиях его не встретишь: слишком уж он химически активный. Он добывается из сложных горных пород и растворов, поэтому его получение, как правило, дорогостоящий процесс. Однако высокая концентрация лития в солончаке, приправленная чрезвычайно сухим климатом, позволяет рудокопам получить очень чистое сырье для растущего в цене металла с помощью старого доброго выпаривания.
Атакама полна лития: на данный момент Чили производит треть мировых поставок и хранит четверть всех известных на данный момент запасов. Именно из-за Атакамы Чили часто называют «литиевой Саудовской Аравией». (Надо сказать, что многие, очень многие страны можно назвать «литиевой Саудовской Аравией» – в соседней Боливии лития ещё больше, но они его не добывают… пока что).
Литий-ионные аккумуляторы являются оптимальным источником питания ноутбуков, планшетов, электромобилей и, конечно, смартфонов. Те, кто знают об особой позиции лития в индустрии, всё чаще называют его «белой нефтью». В период с 2015 по 2016 год цены на него подскочили в два раза, так как сильно возросло его прогнозируемое потребление.
Хотя на Земле есть и другие места добычи лития, самое лучшее из них здесь, в высокогорных просторах Чили.
Мы едем, и я замечаю у дороги крест, усыпанный цветами, обставленный фотографиями и небольшими реликвиями. Затем ещё один, и ещё.
«Да, это место зовётся Дорогой смерти, – рассказывает нам водитель Клаудио. – Семьи едут, но не знают дороги – устают и съезжают с неё, срываются. Или дальнобойщики, которые слишком долго просидели за рулём».
Чтобы добраться до металла, который оживляет наши iPhone, нужно сперва проехать по Дороге смерти.
За разработку литий-ионных аккумуляторов взялись в 1970-х годах, так как эксперты боялись, что зависимость человечества от нефти ведёт его не к метафорическому, а к вполне конкретному концу. Учёные, общественность и даже нефтяные компании стали активно искать альтернативы. До этого момента батареи почти сотню лет были неразвивающейся технологией.
Первую настоящую батарею придумал в 1799 году итальянский учёный Алессандро Вольта, он пытался доказать, что его коллега Луиджи Гальвани заблуждался насчёт лягушачьего накопителя энергии.
Гальвани пропустил электрический ток через нервную систему мёртвой лягушки – этот ряд экспериментов вдохновил Мэри Шелли написать «Франкенштейна» – и решил, что у земноводных есть внутренний накопитель «животной электроэнергии». Он заметил, что, когда он железным скальпелем разрезал лапку, подвешенную на медном крюке, она начинала дёргаться. Вольта полагал, что опыты его друга демонстрируют наличие электрического заряда, пробегающего от одного металлического инструмента к другому через проводник. (Они оба оказались правы: живые мышцы и нервные клетки на самом деле обладают биоэлектричеством, и в то же время мясистая лягушка являлась проводником между электродами.)
Батарея состоит из трёх основных частей: двух электродов (анод с отрицательным зарядом и катод с положительным) и электролита, находящегося между ними. Чтобы опробовать свою теорию, Вольта соорудил столб из цинковых и медных дисков, чередующихся друг с другом, и ткани, смоченной солевым раствором и зажатой между каждым из них. Эта аляповатая башня и являла собой первую батарею.
Она работала точно так же, как большинство современных батарей, путём окисления и восстановления. Химические реакции приводят к накоплению электронов в аноде (в башне Вольты это был цинк), которые затем стремятся перейти на катод (медь). Электролит – будь то смоченная соленым раствором ткань или мёртвая лягушка – препятствует им. Однако, если вы соедините проводом анод с катодом, то замкнёте цепь, и анод станет окисляться (терять электроны); электроны направятся к катоду, генерируя в процессе электрический ток.
Развивая концепт Вольты, Джон Фредерик Даниель создал батарею, которую можно использовать как удобный источник электричества. Первичный источник тока, сделанный Даниелем, получил широкую известность в 1836 году и привёл, помимо всего прочего, к расцвету электрического телеграфа.
С тех пор эволюция батареи продвигалась очень медленно: от медно-цинковых электродов Вольты до свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в автомобилях, а от них – до современных основанных на литии батарей. «Простота устройства батареи – всего несколько частей – одновременно и помогала, и препятствовала попыткам учёных усовершенствовать детище Вольты, – пишет Стив Левайн в книге „Источник энергии“[22]. – В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл перезаряжаемую свинцово-кислотную батарею», которая использовала свинцовые электроды и серную кислоту в качестве электролита. «Разработка Планте мало чем отличается от первоисточника – по сути, это та же башня Вольты, сделанная на другой манер… Батарейки Energizer, вышедшие на рынок в 1980 году, – пишет Левайн, – можно считать ближайшим потомком изобретения Планте. За век с лишним наука не сдвинулась с места». Что несколько обескураживает, потому как батарея остаётся одним из крупнейших, хоть и незаметных, инструментов, определяющих наше взаимодействие с технологиями.
Однако нефтяные взлёты в 1970-х – когда нефтяное эмбарго заставило подскочить цены акций и ослабило экономику – наряду с появлением нового водородного аккумулятора, которым Форд собрался оснастить автомобили будущего, придали ускорение гонке на изобретение лучших батарей.
Многие считают чудовищной нелепостью факт, что изобретатели литий-ионного аккумулятора до сих пор не получили Нобелевскую премию. Литий-ионная батарея не только вдыхает жизнь в наши гаджеты, она является краеугольным камнем электротранспорта. Ирония же состоит в том, что её придумал учёный, нанятый самой скандально известной нефтяной компанией.
Во время своей работы в Стэнфорде в начале семидесятых, после защиты докторской, химик Стэн Уиттингем открыл способ поместить ионы лития на листы сульфида титана, что привело к созданию перезаряжаемой батареи. Вскоре он получил предложение на частное исследование альтернативных энергетических технологий в компании Exxon. (Да, та самая Exxon, известная сегодня своими попытками подвергнуть сомнению глобальное изменение климата, а также соперничеством с Apple за звание крупнейшей корпорации мира.)
Защита окружающей среды овладела умами общества после выхода в свет книги Рейчел Карсон «Безмолвная весна», где раскрывалась опасность ДДТ, утечки нефти в Санта-Барбаре и пожара на реке Кайахога. Форд обратил внимание на упреки, что его машины загрязняют воздух в городах и высасывают нефть, и начал экспериментировать с более экологичными эклектромобилями, что дало импульс разработке батарей. Тем временем казалось, что нефтяная промышленность начала достигать пика. Нефтяные компании нервно всматривались в будущее и искали способы вложить капитал в альтернативные предприятия.
«Я пришёл в Exxon в 1972 году, – рассказывает мне Уиттингем. – Они решили стать энергетической компанией, а не просто нефтяной и химической. Они заинтересовались батареями, топливными элементами, солнечными элементами, – говорит он, и „в какой-то момент они были крупнейшими в США производителями фотоэлектрических элементов“». Они даже построили гибридный дизельный автомобиль за десятки лет до появления Toyota Prius.