Энергия и цивилизация бесплатное чтение

Процесс выращивания злаков задает определенный шаблон последовательности полевых работ. Культивация одинаковых растений ведет к изобретению или освоению очень похожих агрономических практик, инструментов и простых машин. Некоторые из этих инноваций появились рано, распространились быстро, а потом сохранялись по большей части неизменными на протяжении тысячелетий. Другие изобретения оставались долгое время привязанными к регионам возникновения, но затем, единожды распространившись, подвергались быстрому усовершенствованию. Серп и цеп принадлежат к первой категории, а отвальный плуг из железа и сеялка – ко второму. Инструменты и простые машины облегчали полевые работы (то есть давали механическое преимущество), позволяли выполнять их быстрее, увеличивали продуктивность, что давало возможность меньшему количеству людей вырастить больше еды, и возникший в результате энергетический избыток мог быть вложен в другие действия. Без серпа и плуга не было бы готических соборов или эпохи Великих географических открытий. Я сначала коротко перечислю полевые операции, инструменты и простые машины, а затем опишу доминирование злаковых культур и особенности сельскохозяйственного цикла.

Работа в поле

Традиционное хозяйство по большей части требовало напряженной работы, но периоды тяжелого труда обычно сменялись периодами, когда активность резко снижалась – паттерн существования, совершенно отличный от постоянной нагрузки охотников и собирателей. Переход от охоты и собирательства к сельскому хозяйству оставил четкие физические свидетельства в наших костях. Оценка скелетов примерно 2000 человек в Европе, живших на протяжении 33 тысяч лет, от верхнего палеолита до XX века, показала уменьшение сопротивления на изгиб у костей ног по мере того, как наши предки переходили ко все более оседлому образу жизни (Ruff et al. 2015). Процесс завершился примерно два тысячелетия назад, и с тех пор данный параметр не менялся, несмотря на то что производство еды стало куда более механизированным. Это доказывает, что переход от охоты и собирательства к сельскому хозяйству, от кочевого образа жизни к оседлости был на самом деле эпохальным в человеческой эволюции.

Время полевых работ в традиционном сельском хозяйстве диктовали императивы окружающей среды, их требования подчеркивались в De agri cultura, старейшем из сохранившихся до нашего времени сборников советов по растениеводству. Написал его Марк Порций Катон во II веке до н. э., и в тексте есть такие слова: «Следи за тем, чтобы все полевые работы совершались вовремя, поскольку дело здесь обстоит так: если ты опоздал в чем-то одном, то ты опоздал во всем». Посев тысячелетиями выполнялся вручную, но все другие полевые работы требовали инструментов, ассортимент которых расширялся со временем, и хотя существовали достаточно ранние образцы сельскохозяйственных машин, они начали распространяться только при наступлении Нового времени (1500–1800).

Обзоры традиционных сельскохозяйственных инструментов, упряжи и механизмов доступны в книгах, посвященных истории сельского хозяйства отдельных регионов и стран. Эти книги я буду цитировать в данной главе, а за подробностями можно обратиться к следующим работам: White (1967) для Римского мира, Fussell (1952) и Morgan (1984) для Британии, Lerche (1994) для Дании, Ardey (1894) для США и Bray (1984) для Китая. Я использовал все эти источники, описывая важные приспособления и ключевые практики культивации, а также их прогресс; упряжь для животных будет представлена в разделе, посвященном традиционной тягловой мощности.

Во всех высоких культурах Старого Света цикл работ начинался со вспашки. Словами классического китайского трактата: «Ни царь, ни правитель государства не может освободить от этого». Необходимость вспашки отражена в древней письменности. В шумерской клинописи и в числе египетских иероглифов имелись особые знаки для плугов (Jensen 1969). Вспашка готовит землю к посадке намного более тщательным образом, чем обработка мотыгой: плуг вспарывает слежавшиеся слои земли, разрывает корни сорняков, так что после него остается рыхлая, хорошо аэрированная почва, в которой могут расти и развиваться семена. Первые примитивные плуги были широко распространены в Месопотамии после 4000 года до н. э., и они представляли собой остроконечные куски дерева с рукояткой.

Позже наконечники стали оковывать металлом, но столетиями они оставались симметричными (отбрасывали землю на обе стороны) и очень легкими. Такие простые плуги, которые проделывали неглубокую борозду для семян, а срезанные сорняки оставляли на поверхности, были основой как греческого, так и римского земледелия (aratrum по латыни). Они использовались на обширных пространствах Ближнего Востока, Африки и Азии вплоть до двадцатого века в беднейших регионах, и тянули их люди. Только в самой легкой песчаной почве такая работа была быстрее, чем обработка земли мотыгой (Bray 1984). Присоединение к плугу отвала до нашего времени остается наиболее важным его усовершенствованием. Отвал направляет вспаханную почву в одну сторону, переворачивает ее (частично или целиком), погребая под ней срезанные сорняки, и освобождает дно борозды. Благодаря отвалу появилась возможность обработать поле за один проход, а не идти второй раз поперек, как требовали плуги без отвала. Вначале отвалы были простыми кусками дерева, но уже до первого века до н. э. в Китае придумали изогнутые металлические пластины, присоединяемые к лемеху (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Эволюция изогнутых плугов с отвалом. Традиционный китайский плуг (сверху) имел небольшой, но плавно изогнутый отвал из нехрупкого чугуна. Тяжелый европейский плуг Средневековья, прикрепленный к тележке (снизу слева), имел остроконечный нож перед сошником, чтобы резать корни. Эффективный американский лук-балка (снизу справа) мог похвастаться тем, что сошник и отвал у него соединялись в слегка изогнутый треугольник из стали. Источники: Hopfen (1969), Diderot and D'Alembert (1769–1772) uArdey (1894)

Тяжелые плуги средневековой Европы имели деревянный отвал и нож, который, собственно, и резал почву, прикрепленный спереди к лемеху из кованого железа. Во второй половине XVIII века западные плуги все еще сохраняли тяжелые деревянные колеса, но зато у них появился изогнутый отвал из железа (рис. 3.1). Такие плуги с отвалом стали общими для Европы и Северной Америки только с появлением недорогой стали, которую начали получать с изобретением бессемеровского процесса в 1860-х, а вскоре и в куда больших количествах с помощью мартеновских печей (Smil 2016) (рис. 3.1). В большинстве почв вспашка оставляет после себя сравнительно большие комья, которые необходимо разбить перед началом посева. Все это можно сделать мотыгой, но очень медленно и очень трудозатратно. Именно по этой причине бороны использовались в тех культурах, где издавна применялся плуг. Их эволюция началась с примитивных щеточных борон и привела к появлению деревянных или металлических рам, к которым крепились деревянные колышки или металлические зубцы или диски. Перевернутые бороны или катки часто использовали для того, чтобы разровнять поверхность еще лучше.

После вспашки, боронения и выравнивания земля была готова для посева. Хотя сеялки использовались в Месопотамии как минимум за 1300 лет до н. э., а сеющие плуги применялись при династии Хань в Китае, ручной посев – очень затратный и неравномерный – оставался широко распространенным в Европе до XIX века. Простые сеялки, которые из емкости, прикрепленной к плугу, направляли зерно по трубке, начали распространяться в конце XVI века, поначалу в Северной Италии. Довольно скоро с помощью многочисленных дальнейших усовершенствований они превратились в сложные сеющие машины. Междурядная обработка растущих злаков производилась обычно с помощью мотыги. Навоз и другие органические отходы доставляли на поля в тележках, в деревянных цистернах или в ведрах, висящих на коромысле – общая практика для Восточной Азии. Затем отходы вкапывали или разливали по грунту.

Серп был первым инструментом для жатвы, который заменил короткие каменные резаки, какие использовали во многих обществах охотников и собирателей. Большие косы с режущей поверхностью длиной до полутора метров были известны в Римской Галлии (Tresemer 1996; Fairlie 2011). Серпы делали зазубренными (более старый вариант) или гладкими, полукруглыми, прямыми или слегка изогнутыми. Работа с их помощью двигалась медленно, поэтому для больших участков земли предпочитались косы, оснащенные рамой для сбора семян (рис. 3.2). Но при жатве с помощью серпа теряется меньше зерна, чем при использовании косы, и этот инструмент всегда применяли в Азии для легко рассыпающегося риса. Механические жатки пришли на американские и европейские поля только в начале XIX века (Aldrich 2002). Снопы доставляли домой на собственной голове и плечах, в корзинах, повешенных на коромысло – опять же на себе или на животных, в тачках и телегах, которые толкали или тащили люди или тягловые животные.

Рисунок 3.2. Серп и косы из французской «Энциклопедии» (Diderot and D'Alembert (1769–1772). Простая коса справа использовалась для борьбы с травой, коса с рамой слева – при жатве злаковых. На рисунке представлены инструменты для выправления и заточки кос, а также грабли и вилы. Нижние иллюстрации показывают жатву в Америке XIX века – с помощью серпа и косы с рамой

Значительное количество энергии уходило на обработку зерна. Его рассыпали на поверхности для обмолота, а затем работали палками или цепами, снопы бросали на специальные решетки или протаскивали через особые гребни. Животные использовались, чтобы ходить по рассыпанному зерну или протаскивать по нему тяжелые салазки или катки. До того как появились коленчатые вентиляторы, веяние, то есть отделение мякины и грязи от зерна, производилось вручную с помощью корзин и решета. Тяжелый ручной труд также требовался, чтобы смолоть зерно – до того, как начали использовать животных, воду и ветер, чтобы механизировать эту задачу. Масло извлекали из семян ручными прессами (иногда к ним «подключали» животных), и так же поступали с тростником, чтобы получить сироп.

Хотя все традиционные сельскохозяйственные общества выращивали разнообразные зерновые, масличные, кормовые и текстильные культуры, описанная последовательность общих для всех полевых работ выполнялась именно при культивации зерновых. Помимо вспашки, преобладание хлебных злаков было определенно наиболее общей чертой всех сельскохозяйственных культур Старого Света. Лишенные плугов культуры Мезоамерики в своем хозяйстве делали упор на кукурузу, и даже инки были только частичным исключением: на возвышенностях и крутых горных склонах они выращивали много разновидностей картофеля, но в низинах – кукурузу, а на альтиплано Анд – зерно киноа (Machiavello 1991). Последнее культивировалось с помощью chaki taklla, ножного плуга, состоящего из шеста с острым загнутым наконечником и перекладины, на которую давили ногой, чтобы получилась борозда.

Многие злаки имели только локальное или региональное значение, то же киноа, только недавно включенное в диету западных вегетарианцев, но основные виды постепенно распространились по миру из районов происхождения: пшеница с Ближнего Востока, рис из Юго-Восточной Азии, кукуруза из Мезоамерики, просо из Китая (Vavilov 1951; Harlan 1975; Nesbitt and Prance 2005; Murphy 2007). Исключительным значением зерновые обязаны комбинации эволюционных изменений и энергетических императивов. Охотники и собиратели добывали большое количество разных растений и, в зависимости от эксплуатируемой экосистемы, клубни или семена обеспечивали их наибольшим объемом энергии пищи. В оседлых обществах роль клубней как базовой еды оказалась ограничена.

Содержание воды в только что собранных клубнях слишком велико, чтобы они могли долго храниться в отсутствие эффективного контроля температуры и влажности. Даже если эта задача решена, клубни требуют куда больше места для хранения, а это имеет значение особенно в высоких широтах (или на больших высотах), где холодный сезон длится долго и запасы нужны большие. Общества высокогорья Анд решили проблему, сохраняя картофель в виде chuno. Этот обезвоженный продукт, производимый кечуа и аймара путем повторяющихся процессов замораживания, раздавливания и сушки, мог храниться месяцами, даже годами (Woolfe 1987). В клубнях мало белка (обычно одна пятая от того, что есть в злаках: некоторые сорта твердой пшеницы содержат до 13 % протеина, а в белом картофеле его всего лишь 2 %). В бобовых белка в два раза больше, чем в зерновых (горох – около 20 %, бобы и чечевица – от 18 до 26 %), а в соевых бобах – в три раза больше (35–38 %, некоторые сорта – до 40 %). Но средний урожай бобовых намного меньше, чем у основных злаковых культур: средний урожай последних в США – 2,5 т/га в 1960 году и 7,3 т/га в 2013-м, аналогичные цифры для бобовых – 1,4 и 2,5 т/га (FAO 2015а).

Таким образом, зависимость от зерновых – вопрос простой энергетической выгоды. Их преимущество заключается в комбинации откровенно больших урожаев, хорошей питательной ценности (высокое содержание углеводов, умеренно высокое – белка), сравнительно высокой плотности энергии в момент зрелости (грубо, в пять раз выше, чем у клубней), и низкое содержание влаги, что позволяет их долго хранить (в хорошо вентилируемом хранилище они не портятся, когда зерна содержат менее 14,5 % воды). Преобладание отдельных видов – большей частью вопрос условий окружающей среды (в первую очередь – продолжительности вегетационного периода, наличия подходящих почв и доступности нужного количества воды) и вкусовых предпочтений. С точки зрения общего содержания энергии все злаки выглядят одинаково: различия между зрелыми семенами разных видов составляют менее 10 % (примечание 3.1).

Примечание 3.1. Плотность энергии, содержание углеводов и белка в основных злаках

Источники: цифры взяты из USDA (2011) и Nutrition Value (2015)

Большую часть пищевой энергии зерновых составляют углеводы в виде хорошо усваиваемых полисахаридов (крахмалы). Растущая доля крахмалов в человеческом питании привела к значительным изменениям в рационе первого одомашненного животного: генетические мутации увеличили способность переваривать крахмал у собак, почти отсутствующую у сидящих на мясной диете волков, и это оказалось важнейшим обстоятельством в приручении данного вида (Axelsson et al. 2013). Содержание белка в злаковых сильно варьируется, от менее 10 % во многих видах риса до 13 % в твердой летней пшенице и 16 % в киноа. Белки имеют туже энергетическую плотность, что и углеводы (17 МДж/кг), но их роль в человеческом питании не ограничена поставками энергии, они дают нам девять жизненно важных аминокислот, без которых невозможно построение и восстановление тканей тела (WHO 2002). Мы не в состоянии синтезировать белки в организме без потребления аминокислот из растительной и животной пищи.

Все виды животной пищи и грибы обеспечивают нас идеальными белками (с адекватной пропорцией незаменимых аминокислот), но четыре ведущих зерновых культуры (пшеница, рис, кукуруза, просо) и другие важные злаки (ячмень, овес, рожь) не содержат лизина, а клубни и почти все бобовые содержат мало метионина и цистеина. Полный набор протеинов может быть получен даже при строгой вегетарианской диете, если комбинировать виды пищи по наличию разных аминокислот. Все традиционные сельскохозяйственные общества, живущие в основном на растительной пище, определяемой злаками, независимым образом (и при отсутствии каких-либо биохимических знаний: аминокислоты и их роль в питании были открыты только в XIX веке) нашли простое решение этой фундаментальной проблемы – включением зерновых и бобовых в смешанный рацион.

В Китае соя (одно из немногих важных съедобных растений с полным набором аминокислот), бобы, горох и арахис дополняли просо на севере и пшеницу с рисом на юге. В Индии белки из даля (пюре из бобовых, чечевицы, гороха и нута) всегда обогащали рацион, базирующийся на пшенице и рисе. В Европе самая общая комбинация злаки-бобовые опиралась на горох и фасоль, на пшеницу, ячмень, овес и рожь. В Западной Африке арахис и коровий горох ели вместе с просом, ну а в Новом Свете кукурузу и бобы не только совмещали во множестве блюд, но обычно и сажали вместе, в чередующихся рядах на одном и том же поле.

Это означает, что даже чисто вегетарианская диета может обеспечить адекватное потребление белка. Почти во всех традиционных обществах мясо ценилось очень высоко, и там, где его потребление было запрещено, приходилось обращаться либо к молочным продуктам (Индия), либо к рыбе (Япония), чтобы получить животный протеин высокого качества. Два вида протеина в пшенице являются уникальными, но не по питательности, а из-за их физических (вязкоэластичных) свойств. Мономерный глютеновый протеин (глиадин) вязок; полимерный глютеновый протеин (глютенин) эластичен. В комбинации с водой они создают глютеновый комплекс, который достаточно эластичен, чтобы кислое тесто поднималось, и достаточно вязок, чтобы удержать пузырьки диоксида углерода, которые формируются при дрожжевой ферментации (Veraverbeke and Delcour 2002).

Без этих протеинов пшеницы не было бы квасного хлеба, базового продукта для западной цивилизации. Наличие дрожжей никогда не составляло проблемы: дикие (существующие в естественной среде) Saccharomyces cerevisiae находятся на кожице плодов и ягод, и многие штаммы были одомашнены, результатом чего стали изменения в экспрессии их генов и морфологии колоний (Kultan et al. 2003). При доминировании зерновых в традиционном рационе баланс энергии производства зерна становится наиболее важным показателем сельскохозяйственной продуктивности. Данные по энергозатратам для типичных сельскохозяйственных работ доступны в большом количестве как для индивидуальных, так и для коллективных хозяйств (примечание 3.2).

Примечание 3.2. Труд и энергетические потребности в традиционном земледелии

Примечание: легкая работа (Л) требует менее чем 20 кДж энергии пищи в минуту для среднего взрослого мужчины. Работа средней тяжести (С) требует до 30 кДж/мин., а тяжелая (Т) – до 40 кДж/мин. Аналоги для женщин примерно на 30 % ниже.

Источники: диапазоны составлены и рассчитаны по данным из Bailey (1908), Rogin (1931), Buck (1937), Shen (1951), Esmay and Hall (1968). Оценки затрат энергии сделаны, исходя из исследований метаболизма человека в Durnin and Passmore (1967).

Но подобный уровень детализации вовсе не обязателен для расчета приблизительного энергетического баланса. Использования репрезентативного среднего значения для затрат полезной энергии в традиционном сельском хозяйстве обычно достаточно. Типичные энергетические потребности для умеренной активности в 4,5 раза превышают уровень базового метаболизма для мужчин и в 5 раз для женщин и составляют 1 и 1,35 МДж/час (FAO 2004). Вычитая соответствующие базовые значения, получаем трудовые энергозатраты в 670 и 940 кДж/ч. Простое среднее число составит грубо 800 кДж/ч, и я буду использовать эту величину для обозначения полезных затрат энергии пищи на час труда в традиционном сельском хозяйстве. Схожим образом валовой урожай зерна рассчитывается умножением собранной во время жатвы массы на приблизительный энергетический эквивалент (обычно – 15 ГДж/т для зерна с влажностью менее 15 %, которое можно хранить).

Соотношение этих двух величин показывает валовый возврат энергии, и следовательно – продуктивность критически важных земледельческих задач. Возврат полезной энергии после вычитания того объема зерна, что требуется на посев, а также потерь при обработке и хранении окажется значительно ниже. Земледельцам приходилось откладывать часть каждого урожая, чтобы нашлось что посадить через год. Комбинация низких урожаев и высокой потери зерна во время ручной работы могла значить, что одна треть или даже одна вторая часть того, что созревало на средневековых полях, не использовалась в пищу. С увеличением продуктивности сельского хозяйства эта доля постепенно уменьшилась до менее 15 %. Некоторые зерна можно есть в целом виде, но перед тем, как подвергнуть настоящему приготовлению (варке или запеканию), большую часть злаков сначала нужно смолоть, а при этом теряется значительная часть массы зерна (примечание 3.3).

Примечание 3.3. Обмолот зерновых

Цельнозерновая мука получается из цельных зерен, но белая пшеничная мука – только из эндосперма семян (около 83 % общего веса), при этом высевки (около 14 %) и ростки (около 2,5 %) отделяются, чтобы использовать их по-другому (Wheat Foods Council 2015). Производство белого риса влечет за собой еще более высокие потери. Шелуха составляет до 20 % массы рисового зерна; при ее удалении остается бурый рис. На высевки приходится еще 8-10 %, и различная степень их удаления позволяет получить более или менее полированный (белый) рис, вес которого составляет только 70–72 % от изначального веса зерна (IRRI 2015). Японские свидетельства о недостатке пищи сообщают, что люди вынуждены были есть бурый рис, а когда дела шли хуже, бурый рис мешали с ячменем, и в конечном итоге ели чистый ячмень (Smil and Kobayashi 2011).

Обмолот кукурузы включает удаление корневого чехлика, слоя высевок, ростков, после чего остается эндосперм весом примерно в 83 % от веса зерна. Кукурузная мука для изготовления тортильи и тамала, masa harina, производится с помощью никстамализации, или сырого обмолота зерен, размоченных в разведенном соке лайма (Sierra-Macias et al. 2010; Feast and Phrase 2015). Это размягчает шелуху и сами зерна посредством растворения гемицеллюлозы, снижает количество микотоксинов и увеличивает биодоступность ниацина (витамина ВЗ).

Потери при хранении на традиционных фермах – от поражения грибками и насекомыми и от грызунов, способных добраться до зерен, – обычно снижают выход пригодного для употребления зерна от нескольких процентов до 10 %. Как уже отмечалось, зерно с влажностью менее 15 % может храниться долгое время; более высокая влажность, особенно в сочетании с более высокой температурой, создает идеальные условия для прорастания семян, а также для размножения грибков и насекомых. Кроме того, если хранить зерно неправильно, то оно может пострадать от грызунов. Даже в столь недавнее время, как середина XVIII века, комбинация потерь при хранении и потребностей на посев могла снизить валовую полученную энергию от выращенного в Европе зерна до 25 %.

Циклы севооборота

Общие процессы в годовом цикле земледелия и господство зерновых культур отвлекают внимание от удивительного разнообразия локальных и региональных особенностей. Некоторые из них имели чужое культурное происхождение, но большинство возникло на месте в качестве адаптации к условиям окружающей среды. Наиболее значительно среда влияет на выбор ведущих растений, а следовательно – на состав типичного рациона питания. Она также определяет ритм годового рабочего цикла, и соответственно – вложения сельскохозяйственного труда.

Пшеница распространилась со Среднего Востока на все континенты, поскольку она растет хорошо почти в любом климате (в полупустынях точно так же как в сыром умеренном климате, и поэтому остается ведущим пищевым культурным растением в зоне между 30 и 60 градусами северной широты), на любой высоте (от уровня моря до 3000 м над этим уровнем) и на многих почвах, пока они хорошо дренируются (Неупе 1987; Sharma 2012).

По контрасту, рис исходно полуводное растение тропических низин и растет на полях, залитых водой почти до самой жатвы (Smith and Anilkumar 2010). Культивация этого растения тоже широко распространилась за пределы ядра в Южной Азии, но лучшие урожаи всегда получали в дождливых тропических и субтропических регионах (Мак 2010). Создание и поддержание покрытых бороздами влажных полей, проращивание семян в питомниках, пересадка ростков, обеспечение достаточной ирригации – все это требует значительного увеличения трудовых затрат по сравнению с выращиванием пшеницы. Кукуруза дает лучшие урожаи в регионах с теплыми и дождливыми сезонами, но она предпочитает хорошо дренированную почву (Sprague and Dudley 1988). Картофель растет лучше всего там, где лето прохладное, а дожди обильные.

Годовые сельскохозяйственные циклы зависели от доступности воды как в сухих субтропиках, так и в районах с муссонным климатом, а также от продолжительности сезона вегетации в зонах умеренного климата. В Египте разливы Нила определяли годовой цикл земледелия до введения ныне широко распространенной круглогодичной ирригации во второй половине XIX века. Посев начинался, как только вода отступала (обычно в ноябре), и никакую полевую работу нельзя было делать между концом июня, когда вода начинала подниматься, и концом октября, когда она быстро уходила; жатва наступала через 150–185 дней после посева (Hassan 1984; Janick 2002). Этот шаблон практически нетронутым просуществовал до XIX столетия.

В муссонной Азии культивация риса опиралась на летние осадки, обычно обильные, но часто приходящие с задержкой. Например, в интенсивном китайском земледелии ростки риса пересаживались из питомников в открытый грунт в апреле. После первой жатвы в июле немедленно сажали поздний рис, который собирали поздней осенью, а затем следовал зимний цикл. Выращивание двух урожаев в год в умеренном климате давалось несколько легче. В Западной Европе озимые растения сажали осенью, а урожай снимали через 5–7 месяцев. Другие растения сеяли весной, они достигали зрелости за 4–5 месяцев. Холодные северные регионы могли «похвастаться» тем, что почва в них оттаивала только к апрелю, а посадки приходилось делать в конце мая, когда отступала опасность убийственных заморозков, так что у растений оставалось только три месяца до возвращения холодов.

Определяемый климатом цикл культивации накладывал сильно отличающиеся требования на мобилизацию и распределение труда человека и животных. Для регионов с единственным урожаем в год была характерна долгая зимняя праздность; именно так обстояло дело в Северной Европе и на равнинах Северной Америки. Забота о домашних животных была, само собой, круглогодичной задачей, но она все равно оставляла много свободного времени, которое тратили на домашнее ремесло, на ремонт инвентаря или на строительные работы. Многие дни более короткой зимы Северного Китая посвящались поддержанию и расширению ирригационной системы.

Весенние вспашка и посев требовали нескольких недель тяжелой работы, за которыми следовало несколько месяцев более легких рутинных операций (хотя прополка тех же рисовых полей могла быть трудной). Жатва была самым напряженным временем, а осенняя пахота могла затянуться на долгий период. Там, где менее суровый климат позволял озимые посевы – в Западной Европе, на Северокитайской равнине, большей части востока США, – оставалось от двух до трех месяцев между съемом летнего урожая и началом работы над зимним. По контрасту, в странах с не таким равномерным распределением осадков, особенно в муссонной Азии, оставались только ограниченные отрезки времени для выполнения полевых работ. Точное расписание было особенно важным для посадки растений и сбора урожая. Задержка на неделю от оптимальных сроков посадки могла привести к значительному уменьшению урожая. Ранняя жатва могла потребовать трудоемкой сушки урожая из-за его высокой влажности, жатва с опозданием – привести к большим потерям из-за высыпания зерна из переспелых колосьев.

До введения в оборот жаток и сноповязалок ручная жатва была самой длительной работой, она требовала в три-четыре раза больше времени, чем вспашка, и определяла размер участка земли, который могла обработать одна семья. Когда растения требовалось убрать быстро, чтобы сразу посадить следующие, то трудовые затраты возрастали еще больше. Как говорит старая китайская пословица: «Когда и просо, и пшеница созревают, даже прядильщицы отправляются на поля помогать». В некоторых работах (Buck 1937) приведена количественная оценка труда в традиционном китайском земледелии: посадка и жатва (между мартом и сентябрем) при получении двух урожаев требовали использования практически всего (в среднем 94–98 %) доступного труда. В некоторых районах Индии два пиковых летних месяца требовали более 110 % или даже 120 % доступного труда, и схожая ситуация сохранялась в других частях муссонной Азии (Clark and Haswell 1970). Подобное энергетическое «бутылочное горлышко» можно было преодолеть, если все работали почти без перерывов целыми днями или опираясь на труд мигрантов.

Труд животных использовался с еще большей неравномерностью и во многих культурах ограничивался только самыми важными полевыми работами. Например, период максимальной работы для буйволов в Южном Китае – два месяца посадки, боронения и прочих земляных работ ранней весной, шесть недель летней жатвы и месяц подготовки полей (снова вспашка и боронение) для озимых культур, все вместе 130–140 дней, или менее 40 % от года (Cockrill 1974). В Северной Европе с ее единственным урожаем тягловые лошади напряженно работали всего лишь 60–80 дней в году во время осенней и весенней вспашки, а также летней жатвы, а большую часть времени использовались исключительно как транспортное средство. Типичный рабочий день варьировался от пяти часов для волов во многих регионах Африки до более десяти часов для буйволов на рисовых полях Азии и для лошадей во время жатвы в Европе или Северной Америке.

Попытка добиться более высоких урожаев не имела шансов на успех без трех важных шагов вперед.

Первый сводился к частичной замене человеческого труда на труд животных. При выращивании риса только самые изнурительные работы вроде обработки поля мотыгой заменялись глубокой вспашкой с помощью буйволов. В растениеводстве на сухих землях труд животных заменил человеческий и ускорил выполнение значительно большего количества полевых и не только полевых работ, освободив тем самым людей для иных, более продуктивных видов деятельности или для отдыха. Подобная смена первичных движителей сделала куда больше, чем ускорила и облегчила работу, она улучшила ее качество, во вспашке ли, в посеве или обмолоте зерна. Второй шаг – ирригация и использование удобрений, и он если не совсем убрал, то ослабил два серьезных ограничения продуктивности сельского хозяйства – нехватку воды и питательных веществ. Третий – выращивание большего разнообразия культур, с помощью севооборота или параллельно, – сделал традиционное сельское хозяйство одновременно более надежным и более продуктивным.

Следующие высказывания китайских крестьян говорят о том, насколько важны эти два фактора: «Будет ли урожай – зависит от воды; насколько большим он будет – от удобрений» и «Сажай просо вслед за просом, и в конечном итоге ты будешь плакать». Использование тягловых животных было фундаментальным энергетическим усовершенствованием, последствия которого вышли далеко за пределы обработки земли и уборки урожая. Тягловые животные стали незаменимым источником удобрений, питательных веществ в навозе и одновременно первичным движителем, позволяющим доставить эти вещества к растениям. Во многих местах они также помогли улучшить ирригацию. Более мощные первичные движители, лучшее обеспечение водой и питательными веществами также позволили эффективнее использовать севооборот и выращивание нескольких культур одновременно. И в свою очередь все это дало возможность содержать большее количество более сильных животных, что запустило весь цикл из трех шагов заново, и так раз за разом.

Тягловые животные

Одомашнивание дало нам много рабочих животных с разными характеристиками, с весом, отличающимся на порядок, от 100 кг для маленьких ослов до более 1000 кг для крупнейших лошадей. Индийский бык весил менее 400 кг, итальянские животные кианской породы и романьола – в два раза больше (Bartosiewicz et al. 1997; Lenstra and Bradley 1999). Большинство лошадей в Азии и Европе были не более чем пони, меньше четырнадцати ладоней высотой и весом меньше азиатского вола. Ладонь, традиционная английская единица измерения, равна 4 дюймам (10,16 см), рост животного измерялся от земли до холки, места на позвоночнике между лопатками. Римские лошади не превышали 11–13 ладоней, самые тяжелые европейские животные – бельгийские брабантской породы, французские булонской и першероны, шотландские клейдесдальской, английские саффолской и ширской, немецкие рейнской и русские тяжеловозы – достигали и даже превышали величину в 17 ладоней и весили около тонны, а иногда и больше (Silver 1976; Oklahoma State University 2015). Азиатский буйвол весил от 250 до 700 кг (Cockrill 1974; Borghese 2005).

В традиционном сельском хозяйстве животных использовали для выполнения различных работ, но, безо всяких сомнений, во вспашку они вносили наибольший вклад (Leser 1931). В общем тягловая сила работающих животных, грубо говоря, пропорциональна их весу; другие переменные, влияющие на их продуктивность, включают пол, возраст, здоровье, опыт, эффективность упряжи, а также особенности почвы и территории. Поскольку все эти переменные могут значительно варьироваться, предпочтительно определять полезную мощность широко распространенных видов в терминах типичных характеристик (Hopfen 1969; Cockrill 1974;

Goe and Dowell 1980). Типичная тяга составляет 15 % от веса животного, но для лошадей она достигает и 35 % при кратковременных нагрузках (около 2 кВт) и даже больше, если речь идет о нескольких секундах предельного напряжения (Collins and Caine 1926). Комбинация большой массы и сравнительно высокой скорости определяет лошадей как лучших тягловых животных, но большинство лошадей не в состоянии работать с мощностью в лошадиную силу (745 Вт), обычно они выдают от 500 до 850 Вт (примечание 3.4, рис. 3.3).

Примечание 3.4. Типичные массы, тяга, рабочие скорости и мощность одомашненных животных

Примечание: значения мощности округлены до ближайших 50 Вт.

Источники: базируется на Hopfen (1969), Rouse (1970), Cockrill (1974) и Goe and Dowell (1980).

Реальные потребности тяги варьируются в зависимости от задачи (пределами тяжелой и легкой работы можно поставить глубокую вспашку и боронение) и от типа почвы (больше в случае тяжелой глины, меньше в случае песка). Неглубокая вспашка (с одним лемехом) и выкашивание травы требуют постоянной тяги в 80-120 кг, глубокая вспашка – 120–170 кг, а тяга в 200 кг требовалась для механической жатки и сноповязалки. Даже средняя пара лошадей могла выполнить все эти задачи, но пара волов не годилась для глубокой вспашки или жатвы с помощью жатки. Механические императивы указывают на то, что маленькие животные лучше: при прочих равных их линия движения меньше расходится с направлением тяги, и результатом становится более высокая эффективность, а при вспашке более низкая линия тяги уменьшает выпирание плуга вверх, для пахаря куда легче вести такой плуг. Более легкие животные часто более проворны, и они могут компенсировать малый вес упорством и выносливостью.

Тягловой потенциал можно перевести в эффективную работоспособность только с помощью хорошей упряжи (Lefebvre des Noëttes 1924; Haudricourt and Delamarre 1955; Needham 1965; Spruytte 1983; Weller 1999; Gans 2004). Тяга должна быть передана на рабочую точку – на лемех плуга или на край жатки – устройством, которое обеспечивает эффективную передачу и одновременно контроль человека за движением животного. Подобная вещь может выглядеть простой, но потребовалось много времени, чтобы она появилась. Крупный рогатый скот, первую тягловую силу, взнуздывали с помощью ярма, прямого или изогнутого куска дерева, который крепили к рогам или шее животного.

Рисунок 3.3. Сравнение тягловой мощности животных, показывающее чистое превосходство лошадей. Основано на данных из Hopfen (1969), Rouse (1970) и Cockrill (1974)

Старейшая месопотамская упряжь (лучше всего подходила для сильных животных с короткой шеей, позже широко использовалась в Испании и Латинской Америке) представляла собой двойное ярмо для головы, закреплявшееся разными способами (рис. 3.4). Это примитивное устройство состояло всего лишь из длинной балки, привязи на которой могли придушить животное во время более тяжелого труда, а угол тяги был слишком велик. Более того, чтобы избежать удушения вола или коровы, нужно было подобрать животных одинакового роста, и приходилось запрягать пару, даже когда одно животное могло справиться с легкой работой. Более удобное одиночное головное ярмо использовалось в нескольких регионах

Европы (восточный балтийский регион, юго-западная Германия). Одиночное нашейное ярмо, присоединенное к двум жердям или веревкам и вальку, было распространено в Восточной Азии и в Центральной Европе (рис. 3.4). Африка, Средний Восток и Южная Азия предпочитали двойное нашейное ярмо.

Рисунок 3.4. Головное ярмо было первой и очень неэффективной упряжью для работающих волов. Шейное ярмо стало доминирующим способом запрягать животных во всем Старом Свете. Взято из Hopfen (1963) и иллюстрации поздней династии Мин (1637)

Лошади – самые мощные тягловые животные. В отличие от крупного рогатого скота, у которого масса тела почти равномерно распределена между передней половиной тела и задней, у лошади перед значительно тяжелее зада (соотношение около 3 к 2), и поэтому она может куда лучше использовать инерцию (Smythe 1967).

За исключением тяжелых, сырых почв лошади могут работать в поле с постоянной скоростью около 1 м/с, то есть на 30–50 % быстрее, чем волы. Максимальная двухчасовая тяга для пары тяжелых лошадей может быть в два раза больше, чем у пары лучших быков. Самые большие лошади на коротких отрезках могут развивать мощность более 2 кВт, то есть около трех стандартных лошадиных сил. Однако горбатый рогатый скот предпочтительнее в тропиках благодаря более эффективной тепловой регуляции, и он менее восприимчив к заражению клещами. Водяной буйвол процветает в сырых тропиках и перерабатывает грубые корма более эффективно, чем европейские породы, а еще может пастись на водных растениях, целиком погруженных в водоем.

Старейшие существующие изображения работающих лошадей не показывают их на полях, они демонстрируют нам, как животные тянут легкие церемониальные или боевые колесницы. На протяжении большей части античности тягловых лошадей запрягали с помощью наспинного ярма (Weller 1999). Подобное ярмо из дерева или металла помещалось на спину животного сразу за холкой и удерживалось на месте грудной привязью, которая крепилась на обеих сторонах ярма с помощью подпруги (ремень, бегущий через спину и под брюхом). Неточная реконструкция римской упряжи (Lefebvre des NoSttes 1924) привела к ошибочному, но многие десятилетия широко распространенному заключению, что это было очень неэффективное устройство, поскольку оно душило животное, так как нагрудный ремень имел тенденцию задираться (примечание 3.5).

Примечание 3.5. Сравнение разных видов упряжи и тягловой мощности

Десятилетиями во многих текстах появлялось заявление, что античная упряжь не годилась для выполнения тяжелой полевой работы из-за слишком высокой точки тяги и удушающего эффекта, создаваемого горловым ремнем. Это заключение базировалось на экспериментах с реконструированной упряжью, проведенных в 1910 году французским офицером Ришаром Лефевромде Нётте (1856–1936), которые он описал в своей книге «La Force Motrice a travers les Ages». Полученные им результаты были приняты не только учеными классической эпохи, но и тремя ведущими учеными двадцатого века, занимавшимися техническими инновациями (Joseph Needham, 1965; Lynn White 1978; Jean Gimpel 1997).

Но эти эксперименты базировались на ошибочной реконструкции: новые опыты, проведенные Жаном Спратом в 70-х годах с правильно воссозданным спинным ярмом (помещалось прямо за лопатками и пристегивалось грудными ремнями) не показали никакого удушающего эффекта. Такая упряжь хорошо работала, когда две лошади тащили груз почти в тонну (Spruytte 1977). Так была опровергнута гипотеза, что «классические культуры «блокировались» неудачной системой упряжи для животных» (Raepsaet 2008, 581). Но в своих тестах Спрат использовал легкую повозку девятнадцатого века (куда легче, чем римская телега) и поэтому, даже если игнорировать разницу в размерах лошадей, его эксперименты не полностью воспроизводят условия, существовавшие два тысячелетия назад. В любом случае, поскольку Кодекс Феодосия (439 год) накладывал лимит веса (500 кг) на движимые лошадьми телеги, то «выглядит определенным, что римляне осознавали мучение, причиняемое лошадям, когда они тащили тяжелые грузы» (Gans 2004,179).

Подгрудная упряжь, появившаяся в Китае не позже чем при ранней династии Хань, определяла точку тяги слишком далеко от самых мощных грудных мышц животного (рис. 3.5). Тем не менее такая форма распространилась по Евразии, достигла Италии уже в V веке, вероятнее всего, с пришедшими остготами, и Северной Европы на 300 лет позже. Но понадобилось другое китайское изобретение, чтобы превратить лошадей в превосходных рабочих животных. Хомутовая упряжь была впервые использована в Китае в I веке до н. э. в виде мягкой подкладки под твердое ярмо, постепенно она превратилась в единый компонент. К V веку н. э. ее простой вариант появился на фресках в Дуньхуане, а филологические свидетельства дают нам понять, что к IX веку хомут добрался до Европы, где распространился повсюду примерно за три столетия и оставался в основном неизменным еще семьсот лет, до момента, когда животных начали заменять машины. Однако хомут кое-где применяется на работающих лошадях в Китае, но их становится все меньше и меньше.

Рисунок 3.5. Подгрудная упряжь, воспроизведена по иллюстрации из Encyclopedic (Diderot and D'Alembert 1769–1772). Она использовалась для легких работ вплоть до XX века

Стандартная хомутовая упряжь состоит из единой овальной деревянной (позже также металлической) рамы (то есть собственно хомута), сделанной так, чтобы она удобно ложилась на плечи лошади, часто с подушечкой-подкладкой. Тягловые веревки соединяются с хомутом прямо над лопатками лошади (рис. 3.6). Движения животного контролируются с помощью узды, металлический мундштук вставляется лошади в рот и крепится к поводьям и оголовью. Хомут обеспечивал желаемый, то есть малый угол тяги и позволял прилагать значительное усилие с помощью мощных грудных и плечевых мускулов животного. Он также позволял эффективно связывать лошадей в один или два ряда для исключительно тяжелых работ.

Эффективная упряжь была не единственным условием превосходной работоспособности лошадей, и поэтому ее введение не стало причиной сельскохозяйственной революции (Gans 2004). Занятых на тяжелых работах лошадей кормили зерном, которое обходилось недешево, и они нуждались в сравнительно дорогой упряжи и подковах, в то время как более слабых и медленных волов можно было содержать только на соломе и мякине и запрягать в ярмо. Подковы представляли собой узкие U-образные пластинки металла, прилегающие к краю копыта и прибиваемые гвоздями, которые входят в лишенную чувствительности роговую стенку копыта (рис. 3.6). Их использование предотвращает быстрое стирание мягкой ткани копыта, а также улучшает сцепление с почвой и увеличивает прочность копыта. Все это было особенно важно в холодном и сыром климате западной и северной Европы. Греки не знали подков, они обували на копыта своих лошадей кожаные сандалии, набитые соломой. Римляне делали подковы, но их soleae ferreae прикреплялись зажимами и шнуровкой, а подковы с гвоздями широко распространились только к IX веку.

Вальки, прикрепленные к постромкам и связанные друг с другом, а затем пристегнутые к полевым инструментам, уравновешивали натяжение при неравномерной тяге. Они облегчали задачу управления животными и позволяли запрячь четное или нечетное их количество. Лошади также отличались лучшей выносливостью (работая 8-10 часов в день по сравнению с 4–6 для крупного рогатого скота) и жили дольше, и хотя те и другие начинали работать в возрасте 3–4 лет, волы проживали часто только 8-10 лет, а лошади обычно 15–20. И в завершение, анатомия лошадиной ноги дает животному уникальную возможность на самом деле полностью исключать энергетические затраты в стоячем положении. У лошади есть очень мощная поддерживающая связка, идущая позади берцовой кости, и пара сухожилий (поверхностный и глубокий пальцевые сгибатели), которые могут «запирать» ногу без участия мускулов. Это позволяет животному отдыхать, даже дремать стоя, почти не затрачивая энергию, и тратить очень мало энергии на выпасе (Smythe 1967). Все другие млекопитающие расходуют на 10 % больше энергии в стоячем положении по сравнению с лежачим.

Даже более мелкие и плохо запряженные животные обеспечивают серьезную поддержку (Esmay and Hall 1968; Rogin 1931; Slicher van Bath 1963). Крестьянин, работающий мотыгой, потратит как минимум 100 часов, а в случае с тяжелой почвой и 200, чтобы подготовить гектар земли для посадки злаков. Даже с простым деревянным плугом, запряженным в пару волов, он может выполнить эту задачу всего за 30 часов. Культивация, завязанная исключительно на силу человека, никогда не может достичь масштабов, которые обеспечивает вспашка с помощью животных.

Помимо того, что он ускоряет вспахивание земли и сбор урожая, труд животных также помогает поднимать большие объемы оросительной воды из более глубоких колодцев. Животные могут приводить в движение такие обрабатывающие пищу машины, как мельницы, дробилки и прессы, со скоростями, недоступными для человеческих мышц. Освобождение от долгих часов утомительного труда ничуть не менее важно, чем более высокая эффективность, но большее количество труда животных требует больших объемов возделываемой земли для выращивания фуража. Это без труда решалось в Северной Америке и в некоторых частях Европы, где на корм для лошадей иногда отводилось до одной трети обрабатываемых земель.

Рисунок 3.6. Компоненты типичного хомута XIX века (основано на Talleen 1977 и Villiers 1976) и разнообразие подков середины XVIII века (Dideror and D'Alembert 1769–1772). Формы (слева направо) показывают типичные английские, испанские, германские, турецкие и французские подковы

Ничего удивительного, что в Китае и других плотно населенных странах Азии бык оставался предпочитаемым тягловым животным. Поскольку быки жвачные, их можно содержать только на грубых кормах вроде соломы и на обычной траве. И во время работы рогатый скот не требуется кормить зерном: концентрированная пища может поступать к ним в виде остатков от обработки растений, например, отруби и жмых от масличных культур. По моей оценке, в традиционном сельском хозяйстве Китая выращивание корма для тягловых животных требовало только 5 % от ежегодно засеваемых земель. В Индии фуражные растения тоже традиционно занимали 5 % обрабатываемых территорий, но большая часть фуража уходила молочным животным, и еще часть – на кормление священных коров (Harris 1966; Heston 1971). Корм для работающих буйволов, вероятно, занимал менее чем 3 % от всех полей. В наиболее плотно населенных регионах индийского субконтинента крупный рогатый скот выживал на комбинации подножного корма и фуража из побочных продуктов земледелия, от рисовой соломы и горчичного жмыха до нарубленных банановых листьев (OdencPhal 1972).

Индийские и китайские тягловые животные были очень удачной энергетической сделкой. Многие из них совершенно не конкурировали за урожай с людьми, а другим требовался для прокорма участок земли, пригодный максимум на то, чтобы вырастить пищу на одного человека в год. Но полезный ежегодный труд животных равнялся труду от трех до пяти крестьян, работающих 300 дней в году. Средняя лошадь XIX века в Европе или Америке могла не обеспечить столь высокий сравнительный возврат, но она тоже предоставляла энергетическое преимущество (примечание 3.6). Ее годовой полезный труд был эквивалентен труду шести крестьян, и земля, использованная для прокорма животных (работающих и неработающих), могла произвести пищи примерно для шести человек. Даже если тягловую лошадь XIX века рассматривать исключительно как заменитель утомительного человеческого труда, то оно того стоило, но сильное, хорошо накормленное животное могло выполнять задачи за пределами человеческих способностей и выносливости.

Примечание 3.6. Энергетические затраты, эффективность и производительность тягловой лошади

Взрослая лошадь весом в 500 кг требует около 70 МДж перевариваемой энергии в день, чтобы поддерживать собственный вес (Subcommittee on Horse Nutrition 1978). Если ее корм содержит много зерна, то это может подразумевать только 80 МДж валового потребления энергии; если в корме много хуже перевариваемого сена, тогда эта величина может подниматься до 100 МДж. В зависимости от трудовых задач потребности в пище во время периодов работы увеличиваются в 1,5–1,9 раза. Удалось выяснить (Brody 1945), что першерон в 500 кг, работающий с мощностью 500 Вт, потреблял около 10 МДж/ч.

Если взять 6 часов работы и 18 часов отдыха (при 3,75 МДж/ч), то всего получится около 125 МДж/сутки.

Ничего удивительного, что традиционные рекомендации по кормлению совпадают: в начале XX века американским фермерам советовали давать рабочим лошадям 4,5 кг овса и 4,5 кг сена в день (Bailey 1908), что соответствует 120 МДж/сутки. Со средней мощностью в 500 Вт лошадь будет выдавать 11 МДж полезной работы за шесть часов, в то время как средний мужчина сможет обеспечить менее 2 МДж, к тому же он не в силах работать с постоянным значением выше 80 Вт и выдерживает только краткие периоды выше 150 Вт, а лошадь может постоянно работать при 500 Вт и выдавать кратковременную тягу до 1 КВт – усилие, которое потребует напряжения дюжины мужчин.

Лошади могли таскать бревна и выкорчевывать пни, когда люди превращали леса в поля, вспахивать богатую почву прерий плугами, тащить тяжелые повозки. Конечно, существовали дополнительные затраты энергии при использовании труда животных помимо содержания размножающегося стада и обеспечения достаточного корма во время полевых работ. Эти дополнительные затраты прежде всего возникали при изготовлении упряжи и подков и при строительстве конюшен. Но были и дополнительные преимущества: лошади давали не только навоз, но и молоко, мясо и кожу. Навоз играл важную роль во всех традиционных сельскохозяйственных культурах как источник редких питательных веществ и органического материала. В по большей части вегетарианских обществах мясо (включая конину в континентальной Европе) и молоко были ценными источниками отличного белка. Кожа использовалась при изготовлении огромного количества нужных для земледелия инструментов, одежды и обуви. И конечно, животные воспроизводили сами себя.

Орошение

Потребность растений в воде зависит от многих генетических, агрономических и экологических переменных, но общая сезонная потребность в среднем в 1000 раз превосходит массу собранного зерна. До 1500 тонн воды нужно, чтобы вырастить 1 тонну пшеницы, и по меньшей мере 900 тонн необходимо для каждой тонны риса. Около 600 тонн хватит для тонны кукурузы как С₄-растения, злака, максимально эффективно использующего воду (Doorenbos et al. 1979; Bos 2009). Это значит, что для жатвы пшеницы между 1 и 2 т/га общая потребность на протяжении четырех месяцев сезона роста будет 15–30 см. По контрасту, годовые осадки в пустынных и полупустынных регионах Среднего Востока варьируются почти от нуля до менее 25 см.

В таких регионах требуется орошение, когда поля засеваются за пределами досягаемости сезонных паводков, насыщающих влагой почву долин и позволяющих вызреть одному урожаю; или когда из-за роста населения приходится выращивать вторую культуру во время сезона с низким уровнем воды. Ирригация также необходима для того, чтобы справляться с сезонной нехваткой воды. Подобное особенно значимо на большей части северных территорий муссонной Азии, в Пенджабе или на Северо-Китайской равнине. И конечно, выращивание риса предполагает собственный режим затопления и осушения полей.

Орошение с помощью гравитации – каналы, пруды, резервуары, дамбы – не требует подъема воды и поэтому характеризуется самыми низкими энергетическими затратами. Но в речных долинах с минимальным градиентом потока и на широких равнинах всегда было необходимо поднимать большие объемы поверхностной или подземной воды. Обычно приходилось одолевать низкие насыпи, но часто требовалось справиться с крутыми берегами или стенками глубокого колодца. Неизбежная неэффективность, отягченная грубым сочетанием движущихся частей и дефицитом смазочных материалов, усложняла задачу. Ирригация, движимая мускулами человека, была тяжелой ношей даже там, где утомительная работа считалась нормой. Много творческой энергии ушло на то, чтобы придумать механические устройства, использующие труд животных или силу водяного потока, чтобы облегчить эту задачу, и просто для того, чтобы хоть как-то поднять воду на нужную высоту.

Впечатляющее количество разных механических приспособлений было изобретено для поднятия оросительной воды (Ewbank 1870; Molenaar 1956; Oleson 1984, 2008; Mays 2010). Простейшие – черпаки, ведра или корзины из плотной ткани или плетеные – применялись для подъема воды менее чем на метр. Одно ведро, подвешенное на веревке к треноге, было немного более эффективным. Оба эти предмета использовались в Восточной Азии и на Ближнем Востоке, но старейшим методом подъема воды, который применяли повсеместно, был «журавль», называемый у арабов shaduf. Его очертания можно видеть на вавилонских цилиндрических печатях от 2000 года до н. э., его широко использовали в древнем Египте, он достиг Китая около 500 года до н. э. и в конечном итоге распространился по всему Старому Свету. «Журавль» в основе своей – длинный шест, опирающийся на перекладину как рычаг, его было легко изготовить и ремонтировать (рис. 3.7).

Ведро на веревке свисало с более длинного плеча «журавля», а к более короткому крепился либо камень, либо кусок сухой земли. Эффективная высота подъема составляла обычно 1–3 метра, но последовательное развертывание нескольких таких устройств (от 2 до 4 уровней) было обычным делом на Ближнем Востоке. Один человек мог поднять около 3 м³/ч на высоту 2–2,5 метра. Вытягивание веревки очень утомительно, но поворачивание архимедова винта (римская cochlea, арабский tanbur), чтобы вращалась деревянная спираль внутри цилиндра, было еще более трудным и обеспечивало только небольшой подъем (25–30 см). Колеса с лопатками обычно использовались в Азии. Китайские водяные лестницы («драконий хребет», long gu che) действовали как ленточные водоподъемники на деревянных квадратных платформах с маленькими дощечками, цеплявшими зубчатые колеса, и формировали бесконечную цепь, поднимая воду по деревянному желобу (рис. 3.8). В ведущее колесо был вставлен горизонтальный шест, приводимый в движение двумя или более работниками. Некоторые лестницы приводились в движение ручными рычагами или с помощью шагавших по кругу животных.

Рисунок 3.7. Гравюра XIX века, изображающая египетского крестьянина, который использует shaduf

Все приведенные ниже устройства всегда получали энергию либо от животных, либо от текущей воды. Подъемник из веревки и ведра, широко распространенный в Индии (monte или charsa), работал с помощью одной или двух пар волов, шагавших вниз по уклону, одновременно поднимая кожаный мех, прикрепленный к длинной веревке. Бесконечная цепь из глиняных горшков на двух петлях веревки, движущаяся сверху вниз через деревянный барабан, чтобы зачерпнуть воду снизу и вылить в желоб сверху, использовалась уже древними греками. Это устройство было известно под арабским названием saqiya и широко распространено в Средиземноморье. Когда энергию ему давало единственное животное с завязанными глазами, ходящее по кругу, оно обеспечивало подъем воды из колодцев глубиной менее 10 метров со скоростью ниже 8 м³/ч. Улучшенная египетская версия, zawafa, доставляла воду с большей производительностью (до 12 м³/ч из колодца в 6 метров глубиной).

Рисунок 3.8. Древняя китайская машина «драконий хребет» действовала благодаря крестьянам, которые держались за шест и переступали по ступицам, прикрепленным к оси. Взято из иллюстрации поздней династии Мин

Noria, другое устройство, широко использовавшееся как в мусульманских странах, так и в Китае (hung che), включало глиняные сосуды, бамбуковые трубки или металлические ведра, прикрепленные к ободу единственного колеса. Через шестерни колесо приводилось в движение ходящими по кругу животными, а колесо с лопаточками – водным потоком. Необходимость поднимать ведра еще на один радиус колеса выше уровня приемного желоба оборачивалась значительным снижением эффективности. Этот недостаток был устранен в египетской tabliya. Улучшенное устройство, приводимое в движение волами, представляло собой двустороннее цельнометаллическое колесо, которое зачерпывало воду на внешнем краю и выливало ее в центре в уходящий вбок желоб. Сравнение типичных потребностей в мощности, параметров подъема и часовой производительности традиционных водоподъемников четко показывает пределы производительности человека (примечание 3.7, рис. 3.9).

Примечание 3.7. Потребности в мощности, параметры подъема и часовая производительность традиционных водоподъемников

Примечание: энергетические затраты рассчитаны, исходя из средней потребляемой мощности в 60 Вт для человека и 350 Вт для тягловых животных.

Источники: скомпилировано и рассчитано по данным из Molenaar (1956), Forbes (1965), Needham and co-workers (1965) и Mays (2010).

Энергетические затраты в случае ирригации с помощью человека были запредельно высокими. Работник мог сжать гектар пшеницы косой за восемь часов, но ему бы потребовалось три месяца (8 ч/сут.), чтобы поднять половину воды, нужной для этого гектара, всего на один метр из прилегающего канала или ручья. Из-за больших вариаций реакции разных злаков на полив нельзя делать обобщения по поводу энергоотдачи традиционного орошения. Большая разница существует не только между видами растений, она зависит от времени, когда доступна вода (арахис, например, мало чувствителен к временной нехватке воды, а кукуруза сильно уязвима). Реалистичные примеры показывают, что энергоотдача может быть десятикратной или даже выше (примечание 3.8).

Рисунок 3.9. Сравнение подъема, объемов и требований к мощности доиндустриальных водоподъемных устройств и машин. Основано на данных из Molenaar (1956), Forbes (1965) и Needham and co-workers (1965)

Примечание 3.8. Энергоотдача при орошении пшеницы

Единственный конкретный расчет демонстрирует значительную энергоотдачу традиционной ирригации. Полевые исследования показали, что урожай озимой пшеницы падает вдвое, если нехватка годовых осадков в 20 % концентрируется в критическом периоде цветения (Doorenbos et al. 1979). Хорошая жатва времен поздней династии Цин в 1,5 т/га могла таким образом снизиться на 150 кг на типичном маленьком поле в 0,2 га. Предположив, что нехватка 10 см дождя требует при орошении 200 т воды, и учитывая, что орошение обычного поля с помощью гребней и борозд имело эффективность в 50 % (из-за испарения и утечки), реальный объем воды из канала должен быть в два раза больше. Подъем 400 тонн воды менее чем на один метр с помощью водяной лестницы, движимой двумя крестьянами, потребовал бы около 80 часов и около 65 МДж дополнительной энергии пищи, в то время как увеличенный урожай пшеницы мог содержать (после вычитания примерно 10 % семян для посева и потерь при хранении) около 2 ГДж пригодной к употреблению энергии. Поэтому водяная лестница могла обеспечить в 30 раз больше энергии пищи, чем ушло на работу с ней.

По контрасту, для некоторых проектов инков возврат энергии мог быть низким. При орошении с помощью ирригации не нужно поднимать воду, но выкапывание длинных и широких каналов (главные русла до 10–20 метров шириной) простыми инструментами в каменистой породе требовало большого объема труда. Главный оросительный канал между Парку и Пикуй тянулся на 700 км, чтобы поливать пастбища и поля (Murra 1980), и испанцы-конкистадоры были поражены, увидев тщательно прорытые каналы, ведущие к отдельным полям кукурузы. Все главные ирригационные проекты требовали тщательного планирования и контроля работ, чтобы сохранить нужный уклон, а также большого количества работников. Вознаграждение – то есть дополнительная энергия от политых злаков, превосходящая огромные вложения труда, – было очевидным образом отложено на много лет, даже десятилетий. Только мощная центральная власть имела возможность перемещать ресурсы между разными частями страны, чтобы предпринимать такие программы общественного строительства. Во многих случаях рациональное водопользование, ведущее к более высоким урожаям, включало орошение полей, но некоторые сельскохозяйственные общества были вынуждены осуществлять и противоположный процесс.

Во многих регионах постоянное земледелие было бы немыслимым без отведения лишней воды. Император Ю (2205–2198 гг. до н. э.), один из семи великих мудрецов доконфуцианской эпохи, занял место в китайской истории в первую очередь благодаря умелому плану и героической деятельности по длительному отводу паводковых вод (Wu 1982). Майя и сменявшие друг друга обитатели Мексиканского нагорья практиковали продвинутые формы земледелия, включавшие водопользование от простого террасирования и весеннего полива до сложных дренажных систем и расположенных на возвышенности полей (Sanders, Parsons and Santley 1979; Flannery 1982; Mays and Gorochovich 2010). Уникальная разновидность культуры дренирования эволюционировала за много столетий в китайской провинции Гуандун (Ruddle and Zhong 1988). Интенсивно возделываемые дамбы здесь перемежались прудами, населенными несколькими разновидностями карпа. Использование органических отходов в качестве удобрений – человеческих и свиных экскрементов, травы, водорослей, ила из прудов – обеспечивало высокие урожаи сахарного тростника, риса, многочисленных овощей и фруктов, рост шелковицы для шелкового червя и размножение рыбы в больших количествах.

Внесение удобрений

Атмосферный CO₂, а также содержащиеся в воде углерод и водород формируют основу растительной ткани в виде углеводов. Но и другие элементы абсолютно необходимы для фотосинтеза, и в зависимости от того, в каком количестве они нужны, они делятся на макроэлементы и микроэлементы. Последние более разнообразны, в их число входят в первую очередь железо, медь, сера, кремний и кальций. Макроэлементов всего три: азот, фосфор и калий (N, Р и К), при этом азот – наиболее важный, он содержится во всех энзимах и белках, и именно его скорее всего будет не хватать в постоянно возделываемой почве (Smil 2001; Barker and Pilbeam 2007). Урожай пшеницы в 1 т/га (типичен для Франции или США около 1800 г) забирает из почвы по 1 кг кальция и магния (Са и Mg), 2,5 кг серы (S), 4 кг калия, 4,8 кг фосфора и 20 кг азота (Laloux et al. 1980).

Дождь, пыль, выветривание и органические останки в большинстве случаев восполняют потерю фосфора, калия и микроэлементов. Но постоянное выращивание растений без внесения удобрений вызывает дефицит азота, а поскольку именно от азота во многом зависит размер зерна и содержание в нем белка, то эта нехватка приведет к задержке роста, малым и низкокачественным урожаям. В рамках традиционного земледелия проблему можно решить лишь тремя способами: прямо вносить в почву все части растений, которые не нужны, то есть вспахивать, оставив на поле солому и стебли, не пошедшие на фураж; вносить в почву различные органические материалы, чаще всего (обычно подвергшиеся гниению) мочу и фекалии человека и животных; культивируя бобовые, чтобы увеличить содержание азота в почве для дальнейшей посадки других растений (Smil 2001; Berklian 2008).

Солома злаковых являлась главным потенциальным источником азота, но ее прямое использование было ограничено. В отличие от современных растений с короткими стеблями, традиционно выращиваемые разновидности приносили больше соломы, с соотношением солома/зерно как 2 к 1. Вспашка через такую растительную массу вызвала бы сложности у большинства животных, но такая ситуация почти никогда не возникала. Только небольшая часть растительного материала возвращалась прямо в почву, поскольку он требовался в качестве корма для скота, для изготовления подстилок и крыш, а также как топливо. Но в богатых деревом регионах солому и стебли часто просто сжигали на полях, почти полностью теряя содержащийся в них азот.

Переработка урины и экскрементов за столетия была доведено до совершенства в Европе и Восточной Азии. В китайских городах использовалась большая часть (70–80 %) отходов человеческой жизнедеятельности. Схожим образом, почти все выделения в Эдо (современный Токио) в 1650-х шли в дело. Но полезность таких отходов ограничена их доступностью и низким содержанием питательных веществ, а практика их переработки влечет за собой много однообразного, тяжелого труда. Даже до потерь, неизбежных при хранении и разных операциях, биологические отходы человека дают в год всего 3,3 кг азота на душу населения. Сбор, хранение и доставка материала на окружающие город поля сформировали масштабную и довольно пахучую индустрию, которая существовала даже в Европе большую часть XIX века, до того, как появилась канализация. По оценкам исследователей (Barles 2007), в 1869 году Париж выдавал каждый год около 4,2 Мт азота, около 40 % из лошадиного навоза и 25 % из человеческих фекалий. В конце XIX века около половины городских отбросов собиралось и промышленным образом перерабатывалось, чтобы получать сульфат аммония (Barles and Lestel 2007).

Использование много более изобильных отходов от животных, для чего требовалась чистка конюшен и стойл, жидкая ферментация или компостирование смешанных отходов перед тем, как отправить их на поля, и сама доставка – все это отнимало еще больше времени. И поскольку в большинстве разновидностей навоза содержалось всего 0,5 % азота, а в процессе переработки некоторое количество еще и терялось, то требовались огромные объемы этого материала, чтобы повысить урожаи. Во Фландрии XVIII века в среднем вносили по Ют/га, иногда до 40 т/га навоза, человеческих отходов, жмыха и пепла, а типичное значение для предреволюционной Франции составляло 20 т/га (Slicher and Bath 1963; Chorley 1981). Детальные подсчеты для Китая 1920-х показывают среднюю величину по стране выше 10 т/га, а для маленьких ферм на юго-западе – почти 30 т/га (Buck 1937).

В качестве удобрения в традиционном земледелии использовались все подходящие органические материалы. De agri cultura Катона упоминает голубиный, козий, овечий, коровий «и все другие виды помета», а также компосты из соломы, мякины, стеблей бобов, шелухи, диких растений и дубовых листьев. Римляне знали, что ротация злаковых культур с бобовыми (они полагались на люпины, бобы и вику) помогает увеличить урожай. Азиатская практика применения органики была даже более эклектичной, использовались как материалы с высоким содержанием азота (жмых масличных, остатки рыбы), так и почти его лишенные (ил из каналов и прудов). По мере того как росли города, пищевые отходы, в первую очередь растительные, становились новым источником удобрений.

Природным материалом с максимальным содержанием азота (около 15 % в лучших залежах) является гуано, птичий помет, сохранившийся в сухом климате островов у побережья Перу. Испанцы-завоеватели были впечатлены тем, как этот материал использовали инки (Murra 1980). Импорт в США начался в 1824 году, в Англию в 1840-м, в 1850-е он быстро вырос, но к 1872 году экспорт из самых богатых месторождений, с островов Чинча, закончился (Smil 2001). После этого чилийские нитраты стали самым важным источником азота для всего мира, по мере того как сельское хозяйство проходящих стадию индустриализации стран начало получать топливо, металлические инструменты, машины и неорганические удобрения (процесс описан в деталях в главе 5).

Фактический состав удобрений сильно варьировался в зависимости от доли навоза (очень высокой с животными в загонах, пренебрежимо малой в случае со свободно пасущимися), отношения к использованию человеческих отходов (от запрета до рутинного применения) и интенсивности земледелия. Любые теоретические оценки содержания азота отстоят очень далеко от его конечного вклада в урожай. Причина в высоких потерях (большей частью через испарение аммиака и выщелачивание в грунтовые воды) в процессе выделения, собирания, компостирования, доставки и окончательного потребления азота растениями (Smil 2001). Эти потери, обычно в две трети от изначального содержания азота, только увеличивались при необходимости использовать громадное количество органических отходов. Вследствие этого во всех интенсивных традиционных сельскохозяйственных обществах много тяжелого труда неизбежно посвящалось собиранию, ферментированию, транспортировке и внесению органических отходов.

«Зеленый навоз» эффективно применялся в Европе со времен античных греков и римлян, и широко использовался в Восточной Азии. Практика эта в основном опиралась на азотфиксирующие бобовые растения, изначально на вику (Astragalus, Vicia) и клевер (Trifolium, Melilotus), позже на люцерну (Medicago sativa). Бобовые могут фиксировать до 100–300 кг азота на гектар в год, и когда они ротируются с другими культурами (обычно сажаются в качестве зимнего растения в более мягком климате), они добавляют за три-четыре месяца, после которых начинается вспашка, 30–60 кг азота в почву, достаточно, чтобы посаженные следом зерновые или масличные дали хороший урожай.

Более высокая плотность популяции обычно вынуждает сажать съедобные растения даже в зимние месяцы. Эта практика неизбежно уменьшает содержание азота в почве и снижает урожаи. В краткой перспективе она может обеспечить энергетическое преимущество, поскольку дает добавочное количество углеводов и жиров. Но в долгой перспективе внесение достаточного количества азота в почву – настолько важная задача, что интенсивное сельское хозяйство не может существовать без азотфиксирующих бобовых, и приходится сажать их вместо съедобных растений. Эта желаемая практика, повторяемая каждый год или при более долгой последовательности севооборота, представляет, возможно, лучший пример энергетической оптимизации в традиционном земледелии. Ничего удивительного, что она формирует ядро всех традиционных систем сельского хозяйства, опирающихся на сложный севооборот, но только между 1750-м и 1880-м годами стандартный севооборот, включающий бобовые несъедобные растения (например, норфолкская четырехлетняя последовательность пшеницы, репы, ячменя и клевера) широко распространился по Европе и по меньшей мере утроил скорость симбиотической фиксации азота, что обеспечило надежный рост урожая съедобных растений (Campbell and Overton 1993).

Исследователи (Chorley 1981, 92) признают этот поворот по-настоящему эпохальным и называют его сельскохозяйственной революцией:

«Хотя продвижение вперед совершалось на широком фронте и стало результатом многих небольших изменений, был один невероятно значимый прорыв: всеобщее признание важности бобовых и последующее увеличение поставок азота. Ничего фантастического не будет в предположении, что эта обычно не замечаемая инновация по важности была сравнима с паровой машиной в экономическом развитии Европы в период индустриализации».

Другие ученые (Wrigley 2002) показывают сравнительные данные в сельском хозяйстве Англии в 1300 и 1800 годах, или документируют (Muldrew 2011) то, как изменения, начавшиеся с 1650-х, обеспечивали все более разнообразный и питательный рацион и как эти улучшения в питании работника привели к лучшей продуктивности, постоянной занятости и росту благосостояния людей.

Разнообразие культурных растений

Современное земледелие характеризуется доминированием монокультур, ежегодной посадкой одних и тех же злаков, и это отражает региональную специализацию включенного в коммерческую систему сельского хозяйства. Но повторяющееся культивирование одного вида имеет высокие энергетические и экологические издержки. Требуются удобрения для возмещения израсходованных питательных веществ, химикалии для истребления паразитов, которые процветают благодаря изобилию одинаковой пищи. Пропашные культуры, такие как кукуруза, оставляют большую часть почвы под дождем, пока не разрастутся, что ведет к значительной эрозии, когда их сажают на склонах. Постоянная культивация риса на затапливаемых почвах, в которых не так много кислорода, постепенно снижает их качество.

Долгий опыт научил многих земледельцев древности, какие угрозы несет выращивание монокультуры. И по контрасту, ротация злаковых и бобовых или возобновляет азот в почве или по меньшей мере облегчает использование ресурсов этой самой почвы. Культивация разнообразных зерновых, клубней, масличных и волокнистых растений снижает риск общего неурожая, уменьшает вероятность появления неистребимых паразитов, предотвращает эрозию и поддерживает лучшее качество почвы (Lowrance et al. 1984; USDA 2014). Схему севооборота можно выбрать так, чтобы она соответствовала климату и почве, а также удовлетворяла особым пищевым предпочтениям; севооборот крайне желателен с агрономической точки зрения, но там, где в течение одного года выращивается более одного вида растений, такая практика, очевидно, требует большего труда. В регионах с сухими сезонами необходимо орошение, а при интенсивном возделывании нескольких культур, когда три или даже четыре разных вида выращиваются каждый год на одном и том же поле, не обойтись без значительного объема удобрений. Там, где два или более растения занимают одно и то же поле в одно и то же время (уплотнение культур), трудовые затраты могут быть еще выше. Но главное преимущество такого вида земледелия – возможность кормить большее количество людей с того же участка земли.

Разнообразие традиционных культур и вариантов севооборота неисчислимо. Например, исследование китайского сельского хозяйства (Buck 1937) дало нам изумительную цифру в 547 систем земледелия в 168 локациях. Но очевидны несколько ключевых общих моментов. Ничто не может быть более заметным, чем уже упомянутая почти глобальная практика связывания бобовых со злаковыми. Помимо вклада в плодородие почвы и высокого содержания белка, некоторые бобовые, в первую очередь соя и арахис, также дают пригодное в пищу масло, игравшее важную роль в традиционном питании. Жмых, компактные блоки из семян, остающиеся после того, как масло выжато, становился либо высокопротеиновым кормом для домашних животных, либо отличным органическим удобрением.

Второй общий момент мы уже отмечали: ротация «зеленого навоза» и пищевых культур занимает важное место в любом интенсивном традиционном земледелии. Третий признак – севооборот отражает желание получать и волокна наряду с углеводами (зерна, клубни) и масличными культурами. Вследствие этого традиционное китайское сельское хозяйство включало многочисленные схемы ротации пшеницы, риса и ячменя с соевыми бобами и арахисом и кунжута с хлопком и джутом. Помимо основных злаков (пшеница, рожь, ячмень, овес) и бобовых (горох, чечевица, бобы), европейские крестьяне культивировали лен и коноплю, чтобы получать волокна. В число культурных растений майя входили три основы земледелия Нового Света – кукуруза, бобы и тыква, – но также клубни (сладкий картофель, маниок, мексиканская репа), агава и хлопок для волокон (Atwood 2009).

Инерция традиционного земледелия была во многих отношениях очевидной в течение нескольких тысячелетий: посев на сухих равнинах путем ручного разбрасывания семян и ломающий спину труд по пересадке проростков риса на сырое поле; медленно двигающиеся волы в упряжке, которые тащат простой деревянный плуг; ручная жатва серпами или косами, обмолот с помощью цепов или домашних животных. Но это очевидное постоянство повторяющихся процессов скрывало многочисленные, хотя почти всегда постепенные изменения. Они варьировались от распространения лучших агрономических техник до введения новых растений.

Последнее оказывает серьезное влияние благодаря появлению новых базовых источников углеводов (кукуруза, картофель) и богатых микронутриентами овощей и фруктов. Некоторые культуры распространялись сравнительно медленно и более чем по одному маршруту. Например, огурец (Cucumis sativus) попал в Европу двумя независимыми путями, сначала (до появления ислама) по земле из Персии (в восточную и северную части Европы), а затем морем в Андалусию (Paris, Daunay and Janick 2012). Несомненно, что самое масштабное распространение новых культур последовало за появлением европейцев в Америке: всемирное признание картофеля, кукурузы, томатов, разных видов перца, пантропическая культивация ананасов, папайи, ванили и деревьев какао (Foster and Cordell 1992; Reader 2008). Возможно, лучший способ оценить сельскохозяйственную эволюцию – взглянуть на четыре наиболее постоянных разновидности земледелия, а затем на быстрый прогресс в сельском хозяйстве Северной Америки доиндустриальной эпохи.

Исторически первым было земледелие Ближнего Востока, например египетское. Существовавшие там природные ограничения (малое количество плодородной земли и почти полное отсутствие осадков) и экстраординарные экологические условия (ежегодные разливы Нила, приносившие гарантированное количество воды и питательных веществ) в комбинации создали высокопродуктивное земледелие уже в раннединастическое время. К началу XX века, после долгого периода стагнации египетские крестьяне все еще производили наибольшее количество съедобной энергии, возможное при использовании только солнца (никакого ископаемого топлива).

Традиционное китайское земледелие является образцом восхитительно продуктивного растениеводства Восточной Азии. Оно поддерживало самое большое в мире население, находящееся в культурном единстве, и дожило практически в нетронутом виде до 1950-х. Такое постоянство дало возможность изучить традиционное земледелие современными научными методами и вынести надежные количественные оценки продуктивности. Развитые общества Мезоамерики зависели от уникального и высокопродуктивного растениеводства, которое обходилось без плуга и тягловых животных. Европейское сельское хозяйство эволюционировало от простого начала в Средиземноморье до быстрого прогресса в XVIII и XIX веках. Перенос его практик в Северную Америку и не имеющая прецедентов скорость сельскохозяйственных инноваций в США в XIX веке создали наиболее эффективное традиционное земледелие.

Древний Египет

Сельское хозяйство Египта додинастической эпохи, следы которого прослеживаются до 5000 лет до н. э., сосуществовало с охотой на зверей (антилоп и свиней, крокодилов и слонов), на птиц (гусей, уток), рыбной ловлей (особенно легкой на затопленном мелководье) и собиранием растений (трав, корней). Двурядные пшеница и ячмень были первыми злаками, а овца (Ovis aries) – первым животным, которое одомашнили. Посадки в октябре и ноябре следовали за отступлением вод Нила, прополка не требовала больших усилий, а время жатвы наступало через пять или шесть месяцев. Расчеты, базирующиеся на археологических данных, показывают, что земледелие додинастического Египта могло кормить, возможно, до 2,6 человека с гектара обработанной земли, но более вероятно, что долгосрочный средний показатель был в два раза меньше.

Египетское сельское хозяйство всегда процветало благодаря орошению, но как в эпоху Древнего царства (2705–2205 годы до н. э.), так и в эпоху Нового царства (1550–1070 годы до н. э.), ирригация заключалась в сравнительно простых манипуляциях с ежегодным паводком. Они сводились к постройке высоких и прочных насыпей, перегораживанию дренажных каналов и разделению между собой водосборных площадей (Butzer 1984; Mays 2010). В отличие от Месопотамии или долины Инда, здесь не было постоянных оросительных каналов из-за очень низкого градиента Нила (1 к 12 000). И первое ограниченное использование этой технологии отмечено в Фаюмской впадине при Птолемеях (после 330 года до н. э.).

Еще одним ограничивающим ирригацию фактором в династическом Египте было отсутствие эффективных водоподъемников. «Журавли», которые использовали с периода Амарны (XIV век до н. э.), годились только для полива маленьких участков земли. Приводимая в действие животными saqiya, которая требовалась для постоянного подъема больших количеств воды, появилась только при тех же Птолемеях. Поэтому в династические времена не культивировались летние злаки, имело место лишь чуть более экстенсивное выращивание зимних. Пшеница и ячмень являлись базовыми зерновыми культурами, жали их с помощью деревянных серпов с коротким зазубренным лезвием из кремня, солому срезали высоко над землей, иногда прямо под колосом. Эта практика, также широко распространенная в средневековой Европе, делала жатву более легкой, упрощала транспортировку и обмолот. В сухом климате Египта стоящие стебли можно было срезать позже, когда они понадобятся для прядения, изготовления кирпичей или в качестве топлива, ну а жнивье подъедали домашние животные.

Рисунок 3.10. Земледельческие сцены Древнего Египта времени 18-й династии (Новое царство). Гробница Унсу в Восточных Фивах (Corbis)

Рисунки из египетских гробниц оживляют для нас сцены из того периода. Например, в гробнице Унсу мы видим, как крестьяне мотыжат, разбрасывают семена, жнут серпами и несут зерно в корзинах, чтобы смолоть его с помощью волов (рис. 3.10). Надписи из гробницы Пахери красноречиво выражают энергетические ограничения и условия того времени (James 1984). Надзиратель бьет работников палкой, заявляя: «А ну шевелитесь, вода поднимается и вот-вот доберется до тюка». Их ответ: «Солнце жжет! Может быть солнце возьмет цену ячменя в рыбе!» – точно отражает и их утомление и знание о том, что зерно, уничтоженное наводнением, можно компенсировать рыбой.

И мальчик, подгоняющий волов, пытается ободрить их: «Молотите для себя, молотите для себя… Мякина, чтобы съесть вам самим, а ячмень для ваших хозяев. Не позволяйте усталости овладеть вашими сердцами! Усталость остужает». Помимо мякины, волам давали солому от пшеницы и ячменя и позволяли пастись на траве заливных равнин и на посадках вики. По мере того как культивация становилась все более интенсивной, скот сезонами водили пастись в болота дельты. Для пахоты волов запрягали в двойное головное ярмо, комья земли разбивали деревянными мотыгами и колотушками, а разбросанное зерно втаптывали в землю овцы. Записи времен Древнего царства говорят не только о большом количестве волов, но и о значительных стадах коров, ослов, овец и коз.

Реконструкция демографической истории Египта (Butzer 1976) показывает плотность населения в долине Нила от 1,3 чел./га пахотной земли около 2500 лет до н. э. до 1,8 чел./га в 1250 году до н. э., и 2,4 чел./га во время уничтожения римлянами Карфагена (149–146 годы до н. э.). Под управлением Рима объем обрабатываемой земли составлял около 2,7 Мга, и 60 % находилось в дельте Нила. Эта территория могла произвести в 1,5 раза больше продуктов, чем требовалось для ее населения в 5 миллионов. Излишки имели большое значение для процветания расширяющейся Римской империи: Египет был ее крупнейшей житницей (Rickman 1980; Erdkamp 2005). Позже египетское сельское хозяйство пришло в упадок, начался период стагнации.

Даже совсем недавно, во втором десятилетии XIX века, в стране обрабатывали в два раза меньше земли, чем при римлянах. Но из-за более высоких урожаев эта земля поддерживала в два раза больше людей, чем та, что в древности кормила и собственных жителей, и обитателей других земель. Продуктивность резко выросла только с распространением постоянной ирригации после 1843 года, когда первые плотины на Ниле обеспечили достаточный приток воды, чтобы наполнить каналы. Показатель одновременного выращивания разных культур вырос с 1,1 в 1830-х годах до 1,4 в 1900-м, а в 1920-х превысил 1,5 (Waterbury 1979). Земледелие все еще существовало благодаря силе животных, но с помощью неорганических удобрений феллахи кормили шесть человек с каждого гектара обработанной земли.

Китай

Императорский Китай видел долгие периоды хаоса и стагнации, но его традиционное земледелие было значительно более инновационным, чем египетское (Но 1975; Bray 1984; Lardy 1983; Li 2007). Как и везде, на ранних стадиях сельское хозяйство не было полностью интенсивным. До III столетия до н. э. не существовало масштабного орошения, практически не применялись севооборот и совместное выращивание культур. Сухолюбивое просо на севере и влаголюбивый рис в бассейне Янцзы были доминирующими злаками. Свиньи стали первыми одомашненными животными, самые ранние свидетельства о них датируются 8 тыс. лет назад (Jing and Flad 2002). Причем свиньи всегда были самыми многочисленными домашними животными, но упоминания о навозе появляются только после 400 года до н. э.

К тому времени, когда Египет обеспечивал зерном Римскую империю (династия Хань, 206 год до н. э. – 220 год н. э.), китайцы придумали несколько инструментов и практик, которые в Европе и на Ближнем Востоке появились только столетия, если не тысячелетия спустя. В их число входили в первую очередь железный отвальный плуг, хомут для лошадей, сеялки и вращающиеся веялки для зерна. Все эти вещи стали широко использоваться уже при ранней династии Хань (207 год до н. э. – 9 год н. э.). Возможно, наиболее важным было всеобщее применение отвального плуга из чугуна.

Массово изготавливаемые плуги из нехрупкого металла (литье было отработано к III столетию до н. э.), расширили возможности культивации, облегчив самую тяжелую работу. Пусть такой плуг получался тяжелее, чем деревянный, зато он создавал меньше трения и тащить его могло одно животное даже в сырой глинистой почве. Многотрубочные сеялки снизили потери зерна, неизбежные при ручном посеве, а приводимые в движение ручкой веялки сильно сократили время, необходимое для очищения обмолоченного зерна. Эффективный хомут для лошади не внес больших изменений в полевые работы, поскольку на бедном Севере менее требовательные волы остались самым распространенным тягловым животным (лошадям требовался корм гораздо лучшего качества), и только азиатский буйвол, запряженный в шейное ярмо, мог использоваться на сырых полях юга.

Другие династии не могут сравниться с Хань в отношении фундаментальных изменений в земледелии (Xu and Dull 1980). Последующий прогресс был медленным, а после XIV века сельское хозяйство вошло в долгий период стагнации. Повышение урожая зерна между династиями Мин (1368–1644) и Цин (1644–1911) наполовину обеспечивалось увеличением обрабатываемой территории (Perkins 1969), а наполовину возросшими трудозатратами – в первую очередь на орошение и удобрение. Более качественные семена и новые злаки вроде кукурузы принесли небольшой прогресс в отдельные регионы.

Без сомнения, наиболее важное и долговременное влияние на интенсификацию сельского хозяйства в Китае оказало создание и поддержание обширных и эффективных ирригационных систем (рис. 3.11). Древность этих систем лучше всего показывает тот факт, что почти половина из них, работавшая к 1900 году, была построена до 1500-го (Perkins 1969). Самая известная, ирригационная система Дуцзянъянь в Сычуане, чьи тихие воды обеспечивают выращивание пищи для десятков миллионов людей, существует с III столетия до н. э. (UNESCO 2015b). Русло реки Миньцзянь было рассечено в том месте, где она входит на равнину, и впоследствии потоки не раз делились снова с помощью насыпей из камня.

Рисунок 3.11. Малый участок обширных рисовых террас longji (спина дракона) к северу от Гуйлиня в провинции Гуанси, созданных во времена династии Юань (1271–1368).

Источник: https://en.wikipedia.Org/wiki/Longsheng_Rice_Terrace#/media

Дальше воду направили в боковые каналы, где ее поток регулировался дамбами и плотинами. Корзины из плетеного бамбука, наполненные камнями, стали главным строительным материалом. Углубление и ремонтные работы на протяжении периодов низкой воды продержали оросительную систему в рабочем состоянии более 2000 лет. Создание и непрестанная поддержка таких масштабных ирригационных систем (точно так же как создание и углубление длины каналов для прохода судов) требовало долгосрочного планирования, масштабной мобилизации труда и громадных инвестиций. Ничто из этого невозможно без эффективной и сильной центральной власти на обширных территориях. Существовала очевидная синергетическая связь между впечатляющими крупномасштабными проектами водопользования в Китае и ростом, совершенствованием и долгим существованием сложной иерархической бюрократии в стране.

Подъем воды с помощью мускульной силы человека был утомителен и занимал много времени, энергозатраты при нем выглядели немалыми, но зато он приносил вознаграждение в виде более высоких урожаев. Когда орошение дает дополнительную воду растениям в жизненно важный период роста, то возврат полезной энергии, сосредоточенной в пище (исключая затраты на создание и поддержание ирригационных каналов), с легкостью достигает величины в 30 (примечание 3.9). Создание дефицита воды во время менее важных отрезков времени может все же вернуть в 20 раз больше энергии в виде дополнительного урожая по сравнению с пищей, нужной крестьянам, приводящим в движение водяные лестницы.

Примечание 3.9. Энергоотдача китайского орошения

Полевые исследования показали, что урожай озимой пшеницы уменьшится наполовину при нехватке воды в 20 % за год, если эта нехватка придется на ключевой период цветения (Doorenbos et al. 1979). Хорошая жатва поздней Цинь в 1,5 т/га таким образом упала бы на 150 кг с типичного поля в 0,2 га. Чтобы ликвидировать дефицит в 10 см дождя с помощью орошения, необходимо 200 тонн воды, но реальное поступление из канала должно вдвое превышать эту массу. Причина в том, что эффективность орошения, доля подведенной воды, на самом деле использованной растениями, составляет обычно 50 % в случае простого полива по бороздам. Вторая половина воды теряется из-за просачивания в почву и испарения. Подъем 400 тонн воды с помощью лестницы с двумя крестьянами потребует, если высота менее 1 метра, около 80 часов. Подобная работа обойдется в около 65 МДж дополнительной энергии пищи, а увеличенный урожай пшеницы будет содержать (после того как мы уберем 10 % на посевные семена и на потери хранения) около 2 ГДж перевариваемой энергии. Следовательно, водяная лестница позволяет вернуть примерно в 30 раз больше энергии, чем было потрачено на нее.

В рисоводческих регионах Китая внесение навоза животных и отходов человека составляло в среднем 10 т/га в конце XIX и начале XX века. Огромные количества органических отбросов собирались в малых и больших городах и перевозились в сельскую местность, создавая развитую транспортную сеть. Высокая интенсивность использования навоза в Китае вызывала восхищение у путешественников из Европы, которые (что очень любопытно) не осознавали, насколько это похоже на то, что происходило у них дома несколько раньше (King 1927). Но никакая другая культура не превзошла высочайшие известные показатели применения органических отходов для поддержания интенсивного земледелия в районе дамб и прудов провинции Гуандун в Южном Китае, где использовали от 50 до 270 тонн свиных и человеческих экскрементов на гектар (Ruddle and Zhong 1988). Внесение навоза и других материалов, от куколок шелкопряда до ила из каналов и прудов, от травы до жмыха, еще больше увеличивало затраты труда на собирание, ферментирование и распределение этих материалов. Ничего удивительного, что по меньшей мере 10 % всего труда в традиционном китайском земледелии уходило на возню с удобрениями и на Северо-Китайской равнине интенсивное внесение удобрения под пшеницу и ячмень было самой затратной по времени работой как для человека (приближаясь к одной пятой), так и для животных (около одной третьей). Но подобное вложение приносило хорошую отдачу: возврат полезной энергии составлял обычно более 50 (примечание 3.10).

Общая отдача энергии пищи в традиционном земледелии Китая не была столь высокой даже во время его пиковой продуктивности в первые десятилетия XX века. Главной причиной являлась минимальная механизация сельского хозяйства, что означало постоянное использование труда человека. Обилие количественной информации практически обо всех аспектах традиционного сельского хозяйства страны в 20-30-х годах (Buck 1930,1937) позволяет описать систему в деталях и сделать точные энергетические расчеты. Поля большей частью были очень маленькими (около 0,4 га) и находились в пяти или десяти минутах ходьбы от крестьянского дома. Почти половина земли орошалась, четверть занимали террасированные поля.

Примечание 3.10. Полезная энергоотдача от внесения удобрений

Хороший урожай озимой пшеницы при династии Цинь в 1,5 т/га требовал около 300 часов труда человека и около 250 часов труда животных. Внесение удобрений составляло соответственно 17 % и 40 % от этих величин. Я предполагаю, что 10 тонн удобрений, внесенных на гектар, содержали только 0,5 % азота (Smil 2001). Неизбежные потери при вымывании и испарении приводили к тому, что лишь половина добиралась до злаков. Каждый килограмм азота обеспечивал получение дополнительно 10 кг зерна. По сравнению с неудобренным полем, прирост урожая составлял по минимуму 250 кг зерна. Не более чем 3–4% добытого зерна уходило на корм животным. После молотьбы из зерна получали как минимум 200 кг муки, или около 2,8 ГДж энергии пищи, при около 40 МДж вложений в виде энергии пищи при труде человека. Возврат полезной энергии от удобрений таким образом составлял порядка 70, впечатляющее соотношение выгода/издержки.

Более 90 % засаженной территории занимали зерновые, менее 5 % – сладкий картофель, 2 % – волокнистые культуры, 1 % – овощи. Только в одной трети из всех хозяйств севера был вол, и менее трети хозяев на юге могли похвастаться буйволом. Выращивание растений требовало тягловой работы (90 % для риса, 70 % для пшеницы), но за исключением вспашки и боронения, сельское хозяйство Китая полагалось почти исключительно на человеческий труд. И волы, и буйволы получали очень мало зерна, поэтому энергоотдачу можно рассчитывать с учетом затрат только человеческого труда. Неорошенные пшеничные поля на севере давали не более 1 т/га, производство этого зерна требовало более 600 часов труда, и урожай возвращал от 25 до 30 единиц пищевой энергии немолотого зерна на каждую единицу энергии пищи, потраченной на полевые работы.

Локальные и региональные урожаи риса были весьма велики уже при династии Мин, средняя величина по стране определяется около 2,5 т/га в первые десятилетия XX века, что уступает только Японии. Около 2000 часов труда уходило, чтобы произвести такой урожай, что дает нам валовую энергоотдачу в 20–25 раз. Валовая энергоотдача для кукурузы достигала 40, но кукурузная мука никогда не относилась к любимым продуктам империи. Для бобовых (соя, горох, бобы) энергоотдача редко превышала 15, а обычно была в районе 10, и на таком же уровне она сохранялась для растительного масла из рапса, арахиса или кунжута. Зерновые обеспечивали около 90 % всей энергии пищи, потребление мяса было пренебрежимо малым (обычно только в праздники). Но такое однообразное вегетарианское питание в конечном итоге поддерживало высокую плотность населения.

Плотность населения в древнем Китае не могла сильно отличаться от значений для Египта, варьируясь от 1 чел./га в беднейших северных регионах до более чем 2 чел./га в южных рисоводческих областях. Существовали также значительные внутрирегиональные различия, например северо-восток был очень плотно заселен благодаря активной иммиграции двух первых столетий маньчжурской династии Цин, а гористые районы юга отличались малым населением. Постепенная интенсификация земледелия в комбинации со скудным питанием со временем привела к тому, что плотность населения повысилась. Реконструкции для Мин (1368–1644) и Цин (1644–1911) начинаются от 2,8 чел./га обработанной земли в 1400-м и поднимаются до 4,8 чел./га в 1600 году (Perkins 1969). Небольшое падение во время долгого процветания при императоре Цяньлуне (1736–1796) вызвано тем, что китайцы начали активно осваивать новые территории. Рост плотности населения возобновился в XIX веке, и к его концу значение достигло около 5 чел./га, выше, чем на современной Яве, и минимум на 40 % выше среднего по Индии (рис. 3.12).

Обзоры для тридцатых годов (Buck 1937) приводят среднее значение для государства 5,5 чел/га обработанной земли. Это близко к показателям Египта того же времени, но в Египте орошали всю землю и уже использовали неорганические удобрения. По контрасту, средние показатели для Китая резко снижались из-за данных для земледелия на севере, где не знали орошения. Южные рисоводческие регионы превзошли 5 чел./га уже к 1800 году, и на большей части этой территории величина превышала 7 чел./га к концу 1920-х. По сравнению с возделыванием пшеницы без орошения, возврат полезной энергии был неизменно ниже при ирригационном выращивании риса, но это компенсировалось куда большими урожаями на гектар: совместное выращивание риса и пшеницы в наиболее плодородных регионах могло кормить 12–15 чел./га.

Рисунок 3.12. Плотность населения Китая в долгосрочной перспективе. Преимущества значительного расширения обрабатываемых земель при династии Цин вскоре были нивелированы непрерывным ростом населения в стране. Отрезки плотности отражают неопределенность оценок историков. Базируется на данных из Perkins (1969) и Smil (2004)

Культуры Мезоамерики

Лишенные тягловых животных (а следовательно, и возможности пахать землю) сельскохозяйственные культуры Нового Света значительно отличались от культур Старого. Но они точно так же развили методы более интенсивного земледелия, способные поддержать впечатляюще высокую плотность населения, и одомашнили несколько растений, которые в наше время возделывают по всему миру, в первую очередь кукурузу, перец (Capsicum annuum) и томаты (Solanum lycopersicum). Наиболее важный непищевой злак, произошедший из Мезоамерики – хлопок (Gossypium barbadense). Молекулярный анализ показывает, что местом одомашнивания хлопка был Юкатанский полуостров; генный пул современных его разновидностей берет начало в Южной Мексике и Гватемале (Wendel et al. 1999).

Тропические равнины майя и намного более сухое Мексиканское нагорье были районами величайших достижений. Хотя обитатели этих двух регионов всегда взаимодействовали между собой и везде кукуруза была основным злаком, их история в значительной степени разная. Причины упадка первой культуры остаются спорными (Haug et al. 2003; Demarest 2004), а вторая была разрушена испанским вторжением (Leon 1998). Общество майя развивалось долго и постепенно до начала классического периода около 300 года. Регион, в который входили области современной Мексики (Юкатан), Гватемала и Белиз, поддерживал сложную цивилизацию до 1000 года н. э. Затем произошел один из наиболее таинственных поворотов в мировой истории, классическое общество майя распалось, а население уменьшилось от 3 миллионов в VIII веке до всего лишь 100 тысяч ко времени вторжения европейцев (Turner 1990).

Предполагалось, что одной из причин падения цивилизации стали ошибки в обработке земли, приведшие к обширной эрозии и разрушению системы водопользования (Gill 2000). На ранних стадиях развития майя были кочевыми земледельцами, но постепенно перешли к интенсивным формам сельского хозяйства (Turner 1990). Обитавшие на плоскогорьях майя строили большие террасы из камня, сохранявшие воду и предотвращавшие эрозию на постоянно возделываемых склонах. Майя в низинах создавали впечатляющие сети каналов и поднимали поля над уровнем паводка, чтобы избежать сезонных затоплений. Древние огороженные поля (некоторые датируются 1400 годом до н. э.) все еще различимы на фотографиях с воздуха. Их идентификация и датирование в 1970-х годах опровергло раннюю гипотезу, что майя были ограничены подсечно-огневым земледелием (Harrison and Turner 1978).

Мексиканская котловина видела череду сложных культур, начавшуюся со строителей Теотиуакана (100 лет до н. э. – 850 г. н. э.), за которыми последовали тольтеки (960-1168), и в начале XIV века ацтеки (Теночтитлан был основан в 1325 году). Имел место длительный переход от собирания растений и охоты на оленей к оседлому земледелию. Интенсификация растениеводства посредством активного водопользования началась в эру Теотиуакана и постепенно развилась до такой степени, что ко времени испанского завоевания по меньшей мере треть населения региона полагалась на орошение в выращивании пищи (Sanders, Parsons and Santley 1979).

Постоянные оросительные каналы вокруг Теотиуакана могли поддерживать около 100 тысяч человек, но наиболее интенсивная культивация в Мезоамерике опиралась на чинампы (Parsons 1976). Эти прямоугольные поля поднимались на 1,5–1,8 метра над мелкими водами озер Тескоко, Чалко и Сочимилко. При их создании использовались добытый со дна ил, остатки растений, трава и водоросли, а края обычно укрепляли с помощью деревьев. Богатая аллювиальная почва эксплуатировалась почти постоянно, всего с несколькими месяцами отдыха. Чинампы превратили непродуктивные болота в поля и сады с высокими урожаями и решили проблему заболачивания. К ним можно было добраться на лодках, и это облегчало транспортировку урожая на рынки. Обработка чинампы обеспечивала выдающийся возврат вложенного труда; высокое соотношение выгода/затраты объясняет, почему эта практика занимала такое важное место. Начата она была уже около 100 года н. э. и достигла пика в последние десятилетия ацтекского правления (примечание 3.11).

Примечание 3.11. Поднятые поля Мексиканской котловины

Чинампы могли дать в четыре раза больший урожай, чем неорошенная земля. Отличный сбор кукурузы в 3 т/га мог обеспечить, после вычитания одной десятой на семена и потери, примерно на 30 ГДж больше пищевой энергии, чем участок сухой земли. Поля поднимались как минимум на 1,5 м над уровнем воды, так что 1 га чинампы требовал около 15 тыс. м³ озерного ила и грунта. Мужчина, работающий 5–6 часов в день, мог переместить не более чем 2,5 кубометра, поэтому на 1 гектар требовалось 6000 человекодней труда. С энергетическими затратами в 900 кДж/ч задача требовала около 30 ГДж пищевой энергии – величина, сравнимая с выигрышем за счет увеличенного урожая всего за год.

Ко времени испанского завоевания озера Тескоко, Чалко и Сочимилко были покрыты примерно 12 тысячами гектаров полей чинампа (Sanders, Parsons and Santley 1979). Их создание потребовало как минимум 70 миллионов человекодней труда. Средний крестьянин должен был тратить не менее 200 дней в год на то, чтобы вырастить еду для собственной семьи, так что он не мог работать более 100 дней на больших проектах. Значительная часть этого времени по необходимости посвящалась уходу за существующими дамбами и каналами, поэтому для появления 1 гектара новой чинампы требовался сезонный труд от 60 до 120 крестьян. Средства применялись разные, но Мексиканская котловина до испанцев была столь же водяной цивилизацией, как существовавший в тот же период Китай династии Мин. Долговременные, хорошо спланированные, координировавшиеся из центра усилия и громадное количество труда были ключевыми составляющими сельскохозяйственного успеха.

Орошаемая кукуруза дает большие урожаи, чем пшеница, и плотность населения, опирающегося на земледелие Мезоамерики, была очень велика. Гектар высокопродуктивной чинампы мог прокормить 13–16 человек с учетом того, что 80 % энергии пищи они получали от злаков. Понятно, что средние величины для всей котловины были значительно ниже, варьируясь от менее 3 чел./га в окраинных районах до 8 чел./га на хорошо дренированных почвах с постоянным орошением (Sanders, Parsons and Santley 1979). Население котловины перед появлением Кортеса (1519) насчитывало около миллиона человек и с учетом всей обрабатываемой земли средняя плотность составляла около 4 чел./га. Почти идентичные показатели демонстрирует культивация на поднятых картофельных полях вокруг озера Титикака, центрального района цивилизации инков, расположенного на границе современных Перу и Боливии (Denevan 1982; Erickson 1988).

Европа

В Европе, как и в Китае, периоды сравнительно постоянного развития сменялись временами стагнации, и региональные вспышки голода в мирное время случались до XIX века. Но до XVII столетия европейское земледелие в целом уступало китайскому, оно всегда с опозданием осваивало приходящие с востока инновации. Греческое сельское хозяйство, о котором мы знаем мало, было определенно не столь впечатляющим, как на Ближнем Востоке. Римляне постепенно развили умеренно сложное сельское хозяйство, описание которого дошло до нас в трудах Катона (De agricultura), Варона (Rerum rusticarum libri III), Колумеллы (De re rustica) и Палладия (Opus agriculturae). Эти сочинения часто переиздавались и сохраняли важное значение до XVII века. Возможно, лучшее их собрание в одном томе с комментариями и примечаниями было опубликовано в 1737 году (Gesner 1735, White 1970; Fussell 1972; Brunner 1995).

В отличие от густонаселенных центральных районов Китая, где нехватка пастбищ и высокая плотность населения препятствовали увеличению численности домашних животных, европейское земледелие всегда в значительной степени опиралось на тягловую силу. Римское сельское хозяйство включало ротацию зерновых и бобовых, внесение компоста, вспашку по бобовым, которые использовались в качестве «зеленого навоза». Периодическое известкование (внесение мела или известняка) полей проводили для снижения кислотности почвы. По меньшей мере треть полей оставляли под паром.

Волы, часто подкованные, были главными тягловыми животными, плуги делали из дерева, сеяли вручную, а жали серпами. Механическая галльская жатка, описанная Плинием и изображенная на нескольких уцелевших барельефах, использовалась ограниченно. Молотили с помощью шагающих животных или цепами, урожаи были низкими и постоянно колебались. Реконструкции римского возделывания пшеницы в первые столетия нашей эры дают цифры между 180 и 250 часов человеческого труда (и около 200 часов животного труда) для получения типичного урожая всего лишь в 0,5 т/га. И даже при этом валовая энергоотдача, которая варьировалась большей частью между 30 и 40, была достаточно высокой (примечание 3.12).

Продуктивность европейского земледелия изменялась очень медленно, в течение тысячелетия между падением Западной Римской империи и началом большой европейской экспансии. В начале XIII века выращивание пшеницы осуществлялось все теми же неизменными средствами и не могло поддержать плотность населения выше, чем у додинастического Египта. Но Средние века вовсе не были периодом, лишенным важных технических инноваций (Seebohm 1927; Lizerand 1942; Slicher van Bath 1963; Duby 1968, 1998; Fussell 1972; Grigg 1992; Astill and Langdon 1997; Olsson and Svensson 2011).

Примечание 3.12. Трудозатраты при выращивании пшеницы в Европе, 200-1800 годы

Источники: расчеты базируются на информации из Baars (1973), Seebohm (1927), White (1970), Stanhill (1976) и Langdon (1986).

Одной из важнейших стал хомут для тягловых лошадей. Большей частью именно в результате его появления лошади начали заменять волов в качестве главного рабочего животного в наиболее богатых регионах континента. Но переход был очень медленным, потребовались столетия, чтобы он завершился. В самых продвинутых районах Европы он растянулся от одиннадцатого века, когда подковы и хомут прочно вошли в обиход, до шестнадцатого. Хорошо документированный прогресс в Англии показывает, что лошади составляли только 5 % всех находящихся в собственности тягловых животных во время составления «Книги судного дня» (1086), но 35 % из них были в крестьянском владении. К 1300 году, эти цифры выросли соответственно до 20 % и 45 %, и после периода стагнации лошади составили большинство среди тягловых животных, но только к концу XVI столетия.

Относительное изобилие данных по Англии показывает нам всю сложность этого перехода. Долгое время лошади просто заменяли одного из волов, другой же задавал темп в смешанной упряжке. Принятие лошадей имело четкий региональный паттерн (Восточная Англия была далеко впереди всей остальной страны), и владельцы маленьких участков земли куда охотнее использовали лошадей в хозяйстве. Различия в превалирующем типе почв (для глинистой лучше подходят волы), доступности фуража (обширные пастбища лучше для лошадей) и удаленности рынков, где можно добыть хороших рабочих животных и продать мясо (близость к городам лучше для лошадей) определяли окончательный результат. Оказывали свое воздействие и такие факторы как консерватизм и нежелание перемен, стремление снизить операционные издержки и новаторский дух. Переход был в значительной степени задержан неудачными плугами и слабостью средневековых лошадей.

Комбинация широких деревянных подошв обуви, тяжелых деревянных колес и больших деревянных же плугов с отвалом создавала колоссальное трение. Для вспашки сырой почвы порой использовали от четырех до шести животных, волов или лошадей, чтобы справиться с сопротивлением. Несмотря на сравнительную неэффективность, сочетание плоского отвального плуга и большого количества животных (с все большей долей лошадей) обеспечило значительное расширение обрабатываемых земель. Разделяя землю на поднятый отвал и находящуюся ниже борозду, отвальной плуг создавал условия для эффективного искусственного дренажа. Хотя он был определенно не таким эффективным, как в случае с чинампами, эта форма контроля излишков воды на поле имела куда более серьезные последствия. Отвальная вспашка открыла заболоченные равнины Северной Европы для культивации пшеницы и ячменя, злаков, родившихся в сравнительной сухом климате Ближнего Востока.

К концу Средних веков граница германских поселений отмечала крайнюю восточную точку распространения этой технологии. Просторные равнины между Северным морем и Уралом таким образом стали обрабатывать только к XIX веку, и к этому же времени относится появление отвального плуга на большей части Балкан. Очевидно, что его освоение стало революционным изменением, обеспечившим агрономический прогресс в северо-западной и центральной Европе и в районе Балтийского моря, и ключевым фактором постоянного сельскохозяйственного процветания холодных и сырых равнин. Мощные тягловые лошади, обычные для европейских ферм и дорог XIX века, появились в результате многих поколений селекции (Villiers 1976), но прогресс шел медленно, и средневековые лошади были едва крупнее своих предков римской эпохи (Langdon 1986). Даже в конце Средневековья большая часть животных была не выше 13–14 ладоней, тягловая сила лошади начала значительно расти только после того, как эта величина достигла 16–17 ладоней, а вес 1 тонны, что в большей части Западной Европы произошло в течение XVII века (рис. 3.13).

Рисунок 3.13. Европейские тягловые животные варьировались от маленьких; напоминающих пони коней менее двенадцати ладоней (1,2 м) в холке до высоких (более 16 ладоней), могучих лошадей с весом около 1 тонны. Силуэты животных базируются на данных из Silver (1976), приведены к единому масштабу

Шайр[1]

Брабант[2]

Это объясняет мнение времен английского Средневековья, что лошади бесполезны на тяжелой глинистой почве. По контрасту, мощные тягловые животные XIX века отлично показывали себя на сырых участках, в тяжелой глине и на неровном грунте. На протяжении XIX века пара хороших лошадей без труда выполняла за день на 25–30 % больше работы, чем упряжка из четырех волов. Подобное увеличение скорости имело следующие положительные последствия: более частая обработка существующих полей (особенно вспашка находящейся под паром земли с целью истребления сорняков), распространение растениеводства на новые земли и освобождение времени для других видов деятельности. В большей части регионов Европы ротация злаков могла обеспечить достаточный объем фуража, чтобы содержание двух лошадей обходилось дешевле, чем четырех волов. Учитывая невысокую скорость перехода от волов к лошадям, значительные региональные флюктуации в продуктивности сельского хозяйства и постоянные низкие урожаи основных зерновых, мы не можем достоверно определить, как эта продуктивность все же увеличивалась благодаря растущему числу тягловых лошадей.

Превосходство лошадей стало очевидным, только когда более мощные животные составили большую часть поголовья и их начали использовать при куда более интенсивном земледелии XVII и XVIII веков. В области транспорта преимущества лошадей были признаны намного раньше. А кроме того, рабочие лошади представляли собой значительный энергетический вызов. Тяжелая работа, ставшая возможной с появлением хомута и подков, требовала куда лучшего корма, чем просто трава или солома, которых хватало для скота. Мощные тягловые животные нуждались в концентрированной пище, в зерновых и бобовых. Таким образом, требовалось интенсифицировать земледелие, чтобы обеспечить не только людей, но и животных, и интенсивное сельское хозяйство появилось в регионах, где плотность населения была еще слишком низка, чтобы спровоцировать его возникновение без необходимости в фураже.

Изобилие исторических данных о ценах позволяет реконструировать долговременные тенденции продуктивности для целого ряда стран (Abel 1962). Естественно, существовали значительные региональные отличия, но крупномасштабные циклические флюктуации видны четко. Времена сравнительного преуспевания (1150-1300-е годы, XVI век и 1750-1850-е годы) были отмечены превращением значительных территорий лесов и болот в поля. В эти периоды также начиналась колонизация отдаленных регионов, культивация разных пищевых растений, способных разнообразить рацион питания. Периоды значительных экономических кризисов и войн приносили голод и большие потери, поля и деревни забрасывались (Centre des Recherches Historiques 1965; Beresford and Hurst 1971). Эпидемии и войны стали причиной значительной убыли населения в XIV веке. В первые десятилетия XV века в Европе оставалась едва треть населения по сравнению с 1300 годом, а Германия потеряла две пятых от численности крестьян между 1618 и 1648 годами.

Неуверенность оставалась постоянным атрибутом европейского сельского хозяйства до конца XVIII в., и отчаянное положение крестьян было очевидно даже в богатых регионах Европы в первые десятилетия девятнадцатого. Один из путешественников (Cobbett 1824, 111), ездивший по Франции в 1823 году, сообщает о своем изумлении при виде того, как «женщины разбрасывают навоз собственными руками», и отмечает, что инструменты на французских полях «выглядят как те… которые использовали в Англии много лет, возможно, столетие назад».

Но вскоре интенсивное земледелие стало нормой в большей части атлантической Европы. Его признаком был постепенный отказ от оставления земли под паром и общее принятие одной из стандартных схем севооборота. Культивация картофеля широко распространилась после 1770 года, поголовье домашнего скота выросло, удобрение навозом стало обычным делом. Во Фландрии XVIII века ежегодное внесение навоза, человеческих отходов, жмыха и пепла доходило до 10 т/га (Slicher van Bath 1963). Нидерланды в то время стали лидером по продуктивности сельского хозяйства. Около 1880 года на голландских фермах в качестве основного злака выращивали пшеницу, а кроме нее ячмень, овес, рожь, бобы, горох, картофель, рапс, клевер и зеленый фураж; менее 10 % земли оставалось под паром, и существовала тесная интеграция с разведением скота (Baars 1973).

Количество часов труда, необходимого для обработки гектара пшеницы в Голландии, мало изменилось по сравнению со Средними веками или даже римской эпохой, но лучшие параметры растений и интенсивное удобрение обеспечивали урожай почти в четыре раза больший, чем несколько столетий назад. В результате полезная энергоотдача голландского земледелия начала XIX века была 160-кратной по сравнению с менее чем 40-кратной энергоотдачей выращивания пшеницы в средневековой Англии, и с менее чем 25-кратной энергоотдачей в римском зерновом земледелии в Италии около 200 года (примечание 3.13).

Примечание 3.13. Энергетические издержки и энергоотдача при возделывании пшеницы в Европе, 200-1800 годы

Источники: расчеты базируются на информации из Seebohm (1927), White (1970), Baars (1973), Stanhill (1976), Langdon (1986) и Wrigley (2006).

Интенсификация сельского хозяйства продолжилась в большей части европейских стран после вызванного перепроизводством спада в начале XIX столетия. Прекрасные примеры прогресса того времени можно обнаружить в Германии (Abel 1962). В 1800 году около четверти германских полей лежали под паром, но эта доля снизилась до менее чем 10 % к 1883 году. Среднее потребление мяса на душу населения было менее 20 кг до 1820 года, но составило почти 50 кг к концу века. Ранний трехпольный севооборот сменился несколькими вариантами четырехпольного, в одном из них, популярном норфолкском севообороте, после пшеницы сажали репу, потом ячмень и клевер. За этой схемой следовал уже шестипольный севооборот. Внесение в почву сульфата кальция, известняка или негашеной извести позволяло корректировать кислотность почвы, и эта практика стала общей в зажиточных регионах.

Более удобные инструменты на протяжении XIX века появлялись намного чаще, и этот процесс сопровождался увеличением поголовья домашнего скота: между 1815 и 1913 годами общее количество лошадей, волов и ослов (в лошадином эквиваленте) выросло на 15 % в Великобритании, на 27 % в Нидерландах и на 57 % в Германии (Kander and Warde 2011). К 1850 году урожаи увеличились в каждом важном сельскохозяйственном регионе, и быстро совершенствующееся сельское хозяйство эффективно поддерживало столь же быстро растущее городское население. После веков колебаний плотность населения в наиболее интенсивно возделываемых регионах континента – Нидерланды, некоторые области Германии, Франция и Англия – достигла 7-10 чел./га пахотной земли к 1900 году. Этот уровень отражал значительный приток энергии, полученной непрямым способом через механизмы и удобрения, произведенные с помощью угля. Европейское земледелие конца XIX века стало гибридной энергетической системой: оно все еще в значительной степени зависело от одушевленных первичных движителей, но получало все больше преимуществ от использования энергии ископаемого топлива.

Северная Америка

История постреволюционного сельского хозяйства Северной Америки примечательна быстро растущей скоростью появления инноваций. Эти изменения привели к возникновению самой эффективной с точки зрения труда системы возделывания растений в конце XIX века (Adrey 1894; Rogin 1931; Schlebecker 1975; Cochrane 1993; Hart 2004; Mundlak 2005). На протяжении последних десятилетий XVIII века земледелие в северо-восточных штатах, и уж тем более в южных, отставало от европейского. Низкокачественные деревянные плуги с лемехами из мягкого железа и деревянными отвалами двигались с сильным трением, оставляли после себя большие комья земли и изнуряли запряженных в ярмо волов. Сеяли по-прежнему вручную, жали серпами, обмолачивали цепами, хотя на Юге использовали шагающих животных.

Все это быстро поменялось в новом веке, и первым делом – техника вспашки (Ardey 1894; Rogin 1931). Чарльз Ньюболд ввел плуг из чугуна в 1797 году; Джетро Вуд в 1814 и 1819 годах запатентовал более практичный вариант такого плуга с заменяемыми частями; к началу 1830-х улучшенные чугунные плуги начали заменять стальными. Первый был сделан из ножовочной стали Джоном Лейном в 1833-м, а производство на коммерческой основе начал Джон Дир, в 1843 году его оригинальная реклама отвала из железа обещала, что отшлифованный металл будет «чисто разрезать любую почву и не застрянет в самом отвратительном грунте» (Magee 2005).

Рисунок 3.14. Трехколесный стальной плуг (изготовлен Deere&Co в Молине, Иллинойс, в 1880-х) и двойная зерновая жатка (изготовлена в последнее десятилетие XIX века в Обрне, Нью-Йорк). Эти две инновации открыли американские равнины для крупномасштабного зернового земледелия. Воспроизведены по рисункам из Агбеу (1894)

В то время уже производили недорогую сталь в печах Бессемера, и благодаря этому отвальные плуги сделались широко доступными: Лейн предложил свой плуг из многослойной стали в 1868 году Двух- и трехколесные плуги широко распространились в течение 1860-х годов (рис. 3.14). Многолемешные плуги (до десяти лемехов), в которые впрягали до дюжины лошадей, использовались до конца столетия при освоении новых земель на севере равнинных штатов и канадских провинций прерий – Манитоба, Саскачеван и Альберта. Тяжелыми отвальными плугами из стали можно было вспахивать плотный дерн прерий, и таким образом для зернового растениеводства открылись громадные равнины Северной Америки.

От прогресса в области вспашки мало отставали и инновации в других областях. Сеялки и приводимые в движения лошадьми молотилки широко распространились к 1850 году. Первые механические жатки были запатентованы в Англии между 1799 и 1822 годами, и два американских изобретателя, Сайрус Маккормик и Обед Хасси, взяли их за основу для создания практичных машин, которые и разработали в 1830-х годах (Greeno 1912; Alderich 2002). Массовое производство началось в 1850-х, и 250 тысяч таких устройств использовались в хозяйстве на конец Гражданской войны. Первая жатка была запатентована в 1858 году братьями Марш, для работы с ней требовалось два человека, а первую удачную модель двойного узловязателя представил Джон Аплби в 1878 году.

Это изобретение было последним компонентом, необходимым для полностью механической жатки, которая выбрасывала увязанные снопы, готовые к перевозке (рис. 3.14). Быстрое распространение таких машин перед концом XIX века наряду с многолемешной вспашкой позволило освоить громадные пространства травянистых равнин не только в Северной Америке, но также в Аргентине и Австралии. Но производительность лучшей жатки вскоре превзошел первый комбайн, приводимый в движение лошадьми, который выпустила на рынок фирма Stockton Works в Калифорнии в 1880-х годах. Стандартная модель этой компании, выпускаемая после 1886 года, помогала убирать две трети пшеницы штата к 1900-му, и в это время на полях Калифорнии работало более 500 таких машин (Cornways 2015).

Крупнейшие комбайны требовали до 40 лошадей и могли убрать гектар пшеницы за менее чем 40 минут, они уже находились на границе возможностей механизмов, приводимых в движение животными, ведь запрячь и направить сорок лошадей – невероятно сложная задача. Но появление комбайнов – лучшая иллюстрация трудового сдвига, который произошел в традиционном сельском хозяйстве Америки за XIX век. В его начале фермер (80 Вт), работающий в поле, мог положиться на примерно 800 Вт тягловой силы (пара волов); к его концу фермер в Калифорнии при возделывании пшеницы имел в распоряжении комбайн в 18 000 Вт (команду из 30 лошадей), человек стал контролером энергетических потоков и перестал быть незаменимым источником энергии для полевых работ.

В 1800 году фермеру Новой Англии (посев вручную, запряженные в деревянный плуг волы, примитивные бороны, серпы и цепы) требовалось 150–170 часов труда, чтобы собрать урожай пшеницы. В 1900 году фермер в Калифорнии (движимый лошадьми многолемешный плуг, борона с пружинными зубцами, жатва с помощью комбайна) мог добыть то же количество зерна менее чем за 9 часов (примечание 3.14). В 1800 году фермеры Новой Англии тратили более 7 минут на производство килограмма пшеницы, а их потомкам в калифорнийской Сентрал-Валли требовалось на это менее минуты в 1900-м, что означает, грубо, 20-кратное увеличение производительности труда за век.

Примечание 3.14. Трудовые потребности (человек/животные) в ч/га и энергетические затраты при выращивании пшеницы в Америке, 1800–1900 годы

Первый из представленных случаев (1800) – типичная культивация в Новой Англии, когда два вола и от одного до четырех мужчин выполняют все полевые работы. Второй (1850) отражает ситуацию на ферме в Огайо, где лошади являются главной движущей силой. Третий (1875) показывает дальнейший прогресс в Иллинойсе, а последние цифры отражают характеристики самого продуктивного земледелия в США, движимого лошадьми: выращивание пшеницы в Калифорнии. Цифры в таблице – общие часы (люди/животные), потраченные на выращивание гектара пшеницы. Поскольку урожаи этого злака на протяжении XIX века особо не увеличивались, я взял за основу постоянный урожай в 20 бушелей с акра, или 1350 кг/га (18,75 ГДж/га). Расчеты базируются на данных, собранных в Rogin (1935).

В терминах затрат полезной энергии различия были даже значительнее: большая часть рабочих часов в 1800-м уходила на много более тяжелый труд, с ручным плугом, косой, цепом. А кроме того, за рассматриваемый период упали потери зерна при перевозке и хранении. По сравнению с 1800-м каждая единица энергии пищи, необходимая для ее производства, в среднем приносила в 25 раз больше съедобной энергии в 1900-м. Естественно, такой значительный прогресс только частично обязан усовершенствованиям в области инвентаря. Другой важнейшей причиной быстро выросшей энергоотдачи человеческого труда стала замена человеческих мускулов лошадиными. Американские изобретатели предоставили широкий набор инструментов и машин, но они достигли только частичного успеха в замещении тягловых животных как первичных движителей земледелия.

Обмолот был единственной важной операцией, в которой паровые машины постепенно заменили лошадей. Быстро расширяющееся сельское хозяйство Америки вынужденно полагалось на растущее поголовье лошадей и мулов. Обычно это были мощные, крупные и хорошо накормленные животные, и энергетические затраты на их содержание оказывались удивительно высокими. К 1900 году они требовали на 50 % энергии в фураже больше, чем волы Новой Англии в 1800-м, причем в виде кукурузы или овса, а не сена или соломы. Выращивание фуражного зерна снижало производство злаков для людей, и эти затраты можно оценить количественно и точно (USDA 1959). В первые два десятилетия XX века число мулов и лошадей в США оценивается в 25 миллионов. На выращивание достаточного количества фуража для этих животных отводилось около четверти всей обрабатываемой земли (примечание 3.15). Такие огромные запросы удовлетворялись только благодаря тому, что в Америке было достаточно земли. В 1910 году в стране имелось 1,5 гектара на душу населения, почти в два раза больше, чем в 1990-м, и в десять раз больше, чем в Китае того времени.

Примечание 3.15. Прокорм тягловых лошадей Америки

В 1910 году в США было 24,2 миллиона фермерских лошадей и мулов (и только тысяча маленьких тракторов); в 1918-м году поголовье тягловых животных достигло пика в 16,7 миллиона, а число тракторов увеличилось до 85 тысяч (USBC 1975). При средней дневной потребности в 4 кг зерна для работающих животных и 2 кг концентрированного корма для остальных (Bailey 1908) годовые потребности в фураже составляли, грубо, 30 МДж овса и кукурузы. При урожаях зерна примерно 1,5 т/га это требовало примерно 20 Мга земли для выращивания фуражного зерна. Кроме того, нужны были грубые корма: для рабочей лошади по меньшей мере 4 кг/сут. сена, для неработающих животных – около 2,5 кг/сут., что в целом составляет около 30 Мт сена в год. При среднем накосе сена около 3 т/га требовалось по меньшей мере 10 Мга сена каждый год. Таким образом, площадь, отведенная на выращивание корма, должна была занимать не меньше чем 30 Мга, при общем количестве ежегодно засеваемой земли в 125 Мга. Вывод – на выращивание фуража для американских сельскохозяйственных животных (работающих и неработающих) требовалось почти 25 % всех возделываемых в стране территорий. Расчеты других исследователей (USDA 1959) дают почти идентичную цифру в 29,1 Мга.

В последние десятилетия XIX века не только комбинация лучшего оборудования и изобилия лошадиной силы сделала американское земледелие столь продуктивным. В 1880-х потребление угля в США превзошло потребление древесины и начала приобретать значение сырая нефть. Производство и распространение инструментов, оборудования и машин, а также доставка сельскохозяйственных продуктов стали зависеть от поставок угля и нефти. Американские фермеры перестали быть только мастерами управления потоками солнечной энергии, им в руки попала энергия ископаемого топлива.

Громадные социоэкономические контрасты между жизнью в период династии Цин, впервые объединившей страну (221–207 годы до н. э.) и последними десятилетиями империи Цинь (1644–1911 годы), или между римской Галлией и предреволюционной Францией, заставляют нас забыть о неизменности первичных движителей и постоянстве практик базовой обработки земли на протяжении тысячелетий доиндустриальной истории. Население кормилось трудом людей и животных, применяло органические удобрения, сажало бобовые, и его численность росла только благодаря увеличению эффективности использования одушевленной энергии и интенсификации растениеводческих практик.

В таких продуктивных регионах, как северо-западная Европа, центральная Япония и прибрежные провинции Китая, урожаи достигли пределов, наложенных максимальным уровнем доступной энергии и потоками питательных веществ, к концу XIX века. При доиндустриальном сельском хозяйстве средний урожай увеличивался очень умеренно. Кроме того, оно могло обеспечить лишь базовый рацион для большинства людей даже в удачные годы, и не могло предотвратить недоедание и повторяющиеся вспышки голода. Повышение продуктивности с помощью различных средств, на первый взгляд эффективных, надежных и легко применимых, было неустойчивым и недостаточным для удовлетворения растущих потребностей.

Достижения

Прогресс в традиционном земледелии был медленным, и принятие новых методов не означало полного отказа от старых практик. Поля под паром, косы и неэффективно запряженные волы по-прежнему применялись в Европе второй половины XIX века, когда севооборот, жатки и хорошие лошади использовались почти всюду. Единственный способ уменьшить количество человеческого труда в системе, полевые работы в которой выполнялись только с помощью одушевленной силы, – это все более широкое использование тягловых животных. А такой сдвиг требовал не только лучшей упряжи, кормов и селекции, но также инноваций для создания оборудования и машин, способных облегчить или целиком заменить человеческий труд.

Прогресс в сельском хозяйстве ускорился только в XVIII столетии. Выращивание пшеницы может наглядно проиллюстрировать этот процесс. В первые десятилетия XVIII века выращивание гектара пшеницы в Европе и Северной Америке требовало почти 200 часов, почти столько же, как в Средневековье. К 1880-му году средний показатель в США снизился до 150 часов, к 1850-му – до 100 часов. К 1900-му он был меньше 40 часов, и наиболее продуктивные варианты (многолемешные плуги и комбайны в Калифорнии) позволяли выполнить эту задачу за 9 часов (рис. 3.15).

Рисунок 3.15. Увеличение эффективности культивации пшеницы в США на протяжении XIX века можно изобразить на основе данных, собранных в Rogin (1931) и USDA (1959)

Постепенная интенсификация традиционного земледелия достигалась заменой человеческого труда трудом животных со все более возрастающей продуктивностью, но несмотря на это средние урожаи почти не менялись. Нам доступна лишь скудная и неточная информация, поэтому сложно сделать долговременные оценки, но очевидно, что стагнация и предельные показатели были нормой и в Европе, и в Азии. Только по первым десятилетиям XX века имеются надежные сведения по странам и регионам. Большая часть цифр по ранним периодам в Европе относится к сравнительному возврату посаженных семян, и обычно в показателях объема, а не массы. Поскольку эти семена были мельче, чем у сегодняшних, подвергшихся селекции сортов, перевод в массу не будет точным. Более того, даже в лучших монастырских или государственных записях много пробелов, и практически все источники показывают значительные колебания год от года. В Средние века из-за экстремальных погодных условий урожая могло не хватать даже для посадок на следующий сезон.

Лучшие оценки показывают, что в раннем Средневековье для пшеницы возврат был всего лишь двукратным. Относительно достоверные долгосрочные реконструкции национальных тенденций для последних семи столетий имеются для Англии (Bennett 1935; Stanhill 1976; Clark 1991; Brunt 1999). В XIII веке посев пшеницы в Англии возвращался в размере от трех до четырех раз, с зафиксированным максимумом до 5,8. Это дает среднюю величину чуть выше 500 кг/га. Тщательный анализ всех имеющихся данных по стране показывает, что надежное удвоение этого очень низкого урожая было достигнуто только пятью столетиями позже. Урожаи пшеницы в Англии оставались на почти средневековом уровне до 1600 года, но потом они постоянно увеличивались.

Среднее значение по стране в 1500 году было удвоено перед 1800-м и утроено к 1900-му, большей частью в результате экстенсивного осушения почв и получивших широкое распространение методов севооборота и интенсивного удобрения навозом (рис. 3.16). К 1900-му британское сельское хозяйство уже извлекало значительную выгоду из улучшенного оборудования и еще большую из быстрого развития национальной экономики, опирающейся на потребление угля. Эффект от поступления энергии ископаемого топлива также хорошо виден в случае с голландскими урожаями; по контрасту, урожаи пшеницы во Франции показывают много более пологий рост даже в XIX веке; в эффективном, но экстенсивном американском сельском хозяйстве и вовсе наблюдался спад (рис. 3.16). Используя наиболее достоверные из доступных средние показатели урожая, мы можем определить, что час труда в Средние века позволял получить не больше чем 3–4 кг зерна. К 1800-му среднее значение было около 10 кг, столетием позже – около 40 кг, а лучшие показатели поднимались выше 100 кг.

Энергоотдача возрастала немного быстрее, поскольку средний час полевых работ во второй половине XIX века требовал меньшего физического напряжения, чем в Средневековье: ручная вспашка деревянным отвальным плугом с помощью пары волов забирала куда больше сил, чем управление стальным плугом, который тащат мощные лошади. Полная последовательность работ римской эпохи или раннего Средневековья в процессе выращивания пшеницы в результате давала в 40 раз больше полезной энергии в сжатом зерне. В начале XIX века хороший урожай в Западной Европе возвращал примерно в 200 раз больше энергии в пшенице, чем было затрачено на ее выращивание. К концу века значение повсеместно достигло 500, а наилучшая энергоотдача достигала 2500.

Рисунок 3.16 .Донные об урожаях пшеницы в Англии показывают долгий период стагнации, за которым последовал взлет после 1600 года. Рост был даже более впечатляющим в Нидерландах, но очень низким во Франции, в то время как в США экспансия сельского хозяйства на запад, на более сухие почвы привела к снижению урожаев. Основано на данных из USDА (1955), USBC (1975), Stanhill (1976), Clark (1991) и Palgrave Macmillan (2013)

Выигрыш полезной энергии (после того, как отложены семена на посев и вычтены потери при хранении) был по определению ниже, не более чем 25 для обычного средневекового урожая, 80-120 в начале XIX века, и обычно 400–500 к его концу. Но этот рост продуктивности труда просходил за счет более широкого использования тягловой силы и требовал значительных энергетических инвестиций в прокорм животных. В Риме на каждую единицу полезной мощности, произведенной людьми, приходилось примерно восемь единиц мощности, произведенной животными. Европа начала XIX века могла похвастаться соотношением 1 к 15, а на самых продуктивных американских фермах значение достигло 1 к 100 в 1890-х. Человеческий труд стал пренебрежимо малым источником механической энергии, и фокус труда крестьянина большей частью передвинулся в сторону управления и контроля, задач, не требующих вложений энергии, но обещающих хорошую выгоду.

Энергетические затраты на тягловую мощность росли с еще большей скоростью. Паре типичных римских волов, живших на грубом корме, не требовалось зерна для того, чтобы работать в поле, и поэтому их содержание обходилось крестьянину дешево с точки зрения урожая. Две лошади среднего размера в Европе XIX века потребляли почти 2 тонны фуражного зерна в год, примерно в девять раз больше пищевого зерна на душу населения. На протяжении 1890-х дюжине мощных американских лошадей требовалось 18 тонн овса и кукурузы в год, в 80 раз больше, чем их хозяин потреблял зерна. Только несколько богатых землей стран могли обеспечить такие объемы фуража. На прокорм 12 лошадей требовалось примерно 15 гектаров обрабатываемой земли. Средняя ферма в США имела около 60 гектаров в 1900-м, но только треть из этого количества распахивалась. Очевидно, что даже в США только крупные производители зерна могли себе позволить дюжину или больше рабочих лошадей; в 1900-м средняя величина составляла только 3 животных на ферму (USBC 1975).

Не каждое традиционное общество могло интенсифицировать сельское хозяйство, опираясь на все более высокую долю труда животных. Интенсификация земледелия, основанная на более тщательной культивации ограниченного количества пахотной земли, стала нормой для рисоводческих регионов Азии. Самые красноречивые примеры такого подхода – Япония, отдельные области Китая и Вьетнам, а также Ява, самый густонаселенный остров Индонезийского архипелага. Такой вариант получил название сельскохозяйственной инволюции (Geertz 1963), при этом использовался высокий урожайный потенциал орошенного риса и обширные энергетические инвестиции, вложенные за десятилетия и столетия труда по строительству и поддержанию в порядке ирригационных систем, заливных полей и террас.

Интенсификация земледелия на неорошаемых землях могла с легкостью привести к деградации среды (в первую очередь к эрозии почвы и потере питательных веществ), но рисовые агросистемы были намного более устойчивы. Их усердное возделывание требует огромного количества человеческого труда. Процесс начинается с тщательного выравнивания полей и работы с ростками в питомниках, и включает трудоемкие технологии вроде распределения растений по участку земли, ручной прополки и сбора отдельных растений. Но однажды налаженная, эта замкнутая на себя система становится очень прочной. Процесс поддерживает все более растущую плотность населения, но и ведет к экстремальному обнищанию. Продуктивность труда сначала стагнирует, потом начинает падать по мере того, как все большая популяция полагается на все более ограниченный рацион питания. Многие регионы Китая демонстрировали очевидные признаки культурной инволюции при династиях Мин и Цинь.

После конфликтов первой половины XX века экономика маоистского государства, основанная на массовом труде селян в колхозах, продлила инволюцию до конца 1970-х. К этому времени 800 миллионов крестьян все еще представляли более 80 % населения страны и продолжали существовать на нищенском рационе. Только уничтожение колхозов Дэном Сяопином и фактическая приватизация сельского хозяйства в начале 1980-х радикально изменили ситуацию. Некоторое количество стран Азии продолжило двигаться по спирали рисовой инволюции и после 1950-го. По контрасту, Япония сломала тренд еще после революции Мейдзи в 1868 году. Население страны между началом 1870-х и 1940 годом выросло в 2,2 раза, и этому росту соответствовал подъем средних урожаев, в то время как доля сельского населения уменьшилась вдвое, до 40 % от общей численности (Taeuber 1958).

Несмотря на фундаментальные различия, два больших паттерна интенсификации земледелия – один базировался на замене человеческого труда трудом животных, второй на максимизации вложений крестьянского труда – повышали производство пищи и медленно увеличивали плотность населения. Этот процесс лежал в основе того, что всё большая доля труда освобождалась для работ, не связанных с сельским хозяйством, и возникала профессиональная специализация, а поселения увеличивались в размерах, пока не появилась и не начала усложняться городская цивилизация.

Все эти изменения можно реконструировать только в приблизительных терминах. Численность населения в прошлом не определяется точно даже в обществах с давней традицией сравнительно полных подсчетов (Whitmore et al. 1990). Но куда сложнее найти какие угодно надежные данные для возделываемой земли, и еще труднее – о долях земельных наделов, которые на самом деле засаживались постоянно или время от времени. Вследствие этого невозможно достоверно описать изменения плотности населения. С уверенностью можно лишь сравнить минимальные показатели ранних сельскохозяйственных обществ с типичными для более позднего сельского хозяйства (извлекаются из письменных источников), а затем с лучшими достижениями наиболее интенсивного земледелия пре-диндустриальной эпохи (хорошо документированными). Среднее значение для всех древних цивилизаций начинается примерно с 1 человека на гектар пахотной земли. Только после многих столетий медленного развития эта цифра удвоилась. В Египте на удвоение ушло около 2 тысяч лет, и все выглядит так, что схожее количество времени потребовалось и Европе, и Китаю (рис. 3.17). К 1900 году лучшие средние национальные показатели составляли около 5 чел./га возделанной земли, а лучшие пиковые по регионам более чем вдвое превышали этот уровень (и на протяжении XX века рост ускорился: к 2000-му в Египте было около 25 чел./га, в Китае – 12 чел./га, в Европе – 3 чел./га). Но при сравнении плотности населения нужно также учитывать адекватность питания и разнообразие рациона.

Рисунок 3.17. Приблизительные долговременные тенденции в плотности населения на гектар возделанной земли в Египте, Китае, Мексиканской котловине и Европе, 2500 год до н. э. – 1900 год н. э. Расчеты базируются на оценках и данных из Perkins (1969), Mitchell (1975), Butzer (1976), Watrebury (1979), Richards (1990) и Whitmore and co-workers (1990)

Питание

Цифры плотности населения в доиндустриальных обществах мало говорят нам об адекватности и качестве типичных рационов. Расчет средних пищевых потребностей в традиционном обществе невозможно сделать с достаточной точностью: требуется слишком много предположений, чтобы возместить нехватку информации. Оценки продуктивности должны также опираться на кумулятивные предположения и учитывать, что реальное потребление находилось под влиянием высоких и высоко вариативных потерь после жатвы. Возможно, единственное приемлемое обобщение, основанное на документах и антропометрических данных, сводится к тому, что не было очевидной восходящей тенденции в потреблении пищи на душу населения за тысячелетия традиционного земледелия. Некоторые ранние сельскохозяйственные общества были в определенных аспектах куда более преуспевающими или как минимум не уступали своим последователям. Например, реконструкция рациона древней Месопотамии (Ellison 1981) показывает, что дневное потребление энергии между 3000 и 2400 годами до н. э. было примерно на 20 % выше, чем в начале XX века в том же регионе.

Расчеты, основанные на записях времен династии Хань, показывают, что в IV веке до н. э. в царстве Вэй от типичного крестьянина ожидалось, что он обеспечит каждому из пяти членов семьи около полукило зерна в день (Yates 1990). Цифра полностью идентична среднему показателю для Северного Китая в 1950-х, до появления там усиленного насосами орошения и синтетических удобрений (Smil 1981а). Более надежные данные для Европы также показывают значительный упадок потребления основных видов пищи даже в городах, которые обеспечивались провиантом в первую очередь. Например, годовое потребление зерна на одного человека в Риме упало с 290 кг в конце XVI века до 200 кг к 1700 году, а среднее потребление мяса от почти 40 кг до около 30 кг (Revel 1979).

Во многих случаях рацион недавнего времени был тоже менее разнообразным. Он содержал меньше животного белка, чем рацион тех времен, когда в пищу шло больше диких животных, птиц и рыбы. Этот качественный упадок вовсе не компенсировался большей доступностью базовых продуктов: базовая неравномерность в распределении, как региональная, так и социально-экономическая, была распространена в конце восемнадцатого века и сохранялась на протяжении девятнадцатого. Как правило, большинство населения всех традиционных земледельческих обществ обходилось питанием, откровенно недостаточным для здоровой и полноценной жизни. Фредерик Мортон Иден, в 1797 году составивший обзор питания английской бедноты, нашел, что даже в более богатой южной части страны базовой пищей были лишь сухой хлеб и сыр, и в домашних хозяйствах Лестершира работник «редко получает масло, обычно немного сыра и иногда мяса в воскресенье»: «Однако хлеб является главной опорой семьи, но в наше время его редко бывает достаточно, и дети обычно раздетые и полуголодные» (Eden 1797, 227).

Реконструкция рациона батраков в Англии и Уэльсе показала, что между 1787 и 1796 годами они в среднем получали всего 8,3 кг мяса в год (Clark, Huberman and Lindert 1995); потребление мяса беднейшей половиной населения Англии составляло едва больше 10 кг к 1860-м (Fogel 1991). А в Восточной Пруссии треть сельского населения не могла позволить себе достаточно хлеба и в 1847 году (Abel 1962).

Даже в откровенно сытые времена типичный рацион – дающий более чем адекватное питание в терминах общей энергии и базовых питательных веществ – был очень однообразным, а сама еда – не особенно вкусной. В большей части Европы хлеб (обычно темный, в северных регионах с малым добавлением пшеничной муки или вовсе без нее), грубое зерно (овес, ячмень, гречка), репа, капуста и позже картошка составляли основу повседневного рациона. Их часто комбинировали в жидких супах и рагу, и ужин мало чем отличался от обеда или завтрака. Типичный сельский рацион в Азии даже в большей степени определялся несколькими злаками. В Китае просо, пшеница, рис и кукуруза давали более четырех пятых всей пищевой энергии. В Индии ситуация была почти такой же.

Сезонное изобилие овощей и фруктов регулярно оживляло эту монотонность. Обитатели Азии могли полагаться на капусту, редис, лук, чеснок, имбирь, груши и персики, а также апельсины. Капуста и лук входили в число важных европейских продуктов наряду с репой и морковью; яблоки, груши, сливы и виноград вносили наибольший вклад со стороны фруктов. Наиболее важными видами для Мезоамерики были томаты, чайот, перец чили, папайя и авокадо. Типичная азиатская сельская диета всегда была преимущественно вегетарианской, и так же дело обстояло в Америке, где, помимо собак, не держали крупных домашних животных. Некоторые регионы Европы могли наслаждаться изобилием мяса в периоды процветания, но при этом в типичный рацион входили только небольшие его порции. Животный белок большей частью получали из молочных продуктов. Жаркое, тушеное мясо, пиво, пироги и вино употребляли в основном только в религиозные праздники, на свадьбах или гильдейских банкетах (Smil 2013d).

Даже при питании, дававшем достаточно энергии и белка, часто возникал дефицит витаминов и минералов. В рационе Месопотамии, который опирался на высокие урожаи ячменя, не хватало витаминов А и С: древние надписи сообщают нам о слепоте и цингоподобных заболеваниях (Ellison 1981). В последующие тысячелетия нехватка этих двух микронутриентов была распространена за пределами тропиков. Крайне низкое потребление мяса приводило к хронической недостаче железа там, где редко ели зеленые лиственные овощи. Рацион с преобладанием риса приводит к дефициту кальция, особенно у детей: в южном Китае потребление этого минерала составляло менее половины от рекомендованной дневной нормы (Buck 1937). Однообразное и не соответствующее потребностям организма питание, а также недоедание остаются нормой и сегодня во многих бедных странах, где плотность населения превысила лимиты, которые может обеспечить даже самое интенсивное традиционное земледелие.

Ограничения

Несмотря на медленный прогресс в уровне продуктивности и урожаях, традиционное земледелие стало колоссальным эволюционным скачком. Сложная культура не могла бы возникнуть без высокой плотности населения, поддержанной постоянным растениеводством. Даже обычный урожай базового злака мог прокормить в среднем в десять раз больше людей, чем если бы тот же участок земли использовали для подсечно-огневого земледелия. Но существовали очевидные ограничения плотности населения, достижимой с помощью традиционного сельского хозяйства. Более того, среднее обеспечение продовольствием редко превосходило экзистенциальный минимум, и сезонная нехватка пищи и повторяющийся голод ослабляли даже общества со сравнительно низкой плотностью населения, плодородными почвами и развитыми агрономическими навыками.

Объем нужной энергии был самым распространенным ограничением в процессе замещения человеческого труда трудом животных. Необходимость производства концентрированного корма для работающих животных мешала повышать урожаи пищевого зерна. Даже в богатых землей сельскохозяйственных обществах с экстраординарным уровнем производства пищи тренд замены не мог уйти сильно дальше американских достижений в конце XIX века. Тяжелые многолемешные плуги и комбайны обозначили практический лимит приводимого в движение животными растениеводства. Помимо необходимости кормить большое количество животных, используемых только в краткие периоды полевых работ, много труда уходило на их чистку, содержание в конюшнях, замену подков. Ну и серьезные логистические сложности возникали при попытке запрячь и направить большие группы животных. Существовала очевидная потребность во много более мощном первичном движителе – и тот вскоре появился в виде двигателя внутреннего сгорания.

Пределы плотности населения в обществах, попавших в петлю сельскохозяйственной инволюции, были достигнуты благодаря возможности существовать на постепенно уменьшающейся трудовой отдаче на душу населения. Выигрыш от этой стратегии оказался ограничен максимальной возможностью введения азота в повторный оборот. Наиболее интенсивное использование традиционных источников азота – органические отходы и «зеленый навоз» в виде посадок бобовых – обеспечивало достаточное количество питательных веществ, чтобы поддерживать 12–15 чел./га обработанной земли. Производство навоза нельзя было расширить за пределы, установленные доступностью фуража для животных. В интенсивно возделываемых регионах на корм годились только остатки от перерабатываемых растений. Кроме того, процесс удобрения с помощью навоза и человеческих отходов требует напряженного, повторяющегося труда, чтобы собрать, перевезти и внести в почву органический материал.

Единственной универсальной, доступной всем и эффективной альтернативой был севооборот, в котором требующие удобрения культуры чередовались с бобовыми растениями. Однако это тоже ограниченное решение, поскольку частая посадка «зеленого навоза» может поддерживать высокое плодородие почвы, но их собственный урожай будет неизбежно ниже, чем у базовых злаков. Бобовые можно культивировать большей частью без внесения азота, но два класса продуктов питания взаимозаменяемы только до тех пор, пока сравнимо валовое содержание энергии в них. В бобовых много белка, но их сложно переваривать, а часто еще и трудно употреблять в пищу. Более того, их нельзя использовать при выпечке хлеба или, за несколькими исключениями, для изготовления макарон. Поэтому обычно, едва общество становилось богаче, в структуре питания заметно уменьшалось использование бобовых.

Вне зависимости от исторического периода, условий окружающей среды или превалирующего способа земледелия никакое традиционное сельское хозяйство не могло постоянно производить достаточно пищи, чтобы устранить недоедание. Все варианты оказались уязвимы перед лицом голода, и даже общества, практикующие самое интенсивное сельское хозяйство, не были застрахованы от повторяющихся катастроф, естественными причинами которых чаще всего являлись засухи или потопы. Крестьяне 20-х годов в Китае вспоминали три неурожая, пришедшихся на их жизнь, которые оказались достаточно серьезными, чтобы вызвать голод (Buck 1937).

Подобный голод длился в среднем десять месяцев, и до четверти пострадавшего населения приходилось есть траву и кору. Почти одна седьмая населения покидала деревни в поисках пропитания. Схожий паттерн можно было найти в большинстве обществ Азии и Африки. Некоторые случаи голода оказывались настолько опустошительными, что оставались в коллективной памяти на поколения и приводили к значимым социальным, экономическим и агрономическим изменениям. Примеры таких событий – вызванные морозом и засухой неурожаи кукурузы в Мексиканской котловине между 1450 и 1454 годами (Davies 1987), гибель зараженного фитофторой картофеля в Ирландии между 1845 и 1852 годами (Donnelly 2005), и великий голод в Индии, вызванной засухой в 1876–1879 годах (Seavoy 1986; Davis 2001).

Почему доиндустриальные общества не могли защитить себя от повторяющейся нехватки пищи, имевшей столь драматические последствия? Либо увеличивая площадь обрабатываемых земель, либо интенсифицируя растениеводство, либо совмещая то и другое, они постоянно пытались это сделать. Но в подавляющем большинстве случаев такие шаги предпринимались неохотно и обычно откладывались так надолго, что природные катастрофы предсказуемым образом вызывали массовый голод. Существует очевидная энергетическая причина для подобной медлительности: и освоение новых земель, и интенсификация требуют более высокого вложения энергии. Даже в обществах, которые могли себе позволить много тягловых животных, дополнительные энергетические затраты приходилось обеспечивать более долгими часами работы и большим напряжением человеческих сил.

Более того, интенсифицированное производство еды часто имело худшее соотношение выгода/затраты, чем его менее интенсивный вариант, который использовался ранее. Ничего удивительного, что традиционные земледельцы старались отложить это грандиозное вложение труда, сопровождающееся снижением энергоотдачи. Обычно они расширяли свои поля или интенсифицировали их обработку только когда были вынуждены обеспечивать базовые потребности постепенно растущего количества людей. В долгосрочной перспективе неохотное расширение и интенсификация могли поддержать значительно большее население, но потребление пищи на человека и качество среднего рациона почти не менялись в течение столетий и даже тысячелетий.

Это нежелание расширения или интенсификации постоянно проявляло себя во всеобщей приверженности к менее энергозатратным сельскохозяйственным практикам. Обычно требовалось очень много времени, чтобы перейти от кочевого земледелия к оседлому, и крестьяне неохотно осваивали новые земли или начинали обрабатывать поля другим способом. Когда локальное или региональное производство пищи уже не могло поддерживать постепенный рост популяции, люди в первую очередь пытались расширить участки обрабатываемой земли и только потом думали об интенсификации использования уже имеющейся. Таким образом ушли столетия, даже тысячелетия на то, чтобы перейти к севообороту от намного менее эффективного способа оставлять землю под паром.

Можно привести достаточно исторических примеров, которые иллюстрируют такие неохотные шаги. Подсечно-огневое земледелие в лесистых регионах обеспечивало базовое существование и скудную материальную собственность, но во многих обществах оно оставалось предпочитаемым образом жизни даже несколько поколений спустя после контактов с оседлыми земледельцами. Резкий контраст между крестьянами и обитателями гор можно было видеть в XX веке в провинциях Южного Китая, во всей Юго-Восточной Азии и во многих областях Латинской Америки и Африки к югу от Сахары, но практика оказалась на удивление живучей и в Европе.

В Иль-де-Франс, плодородном регионе вокруг Парижа, подсечно-огневое земледелие (поля оставляли после двух урожаев) существовало еще в начале XII века (Duby 1968). И на окраинах континента, в северной России и Финляндии, его практиковали еще в XIX веке, а в некоторых местах и в двадцатом (Darby 1956; Tvensberg

1995) (рис. 3.18). Нежелание расширять культивацию лучше всего видно по тому, что крестьяне, обитающие в низинах, не стремились занять ближайшие горы или болота. Деревни в Европе эпохи Каролингов были перенаселены, и зерна постоянно не хватало, но за исключением отдельных регионов Германии и Фландрии никто не пытался создать новые поля за пределами самых легких для обработки земель (Duby 1968). Более поздняя история Европы полна волнами германских миграций из плотно населенных западных регионов. Вооруженные более современными отвальными плугами, мигранты осваивали территории, которые аборигены – крестьяне Богемии, Польши, Румынии и России – считали непригодными для земледелия и создавали источники для национальных конфликтов в будущем.

Расширение обрабатываемых земель требовало больших вложений дополнительного труда, но как правило одноразовые энергетические инвестиции были всего лишь малой частью того, что понадобилось бы потратить на выращивание нескольких сортов растений, удобрение, террасирование, ирригацию или поднятие полей при интенсификации сельского хозяйства. И поэтому даже в сравнительно густо заселенных регионах Азии и Европы требовались тысячелетия, чтобы перейти от экстенсивного оставления земли под паром к севообороту и интенсивному растениеводству В Китае каждая династия в первые годы провозглашала политику расширения обрабатываемых земель в качестве первоочередной меры, необходимой, чтобы прокормить растущее население (Perdue 1987). В Европе оставление под паром 35–50 % земли было все еще распространено в начале XVII столетия. Более интенсивный трехгодичный севооборот сосуществовал в Англии с двухгодичным с XII века и одержал победу только в восемнадцатом (Titow 1969).

Рисунок 3.18. Подсечно-огневое земледелие в Европе конца XIX века. На этой фотографии, сделанной И. К. Инха в 1892 году в Эно, Финляндия, женщины выжигают склон перед тем, как он будет вспахан и засажен зерновыми или корнеплодами

Ничего удивительного, что переход от кочевого к оседлому земледелию и его дальнейшая интенсификация происходили обычно в первую очередь в районах с худшими почвами, с меньшим количеством пахотных земель, скудными или неравномерными осадками. Давление окружающей среды и высокая плотность населения определенно не могут объяснить каждый случай и тем более время появления того или иного усовершенствования в сельском хозяйстве, но прямая связь очевидна. Отличный ранний пример пришел к нам из археологических находок в северо-западной Европе. Существуют очевидные свидетельства того, что переход от неолита к бронзовому веку начался в регионах, где было мало пахотной земли, на территории современных Швейцарии и Британии (Howell 1987).

Изобилие земельных ресурсов в центральных областях культуры Сена-Уаза-Марна привело к дальнейшему расширению экстенсивного растениеводства, а вовсе не к его интенсификации и последующей централизации. Археологические находки также показывают, что интенсификация у майя Юкатана началась там, где почва была либо очень плохой (сухой), либо очень плодородной (и увеличивалась плотность населения), а не там, где все шло в среднем хорошо (Harrison and Turner 1978). Исторические записи говорят о том же: интенсификация обычно происходила в первую очередь либо в суровой окружающей среде (пустынный или полупустынный климат, плохие почвы), либо в регионах с большой плотностью популяции.

Например, провинция Хунань с хорошими аллювиальными почвами и обильными в норме осадками в наши дни является одним из крупнейших производителей риса в Китае. В начале XV века – более чем через тысячелетие после того, как в сухой и склонной к эрозии долине реки Вэйхэ (где расположен Сиань, старейшая династическая столица страны) перешли к интенсивному земледелию, – она была все еще малонаселенным фронтиром. И крестьяне в густонаселенной Фландрии на столетие или два опережали современников из Германии и Франции в том, что касалось осушения болот и использования удобрений (Abel 1962). Все эти факты можно обобщить как фундаментальное предпочтение крестьянских сообществ минимизировать количество труда, необходимого для того, чтобы получить базовый рацион и минимум собственности для выживания. За исключением культурных различий, все крестьяне традиционной эпохи вели себя как азартные игроки. Они пытались удержаться на скользком краю излишка пищи слишком долго, ставя на то, что погода даст возможность получить хороший урожай и через год. Но учитывая низкую продуктивность полей и сравнительно высокое соотношение семена/ жатва, они время от времени проигрывали, и часто катастрофически.

Подобный шаблон поведения – достижение минимального уровня продовольственной безопасности и материального благополучия с наименьшими затратами физического труда – назвали (Seavoy 1986) «компромиссом существования». Вторым ключевым компонентом такой стратегии, нацеленной на снижение труда на душу населения, является высокий уровень рождаемости. Энергозатраты на беременность и выращивание еще одного ребенка пренебрежимо малы по сравнению с его трудовым вкладом, а тот можно получать с очень раннего возраста. Как замечает исследователь (Seavoy 1986, 20): «Иметь много детей и передавать им трудовые обязанности как можно раньше является высокорациональным поведением в крестьянских обществах, где хорошая жизнь равняется минимальным трудовым затратам, а вовсе не обладанию большим количеством имущества». Но упорное подчеркивание того факта, что крестьяне всегда и всюду рассматривали праздность как первичную социальную ценность, неприемлемо. Схожим образом, другой исследователь (Clark 1987), очевидно, не имея представления о гипотезах коллеги, попытался объяснить значительную разницу между продуктивностью сельского хозяйства в начале XIX века в США и Британии с одной стороны и в Восточной Европе с другой почти исключительно тем, что в англоязычных странах люди быстрее работали. При таких необоснованных обобщениях не берется во внимание влияние многих других важных факторов. Условия окружающей среды – качество почвы, количество осадков и их распределение по сезону, доступность земли на душу населения, удобрения, пища, возможность использовать тягловых животных – всегда вносили значительные коррективы. И точно так же влияли социоэкономические особенности (форма землевладения, налоги, барщина, собственность на животных и доступ к капиталу) и технические инновации (лучшие агрономические методы, селекция животных, плуги, устройства для культивации и жатвы).

Некоторые из этих факторов были учтены при убедительном пересмотре (Komlos 1988) более ранних обобщений. Без сомнений, многие культуры придавали малую социальную ценность физическому труду по обработке земли, и существовали важные различия в скорости работы между традиционными формами земледелия. Но эти выводы вырастают из сложной комбинации социальных и экологических факторов, а не только из упрощенного различия между склонными к праздности пейзанами, лишенными мотивации к накоплению материальной собственности, и трудолюбивыми фермерами, которыми движет желание накопить как можно больше.

Менее спорным обобщением выглядит утверждение, что физической работы избегали при любой возможности. На практике это означало, что некоторую долю ее передавали женщинам и детям, обычно обладавшим в крестьянских обществах более низким статусом. Женщины отвечали за значительную часть полевых и домашних работ практически в каждой традиционной культуре. И поскольку даже беременность и кормление ребенка не были таким уж сложным делом в терминах дополнительного питания, а дети часто начинали работать уже в 4–5 лет, большие семьи служили наименее энергоемким способом минимизации труда взрослых, а также обеспечения сытой старости.

В тех традиционных обществах, которые базировались почти исключительно на человеческом труде, было очевидно рациональным минимизировать индивидуальную трудовую ношу с помощью большой семьи. Но эта стратегия сильно затрудняла увеличение среднего объема пищи на душу населения и тем самым борьбу с возможным голодом. В других традиционных обществах, где тягловые животные выполняли большую часть или почти все сложные задачи, связь между человеческим трудом и сельскохозяйственной продуктивностью слабела. Но в таких обществах приходилось значительную долю земли (и урожая) отдавать на то, чтобы прокормить работающих животных.

Только энергия ископаемого топлива – прямо в виде топлива и электричества, косвенно в виде химикалий и механизмов – могла поддержать одновременно и увеличение популяции, и рост уровня снабжения продовольствием. Гибридное сельское хозяйство (использующее энергию ископаемого топлива в косвенном виде) впервые появилось в Великобритании, затем в Западной Европе и США, после введения в обиход железных и стальных инструментов и механизмов, изготовленных из металла, для плавки которого использовался кокс, а не древесный уголь (впервые – в 1709 году в Англии). Но даже к 1850 году западное земледелие в массе своей зависело от солнечной энергии, и хотя металлические машины и механизмы распространились за вторую половину столетия, ископаемое топливо начало вносить значительный вклад только после 1910 года, с началом широкого применения тракторов, грузовиков и синтетических азотных удобрений – всех достижений, которые описываются в пятой главе.

Одушевленный труд и конверсия кинетической энергии воды и ветра (с помощью парусов и мельниц) были единственными первичными движителями в традиционных обществах до появления паровых машин. Хотя последующее выведение из оборота традиционных первичных движителей было сравнительно быстрым, важность водяных и ветряных мельниц сохранялась (и даже увеличивалась) на протяжении первой половины XIX века, парусники потеряли значение в качестве средства океанского транспорта только после 1880 года, а тягловые животные доминировали даже в наиболее развитых обществах Запада до конца Первой мировой. На ранних стадиях индустриализации резко выросла потребность в человеческом труде, начиная от по-настоящему напряженной добычи угля или производства железа и стали и заканчивая тысячами утомительных задач, и детский труд был широко распространен в Европе и США даже в начале двадцатого века. В 1900 году около 26 % мальчиков 10–15 лет работали, а в сельском хозяйстве были заняты 75 % детей, в основном девочки (Whaples 2005).

Высокие нагрузки и детский труд до сих пор никуда не исчезли в большей части сельских районов Африки к югу от Сахары, а также в беднейших районах Азии. Африканские женщины все так же таскают тяжелые вязанки хвороста, а в Индии женщины ломают камень маленькими молотками. В Индии, Пакистане и Бангладеш мужчины разбирают старые суда на горячих пляжах (Rousmaniere and Raj 2007), а в Китае крестьяне добывают уголь в небольших деревенских шахтах. Миллионы людей все еще подвергаются разным формам принуждения или находятся в прямом рабстве, служат предметом торговли (International Labour Organization 2015). Сохраняющаяся зависимость от человеческого труда (в том числе в нечеловеческих условиях) является одной из самых ярких меток, определяющих различие между богатыми и бедными странами. Однако даже на Западе тяжелый ручной труд (в подземных угольных разрезах, металлургии, лесной отрасли, рыболовстве) существовал еще в 1960-х годах, а использование одушевленных первичных движителей не только вопрос истории: это одна из тех давно установленных опор, на которых покоится наше нынешнее преуспевание.

Рассказ о первичных движителях доиндустриальной эпохи будет неполным без упоминания об изобретении (в Средние века), распространении и исторической важности пороха. Священный ужас перед громом и молнией можно обнаружить в любой древней высокой культуре. Желание превзойти разрушительную силу этих явлений можно найти во многих повествованиях и сказках (Lindsay 1975). Но тысячелетиями людям была доступна только бледная имитация: прикрепить горючий материал к головкам стрел или выстрелить чем-нибудь пылающим из катапульты. Для создания горючих веществ использовались сера, нефть, битум и негашеная известь. Но только изобретение пороха позволило скомбинировать поступательную силу с взрывчатой и воспламеняющей мощностью.

Одушевленная мощность

Одушевленная энергия оставалась самым важным первичным движителем большую часть истории человечества, до середины XX века. Ее ограниченность, определенная метаболическими требованиями и механическими свойствами тел людей и животных, сдерживала развитие доиндустриальных цивилизаций. Общества, получавшие энергию почти исключительно (как в случае с древней Месопотамией и Египтом, с парусными кораблями в виде единственного исключения) или большей частью от одушевленных источников, – средневековая Европа может служить отличным примером, силу ветра и воды там использовали только для решения ограниченных задач, а в сельском Китае все обстояло так еще два поколения назад, – не могли обеспечить продовольственную безопасность и материальное процветание для большинства своих членов.

Существовало только два практичных способа увеличения объема полезной одушевленной энергии: концентрировать индивидуальный вклад или использовать механические устройства для перенаправления и усиления мускульного напряжения. Первый подход быстро упирался в практические ограничения, особенно если речь шла о прямом применении человеческих мышц. Даже неограниченная трудовая сила мало поможет передвигать сравнительно маленькие, но тяжелые объекты, поскольку за них может взяться только небольшое количество людей. И пусть группа людей может нести тяжелый объект, его нужно сначала поднять, чтобы закрепить шесты или привязи, а это часто не так просто. Возможности людей в подъеме и передвижении грузов ограничены весами, значительно меньшими, чем масса их собственных тел. Традиционные паланкины, которые использовались в большинстве обществ Старого Света, носили два человека, на каждого приходилось от 25 до 40 кг, а сам груз опирался на шесты, покоившиеся на плечах носильщиков.

Разгружавшие и загружавшие корабли и телеги римские saccarii поднимали и носили (на короткие дистанции) мешки в 28 кг (Utley 1925). Более тяжелые грузы перемещали с помощью простых устройств, дававших значительное механическое преимущество: обычно применением меньшей силы для передвижения на большее расстояние. Пять таких устройств были широко распространены в древности Старого Света, Филон (в III веке до н. э.) перечислил их: колесо, ось, система блоков, клин (наклонная поверхность) и бесконечный винт. Используя эти инструменты и простые машины, люди могли развертывать меньшие силы на большие дистанции, тем самым увеличивая размах своих действий (примечание 4.2). Три простейших средства получения механических преимуществ – рычаги, наклонные поверхности и блоки – использовались практически во всех старых культурах (Lacey 1935; Usher 1954; Needham 1965; Burstall 1968; Cotterell and Kamminga 1990; Wei 2012).

Рычаги представляли собой жесткие, тонкие куски дерева или металла, по мере поворота вокруг точки опоры они обеспечивали выигрыш в силе, который легко определить как коэффициент плеч рычага (рабочего и грузового). Оба измеряются от точки опоры, и чем выше величина, тем легче и быстрее решается задача. Использование рычагов в античности варьировалось от приведения в движение весельных кораблей до перемещения тяжелых грузов (рис. 4.2). Рычаги классифицируют по точке приложения силы (рис. 4.2). Первый класс рычагов, где точка опоры находится между грузом и приложенной силой, действует в противоположном направлении от давления груза. Точка опоры рычагов второго класса расположена на одном из концов, а сила действует в том же направлении, куда давит груз. Рычаги третьего класса не дают выигрыша в силе, но увеличивают скорость груза, что очевидно из того, как работают катапульты, мотыги и косы.

Примечание 4.2. Работа, сила и расстояние

Работа происходит, когда сила – не имеет значения, обеспеченная одушевленными или неодушевленными первичными движителями, – меняет состояние движения некоего тела. Величина работы равняется производной от приложенной силы и перемещения тела в направлении, в котором сила действует. В формальныхтерминахсила в один ньютон и перемещение на один метр требуют энергии в один джоуль (Дж а Нм). Просто чтобы ощутить порядок величин: подъем книги в 1 кг со стола (0,7 м над полом) и помещение ее на полку (1,6 м над полом) требует работы почти в 9 Дж. Подъем среднего камня пирамиды Хуфу (около 2,5 т) на один ряд выше (около 75 см) требовал около 18 тысяч джоулей (18 кДж), или в 2000 раз больше энергии, чем перемещение книги.

Естественно, то же самое количество работы может быть выполнено приложением более мощной силы на меньшем расстоянии или меньшей силы на большем расстоянии: любое устройство, которое превращает малое вложение силы в большую отдачу силы, обеспечивает выигрыш, чья величина измеряется как бесконечно малое соотношение двух сил. Этот выигрыш в силе эксплуатировали с доисторических времен, используя рычаги и наклонные поверхности, а позже и блоки. Существует бесчисленное множество примеров подобных действий в повседневной жизни, от открывания замка ключом (ряд клиньев, то есть наклонных поверхностей, двигает стержень в замке) до выдергивания гвоздя гвоздодером (рычаг).

Обычные ручные инструменты, где применяются рычаги первого класса – монтировка, ножницы и (двойной рычаг) клещи. Чаще всего используемые рычаги второго класса – это ручные тележки (Needham 1965; Lewis 1994). Китайские тележки, применяемые со времен династии Хань, как правило имели большое (90 см в диаметре) центральное колесо, вставленное в деревянную раму. С грузом прямо над осью они могли везти немало (обычно 150 кг); подобные устройства использовались крестьянами, чтобы доставить продукты на рынки, а иногда для транспортировки людей, садившихся по бокам (Hommel 1937). Чтобы облегчить движение, поднимали маленькие паруса. Европейские тачки впервые надежно прослеживаются по документам в высоком Средневековье (конец XII – начало XIII веков), и впоследствии они использовались большей частью в Англии и Франции, обычно при строительстве и в горном деле. Их точка опоры была в конце, что требовало большего напряжения от толкающего человека, но они все же обеспечивали значительный (обычно в три раза) выигрыш в силе.

Рисунок 4.2. Три класса рычагов различаются по точке, в которой прилагается сила, по отношению к объекту (чей вес W всегда действует вниз) и по точке опоры (F). В рычагах первого класса сила действует в направлении, противоположном весу объекта. В рычагах второго класса сила оказывает воздействие в том же направлении, что и объект, но оба рычага дают одно и то же преимущество: выигрыш мощности за счет расстояния. В рычагах третьего класса сила действует на более короткое расстояние, чем объект, результатом чего является выигрыш в скорости. Первые два класса рычагов имеют бесчисленное множество способов приложения в подъеме и перемещении объектов, а также в создании механизмов. Фрагмент частично реконструированного ассирийского барельефа из Ниневии (около 700 лет до н. э.) показывает большой рычаг, который используют, чтобы перемещать огромную статую крылатого быка с человеческой головой. Репродукция из Layard (1853)

Колесо и ось формируют циркулярный рычаг, у которого длинное плечо – расстояние между осью и внешним краем колеса, а короткое – радиус оси, что дает большой выигрыш в силе, даже при тяжелых колесах и неровной поверхности. Первые колеса (использовались в Месопотамии ранее 3000 лет до н. э.) были из сплошного дерева, колеса со спицами появились тысячелетием позже, сначала на колесницах, а трение было снижено благодаря железному ободу. Огромная важность колеса для Старого Света может быть проиллюстрирована невероятной скоростью распространения колесных устройств, их количеством и разнообразием. Любопытно, что цивилизации Америки не изобрели колеса, а в пустынных районах многих мусульманских стран вьючные верблюды оказались более удобным транспортом, чем запряженные быками телеги (Bulliet 1975, 2016).

Если пренебречь трением, то выигрыш в силе при использовании наклонной поверхности равняется соотношению длины поверхности и высоты, на которую поднимается объект. Трение может значительно снизить эту величину, и именно поэтому для высокой эффективности требовались гладкие поверхности и смазка (вода оказалась самым простым и дешевым вариантом). Согласно Геродоту, насыпи были главным средством, с помощью которого тяжелые камни с берега Нила доставляли к месту строительства великих пирамид, и последовало множество спекуляций по поводу того, как использовали эти насыпи во время сооружения усыпальниц (позже в этой главе я объясню, почему мы должны забраковать некоторые варианты). Самый распространенный сегодня вид таких поверхностей – рампы, от металлических, предназначенных для загрузки самолетов и кораблей, до мягких надувных, чья задача – выгрузить пассажиров из того же самолета в случае экстремальной ситуации.

Клинья – это двойные наклонные поверхности, распространяющие большие боковые силы на малые расстояния. Их использовали повсеместно для раскалывания камней, когда куски дерева вбивали в трещины и затем смачивали, или как режущие поверхности тесаков и секир. Винты, впервые примененные в прессах для давки оливок и винограда в античной Греции, – циркулярные наклонные поверхности, обернутые вокруг цилиндра. Как отмечалось в предыдущей главе, винты также использовались для подъема воды на небольшую высоту. Их значительный выигрыш в силе означает, что работники способны обеспечить высокое давление при минимальном усилии. Во многих вариантах винты (производимые сейчас массово и обычно затягиваемые поворотом по часовой стрелке) используются в качестве постоянных креплений.

Простой шкив или блок, состоящий из колеса с желобчатым ободом, на который намотана веревка или канат, был изобретен в VIII веке до н. э. и значительно облегчил обращение с грузами. Он перенаправляет силу, но при этом не обеспечивает выигрыша в ней, и его использование может привести к случайному падению груза. Храповик и защелка помогли решить последнюю проблему, а применение нескольких блоков дало шанс справиться с первым недостатком, поскольку сила, требующаяся для подъема объекта, почти в точности обратно пропорциональна количеству блоков (рис. 4.3). Mechanica, труд, приписанный Аристотелю, но сочиненный не им (Winter 2007), показывает ясное понимание выигрыша в силе при использовании такого устройства.

Рисунок 4.3. Силы равновесия в блоках определяются числом тросов. Нет никакого выигрыша в силе в случае А. В случае В вес 3 распределен на два параллельных троса, и поэтому на свободный конец необходимо поместить только Р/2, чтобы восстановить равновесие, в случае С Р/6, и так далее. Работник; перемещающий строительные материалы с помощью ступенчатого шкива, похожего на архимедов (D), может поднять (игнорируя трение) камень в 200 кг с силой в 25 кг, но подъем на 10 метров потребует вытянуть 80 метров троса. Храповик и защелку можно использовать, чтобы не тянуть непрерывно

Китайцы в древности настолько часто пользовались блоками, что даже дворцовые представления не обходились без них, и однажды целый кордебалет из 220 девушек в лодках был вытянут по склону из озера (Needham 1965). Но определенно самым известным античным свидетельством эффективности ступенчатого шкива стала демонстрация Архимеда перед царем Гиероном, отраженная в «Жизнеописаниях» Плутарха. Когда Архимед «заявил, что если бы существовал другой мир и он мог попасть туда, то мог бы подвинуть этот», Гиерон попросил его продемонстрировать должным образом это утверждение.

«Архимед остановился на трехмачтовом торговом корабле из царского флота, который вытащили на берег благодаря усилиям многих людей, и после того, как корабль взял на борт множество пассажиров и обычный груз, Архимед расположился на расстоянии от него и без каких-либо усилий, но простым движением руки привел в движение ступенчатый шкив, и корабль двинулся к нему быстро и ровно, как если бы шел по воде» (Plutarch 1961, iv: 78–79).

Три класса механических устройств – лебедки и капстаны, ступальные колеса и зубчатые передачи – стали наиболее важными элементами приложения человеческой силы, необходимыми для подъема, дробления, разбивания и трамбования (Ramelli 1976 [1588]). Лебедки обычно использовали не только для подъема воды и строительных материалов (с помощью кранов), но также для того, чтобы заряжать самое разрушительное стационарное оружие древности, большие катапульты, которые применяли при осаде городов и крепостей (Soedel and Foley 1979). При использовании горизонтальных лебедок, на которые для удобства хватки ставили четыре рукоятки (рис. 4.4., слева) и вертикальных капстанов (рис. 4.5), энергия вращательного движения передавалась с помощью веревок или цепей. Коленчатые рычаги, впервые появившиеся в Китае во II веке н. э., а в Европе на несколько столетий позже (рис. 4.4., справа), еще больше облегчили эту задачу, за исключением того, что скорость ручного (или ножного) привода должна была соответствовать скорости приводимой в движение машины (часто – токарного станка).

Рисунок 4.4. Шахтеры использовали как горизонтальные лебедки (слева), так и коленчатые рычаги (справа), чтобы откачивать воду из шахты. Тяжелое деревянное колесо, иногда с кусками свинца на спицах, помогало трансформировать импульс и облегчало задачу. Воспроизведено из Agricola «De re metallica» (1912 [1556])

Рисунок 4.5. Восемь человек вращают большой вертикальный капстан на французской мануфактуре середины XVIII века. На капстан накручивается веревка, прикрепленная к пинцету, а тот протаскивает золотой провод через волочильную машину. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Это ограничение было преодолено только с помощью коленчатого рычага, способного двигать большое деревянное или железное колесо (барабанное колесо), которое независимым образом монтировалось на тяжелом валу, а его движение уже передавалось на станок с помощью ремня. Это позволило применять различные скорости вращения, а импульс большого колеса помогал держать темп, даже когда случались флюктуации в приложении мускульной энергии. Данная средневековая инновация сделала возможной аккуратную обработку деревянных и металлических деталей, которые использовались для создания большого числа точных механизмов, от часов до первых паровых двигателей, но она не устранила потребности в тяжелой работе при резке металла (рис. 4.6). Работники Джорджа Стефенсона, который применял барабанное колесо, чтобы изготовить детали первого парового локомотива, должны были отдыхать каждые пять минут (Burstall 1968).

Рисунок 4.6. Барабанное колесо, приводимое в движение рычагом, использовалось для металлообрабатывающего станка. Меньшее колесо применяли для работы с большими диаметрами, и наоборот. На заднем плане мужчина работает на деревообрабатывающем станке с ножным приводом. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Использование сильнейших мышц человеческого тела (спины и ног) на ступальных колесах позволяло добиться большей мощности, чем на устройствах с ручным приводом. Крупнейшие ступальные колеса (их тоже иногда называли барабанными колесами) были двойными, и их ободы, соединенные обшивкой, создавали поверхность, на которую и вступали люди. Барельеф из римской гробницы Хатери (100 год н. э.) – самое раннее из дошедших до нашего времени изображений ступального колеса (по-гречески polyspaston). Римские колеса могли поднимать до 6 тонн; такие большие машины стали обычным зрелищем в Европе Средневековья и начала Нового времени там, где велось крупное строительство, а также в доках или на шахтах, где их применяли для откачивания воды (рис. 4.7).

Рисунок 4.7. Части ступальных колес с разным крутящим моментом: внутреннее ступальное колесо (слева), внешнее ступальное колесо (максимальный крутящий момент) (справа), наклонное ступальное колесо (снизу). Воспроизведено из Agricola «De re metallica» (1912 [1556])

Разница между радиусом колеса и радиусом оси барабана давала этим колесам основательный выигрыш в силе, и они могли поднимать большие блоки камня, бревна или колокола на вершину кафедральных соборов и других высоких зданий. В 1563 году Питер Брейгель-старший изобразил подобный кран, поднимающий камень на второй уровень его воображаемой Вавилонской башни (Parrott 1955; Klein 1978). Его устройство, со ступальными колесами на обеих сторонах, приводилось в движение шестью – восемью людьми. Вертикальные наружные колеса были менее распространены, но они давали максимальный крутящий момент, когда люди шагали на одном уровне с осью (рис. 4.7). Существовали также наклонные ступальные колеса, где работникам приходилось держаться за перемычку, а в английских тюрьмах в начале XVIII века распространились ступальные мельницы (примечание 4.3, рис. 4.8).

Все разновидности ступальных колес могли быть перестроены так, чтобы использовать не людей, а животных. Все барабановидные устройства имели дополнительное преимущество в виде высокой мобильности: их можно было перемещать, просто перекатывая по сравнительно гладкой поверхности. До появления паровых железнодорожных кранов они оставались единственным практичным оборудованием для подъема тяжелых предметов. Максимальная мощность ступальных колес была ограничена их размером и особенностями структуры. С единственным работником она не превышала 150–200 Вт в короткие периоды напряженных усилий и 50–80 Вт при постоянном напряжении; крупнейшие колеса, приводимые в движение восемью людьми, могли в краткие периоды выдавать до 1500 Вт.

Примечание 4.3. Работа на ступальной мельнице

Крупнейшие ступальные устройства XIX века в Англии находились в тюрьмах, где Уильям Кабитт (1785–1861) ввел их в качестве меры наказания, но вскоре они были перепроектированы, чтобы молоть зерно и качать воду, а иногда использовались просто для упражнений (Mayhewand Binney 1862). Эти длинные, защищенные навесом ступальные мельницы имели деревянные уступы вокруг цилиндрической железной рамы, и на них могло одновременно взгромоздиться до 40 заключенных, выстроенных в ряд, держащихся за перила, чтобы не упасть, и побуждаемых делать шаг одновременно. Использование подобных устройств было прекращено только в 1898 году.

В 1823 году начальник тюрьмы в Девоне в ответ на запрос писал: «Я рассматриваю труд на мельнице не как вредный, а как ведущий к укреплению здоровья заключенных» (Hippisley 1823, 127). Миллионы современных энтузиастов ступальных мельниц могли бы согласиться, и один из исследователей заметил (Landels 1980, 11–12), что мы не можем говорить или даже думать об этих механизмах без эмоций, и подчеркнул, что хорошо сконструированная ступальная мельница была не только высокоэффективным механическим устройством, но также обеспечивала комфорт оператору «в той степени, в которой любой постоянный, монотонный физический труд может быть комфортным».

На краю спектра усилий были задачи, выполняемые одним человеком с помощью коленчатых рычагов, педалей, ножных приводов и винтов. Эти механизмы, приводимые в движение руками или ногами, варьировались от маленьких деревообрабатывающих станков и печатных прессов до швейных машинок, чьи первые модели появились на рынке в 1830-х годах, но широкое распространение (как ручные, так и с ножным приводом) получили в 1850-х (Godfrey 1982). В тот же самый период большое количество юношей и мужчин, используя шкивы, приводили в движение punkha (pangha на хинди), потолочные вентиляторы из ткани или пальмовых листьев, единственное средство сделать жару в Индии более приемлемой для тех, кто в состоянии платить punkhawallah – тому, кто вращает вентилятор с помощью блока.

Вопрос, как много полезной работы мог сделать человек за день, оставался без ответа долгое время, а сравнение эффективности человека и лошади давало значения от 2,5 до 14 человек на одну лошадиную силу (Ferguson 1971). Определение лошадиной силы, данное Уаттом – 33 000 фунто-футов за минуту, или 745,7 Вт (Dickinson 1939), – подразумевало эквивалент семи работников. Первые надежные измерения были проведены Гийомом Амонтоном (1663–1705), который сравнил работу полировщиков стекла на протяжении 10-часовой смены с постоянным подъемом веса в 25 фунтов со скоростью 3 фут/с (Amonton 1699). В современных научных единицах измерения это общая полезная работа в 3,66 МДж со скоростью 102 Дж.

Рисунок 4.8. Заключенные на ступальной мельнице в брикстонском исправительном доме (Corbis)

Насколько мощны люди как первичные движители и насколько эффективны? Ответ на первый вопрос был получен задолго до начала систематических исследований в области энергии в XIX веке. Ранние оценки варьируются: труд одной лошади приравнивают к труду от двух человек до четырнадцати (Ferguson 1971). До 1800 года данные сходились к корректному максимуму в 70-150 Вт для большинства взрослых, работающих без перерыва много часов. При постоянном труде при 75 Вт требовалось десять человек, чтобы выдать мощность одной стандартной лошади.

В 1798 году Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) провел более систематическое исследование способов, какими люди используют собственную силу в повседневной работе (Coulomb 1799). Его набор примеров варьировался от подъема на Тенерифе (2923 м) на Канарских островах за менее чем 8 часов до дневной работы носильщика дерева, поднявшегося 66 раз в день на 12 метров с ношей в 68 кг. Первая задача потребовала общей работы в 2 МДж и мощности в 75 Вт, вторая – около 1,1 МДж и мощности в 120 Вт. Все последующие расчеты только подтвердили диапазон мощности, определенный Кулоном: большинство взрослых мужчин могут выполнять полезную работу при 75-120 Вт (Smil 2008а). В начале XX века, после исследования интенсивности обмена веществ (ИОВ), проведенного Френсисом Бенедиктом (1870–1957) в институте Карнеги (Бостон), были сформулированы уравнения ожидаемых энергетических затрат и установлены типичные множители ИОВ для разных уровней физической активности (Harris and Benedict 1919), валидные для широкого спектра типов телосложения и разных возрастов (Frankenfield, Muth and Rowe 1998).

Как уже упоминалось, сравнение эффективности работы людей и животных принесло очень разные результаты. Один из исследователей (Nicholson 1825, 55) сделал вывод: «худший способ использовать силу лошади – заставить ее нести или тащить что-то в гору; если склон окажется крутым, то три человека сделают больше, чем лошадь…С другой стороны, при движении по горизонтали… человек… не может сделать более одной седьмой от того, на что способна лошадь». Использование животных не всегда выглядело практичным. Как отмечал тот же Кулон (Coulomb 1799), чтобы работать, людям нужно меньше места, чем животным, их легче перевозить, их усилия проще комбинировать.

Эффективность маленьких, часто недокормленных лошадей античности и раннего Средневековья была куда ближе к человеческой, чем у мощных тягловых животных XIX века. Лошадям часто закрывали глаза (или вообще ослепляли) и привязывали животных прямо к балкам, которые крепились к центральной оси, чье вращение использовалось для работы (обмолот зерна, замешивание глины для кирпичей, извлечение масла из семян, сока из тростника и фруктов) или для наматывания веревки, привязанной к грузу (подъем воды, угля, руды или людей из шахты). В некоторых случаях животные вращали вороты, прикрепленные к механизмам, чтобы увеличивался выигрыш в силе.

Эти лошади, страдавшие от недоедания и плохого обращения, должны были часами ходить по маленькому кругу. Свидетельства подобного нам оставил Апулей в «Золотом осле» (II век н. э., отрывок приведен в переводе М. Кузмина):

Что же я скажу, какими красками опишу моих сотоварищей по стойлам?

Что за старые мулы, что за разбитые клячи! Столпившись вокруг яслей и засунув туда морды, они пережевывали кучи мякины; шеи, покрытые гнойными болячками, были раздуты, дряблые ноздри расширены от постоянных приступов кашля, груди изранены от постоянного трения лямки из альфы, непрерывные удары бича по бокам обнажили ребра, копыта безобразно расплющены вечным кружением по одной и той же дороге, а вся их иссохшая шкура покрыта застарелой коростой. Испуганный зловещим примером такой компании, вспомнил я былую судьбу Луция и, дойдя до границ отчаяния, поник головой и загрустил.

Подобное использование лошадей продолжалось до XIX столетия: к 1870 году они приводили в движение тысячи лебедок в штатах Аппалачских гор и на всем юге США, и на фермах (обмолот зерна, выжимание масла, сдавливание тюков хлопка), и в шахтах – для откачивания воды и подъема грузов из-под земли (Hunter and Bryant 1991). Они ходили по кругу часто меньше чем 6 метров в диаметре (рис. 1.3; 8-10 метров было бы куда комфортнее), до появления электрических трамваев в городах Запада было много лошадей, запряженных в омнибусы и телеги (примечание 4.4., рис. 4.18).

Примечание 4.4. Тягловые лошади в городском транспорте

Тягловые лошади использовались в городах для доставки пищи, топлива и материалов (они тянули телеги разного размера) и в качестве средства личного транспорта (тянули наемные экипажи, с 1834 года их улучшенную версию, кэбы, запатентованные Джозефом Хэнсомом (1803–1882) и именовавшиеся «хэнсомами»). Но по мере того, как города Запада росли, увеличивалась необходимость в более эффективном городском транспорте, и были придуманы движимые лошадьми омнибусы. Их использование началось в 1828 году в Париже, годом позже они появились в Лондоне, а в 1833-м – в Нью-Йорке, а затем и в большинстве крупных городов востока США (McShane and Tarr 2007). В Нью-Йорке их число достигло пика в 683 экипажа в 1853 году.

Конки (трамвай, в который впряжены лошади) сделали городской транспорт более эффективным, они широко использовались до того, как в 1880-х годах их начали заменять электрическими трамваями. Легкие омнибусы (всего лишь с дюжиной пассажиров) приводили в движение две лошади, но вариант с четырьмя животными был более распространенным, экипажи с вместимостью в 28 человек часто оказывались переполненными. Отправлялись они раз в час, и многие линии достигали вокзалов в пригородах на расстоянии в 8-10 км от центра примерно за час. Тяжело работающих лошадей нужно было хорошо кормить, и собранные данные (McShane and Tarr 2007) показывают, что типичный дневной рацион на одно животное состоял из 5–8 кг овса и сравнимой массы сена. Обеспечение городских лошадей фуражом было важной задачей во всех больших городах XIX века.

Использование лошадей в транспорте и строительном деле было ограничено теми же факторами, что и их применение в качестве тягловой силы в земледелии. Ни достаточное количество пастбищ, ни необходимые объемы зерна не были доступны в странах сухого Средиземноморья или на густонаселенных равнинах Азии, а плохая упряжь приводила к большим потерям энергии. В пустынных регионах Евразии куда менее требовательные верблюды выполняли многие задачи, которые в Атлантической Европе приходились на долю лошадей и волов, но в Азии одомашненные слоны (использовались при добыче древесины, при строительстве и в военном деле) также требовали большого количества корма (Schmidt 1996). Классические индийские тексты превозносят эффективность слонов, но также описывают, что только что пойманного слона нужно кормить дорогой пищей – вареным рисом и бананами, смешанными с молоком и сахарным тростником (Choudhury 1976). Если животное оставалось здоровым после обучения, то подобные высокие затраты энергии возвращались благодаря его силе и замечательному долголетию.

Животные, которые использовались в транспорте и на разных работах, варьировались от маленьких ослов до громадных слонов, а в некоторых местах собаки вращали вертела над огнем или тянули небольшие тележки. Но ничего удивительного, что благодаря умеренным потребностям в питании крупный рогатый скот – волы, буйволы и яки – стал самым популярным видом рабочих животных. Яки были бесценными в качестве вьючных животных не только из-за невероятной силы, но из-за способности жить на большой высоте и в снегу. Типичная эффективность жвачных в транспорте была в лучшем случае умеренной. Короткое время на хороших дорогах они могли тащить груз в три-четыре раза больше веса собственного тела, но при постоянной работе обеспечивали не более 300 Вт. Старые и больные лошади, которые часто использовались, чтобы вращать лебедку или балку, прикрепленную к центральной оси, на небольших производствах, не могли дать много больше, и до появления паровых машин многие из них были заменены куда более мощными водяными колесами и ветряными мельницами.

Мощность воды

Антипатр из Фессалоник, писавший в I столетии до н. э., оставил первое литературное упоминание простой водяной мельницы, избавившей крестьян от тяжелой работы по ручному обмолоту зерна (переведено на английский в Brunck 1776,119):

«Не возлагай рук своих на мельницу, о женщина, вращающая жернов! Спи крепко, несмотря на то что гребень петуха возвещает рассвет, ведь Церера отдала нимфам труд, который занимал руки твои. Они, устремляясь с вершины колеса, заставляют вращаться его ось, и та с помощью движущихся спиц приводит в действие все четыре жернова. Мы заново ощущаем вкус жизни первых людей, поскольку мы научились радоваться без устали дарам Цереры».

А использование ветра, с одним заметным исключением в виде античных кораблей, началось даже позже. Отчет Аль-Масуди, датированный 947 годом, – одно из первых надежных упоминаний о простой вертикальной ветряной мельнице (Forbes 1965; Harverson 1991). Текст его повествует о Сеистане (в современном восточном Иране) как о земле ветров и песка, где ветер приводит в движение мельницы и поднимает воду из ручьев для полива садов. Мало изменившиеся потомки тех первых мельниц – со сплетенными из тростника лопастями позади узкого отверстия в высоких стенах из грязи, ускоряющих ветряной поток – можно было видеть в регионе вплоть до XX столетия. Оба вида машин очень быстро распространились по средневековому миру, но водяные мельницы использовались много больше.

Их изобилие было отмечено в «Книге Судного дня» в 1086 году, когда в южной и восточной Англии насчитали 5624 мельницы, или одну на 350 человек (Holt 1988). Первые горизонтальные водяные мельницы часто упоминаются как греческие или норвежские колеса, но точное их происхождение неизвестно. Они стали привычными во многих районах Европы и повсюду к востоку от Сирии. Напор текущей воды, обычно направленной с помощью наклонного деревянного желоба на деревянные лопатки, часто прикрепленные к втулке под углом, вращал тяжелый стержень, который мог быть присоединен непосредственно к жернову наверху (рис. 4.9). Этот простой и сравнительно неэффективный вариант лучше всего подходил для небольших мельниц. Поздние конструкции, где вода направлялась через деревянный желоб с конусной расточкой (Wulff 1966), имели эффективность около 50 % и максимальную мощность выше 3,5 кВт.

Рисунок 4.9. Горизонтальная водяная мельница, также называемая греческим или норвежским колесом. Колесо приводится в движение напором бегущей воды и непосредственно вращает верхний камень жернова

Вертикальные колеса вытеснили горизонтальные машины из-за более высокой эффективности. Они приводили в движение жернова с помощью ортогональной зубчатой передачи, в западной литературе они стали известны как витрувианские мельницы по имени римского архитектора, давшего первое подробное описание hydraletae в 27 году до н. э. Но существует мнение (Lewis 1997), что водяные мельницы появились в 1-й половине III столетия до н. э., вероятнее всего, в Александрии Птолемеев, и что к I веку н. э. они использовались повсеместно. В любом случае, по причине их широкого распространения и долгого использования мы имеем большое количество литературы, посвященной их истории, устройству, конструкции и особенностям использования (Bresse 1876; Muller 1939; Moritz 1958; Forbes 1965; Hindle 1975; Meyer 1975; White 1978; Reynolds 1983; Wolfel 1987; Walton 2006; Denny 2007).

Но, несмотря на это, невозможно надежно оценить вклад водяных мельниц в общее потребление первичной энергии античными и средневековыми обществами. Некоторые исследования (Wikander 1983) показали, что водяные мельницы были куда более распространены в римскую эпоху, чем обычно предполагают. Найдено только 20 мест, где находились водяные мельницы в раннее Средневековье, хотя «Книга Судного дня» (1086) перечисляет более 6500 таких мест (Holt 1988). Но мои оценки показывают, что даже с очень либеральными допущениями относительно мощности и распространения водяных мельниц в Римской империи вода вносила только 1 % в объем механической энергии, поставляемой людьми и тягловыми животными (Smil 2010с).

Вертикальные водяные мельницы классифицируют в соответствии с точкой соприкосновения воды и колеса. Нижнебойные колеса вращались благодаря кинетической энергии движущейся воды (рис. 4.10). Они работали хорошо при медленном постоянном потоке, но размещение на быстром течении было особенно желательно по причине того, что максимум теоретической мощности нижнебойного колеса пропорционален кубу скорости воды: удваивание скорости увеличивает мощность в восемь раз (примечание 4.5). Когда для мельниц начали сооружать пруды, нижнебойные колеса использовали только с небольшим перепадом воды: от 1,5 до 3 метров. Радиальные лопасти позже снабдили спинками, чтобы вода не выплескивалась по ходу движения.

Примечание 4.5. Мощность нижнебойных колес

Кинетическая энергия текущей воды (в джоулях) равняется 0,5pv², то есть половина от произведения ее плотности (р = 1000 кг/м³) на квадрат ее скорости (v в м/с). Количество единиц объема воды, толкающих лопатки колеса, в единицу времени равняется скорости потока, и отсюда теоретическая мощность потока равняется его энергии, умноженной на скорость. Вода, текущая со скоростью 1,5 м/с и вращающая крылья с поперечным сечением около 0,15 м² (грубо, 50 на 50 см), может в идеале выдать только лишь 400 Вт мощности. Но неэффективные нижнебойные колеса Средневековья могли на самом деле перевести не более пятой части этого значения, или около 80 Вт, в полезное вращательное движение.

Рисунок 4.10. Гравюра, на которой изображено большое нижнебойное колесо на французской королевской бумажной фабрике (сверху) и верхнебойное колесо, приводящее в движение машины для промывки руды во французской кузнице (снизу). Воспроизведено из Encyclopedie (Дидро и д'Аламбер, 1769–1772)

Эффективность нижнебойных колес могла быть увеличена с помощью расположенного по центру под нижним изгибом колеса плотно прилегающего желоба, который позволил бы усилить давление на лопасти. Наиболее эффективный вариант, предложенный в начале XIX века Жаном-Виктором Понселе (1788–1867), имел изогнутые лопасти и мог превращать около 20 % кинетической энергии воды в полезную мощность; позже в том же веке лучшие показатели эффективности достигли 35–45 %. Диаметр колес был, грубо, в три раза больше, чем перепад воды, для лопаточных колес, и в два-четыре раза больше для колес Понселе.

Среднебойные колеса приводились в движение комбинацией напора воды и гравитации в потоках, перепад в которых был 2–5 м. Хорошо сделанный желоб, предотвращавший преждевременный сброс воды, существенно повышал конечную эффективность. Конструкция с низко расположенным желобом, где вода выливалась ниже центра колеса, имела эффективность не выше, чем у хорошего нижнебойного колеса. Высоко расположенный желоб, где вода лилась на лопасти выше центра колеса, позволял достигнуть эффективности верхнебойных колес. Традиционные верх-небойные колеса, приводимые в движение в основном потенциальной гравитационной энергией, работали с перепадом воды более 3 м, и их диаметр обычно равнялся примерно трем четвертям перепада (рис. 4.10). Воду вели по желобам или трубам в подобные ведрам отделения со скоростью от менее 100 литров/секунду до более 1000 л/с, и колесо вращалось со скоростью 4-12 оборотов в минуту. Поскольку большая часть вращательной мощности генерировалась весом опускающейся воды, верх-небойные колеса можно было размещать на медленном течении (примечание 4.6).

Примечание 4.6. Мощность верхнебойных колес

Потенциальная энергия воды (в джоулях) равняется mgh, произведению ее массы (в кг), гравитационного ускорения (9,8 м/с²) и перепада (высота в метрах). Следовательно, ведро верхнебойного колеса, содержащее 0,2 м³ воды (200 кг), поднятое на 3 м над точкой выливания, имеет потенциальную энергию примерно в 6 кДж. Приняв скорость течения за 400 кг/с, мы определим, что колесо может иметь теоретическую мощность около 12 кВт. Полезная механическая мощность такой машины может варьироваться от менее 4 кВт для тяжелого деревянного колеса до более 9 кВт для искусно изготовленного и тщательно смазанного металлического колеса XIX века.

Это преимущество частично отменяло потребность в хорошо направленном и тщательно регулируемом потоке воды, а значит, не нужно было сооружать пруды и подводящие каналы. Верхнебойные колеса, работавшие с избыточной допустимой нагрузкой, то есть со сниженной потерей воды из ведер, могли быть более эффективными, хотя и менее мощными, чем машины под полным напором. До первых десятилетий XVIII века верхнебойные колеса считались менее эффективными, чем нижнебойные (Reynolds 1979). Ошибку раскрыли только в 1750-х годах благодаря работам Антуана Депарсье и Иоганна Альбрехта Эйлера, но в первую очередь – точным экспериментам с моделями мельниц Джона Смитона (1724–1792), который сравнивал мощность водяных мельниц с мощностью других первичных движителей (Smeaton 1759).

Его дальнейшая пропаганда более эффективных верхнебойных колес несколько замедлила распространение паровых двигателей, а эксперименты Смитона (с помощью которых он рассчитал, что мощность колеса пропорциональна кубу скорости течения) определили планку эффективности для верхнебойных колес в 52–76 % (среднее 66 %) по сравнению с 32 % для лучших нижнебойных (Smeaton 1759). Современный теоретический анализ эффективности водяных мельниц (Denny 2004) дал очень похожие результаты: 71 % для верхнебойных колес, 30 % для нижнебойных и около 50 % для устройств Понселе. Качественно сконструированное и находящееся в хорошем состоянии верхнебойное колесо XX века имело потенциал эффективности в 90 % и могло превратить до 85 % кинетической энергии в полезную работу (Muller and Kauppert 2004), но реально достижимый уровень составлял 60–70 %; лучшие немецкие цельнометаллические колеса, разработанные и изготовленные в 1930-х годах, достигали эффективности в 76 % (Muller 1939).

Нижнебойные колеса можно было разместить прямо в потоке, но при этом увеличивалась вероятность поломок. Среднебойные и верхнебойные колеса требовали регулируемой подачи воды, и обычно ее организовывали с помощью дамбы, перегораживающей часть потока и канала, подводящего воду к колесу. В районах с низкими или нерегулярными осадками обычно создавали пруды, используя для этого плотины. Ничуть не меньше внимания приходилось уделять вопросу, как вернуть воду в поток: движущаяся обратно вода препятствовала бы вращению колеса. А кроме того, выложенные плиткой отводные каналы требовались, чтобы предотвратить заиливание. Даже в Англии колеса, валы и передачи до начала XVIII века делались из дерева. Позже для втулок и валов все чаще стали использовать чугун. Первое цельнометаллическое колесо было создано в начале XIX столетия (Crossely 1990). Помимо стационарных колес существовали куда менее распространенные плавающие колеса, установленные на баржах, и приливные мельницы. Плавающие мельницы для зерна успешно использовали первый раз на Тибре в 537 году, когда Рим осаждали готы, перерезавшие акведук, питавший городские мельницы.

Они были обычным зрелищем в городах средневековой Европы, и многие сохранились до XVIII века. Использование прерывистой мощности моря впервые отмечено в документах в Басре в X веке. На протяжении Средних веков маленькие приливные мельницы строили в Англии, Нидерландах, Бретани и на Атлантическом побережье Иберийского полуострова; позже они появились в Северной Америке и на Карибах (Minchinton and Meigs 1980). Возможно, самой важной и дольше всего работавшей машиной на приливной энергии была та, что поставляла питьевую воду в Лондон. Первые большие вертикальные приливные колеса, установленные после 1588 года, уничтожил пожар в 1666-м, но их преемники работали до 1822 года (Jenkins 1936). Три колеса, приводимых в движение водой, проходившей через сужающиеся арки старого Лондонского моста, вращались в любом направлении (другие обычно работали только в прилив) и давали энергию 52 водяным помпам, поднимавшим 600 тысяч литров воды на высоту в 36 метров.

Но главной сферой, где применялась энергия воды, оставался обмолот зерна: в средневековой Англии на него приходилось около 90 % всей мельничной работы, большая часть от оставшегося шла на раскатывание сукна (распушение и утончение шерсти), и только 1 % – на прочие производственные нужды (Lucas 2005). Позднее в Средневековье стали широко применять водяную энергию в дроблении руды и ее плавке (меха в домнах), в распиле дерева и камня, выдавливании масла, изготовлении бумаги и проволоки, дублении, штамповке, резке, шлифовке металла, в черной металлургии и обработке керамики. Английские водяные мельницы также использовались для вентиляции и откачки воды в шахтах (Woodall 1982; Clavering 1995).

Все эти задачи выполнялись с помощью водяных колес, чья эффективность была выше, чем у людей или животных, а следовательно, и трудовая продуктивность оказывалась лучше. Более того, не имевшая прецедентов мощность, постоянство и надежность поставляемой энергии открывали новые производственные возможности. Особенно широкими они оказались в горном деле и металлургии. Несомненно, энергетические основания западной индустриализации покоятся в значительной степени именно на таком использовании водяных мельниц. Мускулы людей и животных никогда не могли выдавать энергию такой концентрации, так постоянно и надежно, как было необходимо для решения бесконечного числа задач в разных отраслях промышленности. Хотя для обычных мельниц требовалось долгое время, чтобы превысить объем мощности, выдаваемый большой группой запряженных животных.

Столетиями единственный способ получить больше мощности сводился к тому, чтобы собрать в одном месте много меньших ее единиц. Самый известный пример такой концентрации – знаменитый римский ряд из мельниц у Барбегаля, неподалеку от Арля, где 16 колес, каждое мощностью в 2 кВт, вместе давали свыше 30 кВт (Sellin 1983). Исследователи (Greene 2000, 39) назвали его «величайшим из известных сосредоточением механической энергии античного мира» и описали (Hodge 1990, 106) как «нечто такое, что если верить учебникам, никогда не существовало – аутентичная, римская, питаемая энергией воды линия массового производства». Но взгляд с близкого расстояния открывает куда менее впечатляющую реальность (примечание 4.7).

В любом случае, более крупные водяные мельницы оставались редкостью долгое время. Даже в первые десятилетия XVIII века средняя мощность европейских водяных мельниц составляла 4 кВт. Только несколько превосходили 7 кВт, а результатом плохого качества механических соединений (высокое трение) были большие потери энергии. Даже сильнее всего восхищавшие современников машины того времени – 14 больших мельниц (диаметр колес 12 м), поставленных на Сене у Марли между 1680 и 1688 годами – не справлялись с задачей качать воду для 1400 фонтанов и водопадов в Версале. Потенциальная энергия комплекса была почти 750 кВт, но неэффективная передача вращательного движения (для чего использовалось множество возвратно-поступательных валов) снижала выход полезной энергии до всего лишь 52 кВт, чего не хватало на все фонтаны (Brandstetter 2005).

Примечание 4.7. Водяные мельницы Барбегаля

Вода для 16 верхнебойных колес Барбегаля (наиболее вероятное время создания комплекса – начало II века н. э.) подводилась от ближайшего акведука двумя каналами по склону в 30° (Benoit 1940). Ранее исследователи (Sagui 1948) использовали малореалистичные предположения (поток воды в 1000 л/с, скорость в 2,5 м/с, средняя продуктивность в 24 т зерна в день), чтобы сделать вывод, что здесь производили достаточно муки для выпечки хлеба на 80 тысяч человек. Но новые исследования (Sellin 1983) с более реалистичными цифрами (поток воды в 300 л/с, скорость около 1 м/с) позволили определить, что каждое колесо производило около 2 кВт полезной мощности, откуда получаем всего 32 кВт и (при 50 % эффективности) дневной выход в 4,5 тонны муки.

Но даже во второй работе принято предположение, что 65 % кинетической энергии воды преобразуется в кинетическую энергию вращающегося жернова, когда расчеты Смитона (1759) показали максимальную эффективность в 63 % для куда лучше сконструированного верхнебойного колеса XVIII века. Комбинация более слабого потока (Leveau (2006) утверждает, что он колебался между 240–260 л/с) и более низкой эффективности (возьмем 55 %) уменьшает значение мощности до 1,5 кВт на единицу. Это равнялось совместной мощности трех (или четырех слабых) римских лошадей, запряженных в лебедку, и было достаточно, чтобы произвести в день 3,4 тонны муки на прокорм 11 тысяч человек. Определенно более высокая эффективность, чем у обычной мельницы II века н. э., но меньше, чем требуется для по-настоящему массового производства.

Но даже маленькие водяные мельницы давали большие экономические преимущества. Если предположить, что мука обеспечивала половину дневной энергии пищи, то маленькая водяная мельница с персоналом менее десяти человек могла намолоть за день (10 часов) достаточно, чтобы прокормить 3500 человек, обычный средневековый городок, в то время как обмолот вручную потребовал бы 250 работников. В комбинации с инновационной конструкцией во второй половине XVIII века водяные мельницы дали значительный прирост в продуктивности. Отличный пример – применение движимых водой механизмов для изготовления 200 тысяч гвоздей в день, запатентованное в США в 1795 году (Rosenberg 1975). Широкое распространение таких машин снизило цены на гвозди на 90 % за следующие 50 лет.

Водяные мельницы оказались наиболее эффективными из традиционных преобразователей энергии. Их производительность была даже выше, чем у лучших паровых машин, которые превращали менее 2 % угля в полезную мощность к 1870 году, и обычно не более чем 15 % к концу XIX века (Smil 2005). Никакой другой традиционный первичный движитель не мог обеспечить постоянную мощность. Водяные мельницы были незаменимы на ранних стадиях индустриализации как в Европе, так и в Северной Америке. Они достигли своего апогея – как его ни оценивай, в терминах общей или частной мощности, или эффективности – в XIX веке, когда для выполнения разных задач начали понемногу использовать паровые двигатели, и ушли в тень после того, как их затмили новые первичные движители.

Но самые большие объемы мощности вода обеспечивала в первые шесть десятилетий XIX века, и большая часть водяных машин продолжала работать даже после того, как сначала пар, а затем электричество вышли на первые роли. Оценивается (Daugherty 1927), что в США в 1849 году общая номинальная мощность всех мельниц была около 500 МВт (<7 % от всех первичных движителей, включая животных, но исключая человеческий труд) по сравнению с около 920 МВт номинальной мощности паровых двигателей. Сравнение фактически выполненной работы проясняет картину (Schurr and Netschert 1960): расчеты показывают, что в 1850 году водяные мельницы в США давали около 2,4 ПДж, или в 2,25 раза больше, чем паровые двигатели на угле; они были все еще впереди (около 30 %) в 1860 году; паровые двигатели превзошли их полезную работу только в конце 1860-х. Еще в 1925 году 35 500 водяных мельниц работали в Германии (Muller and Kauppert 2004), а некоторые колеса в Европе вращались даже после 1950-го.

Новые большие текстильные фабрики XIX века особенно сильно зависели от водяной энергии. Например, Merrimack Manufacturing Company, первое объединение сукноделов страны (производили в основном ситец) открылось в 1823 году в городке Лоуэлл, штат Массачусетс, и работало на 2 МВт энергии от большого (10 м) водопада на реке Мерримак (Malone 2009). В 1840-м крупнейший британский комплекс – водопроводные сооружения Шоу в Гринкоке, около Глазго – имел 30 колес, поставленных в два ряда на крутом склоне и питаемых водой из большого резервуара. Крупнейшие отдельные водяные колеса имели диаметр порядка 20 м, ширину в 4–6 м и мощность свыше 50 кВт (Woodall 1982).

Самым большим колесом в мире стала «Леди Изабелла», спроектированная Робертом Казементом и построенная в 1854 году Great Laxey Mining Company на острове Мэн, чтобы откачивать воду из шахт Лекси. Это верхнебойное колесо (2,5 оборота в минуту) с диаметром в 21,9 м и шириной в 1,85 м имело 48 деревянных спиц (9,75 м длиной), но ось и диагональные тяжи были сделаны из чугуна (Reynolds 1970). Все потоки на склоне над колесом собирали в огромные металлические резервуары, и затем воду по трубам подавали к каменной башне и поднимали по деревянному водостоку. Мощность передавалась на шток насоса, затем на 451 м в глубину свинцово-цинковой шахты с помощью коленчатого рычага главной оси и 180 м соединяющих тяжей из дерева. Теоретическая пиковая мощность колеса была около 427 кВт, но при обычной работе оно выдавало около 200 кВт полезной энергии. «Леди Изабелла» работала до 1926 года и была восстановлена после 1965-го (Manx National Heritage 2015; рис. 4.11).

Но эра гигантских водяных колес оказалась короткой.

Как раз тогда, когда эти машины начали строить, в первой половине XIX века, с развитием водяных турбин появилась радикальная инновация в области водяных первичных движителей со времен появления вертикальных колес столетиями ранее. Первая реактивная турбина Бенуа Фурнейрона с центробежным потоком была создана в 1832 году, чтобы приводить в движение кузнечные молоты, во Фрезане. Даже при очень малом перепаде воды в 1,3 м и диаметре ротора в 2,4 м она имела мощность в 38 кВт. Пятью годами позже две улучшенных машины, работающих на шелкопрядильной фабрике в Сен-Блазьене, выдавали около 45 кВт при перепаде воды в 108 и 114 см (Smith 1980).

Рисунок 4.11. Колесо «Леди Изабелла» после реставрации (Corbis)

Эффективность турбин Фурнейрона вскоре превзошли центростремительные турбины, которые один из исследователей (Layton 1979) назвал прототипическим продуктом НИОКР[3]. Такие устройства больше всего известны как «турбина Френсиса» по имени Джеймса Б. Френсиса (1815–1892), британского и американского инженера. Позже появились реактивные турбины Лестера А. Пельтона (запатентованы в 1889 году) и осевые турбины Виктора Каплана (в 1920-м). Турбины заменили водяные колеса во многих отраслях промышленности и стали новыми первичными движителями. Например, в Массачусетсе в 1875 году они выдавали 80 % номинальной мощности. Это было время максимальной важности приводимых в движение водой машин в быстро индустриализирующемся обществе.

Например, каждый из трех крупнейших текстильных центров на реке Мерримак в Массачусетсе и южном Нью-Гемпшире – Лоуэлл, Лоуренс и Манчестер – располагал водяными машинами общей мощностью около 7,2 МВт. Весь бассейн реки давал около 60 МВт номинальной мощности, в среднем по 66 кВт на единицу производственного оборудования (Hunter 1975). Даже в середине 1850-х годов пар был все еще почти в три раза дороже воды, когда использовался в качестве первичного движителя в Новой Англии. Однако эпоха водяных турбин, непосредственно приводивших в движение разные механизмы с помощью передач и ремней, закончилась внезапно. К 1880-м годам появились крупномасштабная добыча угля и более эффективные двигатели, и пар стал дешевле воды практически на всей территории США. К концу XIX века большая часть турбин была перенацелена с прямой генерации движения на генерацию электричества.

Мощность ветра

История обуздания ветра с помощью стационарных источников мощности (в противоположность более долгой истории его превращения в движение с помощью парусов) и эволюция ветряных мельниц до сложных и мощных машин начала индустриальной эры хорошо описана и в общих, и в специализированных национальных обзорах. Значимый вклад в первую категорию внесли Freese (1957), Needham (1965), Reynolds (1970), Minchinton (1980) и Denny (2007). Интересные исследования по отдельным странам написали: Skilton (1947) и Wails (1975) по британским мельницам, Boonenburg (1952), Stockhuyzen (1963) и Husslage (1965) по наиболее часто упоминаемым голландским, и Wolff (1900), Torrey (1976), Baker (2006) и Righter (2008) по американским, которые сыграли ключевую, но до сих пор недооцененную роль в освоении Запада. Ветряные мельницы стали наиболее мощными первичными движителями доиндустриальной эпохи на равнинах, где почти полное отсутствие потоков с перепадом высот исключало возможность создания маленьких водяных мельниц (в Нидерландах, Дании и части Англии) и в пустынных регионах Азии и Европы, где сильны сезонные ветра.

Вклад ветряных мельниц в интенсификацию мировой экономики был не таким значительным, как в случае с водяными, большей частью потому, что в конечном итоге их широко использовали лишь в некоторых частях атлантической Европы. Первые записи о европейских ветряных мельницах относятся к последним десятилетиям XII века. Согласно исследованиям (Lewis 1993), ветряные мельницы распространились поначалу из Персии на территорию Византии, где они превратились в вертикальные машины, с которыми и столкнулись крестоносцы из Европы. В отличие от восточных машин, чьи лопасти вращались в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, эти мельницы монтировались вертикально на горизонтальной оси, и ведущий вал можно было поворачивать под ветер. За исключением иберийских восьмиугольных парусных мельниц, где использовались треугольные отрезы ткани (заимствованные из восточного Средиземноморья), все остальные машины в Европе тогда относились к классу столбовых мельниц. Их деревянный корпус, передачи и жернова вращались на массивном центральном столбе, который поддерживали четыре мощные диагональные балки (рис. 4.12).

Рисунок 4.12. Столбовая ветряная мельница. Главный деревянный, почти всегда дубовый столб, на котором держится вся структура, зафиксирован четырьмя балками, прикрепленными к массивному фундаменту. Вращение мельницы передается на жернов передачей типа «фонарь-и-корона», и доступ внутрь возможен только по лестнице. Воспроизведено из «Encyclopedie» (Diderot and d'Alembert 1769–1772)

Поскольку они не могли самостоятельно поворачиваться, когда менялось направление ветра, их приходилось разворачивать вручную. Подобные мельницы были нестабильны при сильных ветрах и уязвимы перед лицом штормов, а сравнительно малая высота ограничивала их эффективность (примечание 4.8).

Примечание 4.8. Энергия и мощность ветра

Средняя скорость ветра увеличивается с высотой, а значит, его мощность тоже растет. Например, на высоте в 20 метров над землей мощность будет примерно на 22 % выше, чем на высоте в 5 м. Кинетическая энергия 1 м³ воздуха (в джоулях) равняется 0,5pv², где р – плотность воздуха (около 0,12 кг/м³ у поверхности), a v – средняя скорость ветра (в м/с). Мощность ветра (в ваттах) является продуктом энергии ветра, площади лопастей, расположенной перпендикулярно направлению ветра (А, в м²), и скорости ветра в кубе: 0,5pAV³. Поскольку мощность ветра увеличивается в кубе средней скорости, удвоение скорости повышает доступную мощность в восемь раз. Первые (сравнительно тяжелые и неудачно устроенные) ветряные мельницы нуждались в ветрах, дующих со скоростью минимум 25 км/ч (7 м/с), чтобы начать работать. При более низких скоростях они просто медленно поворачивались, но уже при скорости ветра более 10 м/с площадь лопастей нужно было сокращать (и полностью сворачивать ткань при скорости выше 12 м/с), что обеспечивало только узкий ветровой коридор и малое количество часов (5–7 в день) ежедневной полезной работы (Denny 2007).

Все эти факторы обусловили превосходство местностей с постоянными сильными ветрами. Поздние мельницы, более эффективные, с мягкими передачами и хорошей смазкой функционировали при ветрах быстрее чем 4 м/с, обеспечивая 10–12 часов полезной работы в день. Доиндустриальные общества могли пользоваться только потоками, дующими рядом с землей, и размах лопастей большинства мельниц был менее 10 метров. Ветряные потоки имеют большую вариативность во времени и пространстве, и даже в благоприятных районах средняя годовая скорость ветра варьируется на 30 %, а перемещение машины всего на 30–50 метров может уменьшить или увеличить среднюю скорость вдвое. Ограниченные возможности транспорта доиндустриальной эпохи затрудняли освоение самых ветреных местностей, и мельницы часто оставались неподвижными. Никакая машина не может извлечь всю мощность из ветра: это потребовало бы полностью остановить его поток. Максимальная извлекаемая мощность равняется 16/27 или около 60 % кинетической энергии потока (Betz 1926). Реальная эффективность для мельниц доиндустриальной эпохи была 20–30 %. Башенная мельница XVIII века с диаметром лопастей в 20 м, таким образом, имела теоретическую мощность около 189 кВт при скорости 10 м/с, но поставляла менее 50 кВт.

Столбовые мельницы продолжали работать в отдельных местностях восточной Европы до XX столетия, а в западной их постепенно заменили привычные для нас башенные мельницы. В них только верхушка поворачивалась под ветер, с земли или с галерей, если башня была высокой. Восьмиугольные мельницы-коптильни с деревянной рамой обычно покрывали гонтом или дранкой. Другие, настоящие башенные мельницы, были круглыми, сложенными из камня. Только после 1745 года, когда в Англии начали использовать хвостовик, появилась возможность обеспечить автоматический поворот механизма в ту сторону, откуда дует ветер. Любопытно, но голландцы, обладатели самого большого количества ветряных мельниц в Европе, приняли это нововведение только в начале XIX века.

Но голландцы первыми освоили более эффективную форму лопастей. Они начали добавлять перпендикулярные боковые планки на плоские лопасти около 1600 года. Получившийся в результате изгиб дал лопастям больше подъемной силы, уменьшив сопротивление. Более поздние инновации включали в себя улучшения в креплении лопастей, чугунные зубчатые передачи и центробежный регулятор оборотов. Такое устройство решило сложную и часто опасную задачу управления парусиной при разной скорости ветра. К концу XIX века англичане начали использовать настоящие аэродинамические профили с четко рассчитанной формой. Помол зерна и откачка воды (в том числе на кораблях, где использовались маленькие переносные машины) были главными областями приложения. Ветряные мельницы также использовали и в Европе, и в исламском мире для измельчения и прессования (мела, сахарного тростника, зерен горчицы и какао), для изготовления бумаги, распила дерева и операций с металлом (Hill 1984).

В Нидерландах мельницы выполняли все эти задачи, но наиболее важный вклад они внесли в осушение низменностей и в превращение польдеров в поля. Первые мельницы, предназначенные для этой цели, появились в Голландии в начале XV века, но широко распространились только в шестнадцатом. Пустостолбовые (не нашла такого термина) wipmolen вращали большие деревянные колеса с черпаками, а мобильные (передвижные?) tjasker меньшего размера приводили в движение архимедовы винты, но только эффективные башенные мельницы смогли обеспечить мощность, необходимую для крупномасштабного осушения польдеров. В музее Зансе-Сханс в Северной Голландии представлены 600 ветряных мельниц, несколько были построены после 1574 года (Zaanse Schans 2015). Самые высокие голландские мельницы (33 м) находились в Схидаме (пять из оригинальных тридцати все еще стоят), где они мололи зерно, необходимое для производства голландского джина.

Старые американские мельницы наподобие тех, что на побережье Массачусетса, часто использовались для добычи соли, но их количество оставалось небольшим. Новые американские мельницы появились сразу после середины XIX века, когда началась экспансия на запад через Великие Равнины. Здесь нельзя было использовать маленькие водяные мельницы из-за нехватки небольших водных потоков и скудости осадков, а воду приходилось качать из колодцев. По сравнению с мощными тяжелыми и дорогими голландскими мельницами (они имели несколько больших и широких лопастей) американские были меньше, проще, удобнее, но при этом оставались эффективными машинами, которые могли обслуживать железнодорожные станции и фермы.

Рисунок 4.13. Ветряная мельница Халладэя. В последнее десятилетие XIX века ветряные мельницы такого типа были самыми популярными в США. Они широко использовались на железнодорожных станциях, где качали необходимую для паровозов воду. Воспроизведено из Wolff (1900)

Американские мельницы обычно состояли из большого числа узких лопастей, прикрепленных к цельным или составным колесам, и оснащались центробежным либо боковым регулятором оборотов и независимыми рулями. Помещенные на вершину решетчатой башни в 6-25 метров высотой, они использовались для перекачки воды – для домашних хозяйств, крупного рогатого скота, паровых локомотивов (рис. 4.13). Подобные мельницы, колючая проволока и железные дороги стали образцовыми инструментами, которые помогли освоить Великие Равнины (Wilson 1999). Оценки (Daugherty 1927) показывают, что мощность всех ветряных мельниц в США с 1849 по 1899 год выросла с около 320 МВт до почти 500 МВт и достигла пика в 625 Мвт в 1919 году

У нас нет информации о мощности самых первых мельниц, экспериментальные данные имеются только с конца 1750-х годов, когда Джон Смитон приравнял мощность средней голландской мельницы с лопастями в 9 м к мощности десяти человек или двух лошадей (Smeaton 1759). Этот расчет, базировавшийся на измерениях с помощью маленькой модели, был подтвержден реальной эффективностью при выдавливании растительного масла. Мельница давала верхнему камню жернова семь оборотов в минуту, а две лошади едва могли обеспечить 3,5 оборота за то же самое время. Типичная большая голландская мельница XVIII века с размахом крыльев в 30 м могла дать около 7,5 кВт (Forbes 1958). Современные измерения на хорошо сохранившейся голландской осушительной мельнице 1648 года показали, что она способна поднять 35 кубометров воды при скорости ветра 8–9 м/с, что дает мощность на главном валу порядка 30 кВт, но большие потери при передаче снижают полезную выработку до менее 12 кВт.

Все эти результаты подтверждают сравнение традиционных первичных движителей (Rankine 1866). Автор оценил столбовые мельницы как способные выдать 1,5–6 кВт полезной мощности, башенные – 4,5-10,5 кВт. Измерения на американских мельницах определили их полезную мощность от едва 30 Вт для мельницы в 2,5 м до 1000 Вт для больших машин в 7,6 м (Wolff 1900). Типичные цифры (в терминах полезной энергии) составляли 0,1–1 кВт для мельниц в США XIX века, 1–2 кВт для маленьких и 2–5 кВт для больших столбовых мельниц, 4–8 кВт для башенных и 8-12 кВт для крупнейших машин того же XIX века. Все это означает, что типичные средневековые ветряные мельницы были сравнимы по мощности с современными им водяными, но к началу XIX века многие водяные мельницы могли выдавать в пять раз больше мощности, чем крупнейшие башенные ветряные, и разница только выросла с появлением водяных турбин.

Как и в случае с водяными мельницами, вклад ветряных, используемых в качестве источников стационарной мощности, достиг пика в XIX веке. В Великобритании их количество составляло 10 тысяч в 1800 году, в конце XIX века 12 тысяч работали в Нидерландах и 18 тысяч в Германии, и к 1900 году около 30 тысяч мельниц (с общей мощность в 100 МВт) имелось в странах побережья Северного моря (De Zeeuw 1978). В США несколько миллионов мельниц было построено между 1860 и 1900 годами, во время расширения страны на запад; их число начало уменьшаться только в 1920-х годах. В 1889 году было 77 производителей, самые успешные из них Халладэй, Адамс и Бухэнан (Baker 2006). Большое число водооткачивающих мельниц американского типа использовалось в XX веке в Австралии, Южной Африке и Аргентине.

Древнекитайская пословица перечисляет в правильном порядке вещи, без которых людям не прожить и дня: дрова, рис, масло, соль, алкоголь, уксус и чай. В традиционных сельскохозяйственных обществах, где зерно обеспечивало большую часть пищевой энергии, его необходимо было готовить (обрабатывать паром, варить или запекать), чтобы сделать твердые семена пригодными в пищу. Но перед использованием зерна (запасенного в корзинах, сундуках или ларях), его почти всегда и везде требовалось первым делом измельчить. Сначала люди додумались делать это непосредственно для того, чтобы есть; прессовать разные виды семян, фруктов и орехов, чтобы получить масло или сок, начали позже. Клубни обрабатывали, чтобы удалить их несъедобные части или обеспечить долговременное хранение. И во всех этих задачах человеческая энергия только очень постепенно сменялась энергией животных.

Как уже отмечалось, первое использование неодушевленной энергии в обмолоте зерна – горизонтальные водяные колеса, приводившие в движение небольшие жернова – отмечено около двух тысячелетий назад.

Приготовление пищи требовало сравнительно небольшой тепловой энергии при распространенном в Восточной Азии поджаривании с перемешиванием и варке на пару. Наоборот, значительное количество топлива тратилось при выпекании хлеба, который был основной пищей остального Старого Света, и при жарке продуктов, широко распространенной на Среднем Востоке, в Европе и Африке. В некоторых обществах топливо также требовалось, чтобы приготовить корм для домашних животных, в первую очередь для свиней. Сезонное отопление было необходимо в средних широтах, но (за исключением регионов к югу от Сахары) дома доиндустриальной эпохи обычно обогревались лишь короткие периоды времени и до сравнительно невысоких температур.

В некоторых регионах, где не хватало топлива, не существовало зимнего обогрева, несмотря на месяцы холодной погоды: например, на лишенных леса равнинах Китая к югу от Янцзы времен династий Мин и Цин. Но в северной части Цзяннаня (провинции к югу от Янцзы) в январе и феврале средняя температура колебалась в пределах 2–4 °C, а минимальная могла быть ниже -10 °C. Холод, традиционно царивший в английских домах даже после появления угольных печей, вошел в поговорку. Таким образом, энергетические потребности обществ Восточной Азии и Среднего Востока на хозяйственные нужды были очень низкими. Абсолютная же потребность в топливе некоторых обществ северной Европы и колоний Северной Америки была по-настоящему высокой, но из-за низкой эффективности сжигания удавалось получать сравнительно малую долю полезного тепла. Вследствие этого даже в Америке XIX века, где с дровами не было проблем, среднее домашнее хозяйство потребляло только часть потоков полезной энергии, которые стали доступными его наследникам в XX веке.

Приготовление пищи

В свете того, что зерновые составляли основу питания всех высоких культур, помол зерна был определенно самой важной пищеперерабатывающей задачей в истории. Цельное зерно не особенно пригодно в пищу; его трудно переваривать, и из него нельзя испечь хлеб. В результате помола получается мука различной тонкости, которую можно использовать для приготовления легко перевариваемой пищи, в первую очередь хлеба и лапши. Эволюционная последовательность помола началась с камней с выемками, пестиков и ступок. Продолговатые овальные ступки, с которыми приходилось работать, стоя на коленях, были широко распространены и в древних обществах Ближнего Востока, и в доклассической Европе.

Ручные мельницы с воронками и каменным основанием стали первой базовой инновацией. Греческая мельница в форме песочных часов имела конусообразную воронку и такой же формы дробилку Продуктивность обработки зерна только с помощью человеческих мускулов была очень низкой (Moritz 1958). Утомительный труд с каменными жерновами или ступками позволял выдать не более чем 2–3 кг муки грубого помола в час. Два римских раба, прилежно моловших муку с помощью вращательной ручной мельницы (mola manualis, использовалась с III столетия до н. э.), могли произвести менее 7 кг муки в час. Более эффективными были помпейские мельницы (mola asinalis, использовались в основном в городах), изготовленные из грубой вулканической породы. На нижнюю цилиндрическую часть (meta) устанавливалась чаша (catillus) в форме песочных часов, мельницу вращал запряженный осел, который ходил по кругу. Но там, где не хватало места, использовали рабов, и те же рабы приводили в движение машины для замеса теста в больших пекарнях: главная пища империи создавалась ценой неимоверных страданий (примечание 4.11).

Примечание 4.11. Луций Апулей («Метаморфозы» IX, 126 3.4) о римских мельничных рабах

«Великие боги, что за жалкий люд окружал меня! Кожа у всех была испещрена синяками, драные лохмотья скорее бросали тень на исполосованные спины, чем прикрывали их, у некоторых короткая одежонка до паха едва доходила, туники у всех такие, что тело через тряпье сквозит, лбы клейменые, полголовы обрито, на ногах цепи, лица землистые, веки разъедены дымом и горячим паром, все подслеповаты, к тому же на всех мучная пыль, как грязно-белый пепел, словно на кулачных бойцах, что выходят на схватку не иначе как посыпавшись мелким песком»[4].

Мельница, приводимая в движение ослом (потребление энергии около 300 Вт), производила муки от менее 10 кг/ч до 25 кг/ч (Forbes 1965); жернова, которым передавалась энергия воды (1,5 кВт), мололи со скоростью между 80 и 100 кг/ч. Мука использовалась для приготовления хлеба, который давал около половины всей энергии пищи при типичном питании (доля хлеба порой превышала 70 %). Таким образом, единственная мельница за десятичасовую смену производила достаточно муки, чтобы накормить 2500–3000 человек, население приличного средневекового города. При использовании горизонтальных водяных колес жернова вращала непосредственно вода, но все вертикальные колеса и ветряные мельницы требовали эффективной трансмиссии из дерева, способной передать вращательное движение. И никакая мельница не смогла бы произвести хорошую муку без точно пригнанных и поддерживаемых в хорошем состоянии жерновов, верхнего и нижнего (Freese 1957). К XVIII веку каменные жернова обычно были 1–1,5 м в диаметре, до 30 см толщиной, весили около 1 т и вращались 120–150 раз в минуту. Зерно поступало через приемник в отверстие в верхнем (подвижном) жернове, затем сжималось и раздавливалось между плоскими поверхностями.

Подобные массивные камни должны были иметь очень точный баланс. Если они терлись друг о друга, то могли сами себя повредить и даже высечь искру. Если находились слишком далеко, то получалась очень грубая, некачественная мука. Требовался зазор в толщину листа толстой коричневой бумаги около отверстия и в толщину папиросной бумаги у края. Мука и отходы направлялись к внешнему краю камня по канавкам, которые делал умелый ремесленник с помощью острых инструментов. Обновлять канавки приходилось регулярно, через интервалы времени, определяемые качеством камня и скоростью работы, обычно каждые две-три недели. Блоки гранита, или твердого песчаника, или куски пористого кварца, скрепленные вместе и удерживаемые железными обручами, чаще всего брали для изготовления жерновов, но даже лучшие камни не справлялись с работой за один проход. После первого помола высевки удалялись, а мука заново пускалась в дело, и процесс мог повторяться несколько раз. Финальной стадией было просеивание через сито, после которого убирали все отходы и сортировали муку по категориям.

Веками помол с помощью воды или ветра все так же представлял собой тяжелый труд. Приходилось разгружать зерно и высыпать его в приемники; намолотую муку требовалось собирать, просеивать и паковать в мешки. Сита, работающие с помощью воды, появились в XVI веке, а полностью автоматическая мельница была сконструирована только в 1785 году американским инженером Оливером Эвансом, который предложил использовать бесконечные ремни с ведрами, чтобы поднимать зерно, и архимедовы винты для того, чтобы транспортировать его по горизонтали и распределять намолотую муку по поверхности для охлаждения. Изобретение Эванса не имело немедленного коммерческого успеха, но опубликованная им книга о мельничном деле стала классической (Evans 1795).

История приготовления пищи показывает очень небольшой прогресс до начала индустриальной эры. Открытые очаги и камины использовались для жарки (в огне или на шампурах, решетках или вертелах), для варки и тушения. Жаровни применяли для кипячения воды и жарки мяса, а простые каменные или глиняные печи – для выпекания хлеба. Плоский хлеб прилепляли на стенки глиняных печей (до сих пор это единственный способ испечь правильный индийский наан), а дрожжевой хлеб помещали на плоской поверхности. Нехватка топлива привела к изобретению способов готовки с низкими затратами энергии. Китайцы использовали с этой целью горшки на трех полых ногах (И) уже в 1500 году до н. э. Неглубокие сковороды с покатыми стенками – индийские и тайские kuali, китайские kuo, лучше всего известные на Западе под кантонским названием wok – ускоряли жарку, тушение и обработку паром (Е. N. Anderson 1988).

Происхождение кухонных печей остается неопределенным, но их широкое распространение очевидно потребовало освоения труб. Даже в богатейших частях Европы они редко встречались до начала XV века, поскольку люди продолжали полагаться на дымные, неэффективные очаги (Edgerton 1961). Многие китайские глиняные или кирпичные печи все еще не имели труб в первые десятилетия XX века (Hommel 1937). Железные печи, в которых огонь был полностью замкнут, начали замещать открытые очаги в области приготовления пищи и отопления только в XVIII веке. Знаменитая печь Бенджамина Франклина, придуманная в 1740 году, была не самодостаточным устройством, а печью внутри очага, способной греть с чуть большей эффективностью (Cohen 1990). В 1798 году Бенджамин Томпсон (граф Румфорд, 1753–1814) придумал кирпичное устройство с цилиндрической топкой и отверстиями в верхней поверхности, чтобы ставить горшки; печь эта изначально использовалась для больших кухонь (Brown 1999).

Тепло и свет

Примитивность и неэффективность традиционных методов отопления и освещения особенно примечательны, если сравнивать с часто впечатляющими механическими достижениями древних цивилизаций. Контраст еще больше на фоне широкого набора технических инноваций в Европе после Ренессанса. Открытые очаги и камины обеспечивали довольно слабое отопление почти на всем протяжении ранней современной эры (1500–1800). Свечение огня, мерцающее слабое пламя (часто дымивших) масляных ламп и (обычно дорогих) свечей обеспечивали все освещение в течение тысячелетий доиндустриальной эволюции.

В области отопления самый важный переход от затратных, нерегулируемых открытых очагов к более совершенным устройствам был очень медленным. Даже помещение огня в трехсторонний камин принесло лишь крайне малый выигрыш в эффективности. Хорошо сложенные камины могли гореть без присмотра целую ночь, но их эффективность оставалась низкой. Лучшие цифры достигали 10 %, но как правило величина колебалась лишь около 5 %. Обычно подобное устройство нагревало воздух рядом с собой, но теплый воздух уходил через трубу наружу, что приводило к общим потерям тепла в комнате. Перекрыть же тягу было нельзя, поскольку при сгорании топлива выделялся опасный, а в больших количествах даже летальный угарный газ.

Эффективность традиционных кирпичных или глиняных печей менялась не только в зависимости от конструкции (часто обусловленной предпочтениями в приготовлении пищи), но также в зависимости от главного топлива. Современные исследования, посвященные азиатским сельским печам, чья форма не менялась столетиями, позволили зафиксировать максимальную практическую эффективность. Массивные кирпичные печи с длинными трубами и плотной кладкой, которые топили дровами, имели эффективность около 20 %. В менее крупных, продуваемых печах с короткими трубами, которые топили соломой или травой, типичная величина была близка к 15 %, а иногда составляла всего 10 %. Но все традиционные отопительные устройства оставались очень неэкономными. По меньшей мере три обогревательных системы использовали дерево и пожнивные останки изобретательно эффективным образом, обеспечивая большую степень комфорта.

К их числу относились римский hypocaust, корейский ondol и китайский kang. Первые два направляли горячие продукты горения через поднятый пол комнаты перед тем, как отправить их в трубу. Hypocaust был греческим изобретением, его старейшие образцы находят в Греции и некогда населенной греками побережной части Южной Италии, и датируют III веком до н. э. (Ginouves 1962). Римляне поначалу использовали его в теплых комнатах (caldaria) публичных бань-терм, а позже для того, чтобы обогревать каменные дома в более холодных провинциях империи (рис. 4.16). Испытания сохранившегося hypocaust показали, что 1 кг каменного угля в час достаточно, чтобы поддержать температуру в 22 °C в комнате 5x4x3 м при наружной температуре 0° (Forbes 1966). Третье из упомянутых обогревательных устройств до сих пор встречается в Северном Китае. Kang, большая кирпичная платформа (минимум 2x2 м и 75 см высотой) обогревается остаточным теплом от прилегающей печи; она используется в качестве кровати по ночам и как место отдыха днем (Hommel 1937).

Рисунок 4.16. Часть римского hypocaust (со скелетом собаки, убитой чадом) из Римского музея в Хомбург-Шварценакер (Саар). Фотография предоставлена Barbara F. McManus

Был проведен (Yates 2012) детальный инженерный анализ подобного традиционного теплообменника, затем последовали предложения по повышению его эффективности. Kang отдавал тепло медленно, распределяя его по сравнительно большой площади, жаровни же, широко распространенные в большинстве обществ Старого Света, наоборот, предоставляли точечный источник тепла и производили немало угарного газа. Японцы, успешно эксплуатировавшие китайские и корейские изобретения, не смогли адаптировать ondol или kang для своих хлипких деревянных домиков. Жители Японии пользовались жаровнями с каменным углем (hibachi) и грелками для ног (kotatsu). Такие небольшие контейнеры с каменным углем, поставленные на пол и покрытые плотной тканью, использовались даже в XX веке. Они существуют и сегодня в форме электрических kotatsu, маленьких обогревателей, встроенных в низкие столики. А Палата общин Великобритании отапливалась с помощью больших сосудов с каменным углем до 1791 г.

Растительное топливо также служило важнейшим источником освещения во всех доиндустриальных обществах. Огонь, факелы из смолистого дерева и горящие лучины были простейшими, но наименее эффективными и очень неудобными вариантами освещения. Первые масляные лампы с горящим жиром появились в Европе в верхнем палеолите, около 40 тысяч лет назад (de Beaune and White 1993), свечи начали использовать на Среднем Востоке после 800 года до н. э. И те и другие обеспечивали неэффективное, слабое и дымное освещение, но они по меньшей мере были безопасными и высокомобильными. Для горения использовались различные животные и растительные жиры: пчелиный воск, оливковое, рапсовое, льняное и касторовое масло, ворвань, говяжье сало; на фитили шел папирус, пенька, тряпки. До конца XVIII века искусственное освещение существовало только в форме свечей, и для яркой иллюминации требовалось огромное количество этих крохотных источников света.

Свечи превращают только около 0,01 % химической энергии в свет, самая яркая точка в их пламени дает среднюю интенсивность излучения (объем энергии, падающей на единицу поверхности) всего лишь на 20 % выше, чем у чистого неба. С изобретением спичек в Китае в конце VI века растопка очагов и разжигание ламп стали намного более легким делом. Первые спички представляли собой тонкие сосновые палочки, пропитанные серой; они добрались до Европы только в начале XVI века. Современные безопасные спички с красным фосфором на головке были придуманы в 1844 году и вскоре заняли большую часть рынка (Taylor 1972). В 1794-м Ами Арганд предложил лампы, светимость которых можно увеличивать с помощью фиксатора фитиля, с центральной подачей воздуха и трубой для лучшей тяги (McCloy 1952).

Вскоре после этого появился первый осветительный газ, полученный из угля. Однако большую часть XIX века за пределами крупных городов десятки миллионов домов по всему миру продолжали полагаться в области освещения либо на растительное топливо, либо на животные жиры, в первую очередь на китовую ворвань. Плохо оплачиваемая, утомительная и опасная охота на морских млекопитающих, описанная в романе Германа Мелвилла «Моби Дик» (1851), достигла пика перед 1850 годом (Francis 1990). Американский китобойный флот, на тот момент крупнейший, состоял из 700 судов в 1846 году. В первую половину десятилетия около 160 тысяч бочек китового жира прибывало каждый год в порты Новой Англии (Starbuck 1878). Последующее уменьшение численности китов и конкуренция со стороны угольного газа и керосина привели к быстрому упадку этого промысла.

Доиндустриальная эволюция в этих отраслях показывает очень неровное чередование прогресса и стагнации, а иногда даже регресс. Обычные парусники конца XIX века значительно превосходили лучшие суда классической античности как в скорости, так и в способности идти под ветром. И точно так же, тщательно сконструированные экипажи на рессорах, приводимые в движение удобно запряженными лошадьми, предлагали куда более комфортное путешествие, чем спина лошади или телега без рессор. Но даже в богатейших европейских странах типичные дороги были вряд ли лучше, а часто даже хуже, чем во времена поздней Римской империи. Мастерство афинских архитекторов, создавших Парфенон, или римских строителей, сложивших Пантеон, было не ниже, чем у их последователей, возводивших барочные дворцы и церкви. Все изменилось, и довольно быстро, с распространением намного более мощного первичного движителя и строительного материала превосходного качества. Паровой двигатель, дешевые чугун и сталь дали толчок революции и в транспорте, и в строительстве.

Наземный транспорт

Ходьба и бег, два естественных способа человеческого передвижения, преобладали в доиндустриальных обществах. Энергетические затраты, средние скорости и максимальные дневные дистанции всегда зависели в первую очередь от индивидуальной готовности и ландшафта (Smil 2008а). Затраты были больше при скоростях как выше, так и ниже оптимума в 5–6 км/ч, а при движении по неровной поверхности, грязи или глубокому снегу они увеличивались в среднем на 25–30 %. Перемещение вверх по склону сопровождается затратами, которые определяются как градиентом, так и скоростью, и исследования показывают почти линейное увеличение в энергетических потребностях в соответствии с широким спектром скоростей и уровня наклона (Minetti et al. 2002).

Бег требует выхода мощности между 700 и 1400 МВт, что в 10–20 раз больше, чем при базовом обмене веществ. Медленно бегущий человек весом в 70 кг произведет 800 Вт; мощность опытного марафонца, одолевшего дистанцию (32,195 км) за 2,5 часа, в среднем составит около 1300 Вт (Rapoport 2010); и когда Уссейн Болт установил мировой рекорд на стометровке в 9,58 с, максимальная мощность (несколько секунд при беге и в то время, когда его скорость составляла половину от максимума) была

2619,5 Вт, то есть 3,5 лошадиных силы (Gomez, Marquina and Gomez 2013). Энергетические затраты человека при беге сравнительно высокие, но как уже отмечалось (глава 2), люди обладают уникальной способностью почти полностью отделять эти затраты от скорости (Carrier 1984). Исследователи (Arellano and Kram 2014) показали, что поддержка веса тела и толкание его вперед требуют около 80 % всех энергозатрат при беге; сгибание ног – около 7 %, поддержание бокового баланса – около 2 %; но размахивание руками снижает общие затраты примерно на 3 %.

Современные показатели в беге постоянно росли на протяжении XX века (Ryder, Carr and Herget 1976), и они безо всяких сомнений выше, чем лучшие исторические достижения. Но нет недостатка в выдающихся примерах бега на длинные дистанции и в доиндустриальных обществах. Забег Фидиппида из Афин в Спарту прямо перед битвой при Марафоне в 490 году до н. э. стал образцом беговой выносливости. Фидиппид преодолел дистанцию в 240 км всего за два дня (средний выход мощности, предполагая вес бегуна в 70 кг, был около 800 Вт, чуть больше одной лошадиной силы) только для того, чтобы сообщить, что спартанцы отказали в помощи.

Одомашнивание лошадей не только ввело в оборот новый, более мощный и быстрый персональный транспорт, оно ассоциируется с распространением индоевропейских языков, бронзовой металлургии и новых способов ведения войны (Anthony 2007). На лошадях ездили верхом задолго до того, как появилась упряжь; начало этой практики прослеживается до азиатских степей середины 2-го тысячелетия до н. э. Но есть версия (Anthony, Telegin and Brown 1991), что все началось много ранее, около 4000 года до н. э., среди людей среднестоговской культуры на территории современной Украины.

Эта версия базируется на не доказанной до сих пор гипотезе о разнице между малыми коренными зубами у диких и домашних лошадей; у животных, ходивших в узде, другая картина скашивания и стирания на микрофотографиях зубов. Схожим образом использовали (Outram and co-workers 2009) повреждения от взнуздывания (и другие свидетельства) для доказательства того, что первое одомашнивание лошади произошло у людей ботайской культуры и что на некоторых животных ездили верхом. При ходьбе взнузданные животные были не быстрее человека, но рысь (свыше 12 км/ч) и галоп (до 27 км/ч) позволяли покрывать дистанции, которые потребовали бы от человека значительных усилий. Галопирующая лошадь дает большой выигрыш в силе: ее мускульная работа сокращается наполовину посредством сохранения и возвращения энергии эластичного натяжения в похожих на пружины мускулах и сухожилиях (Wilson et al. 2001).

Опытный всадник на подходящем животном мог проехать 50–60 км/день, а меняя лошадей в случае экстренной ситуации, можно было одолеть и 100 км. Максимально длинные для Средних веков дистанции ежедневно проезжали всадники из монгольского яма (почтовой службы; Marschall 1993), а Буффало Билл (1846–1917) утверждал, что, будучи молодым сотрудником службы Pony Express, он проехал, после того как его напарника убили, 515 км за 21 час 40 минут, использовав 21 лошадь (Carter 2000). Исследования показали (Minetti 2003), что типичная эффективность работавших на больших расстояниях служб была тщательно оптимизирована. Почтовые службы предпочитали среднюю скорость в 13–16 км/час и дневную дистанцию в 18–25 км на одно животное, чтобы минимизировать риск гибели лошадей. Этот оптимум соблюдался и в Персии во времена царя Кира, установившего регулярное сообщение между Сузами и Сардисом после 550 года, а также монгольскими ямщиками XIII века и фирмой Overland Pony Express, которая обслуживал Калифорнию до создания телеграфа и железной дороги.

Но поездка на лошади всегда была серьезным вызовом для человека. Поскольку в передней части тела лошади сосредоточено три пятых ее веса, единственный способ сделать так, чтобы совпали вертикальные проекции центров тяжести у животного и всадника – сесть впереди. Но прямая передняя посадка помещает центр тяжести всадника много выше, чем у лошади. Это провоцирует быстрые рычажные колебания наездника, если лошадь резко ускоряется, прыгает или останавливается. Таким образом, наиболее эффективная позиция требует, чтобы центр тяжести всадника находился не только впереди, но и низко.

Типичная жокейская стойка («обезьяна на палке») – лучший способ добиться такого положения. Любопытно, что эта посадка окончательно установилась только в конце XIX века благодаря Фредерико Каприлли (Thomson 1987). Обнаружено (Pfau and co-workers 2009), что результаты крупных скачек улучшились на 7 % около 1900 года, когда такую посадку начали активно применять. Она изолирует всадника от колебаний скакуна: очевидно, что лошадь поддерживает вес наездника, но не заставляет его качаться при каждом цикле движений. Поддержание жокейской посадки требует значительных усилий, что подтверждено сердечным ритмом, близким к максимальному, у жокеев во время забегов. Эта позиция, используемая в несколько преувеличенном виде в современном конкуре, радикально отличается от стилей верховой езды, зафиксированных в скульптурах и на картинах. По разным причинам всадники сидели слишком близко к хвосту, и максимально эффективное передвижение было невозможным. Наездники классической эпохи находились еще в худшем положении, поскольку у них не было стремян. Только с их появлением в раннесредневековой Европе стали возможными рыцарские турниры.

Простейший способ транспортировать грузы – переносить их. Там, где не было дорог, люди зачастую справлялись с этой задачей лучше животных: низкая эффективность компенсировалась легкостью погрузки и разгрузки, умением двигаться по узким тропам и карабкаться по склонам. По этой же причины ослы и мулы с корзинами часто превосходили лошадей: более устойчивые на неровных тропах, с более твердыми копытами, выносливые и требующие меньше воды. Самый эффективный способ переноски состоит в помещении центра тяжести груза над центром тяжести носильщика, но балансирование ноши не всегда практично. Шесты, прикрепленные к плечам, и деревянные ярма, увешанные мешками или ведрами, лучше всего подходят для переноски. Переходы на длинные расстояния по пересеченной местности лучше всего совершать с заплечными мешками, снабженными наплечными и наголовными ремнями. Шерпы Непала, транспортирующие грузы гималайских экспедиций, считаются лучшими носильщиками. Они могут поднять от 30 до 35 кг (примерно половина веса тела) в базовый лагерь, и менее 20 кг на более крутых склонах в разреженном воздухе выше него.

Как уже отмечалось, римские грузчики (saccarii), перегружавшие египетское зерно в гавани Остии с кораблей на баржи, носили мешки по 28 кг на короткие дистанции. В легком варианте традиционного китайского паланкина на одного клиента приходятся два носильщика, то есть примерно по 40 кг на каждого. Подобные грузы составляют до двух третей веса тела того, кто их несет, и скорость переноски не превышает 5 км/ч. В относительных терминах люди лучше справлялись с переноской, чем животные. Типичная ноша составляла только около 30 % от веса животного (обычно от 50 до 120 кг) на равнине и 25 % в горах. Человек с помощью колеса мог передвигать груз, превышающий его самого по весу. Зафиксированные рекорды в более чем 150 кг относятся к китайским тачкам, где груз помещался прямо над осью колеса. Европейские тачки, с их нецентрованным колесом, обычно нагружали не больше чем на 60-100 кг.

Массовое приложение человеческого труда, в котором помогали простые механические устройства, могло обеспечивать выполнение удивительно сложных задач. Несомненно, наиболее затратной транспортной задачей в традиционных обществах было перемещение огромных строительных блоков или готовых компонентов к месту строительства. Блоки добывали в карьерах, передвигали и использовали в строительстве в каждой высокой культуре древности (Heizer 1966). Несколько изображений, дошедших до нас с тех времен, показывают, как тогда справлялись с подобной работой. Определенно, самым впечатляющим из них является часть уже упомянутой египетской росписи из гробницы Джехутихотепа в Эль-Берше, датированной 1880 годом до н. э. (Osirisnet 2015). Сцена изображает 166 человек, которые тащат колоссальную статую на салазках, при этом работник поливает дорогу впереди жидкостью из кувшина (рис. 4.17). Смазка уменьшала трение наполовину, и совместный труд, дававший пиковую мощность в 30 кВт, позволял двигать груз до 50 тонн. Но даже эти цифры были значительно превзойдены в некоторых доиндустриальных обществах.

Строители-инки использовали громадные полигональные камни неправильной формы, чьи выглаженные бока сходились с ошеломляющей точностью. Чтобы затащить на рампу блок весом 140 тонн, самый тяжелый в Ольянтайтамбо в южном Перу, потребовались координированные усилия 2400 человек (Protzen 1993).

Пиковая мощность этой группы в короткие моменты могла достигать 600 кВт, но мы не знаем, как была организована логистика такого мероприятия. Как удалось запрячь более чем 2 тысячи человек, чтобы они тянули совместно? Как они поместились в границах узких (6–9 м) рамп инков? И как люди в древней Бретани управились с менгиром Эр-Грах (Niel 1961), который весит 340 тонн и является крупнейшим камнем, поднятым в Европе в мегалитическую эпоху, мы тоже не знаем.

Рисунок 4.17. Перемещение массивной (высота 6,75 м, вес более 50 т) алебастровой статуи Джехутихотепа, номарха нома Унут (Osirinet 2015). Рисунок восстановлен по поврежденной настенной росписи в гробнице Джехутихотепа в Эль-Берше, Египет (Corbis)

Лошади могли реализовать свое превосходство только при наличии хороших подков и удобной упряжи. Эффективность наземного транспорта также зависела от успехов в снижении трения и от достижения высоких скоростей. Состояние дорог и конструкция средств транспорта были в этом отношении двумя решающими факторами. Различие в энергетических потребностях между передвижением груза по гладкой, твердой, сухой дороге и по неровной земляной поверхности было очень значительным. В первой ситуации нужна сила только в 30 кг, чтобы переместить груз в 1 тонну, во второй может потребоваться в пять раз больше, а на песчаной или болотистой почве – в 7-10 раз больше. Смазка для осей (говяжий и растительный жир) использовалась по меньшей мере со II тысячелетия до н. э. В кельтских бронзовых опорах имелись внутренние канавки, где находились цилиндрические деревянные подшипники, уже в I веке до н. э. (Dowson 1973). Китайские шариковые подшипники могли быть еще более древними, но точно наличие шариковых подшипников отмечено в документах только в Европе начала XVII века.

Дороги в древних обществах были чаще всего грунтовыми, и в разные времена года они превращались в болотистые канавы или пыльные тропы. Римляне, начав с Аппиевоей дороги (Via Appia) из Рима в Капую в 312 году до н. э., вложили огромное количество труда и организационных усилий, чтобы создать обширную сеть дорог с твердым покрытием (Sitwell 1981). Качественные римские viae состояли из слоев гравийного бетона, булыжников, или закрепленных раствором каменных плит. К правлению Диоклетиана (285–305) римская система дорог (cursus publicus) выросла до 85 тысяч километров. Общие затраты энергии на все предприятие равнялись как минимум миллиарду трудодней. Но эта громадная цифра не кажется неправдоподобной, если разложить ее на века непрерывного строительства (примечание 4.12). В Западной Европе римские достижения в дорожном строительстве были превзойдены только в XIX веке, а в восточных регионах континента – лишь в двадцатом.

Примечание 4.12. Энергетические затраты при строительстве римских дорог

Если мы предположим, что типичная римская дорога была лишь 5 м шириной и 1 м глубиной, то создание 85 тысяч километров магистральных дорог, после первичного удаления как минимум 800 Мм³ земли и камня, потребовало бы перемещения около 425 Мм³ песка, гравия, бетона и камня для дорожного полотна, насыпей и канав. Допустив, что работник может управиться только с 1 кубометром строительного материала в день, мы можем рассчитать, что задачи по добыче, обработке и перемещению камней, копанию песка для фундаментов, канав и дорожного полотна, подготовки бетона и раствора, а также укладки дороги в сумме требуют около 1,2 млрд трудодней.

Даже если поддержание в должном порядке и ремонт дорог увеличат эту цифру втрое, то пропорциональное ее разложение на 600 лет строительства даст в результате ежегодное среднее в 6 миллионов трудодней, эквивалент работы 20 тысяч строителей. Это представляет (при 2 МДж/сут.) годовые инвестиции энергии почти 12 ТДж труда.

Мусульманский мир не имел ничего сравнимого с римскими cursus publicus, хотя коммуникации в его пределах были интенсивными (Hill 1984). Далеко разбросанные города и страны соединялись караванными маршрутами, которые технически были всего лишь тропами. Грузовые верблюды заменили собой колесный транспорт в пустынном регионе между Марокко и Афганистаном. Процесс замены, который предшествовал мусульманским завоеваниям, был обусловлен в основном экономическими императивами (Bulliet 1975). По сравнению с волами, вьючные верблюды не только быстрее и мощнее, они также более выносливы и живут дольше, могут идти по более грубой почве, существовать на худшем фураже и переносят долгие периоды без воды и пищи. Экономические преимущества увеличились с введением североарабского седла между 500 и 100 годами до н. э. Седло позволило с удобством ездить верхом и перевозить грузы и ускорило процесс исчезновения телег в пустынной части Старого Света.

Инки, укрепляя свою империю в XIII–XIV веках, построили впечатляющую сеть дорог благодаря трудовой повинности. Общая их длина достигала около 40 тысяч километров, включая 25 тысяч километров всепогодных дорог, пересекающих дренажные трубы и мосты и оборудованных указателями расстояний. Из двух главных королевских дорог одна, вьющаяся через Анды, имела покрытие из камня. Ее ширина варьировалась от 6 метров на речных террасах до всего лишь 1,5 м там, где она шла через скалы (Kendall 1973). Лишенная каменной поверхности дорога у побережья была 5 метров в ширину. Дороги у инков не были предназначены для колесного транспорта, по ним двигались лишь караваны людей и вьючных лам, несущих 30–50 кг груза на животное и проходивших менее 20 км/сут.

Во времена династий Цинь и Хань китайцы построили обширную систему дорог общей длиной около 40 тысяч километров (Needham et al. 1971). Созданная примерно в то же время римская сеть была длиннее и имела большую дорожную плотность на единицу территории, да еще могла похвастаться лучшим покрытием. Вот так Стаций (Mozley 1928, 220) в своей Silvae описал строительство Домициановой дороги в 90 г н. э.: «Первым делом они приготовили колеи и разметили границы дороги, и затем извлекли землю до нужной глубины; потом заполнили ров другим материалом и приготовили основу для изогнутого гребня дороги, во избежание того, чтобы почва не раздалась в сомнительных местах под весом перегруженных камней; затем связали блоками, поставленными тесно на обеих сторонах, и часто вбитыми клиньями. О, как много людей работают вместе! Некоторые валят лес и очищают склоны гор, другие вырубают балки и обтесывают валуны с помощью железа, третьи скрепляют камни и переплетают работу с запеченным песком и грязным туфом; иные же каторжной работой осушают водоемы и отводят малые потоки».

Китайские дороги строились путем забивания голыша и гравия с помощью металлических трамбовщиков. Это обеспечивало более эластичное, но менее стойкое покрытие, чем на лучших римских дорогах. Прекрасная почтовая служба пережила упадок династии Хань, но наземная транспортировка товаров и людей почти всюду исчезла. Только в некоторых частях страны упадок удалось преодолеть с помощью перевозок по каналам. Телеги, запряженные волами, и колесные тележки перемещали большую часть товаров. Люди и в XX веке все еще ездили в двухколесных экипажах и паланкинах. Упоминание о первых телегах дошло до нас из шумерского города Урука (3200 год до н. э.). У них были сплошные колеса диаметром до метра, изготовленные из дерева. Такие колеса довольно быстро распространились по различным культурам (Piggott 1983). Некоторые ранние колеса вращались вокруг зафиксированной оси, другие – вместе с ней. Дальнейшая эволюция пошла в сторону более легких, свободно поворачивающихся колес со спицами (в начале второго тысячелетия до н. э.) и способной двигаться передней оси у экипажа с четырьмя колесами, что обеспечило возможность резких поворотов.

Неэффективно запряженные лошади на плохой дороге двигались медленно даже если везли сравнительно малый груз. Максимальные возможности для римских дорог IV века составляли 326 кг для почтовой телеги с лошадьми и 490 кг для более медленной, запряженной волами (Hyland 1990). Низкие скорости ограничивали дневной пробег до 50–70 км для экипажа с пассажирами на хорошей дороге, 30–40 км для более тяжелого грузового фургона, который везли лошади, и еще в два раза меньше – если его тащили волы. Человек с тележкой мог одолеть примерно 10–15 километров за день. Конечно, куда большие дистанции покрывали гонцы на быстрых лошадях: зафиксированный максимум для римских дорог составлял около 380 км/день. Низкие скорости и малые возможности наземного транспорта приводили к большим затратам, что иллюстрируется цифрами из edictum de pretis Диоклетиана. В 301 году дороже стоило перевезти зерно на 120 км по дороге, чем переправить его на корабле из Египта в Остию, морские ворота Римской империи. После того, как египетская пшеница прибывала в порт Остии (в 20 километрах от столицы империи), ее перегружали на баржи и перемещали их против течения Тибра вместо того, чтобы везти зерно в запряженных волами телегах.

Схожие ограничения оставались во многих обществах до XVIII века. Например, в начале века определенные товары было дешевле доставить в Англию морем из Европы, чем привезти сушей из отдаленных районов страны. Путешественники описывали состояние британских дорог как варварское, отвратительное, мерзостное и адское (Savage 1959). Дожди и снега делали непроходимыми грунтовые и плохо уложенные гравийные дороги, часто из-за малой ширины по ним можно было только перевозить грузы. Дороги в континентальной Европе были не лучше, и упряжные лошади, работавшие группами от четырех до шести животных, жили в среднем меньше трех лет. Фундаментальные улучшения начались только после 1750 года (Ville 1990). Сначала они включали расширение дорог и обеспечение хорошего дренажа, а позже – укрепление покрытия с помощью более стойких материалов (гравий, асфальт, бетон). Тяжелые европейские кони наконец смогли показать свои превосходные тягловые качества. К середине XIX века максимальный разрешенный груз во Франции увеличился почти до 1,4 тонны, в четыре раза больше, чем в римские времена.

В городском транспорте пик важности лошадей пришелся на эру паровозов, между 1820-ми годами и концом XIX века (Dent 1974). В то время как железные дороги взяли на себя перевозки на большие дистанции, тягловый транспорт стал доминировать во всех быстро растущих городах Европы и Северной Америки. Паровые двигатели на самом деле повысили уровень использования лошадей (Greene 2008). Грузы для железных дорог требовалось собрать и привезти на станцию с помощью движимых животными телег. Обойтись без них не удавалось и при доставке продуктов и сырья из пригородов. Городское изобилие предполагало большое количество частных экипажей, кэбов и омнибусов (впервые в Лондоне появились в 1829 году), а также телег с товарами (рис. 4.18).

Рисунок 4.18. Гравюра из Illustrated London News от 16 ноября 1972 года, точно отражающая плотность движения запряженных лошадьми экипажей (кэбы, омнибусы, тяжелые телеги) в быстро индустриализирующихся городах Европы конца XIX века

Конюшни для содержания лошадей, помещения для хранения запасов сена и соломы занимали значительную часть городского пространства (McShane and Tarr 2007). К концу правления королевы Виктории в Лондоне было 300 тысяч лошадей. Градостроители в Нью-Йорке думали над созданием пояса пригородных пастбищ, чтобы держать там лошадей между часами пик, когда транспорт наиболее востребован. Прямые и косвенные энергетические затраты на городской тягловый транспорт – зерно и сено, кормежка и уход за животными, изготовление подков, упряжи и телег, утилизация навоза – были одной из крупнейших статей энергетического баланса городов конца XIX века. Но доминирование лошадей закончилось очень резко. Электричество и двигатели внутреннего сгорания стали практичными как раз в тот момент, когда количество городских лошадей достигло максимума в 1890-х годах. Менее чем за поколение тягловые экипажи оказались почти целиком вытеснены с городских улиц электрическими трамваями, бензиновыми автомобилями и автобусами.

Любопытно, что только в это время европейские и американские механики придумали практичную версию наиболее эффективного экипажа, приводимого в движение человеком – современный велосипед. Поколениями велосипеды были неуклюжими, даже опасными конструкциями, не имевшими шансов на широкое распространение в качестве средства личного транспорта. Усовершенствование началось только в 1880-х годах: Джон Кемп Старли и Уильям Саттон изобрели велосипеды, у которых колеса были одинакового размера, имелось прямое рулевое управление и ромбовидная рама из металлических трубок (Herlihy 2004; Wilson 2004; Hadland and Lessing 2014). Этот дизайн сохранили практически все велосипеды XX века (рис. 4.19). Эволюция современного велосипеда в целом завершилась с изобретением надувных шин и заднеприводного тормоза в 1889 году.

Рисунок 4.19. Велосипеды появились удивительно поздно и эволюционировали очень медленно. На неуклюжей машине барона фон Дреза (1816) приходилось отталкиваться ногами. Педали впервые прикрепили к оси переднего колеса в 1855-м, и это усовершенствование вошло в конструкцию велосипедов 1860-х годов. Последующая эволюция привела к возникновению огромных передних колес и изобилию несчастных случаев. Только в конце 1880-х появились безопасные, эффективные и простые современные машины. Рисунки заимствованы из Byrn (1900)

Улучшенные велосипеды, снабженные фонарями, багажниками и тандемными сиденьями, стали широко использоваться для доставки грузов, поездок за покупками и отдыха во многих европейских странах, особенную популярность они приобрели в Нидерландах и Дании. Позже они распространились по всему миру, количество велосипедов в бедных странах превысило таковое в Европе. История коммунистического Китая была особенно тесно связана с массовым использованием этой машины. До начала 1980-х годов в Китае не было частных автомобилей, и до конца 1990-х большинство жителей пригородов ездили на работу и домой на велосипедах даже в крупных городах. Последовавшее создание метро во всех главных городах и введение в обиход автомобилей снизило количество велосипедов на дорогах (тенденция была лишь частично перекрыта растущей популярностью е-байков), но только не в сельской местности. Китай все еще остается крупнейшим производителем велосипедов: около 80 миллионов единиц в год, из которых более 60 % экспортируется (IBIS World 2015).

Гребные и парусные суда

Передвижение по воде с помощью человеческих мускулов имело куда большую эффективность, чем наземный транспорт на живой силе. Весельные суда были сконструированы так, чтобы интегрировать усилия десятков или даже сотен гребцов. Естественно, непрерывная напряженная гребля с помощью тяжелого весла требовала серьезного труда, и когда ею приходилось заниматься в тесном, ограниченном пространстве под палубой, она была чрезвычайно изнурительной. Наше восхищение перед сложным устройством и уровнем организации больших гребных судов не должно затмевать тот факт, что их быстрое движение обеспечивалось огромным количеством человеческого страдания. Особенно хорошо изучены корабли античной Греции (Anderson 1962; Morrison and Gardiner 1995; Morrison, Coates and Rankov 2000). Суда, которые везли греческих воинов в Трою, пентеконтеры с 50 гребцами, могли иметь входную полезную мощность в 7 кВт.

Трехрядные триеры (римские триремы), лучшие боевые корабли классической эпохи, приводились в движение 170 гребцами (рис. 4.20). Сильные гребцы могли толкать триеру с мощностью более 20 кВт, достаточной, чтобы получить максимум скорости около 20 км/ч. Но даже при движении с обычной скоростью 10–15 км/ч маневренные триремы оставались мощными боевыми машинами. Их бронзовый таран мог с опустошительным эффектом проделывать дыры в корпусе вражеского судна. В одной из самых знаменитых битв в истории победа маленького греческого флота над куда более крупным персидским при Саламине (480 год до н. э.) была достигнута благодаря триерам. Они также были самыми важными боевыми кораблями в республиканском Риме. Их полномасштабная реконструкция была завершена в 1980-х годах (Morrison and Coates 1986; Morrison, Coates and Rankov 2000).

Более крупные суда – квадриремы, квинквиремы и так далее – начали строить после смерти Александра Великого в 323 году до н. э. Поскольку нет указаний, что у этих кораблей было более трех рядов весел, предположительно по два человека и более управлялись с одним веслом. Конец этой последовательности был достигнут с созданием тессераконтеры в правление Птолемея Филопатора (222–204 до н. э.). Корабль длиной 126 м нес более 4000 гребцов и почти 3000 воинов и теоретически мог двигаться с мощностью более 5 МВт. Но из-за веса (вместе с тяжелыми катапультами) он оказался малоподвижной и крайне затратной ошибкой кораблестроения.

Рисунок 4.20. Вид сбоку, частичный план и поперечный разрез реконструированной греческой триремы «Олимпия». Шесть ярусов, выстроенных в форме буквы V, содержали 170 гребцов, весла верхнего яруса вращались на вынесенных за борт аутригерах. Заимствовано из Coates (1989)

В Средиземноморье большие весельные суда сохранили важность вплоть до XVII века: в это время крупнейшие венецианские галеры имели 56 весел, каждым управляли пять человек (Bamford 1974; Capulli 2003). Большие долбленые каноэ маори приводило в движение почти такое же количество воинов (до 200). Общий лимит агрегированной человеческой мощности при постоянной гребле, таким образом, лежал между 12 и 20 кВт. Но имелись корабли, которые приводились в движение педалями или ступальными мельницами. Во времена династии Сун китайцы строили все более крупные боевые корабли с гребными колесами, на которых до 200 человек давили на педали (Needham 1965). В Европе намного меньшие буксиры, приводимые в движение 40 работниками, которые вращали лебедки или ступальные мельницы, появились в середине XVI века. Одушевленная энергия была первичным движителем и при перевозке товаров и людей на баржах и судах по каналам (примечание 4.13).

Каналы были особенно важными катализаторами экономического развития в центре китайского государства (нижнее течение Хуанхэ и Северо-Китайская равнина) со времен династии Хань (Needham et al. 1971; Davids 2006). Вне всяких сомнений, самой длинной и известной из этих транспортных артерий является da yunhe, Большой Канал. Его первую секцию открыли в начале VII века, а после завершения строительства в 1327 году появилась возможность гонять баржи из Ханчжоу в Пекин. Разница по широте между ними составляет 10°, а расстояние – около 1800 км. На первых каналах использовались неудобные двойные рампы, по которым волы затаскивали суда на более высокий уровень. Изобретение шлюзового замка в 983 году дало возможность перемещать корабли безопасно и без потери воды. Последовательность шлюзов позволила поднять верхнюю точку Большого Канала на 40 м над уровнем моря. Суда по китайским каналам тянули бригады работников, волы или водяные буйволы.

Примечание 4.13. Перевозки по каналам в древности

Самое раннее описание вялого продвижения по каналам (храпящий лодочник, пасущийся мул) осталось нам от Горация (Квинт Гораций Флакк, 65-8 годы до н. э.) в его «Сатирах»[5]:

• «Да лодочник пьяный с каким-то проезжим
• Взапуски петь принялись про своих отдаленных любезных.
• Этот заснул наконец; а тот, зацепив за высокий
• Камень свою бечеву, пустил мула попастися;
• Сам же на спину лег и спокойно всхрапнул, растянувшись.
• Начинало светать; мы лишь тут догадались, что лодка
• С места нейдет. – Тут, выскочив, кто-то как бешеный начал
• Бить то мула, то хозяина ивовой палкой. – Досталось
• Их головам и бокам! – Наконец мы насилу, насилу
• На берег вышли в четыре часа[6]».

В Европе каналы стали особенно важными в XVIII и XIX веках. Лошади или мулы, шагавшие по прилегающим путям, тащили баржи со скоростью около 3 км/ч с грузом и до 5 км/ч – пустые. Механические преимущества подобного вида транспорта были очевидными: по хорошо сконструированному каналу одна тяжелая лошадь могла везти груз в 30–50 тонн, на порядок больше, чем на лучшей твердой дороге. Паровые двигатели постепенно заменили тягловых животных, но многие лошади работали на небольших каналах еще в 1890-е годы.

Создание транспортных каналов в Европе, несомненное заимствование из Китая, началось в Северной Италии в XVI столетии. 240 км Южного канала во Франции завершили к 1681 году. Самые длинные ветки на континенте и в Англии появились только после 1750 года, а в Германии система каналов возникла позже железных дорог (Ville 1990). Баржи транспортировали по каналам большое количество сырья и импортных товаров для растущей промышлености и для городов и вывозили отходы. Значительная доля траффика в Европе осуществлялась водным путем сразу перед появлением железных дорог и несколько десятилетий после того (Hadfield 1969).

По контрасту с транспортом каналов и боевыми кораблями, суда для перевозки морским путем грузов и людей на большие расстояния с самого начала высокой цивилизации были почти всегда парусными. Историю парусников можно понять в первую очередь как поиск лучшего способа конверсии кинетической энергии ветра в эффективное движение корабля. Паруса сами по себе не могут справиться с этой задачей, но они – безусловный ключевой ингредиент в ее решении. Паруса – это в основе своей аэродинамические поверхности или крылья (надуваясь, они формируют крыловидный профиль), предназначенные для максимизации подъемной силы и минимизации тяговой силы (рис. 4.14). Но сила, получаемая от парусного крыла, должна комбинироваться с балансирующей силой киля, иначе корабль будет дрейфовать по направлению воздушного потока (Anderson 2003).

Прямые паруса, поставленные под прямым углом к длинной оси корабля, были эффективными конвертерами энергии только при ветре в корму. Римские корабли, толкаемые северо-западными ветрами, могли пройти маршрут Мессина – Александрия за 6–8 дней, но на возвращение им требовалось 40–70 дней. Нерегулярное мореплавание, значительные сезонные различия, прекращение всех путешествий зимой (морской путь между Испанией и Италией был закрыт с ноября до апреля) – из-за этих обстоятельств почти невозможно определить типичную скорость (Duncan-Jones 1990). Путешествия против ветра осуществлялись в первую очередь за счет очень длительных изменений курса. Античные суда оснащались прямыми парусами, и лишь долгое время спустя были введены и начали широко распространяться радикально иные типы оснастки (рис. 4.21).

Корабли с косой оснасткой имели паруса, вытянутые вдоль длинной оси судна, мачты служили точками, вокруг которых вращались паруса, чтобы поймать ветер. Подобные суда могли очень легко менять направление, просто поворачивая под ветер и продолжая идти зигзагом. Впервые косая оснастка, вероятнее всего, появилась в Юго-Восточной Азии в виде прямоугольного наклонного паруса. Модификации этого древнего варианта были в конечном итоге приняты в Китае и через Индию пришли в Европу. Характерные китайские реечные паруса использовались как минимум со II века до н. э. Наклонный прямой парус широко распространился в Индийском океане в третьем веке до н. э. и стал очевидным предшественником треугольных (латинских) парусов, которые сделались типичными для арабского мира после седьмого столетия.

Примечание 4.14. Паруса и хождение под парусом против ветра

Когда ветер давит на парус, разница в давлении генерирует две силы: подъемную, чье направление перпендикулярно парусу, и тяговую, которая действует по ходу паруса. При ветре в корму подъемная сила очевидно будет много больше, чем тяговая, и корабль пойдет хорошо. При ветре с траверза, или слегка ближе к носу, сила, толкающая корабль вбок, будет больше силы, двигающей его вперед. Если корабль попытается повернуть еще ближе к ветру, то тяговая сила превзойдет подъемную и судно будет двигаться назад. Максимальные возможности для хождения под парусом близко к ветру достигли более 100° с начала парусной эпохи. Ранние египетские корабли с прямыми парусами могли выдерживать угол только в 150°, средневековые прямые паруса давали возможность медленно двигаться при ветре с траверза (90°, их потомки послеренессансной эпохи могли двигаться под ветер под углом в 80 градусов). Только использование ассиметричных парусов, размещенных большей частью параллельно длинной оси судна и способных поворачиваться вокруг мачт, сделало возможным хождение круче к ветру.

Корабли, на которых прямые паруса комбинировались с треугольными, могли идти под углом 60°, а косая оснастка (включая треугольные, реечные, шпрюйтовые и гафельные паруса) давала возможность идти под 45°. Современные яхты могут приближаться к 30°, к аэродинамическому максимуму. Единственным способом обойти предел возможностей несовершенных парусов древности было двигаться под лучшим из возможных углов, а затем менять курс. Суда с прямой оснасткой должны были поворачивать через фордевинд или делать полный разворот под ветер. Корабли с косыми парусами использовали поворот оверштаг, поворачивая нос под ветер и ловя ветер противоположной стороной паруса.

Рисунок 4.21. Первичные типы парусов. Прямые паруса: прямоугольные (а) или с выемкой (b) появились раньше всех. Треугольные паруса: тихоокеанский гик (d), латинские с вынесенным носом или без него (е, f). Шпрюйтовые паруса (h) были распространены в Полинезии, Меланезии (i), Индийском океане (j) и Европе (k, I). Мачты и все поддерживающие структуры (гики, шпрюйты, гафели) нарисованы жирными линиями, паруса изображены не в масштабе. Базируется на следующих работах: Needham and co-workers (1971) и White (1984)

Рисунок 4.22. Эволюция парусных кораблей. Общества древнего Средиземноморья использовали прямую оснастку. Еще до того, как появиться в Европе, треугольные паруса доминировали в Индийском океане. Большая морская джонка из Цзянсу представляет собой типичную китайскую конструкцию. «Санта-Мария» Колумба имела прямые паруса, фок-топсель, латинский парус на бизань-мачте и шпрюйтовый парус под бушпритом. Flying Cloud[7] знаменитый американский клипер-рекордсмен середины XIX века, был оснащен треугольным фоком, бизанью и величественными главными парусами и трюмселями. Упрощенные очертания базируются на изображениях из Armstrong (1969), Daumas (1969) и Needham and co-workers (1971), корабли изображены в одном масштабе

Экспансия викингов (которые в конечном итоге добрались до Гренландии и Ньюфаундленда) обеспечивалась большим количеством прямоугольных или квадратных парусов из шерсти. Их производство было очень трудоемким: чтобы соткать один однослойный парус в 90 м², используя вертикальную основу и горизонтальный уток, ремесленник тратил до пяти лет. Возможность превращать земли в пастбища, способные прокормить достаточное количество овец, чтобы давать шерсть для больших северных флотов, была получена благодаря использованию рабского труда (Lawler 2016). После того как путешествия викингов прекратились, большие шерстяные паруса применяли в северо-восточной Атлантике (между Исландией и Скандинавией, включая Гебридские и Шетландские острова) до XIX века (Vikingeskibs Museet 2016).

В Европе только комбинация прямой оснастки и треугольных парусов в позднее Средневековье сделала возможным хождение круто к ветру. Постепенно корабли оснащались все большим числом лучше управляемых парусов (рис. 4.22). Усовершенствованная конструкция корпуса, расположенный на корме руль (использовался в Китае с конца I века н. э., в Европе появился на тысячу лет позже) и магнитный компас (в Китае после 850 года, в Европе около 1200-го) превратили корабли в конвертеры энергии уникальной эффективности. И корабли стали практически непобедимыми после того, как на них начали уставливать точные тяжелые пушки. Вооруженный корабль, разработанный в Западной Европе на протяжении XIV и XV столетий, открыл эру беспрецедентной масштабной экспансии. Как вполне справедливо писал один из исследователей (Cipilla 1965, 137), корабль «был по сути своей компактным устройством, которое позволяло сравнительно маленькой команде использовать не имевшее аналогов количество неодушевленной энергии для движения и разрушения. Секрет внезапного и быстрого возвышения Европы объясняется именно этим».

Такие корабли достигли максимальных размеров и вооружились самым большим количеством пушек в XVIII и начале XIX века. Морское соперничество между Францией и Англией в конечном итоге закончилось тем, что Британия установила превосходство на морях, но исходный французский дизайн большого двухпалубного боевого корабля (около 54 метров в длину по пушечной палубе, с 74 пушками и командой в 750 человек) использовался при строительстве кораблей вплоть до появления пароходов. Британский военно-морской флот спустил на воду почти 150 больших кораблей (Watts 1905; Curtis 1919), и они обеспечили стране главенство в океанах и до, и после эпохи Наполеона. Первые суда такого типа, появившиеся в начале XV века, несли отважных португальских моряков к далеким берегам (примечание 4.15).

Примечание 4.15. Открытия португальских мореплавателей

Моряки из Португалии сначала двинулись на юг, вдоль западного берега Африки: устье Сенегала они обнаружили в 1444 году, экватор пересекли в 1472-м, увидели Анголу (современное название) в 1486-м, и в 1497 году Васко да Гама (1460–1524) обогнул мыс Доброй Надежды и пересек Индийский океан, чтобы добраться до Индии (Boxer 1969; Newitt 2005). Луис де Камоэнс (1525–1580) в своей эпической поэме «Лузиады», опубликованной в 1572 году, отметил это продвижение:

• «Герои вышли в океан открытый
• И бороздят валов мятежных гривы.
• Корабль летит и, пеною омытый,
• Взрывает гладь жемчужную заливов.
• И белый парус, ветрами обвитый,
• Над океаном реет горделиво.
• И прочь несутся, в страхе цепенея,
• Стада детей бесчисленных Протея»[8].

В 1492 году три испанских корабля, ведомых Христофором Колумбом (1451–1506), пересекли Атлантику и достигли Америки. В 1519 году Фернан Магеллан (1480–1521) пересек Тихий океан, и после его смерти на Филиппинах «Викторию» возглавил Хуан Себастьян Элькано (1476–1526), завершивший первое кругосветное путешествие. По многочисленным историческим записям мы можем проследить прогресс в тоннаже и скорости как типичных, так и лучших парусных кораблей, которые использовались в эпоху колониальной экспансии и для увеличения объемов морской торговли (Chatterton 1914; Anderson 1926; Cipolla 1965; Morton 1975; Casson 1994; Gardiner 2000). Хотя римляне строили суда с водоизмещением более тысячи тонн, их стандартные грузовые корабли несли менее 100 тонн.

Тысячей лет позже европейцы отправлялись в свои экспедиции на столь же маленьких судах. «Санта-Мария» Колумба в 1492-м имела водоизмещение 165 тонн, а «Тринидад», корабль Магеллана, всего 85 тонн. Прошло сто лет, и корабли Непобедимой Армады (отправилась в плавание в 1599 году[9]) в среднем имели водоизмещение 515 тонн. В 1800 году британские корабли индийского флота имели водоизмещение порядка 1200 тонн. Римские грузовые суда не могли двигаться быстрее 2–2,5 м/с, лучшие клиперы XIX века превосходили 9 м/с. В 1853 году построенный в Бостоне Lightning[10] с английским экипажем установил рекорд, сделав самый длинный дневной переход под парусом: корабль прошел 803 км со средней скоростью, по расчетам, 9,3 м/с (Wood 1922). В 1890 году «Катти Сарк», возможно, самый знаменитый чайный клипер, одолел 6000 км за 13 дней, со средней скоростью 5,3 м/с (Armstrong 1969).

Слишком много сомнительных предположений надо сделать, чтобы рассчитать общую энергию, необходимую и для движения отдельных кораблей при долгих плаваниях, и для того, чтобы активно себя проявлял военный или торговый флот какой-либо страны. Согласно исследованиям (Unger 1984), вклад парусных кораблей в общее использование энергии во время голландского Золотого века примерно равнялся выработке всех голландских ветряных мельниц – но это было всего 5 % от громадного потребления торфа в стране (примечание 4.16). И хотя попытка оценить общее количество энергии хождения под парусами может выглядеть сомнительной, можно утверждать, что экспансия морской торговли (предшествующая экспансии экономики в целом) и ее растущая продуктивность внесли решающий вклад в экономический рост в Европе между 1350 и 1850 годами. (Lucassen and Unger 2011).

Примечание 4.16. Вклад парусных кораблей в использование энергии в Голландии

Информация о тоннаже и скорости, которая позволяет нам рассчитать энергию, необходимую для передвижения отдельных кораблей при долгих путешествиях, или определить общий годовой вклад энергии ветра, использованной торговым или военным флотом, является неадекватной. Критические переменные – дизайн корпуса, площадь парусов и их точная форма, вес груза, коэффициент загрузки – слишком разнородны, чтобы вывести из них значимые средние величины. Но все же можно выстроить последовательность предположений (Unger 1984), чтобы определить вклад парусных кораблей в использование энергии в Голландии во время так называемого Золотого века, и мы получим годовую величину примерно 6,2 МВт. Для сравнения – это приблизительный эквивалент общей мощности всех голландских мельниц (оценка из De Zeeuw 1978), но лишь малая доля (менее 5 %) от потребления торфа в стране.

Но такие количественные сравнения ведут нас в ложном направлении: никакое количество торфа не сделало бы возможным путешествие в Вест-Индию; полезная энергия, полученная из торфа, составляла, вероятнее всего, менее четверти от его валовой теплопроиз-водительности; и, само собой, есть фундаментальное противоречие в том, чтобы сравнивать ограниченные и невозобновляемые (на исторической шкале времени точно) запасы недавно открытого ископаемого топлива с изобильным и возобновляемым ресурсом, который постоянно обеспечивает разница в атмосферном давлении. Сравнения агрегированной мощности таким образом имеют не больше смысла, чем сопоставление эффективности конкретных преобразований (в нашем случае – эффективности паруса и торфяной печи).

Здания и другие сооружения

Громадное разнообразие строительных стилей и видов украшения зданий можно свести к четырем фундаментальным структурным компонентам: стены, колонны, балки и арки. Только человеческий труд и несколько простых инструментов требовались, чтобы создавать эти компоненты из трех базовых строительных материалов доиндустриальной эпохи: дерева, камня и кирпичей, обожженных либо на солнце, либо в специальной печи. Дерево можно было срубить и обработать топором, камень добывали в карьере с помощью молотов и клиньев, а обрабатывали долотом. Кирпичи, способные высохнуть на солнце, лепили из легкодоступной аллювиальной глины. Нехватка больших деревьев ограничивала применение древесины во многих регионах, а дороговизна транспортировки камня не позволяла использовать его вдали от мест добычи. Вследствие этого часто очень трудоемкая тонкая обработка дерева и камня могла значительно увеличить расход энергии при строительстве.

Высушенные на солнце кирпичи, широко распространенные на Ближнем Востоке и в средиземноморской Европе, были самыми дешевыми с точки зрения энергии строительными блоками. Их производство достигало больших объемов даже в самых первых оседлых поселениях. Вот как шумерская столица Урук описана в эпической поэме «Гильгамеш», одном из древнейших художественных произведений, дошедших до нас (относится к 2500 году до н. э.) (Gardner 2011): «Одна часть – город, одна часть – сад, и одна – глиняные ямы. Три части, включая глиняные ямы, и формируют Урук». Кирпичи делали из комьев глины, воды и мякины из нарубленной соломы, иногда добавляя навоз и песок; смесь уплотняли, быстро придавали нужные очертания в деревянных формах (до 250 кусков в час) и оставляли сохнуть на солнце. Размеры варьировались от массивных вавилонских кирпичей (40x40x10 см) до более тонких, вытянутых (45x30x3,75 см) римских. Глиняные кирпичи плохо проводят тепло, и это помогает сохранять прохладу внутри зданий в жарком климате пустыни. У них также есть важное механическое преимущество: свод из такого материала не требует балок для поддержки (Van Веек 1987). При достаточном количестве глины и труда кирпичи можно производить в колоссальных объемах.

Обожженные кирпичи использовали в древней Месопотамии, позже они распространились как в Римской империи, так и в Китае при династии Хань. Столетиями глину обжигали прямо в грудах или в ямах, при этом расходовалось очень много топлива, а обжиг получался неравномерным. Позже, когда технология улучшилась, правильно сложенные кирпичи обжигали при температуре до 800 °C, и в результате получалась более однородная продукция. Полностью закрытые горизонтальные топки обеспечили постоянство горения и повышенную эффективность сгорания. У них были правильно устроенные дымоходы, поднимающиеся горячие газы отражались от куполообразной крыши, но для функционирования таким печам требовались дерево или древесный уголь. В Европе потребность в кирпичах выросла в XVI веке, когда ими начали заменять мазанки и деревянные конструкции и стали их использовать и для фундаментов, и для стен.

Вне зависимости от использованных материалов, при строительстве в доиндустриальную эпоху умело координировался труд большого количества людей (включая опытных строителей), или людей и животных, что позволяло решать задачи, сложные даже по стандартам сегодняшнего механизированного мира.

Все карьерные разработки велись вручную, животные перевозили камень к месту строительства, иногда их использовали, чтобы приводить в движение подъемные машины и поднимать тяжелые детали. Но в остальном традиционное строительство полагалось исключительно на человеческий труд. Ремесленники использовали пилы, топоры, молоты, долота, насыпи, буры, совки и наборы шкивов и даже настоящие краны, чтобы поднимать древесину, камни и стекло (Wilson 1990).

Краны, приводимые в движение вращающими лебедку или шагающими по ступальному барабану людьми, хорошо, пусть и медленно, справлялись со своей задачей. А некоторые машины – включая движимый волами ворот Филиппо Брунеллески (1377–1446), использованный для подъема камня при строительстве купола кафедрального собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции, и вращающийся кран, потребовавшийся при монтаже «фонаря» (Prager and Scaglia 1970) – были сконструированы для решения отдельных сложных задач (примечание 4.17). Некоторые проекты были завершены быстро: Парфенон за 15 лет (447–432 до н. э.), Айя-София в Константинополе, громадная византийская церковь, позже ставшая мечетью – менее чем за пять (527–532).

Примечание 4.17. Хитроумные машины Брунеллески

Работа Филиппо Брунеллески над строительством Санта-Мария-дель-Фьоре является прекрасной иллюстрацией той роли, которую могли сыграть нестандартные изобретения в получении необходимого количества энергии эффективным способом. Тягловые животные и рабочие были наготове, чтобы предоставить нужную мощность, но рекордные размеры купола (внутренний диаметр 41,5 м) и не имевшую прецедентов манеру его возведения (без опирающихся на землю подмостков) обеспечили именно машины Брунеллески (Prager and Scaglia 1970; King 2000; Ricci 2014). Машины эти разобрали после того, как строительство закончилось, но, к счастью, их изображения сохранились в Zibaldone, рукописи Буонаккорсо Гиберти.

В их числе были стоящие на земле и поднятые краны с возможностью обратной тяги, вращающийся кран, использованный при установке «фонаря», тщательно изготовленные домкраты и, возможно, самая хитроумная из всех машин, устройство для позиционирования груза (не обязательно собственное изобретение Брунеллески, но совершенно точно отличное воплощение идеи). Материалы для купола поднимались с помощью центральной лебедки (ее вращали волы). Кирпичи с легкостью подавались каменщикам, которые возводили поднимающуюся изогнутую конструкцию, но тяжелые каменные блоки, использованные для обвязных колец (нужны, чтобы все не расползалось в стороны) нельзя было двигать от центральной точки подъема к точно определенным местам установки с помощью тяги или толкания. Задача была выполнена с помощью устройства для позиционирования с двумя горизонтальными скользящими поверхностями, приводимыми в движение винтами, которые монтировались на вертикальном стержне и имели противовес.

Выделяют несколько разновидностей больших строительных проектов, и, несомненно, лучше всего известны различные церемониальные объекты, в первую очередь погребальные памятники и места поклонения. Наиболее важные сооружения первой группы, пирамиды и захоронения, различаются по массивности, храмы и соборы сочетают монументальность и сложность с красотой. Среди утилитарных объектов доиндустриального времени я бы отметил акведуки из-за их длины и структуры: комбинация каналов, тоннелей, мостов и обратных сифонов. Невозможно точно рассчитать, сколько энергии потребовалось на создание того или иного античного сооружения, и даже энергозатраты при строительстве в Средневековье оценить сложно. Примерные расчеты показывают значительные различия в общих энергетических потребностях, и даже большие вариации в средних потоках мощности.

Впечатляющие погребальные или религиозные сооружения, требующие огромных и постоянных потоков энергии – масштабного планирования, выдающейся организации, массовой мобилизации труда – возводились в каждой из высоких доиндустриальных культур (Ching, Jarzombek and Prakash 2011). Эти гробницы и храмы выражают универсальное человеческое стремление к совершенству, к вечному, лежащему за гранью обыденного (рис. 4.23). Я бы с большим удовольствием сказал что-нибудь определенное по поводу строительного процесса и энергетических потребностей при возведении египетских пирамид, величайших сооружений античного мира. Мы знаем, что их создание потребовало долговременного планирования, продуманной логистики в больших масштабах, эффективного наблюдения и обслуживания и потрясающих, пусть и совершенно не понятных для нас технических навыков.

Крупнейшая пирамида, гробница фараона Хеопса из Четвертой династии, лучше всего воплощает эти черты. Она возведена из почти 2,5 миллиона камней, весящих в среднем 2,5 тонны, имеет общую массу свыше 6 Мт, сосредоточенную в объеме менее 2,5 Мм³, и была сложена с замечательной точностью и удивительной скоростью. По ориентации Великой пирамиды (используя расположение двух околополярных звезд, Мицар и Кохаб) мы можем сузить период начала ее строительства до 2485–2475 годов до н. э. (Spence 2000) и определить, что оно завершилось за 15–20 лет. Египтологи сделали вывод, что камни для основы пирамиды добыли прямо в Гизе, но детали облицовки доставили из каменоломен Туры по Нилу, а массивные гранитные блоки, создающие пирамидальную форму (самый тяжелый – около 80 тонн) приходилось везти из Южного Египта (Lepre 1990; Lehner 1997).

Все это выглядит логичным и понятным.

Древние египтяне развили мастерство добычи камня, научились вырезать большое количество одинаковых блоков и управляться с огромными монолитами. Они также умели двигать тяжелые объекты по земле и перевозить их на лодках по реке. Хорошо известные настенные росписи показывают, как колосс в 50 тонн из пещеры при Эль-Берше (1880 год до н. э.) передвинули на салазках 127 человек (давших пиковую полезную мощность более 30 кВт), трение при этом уменьшали с помощью

смазки, которую лил под полозья работник с кувшином. Тот факт, что очень большие камни возили на лодках, доказывает уникальное изображение из Дейр-эль-Бахари: два обелиска из Карнака длиной в 30,7 м каждый везли на барже длиной в 63 м, которую приводили в движение около 900 гребцов в 30 лодках (Naville 1908).

Рисунок 4.23. Пирамида Хеопса в Гизе, пирамида Солнца в Теотиуакане, ступа Джетавана в Анурадхапуре и зиккурат Дур-Унташ в Эламе. Детальная информация об этих сооружениях доступна в Bandaranayke (1974), Tompkins (1976) и Ching, Jarzombek and Prakash (2011)

Но за пределами того, что касается добычи камней в карьерах и их перевозки к месту строительства, лежит область догадок. Мы до сих пор не знаем, как были на самом деле построены крупнейшие пирамиды (Tompkins 1971; Mendelssohn 1974; Hodges 1989; Grimal 1992; Wier 1996; Lehner 1997; Edwards 2003). Египетские иероглифы и рисунки, несущие много другой информации, не дают нам описаний или изображений этого процесса. Наиболее распространенное современное предположение сводится к использованию рамп из кирпичей, глины и камней, но по поводу их форм нет консенсуса (одна наклонная рампа, несколько штук, круговая рампа?), как и по поводу уклона (предлагаются градиенты от 1 к 3 до 1 к 10). Но все эти расхождения не имеют значения, поскольку очень высока вероятность, что строительные рампы не применялись (Hodges 1989).

Если бы это была одна наклонная плоскость, ее пришлось бы возводить заново после того, как завершалось выкладывание очередного слоя камней, и с вполне приемлемым уклоном 10 к 1 ее объем далеко бы превзошел объем самой пирамиды. Рампы, окружающие пирамиду, могли быть узкими, но трудными в постройке, неустойчивыми и неудобными для работы с большими весами, и даже во многих отношениях опасными. В качестве решения были предложены веревки, вращающиеся под прямыми углами вокруг угловых столбов, но у нас нет доказательств, что египтяне использовали что-то похожее и что это работает. В любом случае, где-либо на территории плато Гизы нет остатков от больших дамб.

Самое раннее описание строительства пирамид оставил нам Геродот (484–425 до н. э.), – через два тысячелетия после их возведения. Во время его визита в Египет местные рассказали, что «сооружение же самой пирамиды продолжалось 20 лет»: «Она четырехсторонняя, каждая сторона ее шириной в 8 плефров и такой же высоты, и сложена из тесаных, тщательно прилаженных друг к другу камней. Каждый камень длиной, по крайней мере, в 30 футов. Построена же эта пирамида вот как. Сначала она идет в виде лестницы уступами, которые иные называют площадками, или ступенями. После того как заложили первые камни [основания], остальные [для заполнения площадок] поднимали при помощи помостов, сколоченных из коротких балок. Так поднимали с земли камни на первую ступень лестницы. Там клали камень на другой помост; с первой ступени втаскивали на второй помост, при помощи которого поднимали на вторую ступень. Сколько было рядов ступеней, столько было и подъемных приспособлений. Быть может, однако, было только одно подъемное приспособление, которое после подъема камня без труда переносилось на следующую ступень. Мне ведь сообщали об обоих способах – почему я и привожу их»[11].

Может ли это быть описанием реального метода постройки? Сторонники гипотезы подъема так и думают, и они предложили множество вариантов того, как эта работа могла быть сделана с помощью рычагов простых, но хитроумных машин. Одна из версий (Hodges 1989) основана на простейшем методе – использовании деревянных рычагов, чтобы поднимать каменные блоки, и катков, чтобы ставить их на нужное место. Возражения этой гипотезе опираются прежде всего на тот факт, что требовалось огромное количество вертикальных передвижений для каждого блока из верхних рядов и что необходима была постоянная бдительность и аккуратность, чтобы предотвратить случайное падение камней в 2–2,5 тонны.

Но если отложить в сторону особенности постройки, мы все же можем оценить общие энергетические затраты, которые требовались для возведения Великой Пирамиды, и следовательно – трудовые потребности. Мои расчеты, опирающиеся скорее на большие допуски, чем на предположительный теоретический минимум, показывают, что с задачей могли справиться всего 10 тысяч человек (примечание 4.18). Одна из немногих вещей, которые мы можем с определенностью утверждать относительно возведения пирамид: любые предположения численности работающих на порядок больше являются непростительными преувеличениями. Прокорм такого количества работников, в основном сконцентрированных на плато Гизы, мог быть столь же ограничивающим фактором, как доставка и подъем камней, и даже более того.

Примечание 4.18. Энергетические затраты при строительстве Великой пирамиды

Потенциальная энергия Великой пирамиды (требуемая, чтобы поднять камни общей массой 2,5 Мм³) равняется примерно 2,5 ТДж. Исследователи (Wier 1996), рассчитавшие эту цифру, определили среднюю полезную работу в 140 кДж/сут., и на мой взгляд, это слишком мало. Вот мои сравнительно консервативные предположения. Чтобы добыть 2,5 Мм³ камня за 20 лет (продолжительность правления Хеопса), нужно было 1500 каменщиков, работавших 300 дней в году и производивших 0,25 м³ камня на человека с использованием медного долота и базальтовой колотушки. Даже предположив, что в три раза больше ремесленников требовалось, чтобы обработать и украсить каменные блоки (хотя многие из внутренних почти не обрабатывались) и для того, чтобы переместить их к месту строительства, общая рабочая сила, обеспечивающая строительные материалы, составляла порядка 5000 человек.

При дневном вложении полезной энергии в 400 Дж на человека подъем камней потребовал бы 6,25 миллиона дней, и если разложить это на 20 лет и 300 рабочих дней в году, то мы определим, что с этой задачей справилась бы тысяча человек. Если примерно такое же количество требовалось, чтобы ставить камни на места в растущем сооружении, и даже если удвоить это число, чтобы учесть дополнительный труд организаторов и надсмотрщиков, тех, кто занимался транспортом, ремонтировал инструменты, привозил и готовил еду, стирал одежду, то общее число будет все равно меньше чем 10 тысяч человек. Во время пиковых периодов строительства работники Гизы вкладывали совместно по меньшей мере 4 ГДж полезной механической энергии каждый час, что дает общую мощность 1,1 МВт. Чтобы поддерживать эти усилия, они потребляли каждый день дополнительные 20 ГДж пищевой энергии, эквивалент почти 1500 тонн пшеницы.

Ранее максимальное число строителей (Wier 1996) определяли в 13 тысяч человек на период в 20 лет. Другой расчет (Hodges 1989) дал 125 команд, которые могли поднять все камни на нужные места за 17 лет работы, и общее число постоянных работников всего 1000 человек; в этом случае три года отводилось на обработку облицовочного камня прямо на месте, начиная с вершины. По контрасту, тому же Геродоту рассказали о 100 тысячах человек, работавших по три месяца в год на протяжении 20 лет. Ранние изыскания (Mendelssohn 1974) оценивали общее количество в 70 тысяч сезонных рабочих и примерно в 10 тысяч постоянных каменщиков. И то и другое – не более чем недоказуемые преувеличения.

Другие античные строения, потребовавшие многолетних вложений труда, включают месопотамские ступенчатые храмы-зиккураты, возведенные после 2200 года до н. э., и ступы (dagobas) в честь Будды, часто содержащие реликвии (Ranaweera 2004). Рассчитано (Falkenstein 1939), что возведение зиккурата Ану около Варки в Ираке потребовало по меньшей мере 1500 человек, работавших 10 часов в день на протяжении пяти лет, что дает нам вложенную энергию около 1 ТДж. А Джетава-нарамайя, крупнейшая ступа из Анурадхапуры (122 метра высотой, построена из 93 миллионов грубо уложенных обожженных кирпичей) потребовала около 600 работников по 100 дней в год на 50 лет (Leach 1959), или чуть более 1 ТДж полезной энергии (рис. 4.23).

Пирамиды Мезоамерики, особенно из Теотиуакана (построены во II веке) и Чолулы, тоже очень впечатляют. Пирамида Солнца из Теотиуакана с плоской верхушкой была высочайшей, вероятно, свыше 70 м, если включить в расчеты стоящий на ней храм (рис. 4.23). Ее сооружение обошлось намного легче, чем постройка трех каменных комплексов в Гизе. Основа пирамиды состоит из земли, булыжников и кирпича-сырца, и только облицовка сделана из обработанного камня, который держится на месте благодаря выступающим зацепам и известковому строительному раствору (Baldwin 1977). И все же ее создание потребовало работы до 10 тысяч человек на протяжении более чем 20 лет.

Примечание 4.19. Римский Пантеон

Римский opus caementicium представлял собой смесь заполнителей (песок, гравий, камни, часто также битые кирпичи и плитка) и воды, но его связывающим агентом был не цемент (как в бетоне), а известковый раствор (Adam 1994). Его готовили прямо на строительной площадке, и уникальная смесь гашеной извести и вулканического песка – который добывали около Путеоли (современный Поццуоли, всего в нескольких километрах к западу от Везувия) и называли pulvere puteolano (позже pozzolana) – давала прочный материал, затвердевающий даже под водой. Хотя он и уступает современному бетону, материал из путеоланского заполнителя и высококачественной извести подходил не только для массивных и устойчивых стен, но и для больших сводов и куполов (Lancaster 2005).

Особенно широко римляне использовали opus caementicium при строительстве Пантеона, которое было завершено в 126 году, во время правления Адриана. Большой купол, 43,3 м диаметром (внутренняя часть сооружения могла войти в сферу такого диаметра) остался непревзойденным строителями доиндустриальной эпохи, хотя купол собора Святого Петра, спроектированного Микеланджело и завершенного в 1590 году, был не намного меньше, 41,75 м (Lucchini 1966; Marder and Jones 2015). Помимо очевидных визуальных достоинств самым замечательным свойством купола является уменьшающаяся по вертикали удельная масса: пять рядов кессонного потолка не только становятся все меньше по мере того, как сходятся к центральному отверстию, они сложены из все более тонких слоев кладки со все более легкими наполнителями, от известкового туфа внизу до пемзы наверху (MacDonald 1976).

Купол целиком весит около 4500 тонн.

Если по поводу создания наиболее крупных пирамид мы вынуждены довольствоваться лишь предположениями, то о строительстве таких классических сооружений, как Парфенон или Пантеон, мы знаем почти все (Coulton 1977; Adam 1994; Marder and Jones 2015). Замечательно устроенный Пантеон часто вспоминают как случай хитроумного использования бетона, но утверждение, что римляне были первыми, кто использовал этот материал, является неточным. Бетон – это смесь цемента, заполнителей (песок, мелкие камни) и воды, а цемент производится высокотемпературной обработкой тщательно составленной и тонко размолотой смеси извести, глины и оксидов металла в наклонной вращающейся печи. И нет никакого цемента в римском бетоне opus caementicum, который использовали для возведения Пантеона или любого другого строения ранее 1820-х годов (примечание 4.19).

Мы знаем, что массивные архитравы (такие, как в Парфеноне, весящие почти 10 тонн) нужно было поднимать краном и что их могли прикатить к месту строительства, заключив в округлую опалубку. Краны очень похожего устройства использовали почти двумя тысячелетиями позже при возведении соборов, наиболее продуманных сооружений европейского Средневековья. В строительстве участвовало множество опытных ремесленников, которым требовалось большое количество специальных инструментов (Wilson 1990; Erlande-Brandenburg 1994; Recht 2008; Scott 2011). Работа большей частью была сезонной, но типичные потребности составляли сотни занятых постоянно работников – дровосеков, каменотесов, возниц при телегах, плотников, стекольщиков – на одно или два десятилетия. Общее вложение энергии было таким образом на два порядка меньше, чем при создании пирамид, с пиковыми потоками мощности всего в несколько сотен киловатт.

Хотя некоторые соборы были построены быстро (Шартрский за 27 лет, оригинальный Нотр-Дам-де-Пари за 37), процесс часто прерывался эпидемиями, трудовыми спорами, сменами режима, нехваткой денег и военными конфликтами. В результате этот процесс мог затянуться на несколько поколений, а в некоторых случаях и на столетия: строительство пражского собора Святого Вита, начатое Карлом IV в 1344 году, прервалось в начале XV века, и конструкция (огороженная забором) была завершена с постановкой двух готических шпилей только в 1929 году (Kuthan and Royt 2011).

Рисунок 4.24. Римские акведуки несли воду рек, источников, озер или водохранилищ, комбинируя по меныией мере два или три из следующих конструктивных элементов (сверху вниз): неглубокие прямоугольные туннели, стоящие на фундаменте; туннели, доступ в которые осуществлялся через колодцы; дамбы, пронизанные арками; одноярусные или двуярусные арочные мосты; обратные сифоны из свинца, чтобы проводить воду через глубокие долины. Римские акведуки, поставлявшие около 1 Мм³ воды в день, сформировали впечатляющую систему, строительство которой продолжалось более 500 лет. Базируется на Ashby (1935) и Smith (1978). Уклон акведуков преувеличен

Масштабное строительство, связанное с водой, то есть дамб, каналов и мостов, хорошо документировано в Иерусалиме, Месопотамии и Греции. Но римские достижения, несомненно, известны лучше всего как образцы смелых инженерных решений в области обеспечения городов водой. Практически каждый крупный римский город имел хорошо продуманную систему водоснабжения, и это достижение было превзойдено только в Европе эпохи индустриализации. Римские акведуки выглядели особенно впечатляюще (рис. 4.24). Плиний в своей «Естественной истории» назвал их «наиболее замечательным достижением всего света».

Система водоснабжения начиналась с акведука Aqua Appia в 312 году до н. э. и в конечном итоге состояла из 11 линий, протянувшихся почти на 500 км (Ashby 1935; Hodge 2001). К концу I века общий приток воды составлял более 1 Мм³ (1 Гл) в день, то есть в среднем более 1500 литров на душу населения, а в конце XX века тот же Рим (с населением в 3,5 миллиона) получал в среднем (в том числе для промышленного использования) около 500 литров на душу населения (Bono and Boni 1996). Столь же впечатляющим был масштаб римской канализационной системы cloaca maxima, спрятанной под землей; она достигала 5 метров в диаметре.

По всей Римской империи акведуки состояли из набора одинаковых структурных элементов (рис. 4.24). Водопроводы начинались от источников, озер или искусственных прудов и были прямоугольными в поперечном сечении, их строили из каменных или бетонных плит, промазанных цементом. Обычный уклон акведуков составлял не менее 1 к 200 на каждом из ряда участков, и везде, где возможно, строители избегали тоннелей. Там, где приходилось делать подземный отрезок, к каналу обеспечивали доступ сверху с помощью колодцев. Только в расщелинах, слишком длинных, чтобы обогнуть их, или слишком глубоких для простой дамбы римляне строили мосты. Не более 65 км римских акведуков проходили по аркам. Мосты Августа у Гарда (более 50 метров высотой), Мериды и Тарагоны являются лучшими образцами. Очищение и ремонт каналов, туннелей и мостов, которым часто угрожала эрозия, были постоянной задачей.

Если для пересечения долины требовался мост выше, чем 50–60 метров, то римские инженеры применяли обратный сифон. Его трубы соединяли более высокий резервуар на одной стороне долины с чуть ниже расположенным приемным резервуаром на другой стороне (Hodge 1985; Schram 2014). Пересечение потока на дне долины все же требовало возведения моста. Высокие энергетические затраты при строительстве таких сооружений в первую очередь связаны с большим количеством свинца, который требовался для труб высокого давления – они могли выдержать до 1,82 Мпа (18 атмосфер) – и с ценой транспортировки металла часто на значительное расстояние от центров его плавки. Например, общее количество свинца для девяти сифонов в водопроводе Лиона составило около 15 000 тонн.

Вооруженные конфликты всегда играли в истории значительную роль: они требовали мобилизации источников энергии (часто – в экстраординарном масштабе, и не важно, сбор ли это пеших солдат, вооруженных простыми предметами, производство взрывчатых веществ и боевых машин или подготовка запасов к долгой войне) и регулярно приводили ко все более концентрированному и опустошительному высвобождению разрушительной силы. Более того, поступление базовой энергии в виде пищи или топлива к населению, оказавшемуся под воздействием конфликта, страдало не только в то время, когда он разворачивался (реквизиции пищи для войск, уничтожение посевов, разрушение экономики, мобилизация молодых мужчин, вред, нанесенный поселениям и инфраструктуре), но и многие годы после его завершения.

Все исторические конфликты решались с помощью оружия, но оружие не является первичным движителем войны: если убрать два исключения, то до изобретения пороха единственными первичными движителями войны были мускулы человека и животных. Первым исключением является применение зажигательных материалов; вторым, конечно, использование парусов на боевых кораблях. Традиционное механическое оружие – ручное (кинжалы, мечи, копья) и метательное (дротики, стрелы, тяжелые снаряды для катапульт и требушетов) – конструировалось так, чтобы нанести максимальный физический урон с помощью резкого высвобождения кинетической энергии. Только изобретение пороха добавило новый, намного более мощный первичный движитель. Взрывчатая реакция между химическими веществами могла толкать метательные снаряды быстрее и дальше и увеличивать их разрушительную силу. Столетиями эта сила была ограничена неудобной конструкцией личного оружия (ружья с дульным и полочным заряжанием), но порох приобрел даже большую важность как движитель пушечных ядер.

Одушевленные энергии

Все доисторические конфликты, как и все конфликты античности и раннего Средневековья, приводились в движение исключительно мускулами человека и животных. Воины орудовали кинжалами, топорами и мечами в ближней битве, пешими или на спинах лошадей. Они использовали дротики и копья, натягивали луки и куда более мощные арбалеты (и греки, и китайцы знали последние с четвертого века до н. э.), чтобы пустить в полет стрелы, способные ранить или убить лишенного защиты врага на расстоянии в 100–200 метров. О древности использования луков свидетельствует тот факт, что египетский иероглиф для солдата изображает человека на левом колене с луком в вытянутой правой руке и колчаном на левом плече (Budge 1920). Одушевленная энергия позволяла заряжать большие катапульты и использовать принцип рычага, чтобы швырять тяжести с целью разрушения городских стен и замковых укреплений.

Ручное оружие могло создавать ужасные раны, а нанесенный в нужном месте надрез или укол убивал мгновенно, но оно требовало сражения лицом к лицу, и его мощность была ограничена возможностями мускулов воина. Луки и стрелы позволили разделить враждующие стороны, и опытные лучники добивались великолепной точности на сравнительно больших дистанциях, но слишком много стрел терялось зря, а их кинетическая энергия была невысока (примечание 4.24), да еще и время, проходившее между залпами, неизбежно ограничивало объем вреда, нанесенный этим оружием. Человеческими возможностями также определялся дневной переход армии, и даже если хорошо отдохнувшие и накормленные люди могли двигаться быстро, общее продвижение было часто ограничено скоростью обоза, состоявшего из медленных животных.

Примечание 4.24. Кинетическая энергия мечей и стрел

Даже тяжелые средневековые мечи весили не более 2 кг, обычно менее 1,5 кг. Кинетическая энергия увеличивается с квадратом скорости: она составит только 9 Дж для двухкилограммового меча, если удар нанесен со скоростью 3 м/с, и 75 Дж для японской катаны в 1,5 кг (традиционный изогнутый тонкий меч 60–70 см длиной с односторонней заточкой), которой опытный мечник орудует со скоростью 10 м/с. Это выглядит небольшим значением, но импульс при секущем ударе будет очень сконцентрированным, сосредоточится на узком участке тела (шея, плечо, рука), а колющий удар проникнет глубоко в мягкие ткани. Типичные легкие стрелы весили всего 20 граммов, хороший лучник с композитным луком выпускал их со скоростью 40 м/с (Pope 1923), их кинетическая энергия составляла 16 Дж. И снова это не впечатляет, но импульс метательного снаряда обычно приходится на точку, и поэтому стрела входит глубоко. Стрела с кремневым или металлическим наконечником могла с легкостью пробить кольчугу при выстреле с дистанции до 40–50 м, а если ее хорошо нацелить, могла убить лишенного защиты человека с более чем 200 м.

Две самых мощных боевых машины древности и ранних Средних веков использовали механический выигрыш в силе за счет рычага. Катапульты представляли собой огромные механизированные луки, выпускавшие снаряды с помощью резкого высвобождения эластично деформированной перед этим связки веревок или сухожилий (рис. 4.26). Они использовались с IV века до н. э. (Soedel and Foley 1979; Cuomo 2004). Катапульты могли выпускать стрелы или бросать разные объекты; баллисты, которые применяли при осаде городов, были рычагами третьего вида: их база представляла собой точку опоры, сила обеспечивалась стяжными хомутами, а груз запускался со скоростью, недостижимой при прямом использовании людских мускулов. Типичные средневековые катапульты бросали камни в 15–30 кг и могли причинить стенам только ограниченный урон.

Рисунок 4.26. Римские катапульты (Corbis)

По контрасту, требушеты, изобретенные в Китае до III века до н. э., были рычагами первого типа, их балки вращались вокруг оси, а снаряды загружались с конца метательного плеча, в четыре – шесть раз длиннее короткого плеча (Hansen 1992; Chevedden et al. 1996). Самые первые, небольшие требушеты приводились в действие людьми, тянувшими веревки, привязанные к короткому плечу; более крупные машины, возникшие позже, обладали тяжелыми противовесами и были в состоянии метать объекты весом в сотни килограммов (рекордные веса около или даже свыше 1 тонны) дальше, чем могли стрелять первые пушки. Подобные устройства использовались при обороне осажденных городов, их устанавливали на бастионах, откуда они могли обстрелять любую метательную машину противника.

Животные в военном искусстве играли две различные роли: как средство для быстрых атак на большое расстояние и как незаменимое средство транспорта, только благодаря которому могли существовать достаточно большие армии. В самых первых описаниях военных действий лошади запряжены в легкие колесницы, имевшие колеса со спицами (впервые использованы около 2000 года до н. э.). Никакая другая инновация традиционной эпохи до появления пороха не вызвала столько последствий, как комбинация скорости и возможности быстрого маневрирования, которую обеспечили верховые лучники. Всадники на маленьких лошадях, способные выпускать стрелы из мощных композитных луков (сначала ассирийские и парфянские, затем македонские и греческие) были разрушительной и высокомобильной военной силой за столетия до появления стремян (Drews 2004).

Эти простые куски металла, обеспечивающие упор всаднику, впервые появились в Китае в начале III века н. э., а потом распространились на запад; они обеспечили не имевшую ранее прецедентов стабильность в седле (Dien 2000). Без них всадник в доспехах не мог даже взобраться на крупную (иногда тоже частично защищенную доспехом) лошадь и тем более не имел возможности эффективно сражаться длинным копьем или мечом. Это не значит, что всадники со стременами всегда обладали превосходством в битве. Азиатские наездники, без доспехов, на маленьких, но очень выносливых лошадях, были особенно эффективной боевой силой: они могли передвигаться с высокой скоростью и маневрировать как угодно.

Именно за счет такого свойства монголы добрались из восточной Азии до центра Европы в период между 1223 и 1241 годами. (Sinor 1999; Atwood 2004; May 2013). Благодаря ему несколько степных империй дожили в Центральной Азии до зари современности (Grousset 1938; Hildinger 1997; Amitai and Biran 2005; Perdue 2005). Наиболее впечатляющая серия набегов всадников в доспехах привела крестоносцев из многих европейских стран на восток Средиземноморья, где они установили (между 1096 и 1291 годами) свое правление над прибрежными и внутренними территориями современного Израиля, частями Иордании, Сирии и Турции (Grousset 1970; Holt 2014).

Важность лошадей, как в кавалерии, так и запряженных в телеги и полевые пушки, сохранялась во всех крупных конфликтах Нового времени (1500–1800), включая масштабные Наполеоновские войны. Большие армии, находившиеся далеко от своих баз, должны были полагаться на животных, способных везти груз. Использовались вьючные животные (ослы, мулы, верблюды, ламы) там, где рельеф был сложным, и тягловые (обычно волы, в Азии также слоны) для того, чтобы тащить телеги и очень тяжелые полевые орудия. Потребности в перемещении масс, которые возникали во время больших военных компаний, хорошо иллюстрирует список припасов и животных, которых оккупированная Пруссия согласилась предоставить Наполеону для вторжения в Россию в 1812 году (примечание 4.25). Без волов – общим числом 44 тысячи – тащивших обозные телеги, армия никогда бы не двинулась в путь.

Примечание 4.25. Прусские припасы и животные для вторжения в Россию

Открывая дорогу на Россию: именно так Филипп Поль де Сегюр (1780–1873), один из молодых генералов Наполеона и, возможно, самый известный хроникер окончившегося катастрофой вторжения, описывал вклад Пруссии:

«По этому трактату Пруссия согласилась предоставить двести тысяч квинталов ржи, двадцать четыре тысячи – риса, два миллиона бутылок пива, четыреста тысяч квинталов пшеницы, шестьсот пятьдесят соломы, триста пятьдесят тысяч сена, шесть миллионов бушелей овса, сорок четыре тысячи волов, пятнадцать тысяч лошадей, три тысячи шестьсот телег с упряжью и возницами, каждая несущая груз в пятнадцать сотен; и в конце концов госпитали, обеспеченные всем необходимым для двадцати тысяч больных» (Segur 1825,17).

После 1840 года в военных конфликтах на Западе стали использовать первый современный неодушевленный первичный движитель для мобилизации людей и животных и для перевозки их к линии фронта по железным дорогам (или в случае войск, отправленных в колонии на других континентах – с помощью пароходов), но передвижения на театре военных действий по-прежнему осуществлялись с помощью мускулов людей и животных. И хотя Первая мировая увидела применение нового неодушевленного первичного движителя (двигатели внутреннего сгорания на грузовиках, танках, машинах скорой помощи и самолетах) в зонах боевых действий, лошади все еще оставались незаменимыми.

К концу 1917 года британская армия на Западном фронте полагалась на 368 тысяч лошадей – две трети занимались перевозкой припасов, остальные находились в кавалерии. Хотя продвижение вермахта во Франции (весна 1940-го) и России (лето 1941-го) часто упоминают как пример быстрой механизации военного дела, Германия мобилизовала 625 тысяч лошадей для вторжения в Россию, а к концу войны в вермахте числилось около 1,2 миллиона животных (Edgerton 2007). Советская армия использовала сотни тысяч лошадей в продвижении от Москвы и Сталинграда до Берлина (рис. 4.27). Сено и овес таким образом оставались в числе стратегических материалов до конца Второй мировой.

Рисунок 4.27. Советская кавалерия на Красной площади, Москва, 7 ноября 1941 года, за неделю до начала германского наступления на Москву (Corbis)

Взрывчатые вещества и огнестрельное оружие

Единственная неодушевленная энергия, которую непосредственно использовали в боях в доиндустриальную эпоху, принадлежала зажигательным веществам. Их готовили с применением серы, битума, нефти, негашеной извести и либо обмакивали в них наконечники стрел, либо пропитывали снаряды, чтобы запустить через рвы и валы к цели с помощью катапульт и требушетов. Порох, безо всяких сомнений, появился в результате долгих экспериментов китайских алхимиков и металлургов (Needham et al. 1986; Buchanan 2006). Они работали с тремя ингредиентами – нитратом калия (KNO₃, селитра), серой и древесным углем – задолго до того, как начали их комбинировать. Первая зачаточная формула пороха относится к середине IX века; четкие указания о том, как его изготовить, были опубликованы в 1040 году. Ранние смеси содержали всего лишь около 50 % селитры и не были на самом деле взрывчатыми. Окончательный состав смеси, способной детонировать, выглядел так: 75 % селитры, 15 % древесного угля и 10 % серы.

В отличие от обычного сгорания, где кислород поступает из окружающего воздуха, загоревшаяся KNO₃ охотно выделяет собственный кислород, и порох быстро вызывает расширение объема газа в 3000 раз. Когда он должным образом ограничен и нацелен в ствол оружия, то небольшое количество пороха может дать пуле кинетическую энергию на порядок больше того, что получает тяжелая стрела мощного арбалета, а более крупный заряд способен толкать снаряд полевой артиллерии. Ничего удивительного, что распространение и эволюция пушек и ядер начались почти сразу после появления этого вещества.

Развитие артиллерии началось с китайских огненных копий X века. Бамбуковые, а позже металлические трубки, извергающие куски разных материалов, эволюционировали сначала в простые бронзовые пушки, без точного прицела швырявшие грубо обтесанные камни. Первые настоящие пушки были отлиты в Китае в конце XIII века, Европа отстала всего на несколько десятилетий (Wang 1991; Norris 2003). Постоянные вооруженные конфликты задали быстрый темп инноваций, и появились более мощные и точные орудия. Уже к 1400 году крупнейшие из них достигли длины в 3,6 метра и калибра в 35 сантиметров; мортира «Моне Мег», созданная во Франции в 1499 году и позже переданная Шотландии, была в длину 4,06 метра, могла выстрелить снарядом в 175 килограммов и весила 6,6 тонны (Gaier 1967). Разрушительная сила увеличилась после того, как каменные ядра повсеместно заменили железными.

Стратегические последствия освоения порохового оружия оказались колоссальными, изменилось ведение войны как на суше, так и на море. Отпала необходимость в длительных и часто безуспешных осадах казавшихся неприступными замков. Появление пушек с точным прицелом и железных ядер, из-за высокой плотности более разрушительных, чем каменные, уничтожило возможность защищать такие укрепления. Нападающие теперь могли разбить мощные каменные структуры, не забираясь в зону обстрела лучников, и эра традиционных замковых и городских укреплений закончилась. Средневековая практика возведения сравнительно компактных укреплений с толстыми стенами из камня уступила место новому решению: более низкие стены с выступающими многоугольниками в форме звезды, защищенные мощными земляными валами и широкими рвами.

Подобные проекты требовали огромного количества материалов и энергии. Укрепления, разработанные знаменитым французским военным инженером Себастьяном де Вобаном (1633–1707), потребовали перемещения 640 тысяч кубометров камня и земли (объем, равный примерно четверти пирамиды Хеопса) и создания 120 тысяч кубометров кладки (М. S. Anderson 1988). Но они тоже вышли из моды во время более мобильных войн XVIII века, когда осады стали редкостью. В Наполеоновских войнах легкие пушки Грибеваля (включая 12-фунтовую, стреляющую снарядами в 5,4 кг, и весящую вместе с лафетом менее 2 тонн, по сравнению с почти 3 тоннами у британских орудий) облегчали маневрирование на поле боя (Chartrand 2003).

На морях пушечные корабли (оснащенные двумя китайскими изобретениями: компасом и штурвалом) стали первичными носителями европейского технического превосходства, инструментами агрессивной экспансии по всему земному шару на протяжении веков. Их доминирование закончилось только с введением паровых двигателей, а этот процесс начался лишь в 1820-х годах. В континентальных водах дальнобойные орудия дали английским капитанам решительное преимущество над испанской Армадой в 1588 году (Fernandez-Armesto 1988; Hanson 2011). Столетием позже большие военные суда несли до 100 пушек, английские и датские корабли, вовлеченные в битву при Ла-Хог в 1692 году, стреляли из 6756 пушек (М. S. Anderson 1988). Концентрированные выбросы разрушительной энергии достигали уровней, которые не были превзойдены до середины XIX века, когда появились порох на основе нитроцеллюлозы (в 1860-х) и динамит (запатентован Альфредом Нобелем в 1867 году).

В некоторых странах ископаемое топливо использовалось, пусть и в сравнительно малых количествах, за столетия до того, как оно начало массово вытеснять растительное топливо и одушевленный труд. Уголь и природный газ в Китае и каменный уголь в Англии – самые известные примеры. Китайцы применяли уголь в малом промышленном масштабе во времена династии Хань (206 до н. э. – 220 н. э.); в Англии, Уэльсе и Шотландии было много мест, где уголь выходит на поверхность, добывать его легко, и этим занимались где-то со времен Рима, где-то (чаще всего) – со Средних веков.

Но, как было замечено (Nef 1932, 12), «До шестнадцатого века каменный уголь едва ли сжигали, даже в семейных очагах на кухнях, на расстояниях больших, чем миля или две от его выхода на поверхность, и даже внутри этой территории его использовали только бедняки, которые не могли купить себе дерева».

Каменный уголь был, как правило, доминирующим видом ископаемого топлива в то время, когда Европа совершала свой переход. Самое известное исключение двигало одну из самых влиятельных экономик на заре современной эпохи: на протяжении XVII и XVIII веков голландский Золотой век состоялся благодаря в основном собственному торфу. Объемы его добычи хорошо показаны исследователями (De Zeeuw 1978): оценивается, что из 175 тысяч гектаров торфяников в Нидерландах только 5 тысяч остались более или менее нетронутыми. В США и Канаде переход тоже начался с каменного угля, но в отличие от Европы, эти две страны раньше и быстрее перешли на нефть и природный газ (Smil 2010а). Схожим образом Россия оказалась одним из пионеров крупномасштабной коммерческой добычи нефти, а позже извлекла преимущество из колоссальных запасов природного газа.

Большая часть Европы снизила зависимость от растительного топлива до очень низкого уровня в XIX веке, однако оно до сих пор активно используется во многих бедных странах. Паттерн перехода часто отличается в зависимости от вида топлива, и вывести общие закономерности очень сложно. Разные виды угля, нефти, газа имеют разные свойства (см. примечание 5.1). Тепло, получаемое при их сжигании, можно использовать прямо для приготовления пищи, отопления и плавки металлов, или косвенно для энергетизации первичных движителей. Паровой двигатель стал ведущим неодушевленным первичным движителем в XIX веке. Двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины получили коммерческое распространение в 1890-х годах. К 1950 году бензиновые и дизельные двигатели стали доминирующими первичными движителями в транспорте, а паровые турбины – в крупномасштабном производстве электричества (Smil 2005). Широкое распространение газовых турбин (стационарных для производства электричества и мобильных на реактивных самолетах и кораблях) началось только после 1960-х годов (Smil 2010а).

Недавние исследования энергетических переходов демонстрируют много общих черт в том, как происходили эти постепенные сдвиги, и позволяют определить главные факторы, ускорявшие или замедлявшие процесс (Malanima 2006; Foiquet 2010; Smil 2010а; Pearson and Foxon 2012; Wrigley 2010, 2013). Бывали такие переходы, когда длительные периоды экспериментов заканчивались пиковым ростом и завоеванием всего мира (Wilson 2012), и сравнительно ранние и быстрые переходы в случае малых потребителей энергии (Rubio and Folchi 2012). Некоторые небольшие страны перескочили фазу каменного угля, даже те, где имелись крупные его залежи, и стали зависеть от собственной или, чаще, импортной сырой нефти. Но во всех случаях в конце концов значительно увеличивалось потребление первичной энергии на душу населения, когда общества, ранее ограниченные запасами растительного топлива и количеством одушевленной энергии, входили в новую эпоху использования ископаемого топлива и масштабного применения механических первичных движителей.

Начало и распространение добычи каменного угля

Использовать каменный уголь начали еще в древности, его применяли в Китае при династии Хань для производства железа (Needham 1964). Европейские письменные источники впервые упоминают добычу угля в Бельгии в 1113 году, первую перевозку его морем в Лондоне в 1228-м, первый экспорт из района Тайнмута во Францию в 1325-м. Первой страной, совершившей переход от растительного топлива к углю, стала Англия, и начался он в XVI веке. После 1500 года серьезная нехватка дерева в некоторых регионах привела к росту цен на дрова, древесный уголь и строевой лес. Ситуация только ухудшилась в XVII веке благодаря растущему производству железа и бурно развивающемуся кораблестроению. Импорт железа в чушках и древесины облегчил положение только временно (Thomas 1986). Естественным решением выглядела добыча угля на месте: почти все угольные залежи страны были открыты между 1540 и 1640 годами.

К 1650 году ежегодная добыча каменного угля в Англии превысила 2 Мт; 3 Мт/г добывали в начале XVIII века и 10 Мт/г к его концу. Растущее использование угля требовало решения многих технических и организационных проблем, связанных с его добычей, перевозкой и потреблением. После истощения открытых залежей начали разрабатывать глубже залегающие пласты, а следовательно появились шахты. Если в конце XVII века это были в основном ямы глубиной редко более 50 м, то после 1700 года самые глубокие шахты превзошли 100 м, к 1765 году – 200 м, и 300 м после 1830 года. К этому времени дневная добыча составляла между 20–40 тонн на шахту, а столетием ранее – всего несколько тонн. Такие шахты требовали откачки воды, и больше энергии нужно было для вентиляции, для поднятия угля из более глубоких стволов и его доставки по назначению. Водяные и ветряные мельницы, а также лошади использовались для решения всех этих задач. Сама же добыча угля обеспечивалась тяжелым человеческим трудом.

Забойщики, вооруженные кирками, клиньями и колотушками, извлекали уголь, работая в любых позициях, от стоячей в полный рост до лежачей в узком тоннеле. Откатчики заполняли плетеные корзины углем и тащили их на деревянных салазках ко дну ямы, где стволовые вешали их на веревки. Крутильщики поднимали груз наверх, и рукоятники высыпали уголь в груды. Взрослые мужчины делали большую часть работ, мальчики от шести до восьми лет выполняли самые легкие задачи. Во многих шахтах часть самой тяжелой работы делали женщины или девушки-подростки. Им приходилось подниматься по крутым деревянным лестницам к поверхности с тяжелыми наполненными углем корзинами на спине, которые удерживал налобный ремень, (рис. 5.1). В 1812 году Роберт Болд, шотландский гражданский инженер и геолог, опубликовал исследование, посвященное жизни этих женщин, и обширную цитату из его работы стоит привести не только из-за полного боли описания страданий работниц, но и потому, что он приводит точные оценки их физического напряжения (примечание 5.2).

Рисунок 5.1. Носильщицы угля в шотландской шахте в начале XIX века (Corbis)

Живое описание Болда также является отличной иллюстрацией фундаментального факта энергетики, впечатляющим примером того, как каждый переход к новой форме энергии обеспечивается интенсивным использованием существующих форм и первичных движителей. Переход от дерева к углю стал возможным благодаря человеческим мускулам, потребление угля подтолкнуло к освоению нефти и, как я подчеркиваю в последней главе, сегодняшние фотоэлементы и ветровые турбины являются воплощением ископаемых энергий, которые требовались для плавки нужного металла, синтеза необходимого пластика и производства других материалов, влекущих за собой высокие вложения энергии.

Примечание 5.2. Исследование условий труда женщин, которые носят каменный уголь под землей в Шотландии, известных под названием «носильщицы»

Таким был заголовок приложения к «Общему обзору торговли каменным углем в Шотландии», опубликованному в 1812 году. Здесь приведены ключевые фрагменты (Bald 1812,131–132,134):

«Мать… спускается в яму со старшими дочерями, каждая, имеющая корзину подходящей формы, кладет ее наземь, и в нее закатываются большие куски угля; и такой вес они носят, который часто требует двух мужчин, чтобы закинуть ношу им на спины… Мать отправляется первой, зажав горящую свечку в зубах; девушки следуют… утомительными шагами, медленно, поднимаются они по ступеням, останавливаясь иногда, чтобы перевести дыхание… Нередко бывает так, что во время подъема видят их плачущими очень горько от величайшей суровости труда… Необходимая работа исполняется… таким образом за пределами всякого представления… Вес угля, поднятый на поверхность женщиной за день, составляет до 4080 фунтов… и часто бывает так, что доходит он и до 2 тонн».

При весе тела в 60 килограммов ежедневный подъем 1,5 тонны угля с глубины 35 метров сам по себе требует около 1 МДж, а если включить затраты на передвижение угля по горизонтали или под уклоном – под землей в глубине шахты и на поверхности рядом с ней – и затраты на обратный путь, то всего за день получится 1,8 МДж. Если предположить эффективность труда 15 %, взрослая носильщица могла тратить около 12 МДж энергии, в среднем 330 Вт на протяжении десятичасовой смены. Современные исследования энергетических затрат при тяжелом труде подтвердили, что работу на уровне 350 Вт вполне можно выполнять на протяжении восьми часов, но крайне редко – более долгий срок (Smil 2008а). Очевидно, что носильщицы работали день за днем, многие годы – они начинали трудиться в возрасте семи лет и часто продолжали до пятидесяти – на пределе человеческих возможностей.

На самых глубоких шахтах лошади вращали лебедки, позволяющие поднимать уголь или откачивать воду. После 1650 года лошадей и ослов использовали непосредственно под землей. Запряженные лошадьми телеги, часто по рельсам, доставляли уголь на короткие дистанции, к рекам или гаваням для погрузки на баржи или корабли. К началу XVII века уголь повсеместно применяли в домашнем хозяйстве и в кузницах, для обжига кирпичей, керамической плитки и глиняной посуды, для изготовления крахмала и мыла, для извлечения соли. Но из-за загрязнений в конечном продукте его нельзя было использовать в стекольном деле, при сушке солода и, что самое важное, в плавке железа. Проблема с изготовлением стекла была решена первой, около 1610 года, с появлением отражательной печи, где сырые материалы нагревались в отдельных замкнутых секциях. Только доступность кокса позволила обеспечить все другие потребности (см. следующий раздел).

Другим важным косвенным путем использования угля стал угольный, или городской, газ, получаемый карбонизацией битуминозного угля, иначе говоря, высокотемпературным нагреванием топлива в печах с ограниченным поступлением кислорода (Elton 1958). Первые газовые системы были установлены независимо на английских текстильных фабриках в 1805–1806 годах. Компания, чьей целью стала организация централизованной поставки газа в Лондон, была основана в 1812 году. Улучшение оборудования, удаление серы из газа, новая техника изготовления труб малого диаметра из железа и более эффективные горелки сделали возможным распространение газового освещения. И его век не закончился с появлением электрических лампочек. Газокалильная сетка, запатентованная в 1885 году Карлом Ауэром фон Вельсбахом, позволила газовой промышленности еще несколько десятилетий конкурировать с электрической.

За пределами Англии распространение каменного угля в восемнадцатом веке было куда более медленным. Главная добыча велась в северной Франции, в районах Льежа и Рура, и в районах Богемии и Силезии. Добыча угля в Северной Америке приобрела национальное значение только на протяжении XIX столетия. Историческая статистика в области угледобычи и наилучшие из доступных (но менее надежные) оценки потребления древесного топлива в разных странах позволяют сузить, в некоторых случаях буквально до конкретной даты, периоды времени, когда уголь превзошел дерево и начал давать более половины всей первичной энергии в стране (Smil 2010а). В Англии и Уэльсе такое случилось довольно рано, но время этого самого раннего энергетического перехода можно определить только приблизительно.

Отдельные исследователи (Warde 2007) пришли к выводу, что выбор точной даты перехода от дерева к углю будет произвольным, но определили наиболее вероятное время, когда уголь стал превосходить биомассу в качестве источника тепла, как 1620 год, или даже немного ранее. К 1650 году доля угля выросла до 65 %, к 1700-му – до 75 %, к 1800-му – около 90 % и в 1850 году составляла более 98 % (последние две цифры для Великобритании в целом). Британское угольное превосходство затянулось и на следующее столетие: в 1950 году уголь обеспечивал 91 % всей первичной энергии в стране, и 77 % – в 1960-м. В результате уголь доминировал (составлял более 75 %) в энергетике страны 250 лет, много дольше, чем в любом другом государстве.

Франция в начале наполеоновской эпохи получала более 90 % первичной энергии из дерева, эта доля все еще составляла около 75 % в 1850 году, и только к 1875му упала ниже 50 % (Barjot 1991). Уголь оставался доминирующим топливом во Франции до конца 1950-х годов, после чего импортная нефть заняла его место. Добыча угля в колониальной Америке началась в 1758 году в Виргинии, и в начале XIX века Пенсильвания, Огайо, Иллинойс и Индиана стали производящими уголь штатами (Eavenson 1942). Уголь обеспечивал всего 5 % от общей первичной энергии к 1843 году, но последующий быстрый рост добычи увеличил долю до 20 % к началу 1860-х, а в 1884 году добытый каменный уголь содержал больше энергии, чем все потребление дров в стране (Schnurr and Netschert 1960). В 1880 году, когда в Японии начали вести статистику, дерево (и полученный из него древесный уголь) давало 85 % первичной энергии в стране, но к 1901 году интенсивная модернизация подняла долю угля выше 50 %, пик в 77 % был достигнут в 1917 году (Smil 2010а).

Российская империя, обладавшая большими бореальными лесами на севере европейской части и в Сибири, была по сути своей обществом дерева. В соответствии с советской исторической статистикой, дрова поставляли 20 % всей первичной энергии в промышленности в 1913 году (TsSU 1977), но это, очевидно, относится только к коммерчески заготовленному топливу, которое составляло малую долю от того, что требовалось для обогрева домов: даже небольшой дом потреблял не менее 100 ГДж/год. По моей оценке, дерево обеспечивало 75 % энергии к 1913 году, а нефть и уголь начали давать больше половины всей первичной энергии только в начале 1930-х (Smil 2010а).

Последней из ведущих экономик, совершившей переход от фитомассы к углю, стала китайская, где процесс был отсрочен бесконечными кризисами XX века. Они начались с падения империи в 1911 году, продолжились длинной гражданской войной между коммунистами и Гоминьданом (1927–1936, 1945–1950) и вторжением Японии (1933–1945). После этого пришли десятилетия маоистских экономических экспериментов, результатом которых стал крупнейший в мире голод (1958–1961) и безумная Культурная революция (1966–1976). Поэтому растительное топливо в Китае стало поставлять меньше половины первичной энергии только в 1965 году; к 1983-му его доля упала ниже 25 %, и к 2006 году – ниже 10 % (Smil 2010а).

От древесного угля к коксу

Замещение древесного угля металлургическим коксом при выплавке чугуна принадлежит, без сомнения, к величайшим техническим инновациям современности, поскольку оно привело к двум фундаментальным изменениям. Прекратилась зависимость индустрии от дерева (следовательно, отпала необходимость размещать производство в лесистых регионах) и появилась возможность использовать домны большего размера (тем самым, увеличилась производительность). Кроме того, это был переход к куда более качественному металлургическому топливу.

Пиролиз (деструктивная дистилляция) каменного угля – нагревание битуминозного угля (с низким содержанием пепла и серы) в отсутствие кислорода – позволяет получить почти чистую углеродную матрицу с низкой условной плотностью (0,8–1 г/см³), но высокой плотностью энергии (31–32 МДж/кг), которая также куда лучше сопротивляется сжатию, чем древесный уголь, и поэтому может выдерживать больший вес железной руды и известняка в более высоких домнах (Smil 2016).

Кокс применяли в Англии уже в начале 1640-х годов для сушки солода (уголь не годился, поскольку при его сгорании выделяются сажа и оксиды серы), но его металлургическое использование началось только в 1709 году, когда Абрахам Дерби (1678–1717) ввел эту практику в Колбрукдейле. Коксование могло обеспечить практически неограниченный объем прекрасного металлургического топлива, но процесс был затратным и дорогим, и его широкое применение началось только после 1750 года (Harris 1988; King 2011). Английские металлурги первой половины XVIII века не последовали примеру Дэрби немедленно в основном потому, что приходилось держать низкую цену на металл в чушках, чтобы конкурировать со шведским импортом. Как только рыночная ситуация улучшилась в середине 1750-х годов, англичане тут же начали строить новые домны на коксе, и к 1770 году с помощью кокса изготавливалось 46 % британского железа (King 2005). Это эпохальное изменение прекратило невыносимое давление на древесные ресурсы, ощущавшееся как в Великобритании (см. примечание 4.22), так и на континенте: например, в 1820 году 52 % лесных территорий Бельгии использовались для производства металлургического древесного угля (Madureira 2012).

В Америке в первой половине XIX века ситуация не была столь суровой (см. примечание 4.23), и к 1840 году весь чугун в США все еще выплавлялся на древесном угле, но последующее развитие индустрии привело к быстрому переходу сначала на антрацит, затем на кокс, который стал доминирующим к 1875 году. Поколениями кокс производили очень затратным способом в круглых ульевых печах (Sexton 1897; Washalski 2008). Радикальное улучшение наступило только с внедрением коксохимических печей: они позволяли забирать богатые СО на топливо, химикалии (деготь, бензол, толуол) – для использования в качестве материалов, и сульфат аммония – в качестве удобрения. Использование таких устройств началось в Европе в 1881 году, в США – в 1895-м; их модернизированные версии до сих пор остаются главной опорой современного коксования (Hoffmann 1953; Mussatti 1998).

Первые коксовые домны были такой же высоты (около 8 м) и такого же объема (менее 17 м³), как их современницы на древесном угле, но к 1810 году домны на коксе уже достигали в среднем около 14 м высоты и объема более 70 кубометров). После 1840 года Лотиан Белл (1816–1904), ведущий британский металлург, предложил новую конструкцию, и к концу XIX века домны были почти 25 м высотой и имели внутренний объем в 300 м³ (Bell 1884; Smil 2016). Крупные домны, способные на большую производительность (менее 10 т/день для лучшей домны на древесном угле против более 250 т/день для коксовой домны к 1900 году), обеспечили резкий рост производства чугуна с всего лишь 800 тысяч тонн в 1750 году до около 30 Мт в 1900-м. Этот рост заложил основу для развития после 1860-х годов современной стальной промышленности и предоставил ключевой материал для индустриализации (Smil 2016).

Паровые двигатели

Паровой двигатель стал первым новым первичным движителем, освоенным после внедрения ветряных мельниц, которое произошло на 800 лет ранее. Он был первым практичным, экономичным и надежным преобразователем химической энергии угля в механическую энергию, первым неодушевленным первичным движителем, работающим на ископаемом топливе, а не на почти мгновенной трансформации солнечного излучения. Первые двигатели начала XVIII века обеспечивали только возвратно-поступательное движение, подходящее для откачки жидкости, но уже до 1800 года появились новые конструкции, позволившие получать более практичное вращательное движение (Dickinson 1939; Jones 1973). Несомненно, освоение таких устройств имело большое значение для глобальной индустриализации, урбанизации и развития транспортной системы, и о воздействии паровой машины на все эти процессы не раз писали (von Tunzelmann 1978; Hunter 1979; Rosen 2012).

Коммерциализация и распространение паровых двигателей продвигались медленно, на то и другое ушло более века, и даже во время их быстрого развития, после 1820 года, они еще конкурировали (как уже упоминалось в главе 4) с водяными мельницами и турбинами. Использование паровых двигателей устранило некоторые разновидности одушевленного труда (откачка воды из шахт, многочисленные производственные задачи), но тотальная зависимость от труда человека и животных сохранялась на протяжении всего XIX века. Подобные обстоятельства привели к пересмотру широко распространенного мнения, что внедрение парового двигателя равнялось процессу, который называют, хотя и не совсем верно, индустриальной революцией.

Доминирующее понимание той эпохи как времени глобальных экономических и социальных перемен (Ashton 1948; Landes 1969; Mokyr 2009) не раз подвергалось сомнению со стороны тех, кто воспринимает революцию как ограниченный, даже локальный феномен. Технические перемены затронули лишь некоторые отрасли (текстильную, черную металлургию, транспорт) и оставили прочие сектора экономики в нетронутом состоянии до середины XIX века (Crafts and Harley 1992). Некоторые критики идут еще дальше, утверждая, что перемены были столь малы по сравнению с масштабом всей экономики, что сам термин «индустриальная революция» является ошибочным (Cameron 1982) и что вся Британская индустриальная революция не более чем миф (Fores 1981).

Если говорить точнее, то британские данные показывают: связывать экономический рост в XIX веке в первую очередь с паром будет слишком смело (Crafts and Mills 2004). Несмотря на паровые двигатели, «британская экономика была большей частью традиционной еще 90 лет после 1760 года» (Sullivan 1990, 360), и «типичный британский работающий человек в середине XIX века был вовсе не оператором машины на фабрике, а традиционным ремесленником или разнорабочим или домашним слугой» (Musson 1978, 141). Но оценка становится более понятной, когда мы рассматриваем процесс в терминах общего потребления энергии: его колоссальный рост – валовая величина для Англии и Уэльса (Wrigley 2010) – составляла около 117 ПДж в 1650–1659 годах, 231 ПДж столетием позже, и 1,83 ЭДж в 1850–1859 годах, то есть, потребление увеличилось примерно в 15 раз за 200 лет – сделал возможным экспоненциальный рост экономики, и, без сомнений, паровой двигатель был ключевым механическим толкачом индустриализации и урбанизации.

Но в полной мере его воздействие стало ощущаться только после 1840 года, когда началось быстрое строительство железных дорог и пароходов и когда паровые машины стали использовать в промышленности в качестве стационарных источников кинетической энергии (передаваемой ремнями к отдельным механизмам). Практическая эволюция паровых устройств началась экспериментами Дени Папена (1647–1712) с маленькой моделью, построенной в 1690 году. После больше похожей на игрушку машины Папена появился паровой насос Томаса Севери (1650–1715), всего в 750 Вт, то есть в одну лошадиную силу, работавший без поршня. К 1712 году Ньюкомен (1664–1729) построил двигатель в 3,75 кВт, способный приводить в движение шахтные насосы (Rolt 1963). Поскольку эта машина, работавшая при атмосферном давлении, конденсировала пар на нижней стороне поршня, у нее была очень низкая эффективность, не более 0,7 % (рис. 5.2). К 1770 году Джон Смитон, чья работа по сравнению мощности первичных движителей была отмечена в главе 4, улучшил конструкцию и удвоил эффективность.

Двигатели Ньюкомена начали распространяться по английским шахтам после 1750 года, но из-за низкой эффективности устройства могли использовать лишь там, где топливо имелось на месте, но не там, куда его нужно было везти. Джеймс Уатт (1736–1819) обозначил пути усовершенствования паровой машины в самом названии своего патента: «Новый изобретенный метод уменьшения потребления пара и топлива в огненных машинах» (Watt 1855 [1769]). Патент был выдан 25 апреля 1769 года, и по систематизированному списку улучшений стало очевидно, чем новая машина отличалась от предшественниц (примечание 5.3).

Отдельный конденсатор был очевидно самой важной инновацией (рис. 5.2). Немного позже Уатт внедрил машину двойного действия (где пар двигал поршень как вверх, так и вниз), и центробежный регулятор, который поддерживал постоянные скорости при разных загрузках. В совершенно современном стиле Уатт и его финансовый партнер Мэттью Болтон (1728–1809) брали деньги не за поставленную машину, а за ее повышенную эффективность по сравнению с распространенным двигателем Ньюкомена. Добыча угля и паровые двигатели поддерживали развитие друг друга, потребность откачивать больше воды из более глубоких шахт была основной причиной совершенствования паровых машин. Доступность более дешевого топлива способствовала их распространению, и тем самым увеличению количества шахт. Вскоре машины также приводили в движение вращательные и вентиляционные механизмы.

Рисунок 5.2. Паровые двигатели Ньюкомена и Уатта. В двигателе Ньюкомена, построенном Джоном Смитоном в 1772 году, котел размещался под цилиндром, и пар конденсировался внутри цилиндра, при впрыскивании воды из трубы, ведущей к его нижней правой стороне (слева). В двигателе Уатта, построенном в 1788 году, котел размещался в собственном кожухе, цилиндр был заключен в изолирующую паровую рубашку, и отдельный конденсатор соединялся с воздушным насосом, поддерживая вакуум (справа). Воспроизведено из Farey (1827)

Примечание 5.3. Патент Уатта 1769 года

Вот как Уатт объяснял улучшения в конструкции:

«Мой метод уменьшения потребления пара и, следовательно, топлива в огненных машинах сводится к следующим принципам: во-первых, тот сосуд, в котором находится мощность пара, необходимая для выполнения работы, который зовется цилиндром в обычных огненных машинах и который я зову паровым сосудом, должен во все время, что машина работает, поддерживаться столь же горячим, как и входящий в него пар…

Во-вторых, в машинах, которые работают целиком или частично благодаря конденсации пара, пар должен конденсироваться в сосудах, отличных от паровых сосудов или цилиндров, хотя время от времени соединяющихся с ними. Эти сосуды я зову конденсаторами, и в то время когда машины работают, эти конденсаторы должны по меньшей мере сохраняться столь же холодными, как окружающий машину воздух, посредством приложения воды или иных холодных тел.

В-третьих, чтобы воздух или другой эластичный пар не конденсировался холодом конденсатора и не мог тем самым препятствовать работе машины, его нужно вытягивать из паровых сосудов или конденсаторов посредством выкачивания насосами, приводимыми в движение самой машиной, или иным образом» (Watt 1855 [1769], 2).

Усовершенствованная паровая машина Уатта почти немедленно возымела коммерческий успех, и легко видеть, какое влияние она оказала за пределами индустрии добычи угля, в производстве и транспорте (Thurston 1878; Dalby 1920; von Tunzelman 1978). Но это успех, измеренный относительно промышленного фона второй половины XVIII века: общее применение улучшенных двигателей было незначительным на шкале современного массового производства. К 1800 году, когда закончился срок исходного патента в 25 лет (определенный Актом о паровых машинах от 1775 года), компания, владельцами которой были Уатт и Болтон, изготовила около 500 двигателей, 40 % из них – для откачки воды. Средняя мощность их составляла около 20 кВт, что более чем в пять раз превосходило среднее значение для типичной водяной мельницы того времени, и в три раза – для ветряной.

Крупнейшие изделия Уатта (чуть более 100 кВт) соответствовали самым мощным существовавшим водяным мельницам. Но мельницы нельзя было ставить где угодно, а паровые машины не имели такого ограничения, хотя обычно их размещали рядом с портом или у канала, где была возможность водным транспортом подвозить топливо. Хотя изобретения Уатта открыли дорогу промышленному успеху паровых машин, продление патента на самом деле помешало дальнейшему прогрессу. Мысли о безопасности сделали Уатта столь несмелым в использовании пара высокого давления, или он просто хотел, чтобы во время действия его собственного патента не выдавались похожие? Уатт и Болтон не только не предпринимали попыток развить транспорт на основе пара, они отговаривали Уильяма Мёрдока (1754–1839), главного сборщика их двигателей, от создания движущейся паровой машины, а когда тот стал упорствовать, Болтон убедил его не брать патент (примечание 5.4).

Примечание 5.4. Уатт и Болтон отсрочивают создание паровой кареты

В 1777 году, когда ему исполнилось 23, Уильям Мёрдок прошел около 500 км до Бирмингема, чтобы найти работу в компании паровых машин Джеймса Уатта. И Уатт, и его партнер Мэттью Болтон вскоре поняли, насколько ценный работник им достался. Прекрасная работа Мёрдока на сборке новых машин обеспечивала их эффективное и прибыльное функционирование.

К 1784 году Мёрдок создал небольшую модель паровой кареты, трехколесного экипажа с котлом между двух задних колес. За первой моделью последовала вторая, и Мёрдок в конечном итоге решил запатентовать свой паровой экипаж (Griffiths 1992).

Он отправился в Лондон, чтобы это сделать, но по пути, в Эксетере, его перехватил Болтон, который убедил Мёрдока вернуться домой, не подавая документов на патент. Настойчивость оппонента Болтон воспринял как неповиновение; он написал Уатту:

«Он сказал, что собирается в Лондон, повидать людей, но я вскоре обнаружил, что он отправился туда с его паров, карет., чтобы показать ее и взять патент. Ему было сказано мр. В. Вилкном, что Сэдлер сказал, и он также прочитал в газетных новостях, что Симмингтон заново зажег все топки и ему не терпится делать паровые кареты. Тем не менее я горячо убедил его вернуться в Корнуэлл на дилижансе следующего дня, и он соответственно прибыл сюда этим днем в полдень… я думаю, очень удачно, что я встретил его, поскольку я убедил его, и я могу или излечить его от неповиновения или превратить зло в добро. По меньшей мере, я предотвращу тот вред, который мог бы быть нанесен его путешествием в Лондон» (Griffiths 1992,161).

Но, возможно, это и не имело значения для будущего развитии транспорта на паровой тяге, поскольку первый дорожный экипаж, собранный в 1800 году, оказался неприемлемо тяжелым. И проблема была тем серьезнее, что тогда практически не существовало дорог с хорошим покрытием, способных выдержать его вес. Единственный практичный способ использовать подобные машины заключался в том, чтобы поставить их на рельсы, но прошло несколько десятилетий от появления идеи до начала коммерческого использования, когда окончание патента Уатта в 1800 году открыло период интенсивных инноваций. Первым значительным успехом стало внедрение котлов высокого давления Ричардом Тревитиком (1771–1833) в Англии в 1804 году и Оливером Эвансом (1755–1819) в 1805 году в США. Другими вехами стали прямоточная конструкция, предложенная Джекобом Перкинсом (1766–1849) в 1827 году, и кулачковый клапан-регулятор, придуманный Джорджем Генри Корлиссом (1817–1888) в 1849-м, а также французское усовершенствование двигателей паровозов-компаундов в середине 1870-х. Таким образом из единого базового двигателя возникло большое количество разнообразных конструкций (Watkins 1967).

Исходная задача по откачке воды и подъему грузов в шахтах (рис. 5.3) вскоре стала лишь одной из функций двигателя. К тому времени самое широкое применение он нашел в ременных приводах на бесчисленных фабриках и в быстро меняющемся транспорте девятнадцатого века, как на суше, так и на воде. Развитие пароходов и паровозов происходило одновременно. Первые паровые суда были созданы в 1780-х годах во Франции, в США и Шотландии, но коммерчески успешные корабли появились только в 1802 году в Англии (Charlotte Dundas Патрика Миллера), и в 1807-м в США (Clermont Роберта Фултона).

Рисунок 5.3. Шахта С Pit в Хебберн-Кольери была типичным угольным разрезом времен паровых машин. Паровой двигатель шахты находился в здании с трубой и приводил в движение подъемные и вентиляционные механизмы. Воспроизведено из Hair (1844)

Все первые речные пароходы приводились в движение колесами с лопатками (на корме или по бортам), а для морских вояжей по-прежнему использовались паруса. Первым пересек Атлантику Royal William, он прошел по маршруту Квебек – Лондон в 1833 году (Fry 1896). Первым плаванием на скорость стала гонка между колесными пароходами Sirius и Great Western в 1838-м, в том самом году, когда Джон Эриксон предложил первый работающий винт. Постепенно все более крупные и быстрые пароходы заменяли парусники на пассажирских и торговых маршрутах через Северную Атлантику, и позже – на длинных переходах в Азию и Австралию. Они перевезли большую часть из 60 миллионов эмигрантов, оставивших континент между 1815 и 1930 годами, чтобы отправиться за море, в первую очень в Северную Америку (Baines 1991). В то же самое время движимые углем океанские корабли стали важным инструментом внешней политики США (Shulman 2015).

История наземного парового транспорта тоже началась с медленного старта, за которым последовало быстрое распространение железных дорог. После эксперимента Ричарда Тревитика в 1804 году с поставленной на рельсы машиной появилось несколько маленьких частных железных дорог. Первая общественная ветка, из Ливерпуля в Манчестер, открылась только в 1830 году, ее поезд тянул Rocket Джорджа Стефенсона (1781–1848). Благодаря большому количеству новый изобретений появлялись более эффективные и быстрые машины. К 1900 году лучшие механизмы в локомотивах работали при давлении до пяти раз выше, чем в 1830-х, и с эффективностью более 12 % (Dalby 1920). Скорости выше 100 км/ч стали обычным делом, и в 1930-х годах на прямых участках паровозы достигали и даже превосходили 200 км/ч (рис. 5.4).

Рисунок 5.4. Знаменитые машины эпохи паровозов. Rocket Стефенсона 1829 года, первая коммерческая машина, в которой появились две инновации, сохранившиеся во всех последующих конструкциях: отдельные цилиндры на каждой стороне, приводящие колеса в движение короткими соединительными стержнями, и эффективный многотрубочный котел. Стандартная американская конструкция, которая господствовала на железных дорогах США с середины 1950-х годов. Обтекаемый дизайн немецкого паровоза Borsig, разогнавшегося до 191,7 км/ч в 1935 году. Основано на Вут (1900) и Ellis (1983)

Начавшиеся с первой междугородней ветки в 56 км (Ливерпуль – Манчестер) в 1830 году, британские железные дороги протянулись до 30 тысяч километров к 1900 году, в Европе их общая длина составила 250 тысяч км. По всему миру наиболее мощная экспансия железных дорог наблюдалась в три последних десятилетия XIX века. К 1900 году сеть в России достигла 53 тысяч километров (но Транссибирскую магистраль до Тихого океана достроили только в 1917-м), в США на тот же момент было более 190 тысяч километров (включая три трансконтинентальных ветки), а всего в мире (с большей частью из оставшегося в Британской Индии) насчитывалось 775 тысяч километров (Williams 2006). В результате расширение железнодорожной сети стало главной причиной не имевшего прецедентов спроса на сталь во второй половине столетия.

Конечно, металл требовался в еще больших количествах для многих новых промышленных рынков: самой по себе стальной индустрии (чтобы обеспечивать металл для новых мощностей по производству железа и стали), электрической индустрии (для котлов и паровых турбогенераторов, трансформаторов и проводов), в добыче нефти и газа (для буровых труб, буровых головок, креплений, трубопроводов и цистерн), в кораблестроении (для новых кораблей со стальными корпусами), в производстве (для машин, инструментов и комплектующих), и в традиционной текстильной и пищеобрабатывающей промышленности. Но рельсы (ранее их изготавливали из железа) оказались самым важным конечным продуктом из доступной бессемеровской стали (подробости см. в главе 6), появившимся в 1860-х годах и остававшимся таковым до конца столетия (Smil 2016).

Апогей популярности парового двигателя наступил более чем через столетие после того, как Уатт получил усовершенствованный патент: к началу 1880-х годов широкое распространение паровых машин заложило энергетические основы современной индустриализации, и доступность высококонцентрированной мощности преобразовала как производительность промышленности, так и транспорт дальнего следования, и морской, и наземный. В свою очередь, эти изменения привели к обширной урбанизации, росту благосостояния людей, расширению международной торговли и сдвигам в положении стран на международной арене. Кумулятивный технический прогресс оказался значительным: крупнейшие машины, сконструированные в 1890-х годах, были примерно в 30 раз более мощными, чем их предки в 1800-м (3 МВт против 100 кВт), эффективность в лучших случаях повысилась в 10 раз, с 2,5 до 25 % (рис. 5.5). Этот огромный выигрыш в эффективности, со значительной экономией топлива и уменьшением загрязнения воздуха, случился благодаря в первую очередь более чем стократному росту рабочего давления, от 14 кПа до 1,4 МПа.

Рисунок 5.5. Растущая мощность и улучшение эффективности лучших паровых машин, 1700–1930 годы. Основано на данных из Dickinson (1939) и von Tunzelmann (1978)

Быстрый прогресс и пригодность двигателя для выполнения многих производственных, строительных и транспортных задач (благодаря прочности и надежности) превратил паровую машину в неодушевленный первичный движитель индустриализации XIX века. Его стационарное использование варьировалось от работ, которые ранее выполняли одушевленные первичные движители, водяные колеса или ветряные мельницы (откачка воды, распил древесины или обмолот зерна) до новых задач, которые появились на растущих фабриках (приводные ремни позволяли осуществлять сверление, полировку и другие операции с помощью механизмов, а также получать сжатый воздух). Кроме того, отдельные самые крупные из когда-либо построенных паровых двигателей использовались для того, чтобы вращать динамо первых электростанций в 1880-90-х годах (Smil 2005).

Мобильное использование двигателя привело к революции (здесь эта оценка совершенно опревданна, в отличие от обычного гиперболического утверждения) в транспорте, как наземном, так и водном, к быстрому развитию железных дорог и появлению пароходов. Другие способы мобильного применения, облегчавшие труд, включали паровые краны, молоты для забивки свай и экскаваторы (первое устройство такого типа, «паровая лопата», была запатентовано еще в 1839 году). Панамский канал не удалось бы построить так быстро (1904–1914) без использования примерно сотни «паровых лопат» Bucyrus и Marion (Mills 1913; Brodhead 2012), пар нашел путь даже на американские поля посредством канатных плугов.

Но паровые двигатели стали жертвами собственного успеха: по мере того как росла их эффективность, а ее пиковое значение достигало беспрецедентного уровня (на порядки выше, чем у любого традиционного первичного движителя), они начали сталкиваться с сущностными ограничениями, изначально заложенными в конструкции (Smil 2005). Даже после столетия усовершенствований широко используемые паровые машины оставались малоэффективными: к 1900 году типичный паровой локомотив тратил впустую 92 % угля, загруженного в котел. И они оставались тяжелыми, что ограничивало их мобильность за пределами рельсов и воды, которые могли поддерживать значительную массу (примечание 5.5).

Примечание 5.5. Соотношение масса/мощность паровых машин и «мегатерия»

Лошадь среднего размера, весящая 750 кг и дающая одну лошадиную силу (745 Вт), будет иметь соотношение масса/мощность почти в 1000 г/Вт, как и человек в 80 кг, постоянно работающий с мощностью в 80 Вт. Первые паровые двигатели XVIII века были очень массивными и давали соотношения (600–700 г/Вт) почти столь же высокие, как у людей и тягловых животных. К 1800 году соотношение упало до 500 г/Вт, и к 1900 году лучшие паровые локомотивы добрались до 60 г/Вт. Но это было все равно слишком много для того, чтобы приводить в движение наземные средства транспорта или вращать динамо на электростанциях.

В 1894 году новый бензиновый двигатель «Даймлер-Майбах», установленный на автомобиле, который выиграл гонку Париж-Бордо, имел показатель менее 30 г/Вт (Beaumont 1902), и он не оставил паровым машинам места в дорожном транспорте. Даже первый коммерческий вариант малых паровых турбин Чарльза Парсонса – мощностью в 100 кВт, построена в 1891 году – выдавал лишь 40 г/Вт, и перед Первой мировой соотношение упало ниже 10 г/Вт, а эффективность превзошла 25 %, много выше 11–17 % для лучших паровых двигателей (Smil 2005). Вследствие этого 16 больших паровых машин «Вестингауз-Корлисс», установленных на нью-йоркской электростанции Эдисона в 1902 году, уже устарели, и все же тремя годами позже лондонский городской совет по трамваям поставил на станции Гринвич «мегатерия мира машин» (Dickinson 1939, 152), первый из 3,5-мегаватных паровых компаунд-двигателей, для чего потребовалось пространство размером с собор. Массивные машины Гринвича были почти столь же высокими (14,5 м), как и широкими, а генератор Парсонса той же самой мощности имел бы только 3,35 метра в ширину и 4,45 метра в высоту.

Когда паровые машины достигли своей величайшей эффективности, наибольшей мощности и самого низкого соотношения масса/мощность, не нашлось путей, по которым они смогли бы проследовать к дальнейшему доминированию. Несмотря на впечатляющий прогресс и на совсем недавнее широкое распространение в промышленности, на железных дорогах и в морском транспорте, первичный движитель XIX века потерял лидирующие позиции в веке двадцатом. Паровые турбины остались наиболее мощными первичными движителями в генерации электричества, а двигатели внутреннего сгорания (сначала бензиновые, появившиеся в 1880-х годах, затем и дизельные) в конечном итоге оказались достаточно легкими, мощными и удобными, чтобы стать основой дорожного транспорта. Распространение двигателей внутреннего сгорания стало возможным благодаря доступности недорогого жидкого топлива, получаемого из сырой нефти: у этих жидкостей была большая плотность энергии, чем у угля, они сгорали чище, их было легче перевозить и хранить, и эта комбинация до сих пор делает их лучшим топливом в сфере транспорта.

Нефть и двигатели внутреннего сгорания

Начальный этап крупномасштабной добычи и использования нефти занял всего несколько десятилетий в конце XIX века. Конечно, углеводороды (сырая нефть и природный газ) были известны тысячелетиями благодаря просачиванию нефти на поверхность и «пылающим столбам», широко распространенным на Ближнем Востоке (особенно в северном Ираке), но обнаруживаемым по всему миру.

Перечень имущества, приложенный к завещанию Джорджа Вашингтона, описывает пылающий источник в долине реки Канова в Западной Виргинии: «Участок, из которого 125 акров составляют половину, был взят генералом Эндрю Льюисом и мной благодаря тому битуминозному источнику, который тот содержит, столь воспламеняемому по природе, что горит он столь же свободно как спирт, и почти столь же сложен для тушения» (Upham 1851, 385).

Но использование углеводородов в древности было ограничено почти исключительно строительными материалами или защитной одеждой. Их сжигание для того, чтобы получить тепло, например, в термах Константинополя во времена поздней Римской империи, было редким (Forbes 1964). Знаменательное исключение – сжигание природного газа в Китае для выпаривания соляного раствора в лишенной выхода к морю провинции Сычуань (Adshead 1992). Этот процесс стал возможным благодаря изобретению в Китае вибрационно-вращательного бурения и осуществлялся по меньшей мере с начала династии Хань (около 200 до н. э.; Needham 1964). Тяжелый железный наконечник, прикрепленный к длинному бамбуковому трубопроводу, закрепленному на бамбуковой вышке, ритмично поднимала команда от 2 до 6 человек с помощью рычага. Самые глубокие из описанных скважин были всего 10 метров во времена династии Хань, но к III веку они достигли 150 м, и в Цинхай в 1835 году – 1 км (Vogel 1993). Природный газ, доставляемый по бамбуковым трубопроводам, использовался для выпаривания рассола в огромных железных сосудах.

Эта китайская практика оставалась изолированной, и эра углеводородов во всем мире началась только через два тысячелетия. В Северной Америке нефть собирали из естественных выходов на поверхность в западной Пенсильвании в конце XVIII века и продавали в качестве лечебного «масла Сенеки», а во Франции нефтеносные пески эксплуатировались с 1745 года в Эльзасе, около Мерквиллер-Пешельбронн, где в 1857 году был построен первый маленький очистительный завод (Walther 2007). Но в доиндустриальном мире было только одно место с долгой историей добычи сырой нефти, Апшеронский полуостров на Каспийском море в современном Азербайджане.

Район Баку с большим количеством нефтяных бассейнов и колодцев был описан в средневековых источниках, в тексте 1593 года упоминается колодец в 35 метров, который был выкопан вручную в Балахани (Mir-Babaev 2004). К 1806 году, когда царская Россия заняла этот регион, на Апшероне находилось множество неглубоких колодцев, из которых собирали более легкую нефть, чтобы затем с помощью дистилляции получить керосин для освещения на месте и для экспорта с помощью верблюдов, в кожаных мешках и в деревянных бочках. Первая в мире коммерческая фабрика по переработке нефти была построена русскими в 1837 году в Балахани, и в 1846-м они же пробили первую (21 м в глубину) нефтяную скважину в Биби-Эйбат и тем самым начали эксплуатацию одного из крупнейших нефтяных полей, которая продолжается до сих пор.

Историки нефтяной промышленности на Западе либо упускают разработку в Баку из вида, либо начинают рассказ с США, с уже упомянутой выше Пенсильвании. Добыча нефти в Америке была мотивирована необходимостью найти заменитель для дорогого китового жира, который получали из ворвани и использовали для освещения (Brantly 1971). Америка имела самый большой в мире китобойный флот – общее число достигло пика в 700 судов около 1846 года – ив начале 1840-х они привозили около 160 тысяч бочек ворвани в порты Новой Англии каждый год (Starbuck 1878; Francis 1990).

Но первую нефтяную скважину в Северной Америке выкопали вручную в Канаде в 1858 году, и сделали это Чарльз Трипп и Джеймс Миллер Уильям около Блэк-Крик в графстве Лэмбтон в юго-западном Онтарио, следствием чего стал первый в мире нефтяной бум и переименование поселка в Ойл-Спрингс[12] (Bott 2004). Первую скважину, которую не выкопали, а пробурили, и которая попала во все истории нефтяной индустрии, организовал Эдвин Дрейк (1819–1880), бывший машинист поездов, нанятый Джорджем Генри Бисселом (1821–1884), основателем Pennsylvania Rock Oil Company (Dickey 1959). Скважина находилась на нефтяных выходах у Ойл-Крик рядом с Тайтусвиллем, Пенсильвания, бурильщики получили нефть с глубины 21 метр 27 августа 1859 года, и эту дату обычно называют началом современной нефтяной эры. Задача была выполнена с помощью перкуссионного бура, приводимого в движение небольшой паровой машиной.

На протяжении 1860-х годов только три страны могли похвастаться новой развивающейся нефтяной промышленностью – США, Канада и Россия. Добыча в Канаде выросла с первым фонтаном в Ойл-Спрингс в 1862 году и с новыми открытиями в окрестностях Петролео в 1865-м, но еще до конца века она снизилась почти до нулевого уровня, так что в число лидеров в производстве нефти страна вернулась лишь после Второй мировой войны с открытием нефтяных полей в Альберте. По контрасту, добыча в США только росла, сначала за счет многочисленных небольших полей в районе Аппалачей (от Нью-Йорка через Пенсильванию в Западную Виргинию), затем, начиная с 1865 года, за счет Калифорнии. Добыча в районе Лос-Анджелеса началась в 1880 году, в Сан-Хоакине в 1891-м (громадные поля Мидуэй-Сансет и Керн-Ривер до сих пор дают нефть) и в Санта-Барбаре после 1890 года (включая первые морские скважины, пробуренные с деревянных пирсов).

Канзас присоединился к числу нефтепроизводящих штатов в 1892 году, Техас (поле Корсикана) в 1894-м, Оклахома в 1897-м. В 1901 году Энтони Френсис Лукас открыл нефтяное поле Спиндлтоп около Бомонта, и нефтяной фонтан дал 100 тысяч баррелей нефти за день 10 января 1901 года (Linsley, Rienstra and Stiles 2002; рис. 5.6). Новорожденная русская нефтяная промышленность получила много инвестиций из-за границы, особенно значимые – от Людвига и Роберта Нобелей, открывших в 1875 году Nobel Brothers Petroleum Company, а также от братьев Ротшильд через их Caspian and Black Sea Oil Industry and Trade Society, основанное в 1883-м. К 1890 году Россия производила больше энергии в нефти, чем в угле, и в 1899-м, до открытия нефти в южном Техасе, она ненадолго стала крупнейшим в мире производителем сырой нефти, давая более 9 Мт/год (Samedov 1988). Большая часть топлива экспортировалась иностранными инвесторами. Добыча в районе Баку начала падать после 1900 года, и к 1913-му угля в стране потреблялось в два раза больше, чем нефти. Другие значимые нефтеносные районы были обнаружены в XIX веке в Румынии, Индонезии (Суматра в 1883 году) и Бирме (производство началось в 1887-м). Мексика вошла в число производителей нефти в 1901 году, в 1908-м последовало первое открытие на Ближнем Востоке: Месджеде-Солейман в Иране. Тринидадская нефть впервые была получена в 1913 году, громадное поле Мене-Гранде в Венесуэле на побережье озера Маракайбо начало давать продукцию в 1914-м.

Рисунок 5.6. Нефтяной фонтан на поле Спиндлтоп около Бомона, Техас, в январе 1901 года (Corbis)

В результате поисков обычно обнаруживали углеводородные поля, содержащие как сырую нефть, так и попутный природный газ, но в первые десятилетия добычи газ редко использовали, поскольку без компрессоров и стальных труб его нельзя было передавать на большие расстояния, и его просто выпускали в воздух. Жидкое топливо, полученное из сырой нефти, обладало высокой плотностью энергии. Бензин, керосин и дизельное топливо можно было перевозить, и эти вещества стали превосходным источником энергии для транспорта, а изобретение и распространение двигателя внутреннего сгорания открыло для них новый громадный рынок.

Добывать сырую нефть начали для того, чтобы обеспечить более удобный источник энергии для освещения, но менее чем через 25 лет в США коммерческая генерация электричества и лампы накаливания (см. следующий раздел) дали лучшую альтернативу. Когда нефтяная индустрия начала расширяться в 1860-х годах, не существовало коммерческих двигателей внутреннего сгорания, способных приводить в движение средства транспорта, но через те же 25 лет два германских инженера создали первый практичный автомобильный двигатель, ставший основой для глобального спроса на новое топливо, который достиг пика более чем через 130 лет.

Развитие двигателя внутреннего сгорания, нового первичного движителя, в котором топливо сгорает внутри цилиндра, происходило очень быстро. Конструкция была усовершенствована за первое поколение его коммерческого использования между 1886 и 1905 годами, после чего она оставалась в основе неизменной (хотя улучшалась во многих отношениях) большую часть XX века (Smil 2005). После нескольких десятилетий неудачных экспериментов и отброшенных вариантов конструкции первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был запатентован в 1860 году Этьеном Ленуаром (1822–1900). Но его двигатель совершенно не подходил для мобильного использования: это была горизонтальная машина двойного действия, которая сжигала несжатую смесь осветительного газа и воздуха, воспламеняемую электрической искрой, и эффективность устройства составляла всего 4 % (Smil 2005).

В 1862 году Альфонс Бо де Роша (1815–1893) создал концепцию четырехтактного двигателя, но понадобилось еще 15 лет, прежде чем Николаус Август Отто (1832–1891) запатентовал такую машину (в 1877 году), и впоследствии продал почти 50 тысяч единиц (средняя мощность 6 кВт с коэффициентом сжатия всего 2,6) маленьким мастерским, которые не могли себе позволить паровой двигатель (Clerk 1909). Эта медленная машина, работавшая на угольном газе, не могла служить первичным движителем в транспорте. Способный выполнить эту задачу механизм создали Готтлиб Даймлер (1834–1900), бывший работник компании Отто, и Вильгельм Майбах (1846–1929), чтобы сжигать бензин в своей мастерской в Штутгарте (Walz and Niemann 1997). Бензин имеет энергетическую плотность 33 МДж/л (примерно в 1600 раз больше, чем газ, который использовал Отто), и низкую точку возгорания (примерно 40 °C), что облегчает старт.

Даймлер и Майбах собрали первый прототип в 1883 году, а в ноябре 1885-го они использовали двигатель с воздушным охлаждением, чтобы сдвинуть с места первый в мире мотоцикл. В марте 1886 года их более крупная (0,462 л, 820 Вт, 600 оборотов в минуту) конструкция с водяным охлаждением была установлена на экипаже с деревянными колесами (Walz and Niemann 1997). В то же самое время работавший в Манхейме Карл-Фридрих Бенц (1844–1929) спроектировал свой первый двухтактный бензиновый двигатель в 1883 году и (после того, как истек патент Отто) четырехтактный двигатель, который запатентовал в январе 1886-го. Бенц установил механизм в 500 Вт, 250 оборотов в минуту на трехколесном шасси и предъявил устройство публике 3 июля 1886 года. Комбинация революционного двигателя Даймлера, электрического зажигания Бенца и поплавкового карбюратора Вильгельма Майбаха обеспечила ключевые компоненты современного дорожного транспорта. Новая эра началась, и ведущий германский производитель сконструировал первый, по сути, современный автомобиль (примечание 5.6., рис. 5.7).

Примечание 5.6. Первый современный автомобиль

Автомобиль был немецким изобретением, но французский инженер Эмиль Левассор (1844–1897) разработал первую машину, которая не являлась просто каретой без лошади. При этом она была снабжена лучшим немецким двигателем. Лавассору показали германский V-образный движок, созданный Daimler-Motoren-Gesellschaft в 1891 году, и он придумал новое шасси, достойное этого мотора. На протяжении 1890-х годов автомобили с двигателями DMG постоянно выигрывали европейские гонки, но вошедший в историю автомобиль имел полностью коммерческое происхождение (Robson 1983; Adler 2006). Когда Эмиль Еллинек (1853–1918), предприниматель и генеральный консул Австро-Венгрии в Монако, основал дилерскую сеть по продаже автомобилей «Даймлер» 2 апреля 1900 года, он заказал 36 машин, и вскоре удвоил заказ. В ответ на столь щедрую сделку он потребовал эксклюзивные права на торговлю в Австро-Венгерской империи, Франции, Бельгии и США, и торговую марку «Мерседес» по имени его дочери.

Для этого уникального заказа Майбах сконструировал автомобиль, который его компания-преемник, «Мерседес-Бенц» назвала «первым современным во всех отношениях автомобилем» (Flink 1988, 33). «Мерседес 35» воспринимался как гоночный автомобиль с удлиненным профилем, он имел очень низкий центр тяжести и общий вес в 1200 кг. Машина несла исключительно мощный для своего времени четырехцилиндровый двигатель (5,9 л, 26 кВт или 35 л. с., 950 оборотов в минуту) с двумя карбюраторами и механизированными впускными клапанами. Майбах снизил вес двигателя до 230 кг, использовав алюминий, в результате чего соотношение масса/мощность оказалось меньше 9 г/Вт, на 70 % ниже, чем у лучшего двигателя DMG, изготовленного в 1895 году. Новый автомобиль скоро установил мировой рекорд (64,4 км/ч), и еще более мощный «Мерседес 60» с лучшим корпусом был создан в 1903 году, положив начало марке, которая успешно продается до сих пор.

Компания Daimler-Motoren-Gesellschaft производила автомобили высочайшего качества, и в начале XX века она сосредоточилась на рынке предметов роскоши. Двумя десятилетиями позже после своего дебюта на германском рынке в середине 1880-х годов пассажирский автомобиль оставался дорогой машиной, их изготавливали небольшими сериями ремесленными методами. В американских автомобилях тогда не было ничего особенного: ведущий британский автомобильный эксперт писал в 1906 году, что «прогресс в конструкции и производстве моторных экипажей в Америке не принес чего-либо заслуживающего внимания, каких-либо прорывов по сравнению с нашей страной или континентом» (Beaumont 1906, 268). Все изменилось двумя годами позже, когда Генри Форд (1863–1947) представил «Модель Т», удобную, производимую в больших количествах, причем так, чтобы оправдать чаяния американских водителей. О его достижениях и наследии будет рассказано в следующей главе.

Рисунок 5.7. «Мерседес 35», сконструированный Вильгельмом Майбахом и Паулем Даймлером в 1901 году. Фотография с сайта Даймлера

Два брата – Уилбур Райт (1867–1912) и Орвилл Райт (1871–1948), изготовители велосипедов из Дейтона, Огайо – оказались первыми изобретателями, сумевшими совершить полет с помощью легкого двигателя внутреннего сгорания. Их аэроплан поднялся ненадолго над дюнами Китти-Хок в Северной Каролине 17 декабря 1903 года (McCullough 2015). Они были далеко не первыми, кто пытался это сделать. Девятью днями ранее Чарльз М. Мэнли предпринял вторую попытку запустить Aerodrome А с помощью катапульты с баржи на реке Потомак. Его самолет был построен благодаря гранту правительства США, полученному Сэмюэлом Пирпонтом Лэнгли (1834–1906), секретарем Смитсоновского института, и оснащен мощным (39 кВт, 950 об./мин.) пятицилиндровым радиальным двигателем. Но, как и во время первой попытки Мэнли 7 октября 1903 года, самолет немедленно рухнул в воду.

Каким образом преуспели Райты и почему ухитрились добиться успеха за пять лет с того момента, когда они, не имея никаких знаний, написали в Смитсоновский институт, чтобы получить информацию о полете? После того, как производители двигателей отказались создать машину по их спецификации, братья сконструировали двигатель самостоятельно и их механик, Чарльз Тейлор, построил его всего за шесть недель. Двигатель имел корпус из алюминия, у него не было карбюратора и запальных свечей, но четыре его стальных цилиндра объемом 3,29 л выдавали 6 кВт мощности (Gaunston 1986). Он весил 91 кг и в конечном итоге выдал 12 кВт в полете, соотношение масса/мощность у него равнялось 7,6 г/Вт. Но двигатель, пусть легкий и мощный, был далеко не единственным основанием для успеха. Братья изучили аэродинамику и осознали важность баланса, стабильности и контроля в полете, и для исследования этих свойств построили сначала планер (Jakab 1990). Они обогатили свой опыт точными и систематическими испытаниями разных профилей и форм крыла и экспериментальными полетами планеров. Их первые полеты 17 декабря 1903 года хорошо документированы (примечание 5.7, рис. 5.8).

Примечание 5.7. Первые полеты

Девятью днями позже после второго нырка Мэнли братья Райт были готовы испытать свой Flyer в Китти-Хок. Их летательный аппарат представлял собой хрупкий биплан с носовым управлением (хвостовой стабилизатор располагался перед крыльями) с деревянной (ель) рамой и покрытием из плотной хлопковой ткани; размах крыльев был 12 м, а вес – всего 283 кг. Цепь зубчатой передачи приводила в движение два пропеллера, вращавшихся в противоположных направлениях. Во время первого полета, примерно в 10:35, Орвилл был пилотом, он лежал на животе на нижнем крыле и управлял бипланом с помощью рычага, который был присоединен к тяжам, идущим к крыльям и рулю. Первый полет скорее напоминал прыжок на 37 метров, и пилот находился в воздухе всего 12 секунд.

Второй полет, совершенный после устранения повреждений, полученных во время первого, покрыл 53 метра, третий – 61 метров. Во время четвертой попытки биплан начал рыскать вверх-вниз, пока Уилбур не вернул контроль, а затем внезапно упал, в результате чего сломалась рама для руля, но до этого он провел в небе 57 секунд и оставил позади 260 метров. Перед тем как отправиться обратно в Дейтон, братья послали телеграмму отцу, преподобному Милтону Райту: «Успех четыре полета утром четверг все против ветра в двадцать одну милю начали с уровня мощности двигателя только средняя скорость в воздухе тридцать одна миля длиннейший 57 секунд информируй прессу дома к Рождеству» (World Digital Library 2014).

Патент (U.S. 821393) был выдан только в мае 1906 года, и он не раз нарушался по мере того как конструкторы во многих странах начали строить собственные аэропланы. Прогресс в контроле над полетом и в его продолжительности оказался быстрым. 20 сентября 1904 года Райты пролетели первый полный круг и 9 ноября преодолели три мили (McCUllough 2015). Менее чем пятью годами позже, после периода интенсивной международной конкуренции, Луи Блерио (1872–1936), до этого создавший первый в мире моноплан, пересек Английский канал 25 июля 1909 года (Bleriot 2015), и к 1914 году основные воюющие силы имели новорожденные ВВС, которые сильно увеличились за время Первой мировой.

Рисунок 5.8. Первый полет но самодвижущейся машине тяжелее воздуха в Китти-Хок, Северная Каролина, в 10:35 17 декабря 1903 года, Орвилл Райт на месте пилота. Фотография из библиотеки Конгресса

Когда бензиновые двигатели с искровым зажиганием уже вышли на дорогу к коммерческому успеху, Рудольф Дизель (1858–1913) предложил совершенно иной способ зажигания, и запатентовал его в 1892 году (Diesel 1913). В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр и воспламеняется самопроизвольно при высокой температуре, которая возникает при степени сжатия в 14–24, по сравнению с 7-10 в бензиновом двигателе Отто. Этот процесс требует большей массы двигателя и меньшей скорости, но дизели изначально более эффективны. Даже во время первых сертификационных тестов новой машины в феврале 1897 года прототип имел эффективность выше 25 % (по сравнению с 14–17 % для лучших бензиновых движков того времени). К 1911 году значение достигло 41 %, и сейчас лучшие дизельные машины немного превосходят 50 %, то есть они в два раза эффективнее бензиновых сородичей (Smil 2010b). Кроме того, они используют более тяжелое и дешевое топливо: дизель примерно на 14 % тяжелее бензина (820–850 г/л против 720–750 г/л), а плотность энергии на единицу массы у них одинакова, что значит – энергетическая плотность дизельного двигателя на объем, почти 36 МДж/л, будет на 12 % выше.

Дизель принял решение создать более эффективную машину внутреннего сгорания уже во время учебы в университете, и в декабре 1892 года он в конечном итоге (после двух отказов) получил патент на «двигатель внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что в цилиндре чистый воздух… столь сильно сжат поршнем, что полученная температура находится много выше температуры воспламенения топлива… и добавление топлива… происходит так постепенно, что сгорание имеет место без значительного роста температуры или давления, поскольку поршень движется наружу и сжатый воздух расширяется…» (Diesel 1893а, 1).

Как упоминалось, по патенту нельзя было построить работающий двигатель; второй патент выдали в 1895 году, и Дизель получил практическую помощь от Генриха фон Буца (1833–1918), генерального директора Maschinenfabrik Augsburg, ведущего инженерного предприятия страны, и от магната стальной отрасли Фридриха Альфреда Круппа (1854–1902), оба вложили достаточно денег, чтобы получить работающую машину. Официальный сертификационный тест с двигателем в 13,5 кВт состоялся 17 февраля 1897 года, он показал полезную эффективность в 26,2 % и максимум давления в 34 атмосферы, одну десятую от оригинальной спецификации Дизеля (Diesel 1913). К осени того же года эффективность удалось поднять до 30,2 %, и это значило, что Дизель изготовил лучший двигатель, воплотил свою мечту, но социальное влияние двигателя оказалось совсем не таким, как надеялся его создатель (примечание 5.8).

Коммерциализация нового двигателя шла более медленно, чем изначально предполагалось, менее 300 штук было продано до конца 1901 года (Smil 2010b). В 1903-м первое судно на дизеле, маленький нефтяной танкер «Вандал», начал ходить по Волге и Каспийскому морю; в 1904-м первая электростанция на дизеле открылась в Киеве, и французская Aigrette стала первой подводной лодкой, приводимой в движение дизелем. Но большой успех пришел только в феврале 1912 года, когда датская Selandia (грузопассажирское судно в 6200 тонн водоизмещением) стала первым океанским кораблем с дизельным двигателем. За год до смерти в середине 1912 года, Дизель писал «Появилось новое слово в морских кругах: дизель. Нам нужен только дизель… так говорят повсеместно» (Diesel 1937, 421).

И все же быстрый успех двигателей внутреннего сгорания – проникших в самолеты, дорожный транспорт и корабли, начавших заменять тягловых животных в сельском хозяйстве на Западе – не завершил эпоху пара. Другой первичный движитель обрел коммерческую значимость в конце XIX века, и его дальнейшее развитие определило промышленный прогресс века двадцатого. Этим изобретением стала паровая турбина, быстро нашедшая себе место в производстве электричества во все больших и больших объемах.

Примечание 5.8. Двигатель Дизеля: намерения и результат

Мечта Дизеля состояла в том, чтобы создать легкий, маленький (размером со швейную машинку того времени) дешевый двигатель, который могли бы покупать независимые предприниматели (механики, часовщики, владельцы ресторанов). Результатом стала бы значительная децентрализация промышленности, как писал изобретатель: «Безо всяких сомнений, лучше децентрализовать промышленность до такой степени, до какой только возможно, и попытаться разместить ее в окрестностях города, даже в сельской местности, а не концентрировать ее в больших городах, где все скучено без воздуха, света или пространства. Эта цель может быть достигнута с помощью независимой машины вроде той, которая предложена здесь и которую легко обслуживать. Без сомнений, новый двигатель может дать более прочные основания развитию малых промышленных предприятий, увести нас в сторону от фальшивых современных трендов, на которые опирается все в экономике, политике, гуманитарной и гигиенической сферах» (Diesel 1893b, 89).

Десятилетием позже в работе под названием Solidarismus: NatQrliche wirtschaftliche Erlosung des Menschen[13] (Diesel 1903) он предлагал создать управляемые рабочими фабрики и мечтал о веке честности, правосудия, братства, мира, сострадания и любви. Дизель видел рабочие кооперативы как ульи, а рабочих как пчел с идентификационными картами и контрактами. Но из 10 тысяч экземпляров книги было продано всего 300, и современное общество вовсе не организовано вокруг рабочих кооперативов. Дизель говорил сыну, что его «главное достижение в том, что я решил социальный вопрос» (Diesel 1937, 395), но его двигатели нашли применение вовсе не в маленьких мастерских, а в тяжелых механизмах, в грузовиках и локомотивах, а после Второй мировой войны в больших танкерах, сухогрузах и контейнеровозах. Они помогли создать нечто противоположное тому, о чем мечтал изобретатель, беспрецедентную централизацию масштабного производства и дешевого распределения продуктов в новой глобальной экономике (Smil 2010b).

Электричество

Систематическое понимание базовых свойств и законов электричества было получено благодаря трудам многих европейских и американских ученых и инженеров на протяжении второй половины XVIII века и первых шести десятилетий девятнадцатого. Во многих случаях вклад отдельных пионеров был отмечен тем, что их фамилии стали использовать для обозначения базовых физических единиц. В число тех, кто славно поработал на стезе электричества в XVIII веке, были Луиджи Гальвани (1737–1798), который экспериментировал с лягушачьей лапкой в 1790-х годах (отсюда пошел ошибочный термин «животное электричество»), Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806), изучавший электрическую силу («кулон» сейчас стандартная единица электрического разряда) и Алессандро Вольта (1745–1827), создавший первую электрическую батарею (в «вольтах» измеряют электростатический потенциал).

В 1819 году Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) открыл магнитный эффект электрического тока (в эрстедах сейчас измеряют напряженность магнитного поля), и в 1820-х Андре-Мари Ампер (1755–1836) сформулировал концепцию замкнутой цепи и дал количественную оценку магнитному эффекту электрического тока (ампер – единица силы тока). Но самое важное открытие начала XIX века было сделано Майклом Фарадеем (1791–1867), который обнаружил электромагнитную индукцию (рис. 5.9). Фарадей решил ответить на простой вопрос – если, как показал Эрстед, электричество порождает магнетизм, то может ли магнетизм порождать электричество? – и у нас есть точная дата и его детальный отчет о том, как он получил ответ (примечание 5.9).

Рисунок 5.9. Майкл Фарадей. Фотография Wellcome Library, Лондон

Опыт Фарадея показал, что механическую энергию можно превратить в электричество (чтобы сгенерировать переменный ток), и наоборот, и это открыло путь практическому производству и конверсии энергии, которая не зависела бы и не была ограничена тяжелыми батареями, имеющими низкую плотность энергии. Но потребовались десятилетия работы многих людей, чтобы эта возможность превратилась в коммерческую реальность. Когда Жюль Верн (1828–1905) опубликовал свой роман «Двадцать тысяч лье под водой», он заставил капитана Немо объяснить профессору Аронаксу: «Есть могущественная, послушная сила, простая в обращении, которой принадлежит первое место на моем корабле. Все делается ею: она меня освещает, согревает, очень быстро приводит в действие машины. Эта сила – электричество![14]» – но в 1870 году это оставалось еще научной фантастикой, поскольку электричество нельзя было получать в больших объемах, и мощность электромоторов ограничивали батареи малой емкости.

Примечание 5.9. Открытие Фарадеем электромагнитной индукции

Фарадей был самоучкой и работал ассистентом в Королевском институте, где помогал в основном Хэмфри Дэви (1778–1829), первому ученому, который описал электрическую дугу, каковая возникает, если развести на небольшое расстояние два углеродных электрода. Первую значимую работу об электричестве (об электромагнитном вращении) он опубликовал в 1821 году, где обрисовал принципы работы электромотора. Новую серию экспериментов Фарадей начал в 1831-м, и она в конечном итоге привела к открытию электромагнитной индукции 17 октября 1831 года. Беспокоясь, что его результаты могут быть искажением, которое породила экспериментальная установка, он провел финальный эксперимент, используя отличную технику, получая постоянный ток. Результаты он представил на лекции в Королевском обществе 24 ноября 1831 года. Вот как он описал их в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» (Faraday 1832,128):

«В предыдущих экспериментах провода размещались рядом друг с другом, и контакт индуцирующего с батареей возникал, когда требовался индуктивный эффект; но поскольку некоторые отдельные действия могли быть восприняты как причина воздействия в моменты возникновения и разрыва контакта, индукция была получена другим путем. Несколько футов медного провода были вытянуты в форме широкого зигзага, представляя букву W, на поверхности широкой доски; второй провод был расположен точно таким же образом на второй доске, так что когда его подносили к первому, они должны были совпасть, если бы между ними не находился слой толстой бумаги. Один из этих проводов был присоединен к гальванометру, другой – к вольтовой батарее. Первый провод затем двигался по направлению ко второму, и когда он приближался, стрелка отклонялась. Когда провод удаляли, стрелка отклонялась в обратном направлении. Сначала сближая провода, а затем удаляя их друг от друга, удавалось получить все более мощные колебания стрелки, но когда же провода прекращали двигать, то стрелка гальванометра вскоре возвращалась к обычной позиции.

По мере того, как провода сближались, индуцируемый ток шел в направлении, противоположном индуцирующему. Когда провода расходились, индуцированный ток шел в том же направлении, что и индуцирующий. Когда провода не двигались, индуцируемого тока не возникало».

Эта задержка не так уж удивительна, поскольку генерация электричества, его передача и превращение в тепло, свет, движение и химический потенциал является крайне сложным достижением в ряду энергетических инноваций. Ранее новые источники энергии и первичные движители конструировали, чтобы быстрее и дешевле выполнять определенные задачи, или получать больше мощности, и их можно было без труда использовать в рамках существовавших производственных отношений (например, жернова стали вращать мельничные колеса вместо животных). По контрасту, освоение электричества потребовало изобретения, развития и установки целой новой системы, необходимой для надежной генерации, безопасной передачи на большие расстояния и удобной доставки к конкретным пользователям, а также эффективной конверсии в различные формы энергии, нужные этим самым пользователям.

Коммерциализация электричества началась с поиском источников лучшего освещения. Как уже отмечалось, Дэви продемонстрировал эффект дуги в 1808 году, но первые лампы, где он использовался, загорелись на площади Согласия (Париж) в декабре 1844-го, и затем в Лондонской Национальной галерее в ноябре 1848-го. В 1871 году Зеноб Грамм (1826–1901) представил первую динамо-машину, которую он назвал machine magneto-electrique produisant de courant continu, Академии наук в Париже (Chauvois 1967). Его конструкция в конечном итоге открыла дорогу к дуговой лампе, питаемой с помощью динамо: с 1877 года они освещали некоторые известные общественные места в Париже и Лондоне, а к середине 1880-х распространились по многим европейским и американским городам (Figuier 1888; Bowers 1998). Но дуговые лампы требовали контроля, чтобы поддерживать постоянную дугу в то время как ток сжигал положительный электрод, и они не подходили для использования внутри домов, а замена электродов представляла собой значительную логистическую проблему: для лампы в 500 Вт на каждые 50 м километр городской дороги потребовал бы в год 3,6 км толстых (15 и 9 мм) углеродных электродов (Garcke 1911).

Разработка системы домового освещения с помощью раскаленных нитей растянулась на шесть десятилетий – от экспериментов Уильяма де ла Ру с платиновой спиралью в 1820-х до 1879 года, когда Эдисон представил свою первую надежную лампу с угольной нитью (Edison 1880). В процессе оказались задействованы почти две дюжины выдающихся (и забытых) изобретателей из Великобритании, Франции, Германии, России, Канады и США (Pope 1894; Garcke 1911; Howell and Schroeder 1927; Friedel and Israel 1986; Bowers 1998). Необходимо отметить по меньшей мере Германа Шпрен-геля, который изобрел ртутный насос, позволивший получить вакуум, в 1865 году; Джозефа Уилсона Свана (1818–1914), начавшего работу в 1850-м и в конечном итоге получившего патент Великобритании на лампу с угольной нитью в 1880 году; канадцев Генри Вудворда и Мэтью Эванса, чей патент 1875 года послужил основой работы Эдисона. Почему достижения самого Эдисона намного превзошли то, чего сумели добиться его многочисленные предшественники и конкуренты?

Эдисон преуспел, потому что понял, что победа в гонке достанется не тому, кто получит первую надежную лампочку, но тому, кто сумеет создать целую практичную коммерческую систему электрического освещения, в которую входят бесперебойная генерация, передача и контроль расхода (Friedel and Israel 1986; Smil 2005). В результате своим возникновением индустрия электричества, больше чем в любом другом случае инноваций XIX века, обязана достижениям единственного человека. Это потребовало точной идентификации технических проблем, их решения с помощью упорных междисциплинарных исследований, и быстрого введения полученных инноваций в коммерческий оборот (Jehl 1937; Josephson 1959). В то время были другие изобретатели ламп или больших генераторов, но только Эдисон совместил все и добавил к этому решительность и организационный талант (примечание 5.10, рис. 5.10).

Примечание 5.10. Электрическая система Эдисона

Первая надежная электрическая лампа, продемонстрированная Джозефом Сваном в Ньюкасле 18 декабря 1878 года, имела те же ключевые компоненты, что и лампочка Эдисона, запатентованная десятью месяцами позже: провода из платины и свинца и карбоновую нить (Electricity Council 1973; Bowers 1998). Но нити Свана имели очень низкое сопротивление (<1-5Щ), и их массовое использование требовало очень низкого напряжения, слабых токов и массивных передающих проводов. Более того, лампы до Эдисона соединялись последовательно и питались постоянным током от динамо, и ни одну из них нельзя было отключить отдельно, зато в случае единого обрыва они потухали все одновременно. Эдисон осознал, что система освещения, имеющая коммерческую ценность, должна минимизировать потребление электричества путем использования нитей высокого сопротивления, соединенных параллельно под постоянным напряжением.

Подобное мнение полностью противоречило техническому консенсусу эпохи (Jehl 1937), но простое сравнение показывает практические выводы из двух подходов. Стандартная установка до Эдисона – лампа в 100 Вт и 2 Щ требовала целых 7 ампер. Эдисон же выбрал 140 Щ, что требовало всего 0,85 А, и тем самым значительно снижалась цена на медные проводники (Martin 1922). Эдисон описал это в своем заявлении на патент, поданном 12 апреля 1879 года: «Используя такие лампы с высоким сопротивлением, я получаю возможность помещать их большое число в многопролетную арку без приведения общего сопротивления всех ламп к такой низкой точке, которая требует большого магистрального провода; наоборот, я получаю возможность использовать магистральный провод умеренного сечения» (Edison 1880, 1). Закон Ома требует, чтобы спецификации Эдисона получали 118 В, и такое напряжение (110–120 В) остается стандартным в Северной Америке (и Японии), в то время как в Европе оно составляет 240 В.

Но этот вердикт был не таким уж и единодушным.

Я могу присоединиться к мнению одного из коллег (Hughes 1983, 18): «Эдисон был целостным концептуализатором и упорным разрешателем проблем, связанных с ростом систем… Концепции Эдисона вырастали из его потребности найти организационные принципы, достаточно мощные, чтобы интегрировать и дать целевое направление различным факторам и компонентам». Но есть и другие мнения, например (Friedel and Israel 1986, 22): «полнота этой системы была скорее продуктом возможностей, обеспеченных техническими достижениями и финансовыми ресурсами, чем продуктом целеустремленного системного подхода».

Невозможно отрицать, что Эдисон был исключительно изобретательным и настойчивым человеком (его интеллектуальные достижения превосходила только его же легендарная настойчивость), чьи противоречивые качества рационального, вдохновленного изобретателя и продвигающего себя, ничего не стесняющегося бизнесмена могли как привлекать, так и отталкивать тех, кто работал с ним в команде. Несомненно, он не достиг бы столь многого без щедрой финансовой поддержки от богатейших людей той эпохи, но он хорошо использовал инвестиции в своей лаборатории в Менло-Парк. Он исследовал многие новые концепции и возможности, и его подход можно рассматривать как основу корпоративных НИОКР, возникших и расцветших в XX веке.

Рисунок 5.10. Томас Э. Эдисон в 1882 году, когда его первая электростанция на угле начала работать в нижнем Манхэттене. Фотография Библиотеки Конгресса

Нить Эдисона из карбонизированного хлопка в вакууме дала устойчивый свет 21 октября 1879 года, и он продемонстрировал 100 новых ламп в Менло-Парк, Нью-Джерси, 31 декабря 1879-го, осветив собственную лабораторию, соседние улицы и железнодорожную станцию. Хотя первые лампочки были очень неэффективными, они по этому показателю превосходили все прочие источники света. Они оказались, например, почти в десять раз ярче, чем газовые рожки, и в сотни раз ярче свечей. А такой большой прогресс в освещении был ничуть не менее важным для индустриальной модернизации и повышения качества жизни, чем внедрение новых первичных движителей.

Надежная лампочка была только началом: за три года после ее появления Эдисон получил около 90 патентов на нити лампы, 60-на различные магнито- или динамоэлектрические машины, 14-на системы освещения, 12-на системы дистрибуции электричества, и 10-на электромоторы и электросчетчики (Thomas Edicon Papers 2015). Попутно он и его сотрудники переводили эти идеи в практическую реальность с невероятной быстротой. Первая электростанция, построенная компанией Эдисона у железнодорожной станции Холборн-Виадук, начала давать энергию 12 января 1882 года. Электростанция на Перл-стрит, запущенная 4 сентября того же года, оказалась первой в Америке ТЭС. Через месяц после открытия она давала свет около 1300 лампам в финансовом квартале города, а годом позже их число возросло до 11 тысяч.

Я нахожу особенно замечательными два факта: первый сводится к комбинации озарений и качества законченной работы, которая сделала систему Эдисона столь успешной и столь полной, что ее основные параметры все еще используются. Несмотря на критику и вопросы (см. примечание 5.9), те, кто оценил сложности разработки такой системы с нуля, всегда признавал и достижения. Возможно, лучше всех высказался Эмиль Ратенау, основатель Allgemeine Elektrizitflts Gesellschaft, крупнейшего производителя электрического оборудования в Германии и лидирующего разработчика отрасли в Европе. В 1908 году он вспоминал впечатления от того, что увидел на Парижской Электрической выставке в 1881-м:

«Система освещения Эдисона была столь прекрасно разработана до мельчайших деталей, и столь тщательно сделана, словно ее тестировали десятилетиями в разных городах. Не требовалось ни разъемов, ни переключателей, ни предохранителей, патронов или других аксессуаров, чтобы дополнить инсталляцию; и генерация тока, регуляция и проводка через распределительные щитки, счетчики и прочее… все имело признаки удивительного умения и несравнимого гения» (Dyer and Martin 1929, 318–319).

И второй факт, возможно, еще более важный: сколь бы широкомасштабной и фундаментальной ни была работа Эдисона, она сама по себе не смогла бы создать полную, надежную и эффективную электрическую систему – и все требуемые инновации заняли свое место не только в очень короткий период (почти все в чудесные 1880-е), но в почти оптимальной манере. В течение 120 лет доминирования элементов нашей нынешней энергетической системы – паровых турбогенераторов, трансформаторов и линий передачи высоковольтного переменного напряжения – они стали более эффективными, надежными, но базовое устройство и свойства остались такими же, и те, кто их придумал, узнали бы свои детища в том, что мы используем сейчас.

И хотя лампы накаливания были превзойдены лампами дневного света (производство в коммерческих масштабах началось в 1930-х годах), а совсем недавно еще более эффективными светильниками (натриевые лампы, серные лампы, светодиоды), почти нетронутыми остались электромоторы, еще один ключевой элемент глобальной системы, возникшей в 1880-е годы. Именно по этой причине необходимо более тщательно рассмотреть четыре важных изобретения или инновации, к которым не имел отношения Эдисон, но которые помогли перевести невероятный теоретический потенциал электричества в универсальную экономическую и социальную реальность: паровые турбины, трансформаторы, электромоторы, и передачу переменного тока.

Я уже отметил высокий показатель масса/мощность паровых двигателей и их ограниченную мощность. Эти первичные движители, бывшие громоздкими и откровенно неэффективными, ушли в прошлое после того как Чарльз Парсонс (1854–1931) запатентовал более эффективную, легкую и меньшую по размерам паровую турбину в 1884 году (Parsons 1936). Компания Парсонса установила турбину в 75 кВт в Ньюкасле в 1888-м, и уже в 1 МВт в 1900 году в германском Эльберфель-де; крупнейшая из машин, установленная в Чикаго в 1912-м, достигла мощности в 25 МВт (Smil 2005). Паровые двигатели редко давали больше нескольких сотен оборотов в минуту, а современные турбины достигли 3600 об./мин. и могут работать под давлением до 34 МПа и с паром, перегретым до 600 °C, результатом чего является эффективность до 43 % (Termuehlen 2001; Sarkar 2015). Их можно построить с заданной мощностью от нескольких киловатт до более чем 1 ГВт, и они способны заполнять ниши от маломасштабной конверсии остаточного тепла в электричество до массивных турбогенераторов на ядерных электростанциях.

Трансформаторы, вероятно, выиграли бы конкурс на устройство, которое широко распространено и незаменимо в современном мире, но практически отсутствует в общественном сознании (Coltman 1988). Они используются обычно в скрытом виде (под землей, внутри зданий, за высокими заборами), молчаливы и неподвижны, но именно они обеспечивают недорогую централизованную генерацию электричества. Применявшиеся поначалу системы передачи постоянного напряжения от электростанций к потребителям были ограничены по дистанции. Передача энергии на расстояние больше чем в четверть мили потребовала бы установки массивных проводников, которые, как сделал вывод Сименс (Siemens 1882, 70) «невозможно более размещать в узких каналах под тротуарами, так что они потребуют создания затратных подвесных линий – подлинных cava electrica».

Другой возможный вариант состоял в постройке огромного количества станций, обеспечивающих ограниченные территории, и он тоже выглядел достаточно затратным. Трансформаторы переменного тока обеспечили дешевое и надежное решение (примечание 5.11).

Примечание 5.11. Преобразование энергии и потери при ее передаче

Электричество эффективнее всего производить и использовать при низком напряжении, но поскольку потеря мощности при передаче растет согласно квадрату переданного тока, лучше всего использовать высокое напряжение, чтобы ограничить эту потерю. Трансформа-торы превращают один ток в другой, либо снижая, либо увеличивая напряжение входящего потока, и делают это практически без потерь энергии и в широком спектре напряжений (Harlow 2012). Простые расчеты иллюстрируют это преимущество. Мощность переданного электричества является производной силы тока и напряжения (ватты = амперы х вольты); напряжение является производной силы тока и сопротивления (закон Ома, V = АО), мощность – производной А20.

Потеря мощности (сопротивление), следовательно, уменьшается обратно квадрату напряжения: если увеличить его в 10 раз, линейное сопротивление будет только 1/100 при передаче электричества в том же объеме. Это всегда играет на руку максимально возможному напряжению, но на практике его увеличение ограничено другими обстоятельствами (коронный разряд, требования к изоляции, размер вышек на линии передачи), так что что высоковольтная и сверхвысоковольтная передача сейчас обычно совершается при 240–750 тысяч вольт (240–750 кВ), с потерями 7 % от переданного электричества.

Как уже отмечалось, трансформаторы работают благодаря электромагнитной индукции, процессу, открытому Фарадеем, и их развитие было не результатом прорывного изобретения, а следствием неспешных усовершенствований, которые базировались на фундаментальных исследованиях английского физика. Ранняя конструкция Люсьена Голара (1850–1888) и Джона Гиббса была представлена в 1883 году, и позже три венгерских инженера усовершенствовали ее, используя железные сердечники. Но только Уильям Стэнли (1858–1916), молодой инженер, работавший на «Вестингауз», в 1885 году создал прототип устройства, которое мы используем сейчас и которое дает возможность передавать высоковольтный переменный ток с электростанций со сравнительно небольшими потерями и распределять его уже при низком напряжении по потребителям (Coltman 1988).

Как и в случае с другими компонентами новой электрической системы, мощность трансформаторов быстро выросла за конец XIX века и отрезок времени перед Первой мировой войной. Я не могу предложить лучшей оценки этого простого, но хитроумного устройства, чем высказывание Стэнли, адресованное в 1912 году Американскому институту инженеров-электриков:

«Это простое и полное решение сложнейшей проблемы. Оно заставляет устыдиться за все попытки механической регуляции, оно работает с легкостью, уверенностью и экономией, позволяя преобразовывать колоссальное количество энергии, которое мгновенно передается или получается с его помощью. Оно очень надежно, нерушимо и определенно. В этой смеси стали и меди экстраординарные силы столь изящно сбалансированы, что их почти и не видно» (Stanley 1912, 573).

Трансформаторы стали основой для выбора переменного тока как рабочего для новых электросетей. Постоянный ток был логичным выбором для первых сетей локального масштаба, а кроме того, тогда существовали некоторые сомнения по поводу безопасности высоковольтного переменного тока. Но они не оправдывают ни запущенной Эдисоном агрессивной кампании, начатой в 1887 году и включавшей убийство бродячих собак и кошек с помощью листа металла, заряженного до 1 кВ от генератора переменного тока (чтобы продемонстрировать, насколько рискованно его применение), ни персональных выпадов в сторону Джорджа Вестингауза (1846–1914), ведущего промышленника той эпохи, работодателя Стэнли и сторонника переменного тока.

Даже в 1889 году Эдисон писал: «Я бы лично хотел совершенно запретить использование переменного тока. Он столь же опасен, сколь и не нужен… и я поэтому не вижу оправдания для введения системы, в которой нет элемента постоянства, зато есть элемент опасности для жизни и собственности» (Edison 1889, 632). В этой борьбе Эдисон нашел неожиданного союзника в Великобритании, лорда Кельвина, ведущего физика. Но уже годом позже Эдисон выступил в качестве защитника переменного тока, и эту перемену объясняют иногда (David 1991) тем, что кажущаяся иррациональной оппозиция была на самом деле рациональным выбором, сделанным из необходимости поддержать рыночную ценность предприятий Эдисона, которые продолжали производить компоненты для систем на постоянном токе, и тем самым улучшить условия для продажи его собственных акций. Как только инвестиции прекратились, конфликт резко исчез.

Но эта знаменитая «война токов» имела далеко идущие последствия: фундаментальные физики предпочитали переменный ток, и после 1890 года новые системы базировались на нем (переходу помогло появление точного и дешевого счетчика переменного тока в 1889 году), а существующие системы постоянного тока, которые к 1891 году давали более половины городского освещения в США, можно было перевести на переменный благодаря изобретению вращающегося преобразователя. Он был запатентован Чарльзом Брэдли, бывшим работником Эдисона, в 1888 году, и сделал возможным использование оборудования существующих генераторов постоянного тока при передаче полифазного высоковольтного переменного тока на большие расстояния. Распространение переменного тока ускорилось благодаря масштабным проектам 1890-х годов, в число которых входила Большая Депфордская станция в Лондоне, обслуживавшая более 200 тысяч ламп, и крупнейшая в мире линия переменного тока от электростанции на Ниагарском водопаде до Буффало (Hunter and Bryant 1991). В 1900 году появилась первая публичная сеть, использующая трехфазный ток, максимальное напряжение передачи увеличилось до 60 кВ в этом же году и до 150 кВ в 1913-м. Таким образом, все компоненты современной сети генерации и передачи энергии уже работали до Первой мировой войны.

Тремя годами позже трансформатора Стэнли Никола Тесла запатентовал первый практичный полифазный индукционный мотор на переменном напряжении (Cheney 1981; рис. 5.11). Как и лампы накаливания, это изобретение появилось после десятилетий экспериментов и испытаний, и даже коммерческого использования моторов постоянного тока, работающих от батарей, которое началось в 1830-х годах, и от динамо в 1870-х (Hunter and Bryant 1991). Высокие операционные издержки и ограниченная емкость батарей привели к тому, что небольшие моторы на постоянном токе были худшими первичными движителями, чем паровые машины.

Рисунок 5.11. Никола Тесло в 1890 году. Фотография Napoleon Sarony

Первый небольшой электромотор на постоянном токе (а их были проданы тысячи) также получал энергию от громоздкой батареи, и его запатентовал Эдисон в 1876 году; он монтировался на верхушке стилуса, чтобы приводить в движение изготавливающую шаблоны ручку, которая использовалась для механического копирования памятников (Pessaroff 2002). Как только появились большие динамо, тут же начались попытки устанавливать малые электромоторы на трамваях (сначала в Германии) и решать с их помощью производственные задачи (в основном в США). Перспективы изменились, по большому счету, только после изобретения Никола Тесла (1857–1943): концепция была придумана в Европе и воплотилась в работающую машину после того, как молодой сербский инженер эмигрировал в США.

Тесла утверждал, что исходная идея пришла к нему в 1882 году, но после переезда в США он поступил на работу к Эдисону, а тот мало интересовался переменным током. Тесла легко нашел финансирование, он открыл собственную компанию в 1887 году и оформил все необходимые патенты – 40 штук между 1887 и 1891 годами. Создавая свой полифазный мотор, серб нацеливался на то, чтобы «получить большую экономию при конверсии энергии, чем достигнута на данный момент, более дешевый, надежный и простой аппарат, которым можно было бы без труда управлять, чтобы избежать любой опасности при передаче экономически оправданных объемов тока высокого напряжения» (Tesla 1888, 1).

Вестингауз купил все патенты Теслы в области переменного тока в июле 1888 года, и в 1889-м компания получила первое электрическое устройство с мотором Теслы: маленький вентилятор (125 Вт) с мотором переменного тока равной мощности; к 1900 году было продано почти 100 тысяч единиц (Hunter and Bryant 1991). Первый патент серба был выдан на двухфазную машину, а первую трехфазную конструкцию создал Михаил Осипович Доливо-Домбровский (1862–1919), русский инженер, работавший на AEG. Трехфазные моторы (каждая фаза отстоит от другой на 120°) обеспечивают, чтобы одна из фаз всегда была на пике или рядом с ним, результатом становится более равномерный выход мощности, чем у двухфазной конструкции, и при этом они немногим хуже четырехфазных, которым требуется дополнительный провод. Трехфазные моторы быстро завоевали рынок, и это привело, как я расскажу в следующей главе, к большим изменениям в производстве.

Великий переход от растительного топлива к ископаемому и от одушевленных первичных движителей к механическим повлек за собой беспрецедентные изменения, касающиеся появления новых, по-настоящему эпохальных черт цивилизации, а также скорости их принятия. В 1800 году обитатели Парижа, Нью-Йорка или Токио жили в мире, чьи энергетические основы почти не отличались не только от мира 1700 года, но и от мира 1300-го: дерево, древесный уголь, тяжелый труд и тягловые животные приводили в движение все общество. Но к 1900 году многие люди в крупных городах Запада жили в обществах, чьи технические параметры почти полностью отличались от тех, что доминировали в мире век назад, и были в своей основе ближе к нашему миру, к году 2000-му. Как сказал по этому поводу историк Льюис Мамфорд (Mumford 1967, 294): «Мощь, скорость, движение, стандартизация, массовое производство, систематизация, количественные параметры, однообразие, астрономическая регулярность, контроль, свыше всего контроль – вот что стало паролями для прохода в современное общество западного стиля».

Примеров таких изменений много, из них я выбрал несколько глобальных достижений, чтобы продемонстрировать величину стремительных инноваций той эпохи. На фундаментальном уровне в 1800 году мир потреблял около 20 ЭДж энергии (эквивалент менее чем 500 Мт сырой нефти), из которых 98 % приходилось на фитомассу, большей частью на древесину и древесный уголь; к 1900 году общая первичная выработка энергии более чем удвоилась (до около 43 ЭДж, эквивалента 1 Гт сырой нефти), и половина этой величины происходила от ископаемого топлива, в первую очередь – угля. В 1800 году самый сильный (ну я не лез ранее в собственно текст, но сильный движитель – это ерунда, он может быть только мощным) неодушевленный первичный движитель, паровая машина Уатта, имел мощность чуть выше 100 кВт; в 1900-м паровой двигатель мог выдать 3 МВт, или в 30 раз больше. В 1800 году сталь была редкостью, к 1850-му даже в Великобритании она «была известна в коммерции только в сравнительно малых количествах» (Bell 1884, 435), и лишь несколько сотен тонн ее производили по всему миру, но к 1900 году общее производство выросло до 28 Мт (Smil 2016).

Но заметьте мою осторожность, слова «почти» и «на фундаментальном уровне», когда я описываю мир в 1900 году. Достигнутый сдвиг, как в качественном, так и в количественном отношении был глубок, и его скорость часто выглядит ошеломительной; но мир ископаемого топлива и неодушевленных первичных движителей был молодым, далеким от зрелости и очень неэффективным, и ассоциировался с сильным негативным воздействием на окружающую среду. К 1900 году США и Франция были большей частью обществами, жившими за счет ископаемого топлива, но мир в целом все еще получал половину первичной энергии от дерева, древесного угля и пожнивных остатков, и даже в США пик общего количества тягловых лошадей наступил только через 17 лет. И хотя лампы накаливания, электрические моторы и телефоны распространялись очень быстро, электричество, используемое большей частью семей в США или Германии, уходило на работу лишь нескольких ламп.

Основы нового энергетического мира были уже на месте, но на протяжении XX века все компоненты этой системы в значительной степени изменились благодаря комбинации дальнейшего быстрого роста и качественного совершенствования, иными словами – благодаря выигрышу в эффективности, продуктивности, надежности и безопасности. Прогресс был прерван Первой мировой войной, а затем кризисом 30-х годов. Вторая мировая ускорила развитие ядерной энергии и освоение газовых турбин (реактивные двигатели) и ракетной техники. Рост возобновился после 1945 года во всей энергетической отрасли и достиг новых высот в 1970-х, но затем во многих направлениях наблюдался застой. Значимые примеры включают мощность паровых турбин, тоннаж типичных нефтяных танкеров, объем передачи энергии по высоковольтным линиям.

Эта приостановка была большей частью не вопросом технических пределов, а скорее результатом роста издержек и неприемлемого воздействия на окружающую среду Другим важным фактором, замедлившим прогресс в области энергии, стало двухраундовое повышение цен на нефть ОПЕК (1973–1974, 1979–1980), за которым последовал спад потребления энергии. В результате большая эффективность, надежность и экологичность стали новыми целями в индустрии. Но цены на энергию в конечном итоге стабилизировались, и экономика США, на то время крупнейшая, пережила новое десятилетие быстрого расширения на протяжении 1990-х годов, и именно в это время на общее потребление энергии в мире стал влиять Китай.

После десятилетий бедности при маоистском режиме страна с самым большим в мире населением начала реформы, которые учетверили ее потребление энергии на душу населения между 1980 и 2010 годами. В 2009 году Китай стал крупнейшим в мире потребителем энергии (к 2015-му он примерно на 30 % опережал США). В 2015 году среднее потребление энергии около 95 ГДж было сравнимо с показателями Франции в начале 1970-х, но промышленный рост все еще продолжается, а домашнее потребление остается более низким, чем в странах Запада на сравнимой стадии развития. К 2015 году показатели роста китайской экономики и спроса на энергию неизбежно замедлились, но в Индии, Юго-Восточной Азии и Африке живут миллионы людей, которые надеются повторить успех Китая, и более 2 миллиардов людей добавятся к общему итогу 2015-го в 2050 году.

То, что спрос на энергию продолжит расти – трюизм, но никто из нас не в силах предвидеть, как он повлияет на мир, полный экономического неравенства и тревоги по поводу глобального состояния окружающей среды. В прогнозах и сценариях нет недостатка, но история энергетического прогресса показала, что никто не предвидел, по какому пути она пойдет на самом деле (Smil 2003). В этом разделе я обозреваю и подвожу итоги основных тенденций, которые определили распространение, совершенствование и трансформацию добычи, обработки и доставки ископаемого топлива, продвижение в освоении невозобновляемых и возобновлямых источников энергии, изменения композиции и эффективности механических первичных движителей. Но прежде чем я углублюсь в детали, я должен указать на несколько общих моментов, которые характеризовали производство ископаемого топлива, электричества и распространение первичных движителей.

Добыча ископаемого топлива после 1900 года характеризовалась тремя заметными тенденциями. Во-первых, глобальное расширение добычи угля и производства углеводородов подняло годовое извлечение ископаемого углерода, грубо, в 20 раз между 1900 и 2015 годами: от 500 Мт в 1900-м до 6,7 Гт столетием позже и до 9,7 Гт в 2015 году (Olivier 2014; Boden and Andres 2015); чтобы выразить эти суммы в терминах CO₂, их нужно умножить на 3,67. Поскольку распределение ископаемого топлива неравномерное, то рост его добычи неизбежно привел к появлению по-настоящему глобальной торговли легко транспортируемой сырой нефтью и к росту экспорта как угля, так и природного газа (как через трубопроводы, так и с помощью танкеров, перевозящих сжиженный природный газ). Но более пристальный взгляд открывает некоторые важные оговорки и исключения, ведь глобальный рост поглотил многие сложные особенности в разных странах, в числе которых было и уменьшение, и полное прекращение добычи топлива.

Во-вторых, многочисленные технические достижения были самыми важными стимулами этой экспансии, приведшей к более дешевой и продуктивной добыче, перевозке и обработке топлива, и они же снизили степень специфического загрязнения (и в одном замечательном случае даже способствовали уменьшению абсолютных выбросов в глобальном масштабе). В-третьих, произошел очевидный сдвиг в сторону топлива высокого качества, то есть от угля к сырой нефти и природному газу, процесс, который имел результатом сравнительную декарбонизацию (рост соотношения Н: С) в глобальной добыче ископаемого топлива, хотя абсолютный уровень выбросов CO₂ в атмосферу продолжает расти, несмотря на несколько лет небольшого падения. Соотношение Н: С при сжигании дерева варьируется, но не превышает 0,5, для угля оно составляет 1,0, для бензина и керосина 1,8 и 4,0 для метана, главного компонента природного газа.

Если сравнивать содержание энергии, то высокоуглеродное топливо (дерево и уголь) обеспечивали 94 % мировой энергии в 1900 году, 73 % в 1950-м, но только 38 % в 2000-м (Smil 2010а). В результате средняя величина углеродоемкости на мировом рынке ископаемого топлива продолжает падать: если выразить ее в терминах углерода на единицу глобальной тотальной первичной энергии, то она упала с почти 28 кг С/ГДж в 1900 году до менее чем 25 в 1950-м и чуть более 19 в 2010 году, грубо говоря, произошло падение на 30 %. Затем, по причине того, что Китай начал резко наращивать добычу угля, показатель немного вырос в первое десятилетие нового века (рис. 5.12). Глобальные выбросы углерода от сжигания ископаемого топлива выросли с 534 Мт в 1900 году до 1,63 Гт в 1950-м, 6,77 Гт в 2000-м, и 9,14 Гт в 2010 году (Boden, Andres and Marland 2016).

Производство электричества комбинировало технологические усовершенствования с масштабным пространственным расширением, и в случае последнего процесс удивительным образом затянулся даже в США и до сих пор далек от завершения во многих бедных странах. Начался он с небольших локальных энергетических сетей и двигался в сторону их увеличения: в Европе они покрыли целый континент, Россия обладает очень обширной сетью, с 1990 года Китай построил множество линий большой протяженности, и среди высокоразвитых экономик только у США и Канады нет интегрированной на национальном уровне сети. Последняя трансформация, повлиявшая на отрасль – появление ветровой турбины, солнечных батарей и солнечных электростанций. Эти новые возобновляемые источники энергии (в противоположность гидроэлектричеству, старой форме возобновляемой генерации) часто активно продвигаются и субсидируются, и объемы производства постоянно растут; но присущая им изначально прерывистость и низкая эффективность ставят нетривиальные проблемы на пути их интеграции в глобальную сеть.

Рисунок 5.12. Декарбонизация поставок первичной энергии на глобальном уровне, 1900–2010 годы. Основано на данных из Smil (2014b)

Уголь

Две универсальные тенденции в производстве угля сводятся к растущей механизации подземной добычи и увеличению доли разработок открытым способом. Продуктивность добычи в США, самая высокая в мире, поднялась с менее 4 тонн на шахтера за смену в 1900 году до средней по стране часовой выработки в 5 тонн на работника, отдельные показатели варьируются от 2–3 т/час в глубоких шахтах Аппалачских гор до около 27 т/час в открытых разработках бассейна Паудер-Ривер в Монтане и Вайоминге (USEIA 2016а). Высокой продуктивностью также отмечена добыча жирного лигнита (коричневый уголь) в Австралии и Германии. Уголь из таких крупных шахт во все больших количествах сжигался на мощных, расположенных рядом с местом добычи тепловых электростанциях. Его перевозку на удаленные рынки осуществляли на специальных поездах, состоящих из ста и более крупных, легких саморазгружающихся вагонов, тянут которые мощные локомотивы (Khaira 2009). В потреблении угля наблюдались две основные тенденции: падение спроса на него на традиционных промышленных, бытовых и транспортных рынках, и компенсирующие это падение преимущества генерации электроэнергии на основе угля, и, в гораздо меньшей степени, рост производства металлургического кокса и использования угля в качестве сырья для химического синтеза.

Уголь, сжигавшийся для отопления и приготовления пищи в частных домах, постепенно был заменен более чистыми и эффективными источниками энергии, и сейчас в этой области доминируют природный газ и электричество. Уголь оставался главным топливом в транспорте всю первую половину XX века, но переход локомотивов и кораблей на дизельные двигатели (начался в первом и третьем десятилетии века соответственно) ускорился после Второй мировой войны, и все новые скоростные поезда (сначала японские shinkasen в 1964 году, затем французские TVG в 1978-м, потом другие европейские и азиатские) приводились в движение уже электромоторами.

Сжигание угля для тепловой генерации энергии началось в 1880-х годах почти во всех странах с традициями добычи угля, и зависимость от него только выросла, когда после Второй мировой войны начали строить большие ТЭЦ, и когда рост доли поверхностной добычи сделал уголь еще более доступным. На протяжении 1950-х сжигание угля обеспечивало самую большую долю производства энергии в США, Великобритании, Германии, России и Японии. Нефтяное топливо обрело значение только в 1960-х годах, но большая часть стран перестала использовать его для генерации электричества после того, как ОПЕК подняла цены на нефть в 1970-х, и зависимость от угля остается высокой в Китае, Индии и США. Использование металлургического кокса (в показателях килограммов кокса на килограмм горячего металла) снижалось десятилетиями, но рост плавки железа, изготовление которого поднялось с около 30 Мт в 1900 году до около 1,2 Гт в 2015-м, увеличил и объемы производства кокса примерно до 1,2 Гт (Smil 2016).

История угольной индустрии в разных странах демонстрирует нам много предсказуемых и некоторое количество удивительных изменений, включая прекращение добычи в странах, которые долго были лидерами (рис. 5.13). Добыча угля в Британии достигла пика 292 Мт в 1913 году, и уголь обеспечивал не только промышленность страны, но и расширение колониальной империи в XIX веке и, благодаря доминированию на морях, процветание торговой империи. В 1947 году, когда лейбористское правительство национализировало отрасль и создало Национальный совет по углю, все еще добывали более 200 Мт (Smil 2010а). Пик в послевоенные годы пришелся на 1952-й (и затем на 1957-й) и составил 228 Мт, но рост импорта нефти и начало (с 1970 года) собственной нефтяной и газовой разработки в Северном море снизили зависимость страны от угля вдвое к 1980 году.

Рисунок 5.13. Производство угля в Британии, 1700–2015 годы. Основано на данных из Nef (1932) и Department of Energy & Climaye Change (2015)

Во время долгой стачки шахтеров в 1984 году добыча угля упала до 51 Мт, затем ненадолго поднялась и снова снижалась до реприватизации, случившейся в 1994 году (Smil 2010а). В 2000 году в стране добывали всего 31 Мт, а в июле 2015-го угольный холдинг Великобритании объявил о немедленном закрытии копей в Торсби и прекращении операций на последней британской шахте, Келлингли, в декабре того же года (Jamasmie 2015). После 400 лет подпитки экономики отрасль, которая сделала Британию великой в экономическом и политическом отношении (и чей пик с точки зрения занятости пришелся на начало 1920-х годов, когда в угольной индустрии работали 1,2 миллиона человек, или около 7 % от всей трудовой силы), ныне сведена к нескольким музеям и подземным маршрутам для туристов (National Coal Mining Museum 2015).

Добыча угля в США достигла 508 Мт в 1950 году и пика в 1,02 Гт в 2001-м. За этот период уголь совсем перестали использовать в транспорте и почти совсем в домашнем хозяйстве, производство кокса тоже уменьшилось, но зато вырос экспорт. Более 90 % всей добычи сейчас сжигают на тепловых электростанциях: в 1950 году в США 46 % электричества получали с помощью угля, и эта доля выросла до 52 % в 1990-м и оставалась такой же высокой более десятилетия; к 2010 году она все еще составляла 45 %, но к 2015-му (с закрытием старых ТЭС на угле и при обилии дешевого газа) уменьшилась до 33–37 % (USEIA 2015b; примечание 5.12).

Примечание 5.12. Производство угля в Китае

Как только коммунистическая партия Китая установила новый режим 1 октября 1949 года, она тут же запустила индустриализацию сталинского типа, опираясь на запасы угля в стране, обширные, но неравномерно распределенные. На протяжении следующих десятилетий относительная зависимость страны от угля падала, но объемы добычи выросли до рекордных уровней (Smil 1976; Thomson 2003; China Energy Group 2014; World Coal Association 2015). Рост произошел с 32 Мт в 1949 году до 130 Мт в 1957-м, и было заявлено, что он достигнет 400 Мт в 1960 году, во время бесславного (породившего голод) Большого скачка, который Мао Цзэдун инициировал, чтобы обойти Британию за 16 лет или быстрее в производстве железа, стали и других важных промышленных продуктов (Huang 1958). После того, как Скачок не состоялся, более спокойный рост добычи угля продолжился и достиг более 600 Мт к 1978 году, когда Дэн Сяопин начал долгосрочные экономические реформы, которые в конечном итоге превратили Китай в крупнейшего мирового экспортера промышленных товаров и подняли стандарты жизни почти 1,4 миллиарда человек.

Две вещи, которые не изменились в стране – жесткий контроль партии за государством и зависимость экономики от угля. Относительная зависимость упала от более чем 90 % в 1955 году до 67 % в 2010-м, и доля электричества, полученного с помощью угля, тоже уменьшилась, хотя и составляет более 60 %. Но общая добыча угля в Китае выросла более чем в четыре раза между 1980-м (907 Мт) и 2013 годом (3,97 Гт), когда на Китай приходилось почти столько же, сколько на весь остальной мир. 2014-й стал первым годом, когда наблюдался спад в 2,5 %, и в 2015-м был отмечен спад еще на 3,2 %, но эти данные нельзя назвать точными. В сентябре 2015 года Национальное бюро статистики Китая без каких-либо объяснений подняло цифры добычи за годы между 2000-м и 2013-м. Громадная добыча угля была главным источником смертности на производстве в Китае и крупнейшим источником очень высокого загрязнения воздуха, при котором содержание мелких частиц (<2,5 μм) периодически на порядок превосходит предельно допустимые концентрации (Smil 2010а).

До 1983 года в СССР производили больше угля, чем в США, но после распада государства добыча уменьшилась в связи с переходом на сырую нефть и природный газ. Индия в данный момент является третьим производителем в мире (в 2014 году – только одна шестая от добычи в Китае), но индийский уголь намного худшего качества, чем китайский или американский, и продуктивность его добычи очень низкая. Индонезия и Австралия (обе – ведущие экспортеры) входят в топ-5, и за ними следуют Россия, Южная Африка, Германия, Польша и Казахстан, а некоторые важные производители угля в прошлом, включая Германию и Великобританию, стали его импортировать.

Поскольку при сгорании угля получается больше CO₂ на единицу полученной энергии, чем при сгорании любого другого ископаемого топлива – значения обычно более 30 кг С/ГДж для угля, около 20 кг С/ГДж для жидких углеводородов и менее 15 кг С/ГДж для природного газа – то будущее этого вида топлива в свете заботы об окружающей среде выглядит нестабильным. Высокая зависимость от угля в производстве электричества в Китае, Индии и как минимум дюжине других стран предотвращает быстрый отказ от этого топлива, но в более долгой перспективе уголь может стать первым важным энергетическим ресурсом, чья добыча, несмотря на изобилие, будет ограничена, исходя из экологических соображений.

Углеводороды

В начале XX века нефть в значительных количествах добывали немногие страны, и она обеспечивала только 3 % от всей энергии, даваемой ископаемым топливом. К 1950 году доля выросла до 21 %, энергетический вклад сырой нефти превзошел вклад угля к 1964 году и достиг пика в 1972-м, когда составил 46 % от всего ископаемого топлива. Два распространенных мнения – что XX век был временем доминирования нефти, а девятнадцатый временем доминирования угля – оба ошибочны. Дерево было самым важным топливом до 1900 года и, если взять XX век в целом, то он в большей степени определялся углем (Smil 2010а). Мои лучшие расчеты показывают, что уголь примерно на 15 % опережает нефть (приблизительно 5,2 ИДж против 4 ИДж) и даже если включить неэнергетическое использование нефтепродуктов (смазки, дорожные материалы), то уголь все равно будет впереди жидких углеводородов. В лучшем случае, если учесть сущностную неопределенность при превращении извлеченной массы в эквивалент общей энергии, то кумулятивное производство двух типов топлива в XX веке окажется примерно одинаковым.

Но жидкое топливо, полученное очищением нефти, превосходит все виды угля, и в то время как угольный рынок XX века (как только что было показано) постепенно сократился до двух больших секторов, генерации электричества и кокса, рынок жидких углеводородов постоянно расширялся, и там, где они вытесняли другое топливо, и с появлением новых секторов потребления. Главные замены – это переход от угля к нефтепродуктам в морском транспорте (начался перед Первой мировой войной, ускорился в 1920-х годах), и в наземном транспорте (начался в 1920-х); так же от угля к нефтепродуктам (а затем к природному газу) в промышленном и домашнем отоплении, и от угля к жидким и газообразным углеводородам как базе для синтетической химии (после Второй мировой войны).

Первый новый большой рынок возник с появлением удобных автомобилей, начался этот процесс перед Первой мировой с «Модели Т» Форда, и быстро ускорился после Второй мировой войны. Второй – с появлением реактивных двигателей в 1950-х годах, инновации, которая превратила авиацию в масштабную индустрию (Smil 2010b). Нефтяная промышленность смогла справиться с растущим спросом, поскольку использовала множество технических достижений буквально в каждом аспекте своего существования. Список основных улучшений XX века в этой области содержит более дюжины пунктов (Smil 2008а).

Его нужно начать с прогресса в методах геофизической разведки: они включают идею измерения электрической проводимости (1912), диаграммы каротажа сопротивления скважин (1927) для идентификации углеводородсодержащих поверхностных слоев, потенциал собственной поляризации (1931) и индукционный каротаж (1949), предложенные Конрадом Шлюмберже (1878–1936) и его родственниками, и впоследствии усовершенствованные нефте- и газодобытчиками (Smil 2006). К инновациям в методах добычи необходимо в первую очередь отнести повсеместное распространение вращательного бурения (первый раз использовалось на нефтяном фонтане Спиндлтоп около Бомона, Техас, в 1901 году, см. рис. 5.7), затем внедрение шарошечной буровой головки Говардом Хьюзом (1905–1976) в 1909 году, изобретение трехшарошечного конического долота в 1933-м, и улучшения в наблюдении и регулировании потока нефти и предотвращении прорывов на скважинах. Рост использования вторичных и третичных методов добычи (применение воды и других жидкостей или газов, чтобы выдавить больше нефти на поверхность) продлевал сроки эксплуатации скважин и увеличивал традиционно очень низкую производительность (добывалось обычно всего лишь 30 % пластовой нефти).

Все большее значение в добыче нефти приобретали скважины на территории шельфа. Бурение с пирсов было распространено в Калифорнии к 1900 году, но первая скважина за пределами вида с берега появилась в 1947-м в водах штата Луизиана. Морские буровые установки (большей частью наполовину подводные) работают на глубинах более 2000 м. Платформы, смонтированные на главных шельфовых полях, относятся к числу наиболее массивных сооружений. И самые недавние достижения в продуктивности случились благодаря росту экстракции из нетрадиционных источников сырой нефти, включая высоковязкую нефть (во многих местах по всему миру), нефть, содержащуюся в битуминозных песках (Альберта, Венесуэла), и добыче сланцевой нефти с помощью гидравлических разрывов. Данная техника, впервые освоенная в США, оказалась столь успешной, что страна вновь стала одним из крупнейших в мире производителей сырой нефти и нефтепродуктов. Если рассматривать только сырую нефть, то Саудовская Аравия все еще немного впереди (на 2015 год), она производит 568,5 Мт против 567,2 Мт в США.

Система транспортировки сырой нефти претерпела трансформацию благодаря появлению бесшовных стальных труб, из которых состоят магистральные трубопроводы, способные пересекать континенты. Именно они являются самым безопасным, надежным, чистым и компактным способом транспортировки топлива по суше. Американские линии, переносящие нефть из Мексиканского залива на Восточное побережье, были построены во время Второй мировой войны, но их превзошли созданные в 1970-х годах структуры, призванные доставить нефть из

Западной Сибири в Европу. Нефтепровод Усть-Балык – Курган – Альметьевск (диаметр 120 сантиметров, длина 2120 километров) доставляет в год 90 Мт нефти из супергигантского Самотлорского нефтяного месторождения в европейскую часть России, а затем еще 2500 километров ветвящихся линий гонят жидкое топливо на европейские рынки, дотягиваясь до Германии и Италии. Послевоенный спрос на импортную нефть в Европе и Японии привел к быстрому росту размеров нефтяных танкеров (RatclifFe 1985). В результате нефть стала доступна повсюду, и расстояние между местом добычи и точкой потребления сделалось далеко не самым важным экономическим параметром (ежегодная торговля сырой нефтью на межконтинентальном уровне превосходит 2 Гт; примечание 5.13).

Примечание 5.13. Гигантские нефтяные танкеры

Первый танкер, построенный в Британии немецкий GIQckauf, спущенный на воду в 1886 году, мог перевозить только 2300 тонн нефти (Tyne Built Ships 2015). Последующий рост добычи привел к появлению кораблей водоизмещением 20 тысяч тонн к началу 1920-х годов. Во время войны наиболее широко используемые американские танкеры (Т-2) имели водоизмещение в 16 500 тонн, быстрый рост объемов начался только после возникновения глобальной торговли нефтью (поставки в Европу и Японию) в конце 1950-х. Universe Apollo был первым судном с водоизмещением в 100 тысяч тонн (1959); в 1966 году Idemitsu Маги достиг 210 тысяч тонн, и когда ОПЕК подняла цены в пять раз в 1973 году, самый большой корабль мог везти более 300 тысяч тонн (Kumar 2004).

Постройка корабля, способного перевезти миллион тонн, была технически осуществимой, но непрактичной по многим причинам: размер и осадка ограничивали количество возможных маршрутов и портов назначения, например, такие корабли не могли бы ходить через Суэцкий и Панамский каналы, им требовалось большое расстояние для остановки, их было очень дорого страховать, и они становились причиной катастрофических разливов нефти, например Amoco Cadiz (Франция 1978), Castillo de Belver (Южная Африка 1983) и Exxon Valdez (Аляска 1989). Крупнейший в мире танкер Seawise Giant сошел со стапелей в 1979 году (водоизмещение 564 763 тонны), получил повреждения во время ирано-иракской войны, снова вышел в море как Jahre Viking (почти 459 метров длиной, 1991–2004), затем под именем Knock Nevis использовался как плавающий склад и наливная станция в Катаре (2004–2009), потом был продан индийским разрушителям кораблей и назван Mont для последнего путешествия в порт Аланг в Гуджарате (Konrad 2010).

Единственным важным достижением в очищении нефти стал каталитический крекинг. Термальный крекинг был нормой до 1936 года, когда Эжен Одри (1892–1962) начал производить высокооктановый бензин, главное топливо для автомобилей, на Sun Oil’s Pennsylvania refinery, где смонтировал первую установку для каталитического крекинга. Она дала возможность получать большую долю более ценных (легких) нефтепродуктов (бензин, керосин) из средних и тяжелых компонентов. Вскоре после этого подвижные катализаторы научились восстанавливать, не прекращая производства. Еще более высокий уровень производства высокооктанового бензина стал возможным с появлением порошкового, переносимого по воздуху катализатора (Smil 2006). На протяжении 1950-х годов жидкий каталитический крекинг был дополнен гидрокрекингом при сравнительно высоком давлении, и эти две технологии до сих пор обеспечивают большую часть производства. Для очищения также важен процесс десульфуризации жидкого топлива, который делает даже столь легендарно загрязняющее топливо как дизель приемлемым для личных автомобилей, где требуется низкий уровень выбросов (CDFA 2015).

Последствия у всех этих процессов оказались следующие.

Во-первых, глобальное производство нефти выросло, грубо, в 200 раз на протяжении XX века; к 2015 году оно было (свыше 4,3 Гт) на 20 % больше, чем в 2000-м, и с 1964 года, когда по содержанию энергии нефть обошла уголь, она стала самым популярным в мире топливом. Во-вторых, нефть сейчас добывают на всех континентах и морских скважинах в каждом океане за исключением арктических морей и Антарктики, из залежей на 7 км ниже уровня земли, а месторождение Тупи в Бразилии находится не только на дне океана в 2,1 км от поверхности, но еще и на 5 км подо дном. В-третьих, нефть – максимально ценный ресурс, торговля которым ведется в таком масштабе: в 2001 году (приняв среднюю цену 93$ за баррель техасской нефти среднего качества) годовая добыча стоила порядка 3 триллионов долларов, в 2015-м (цены упали примерно до 49$ за баррель) она стоила около 1,6 триллиона (ВР 2016).

Хотя добыча нефти широко распространена, крупнейшие нефтяные поля обнаружили на суше, в районе Персидского залива между 1927-м (Киркук в Ираке) и 1958 годами (Ахваз в Иране). Аль-Гавар, крупнейшее в мире нефтяное месторождение на востоке Саудовской Аравии, начало давать нефть с 1951 года, второе по размеру поле, Большой Бурган в Кувейте, находится в разработке с 1946-го (Smil 2015b; рис. 5.14). Ничто не в силах изменить этот фундаментальный факт: в 2015 году почти половина известных запасов конвенциональной (жидкой) нефти находилось в этом регионе, который, к сожалению, является постоянным источником сложных конфликтов и хронической политической нестабильности (ВР 2016).

На протяжении десятилетий природный газ вносил меньший вклад в поступление энергии: в 1900 году он давал всего 1 % от энергии ископаемого топлива, и к 1950-му его доля была около 10 %. Однако впоследствии три важных тенденции спроса подняли его глобальную долю до почти 29 % от всех ископаемых энергий к 2000 году, и двадцатый век увидел 375-кратный рост в объеме энергии, получаемой в год от самого чистого вида ископаемого топлива (Smil 2010а). Сравнительно маленький, но очень важный рынок возник при использовании газа как сырья и топлива при синтезе аммиака – самого важного азотного удобрения, в настоящее время из него обычно производят твердую мочевину (Smil 2001; IFIA 2015) – и для производства пластика.

Рисунок 5.14. Супергигантские и гигантские нефтяные месторождения Среднего Востока. В 2015 году регион содержал не менее 45 % мировых запасов сырой нефти (ВР 2015)

Крупнейший из новых глобальных рынков возник в ответ на возросший уровень загрязнения воздуха в большинстве западных городов во время ускоренной индустриализации после Второй мировой войны. Замена угля газом в промышленном и домашнем отоплении (и приготовлении пищи) устранила выбросы твердых частиц и уменьшила выбросы SO₂ (нетрудно удалить серные компоненты из газа перед сжиганием). Города в быстро модернизирующихся странах Латинской Америки и Азии последовали за трендом, хотя многие из них, включая Токио и другие японские городские агломерации, Сеул, Гуанчжоу, Шанхай и Мумбай должны были делать это с помощью экспортного сжиженного природного газа (СПГ). И самый последний процесс, подхлестнувший использование газа, появился в энергетике, где для эффективной генерации электричества начали применять газовые турбины, а затем еще более эффективные турбины смешанного цикла (см. следующий раздел). Развитие технологии гидравлического разрыва после 2005 года не только остановило упадок добычи природного газа в США, но и вернуло страну в число ведущих мировых производителей.

Транспортировка природного газа по трубопроводам неизбежно обходится дороже, чем перекачка жидкостей, и длинные системы становятся экономически оправданными только при использовании стальных труб большого диаметра (до 2,4 м) и эффективных газотурбинных компрессоров (Smil 2015а). США и Канада пользуются интегрированной системой газпроводов с 1960-х годов, но самая протяженная национальная сеть возникла в Европе в конце 1960-х. Самые длинные линии – 4451 км от Уренгоя до станции Ужгород на границе Украины и Словакии, и 4190 км от Ямала до Германии – доставляют сибирский газ в Центральную и Восточную Европу, где соединяются с поставками из Нидерландов, Северного моря и Северной Африки.

Перевозка СПГ по морю, начавшаяся в 1960-х годах, обходилась очень дорого, и в последующие три десятилетия этот способ торговли использовали только страны Восточной Азии (Япония, Тайвань, Южная Корея), не имевшие своих запасов газа. Открытие новых запасов и постройка более крупных танкеров для СПГ привели к сравнительно быстрому расширению этой торговли, и к 2015 году почти треть экспортируемого газа перевозилась танкерами (ВР 2016). Япония по-прежнему является крупнейшим импортером, но в ближайшее время Китай станет самым важным потребителем. США, традиционно импортировавшие газ по трубам из Канады, построили множество установок по производству СПГ, надеясь стать ведущим экспортером, возможно, даже конкурентом Катара, маленькой богатой страны, продающей СПГ из крупнейшего в мире газового месторождения в Персидском заливе (Smil 2015а).

Электричество

Прогресс в электрификации потребовал экспоненциального роста показателей во всех компонентах энергетических систем. Первые, сравнительно маленькие котлы, топили кусками угля, загружаемыми на движущиеся решетки. С 1920-х годов их начали заменять многоуровневыми системами, работающими на измельченном топливе, оно впрыскивалось в камеру сгорания и нагревало воду, которая циркулировала в трубах из стали, проходящих вдоль стенок котла. Нефть и природный газ также стали обычным топливом для больших электростанций, но использование нефти (кроме как в России и Саудовской Аравии) было прекращено после того, как ОПЕК вторично подняла цены (1979–1980). Природный газ для получения электричества сейчас сжигается большей частью в газовых турбинах не только в богатых газом странах, но и в тех, которые вынуждены экспортировать дорогой СПГ. В США доля электричества, полученного с помощью газа, поднялась с 12 % в 1990 году до 33 % в 2014-м; в Японии с 28 % в 2010 году до 44 % в 2012-м из-за закрытия АЭС после катастрофы в Фукусиме (The Shift Projext 2015).

Большие котлы обеспечивали паром турбогенераторы на три порядка более мощные, чем использовавшиеся в 1900 году (крупнейший, во Франции на АЭС Фламанвиль, дает 1,75 ГВт), а их рабочее давление и температура позволили поднять пик эффективности с менее 10 % в 1900 году до свыше 40 % (рис. 5.15). Становится возможной даже более высокая эффективность, порядка 60 %, при использовании комбинации газовых турбин (крупнейшие дают свыше 400 МВт) и паровых турбин (горячий газ, покидающий газовую турбину, уходит на производство пара). Ничего удивительного, что турбины комбинированного цикла стали предпочитаемым способом генерации электричества, особенно чтобы закрыть потребности в пиковые периоды спроса (Smil 2015b). Большие дизельные генераторы были наиболее экономным выбором для производства электричества в отдаленных местностях и для обеспечения непрерывной подачи тока в случае экстремальных обстоятельств.

Рисунок 5.15. Максимальные мощности паровых турбогенераторов и эффективности лучших тепловых электростанций, 1900–2000 годы. Основано на данных из Dalby (1920), Termuehlen (2001) и Smil (2008а)

Расширение городских систем электроснабжения до национального масштаба началось после Первой мировой и ускорилось после Второй мировой войны. Оно преследовало следующие цели (Hughes 1983): достижение масштабной экономии, постройка более крупных станций рядом с большими городами или прямо в них, создание высоковольтных линий, чтобы передавать энергию от удаленных электростанций, продвижение массового потребления, объединение систем меньшего размера, чтобы обеспечить стабильную подачу энергии и более низкие номинальную и резервную мощности. После 1950 года забота о загрязнении воздуха привела к появлению новых крупных электростанций, расположенных рядом с источниками топлива. Переход к таким электростанциям повысил спрос на высоковольтную передачу.

Вследствие этого мощность крупнейших трансформаторов выросла в 500 раз, и самое высокое напряжение передачи увеличилось более чем в 100 раз по сравнению с 1890-ми годами. Передача начиналась с деревянных столбов и медных проводов, и постепенно дошла до вышек из стали, несущих усиленные сталью алюминиевые кабели, заряженные до 765 кВ; высочайшее напряжение постоянного тока сейчас ±800 кВ, несущих 6,4 ГВт между ГЭС Сянцзяба и Шанхаем. Внутридомовые системы выросли от нескольких розеток до разветвленных структур с десятками переключателей и выводов. Повышение мощности и рост генерации сопровождались увеличением надежности, особенно важной в мире, наполненном электронными устройствами и средствами контроля (примечание 5.14).

Примечание 5.14. Надежность поставки энергии

Надежность поставки электричества часто выражают в количестве «девяток», иными словами, в проценте времени от стандартного года в 365 дней, когда отдельная сеть работает нормально и способна удовлетворить все требования. Система с четырьмя девятками, когда электричество доступно 99,99 % времени, может выглядеть надежной, но на уровне года это означает 53 минуты без энергии. Пять девяток снизят это время до чуть более 5 минут, а цель отрасли – достигнуть 99,9999 % (шести девяток) надежности, чтобы система оставалась без электричества всего на 32 секунды в год. Текущий показатель в США около 99,98 %, с перебоями, причиной которых становится не только погода (торнадо, ураганы, снежные бури, экстремальный холод), но также вандализм и нарушения в поставке топлива (Wirfs-Brock 2014; North American Electric Reliability Corporation 2015).

Электронные коммуникации, средства контроля и запасы информации сейчас поддерживают каждый сектор экономики, начиная от диспетчерского управления доставкой продуктов до автоматизированного производства микрочипов, от биржевой торговли до контроля воздушных перелетов. Единственный способ обеспечить бесперебойное функционирование – установить системы резервной подачи энергии (батареи и генераторы, способные на быстрый ответ). Даже краткие перебои в снабжении могут обойтись очень дорого, издержки достигают 10 миллионов долларов в час в некоторых случаях, и между 2003 и 2011 годами потери по всем США варьировались от 18 до 75 миллиардов (в 2008 году, когда случился ураган Айк; Executive Office of the President 2013). Электрические сети являются первоочередными целями для кибератак со стороны террористических групп или враждебных государств.

Ядерный распад стал другим важным способом получения пара для тепловой генерации энергии после Второй мировой войны. За первой демонстрацией феномена Лизой Мейтнер и Отто Фришем в декабре 1938 года последовала первая цепная реакция, ее запустили в университете Чикаго 2 декабря 1942-го. Первую ядерную бомбу испытали в июле 1945 года, и две бомбы были сброшены с разницей в три дня в августе 1945-го (Kesaris 1977; Atkins 2000). Если не учитывать продолжительную разработку более мощного ядерного оружия (см. раздел об оружии и войне в следующей главе), то первой послевоенной ядерной программой в США стали ядерные реакторы для подводных лодок. Nautilus спустили на воду в 1955 году, и почти немедленно Хайман Риковер (1900–1986), военный руководитель программы, получил задание перестроить реактор для коммерческого производства энергии (Polmar and Allen 1982). Первая АЭС в США, Шиппингпорт в Пенсильвании, начала работу в декабре 1957-го, более чем на год позже, чем (в октябре 1956-го) заработала британская Колдер-Холл.

В ретроспективе видно, что это была не лучшая конструкция реактора из всех возможных, но она стала доминирующей во всем мире. И пусть он не был превосходным, его ранее внедрение открыло дорогу другим реакторам, которые разработали достаточно быстро (Cowan 1990). В середине 2015 года 277 из 437 работающих в мире ядерных реакторов являлись герметичными реакторами с водяным охлаждением, и большая часть их находилась в США и Франции. Изучив почти полвека коммерческой ядерной энергетики, я назвал ядерное электричество «успешным провалом» (Smil 2003), и этот вердикт только подкрепляют новые исследования. Проект был успешным, поскольку в 2015 году давал 10,7 % мирового электричества, и до недавнего прорыва Китая в области угольных электростанций эта доля составляла около 17 %. Во многих странах цифры еще выше, среди них почти 20 % в США, 30 % в Южной Корее (и в Японии до 2011 года), и 77 % во Франции. Но провалился проект по той причине, что громадные надежды, которые он вызвал (в 1970-х годах практически все ожидали, что к концу века АЭС станут доминировать в генерации энергии) остались по большому счету неоправданными.

Технические слабости доминирующей конструкции, высокие затраты на постройку АЭС и хронические задержки при введении в эксплуатацию, нерешенная проблема долгосрочного хранения радиоактивных отходов и широко распространенная тревога по поводу безопасности (ее подогревают, даже после 60 лет коммерческого использования, преувеличенные мнения о негативном влиянии на здоровье) ограничили дальнейший рост ядерной индустрии. Проблема безопасности и негативные оценки риска выросли после аварии на АЭС Три-Майл-Айленд (1979), а затем после катастрофы 1986 года в Чернобыле и взрыва реактора в Фукусиме в 2011 году, который последовал за землетрясением и цунами (Elliott 2013).

В результате некоторые страны отказались от постройки ядерных станций (Австрия, Италия), другие запланировали их закрытие в ближайшем будущем (Германия, Швеция), и большинство стран, имеющих АЭС, либо совсем перестали вводить новые мощности десятилетия назад (Канада, Великобритания) или вводили очень мало, куда меньше, чем нужно даже для замены старых электростанций. США и Япония – две наиболее заметные страны в последней категории: к середине 2015 года по всему миру работало 437 реакторов, из 67 строящихся 25 находились в Китае, 9-в России и 6-в Индии (WNA 2015b). Западные же страны в сущности отказались от этого чистого, лишенного выбросов углерода способа генерации электричества.

Возобновляемые источники энергии

Растущая зависимость от ископаемого топлива сделала биологическое топливо куда менее важным, но по причине быстрого роста населения в сельских регионах бедных стран (где очень ограничен доступ к современным источникам энергии, либо его совсем нет) мир сейчас потребляет больше дров и каменного угля, чем когда-либо. Согласно моим лучшим оценкам, валовая энергия традиционного биотоплива достигла около 45 ЭДж в 2000 году, почти в два раза больше, чем было в 1900-м (Smil 2010а), и на протяжении первых 15 лет XXI века эта величина почти не уменьшилась. Это значит, что в 2000 году биотопливо давало примерно 12 % первичной энергии в мире, и к 2015-му эта доля упала до 8 % (в 1900 году было 50 %).

К сожалению, даже такого снижения (эквивалент около 1 Гт нефти) недостаточно: с сотнями миллионов людей в сельских районах бедных стран Африки, Азии и Латинской Америки, где все еще жгут растительное топливо, спрос на дрова и древесный уголь остается ведущей причиной уничтожения лесов. Наиболее остро эта проблема стоит в районе Сахеля в Африке, в Непале, Индии, континентальном Китае и большей части Центральной Америки. Самый продуктивный способ справиться с деградацией окружающей среды – ввести новые, эффективные (2530 % по сравнению традиционными 10–15 %) печи: эта замена оказалась наиболее успешной в Китае, где такие печи были введены в 75 % домашних хозяйств до конца века (Smil 2013).

Вместе с тем, древесное топливо добывается не только в лесах. Во многих бедных странах значительную долю собирают семьями (чаще всего женщины и дети) в зарослях кустарника, на плантациях (каучука, кокосового ореха), и в придорожных посадках. Исследования в Бангладеш, Пакистане и Шри-Ланке показали, что добытое не в лесах дерево составляет более 80 % от всего, что сжигается (RWEDP 1997). По меньшей мере пятую часть всех пожнивных остатков в бедных странах до сих пор сжигают, и сухой навоз остается важным источником энергии в некоторых регионах Азии, хотя древесный уголь везде стал предпочитаемым видом биотоплива. Как ожидалось, Китай и Индия – крупнейшие в мире потребители традиционного биотоплива, за ними идут Бразилия и Индонезия, но по относительным параметрам всех опережает Африка к югу от Сахары, где в конце XX века некоторые страны получали более 80 % сельскохозяйственной энергии от древесины и пожнивных остатков, и это по сравнению с 25 % в Бразилии и менее 10 % в Китае (Smil 2013а). Если пересчитать на душу населения, то показатели варьируются от 5 до 25 ГДж /год.

Последние десятилетия XX века ознаменовались появлением сравнительно масштабного производства этанола. Эксперименты с этанолом как топливом для пассажирских автомобилей проводились еще перед Второй мировой войной (и Генри Форд принял в них участие), но современное массовое производство транспортного спирта началось в 1975 году в Бразилии, где его получали при ферментации сахарного тростника (Macedo, Leal and da Silva 2004; Basso, Basso and Rocha 2011). В США такое же производство, только на основе кукурузы, стартовало в 1980 году (Solomon, Barnes and Halvorsen 2007). Выработка в Бразилии начала стагнировать с 2008 года, а в США, где программа была утверждена Конгрессом в 2007-м, производство вряд ли вырастет. Также существует небольшая промышленность по производству биодизеля, где жидкое топливо делают из богатой маслом фитомассы – соевых бобов, рапса и плодов масличной пальмы (USDOE 2011). Глобальное производство жидкого биотоплива достигло около 75 Мт в нефтяном эквиваленте в 2015 году, то есть около 1,8 % энергии, извлекаемой ежегодно из сырой нефти (ВР 2016). Развертывание этой отрасли до такой степени, чтобы она заняла значительную долю на мировом рынке биотоплива, откровенно говоря, маловероятно (Giampietro and Mayumi 2009; Smil 2010a).

Использование потенциальной и кинетической энергии воды для производства электричества – второй наиболее важный возобновляемый источник энергии, идущий за традиционным и современным биотопливом. Водяная генерация электричества началась в 1882 году, одновременно с тепловой, когда маленькая мельница на Фокс-ривер в Апплетоне, штат Висконсин, привела в движение два динамо и дала 25 КВт для 280 слабых ламп (Dyer and Martin 1929). Еще до конца столетия все более и более высокие дамбы возводились в альпийских странах, в Скандинавии и США. Но первая большая гидроэлектростанция, построенная у Ниагары в 1895 году, казалась маленькой (37 МВт) рядом с проектами 1930-х в США, где поддержку начало оказывать государство через Службу мелиорации, и в СССР, где они были частью сталинской индустриализации (Allen 2003). Крупнейшими проектами в США были плотина Гувера на реке Колорадо (1936; 2,08 ГВт) и плотина Гранд-Кули на реке Колумбия, первую ступень которой закончили в 1941 году (окончательная мощность 6,8 ГВт).

За три послевоенных десятилетия ГЭС стали источником почти 20 % мирового электричества, крупные проекты были завершены в Бразилии, Канаде, СССР, Конго, Египте, Индии и Китае. В большинстве стран строительство станций замедлилось или прекратилось в 1980-х годах, но только не в Китае, где крупнейшая плотина в мире, «Три ущелья» (номинальная мощность в 18,2 ГВт в 26 единицах), была завершена в 2012 году (Chincold 2015). В 2015-м водяные турбины давали около 16 % мирового электричества, а в Канаде эта доля была 60 %, в Бразилии – 80 %, и даже выше в целом ряду малых африканских стран.

Два возобновляемых источника энергии, получившие немалую долю внимания – солнечная и ветровая. Интересом они обязаны быстрому увеличению мощностей – между 2010 и 2015 годами глобальная генерация с помощью ветра выросла в 2,5 раза, а с помощью солнца почти в 8 раз – и преувеличенным ожиданиям их значения в будущем. Быстрый рост – обычный признак первых стадий развития, но вклад этих двух источников энергии остается пренебрежимо малым на глобальном уровне (в 2015 году ветер давал около 3,5 %, прямое солнечное излучение – 1 % мирового электричества). Интеграция более объемных потоков этих прерывистых энергий (многие ветровые турбины работают только 20–25 % времени, находящиеся в море установки – 40 %) в существующие сети ведет за собой много проблем (J. Р. Morgan 2015).

Развитие современной ветровой энергетики началось с налоговых субсидий в США в начале 1980-х годов, и резко закончилось, когда субсидии были прекращены в 1985-м (Braun and Smith 1992). Европа стала новым лидером в 1990-х, когда несколько правительств – Дания, Великобритания, Испания, и в первую очередь Германия, в рамках программы Energiewende, – объявили политику перехода на возобновляемые источники. Издержки уменьшились, и более мощные установки (сейчас до 8 МВт, обычно 1–3 МВт) и крупные кластеры ветрогенераторов (включая расположенные в прибрежной зоне) обеспечили рост с менее чем 2 ГВт в 1990 году до 17,3 ГВт в 2000-м и 432 ГВт к концу 2015 года (Global Wind Energy Council 2015).

Фотоэлектрический эффект (генерация электричества, для которой используются металлические электроды, находящиеся под воздействием солнечного света) был открыт Эдмоном Беккерелем (1852–1908) в 1839 году, но только в 1954-м Bell Laboratories создали дорогой, низкоэффективный (сначала 4,5 %, потом 6 %) кремниевый солнечный элемент, который использовался в 1958 году, чтобы питать энергией (всего 0,1 Вт) спутник Vanguard-1. Четырьмя годами позже, в 1962-м, Telstar-1, первый коммерческий телекоммуникационный спутник, нес солнечные батареи мощностью в 14 Вт, в 1964 году спутники Nimbus могли похвастаться уже 470 Вт (Smil 2006). Применение этой технологии в космосе, где издержки не столь важны, развивалось десятилетиями, но наземное использование солнечных батарей было ограничено теми же издержками, и отрасль начала расти только в конце 1990-х. В терминах пиковой мощности (которая доступна, даже при солнечной погоде, всего несколько часов в день) фотоэлементы давали всего 50 МВт в 1990 году, 17 ГВт в 2010-м, и около 50 ГВт в 2015-м, при кумулятивном объеме 2272q ГВт (James 2015; REN21 2016).

Но этот вид генерации еще менее стабилен, чем ветровой (гарантированное время работы в более облачном климате 11–15 %, и даже в Аризоне – около 25 %), и в 2015 году солнечные батареи давали всего около 30 % от того, что получали с помощью ветряных турбин (рис. 5.16). И снова рост отрасли был не постепенным естественным процессом, его искусственно подталкивали с помощью правительственных субсидий. Ничто не показывает это лучше, чем тот факт, что в 2015 году облачная Германия производила почти в три раза больше солнечной энергии, чем солнечная Испания (ВР 2016). Нагревание воды, использование небольших домашних нагревателей на крышах и крупных промышленных установок предшествовало росту этого способа генерации. Номинальная мощность нагревателей на конец 2013 года составляла около 270 ГВт, и большей частью они находились в Китае и Европе (Maunthner and Weiss 2014). Концентрированная солнечная энергия (КСЭ), когда зеркала используются для концентрации солнечного излучения для нагрева воды (или соли) для генерации энергии, является полезной альтернативной солнечным батареям, но лишь несколько установок (общей мощностью менее чем 5 ГВт) работали в 2015 году.

По сравнению с большой четверкой (биотопливо, гидроэнергия, ветровая и солнечная), другие возобновляемые источники дают пренебрежимо малую мощность, хотя некоторые из них играют важную роль на национальном или региональном уровне, например, геотермальная энергия. Горячие источники использовали с доисторических времен, и более глубокие обеспечивают горячую воду для отопления и промышленных процессов во многих странах. Но места, где эта энергия может применяться в качестве натурального пара для производства электричества, встречаются редко. Первая геотермальная электростанция начала работать в Лардерелло (Италия) в 1902 году; Вайракей в Новой Зеландии запустили в 1958-м, и Гейзере в Калифорнии открылись в 1960 году. К 2014-му общая номинальная мощность у всех источников такого типа составляла 12 ГВт. США обладали самой высокой номинальной мощностью, а Исландия в наибольшей степени зависела от этого возобновляемого источника энергии (Geothermal Energy Association 2014).

Рисунок 5.16. Солнечная электростанция в испанской Андалусии (Corbis)

Не были реализованы и некогда существовавшие долгосрочные планы на большие приливные электростанции; работает всего несколько таких комплексов во Франции и в Китае. Новые посадки быстрорастущих деревьев (ивы, тополя, эвкалипта или сосны) дают возможность получать щепу для генерации электричества – вот выбор, стоящий на дороге у многих проблем окружающей среды, и пожнивные остатки и другие органические отходы сейчас также используют для крупномасштабного производства биогаза (в первую очередь в Германии и Китае), но его вклад имеет значение только на локальном уровне. Несмотря на разнообразие возобновляемых источников энергии, быстрое продвижение по отдельным направлениям и многие противоречивые заявления, вердикт очевиден: как и в случае других энергетических переходов, замена ископаемого топлива будет длительным процессом, и нам придется подождать, чтобы увидеть эволюцию различных видов конверсии, способных занять заметное место в новом энергетическом мире.

Первичные движители в транспорте

В свете той важности, которую имеет мобильность как людей, так и товаров для современной цивилизации, финальный раздел моего обозрения, посвященного техническим достижениям, определяющим текущие энергетические основания современного общества, будет отдан первичным движителям в транспорте во всех их разновидностях, от малых двигателей до мощных ракет. Развитие двигателей четырехтактного цикла (в наше время в основном бензиновых, с небольшой долей работающих на этаноле и природном газе) сильно замедлилось с первого десятилетия XX века, когда их начали производить массово. Наиболее важные изменения включают примерное удвоение коэффициента сжатия, снижение массы и рост мощности, результатом чего стало уменьшение соотношения масса/мощность: оно упало с почти 40 г/Вт в 1900 году до всего лишь 1 г/Вт столетием позже. Первый массово производимый в США автомобиль, Curved Dash компании Ransom Olds, имел одноцилиндровый двигатель в 5,2 кВт (7 л. с.). Двигатель Model Т Форда, производство которой закончилось только в 1927 году после 19 лет и 16 миллионов единиц, был в три раза мощнее.

Рост средней мощности американских автомобилей был прерван с повышением цен ОПЕК в 1970-х, но возобновился в 1980-х годах: средняя мощность легкового автомобиля выросла с 90 кВт в 1990-м до 175 кВт в 2015 году (USEPA 2015). Но «легковой автомобиль» на самом деле неверный термин, поскольку в США около 50 % персонального транспорта – микроавтобусы, грузовики-пикапы и внедорожники. Дизельные двигатели тоже стали сравнительно более легкими и мощными, и эти усовершенствования позволили им доминировать на нескольких важных транспортных рынках (Smil 2010b). Первые грузовики на дизеле появились в Германии в 1925 году, первые тяжелые пассажирские автомобили (тоже в Германии) – в 1936-м. Накануне Второй мировой большинство грузовиков и автобусов в Европе были дизельными, и после войны это стало нормой по всему миру. Автобусные дизельные движки с мощностью в 350 кВт имели соотношение масса/мощность 3–9 г/ Вт и могли проезжать до 600 тысяч километров без капитального ремонта.

Соотношение масса/мощность для автомобильных дизельных двигателей в конечном итоге уменьшилось до 2 г/Вт, а это значит, что дизели в пассажирских автомобилях лишь немного тяжелее, чем их бензиновые родичи (Smil 2010b). Относительно низкая цена на топливо сделала дизельные легковые автомобили обычным делом в ЕС, где они сейчас составляют более 50 % от становящихся на учет машин (ICCT 2014). Но такие машины остаются редкостью в США: в 2014 году на них приходилось всего 3 % автомобилей. Имидж этой разновидности транспорта сильно пострадал в 2015-м, когда «Фольксваген» был вынужден признать, что многие модели с дизельным двигателем, проданные после 2008 года, содержали незаконное ПО, которое выдавало фальшивые сведения о выбросах, чтобы обойти законодательство США в области окружающей среды.

Локомотивы на дизельном топливе (мощностью до 3,5 МВт) тянут (и толкают) грузовые поезда на всех неэлектрифицированных железных дорогах мира. Как уже было отмечено, дизельные двигатели начали завоевывать море до Первой мировой войны и стали незаменимым первичным двигателем глобализации, поскольку вся морская торговля энергоресурсами, сырьем, возвратными отходами, пищевыми и промышленными товарами сейчас приводится в движение этими массивными, эффективными машинами (Smil 2010b). Наиболее мощные морские двигатели в супертанкерах и огромных контейнеровозах разработаны в Европе компаниями MAN и Wartsila, построены в Южной Корее и Японии, и их мощность достигает почти 100 МВт.

Возвратно-поступательные авиационные двигатели совершенствовались очень быстро. Те, что приводили в движение Clipper в 1936 году (большой гидроплан концерна «Боинг», совершавший регулярные перелеты между Западным побережьем США и Восточной Азией), были примерно в 130 раз мощнее тех, которые использовали Райты в 1903-м, при соотношении масса/мощность в десять раз выше (рис. 5.17). Газовые турбины – совершенно новые первичные движители, повысившие эффективность как в авиации, так и во многих других отраслях – были теоретически разработаны в начале XX века, но первые практичные конструкции появились только в конце 1930-х. Фрэнк Уиттл в Англии и Ханс Пабст фон Охайн в Германии независимо создали экспериментальные газовые турбины для военных самолетов, но первые реактивные истребители появились слишком поздно, чтобы принять участие во Второй мировой войне (Constant 1981; Smil 2010b).

Быстрое развитие нового первичного движителя началось сразу после войны. Скорость звука впервые удалось превзойти 14 октября 1947 года на самолете Bell Х-1, сверхзвуковые истребители и бомбардировщики появились в конце 40-х и с тех пор развиваются; быстрейший из них, МиГ-35, дает максимум скорости в 3,2 Маха. Появление газовых турбин сделало возможными межконтинентальные перелеты: их низкий показатель масса/мощность (с тягой в 500 кН он всего лишь 0,06-0,07 г/Вт), высокое соотношение тяга/вес (>6 для коммерческих двигателей, 8,5 для лучших военных образцов), и высокая степень двухконтурности (12 к 1 самое высокое значение, 92 % воздуха, сжатого двигателем, обходит его камеру сгорания; это снижает потребление топлива и уменьшает шум двигателей) отличают конструкцию этих все более мощных и эффективных первичных движителей (рис. 5.17). Газовые турбины в авиации стали столь надежными, что самолеты с двумя двигателями не только пересекают Атлантику, но также задействованы на многих транстихоокеанских маршрутах (Smil 2010b).

Рисунок 5.17. Все более мощные, но при этом легкие авиадвигатели способствовали прогрессу в самолетостроении. Незадолго до того, как поршневые двигатели достигли предела мощности, появились и начали развиваться реактивные. Двигатели, приводящие в движение большие «Боинги» и «Аэробусы» имеют соотношение масса/мощность менее 0,1 г/Вт, то есть в 100 раз лучше, чем у братьев Райт. Двигатели военных самолетов еще легче. Основано на данных из Constant (1981), Gunston (1986), Taylor (1989) и Smil (2010b)

Как это часто случается со зрелыми отраслями, глобальный рынок реактивных двигателей в конечном итоге оказался поделен между четырьмя производителями. «Роллс-Ройс» был первым, кто создал коммерческий авиационный движок (в 1953 году), за ним последовали две американских компании, «Дженерал Электрик» и Pratt&Whitney, и CFM International, совместная компания «Дженерал Электрик» и французской Snecma Moteurs, созданная в 1974 году и сосредоточившаяся на создании двигателей для авиации малой и средней дальности (CFM International 2015). Полеты сверхзвукового «Конкорда» (коммерциализирован в 1976 году) оказались слишком дорогими для того, чтобы занять место на рынке, и были прекращены в 2003-м (Darling 2004).

В 1952 году британский Comet стал первым пассажирским реактивным самолетом, но структурные дефекты в большей степени, чем проблемы с двигателем, привели к трем фатальным случаям, и самолет перестали использовать. После изменений в конструкции он снова полетел в 1958 году, но коммерческого успеха добиться не удалось (Simons 2014). Первым успешным коммерческим реактивным лайнером стал «Боинг-707», представленный в 1958 году (рис. 5.18). Первый широкофюзеляжный «Боинг-747» полетел в 1969-м: образцовый лайнер приводился в движение большими турбовинтовыми двигателями с тягой более 200 кН и мог выдавать пиковое значение тяги в 280 МВт во время взлета (Smil 2000с). К 2015 году самый мощный реактивный двигатель, GE 90-115В, выдавал 513 кН тяги.

Рисунок 5.18. Схемы и вид спереди примечательных реактивных самолетов. «Боинг-707» (1957) был создан на базе самолета-заправщика. «Боинг-737» (1967) – самолет, продававшийся и продающийся лучше всего (почти 9000 штук продано на конец 2015 года, и еще 13000 заказано). Сверхзвуковой англо-французский «Конкорд», летавший по нескольким маршрутам в 1976–2003 годах, оказался крайне затратным курьезом. «Боинг-747» (летает с 1969 года) был первым широкофюзеляжным дальним лайнером. Для сравнения приведен нарисованный в масштабе самолет братьев Райт и маршрут их полета 7 декабря 1903 года. Основано на публикациях «Боинг», Aeroapatiale/Bae,Jakab (1990)

Единственным первичным движителем, который мог выдать больше мощности на единицу веса, чем газовая турбина, оказался ракетный двигатель для запуска военных ракет и космических аппаратов. Основатели современной ракетной науки – Константин Циолковский (1857–1935) в России, Герман Оберт (1894–1989) в Германии и Роберт Годдард (1882–1945) в США – совершенно верно предвидели окончательный успех старой идеи ракетного движения, которая с помощью современного инженерного искусства превратилась в самый мощный первичный движитель современности (Hunley 1995; Angelo 2003; Taylor 2009). Быстрый прогресс начался во время Второй мировой войны: в 1942 году работающий на этаноле Фау-2, спроектированный Вернером фон Брауном (1912–1977), достиг тяги на уровне моря в 249 кН (эквивалент около 6,2 МВт, с соотношением масса/мощность 0,15 г/Вт) и скорости 1,7 км/с. Дальность этой ракеты оказалась достаточно большой, чтобы атаковать Великобританию (von Braun and Ordway 1975).

Космическая гонка супердержав началась с запуском первого искусственного спутника Земли, советского «Спутника», в 1957 году, и появились мощные и более точные межконтинентальные баллистические ракеты. 16 июля 1969 года одиннадцать двигателей американской ракеты Saturn С-5 на керосине и водороде (разрабатывал которые Вернер фон Браун) отправили корабль «Аполлон» на Луну. Они работали всего 150 с, и их комбинированная тяга достигла почти 36 МН, эквивалент 2,6 ГВт, при соотношении масса/мощность (включая вес топлива и трех ракет-ускорителей) всего в 0,001 г/Вт (Tate 2009).

Рост потребления энергии, даже прерванный двумя мировыми войнами и худшим в истории экономическим кризисом (в 1930-х годах), шел с беспрецедентной скоростью в первые семь десятилетий двадцатого века. После этого случилось замедление, вызванное тем, что ОПЕК в 5 раз увеличила цены на нефть между октябрем 1973-го и мартом 1974 года, но замедление произошло бы и так, поскольку абсолютные величины повышались слишком быстро, чтобы поддерживать рост, возможный при более низких агрегированных уровнях. Но (при более низком темпе) громадные количественные изменения продолжились, и они сопровождались новыми и заметными качественными выигрышами. Лучшие компиляции глобальных статистических данных показывают постоянный экспоненциальный рост производства ископаемого топлива с того времени, когда началась его крупномасштабная добыча в девятнадцатом веке (Smil 2000а, 2003, 2010а; ВР 2015; рис. 6.1).

Добыча угля выросла в 100 раз, с 10 Мт до 1 Гт, между 1810 и 1920 годами; она достигла 1,53 Гт в 1950 году, 4,7 Гт в 2000-м и 8,25 Гт в 2015 году, и только потом начала уменьшаться до 7,9 в 2015-м (Smil 2010с; ВР 2016). Добыча сырой нефти выросла в 300 раз, с менее 10 Мт в конце 1880-х до свыше 3 Гт в 1988 году; в 2000 году она составила 3,6 Гт и почти 4,4 Гт в 2015-м (ВР 2016). Производство природного газа выросло в 1000 раз, с менее 2 Гм³ в конце 1880-х до 2 Тм³ к 1991 году, оно составило 2,4 Тм³ в 2000 году и 3,5 Тм³ в 2015-м. На протяжении XX века глобальное извлечение ископаемой энергии выросло в 14 раз в терминах агрегированной энергии.

Рисунок 6.1. Производство трех принципиальных видов ископаемого топлива: в целом и годовая добыча для крупнейших производителей. Основано на данных из United Nations Organization (1956), Smil (2010a) и BP (2015)

Но лучший способ продемонстрировать экспансию состоит в том, чтобы выразить ее в терминах полезной энергии, реально произведенного тепла, света и движения. Как мы уже видели, ранние способы конверсии ископаемого топлива были очень неэффективными (менее 2 % для ламп накаливания, менее 5 % для паровых локомотивов, менее 10 % для тепловой генерации электричества, менее 20 % для маленьких угольных печей), но усовершенствование угольных котлов и печей вскоре удвоило эффективность, и в этой области до сих пор остается потенциал для движения вперед. Жидкие углеводороды, сжигаемые для домашнего отопления, а также с промышленными целями и для генерации энергии, конвертируются с более высокой эффективностью, и только бензиновые двигатели внутреннего сгорания в пассажирских автомобилях сравнительно неэффективны. Сжигание природного газа в топках, котлах или турбинах отличается высокой эффективностью, обычно она превосходит 90 %, и таковы же показатели конверсий первичного электричества.

Вследствие этого в 1900 году средняя взвешенная эффективность глобального использования энергии была не выше 20 %, к 1950-му – выше 35 %, и к 2015 году глобальное среднее конвертации ископаемого топлива и первичного электричества достигло 50 % от общей коммерческой потребляемой мощности. Международное агентство по энергии (IEA 2015а) считает, что в 2013 году мировое производство составило 18,8 Гт в нефтяном эквиваленте, а окончательное потребление – 9,3 Гт в нефтяном эквиваленте, с самыми высокими потерями в тепловой генерации энергии и на транспорте, что предсказуемо. Особенно примечательным выглядит тот факт, что в ключевом секторе потребления, домашнем отоплении, население целых стран совершило переход к полной эффективности на протяжении нескольких десятилетий (примечание 6.1).

Примечание 6.1. Эффективность домашнего отопления

Менее чем за 50 лет я успел пожить в домах, которые обогревались четырьмя разными видами топлива, и видел, как эффективность конверсии этого ключевого энергетического процесса утроилась (Smil 2003). В конце 1950-х годов, в деревне, окруженной лесами, на чешско-баварской границе, мы обогревали наш дом, как и большинство соседей, дровами. Отец заказывал уже спиленную и лишенную ветвей ель или пихту, и мне приходилось летом колоть дрова, чтобы получился готовый материал для печи (а также более тонкая растопка) и складывать их под навесом, чтобы они высохли. Эффективность нашей дровяной печи была не выше, чем 30–35 %. Когда я учился в Праге, все энергоемкие операции – отопление, приготовление пищи, генерация энергии – зависели от лигнита, а угольная печка в моей комнате, в бывшем монастыре, здание которого отличалось толстыми стенами, имела эффективность около 45 %. После переезда в США мы сняли верхний этаж пригородного дома, он обогревался нефтью, которую привозили в цистерне и сжигали в котле с эффективностью не более 60 %. Наш первый дом в Канаде имел газовый котел с эффективностью 65 %, и когда я спроектировал новый, суперэффективный дом, то поставил котел с показателем 94 %, а потом заменил на другой, дающий 97 %.

В то время как общее производство всех ископаемых энергий выросло в 14 раз на протяжении XX века, постоянный прогресс эффективности дал нам в 30 раз больше полезной энергии, чем было доступно в 1900 году. В результате богатые страны, где ископаемое топливо преобладало уже к 1900-му, сейчас получают в два или даже в три раза больше полезной энергии на единицу первичного поступления, чем столетие назад, и поскольку традиционные энергии биотоплива конвертировались с очень низкой эффективностью (<1 % для света, <10 % для тепла), то бедные страны, где современные энергии начали доминировать только на протяжении второй половины двадцатого века, теперь получают от пяти до десяти раз больше на единицу первичного поступления, чем сто лет назад. Если перевести все на душу населения – с населением в 1,65 миллиарда в 1900 году и 6,12 миллиарда в 2000-м – то глобальный рост в поставках полезной энергии будет более чем восьмикратным, но эта цифра прячет значительные национальные различия (больше об этом будет сказано в этой главе позже, в дискуссии об экономическом росте и стандартах жизни).

Рисунок 6.2. Глобальная добыча ископаемого топлива превзошла общие поставки энергии традиционной биомассы перед самым концом XIX века (слева). Рост полезной энергии был более чем двукратным по сравнению с ростом общих первичных поставок (справа). Основано на данных из United Nations Organization (1956) и Smil (1983,2010а)

Другой способ оценить агрегированный размер современных потоков энергии – сравнить их с традиционными, как в абсолютных, так и в относительных показателях. Лучшие оценки демонстрируют, что потребление растительного топлива поднялось с 700 Мт в 1700 году до примерно 2,5 Гт в 2000-м. Это дает приблизительно 280 Мт и 1 Гт в нефтяном эквиваленте, менее чем учетверение за три века (Smil 2010а). За то же самое время добыча ископаемого топлива поднялась с менее 10 Мт до 8,1 Гт в нефтяном эквиваленте, то есть примерно в 800 раз (рис. 6.2). В терминах валовой энергии глобальные поставки биотоплива и ископаемого топлива были почти одинаковыми в 1900 году (оба примерно 22 ЭДж); к 1950-му ископаемое топливо давало примерно в три раза больше энергии, чем дерево, пожнивные остатки и навоз; и к 2000 году разница была почти в восемь раз. Но с учетом реально потребленной, полезной энергии разница к тому же году достигла 20 раз.

Всплески в использовании энергии подняли уровень среднего потребления на душу населения на беспрецедентную высоту (рис. 6.3). Энергетические потребности кочевых обществ определялись в основном добычей пищи, их годовое потребление в среднем составляло не выше 5–7 ГДж на человека. Высокие культуры древности добавили медленно растущий расход энергии на лучшие убежища и одежду, на транспорт (приводимый в движение энергией пищи, фуража и ветра) и некоторое количество производства (на древесном угле в первую очередь). Египет времен Нового царства потреблял не более 10–12 ГДж на душу населения, моя лучшая оценка для ранней Римской империи – около 18 ГДж на человека (Smil 2010с). Ранние индустриальные общества с легкостью удвоили традиционное использование энергии на душу населения. Большая часть этого роста приходилась на производство на каменном угле и новые средства транспорта. Среднее по Европе оценивается (Malanima 2013b) как около 22 ГДж на душу населения в 1500 году, затем наблюдалась стагнация на уровне 16,6-18,1 ГДж на человека до 1800 года.

После этого появилась уже упомянутая разница между индустриальными странами и теми, чья экономика так и осталась в основном аграрной. Оценки для Англии и Уэльса показывают (Kander 2013), что среднее потребление выросло с 60 ГДж на душу населения в 1820 году до 153 ГДж на душу в 1910-м, а в Германии показатель за то же время увеличился в пять раз (с 18 до 86 ГДж на душу населения), но зато в Италии рост составил всего 20 % (с 10 до 22 ГДж на душу). Для сравнения, средняя величина в США поднялась с менее 70 ГДж до около 150 ГДж на душу населения между 1820 и 1910 годами (Schnurr and Netschert 1960). Столетием позже все богатые европейские страны превысили 150 ГДж на душу населения, а США – 300 ГДж на душу, и по мере того как росло среднее потребление, изменялся его состав (рис. 6.3).

В кочевых обществах пища была единственным источником энергии; мои оценки показывают, что пища и фураж составляли около 45 % всей энергии в ранней Римской империи (Smil 2010с). В доиндустриальной Европе их доля колебалась от 20 до 60 %, но в 1820 году среднее было уже не более 30 %; к 1910-му – менее 10 % в Великобритании и Германии. К 1960-м годам энергия фуража уменьшилась до пренебрежимо малой величины, а на пищу осталось 2–3% общего потребления энергии в наиболее обеспеченных обществах, где ведущие роли стали принадлежать промышленному, транспортному и домашнему использованию топлива и электричества (рис. 6.3). Потребление электричества на душу населения выросло на два порядка в богатых странах, к 2010 году оно составило около 7 МВт/г. в Западной Европе и 13 МВт/г. в США. Контрасты между энергетическими потоками, находящимися под прямым контролем человека, впечатляют ничуть не меньше.

Рисунок 6.3. Сравнение типичного годового потребления энергии на разных стадиях человеческой эволюции. Большой рост абсолютного потребления сопровождался ростом долей энергии, предназначенных для домашнего хозяйства, промышленности и транспорта. Все данные до XIX века являются приближениями, основанными на 5 тН (1994; 2010с) и Malanima (2013а); более поздние цифры взяты из национальных статистических источников

Когда в 1900 году фермер на Великих равнинах держал поводья шести больших лошадей во время вспашки пшеничного поля, он контролировал – прикладывая значительные физические усилия, сидя на стальном сиденье, часто в облаке пыли – не более 5 кВт одушевленной энергии. Столетием позже его праправнук, расположившийся в кондиционированной кабине трактора, без усилий направлял больше 250 кВт мощности дизельного двигателя. В 1900 году машинист, ведущий угольный локомотив с вагонами по трансконтинентальному маршруту со скоростью около 100 км/ч, повелевал около 1 МВт пара, максимальной мощностью, которую давала ручная подача угля (Bruce 1952; рис. 6.4). К 2000 году пилот «Боинга-747», идущего по межконтинентальному маршруту на высоте 11 км, мог использовать автопилот большую часть путешествия, а четыре газовых турбины давали до 120 МВт мощности и скорость 900 км/ч (Smil 2000а).

Рисунок 6.4. Управление паровозом конца XIX века (вверху) и пилотирование реактивного «Боинга» (внизу). Два пилота контролируют на два порядка больше мощности, чем машинист и его помощник в локомотиве. Локомотив взят из VS archive, кокпит «Боинга» с http://wallpapersdesk.net/wp-content/uploacls/2015/08/293l_boeing_747.jpg

Подобная концентрация мощности требует намного более высоких стандартов безопасности, поскольку возрастает цена ошибки. Экипажи, которые до конца девятнадцатого века использовались в городском транспорте, развивали постоянную мощность не более 3 кВт (четыре запряженные лошади) и перевозили от 4 до 8 человек. Пилоты реактивного лайнера контролируют 30 МВт и перевозят 150–200 пассажиров. Временная невнимательность или ошибка в оценке ситуации приведут к совершенно разным последствиям, когда у того, кто ошибется, «в руках» 3 кВт и 30 МВт, то есть разница в четыре порядка. Очевидный способ снизить такие риски – использовать электронный контроль.

Самая безопасная система транспорта в мире – японский shinkansen («новая магистраль») между Токио и Осакой, 50 лет его работы без происшествий отпраздновали 1 октября 2014 года – использует централизованный электронный контроль с самого своего появления. Автоматический контроль поддерживает нужное расстояние между поездами и пускает в ход тормоза, если скорость превышает обозначенный максимум; централизованный контроль движения следит за выполнением маршрутного расписания; детекторы землетрясений фиксируют первые сейсмические волны, достигшие поверхности Земли, и могут остановить или замедлить составы до того, как начнется собственно землетрясение (Noguchi and Fujii 2000). Современные реактивные самолеты автоматизированы много десятилетий назад, и продвинутый контроль все больше проникает в автомобилестроение. Электронный контроль и постоянный мониторинг – применение которых сейчас варьируется от комнатных термостатов до больших плавильных печей, от антиблокировочных тормозных систем до повсеместного CCTV в городах – появились с широким распространением компьютеров и переносных электронных устройств и стали новой категорией спроса на электричество.

Рост глобального производства электричества в XX веке был даже быстрее, чем расширение добычи ископаемого топлива, чья средняя величина в год составила около 3 % (рис. 6.5). Менее 2 % всего топлива превращали в электричество в 1900 году, менее 10 % в 1945-м, но к концу века доля поднялась до 25 %. Новые гидроэлектростанции (в большом масштабе начали строить после Первой мировой войны) и новые ядерные мощности (с 1956 года) еще увеличили производство энергии. В результате глобальные поставки электричества росли примерно на 11 % в год между 1900-м и 1935-м, и затем на более 9 % в год до начала 1970-х. В оставшейся части века рост уменьшился до 3,5 % в год, в основном потому, что спрос в богатых экономиках понизился, а эффективность конверсии возросла. Новые способы генерации электричества от возобновляемых источников, таких как солнечная энергия и ветер, показали значительный рост с конца 1980-х годов.

Никакой другой выигрыш, обеспеченный этой новой мощностью, не был столь фундаментальным, как значительный рост в глобальном производстве продовольствия, который сделал возможным предоставить адекватное питание почти 90 % мирового населения (FAO 2015b). Никакое изменение не определило вид современного общества в большей степени, чем процесс индустриализации, и никакое новое улучшение не внесло больший вклад в появление глобальной цивилизации, чем эволюция массового транспорта и громадное увеличение нашей возможности по накоплению информации и вовлечению в коммуникации с частотой и интенсивностью, не имеющей исторических прецедентов. Но эти впечатляющие достижения не были разделены между всеми людьми в равной степени, и я напишу о том, как выгоду от глобального экономического роста непропорциональным образом получила небольшая часть человечества, и отмечу значительные внутринациональные различия. Но даже при всем при этом имели место многие универсальные усовершенствования.

Рисунок 6.5. Глобальная генерация электричества росла значительно быстрее, чем добыча ископаемого топлива. Ведущие экономики мира всегда были его крупнейшими производителями, и тепловая генерация (в данный момент большей частью на угле и природном газе) продолжает доминировать на глобальном уровне (слева). Гидроэлектричество и ядерная энергетика остаются на втором и третьем месте соответственно. Ветровая и солнечная энергетика начали быстро расти после 2000 года. Основано на данных из United Nations Organization (1956), Ра I grave Macmillan (2013) и BP (2015)

Ископаемое топливо и электричество стали незаменимыми ресурсами в современном земледелии. Они использовались прямо, чтобы приводить в движение механизмы, и косвенно, чтобы строить эти машины, добывать минеральные удобрения, синтезировать азотистые вещества и защитные химикалии (пестициды, фунгициды, гербициды и др.), чтобы создавать новые разновидности растений. А с недавнего времени – чтобы приводить в действие электронику, берущую на себя многие функции и поддерживающую аккуратное земледелие. Ископаемое топливо обеспечило рост объема и стабильности урожаев, оно заменило практически всех тягловых животных в богатых странах и значительно уменьшило их использование в бедных, а замена мускулов двигателями внутреннего сгорания и электромоторами продолжила снижение интенсивности труда, начатое доиндустриальными достижениями в сельском хозяйстве.

Непрямое влияние ископаемого топлива на сельское хозяйство началось уже (пусть и в небольшом масштабе) в XVIII веке, когда плавку железной руды перевели с древесного угля на кокс. Оно расширилось с распространением стальных механизмов во второй половине XIX века и достигло новых высот с появлением новых, более мощных полевых машин, оросительных насосов, а также различного оборудования в XX веке. Но объем вложенной в машины энергии – всего лишь доля энергии, прямо использованной на управление тракторами, комбайнами и другими, на то, чтобы качать воду, сушить зерно и обрабатывать злаки. Из-за присущей им высокой эффективности дизельные двигатели стали доминировать во всех этих областях, но на долю бензина и электричества тоже осталось немало.

Использование двигателей внутреннего сгорания в сельскохозяйственных механизмах началось в США, в то же десятилетие, когда легковые машины стали массово производимым товаром (Dieffenbach and Gray 1960). Первый тракторный завод был заложен в 1905 году, устройство отвода мощности для навесного оборудования появилось в 1919-м, а мощные подъемники, дизельные двигатели и резиновые шины – в начале 1930-х. До 1950-х годов механизация в Европе шла несколько медленно, в густонаселенных странах Азии и Латинской Америки она началась только в 1960-х, а в некоторых бедных государствах идет прямо сейчас. Механизация полевых работ была главной причиной роста производительности труда и снижения доли занятого в сельском хозяйстве населения. Сильная западная лошадь начала XX века работала с мощностью шести человек, но даже первые тракторы выдавали эквивалент 15–20 тяжелых лошадей, а сегодняшние машины, работающие в Канадских прериях, выдают до 575 л. с. (Versatile 2015).

В главе 3 я показал, как рост производительности снизил средние трудовые вложения в выращивание пшеницы в Америке с 30 часов на тонну в 1800 году до менее 7 часов на тонну в 1900-м; к 2000 году показатель уменьшился до 90 минут на тонну. Высвободившаяся трудовая сила начала перемещаться в города, вызвав мировое сокращение сельского населения и продолжающийся до сих пор рост урбанизации (рассмотрен дальше в этой главе). Американская статистика позывает результаты перемещения. Процент трудящихся на селе уменьшился с более 60 % от всей рабочей силы в 1850 году до менее 40 % в 1900-м; эта доля составила 15 % в 1950 году, а в 2015-м она была всего 1,5 % (USDOL 2015). Для сравнения, сельским трудом в ЕС сейчас занято 5 % работающих, а в Китае все еще около 30 %.

Максимальная численность американских тягловых лошадей составила 21,4 миллиона в 1915 году, а количество мулов достигло пика в 1925–1926 годах: 5,9 миллиона особей (USBC 1975). На протяжении второго десятилетия XX века общая тягловая сила была в десять раз больше, чем у только что появившихся тракторов; в 1927 году эти два первичных движителя сравнялись по объемам, а к 1940-му тракторы уже в два раза превосходили животных. Но сама по себе механизация не могла высвободить такое большое количество сельского труда. Более высокие урожаи новых разновидностей злаков, лучшие удобрения, эффективные гербициды и пестициды, усовершенствованная ирригация – все это внесло свой вклад.

Важность хорошо сбалансированного питания растений определил Юстус фон Либих (1803–1873). В 1843 году он сформулировал «закон минимума»: питательное вещество, которого меньше всего, определит уровень конечного урожая. Из трех макронутриентов (веществ, которые требуются в сравнительно больших количествах), а именно, азота, фосфора и калия – два последних довольно просто обеспечить. В 1842 году Джон Беннет Лоус (1814–1900) предложил обработку фосфатных пород растворенной серной кислотой, чтобы получать обычный суперфосфат, и позже этот способ использовался на крупных месторождениях фосфатов во Флориде (1888) и Марокко (1913). Калий в виде КС1 можно добывать во многих шахтах в Европе и Северной Америке (Smil 2001).

Но вот обеспечение азотом, который всегда требуется растениям в большом количестве, было самой сложной задачей. До 1890-х годов единственный вариант сводился к импорту чилийских нитратов (открыты в 1809 году). Затем сравнительно малое количество сульфата аммония начали получать из новых коксовальных печей; дорогой цианамидный процесс (кокс, вступающий в реакцию с известняком, производит карбид кальция, комбинация которого с чистым азотом дает цианамид кальция) поставили на коммерческую основу в 1898 году; в самом начале XX века электрическую дугу (процесс Биркеланда-Эйде, 1903 год) начали использовать для получения оксида азота, который можно было превратить в азотную кислоту и нитраты. Ни одна из этих технологий не могла стать основой массового производства, и прорыв на мировой уровень произошел только в 1909 году, когда Фриц Габер (1868–1934) изобрел каталитический процесс при высоком давлении, синтез аммиака из его элементов (Smil 2001; Stolzenberg 2004).

Быстрая коммерциализация (к 1913 году) имела место на заводе BASF в Людвиг-схафене, где руководил Карл Бош (1874–1940). Но сначала этот процесс использовали не для изготовления удобрения, а для того, чтобы делать нитрат аммония, необходимый для взрывчатки на полях Первой мировой войны. Первые синтетические азотные удобрения поступили в продажу в начале 1920-х годов. Их производство оставалось ограниченным до Второй мировой, и даже к 1960 году больше трети американских фермеров не использовали синтетических удобрений (Schlebecker 1975). Синтез аммиака и последующее его превращение в жидкие и твердые удобрения – энергоемкий процесс, но технический прогресс снизил общие энергетические затраты, и азотистые соединения вышли на мировой рынок, так что их производство в 2000 году достигло эквивалента 100 Мт азота (они составили 80 % от всех синтезированных веществ, примечание 6.2., рис. 6.6).

Примечание 6.2. Энергетические затраты на производство азотистых удобрений

Энергетические расходы на синтез по схеме Габера – Боша включаюттопливо и электричество, используемые в процессе, и энергию, воплощенную в сырье. Процесс, базирующийся на коксе, с которого все начиналось на заводе BASF, требовал более 100 ГДж/т NH₃ в 1913 году; перед Второй мировой войной показатель уменьшился до около 85 ГДж/т. После 1950 года процесс, основанный на природном газе, снизил энергетические издержки до 50–55 ГДж/т аммиака; центрифугальные компрессоры, более эффективные катализаторы и паровая конверсия под высоким давлением уменьшили сначала до менее 40 ГДЖ/т к 1970-м годам, затем до 30 ГДЖ/т к 2000-му, когда лучшим заводам требовалось всего 27 ГДЖ/т, близкое значение к стехиометрическим энергетическим расходам (20,8 ГДж/т) для синтеза аммиака (Kongshaug1998; Smil 2001). Обычно новый завод на природном газе тратит около 30 ГДж/т, примерно на 20 % больше в случае использования тяжелых нефтепродуктов, и до 48 ГДж/т при синтезе на основе угля (Rafiqul et al. 2005; Noelker and Ruether 2011).

Средняя производительность составляла около 35 ГДж/т в 2015 году; последний показатель соотносится с 43 ГДж/т азота. Но большинство фермеров не применяют аммиак (газ при обычном давлении), они предпочитают жидкости или твердые вещества, особенно мочевину, содержащую больше всего азота (45 %) среди всех твердых веществ, которые легко использовать даже на небольших участках. Превращение аммиака в мочевину, упаковка и транспорт увеличивают общие энергетические затраты до 55 ГДж/т. Используя этот показатель в качестве глобального среднего, можно подсчитать, что в 2015 году, когда около 115 Мт азота было использовано в сельском хозяйстве, на синтез азотистых удобрений ушло 6,3 ЭДж энергии, или чуть более 1 % глобального потока энергии (Smil 2014а).

Никакое другое использование энергии не предлагает такую отдачу в виде роста урожая, как использование синтетического азота: потратив, грубо, 1 % глобальной энергии, можно обеспечить около половины всех питательных веществ, потребляемых ежегодно злаками всего мира. Поскольку около трех четвертей всего азота в пищевых белках поступают из обрабатываемой земли, почти 40 % текущих поставок пищи зависят от процесса синтеза аммиака Габера-Боша. Если перевернуть данные, можно сказать, что без синтеза по схеме Габера-Боша число людей, получающих удовольствие от современного рациона, составило бы 40 % от сегодняшнего.

Западные страны, использующие большую часть зерна в качестве пищевого сырья, могут с легкостью уменьшить зависимость от синтетического азота, снизив высокое потребление мяса. Бедные страны с большим населением имеют куда меньшую свободу выбора. Особенно стоит отметить, что синтетический азот обеспечивает около 70 % всех энергетических вложений в Китае. Более 70 % белка в стране происходит из злаков, и поэтому, грубо говоря, половина всего азота в пище Китая поступает из синтетических удобрений. В его отсутствие обеспечение продуктами упадет до полуголодного уровня, или текущий уровень питания будет доступен только для половины населения.

Рисунок 6.6. Экспоненциальный рост глобального производства азотистых удобрений (слева) сопровождался впечатляющим падением энергетических затрат при синтезе аммиака (справа). Основано на данных из Smil (2001,2015b) и FAO (2015а)

Добыча поташа (10 ГДж/т К) и фосфатов и разработка фосфатных удобрений (вместе 20 ГДж/т Р) добавляют 10 % к общей сумме. Общие энергетические расходы на другие сельскохозяйственные химикалии много ниже. Послевоенный рост применения удобрений сопровождался введением в использование и расширением спектра гербицидов и пестицидов, химикалий, которые уменьшают заражение посадок сорняками, насекомыми и грибками. Первый коммерческий гербицид поступил на рынок в 1945 году (2,4-D), и он убивает многие широколиственные растения, не нанося вреда злакам. Первым инсектицидом был ДДТ, выпущенный в 1944-м (Friedman 1992). В списке гербицидов и пестицидов сейчас тысячи соединений, большей частью получаемых из нефтехимического сырья: их синтез куда более энергоемок, чем производство аммиака (обычно более 100 ГДЖ/т, а для некоторых – более 200 ГДж/т), но количества, используемые на гектар, на порядки ниже.

Территория орошаемых земель за XX век увеличилась в пять раз, с менее 50 Мга до более 250 Мга, а к 2015 году достигла 275 Мга (FAO 2015а). В относительных терминах это значит, что около 18 % сельскохозяйственных земель сейчас орошаются, около половины из них – водой, качаемой из колодцев, 70 % всей орошаемой земли находится в Азии. Там, где вода добывается из водоносных слоев, энергетические затраты на ее подкачку (используются обычно дизельные или электрические насосы) неизменно составляют самую большую часть от общих (прямых и косвенных) энергетических затрат на выращивание злаков. Оросительная система все еще подает большую часть выкачанной воды в бороздки, но гораздо более эффективные и дорогие разбрызгиватели (особенно вращающиеся) тоже используются во многих странах (Phocaides 2007).

Только приблизительные расчеты можно сделать, чтобы отследить подъем прямого и косвенного использования ископаемого топлива и электричества в современном сельском хозяйстве. На протяжении XX века, когда население мира выросло в 3,7 раза, а обрабатываемая площадь расширилась на 40 %, антропогенный энергетический вклад поднялся с 0,01 ЭДж до почти 13 ЭДж. В результате в 2000 году средний гектар земли получал в 90 раз больше энергии, чем в 1900-м (рис. 6.7). Или, отстранясь от цифр, мы можем просто сказать вместе с Говардом Одумом (Odum, 1971, 115–116):

«Целое поколение граждан думало, что текущий объем нашей планеты пропорционален площади обрабатываемой земли и что мы с большей эффективностью используем солнечную энергию. Но это печальное заблуждение, поскольку человек индустриальной эпохи не ест картофель, сделанный из солнечной энергии, сейчас он ест картофель, частично изготовленный из нефти».

Но эта трансформация изменила общую доступность пищи несколькими способами. В 1900 году валовое производство злаков (не считая потерь при хранении и перевозке) давало только крохотный выигрыш над человеческими потребностями в пище, что означает – большая часть человечества питалась скудно, и доля урожая, которую можно было использовать для прокорма животных, оставалась минимальной. Значительно выросшие вложения энергии позволили новым сортам растений (гибридная кукуруза, появившаяся в 1930-х годах, пшеница с коротким стеблем, новые разновидности риса в 1960-х) реализовать их потенциал полностью, результатом чего стали рост урожаев всех культур и увеличение энергии пищи в шесть раз (Smil 2000b, 2008; рис. 6.7).

В начале XXI века глобальные урожаи обеспечивают дневную норму в среднем (для популяции в 4 раза больше, чем в 1900 году) около 2800 ккал на человека, более чем достаточно, если бы она была доступна для всех (Smil 2008а). Примерно 12 % мирового населения до сих пор недоедают по той причине, что доступ к пище у них ограничен, но не потому что ее вообще нет, а потому что она распределяется неравномерно.

Рисунок 6.7. Общие (прямые и косвенные) вложения энергии в современное сельское хозяйство (слева), общие размеры жатвы и рост урожая пшеницы (справа). Основано на данных из Smil (2008b), Palgrave Macmillan (2013) и FAO (2015a)

В обеспеченных странах поставки пищи на 75 % выше реальной потребности, результатом чего становится ненормально большое количество пищевых отходов (30–40 % всей пищи в розничной продаже) и высокий уровень ожирения у населения (Smil 2013а). Более того, немало зерна (50–60 %) в богатых странах скармливают домашним животным. Курица – самый эффективный конвертер корма (около трех единиц концентрированного корма на единицу мяса); для свинины это соотношение девять к одному, производство говядины самое затратное, оно требует 25 единиц корма на единицу мяса.

Это не самое лучшее соотношение также является функцией пропорции мясо/живой вес: для курицы она равняется 0,65, для свиньи – 0,53, для крупного рогатого скота всего 0,38 (Smil 2013d). Но энергетические потери при получении мяса (и молока) имеют собственную питательную отдачу: рост потребления животной пищи обеспечивает высокобелковый рацион во всех богатых странах (проявляется в увеличении роста) и в среднем адекватное питание большинству даже самых бедных стран. Интересно, что среднее потребление энергии пищи на душу населения в Китае сейчас около 3000 ккал/сут., то есть на 10 % выше, чем в Японии (FAO 2015а).

Индустриализация

Индустриализация подразумевает многочисленные связанные друг с другом изменения (Blumer 1990), и так дело обстоит, в каком бы масштабе не рассматривался процесс. До сегодняшнего времени самое важное изменение на уровне фабрики – введение электрических моторов, приводящих в движение отдельные машины, что обеспечило точный и независимый контроль, позволило ликвидировать ненадежную систему трансмиссий, кожаных приводов и валов, которые требовались паровой машине. Но даже эта фундаментальная трансформация имела бы ограниченное воздействие, если бы высокоскоростные станки и сталь лучшего качества не были доступны для производства более качественных машин и финальных компонентов. Как уже отмечалось, интенсификация международной торговли не произошла бы без новых, более мощных первичных движителей, но их развитие в свою очередь зависело не только от продвижения в конструктивной области, но также от огромных объемов нового жидкого топлива, получать которое стало возможно благодаря добыче сырой нефти и ее дальнейшей очистке.

Схожим образом, растущая доля механического производства, сконцентрированного на фабриках, потребовала размещения работников поблизости от мест производства (отсюда различные формы урбанизации) и развития новых навыков и целых профессий (отсюда беспрецедентный рост сферы профессионального обучения и технического образования). Использование монетарной экономики, мобильности труда и капитала установило новые контрактные отношения и привело к росту миграции и расширению банковского сектора. Погоня за массовым производством и низкими издержками на единицу продукции создали новые большие рынки, чье существование опиралось на надежный и недорогой транспорт.

В противоположность общему мнению, рост доступности полученных с помощью угля и паровых двигателей тепла и механической мощности вовсе не был нужен для того, чтобы инициировать этот комплекс перемен. Производство в загородных мастерских, основанное на дешевом сельском труде и обслуживавшее не только национальный, но и международные рынки, существовало за поколения до того, как началась угольная индустриализация (Mendels 1972; Clarkson 1985; Hudson 1990). Такая протоиндустриализация имела место не только в отдельных районах Европы (Ульстер, Костуолдс, Пикардия, Вестфалия, Саксония, Силезия и многие другие). Масштабное ремесленное производство товаров для внутреннего и внешнего рынков существовало также в Китае династий Мин и Цинь, в Японии сегуната Токугава, в отдельных районах Индии.

Отличным примером является карбонизация сыродутного железа для получения индийской стали wootz, качества которой лучше всего известны по дамасским клинкам (Mushet 1804; Egerton 1896; Feuerbach 2006). Ее производство в некоторых регионах Индии (Лахор, Амритсар, Агра, Джайпур, Мисор, Малабар, Голконда) имело почти индустриальные масштабы, экспорт шел в Персию и Турецкую империю. Частично механизированное и сравнительно крупное производство тканей, опирающееся на энергию воды, часто становилось следующим шагом европейского перехода от сельских мастерских к централизованным мануфактурам. Во многих регионах промышленные водяные мельницы и турбины успешно конкурировали с паровыми машинами на протяжении десятилетий после появления нового неодушевленного первичного движителя.

Да и массовое потребление не было таким уж новшеством.

Мы привыкли думать о материализме как о последствии индустриализации, но в Западной Европе, особенно в Нидерландах и Франции, он являлся значимой социальной силой уже в XV и XVI веках (Mukerji 1981; Roche 2000). Схожим образом в Японии эпохи Токугава (1603–1868) богатые жители городов, особенно Эдо, столицы, начали развлекаться совершенно необычным для того времени образом: покупать иллюстрированные книги (ehon), ходить по ресторанам (тогда стали популярны суши), посещать театральные представления, коллекционировать цветные изображения (ukiyoe) ландшафтов и актеров (Sheldon 1958; Nishiyama and Groemer 1997). Вкусы и стремления растущего числа состоятельных людей обеспечили важный культурный импульс для индустриализации. Им требовался доступ к товарам: от посуды для ежедневной готовки до экзотических специй и тонких тканей, от искусно выгравированных карт до чайных наборов.

Термин «индустриальная революция» столь же привлекательный и глубоко въевшийся, как и ошибочный. Процесс индустриализации был скорее комплексом отдельных и постепенных, часто неравномерных шагов вперед. Дело обстояло так даже в регионах, которые сравнительно быстро перешли от ремесленных мастерских к крупномасштабному производству на экспорт. Иллюзорно аккуратное размещение этих изменений на временной шкале (Rostow 1965) игнорирует сложность и истинную эволюционную природу процесса целиком. Его начало в Англии можно проследить как минимум до конца XVI века, но полную мощность он набрал только после 1850 года (Clapham 1926; Ashton 1948). Даже к этому времени традиционные ремесленники значительно превосходили числом рабочих механизированных фабрик: перепись 1851 года показала, что в Великобритании все еще было больше сапожников, чем шахтеров на угольных шахтах, больше кузнецов, чем металлургов (Cameron 1985).

Взгляд на мировую индустриализацию как на серию волн, имитирующих английские достижения, (Landes 1969) ничуть не более правилен. Даже Бельгия, чей прогресс наиболее сильно напоминал британский, шла собственным путем. Намного большее значение имела металлургия, и меньшее – текстильная промышленность. По причине значительных национальных отличий не было общих шаблонов индустриализации. Во Франции активно использовали энергию воды, Америка и Россия очень долго полагались на древесину, а Япония – на искусных ремесленников. Уголь и пар были изначально вовсе не революционными новшествами. Постепенно они стали давать тепло и механическую мощность на невиданном ранее уровне и с высочайшей надежностью.

Индустриализация могла расширяться и ускоряться в одно и то же время, в конечном итоге становясь причиной еще более высокого потребления ископаемых энергий. Добыча угля вовсе не является необходимой для индустриальной экспансии, но она определенно важна для ее ускорения; сравнение Бельгии и Нидерландов показывает этот эффект. Высоко урбанизированное голландское общество, с прекрасным флотом и сравнительно продвинутыми торговыми и финансовыми возможностями, осталось позади богатой углем, но бедной всем остальным Бельгии, которая стала передовой индустриальной страной континента в середине девятнадцатого века (Mokyr 1976). В число других регионов Европы, где рано сформировалась основанная на угле экономика, входили Рейн-Рур, Богемия и Моравия в империи Габсбургов, прусская и австрийская части Силезии.

Этот шаблон повторился и за пределами Западной и Центральной Европы. Пенсильвания с ее высококачественным антрацитом и Огайо с прекрасным битуминозным углем стали лидерами в США (Eavenson 1942). В России до Первой мировой войны разработка богатых запасов угля в Донецком бассейне и нефтяных залежей в Баку в 1870-х годах открыла дорогу быстрой индустриальной экспансии (Falkus 1972). Японская погоня за модернизацией в эпоху Мейдзи основывалась на угле из месторождений северного Кюсю (Yonekura 1994). Крупнейшая коммерческая империя в Индии выросла из домны Дж. Тата, которая использовала бихарийский кокс (Джамшедпур) с 1911 года (Tata Steel 2011).

Получив в свое распоряжение энергию угля и пара, традиционные производители смогли обеспечить большие объемы более качественной продукции по более низким ценам. Это достижение было необходимым условием для массового потребления. Доступность недорогой и надежной механической энергии также позволила использовать все более сложные машины. И соответственно увеличилась специализация в производстве компонентов, инструментов и механизмов. Новые отрасли, живущие за счет угля, кокса и пара, возникали с невероятной скоростью из-за необходимости обеспечивать национальные и международные рынки. Изготовление котлов высокого давления и труб к ним началось после 1810 года, производство рельсов и локомотивов выросло после 1830-го, а изготовление водяных турбин и корабельных винтов – после 1840 года. Стальные корпуса и подводные телеграфные кабели нашли новый большой рынок после 1850 года, а коммерческие способы изготовления недорогой стали – сначала в конвертерах Бессемера после 1856-го, затем в мартеновских домнах (Siemens-Martin) в 1860-х (Bessemerl905; Smil 2016) – открыли новые большие рынки, от кухонной утвари до рельс, от плугов до несущих балок.

Рост потребления топлива и замена ручных инструментов машинами сделали человеческие мускулы несущественным источником энергии. Труд сравнительно быстро превратился в поддерживающий, контролирующий и управляющий процесс. Эту тенденцию хорошо показывает анализ переписей в Англии и Уэльсе за полтора столетия (Stewart, De and Cole 2015). В 1871 году около 24 % всех работающих занимались физическим трудом (в сельском хозяйстве, строительстве и промышленности), и только 1 % составляли люди «заботящихся» профессий (медицина и обучение, забота о детях и социальное обеспечение). Но к 2011 году доли составили соответственно 8 % и 12 %, и некоторая часть сегодняшнего физического труда, вроде уборки или рутинных операций на фабриках, включает немало механизированных задач.

Но хотя важность человеческого труда упала, новые систематические исследования отдельных задач и полных фабричных процессов продемонстрировали, что производительность труда значительно увеличилась после оптимизации, перестройки и стандартизации мускульной активности. Фредерик Уинслоу Тейлор (1856–1915) был пионером в области подобных исследований. Начиная с 1880 года, он потратил 26 лет на количественные оценки всех ключевых переменных, задействованных при резке стали, свел находки к простому набору вычислений и вывел общие заключения по управлению эффективностью в книге «Принципы научного менеджмента» (Taylor 1911). Столетием позже эту книгу продолжают использовать некоторые из наиболее успешных изготовителей товаров широкого потребления (примечание 6.3).

Радикально новый период индустриализации начался, когда паровые машины превзошла электрификация. Электричество – совершенная форма энергии, и не только по сравнению с паровой. Оно сочетает мгновенный и легкий доступ со способностью очень надежно обслуживать почти любой сектор экономики, кроме авиации. Щелчок выключателя превращает электричество в свет, тепло, движение или в химический потенциал. Легко контролируемый поток обеспечивает ранее недостижимые точность, скорость и контроль процессов. Более того, оно чисто и бесшумно в точке потребления. И как только нужная проводка проложена, электричество может решать почти бесконечное количество растущих или меняющихся задач.

Примечание б. З. От экспериментов с резкой стали до японского экспорта автомобилей

Главной заботой Фредерика Уинслоу Тейлора были потери труда, иными словами, непродуктивное использование энергии, эти «неловкие, неэффективные или неточно нацеленные движения человека», которые «не оставляют ничего видимого или ощутимого после себя», и он пытался оптимизировать физические усилия. Критики Тейлора увидели в этом всего лишь особенно жестокий способ эксплуатации (Copley 1923; Kanigel 1997), но усилия Тейлора базировались на понимании реальной энергетики труда. Он возражал против слишком больших рабочих квот («если человек переутомлен работой, тогда задача поставлена неверно и такой подход далек от научного менеджмента настолько, насколько это возможно») и подчеркивал, что совместное знание управляющих уступает «в значительной степени совместному знанию и умению рабочих людей, которые им подчиняются». Естественно, что он призывал к «доверительной кооперации управляющих с рабочими» (Taylor 1911,115).

Рекомендации Тейлора были сначала отвергнуты (компания Bethlehem Steel уволила его в 1901 году), но «Принципы научного менеджмента» стали в конечном итоге учебником для менеджеров всего мира. В особенности, глобальный успех японских компаний был основан на постоянных усилиях по устранению непродуктивного труда, излишней загрузки и неравной скорости работы, на привлечении рабочих к участию в производственном процессе, например, путем внесения предложений по его улучшению, и на минимизации конфликтов между управляющими и трудящимися. Знаменитая производственная система фирмы «Тойота» – аллитерирующее трио muda mura muri (ликвидация не имеющих ценности видов деятельности, неравномерного ритма производства и чрезмерной загруженности) – представляет собой чистый тейлоризм (Ohno 1988; Smil 2006).

Эти свойства делают электрификацию промышленности по-настоящему революционным сдвигом. В конечном итоге паровые машины, заменившие водяные мельницы, не изменили способ передачи механической энергии, с помощью которой выполняются различные производственные работы. Поэтому такая замена мало повлияла на общую фабричную производительность. Пространство под крышей фабрики осталось загроможденным главными валами, связанными с параллельными распределительными валами, передающими движение отдельным машинам с помощью ременных приводов (рис. 6.8). В случае перебоев в функционировании первичного движителя (низкий уровень воды, поломка машины) или повреждения трансмиссии (вала или привода) останавливалась вся работа. Подобный комплекс также характеризовался высокими потерями на трение и допускал лишь ограниченный контроль мощности на отдельных рабочих местах.

Рисунок 6.8. Внутреннее устройство токарной мастерской в Стотт-Парк-Боббин-Милл в Финстуэйте, графство Камбрия, показывает типичную подпотолочную трансмиссию, с помощью ремней передававшую мощность от большой паровой машины к отдельным станкам. Мастерская производила деревянные катушки, которые использовались в прядильной и ткацкой промышленности Ланкашира (Corbis)

Первые электрические моторы вращали более короткие валы для меньших групп машин. После 1900 года персональные приводы постепенно сделались нормой в производстве. Между 1899 и 1929 годами общая номинальная механическая мощность американской промышленности примерно учетверилась, а мощность индустриальных электромоторов выросла почти в 60 раз и достигла почти 82 % общей доступной мощности, по сравнению с менее чем 5 % в конце XIX века (USBC 1954; Schnurr et al. 1990). После этого доля электрической мощности изменялась мало: замещение паровых и приводимых в движение водой механизмов на моторы было практически завершено всего через три десятилетия после начала этого процесса в конце 1890-х годов. Этот эффективный и надежный источник энергии не только удалил постоянный грохот над головой и повышенную опасность несчастных случаев. Устранение древней трансмиссии освободило потолок для установки лучшего освещения и вентиляции, обеспечило возможность роста производственных площадей и гибкую организацию производства. Высокая эффективность электрических моторов в комбинации с точным, гибким, индивидуальным контролем мощности в лучшей рабочей среде привела к росту производительности труда.

Электрификация также открыла дорогу для множества специализированных отраслей. Первой стало производство ламп, динамо и проводки (после 1880 года), а также паровых и водяных турбин (после 1890-го). Котлы высокого давления на измельченном в порошок угле появились после 1920 года; создание огромных плотин, использующих большое количество железобетона, началось десятилетием позже. Широкое распространение приборов контроля за загрязнением воздуха началось после 1950 года, а первые атомные электростанции появились до 1960-го. Рост спроса на электричество также стимулировал геофизические исследования, добычу топлива и расширение транспортной сети. Немалый объем фундаментальных исследований в материаловедении, автоматизации и метрологии потребовался для того, чтобы получить лучшую сталь, другие металлы и сплавы, увеличить надежность и срок службы дорогих устройств для извлечения, транспортировки и конвертации энергии.

Доступность надежного и дешевого электричества преобразовала буквально каждый вид промышленной деятельности. Вне всяких сомнений, самое большое воздействие на производство оказало широкое распространение сборочных линий (Nye 2013). Классическая, ныне устаревшая, негибкая разновидность, использованная Фордом, базировалась на конвейере, изобретенном в 1913 году. Современная, гибкая японская разновидность полагается на доставку комплектующих «строго вовремя», и на рабочих, способных выполнять ряд различных задач. В системе, представленной на фабриках «Тойоты», скомбинированы элементы американской практики с новыми хитроумными подходами и оригинальными идеями (Fujimoto 1999). Производственная система «Тойоты» (kaizen) базируется на постоянном совершенствовании продукта и самоотверженном стремлении к лучшему контролю качества. И снова фундаментальная унификация всех этих действий минимизирует потери энергии.

Доступность недорогого электричества также способствовала появлению новых металлургических и электрохимических отраслей. Электричество обеспечило масштабную плавку алюминия электролизом глинозема (А1₂O₃), растворенного в электролите, обычно криолите (Na₃AlF₆). С 1930-х годов электричество незаменимо в синтезе все растущего набора различных пластмасс, а с недавнего времени – в освоении производства новых композитных материалов, в первую очередь углеродных волокон. Энергетические затраты на эти материалы примерно в три раза выше, чем на алюминий, но их первым полем приложения стало как раз вытеснение алюминиевых сплавов из авиастроения: новейший «Боинг-787» почти на 80 % состоит из композитов.

В то время как новые легкие материалы заменяют сталь в различных отраслях, производство самой стали тоже не стоит на месте. Используются дуговые плавильные печи, и новые, более легкие и прочные стали находят другие области применения, особенно в автостроении (Smil 2016). И перед тем как закончить этот перечень, который может затянуться на много страниц, я должен подчеркнуть, что без электричества невозможна крупномасштабная микрообработка деталей с достаточной точностью для таких сфер промышленности, как изготовление реактивных двигателей и медицинской диагностической аппаратуры. Ну и само собой, не появилось бы ни точного электронного контроля, ни вездесущих компьютеров, ни миллиардов телекоммуникационных устройств, которые сейчас используются по всему миру.

Хотя доля промышленности (в процентах занятого населения или ВВП) постоянно уменьшается в практически всех богатых странах – в 2015 году в США в производстве было занято чуть более 10 % работающих, и оно давало около 12 % ВВП США (USDOL 2015) – индустриализация продолжается, но ее конфигурация изменилась. Мощные потоки энергии и материалов по-прежнему лежат в ее основе; металлы остаются наиболее существенными промышленными материалами; железо, используемое сейчас обычно в виде стали, сохраняет ведущую роль среди металлов. В 2014 году производство стали было почти в 20 раз больше, чем производство четырех ведущих цветных металлов вместе: алюминия, меди, цинка и свинца (USGS 2015). Плавка железной руды в домнах, за которой следует плавка стали в основных кислородных конвертерах, и использование металлолома в дуговых печах доминируют в производстве стали. Значительный рост этого производства был бы невозможным без более крупных и эффективных домен (примечание 6.4, рис. 6.9).

Примечание 6.4. Увеличение объема домн и баланс массы и энергии в них

Немногие производственные структуры со средневековой родословной остаются столь же важными для функционирования современной цивилизации, как доменные печи. Как отмечено в главе 5, новый дизайн Белла в 1840 году увеличил в пять раз их внутренний объем, доведя его до 250 м³. К 1880 году крупнейшие домны превзошли 500 кубометров, достигли 1500 м³ к 1950-му, а к 2015 году рекорд внутреннего объема находился между 5500 и 6000 м³ (Smil 2016). В результате рост продуктивности привел к тому, что выход горячего металла поднялся с 50 т/сут. в 1840 году до более 400 т/сут. к 1900-му. Отметка в 1000 т/день была достигнута перед Второй мировой войной, а сегодняшние крупнейшие домны производят около 15 000 т/сут., с рекордным показателем для печи Pohang-4 компании POSCO (Южная Корея) 17 000 т/день.

Для функционирования больших домен требуются колоссальные потоки массы и энергии (Geerdes, Toxopeus and Van der Vliet 2009; Smil 2016). Для домны, производящей 10 000 тонн железа вдень, чтобы загружать сырьем прилегающий кислородный конвертер, потребуется 5,11 Мт руды, 2,92 Мт угля, 1,09 Мт флюсового сырья и около 0,5 Мт стального скрапа. Большой интегрированный сталелитейный завод, таким образом, каждый день потребляет около 10 Мт материалов. Современные домны производят горячий металл непрерывно 15–20 лет, а затем их отражательная кирпичная поверхность и горн из углеродистых блоков обновляют.

Выигрыш в продуктивности сопровождался снижением потребления кокса. В 1900 году типичные потребности в коксе составляли 1–1,5 тонн на одну тонну горячего металла, к 2010 году национальные показатели составили около 370 кг/т в Японии и менее 340 кг/т в Германии (Юпдеп 2013). Энергетические затраты при плавке железа на коксе упали с около 275 ГДж/т в 1750 году до около 55 ГДж/т в 1900-м, приблизились к 30 ГДж/т в 1950-м, а в 2010 году лежали между 12 и 15 ГДж/т.

Рисунок 6.9. Изменения конструкции доменных печей, 1830–2004 годы. Основные тенденции включают более широкую и высокую шахту, большие горны и более низкие и отвесные заплечики. Самые крупные домны производят сейчас больше 15 тысяч тонн горячего металла в день. Воспроизведено из Smil (2016)

Схожим образом технологии изготовления стали сделались более эффективными не только из-за снижения использования энергии, но также из-за роста продуктивности (Takamatsu et al. 2014). Первые конвертеры Бессемера превращали сначала менее 60 %, а позже – более 70 % железа в сталь. Мартеновская печь в конечном итоге превращала около 80 %, современные кислородные конвертеры, появившиеся в 1950-х годах, дают 95 %, а электродуговые печи – до 97 %. Последние потребляют сейчас менее 350 кВт/т стали, по сравнению с более 700 кВт/т в 1950 году; более того, этот выигрыш сопровождался снижением вредных выбросов: между 1960 и 2010 годами выбросы в США упали (на тонну горячего металла) на 50 % для CO₂ и на 98 % для пыли (Smil

2016). Энергетические затраты на производство стали уменьшились благодаря непрерывному литью горячего металла. Эта инновация устранила традиционное производство слитков, которые требовали нагревания перед дальнейшей обработкой.

Финальный рост продуктивности оказался достаточно значительным, чтобы она увеличилась на порядки даже в расчете на душу населения: в 1850 году, до начала современного производства стали, изготовлялось менее 100 тысяч тонн металла, ремесленным способом, всего 75 г на душу населения в год. В 1900-м годовой показатель был 30 Мт, среднее по миру значение 18 кг на душу населения; в 2000-м 850 Мт, 140 кг на душу населения; в 2015-м 1,65 Гт, около 225 кг/душу, грубо, в 12 раз больше, чем в 1900 году. Мои расчеты показывают, что в 2013 году всемирное производство железа и стали требовало приблизительно 35 ЭДж топлива и электричества, или менее 7 % от первичной выработки энергии, и это сделало отрасль самой энергоемкой в мире (Smil 2016), в сравнении с 23 % для всей прочей промышленности, 27 % для транспорта и 36 % для бытового и служебного пользования. Если бы интенсивность потребления энергии в секторе осталась той же, какой была в 1960-х годах, тогда индустрия потребляла бы как минимум 16 % мировой первичной выработки энергии в 2015-м. Это впечатляющий образец продолжающегося роста эффективности.

Самой важной инновацией в цветной металлургии оказалось развитие плавки алюминия. Элемент был выделен в 1824 году, но экономически оправданный процесс его крупномасштабного производства разработали только в 1866-м. Независимые изобретения Чарльза М. Холла в США и Поля Эру во Франции базировались на электролизе оксида алюминия. Минимальная энергия, которая требуется, чтобы отделить металл, в шесть с лишним раз превышает необходимую для плавки железа. По этой причине плавка алюминия эволюционировала очень медленно даже после начала массовой генерации электричества. На протяжении 1880-х годов электрические требования составляли более 50 000 кВт на тонну алюминия, последующее совершенствование процесса Холла-Эру снизило это значение на две трети к 1990 году (Smil 2014b).

Потребность в алюминии стала увеличиваться по мере прогресса авиации. Металлические корпуса заменили деревянные и сделанные из ткани в конце 1920-х годов, спрос резко вырос во время Второй мировой войны, когда понадобилось много истребителей и бомбардировщиков. После 1945 года алюминий и его сплавы использовались вместо стали в тех случаях, когда конструкция требовала сочетания легкости и прочности. Такое применение варьировалось от легкового автомобилестроения и саморазгружающихся вагонов до космических аппаратов, но последний рынок сейчас обслуживается также новыми легкими сталями. С 1950-х годов титан стал заменять алюминий там, где речь шла о высоких температурах, прежде всего в сверхзвуковой авиации. Производство титана по меньшей мере в три раза более энергоемко, чем алюминия (Smil 2014b).

Хотя фундаментальная важность массового производства металлов часто ускользает из поля зрения общества, озабоченного последними достижениями в телекоммуникациях, нет сомнений, что современное производство было трансформировано его продолжающимся слиянием с современной электроникой. Этот союз в значительной степени увеличил набор конструктивных опций, обеспечил беспрецедентный контроль точности и гибкость, изменил маркетинг, дистрибуцию и контроль эффективности. Сравнение на международном уровне показывает, что в США в 2005 году услуги, приобретенные производителями у сторонних фирм, составили 30 % от добавленной стоимости конечного товара, и показатели в ведущих экономиках ЕС сравнимы (23–29 %). В 2008 году связанная с услугами занятость составила большинство (53 %) в США, от 44 до 55 % в Германии, Франции, Великобритании, до 32 % в Японии (Levinson 2012). И хотя многие товары на вид не отличаются от своих предшественников, они на самом деле гибридны (примечание 6.5).

Примечание 6.5. Автомобили как мехатронные устройства

Нет лучшего примера объединения электронных и механических компонентов, чем современный легковой автомобиль. Oldsmobile Tornado, выпущенный «Дженерал Моторе» в 1977 году, был первой машиной, снабженной электронным блоком управления (ЭБУ), способным контролировать зажигание. Четырьмя годами позже «Дженерал Моторе» имела около 50 тысяч строк кода в программном обеспечении контроля двигателя, собранного на главном производстве (Madden 2015). Сейчас даже в дешевых автомобилях установлено до 50 ЭБУ, а некоторые машины класса «премиум» (включая «Мерседес-Бенц» S-класса) содержат до 100 соединенных в сеть ЭБУ, и поддерживающее их ПО имеет до 100 миллионов строк кода. И это по сравнению с 5,7 миллиона строк ПО, необходимых для функционирования F-35, ударного истребителя ВВС США, или 6,5 миллиона строк для «Боинга-787», самой последней версии коммерческого авиалайнера (Charette 2009).

Автомобильная электроника становится более сложной, но сравнение количества строк ведет к неверным выводам. Главная причина, почему ПО для автомобилей более объемное, состоит в том, что требуется обеспечивать большее количество опций и конфигураций, предлагаемых в роскошных моделях, включая информационно-развлекательный центр и систему навигации, которые не имеют ничего общего с автомобильным делом; также присутствует значительная доля повторно используемого, автоматически сгенерированного и излишнего кода. Электроника и ПО сейчас составляют до 40 % затрат на производство автомобилей класса «премиум»: машины превратились из чисто механических устройств в мехатронные гибриды, и каждое дополнение в области полезных контрольных функций – система слежения за разметкой, система автоматического торможения или продвинутый комплекс диагностики – расширяет требования к ПО и увеличивает цену машины. Тренд очевиден, но полностью автономные, самоуправляемые автомобили не появятся так быстро, как ожидают многие некритично настроенные обозреватели.

Автомобили – идеальный образец отрасли, в которой исследования, дизайн, маркетинг и обслуживание играют не менее важную роль, чем реальное производство товаров. Независимо от того, как изменилось использование воплощенной энергии (на автомобиль, компьютер или заводской узел): выросло (благодаря более энергоемким материалам, большей массе или лучшей выработке), осталось тем же самым или уменьшилось, – кроме объема выпуска стали очень важны внешний вид, заметность бренда и качество. Этот тренд имеет значительные импликации как для использования энергии в будущем, так и для структуры занятости, но мы пока не можем знать, каково будет его влияние (больше на эту тему – в главе 7).

Транспорт

Несколько атрибутов характеризуют все виды транспорта на ископаемом топливе и электрического транспорта. По контрасту с традиционными способами перевозки людей и товаров они много быстрее, иногда просто невероятно: каждый год десятки миллионов людей пересекают Атлантику за 6–8 часов, хотя столетием ранее на это уходило шесть дней (Hugill 1993), а половину тысячелетия назад задача была решена за пять недель. Транспорт стал несравнимо более надежным: даже лучшая упряжка с сильнейшими лошадьми встретилась бы с трудностями при попытке пересечь альпийские перевалы, ее ждали бы сломанные оси, изувеченные животные и ослепляющие шторма; сейчас сотни полетов совершаются над теми же горами, а поезда идут по туннелям. Что до цен, то перед Первой мировой войной пересечь Атлантику стоило в среднем 75$ (Dupont, Keeling and Weiss 2012), или около 1900$ в ценах 2015 года. Дорога туда-обратно обошлась бы почти в 4000$, и это по сравнению со средней (без скидок) ценой в 1000 долларов на перелет Лондон – Нью-Йорк.

Начало XIX века ознаменовалось важным прогрессом в общей мощности, в эффективности и в стационарном использовании природной кинетической энергии водяных и ветряных мельниц, но наземный транспорт, приводимый в движение теми же мускулами, очень мало изменился со времен древности. Тысячелетиями не было более быстрого способа путешествовать по земле, чем на спине хорошей лошади. Столетиями не было транспорта менее утомительного, чем экипаж на хорошей подвеске. К 1800 году некоторые дороги получили лучшее твердое покрытие, и многие экипажи обзавелись хорошими рессорами, но все это были различия в степени, но не в принципе. Железные дороги преобразили транспортную систему на протяжении всего лишь десятилетий. Благодаря им не только сжалось и изменило свою конфигурацию пространство, повысился и уровень комфорта для путешественников. Скорость миля в минуту (96 км/ч) была первый раз достигнута на краткое время рядовым английским поездом в 1847 году; этот год также отмечен величайшей активностью в постройке железных дорог в Великобритании, которая получила плотную сеть нового транспорта всего за два поколения (O’Brien 1983).

Крупномасштабная постройка железных дорог, по которым двинулись поезда, снабжаемые все более мощными паровыми машинами на угле, была завершена в Европе и Северной Америке менее чем за 20 лет: 1820-е годы стали десятилетием экспериментов; к 1890-м самые быстрые поезда проходили отрезки маршрута со скоростью более 100 км/час. Очень быстро после своего появления пассажирские вагоны, поначалу просто телеги на рельсах, обзавелись отоплением и удобствами. Пассажиры, способные заплатить больше, получали соответствующий комфорт, питание и спальные принадлежности. Быстрые и более удобные поезда возили не только путешественников и мигрантов в города, они привносили городской стиль жизни в сельскую местность. Туристическое агентство «Томас Кук» начало предлагать поездки выходного дня на поездах с 1841 года. Линии электричек обеспечили первую большую волну субурбанизации. Растущая емкость грузовых поездов позволила ускорить доставку ресурсов и готовых товаров.

Общая протяженность британских железных дорог вскоре была превзойдена американскими, которые начали сооружать в 1834 году в Филадельфии. К 1860 году в США было 48 тысяч километров путей, в три раза больше, чем в Соединенном Королевстве. К 1900 году разница увеличилась почти в 10 раз. Первая трансконтинентальная ветка была закончена в 1869 году, и к концу века построили еще четыре таких линии (Hubbard 1981). В России железнодорожный транспорт тоже развивался очень быстро: к 1860 году было менее 2000 км путей, но цифра выросла до более 30 тысяч к 1890-му и до почти 70 тысяч в 1913-м (Falcus 1972). Трансконтинентальную ветку через всю Сибирь до Владивостока начали строить в 1891 году, но полностью закончили только в 1917-м. Когда англичане ушли из Индии в 1947 году, они оставили после себя 54 тысяч километров железных дорог (и 69 тысяч на всем субконтиненте). Никакая другая материковая страна Азии не строила железные дороги в значительных объемах до Второй мировой войны.

После войны конкуренция со стороны автомобилей, автобусов и самолетов снизила сравнительную важность железных дорог в большинстве промышленных стран, но на протяжении второй половины XX века СССР, Бразилия, Ирак и Алжир были в числе стран, энергично строивших новые ветки, а Китай стал лидером в Азии, он добавил более 30 тысяч километров между 1950 и 1990 годами. Но самая успешная инновация послевоенного периода – быстрые электрифицированные поезда дальнего следования. Японские shinkasen, начавшие ходить в 1964 году между Токио и Осакой, достигали максимума скорости в 250 км/ч, а появившиеся позже nozomi достигли 300 км/ч (Smil 2014а; рис. 6.10).

Рисунок 6.10. Shinkasen серии N700у станции Киото в 2014-м, году, когда отмечали 50 лет бесперебойного функционирования японских скоростных поездов на линии Токайдо. Фотография Вацлава Смила

Французские trains a grand vitesse (TVG) начали ходить с 1983 года; быстрейший маршрут подразумевает скорость почти 280 км/ч. Похожие скоростные линии сейчас существуют в Испании (AVE), Италии (Frecciarossa) и Германии (Intercity), но Китай стал вотчиной новых рекордов в общей протяженности высокоскоростного железнодорожного транспорта: в 2014 году там было 16 тысяч километров подобных дорог (Xinhua 2015). И по контрасту единственный в Америке Acela (Бостон – Вашингтон, средняя скорость всего 100 км/ч) нельзя даже отнести к числу современных высокоскоростных поездов.

Если вести отсчет от появления первых практичных бензиновых двигателей в конце 1880-х годов, тогда вторая наземная транспортная революция, развитие сети дорог для машин с двигателями внутреннего сгорания, потребовала не меньше времени. В богатых странах Европы и Северной Америки ее развитие было дважды прервано мировыми войнами. Соединенные Штаты имели большое количество автомобилей в личном пользовании уже в конце 1920-х годов, но в Европе и Японии сравнимые показатели были достигнуты только в 1960-х, а в Китае эра массового использования автомобилей началась в 2000 году. Благодаря огромному населению и большим инвестициям в новые фабрики и торговлю легковыми машинами Китай превысил показатели США в 2010 году. К этому времени на весь мир приходилось около 870 миллионов легковых машин и более миллиарда других автомобилей (рис. 6.11).

Рисунок 6.11. Общее количество автотранспорта в мире выросло с 10 000 в 1900 году до более чем миллиарда в 2010-м (слева). По числу регистраций новых машин Европа обошла США в конце 1980-х годов, но Америка все еще может похвастаться наибольшим количеством автомобилей на душу населения, около 1,25 человека на машину в 2010-м (справа! Основано на данных из ежегодных отчетов Ассоциации производителей автотранспорта и World Bank (2015b)

Экономические, социальные и экологические изменения, которые повлекло за собой появление автомобиля, относятся к числу наиболее глубоких трансформаций нового времени (Ling 1990; Womack, Jones and Roos 1991; Eckermann 2001; Maxton and Wormald 2004). В разных странах (первыми стали США в середине 1920-х годов) автомобилестроение постепенно становилось ведущей отраслью промышленности в терминах стоимости продукции. Автомобили также стали одной из главных статей международной торговли. Их экспорт из Германии (после 1960 года) и даже больший из Японии (после 1970-го) позволил этим двум экономикам процветать десятилетиями. Большие сегменты других отраслей – в первую очередь производство стали, резины, стекла, пластика, нефтепереработка – зависят от автомобилестроения. Строительство скоростных шоссе невозможно без участия государства, и подразумевает огромные капитальные инвестиции. Автобаны Гитлера 1930-х предшествовали системе автострад между штатами Эйзенхауэра (начало положено в 1956 году, общая протяженность сейчас свыше 77 тысяч километров), и последнюю превзошла китайская Система национальных автодорог, достигшая 112 тысяч километров в 2015 году.

Определенно самым очевидным процессом, начавшимся благодаря автомобилям, стала всемирная реорганизация городов вокруг разрастающихся дорог и парковочных площадок. Там, где позволяло пространство, произошел быстрый рост субурбанизации (а в Северной Америке также эксурбанизации), изменилось размещение и формы служб торговли и сервиса. Социальные воздействия оказались еще более впечатляющими: владение автомобилем стало важной частью жизни среднего класса, и некоторые удачные конструкции, запустившие этот тренд, прожили удивительно долгую жизнь. Первым был «Модель Т» Форда, цена которого упала до 265$ в 1923 году, и чье производство продолжалось 19 лет (McCalley 1994). Другие известные модели – «Остин 7», «Моррис Майнор», «Ситроен 2CV», «Рено 4CV», «Фиат Тополино», и самый популярный, появившийся в рамках политики Гитлера «Фольксваген» Фердинанда Порше (примечание 6.6).

Примечание 6.6. «Фольксваген» и другие долгоживущие модели

В терминах общего количества произведенных машин и долговечности (посредством новых модификаций) никакой автомобиль, разработанный для широкого спроса, не подходит и близко к тому, что Адольф Гитлер назвал «народным автомобилем» (Nelson 1998; Patton 2004). Осенью 1933 года он объявил характеристики машины – предел скорости в 100 км/ч, расход 7 л/км, возможность перевозить двух взрослых и трех детей, воздушное охлаждение и цена ниже 1000 рейхсмарок. Фердинанд Порше (1875–1951) сумел изготовить такой автомобиль, пусть не особенно красивый, прозванный «жуком», к 1938 году. Из-за войны производство остановилось, и серийная сборка «Фольксвагена» началась только в 1945 году под наблюдением британской армии, а точнее – майора Айвана Хирста (1916–2000), сумевшего сохранить поврежденный завод (Volkswagen AG 2013).

В первые годы западногерманского Wirtschaftswunder[15] (до того, как «Мерседес», «Ауди» и «БМВ» стали пользоваться массовым спросом), «жуки» заполонили немецкие дороги. В 1960-х «Фольксваген» стал наиболее популярным импортным автомобилем в США, и только позже его вытеснили «Хонды» и «Тойоты». Производство оригинального «жука» прекратилось в Германии в 1977 году, но продолжалось в Бразилии до 1996-го и в Мексике до 2003 года; последний автомобиль, выпущенный заводом в Пуэбла, имел номер 21529464. «Новый Жук», получивший новый дизайн от Дж. Мейса и двигатель спереди, производился между 1997 и 2011 годами; с 2012 модельного года имя самой последней конструкции (А5) превратилось в «Фольксваген Битл[16]».

«Рено 4CV», втайне сконструированный во время Второй мировой войны, стал французским конкурентом «жука»; более миллиона машин было выпущено между 1945 и 1961 годами. Самым же известным французским автомобилем стал «Ситроен 2СV», изготовлявшийся между 1940 и 1990 годами: deux cheveaux обозначает просто количество цилиндров; мощность двигателя на самом деле была 29 л. с. (Siuru 1989). «Маленькая мышь», как прозвали «Фиат Тополино», двуместный автомобиль с колесной базой всего 2 метра, изготавливался между 1936 и 1955 годами, и британский «Морис Майнор» – между 1948 и 1971 годами. Все эти модели были вытеснены японскими: после сравнительно малого экспорта в 1960-х и 1970-х они стали лидерами продаж по всему миру в 1980-х.

Свобода личного передвижения оказала громадное воздействие на мобильность населения. Обнаружилось, что переезжать с места на место не только просто, но и приятно. Аналогия автомобиля как механического боевого коня (Boulding 1974), а водителя как рыцаря, наделенного мобильностью аристократа, который с презрением смотрит на пешеходов-простолюдинов (и для него немыслимо к ним присоединиться), все же несколько преувеличена. В 2010 году приходилось только 1,25 человека на единицу автотранспорта (включая автобусы и грузовики) в США, и показатель составил 1,7 в Германии и в Японии (World Bank 2015b). Широко распространенная зависимость от такой мобильности превратилась в трудно преодолеваемую привычку: после индуцированного рецессией спада 2009–2011 годов продажи автомобилей в США достигли нового рекордного уровня в 16,5 миллиона единиц в 2015-м.

Мы зашли очень далеко, чтобы сохранить привилегию пользования автомобилем (в Северной Америке все еще проще, поскольку более 90 % машин продаются в кредит), и нет ничего удивительного в том, что китайцы и индийцы хотят повторить североамериканский опыт. Но подобно любой зависимости, эта тоже обходится дорого. В 2015 году на дорогах мира находилось 1,25 миллиарда автомобилей, а продажи новых легковых машин достигли цифры в 73 миллиона (Bank of Nova Scotia 2015). В то же время дорожные происшествия приводят к 1,3 миллиона смертей ежегодно, 50 миллионов человек получают ранения, а загрязнение воздуха выхлопными газами стало главной причиной распространенного по миру феномена сезонного (или полупостоянного) фотохимического смога в мегаполисах (USEPA 2004). Продолжительность жизни среднего автомобиля варьируется сейчас от почти 11 лет в богатых странах до более 15 в бедных. Сталь, медь и некоторая доля резины большей частью возвращаются в производство, но за все это мы платим смертями, ранами и загрязнением окружающей среды.

Перевозка товаров грузовиками тоже имела много глубоких социоэкономических последствий. Ее массовое распространение началось в 1920-х годах в сельской Америке, она снизила затраты и ускорила передвижение фермерских продуктов на рынок. Этот способ вскоре стали применять в Европе и Японии, а в последние два десятилетия также во многих странах Латинской Америки и Азии. В богатых государствах тяжелые дальнобойные грузовики стали основой доставки продуктов питания, ключевым элементом в дистрибуции деталей и промышленных товаров, и их использование упростилось благодаря универсальным контейнерам, которые можно с помощью кранов перегружать прямо с океанских кораблей на платформы грузовиков. Во многих быстро растущих экономиках грузовики сделали ненужными железные дороги (Бразилия – лучший пример) и открыли отдаленные регионы для торговли и развития, но и для разрушения окружающей среды тоже. Автобусы в бедных странах стали главным средством дальнего транспорта.

Рисунок 6.12. Увеличение размера судов, соединявших Европу и Северную Америку (слева), и повышение мощности двигателей постепенно уменьшили время на пересечение Атлантики от более двух недель до приблизительно трех дней (справа). Основано на данных из Fry (1896), Croil (1898) и Stop ford (2009)

Первые пароходы пересекали Северную Атлантику не быстрее, чем лучшие парусники той же эпохи, если последним благоприятствовал ветер. Но уже в конце 1840-х годов превосходство пара было очевидным, и время пути сократилось до 10 дней (рис. 6.12). К 1890 году путешествия менее чем в шесть дней стали нормой, как и стальные корпуса кораблей. Сталь ликвидировала ограничения по размеру: структурные соображения лимитировали длину деревянного корпуса 100 м. Большие корабли таких знаменитых линий как «Кунард», «Коллинз» или «Гамбург-

Америка» стали гордыми символами технической эпохи. Они были снабжены мощными двигателями и двойными винтами, каюты на них поражали роскошью, а сервис превосходил отельный.

Рисунок 6.13. Первые регулярные коммерческие перелеты (Havillcmd D. Н. 16 в 1919 году) осуществлялись со средней скоростью 150 км/ч, а максимальная дальность составляла около 600 км (слева). К концу 1950-х «Боинг-707» имел крейсерскую скорость около 1000 км/ч, а в конце 1990-х годов «Боинг-777» мог пролететь без посадки 15 000 км (справа). «Конкорд», летавший в два раза быстрее скорости звука, был затратным исключением, а вовсе не предшественником нового поколения лайнеров. Основано на данных из Taylor (1989) и Gunston (2002), а также по техническим спецификациям на сайте «Боинг»

Богатство этих больших лайнеров контрастировало с вонью и толчеей, царившими в третьем классе. К 1890-му пароходы привозили более полумиллиона пассажиров в год только в Нью-Йорк. К концу 1920-х общий траффик через Северную Атлантику превосходил один миллион пассажиров в год, и вскоре после этого лайнеры достигли максимального тоннажа (рис. 6.12). Но к 1957 году самолеты перевозили больше людей через океан, чем корабли, а появление дальних реактивных лайнеров в том же году определило судьбу океанских пассажирских перевозок: десятилетием позже регулярные трансатлантические рейсы прекратились. Торговые пароходы пережили ранний расцвет после открытия Суэцкого канала в 1869 году и после появления эффективных рефрижераторов в 1880-х. Позже их использование было простимулировано открытием Панамского канала (1914) и появлением мощных дизельных двигателей (после 1920 года), а также возникновением рынка сырой нефти. С 1950-х большие специализированные корабли требовались, чтобы перевозить не только нефть, но и громоздкие твердые грузы (руду, древесину, зерно, химикалии) и все большее количество автомобилей, станков и потребительских товаров.

Регулярный международный воздушный транспорт начался с ежедневных перелетов Лондон – Париж в 1919 году, когда скорости были менее 200 км/ч, и развился до трансокеанских рейсов перед Второй мировой войной: Clipper компании PanAm долетел до Гонконга из Сан-Франциско за шесть дней в марте 1939 года (рис. 6.13). Эра массовых воздушных путешествий наступила с появлением реактивных самолетов в конце 1950-х (британский Comet начал летать в 1952-м, закончил в 1954-м после трех катастроф). «Боинг-707» совершил первый полет в 1957 году, в регулярном использовании находится с октября 1958-го. За ним вскоре последовал «Боинг-727» средней дальности (в эксплуатации с февраля 1964-го, производился до 1984 года), и рассчитанный на краткие и средние дистанции «Боинг-737». Этот самый маленький из реактивных лайнеров «Боинг» стал наиболее популярным продуктом корпорации: к середине 2015 года поставлено более 8600 штук (по сравнению с 9200 для всех моделей Airbus). На протяжении 50-х и 60-х годов «Макдоннелл Дуглас» (DC-9, трехмоторный DC-10), General Dynamics (Convair), «Локхид» (Tristar) и Sud Aviation (Caravelle) представили собственные реактивные самолеты, но (если не учитывать российских) к концу века осталось только два производителя: американский «Боинг» и европейский Airbus (примечание 6.7).

Примечание 6.7. «Боинг» и Airbus

«Боинг» – старая американская компания, была основана Уильямом Э. Боингом (1881–1956) в 1916 году. Именно ей принадлежат такие классические конструкции, как «Боинг 314 Клипер» и «307 Стратолайнер» (оба 1938 года), «Боинг-707» (первый успешный реактивный самолет, 1957 год), и «Боинг-747», первый широкофюзеляжный лайнер, созданный в 1969 году (Boeing 2015). Последней инновацией компании стал «Боинг-787», в котором более легкие и прочные углеродные волокна составляют 80 % корпуса, что увеличивает эффективность использования топлива на 20 % по сравнению с «Боингом-767» (Boeing 2015). Компания Airbus была создана в декабре 1970 года при участии французов и немцев, позже к консорциуму присоединились испанские и британские компании. Первый реактивный самолет с двумя двигателями, «Аэробус А300» (226 пассажиров) был выпущен в октябре 1972 года, и за ним последовали самые разнообразные модели, от предназначенных для коротких рейсов А319, 320 и 321 до дальнего широкофюзеляжного А340. В 2000 году Airbus первый раз превзошел «Боинг» по количеству проданных самолетов. Величайшей инновацией компании стал А380, двухпалубный широкофюзеляжный самолет, летающий с 2007 года, имеющий емкость в 853 пассажира одного класса, но до сих пор выпускаемый только в трехклассной конфигурации для 525 человек (сравним с 416 в трехклассной и 524 в двуклассной конфигурации «Боинга-747»).

Эти компании постоянно очень тесно конкурировали друг с другом, например, между 2001 и 2015 годами «Боинг» поставил 6803 самолета, a Airbus произвел 6133 реактивных машины. Обе компании имеют значительный предзаказ на много лет вперед, чтобы обеспечить растущий спрос, особенно в Азии. Обе компании заключили множество кооперативных соглашений с разработчиками двигателей и самолетов, а также с поставщиками компонентов в Европе, Северной Америке и Азии, и обе сталкиваются с растущей конкуренцией снизу. Канадская компания Bombardier и бразильская Embraer понемногу увеличивают размеры производимых самолетов: канадский CRJ-900 имеет 86 сидений, бразильский ЕМВ-195 берет до 122 пассажиров. Обе эти компании, как и российский «Сухой», китайский СОМАС[17] и японский «Мицубиси» в данный момент пытаются войти на рынок узкофюзеляжных лайнеров, сейчас обслуживаемый «Боингом-737» и «Аэробусом А319/320».

Скорость и дальность этих самолетов, расширение сети авиасообщения, почти универсальное сращение систем резервирования обеспечили возможность путешествия между практически всеми основными городами планеты за один день (рис. 6.13). К 2000 году максимальная дальность широкофюзеляжных авиалайнеров достигла 15 800 км, и в 2015-м самый длинный регулярный перелет (Даллас – Сидней и Йоханнесбург – Атланта) продолжался почти 17 часов, а многие крупные города сейчас соединены частыми челночными рейсами (в 2015 году было почти 300 дневных рейсов между Рио-де-Жанейро и Сан-Паоло, почти 200 между Нью-Йорком и Чикаго). Более того, затраты на перелеты постоянно уменьшались в реальном выражении, частично за счет более низкого потребления топлива. Эти достижения открыли перспективы для бизнеса и породили массовый дальний туризм как в большие города, так и на пляжи тропиков и субтропиков. Новые возможности также появились у мигрантов и беженцев, у торговцев наркотиками и у международных террористов, которые в том числе угоняют самолеты.

Информация и коммуникация

С любой точки зрения, общества, живущие за счет ископаемого топлива, производят, запасают, распределяют и используют несравнимо большее количество информации, чем их предшественники. В Восточной Азии и в Европе ранней современности печать обрела коммерческое значение за столетия до того, как начали добывать ископаемое топливо, но ручной набор был трудоемким, и объемы издаваемых текстов ограничивались производительностью медленных печатных машин. Железные рамы ускорили работу. Но даже продвинутая версия машины Гуттенберга не могла давать больше 240 оттисков в час (Johnson 1947). Однако уже первый пресс на паровой тяге – разработан Фридрихом Кёнигом и Андреасом Фридрихом Бауэром и продан Times в 1824 году – делал 1100 оттисков в час. К 1827 году эта цифра поднялась до 5000, и первые ротационные печатные машины 1840-х выдавали 8000 оттисков в час; двумя десятилетиями позже нормой было 25 тысяч в час (Kaufer and Carley 1993).

Массовое издание дешевых газет стало ежедневной реальностью, новости начали путешествовать быстрее благодаря телеграфу (коммерческое использование с 1838 года), а через два поколения и телефону (1876). До конца XIX века появились две новых информационно-коммуникационных технологии: звукозапись и воспроизведение, а также кино. За исключением книгопечатания, все эти технологии родились в век высокой энергии, базирующейся на ископаемом топливе. Кроме фотографии и первых фонографов, все они не могли существовать без электричества. И опять же, за исключением книгопечатания, которое сейчас в упадке, поскольку электронные форматы чтения потеснили его, все остальные продолжают развиваться, искать новые способы получения, сохранения, записи, воспроизведения и разделения информации в современном мире.

Недорогая, надежная и в самом деле глобальная телекоммуникация стала возможна только с появлением электричества. В первое столетие его развития доминировали сообщения, передаваемые по проводам. Десятилетия экспериментов в различных странах закончились появлением первого практичного телеграфа: его продемонстрировали Уильям Кук и Чарльз Уитстоун в 1837 году (Bowers 2001). Его успех зависел от надежного источника электричества, который появился в виде батареи Алессандро Вольта, разработанной в 1800 году. Принятие системы кодирования Сэмюэла Морзе в 1838-м и быстрое расширение наземных линий связи в комплексе с железными дорогами стало одним из первых важных достижений. Строительство подводных линий (через Ла-Манш в 1851 году, через Атлантику в 1866-м) и изобилие технических инноваций (включая некоторые ранние изобретения Эдисона) способствовали тому, что телеграф приобрел глобальное значение всего за два поколения. К 1900 году мультиплексная проводка с автоматическим кодированием передавала миллионы слов в день. Послания варьировались от личных до дипломатических, включали колебания цен на фондовом рынке и деловые распоряжения.

Телефон, запатентованный Александром Грэхемом Беллом в 1876 году всего на несколько часов раньше, чем альтернативную заявку подал Элиша Грей (Hounshell 1981), распространился еще быстрее телеграфа в местном и региональном масштабе. Надежная и дешевая связь на больших дистанциях развивалась очень неспешно. Первая трансатлантическая линия была проложена только в 1915 году, а телефонный кабель под океаном появился в 1956-м. Радиотелефонные линии, доступные с конца 1920-х, не были ни дешевыми, ни надежными. Крупные телефонные монополии обеспечивали хороший сервис, но не стремились к инновациям: классический черный телефон с диском появился в конце 1920-х и оставался единственным вариантом четыре десятилетия: первый кнопочный аппарат был принят в США только в 1963 году.

Технологии хранения, воспроизводства и передачи звука и изображения развивались одновременно с прогрессом в телефонии. Фонограф Томаса Эдисона 1877 года был простой ручной машиной, как и более сложный граммофон Эмиля Берлинера (1851–1929), появившийся в 1888 году (Gronowand Saunio 1999). Электрические проигрыватели разработали только в 1920-х. Технология создания изображений развивалась достаточно медленно, начиная с работ французов Ж. Н. Ньепса и Л. Ж. М. Дагерра на протяжении 1820-х и 1830-х годов. (Newhall 1982; Rosenblum 1997). Первая недорогая камера «Кодак» появилась в 1888 году, развитие ускорилось после 1890-го с прорывом в кинематографе: первые короткометражки братьев Люмьер увидели свет в 1895 году. Звуковое кино появилось в 1920-х (первым игровым полнометражным фильмом стал The Jazz Singer в 1927 году), первый полнометражный цветной фильм (после многих лет цветных короткометражек) вышел в 1935-м, а изобретение ксерографии Честером Карлсоном (1906–1968) произошло двумя годами позже (Owen 2004).

Поиск способов беспроводной передачи информации начался с опытов Генриха Герца (1857–1894), который сгенерировал электромагнитные волны в 1887 году, а предсказала их существование теория электромагнитного излучения Джеймса Максвелла (1831–1879) (Maxwell 1865; рис. 6.14). Дальнейший прогресс в области практического применения был быстрым. В 1899 году Гильермо Маркони (1874–1937) передал сигналы через Ла-Манш, а двумя годами позже – через Атлантику (Hong 2001). В 1897 году Фердинанд Браун (1850–1918) изобрел катодно-лучевую трубку, устройство, благодаря которому появились телекамеры и телеприемники. В 1906 году Ли де Форест (1873–1961) создал первый триод, ставший незаменимым для радиовещания, дальней телефонной связи и для компьютеров до появления транзистора.

Регулярные радиопередачи начались в 1920 году, Би-Би-Си предложила первую программу телепередач в 1936-м, а американская RCA последовала за ней в 1939 году (Huurdeman 2003). Механические калькуляторы – начиная с конструкций Чарльза Бэббиджа и Эдварда Шойца после 1820 года (Lindgren 1990; Swade 1991) и заканчивая продукцией IBM в 1911-м – наконец ушли в прошлое с появлением первых электронных компьютеров во время Второй мировой войны. Но эти машины – британский Mark, американские Harvard Mark 1 и ENIAK были уникальными, сложными и массивными (размером с комнату, чтобы уместились тысячи стеклянных вакуумных трубок) устройствами, не имевшими очевидного коммерческого потенциала.

Эта впечатляющая взаимосвязь значительно улучшенных и совершенно новых коммуникативно-информационных технологий и служб оказалась затушевана прогрессом, начавшимся после Второй мировой войны. Его основанием стал рост твердотельной электроники, который начался с изобретением транзистора, миниатюрного твердотельного полупроводника, эквивалента вакуумной трубки, способной усиливать и переключать электронные сигналы. Юлий Эдгар Лилиенфельд запатентовал свой транзистор в Канаде в 1925-м, и годом позже в США (Lilienfeld 1930); в бумагах на патент был четко очерчен способ контроля и усиления тока между двумя точками электроцепи. Однако Лилиенфельд не попытался сам создать это устройство, и практический успех пришелся на долю исследователей из Bell Lab, Уолтера Браттейна и Джона Бардина; 16 декабря 1947 года они использовали в своих опытах кристалл германия (Bardeen and Brattain 1950). Но, как признает сейчас сайт Bell System Memorial: «Совершенно очевидно, что Bell Labs не изобретала транзистор, он был переизобретен», хотя при этом вовсе не замечает значительной доли пионерских исследований и конструкторских достижений, случившихся в первом десятилетии двадцатого века (Bell System Memorial 2011). В любом случае, не грубое точечно-контактное устройство Браттейна и Бардина, а более практичный вариант биполярного транзистора, запатентованный в 1951 году Уильямом Шокли (1910–1989) оказал революционное влияние на компьютерную отрасль. В тот же год Гордон К. Тил и Эрнест Билер преуспели в создании более крупных кристаллов кремния и улучшении методов вытягивания кристаллов и внесения присадок в кремний (Shokley 1964; Smil 2006).

Рисунок 6.14. Портрет Джеймса Клерка Максвелла. Гравюра, основанная на фотографии Фергюса (Corbis). Сформулированная Максвеллом теория электромагнетизма открыла путь для освоения так и не раскрытых до конца возможностей современной беспроводной электроники. Мгновенные коммуникации и глобальное информационное пространство, весь электронный мир двадцать первого века стоит на озарениях Максвелла

Очень важный теоретический шаг был сделан в 1948 году, когда Клод Шеннон открыл способ количественной оценки энергетических затрат при коммуникации (Shannon 1948). Несмотря на впечатляющий прогресс, достигнутый за предшествующие годы (рост на три порядка в плотности информационного потока по единственному проводу, ныне толщиной в человеческий волос), теоретический лимит Шэннона показывал, что эффективность можно поднять еще на несколько порядков. Но после Второй мировой войны не случилось немедленного прорыва в области ЭВМ, и созданный компанией Remington Rand первый UNIVAC (Universal Automatic Computer, выросший из ENIAC «Eckert-Mauchly») был продан Бюро переписи населения США только в 1951 году.

Скорость работы новых вычислительных машин начала расти по экспоненте только после того, как транзистор вытеснил вакуумные трубки. Использование компьютеров в бизнесе началось в США в конце 1950-х, когда Fairchild Semiconductor, Texas Instruments (они вывели на рынок первый кремниевый транзистор в 1954 году) и IBM были самыми успешными разработчиками материальной и программной частей (Ceruzzi 2003; Lecuyer and Brock 2010). В 1958–1959 годах Джек С. Килби (1923–2005) из Texas Instruments и Роберт Нойс (1927–1990) из Fairchild Semiconductor независимо друг от друга изобрели микросхему, интегрированную в тело полупроводникового материала (Noyce 1961; Kilby 1964). Планарный транзистор Нойса открыл новую эпоху твердотельной электроники (примечание 6.8).

Примечание 6.8. Изобретение интегральных микросхем

В свою бытность директором по исследованиям в Fairchild Semiconductor (Санта-Клара, Калифорния) Роберт Нойс записал в рабочем блокноте, что было бы желательно разместить многочисленные устройства на одном куске кремния, чтобы получить возможность объединить взаимодействия между устройствами в единой процесс и тем самым уменьшить размер, вес и в конечном итоге цену активного элемента (Reid 2001, 13). Заявка на патент, поданная Нойсом в 1959 году, описывала «полупроводниковую схему со средствами изоляции», иными словами, планарный транзистор. Его особые «чашеобразные соединения простирались до поверхности тела примесного полупроводника, изолирующий слой состоял в сущности из оксида того же самого полупроводника, закрывающего соединения, а концевые выводы в форме содержащих вакуум или другим образом сформированных металлических полосок выходили за пределы изоляции и прилегали к слою изолирующего оксида для создания электрических соединений с и между различными областями тела проводника без укорачивания соединений» (Noyce 1961,1).

Патент Нойса (US 2981877) был выдан в апреле 1961 года, патент Килби (US 3138743) – только в июле 1964-го, а судебные разбирательства продолжались до 1971 года, когда Верховный суд вынес решение в пользу Нойса. Победа оказалась несущественной, поскольку летом 1966-го две компании согласились разделить производственные лицензии и потребовать от других производителей заключить сепаратные соглашения с каждой из них. В принципе идеи Килби и Нойса были идентичными, но Нойс умер от сердечного приступа в 1990-м, а Килби прожил достаточно долго, чтобы разделить Нобелевскую премию 2000 года «за участие в изобретении интегральной микросхемы».

Вооруженные силы США стали первыми пользователями интегральных микросхем. В 1965 году, когда количество транзисторов на микрочипе увеличилось до 64 с 32 в предыдущий год, Гордон Мур предсказал, что это удвоение будет продолжаться (Moore 1965), и это правило, ныне известное как закон Мура, работает до нашего времени (рис. 6.15). Первым в мире коммерческим продуктом под контролем микропроцессоров был программируемый калькулятор, разработанный Busicom, маленькой японской компанией; набор из четырех чипов был создан только что основанной фирмой «Интел» в 1969-70 годах (Augarten 1984). Busicom продал лишь несколько больших калькуляторов на чипе MCS-4 и обанкротился в 1974 году. К счастью, «Интел» заранее выкупил права на процессор и сумел выпустить первый в мире универсальный микропроцессор Intel 4004 размером 3 на 4 мм, содержавший 2250 металл-оксидных полупроводниковых транзисторов и стоивший 200$ (ноябрь 1971 года). Он выполнял 60 тысяч операций в секунду и был функциональным эквивалентом ENIAC размером с комнату из 1945 года (Intel 2015).

Рисунок 6.15. Закон Мура в действии. Первый появившийся на рынке микрочип (Intel 4004) содержал 2250 металл-оксидных полупроводниковых транзисторов, в последних устройствах содержится более двух миллиардов компонентов, что показывает рост на шесть порядков (в миллион раз). Основано на данных из Smil (2006) и Intel (2015)

Универсальное применение все более и более мощных микропроцессоров в сочетании с все более емкими устройствами памяти оказало воздействие на все сектора современного производства, транспорта, сферы услуг и коммуникации. Впечатляющий рост возможностей сопровождался постоянно падающими затратами и растущей надежностью (Williams 1997; Ceruzzi 2003; Smil 2013с; Intel 2015). Микрочипы стали наиболее широко распространенными комплексными артефактами современной цивилизации. Больше 200 миллиардов производится каждый год, и найти их можно в чем угодно, от повседневно используемых домашних предметов (термостаты, печи, духовки, любой электронный гаджет) до автоматизированных средств производства, в том числе и тех, которые сами делают микропроцессоры. Они управляют временем воспламенения топлива в двигателях автомобилей, оптимизируют работу турбин реактивного самолета, ведут ракеты, которые выносят спутники на заданную орбиту.

Но наиболее персонализированное влияние микропроцессоры оказали посредством массового распространения переносных электронных устройств, в первую очередь – сотовых телефонов. Этому шагу предшествовал прогресс персональных компьютеров, удивительно медленное развитие Интернета и период сравнительно неспешного распространения мобильных телефонов. Xerox Palo Alto Research Center (PARC) изобрел персональные компьютеры в 1970-х годах, скомбинировав вычислительную мощность микрочипов с мышью, графическим пользовательским интерфейсом, иконками, выпадающими меню, лазерной печатью, редактированием текстов, проверкой орфографии и доступом к принтерам и файлам на сервере по принципу «наведи и щелкни» (Smil 2006; рис. 6.16). Без этих достижений Стивен Возняк и Стивен Джобс не смогли бы создать первую коммерчески успешную модель компьютера Apple II с цветной графикой (1977 год) (Moritz 1984). IBM выпустила свою машину в 1981-м, и количество собственников ПК в США выросло с двух миллионов в 1983 году до почти 54 миллионов в 1990-м (Stross 1996). Более легкие переносные машины, ноутбуки и планшеты, появились в конце 1990-х, a iPad от Apple – в 2010-м.

Коммуникация с помощью компьютеров была впервые предложена в 1962 году Джозефом Ликлайдером, первым директором Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Началась же она на практике в 1969-м в рамках ARPANET, каковая сеть сводилась всего к четырем сайтам: Стэнд-фордского исследовательского института, университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и университета Юты. В 1972 году Рэй Томлинсон из BBN Technologies разработал программу для отправки сообщений на другие компьютеры и выбрал символ @ в качестве локализующего для адресов электронной почты (Tomlinson 2002). В 1982 году ARPANET конвертировала протокол, который сделал возможной коммуникацию через систему сетей, и к 1989 году, когда закончилось его действие, он содержал более 100 тысяч хостов. Годом позже Тим Бернерс-Ли создал основанный на гипертексте World Wide Web в женевском ЦЕРН, чтобы упорядочить обмен научной информацией онлайн (Abbate 1999). Ранняя версия Web не была простой для навигации, но положение быстро улучшилось с появлением эффективных браузеров, первым из которых стал Netscape в 1993 году.

Рисунок 6.16. Утилитарно, но революционно: настольный компьютер PARC, выпущенный в 1973 году. Был первым практически полным воплощением всех базовых характеристик более поздних персональных компьютеров (фотография из Wikimedia)

Первым важным электронным достижением в телефонии стала возможность недорогих межконтинентальных звонков, появившаяся благодаря автоматическому вызову через геостационарные спутники. Эта инновация стала результатом комбинации прогресса в микроэлектронике и появления мощных ракетных двигателей в 1960-х годах, и по мере того, как затраты падали, звонки становились дешевле. Но радикальное изменение в телефонии пришло только с мобильными телефонами: впервые они были продемонстрированы в 1973 году, дорогой сервис с использованием громоздкой модели «Моторолы» стал доступен в США в 1983-м, но количество пользователей начало быстро расти (Япония и ЕС обошли тут США) только в конце 1990-х годов. Глобальные продажи сотовых превзошли 100 миллионов штук в 1997-м, и в этот же год «Эриксон» представил первый смартфон.

Продажи достигли отметки в миллиард к 2009 году, и к концу 2015-го около 7,9 миллиарда устройств находилось в использовании, а общие годовые поставки мобильных гаджетов, включая планшеты, ноутбуки и нетбуки, увеличились до почти 2,2 миллиарда единиц, среди них 1,88 миллиарда сотовых телефонов (Gartner 2015; mobiForge 2015). Это впечатляющее и быстрое изменение системы коммуникации, развлечений и контроля информации, а также необходимого для нее ПО потребовало значительного количества энергии, воплощенного в высокоэнергоемких электронных устройствах, и на сто процентов зависело (и зависит) от постоянного, очень надежного поступления электричества в соответствующие инфраструктуры, от центров обработки данных до вышек сотовой связи (примечание 6.9).

Примечание 6.9. Энергия, воплощенная в мобильных телефонах и автомобилях

Даже компактная легковая машина весит в 10 тысяч раз больше, чем смартфон (1,4 т против 140 г), и поэтому в ней воплощено гораздо больше энергии. Но различие в воплощенной энергии намного меньше, чем расхождение в массе, и сводный подсчет позволяет сделать сравнение. В мобильном телефоне воплощено около 1 ГДж энергии, в то время как на производство типичного легкового автомобиля требуется около 100 ГДж, всего в сто раз больше. В 2015 году продажи сотовых по всему миру приблизились к 2 миллиардам единиц, и следовательно, на их производство ушло около 2 ЭДж (эквивалент около 48 миллионов метрических тонн сырой нефти). Около 72 миллионов автомобилей были проданы по миру в 2015 году, в их производство было вложено, грубо, 7,2 ЭДж, то есть всего почти в четыре раза больше, чем на производство мобильных.

Мобильные телефоны имеют очень краткий срок жизни, в среднем два года, и их производство сейчас воплощает глобально около 1 ЭДж на средний год использования. Легковые автомобили могут служить десятилетиями, их производство воплощает глобально около 0,72 ЭДж на средний год использования – на 30 % меньше, чем изготовление сотовых! Что означает, даже если в этом приближении агрегатные показатели отклоняются в противоположных направлениях (в реальности автомобили воплощают больше, а мобильные – меньше энергии), то общие показатели будут не только одного порядка, но и не так уж далеки друг от друга. Операционные энергетические затраты, конечно, различаются очень сильно. Смартфон потребляет в год всего 4 КВт электричества, менее 30 МДж за два годы службы, то есть 3 % от воплощенных энергетических затрат. По контрасту, небольшому автомобилю за время жизни потребуется в 4–5 раз больше энергии (в виде бензина или дизеля), чем воплощено в нем самом. Но издержки на электрификацию мировых сетей информации и коммуникации растут: они потребили почти 5 % мировой генерации электричества в 2012 году и могут достигнуть 10 % к 2020-му (Lannoo 2013).

Специального упоминания заслуживает колоссальный прогресс, достигнутый с 1960-х годов в области диагностических, измеряющих технологий и средств дистанционного зондирования. Этот прогресс принес невообразимое ранее количество информации. Рентгеновские лучи, открытые В. Рентгеном (1845–1923) в 1895 году, оставались единственным способом бесконтактной диагностики с 1900-го. К 2015 году спектр методов расширился невероятно, от ультразвуковых устройств (используемых как в медицине, так и в инженерном деле) до технологий создания изображений высокой четкости (МРТ, компьютерная томография), от радара (разработанного накануне Второй мировой войны и ныне ставшего незаменимым инструментом в области транспорта и предсказания погоды) до большого набора размещаемых на спутниках сенсоров, получающих данные в различных участках электромагнитного спектра и позволяющих куда лучше предсказывать погоду и управлять природными ресурсами.

Экономический рост

Разговор об энергии и экономике не более чем тавтология: любой вид экономической активности в основе своей не более чем превращение того или иного вида энергии, а деньги – лишь удобный (и часто нерепрезентативный) заменитель, позволяющий оценить потоки энергии. Ничего удивительного, что Фредерик Содди, обладатель Нобелевской премии по физике, взглянувший на вопрос со своей точки зрения, заявил, что «поток энергии должен быть главным предметом экономики» (Soddy 1933, 56). Но поток энергии – плохое средство измерения интеллектуальной активности: образование определенно воплощает немалое количество энергии в собственной инфраструктуре и работниках, однако отличные идеи (которые ни в коей степени не связаны с интенсивностью обучения) не требуют значительного роста в скорости метаболизма мозга.

Этот очевидный факт объясняет многое в недавнем отделении роста ВВП от общих энергетических потребностей: мы приписываем большую денежную ценность нефизическим областям деятельности, которые сейчас составляют значительную долю в экономике. В любом случае, энергии уделялось крайне мало внимания в современных экономических исследованиях; только экономисты-экологи рассматривали ее как важный компонент (Ayres, Ayres and Warr 2003; Stern 2010). Общественное беспокойство по поводу энергии и экономики было диспропорционально сфокусировано на ценах в целом, и в особенности на ценах на сырую нефть, самый важный товар в мировой торговле на данный момент.

На Западе два повышения цен на нефть, предпринятых ОПЕК в 1970-х годах, – оба стали источником избытка потребления на Ближнем Востоке и угрозы для региональной стабильности – сделались объектом критики, их назвали первопричиной экономических неурядиц и социального хаоса. Но повышение цен ОПЕК имело оздоровительное (и весьма запоздалое) влияние с точки зрения эффективности, с которой страны, импортировавшие нефть ОПЕК, потребляли очищенное топливо. В 1973 году, после четырех десятилетий медленного ухудшения, среднее потребление топлива новыми американскими автомобилями превысило уровень начала 1930-х, 17,7 л/100 км против 14,8 л/100 км, или, в американской терминологии, 13,4 миль на галлон против 16 миль на галлон (Smil 2006) – удивительный пример, когда современный вид конверсии энергии становится менее эффективным.

Повышение цен на нефть изменило тенденцию, и между 1973 и 1987 годами среднее потребление топлива новыми автомобилями на североамериканском рынке снизилось вдвое по мере того, как стандарт CAFE (Corporate Automobile Fuel Efficiency) уменьшился до 8,6 л/100 км (27,5 мили на галлон). К сожалению, падение цен на нефть после 1985 года остановило, а затем и вовсе повернуло в обратную сторону (с распространением пикапов и внедорожников) прогресс в эффективности, и возвращение к рациональности произошло только в 2005 году. Повышение цен ОПЕК имело благоприятный эффект для мировой экономики, поскольку снизило средний показатель интенсивности использования нефти (количество нефти на единицу ВВП). Электростанции прекратили сжигать жидкое топливо; производители железа заменили топливную нефть в домнах на порошковый уголь; реактивные двигатели стали более эффективными; многие промышленные процессы перешли на природный газ. Результаты оказались достаточно впечатляющими. К 1985 году экономика США потребляла на 37 % нефти меньше, чтобы произвести доллар ВВП, чем в 1970-м; к 2000 году интенсивность использования нефти снизилась на 53 %, и к 2014-му требовалось на 62 % сырой нефти меньше, чтобы создать доллар ВВП, чем в 1970 году (Smil 2015с).

Любопытный, но обычно не замечаемый факт: западные правительства получают больше денег с нефти, чем ОПЕК. В 2014 году налоги в странах Большой семерки составляли порядка 47 % от цены литра нефти, и это по сравнению с 39 %, которые приходились на долю производителя; национальные доли в разных странах были соответственно 60/30 в Великобритании, 52/34 в Германии и 15/61 в США (ОРЕС 2015). Более того, чтобы обеспечить стабильные поставки, многие правительства (в том числе в странах с рыночной экономикой) активно участвуют в регуляции отрасли, а правительства в странах, производящих нефть, покупают политическую поддержку, субсидируя цены на энергию (GSI 2015). Субсидии в Саудовской Аравии составили более 20 % от всех затрат правительства в 2010 году, угольные субсидии Китая привели к тому, что цены зафиксировались на уровне ниже производственных издержек.

Рост – его истоки, уровень и продолжительность – остается ведущей проблемой современных экономических исследований (Kuznets 1971; Rostow 1971; Barro 1997; Galor 2005), и поэтому связь между потреблением энергии и ростом валовых экономических показателей (либо внутреннего валового продукта, ВВП, для отдельных экономик, либо валового мирового продукта, ВМП, для изучения глобальных тенденций) привлекла большое внимание (Stern 2004, 2010: World Economic Forum 2012; Ayres 2014). Традиционные экономики доиндустриальной эпохи были либо в основном неизменными, либо росли на несколько процентов за десятилетие, среднее потребление энергии на душу населения увеличивалось еще медленнее: имеется достаточно свидетельств из первых десятилетий XIX века, показывающих, что условия жизни многих бедных групп населения не особенно отличались от того, что наблюдалось два, три или даже четыре столетия ранее.

По контрасту, экономики на ископаемом топливе показывают беспрецедентные уровни роста, хотя на них влияет циклическая природа экономической экспансии (van Duijn 1983; ECRI2015), и часто рост прерывается значительными внутренними или внешними конфликтами. Индустриализированные общества XIX века видели экономический рост на 20–60 % за десятилетие. Например, продуктивность британской экономики в 1900 году была почти в десять раз выше, чем в 1800-м. ВВП США удвоился за двадцать лет между 1880 и 1900 годами, японское производство за эру Мейдзи (1868–1912) увеличилось в 2,5 раза. Экономический рост в первую половину XX века оказался под воздействием двух мировых войн и большого экономического кризиса 1930-х, но никогда в истории не было периода столь быстрого и широко распространенного роста производительности и процветания, как между 1950 и 1973 годами.

Постоянное падение цен на сырую нефть до 1970-х годов было важнейшим компонентом этого беспрецедентного процесса. ВВП на душу населения в США, и так самый высокий в мире, вырос на 60 %. В Западной Германии он более чем утроился, в Японии увеличился больше чем в шесть раз. Ряд бедных, густонаселенных стран Азии и Латинской Америки также вошли в фазу энергичного экономического роста. Первый раунд повышения цен на нефть в ОПЕК (1973–1974) временно приостановил этот рост. Второй раунд повышения цен, в 1979 году, был вызван низвержением монархии в Иране и приходом к власти режима аятолл. Глобальное замедление роста в начале 1980-х сопровождалось рекордной инфляцией и уровнем безработицы, но на протяжении 1990-х годов стабилизация цен на нефть обеспечила другой период роста, и он закончился только в 2008-м, когда наступила худшая в период после Второй мировой войны рецессия, за которой последовало слабое восстановление.

Исследователи (Ayres, Ayres and Warr 2003) определили уменьшение цены полезной работы как двигатель роста экономики США на протяжении XX века, при этом полезная работа является продуктом энергии (максимальная работа, возможная при идеальном процессе конверсии энергии) и эффективности конверсии. Как только появилась возможность получать надежные данные об экономической производительности (где значения ВВП выражаются в постоянных, учитывающих инфляцию денежных единицах, и где национальные значения ВВП рассчитываются в терминах сравнительной покупательной способности, а не исходя из официальных курсов обмена валют), очевидным сделалась очень жесткая корреляция между экономическим ростом и использованием энергии как на глобальном, так и на национальном уровне. Между 1900 и 2000 годами использование всей первичной энергии (после вычитания потерь при переработке и нетопливного использования ископаемого топлива) выросло почти в восемь раз, с 44 до 382 ЭДж, а ВМП вырос более чем в 18 раз, с около 2 триллионов долларов до около 37 триллионов долларов в ценах 1990 года (Smil 2010а, Maddison Project 2013), откуда выводится эластичность менее 0,5. Высокий уровень корреляции между двумя переменными можно найти где и когда угодно, но степень эластичности отличается: на протяжении XX века ВВП Японии вырос в 52 раза, а использование энергии – в 50 (эластичность близка к 1), в то время как показатели для США составили соответственно 10 и 25 раз (эластичность меньше 0,4), а для Китая – 13 и 20 (эластичность в 0,6).

Ожидаемая связь между двумя переменными в дальнейшем подтвердилась благодаря очень высокой корреляции (более 0,9) между средними показателями ВВП на душу населения и поступлением энергии, когда в рассмотрение были включены все страны мира. Это очевидно одна из необычайно высоких корреляций в обычно неконтролируемой реальности социально-экономических процессов, но эффект в значительной степени ослабеет, если мы оценим более гомогенные группы стран: чтобы стать богатым, необходимо значительно увеличить использование энергии, но сравнительный рост потребления энергии в процветающих сообществах, измеренный в ВВП на единицу или на душу населения, варьируется широко, обеспечивая очень низкую корреляцию.

Например, Италия и Южная Корея имеют очень похожий показатель ВВП на душу населения, в 2014 году он составил около 35 тысяч долларов, но потребление энергии на человека в Южной Корее почти на 90 % выше, чем в Италии. И наоборот, Германия и Япония характеризуются почти одинаковым уровнем годового потребления энергии, около 170 ГДж/на душу населения, но в 2014 году ВВП Германии был почти на 25 % выше (IMF 2015; USEIA 2015d). Подъем в абсолютном потреблении энергии, сопровождаемый более высокой экономической производительностью, скрывает заметное сравнительное снижение. Высокодоходные, высокоэнергетичные зрелые экономики характеризуются значительно более низкой энергоемкостью (энергия на единицу ВВП), по сравнению с той, что была у них на более ранних стадиях развития (примечание 6.10, рис. 6.17).

Примечание 6.10. Падение энергоемкости экономического роста

Историческая статистика показала постоянное падение энергоемкости в Британии, после чего последовал быстрый рост, вызванный введением в оборот паровых двигателей и железных дорог между 1830 и 1850 годами (Humphrey and Stanislaw 1979). Показатели энергоемкости в Канаде и США повторили британские с лагом в 60–70 лет. Показатели в США достигли пика перед 1920 годом, максимум в Китае был достигнут к концу 1970-х, энергоемкость в Индии начала снижаться только в XXI веке (Smil 2003). Между 1955 и 1973 годами энергоемкость в США не менялась (колебания плюс-минус 2 %), в то время как реальный

ВВП вырос в 2,5 раза, но затем она возобновила падение, и к 2010 году в США показатель был на 45 % ниже уровня 1980-го.

По контрасту, энергоемкость в Японии росла до 1970-х, но между 1980 и 2010 годами она упала на 25 % (USEOA 2015d). В Китае падение было особенно заметным, почти 75 % между 1980 и 2013 годами (China Energy Group 2014), что отражает в первую очередь исключительно низкую экономическую эффективность Китая в первые годы постмаоистской эпохи, до начала модернизации в 1980-х. С другой стороны, в Индии, все еще находящейся на ранней стадии экономического развития, наблюдалось падение всего на 7 % между 1980 и 2010 годами. Такое уменьшение происходит при комбинации нескольких факторов: падение важности энергоемких капитальных вложений, которые были характерны для ранних стадий экономического развития, когда происходило развитие базовой инфраструктуры; увеличение эффективности конверсии энергии при сгорании топлива и использовании электричества; рост доли сектора услуг (торговля, образование, финансы), где на единицу произведенного ВВП требуется куда меньше энергии, чем для добывающей и другой промышленности.

Значительные различия в энергоемкости от страны к стране (с похожими экономиками) также объясняются сочетанием использования первичной энергии (кто-то должен производить энергоемкие металлы), эффективности финальных преобразований энергии (гидроэлектричество всегда превосходит уголь), климата и размера территории (Smil 2003). Если принять США за 100, то сравнительные показатели в 2011 году были около 60 для Японии и Германии, 70-в Швеции, 150-в Канаде, 340 в Китае. Падение энергоемкости после 1950-х годов (Kaufmann 1992) в развитых странах по большей части связано с изменением типа используемых энергий и вида доминирующих товаров и услуг, а вовсе не с техническим прогрессом.

Наиболее важный урок, который мы можем извлечь, глядя на долговременные тенденции использования энергии на душу населения и на экономический рост, состоит в том, что значительный уровень последнего может быть достигнут при все более низком уровне первого. В США прирост населения влечет за собой продолжающийся рост в абсолютном потреблении топлива и электричества, но средние показатели на душу населения в области первичной энергии не повышаются (с небольшими флюктуациями) три десятилетия, с середины 1980-х годов, в то время как реальный ВВП (в ценах 2009 года) на душу населения вырос почти на 57 %, с 32 218 долларов в 1985 году до 50 456 в 2014-м (FRED 2015). Схожим образом, во Франции и в Японии (где население в настоящий момент уменьшается) первичное использование энергии на душу населения стабилизировалось в середине 1990-х, а за последующие два десятилетия средний ВВП на душу вырос соответственно на 20 и 10 %.

Но эти данные следует интерпретировать с осторожностью, поскольку периоды сравнительного расхождения ВВП и энергетических показателей совпадают со значительным выводом энергоемкой тяжелой промышленности из США, Европы и Японии в материковую Азию в целом и в Китай в особенности. Будет преждевременным делать вывод, что недавний опыт этих трех экономик может предвещать, что подобная тенденция распространится на весь мир. И большей частью по причине невероятного роста потребления энергии в Китае до 2015 года (почти в 4,5 раза с 1990-го), глобальное производство первичной энергии выросло почти на 60 % и обеспечило рост ВМП в 2,8 раз за 25 лет после 1990 года (эластичность 0,56). Более того, падение электроемкости было куда более медленным, чем падение общей энергоемкости. Между 1990 и 2015 годами глобальное падение составило всего 20 % (по сравнению с более чем 40 % для всей энергии), в США – те же 20 %, но быстро модернизирующийся Китай не видел никакого падения между 1990 и 2015 годами.

Рисунок 6.17. Падение энергоемкости ВВП было универсальной чертой экономик, входящих в стадию зрелости. Базируется на данных из Smil 2003 и U5EIA 2015d

Энергоемкость в области первичной энергии (и электричества) глобального экономического роста уменьшилась, но благодаря размеру мировой экономики и продолжающемуся росту населения в Азии и Африке в ближайшие десятилетия будет повторен, хотя и в измененном виде, опыт прошлого, по мере того как большие объемы топлива и производства энергии потребуются, чтобы обеспечить экономический рост в модернизирующихся странах. Очевидно, что и начало, и поддержание уверенного экономического роста являются предметом сложных, взаимосвязанных вложений. Требуются технологические усовершенствования и соответствующие институциональные перемены, особенно важны они в законодательной и финансовой областях. Целенаправленная политика правительства, хорошая система образования и высокий уровень конкурентоспособности также очень важны. Но если бедные сегодня страны перейдут в область начального процветания (повторяя экономическую траекторию Китая после 1990 года), тогда никакие из этих факторов не создадут различий без подъема потребления топлива и электричества: разъединений показателей экономического роста и потребления энергии на ранних стадиях современного экономического развития стало бы отрицанием законов термодинамики.

Негативные последствия высокого уровня использования энергии современными обществами варьируются от очевидных физических проявлений до постепенных изменений, которые заметны только после многих поколений. К первой категории относятся громадные потери пищи в развитых странах, беспрецедентный рост числа страдающих от лишнего веса (индекс массы тела между 25 и 30) и ожирения (индекс массы тела больше 30). Тенденция увеличения массы тела усиливается все более низкими затратами энергии, распространением сидячего образа жизни благодаря массовому замещению мускулов машинами и повсеместному использованию автомобилей даже для перемещения на малые расстояния. К 2012 году 69 % населения США страдало от лишнего веса или ожирения, по сравнению с 33 % в 1950-х (CDC 2015), и все это результат переедания и снижения физической активности.

США вряд ли единственная страна, где растет число людей с ожирением и лишним весом (в Саудовской Аравии рост даже выше, а наиболее высокие показатели в данный момент относятся к детям в Китае), но тренд не глобален (пока?): население многих стран Европы и почти всех стран Африки к югу от Сахары имеет приемлемую массу тела. В любом случае, мое намерение не состоит в том, чтобы сконцентрироваться только на негативных последствиях интенсивного использования энергии. Каждое из пяти фундаментальных глобальных последствий современного использования энергии, которое я оценю, принесло множество благоприятных изменений наряду с эффектами, чье беспокоящее воздействие можно видеть на всех уровнях, от локального до глобального.

Продолжающаяся урбанизация – с 2007 года более половины человечества живет в городах – стала главным источником инноваций. Она привела к улучшению физического качества жизни и дает невероятные возможности в области образования и культуры, но в то же время урбанизация является причиной высокого уровня загрязнения воздуха и воды, сверхконцентрации людей, и создает ужасающие условия жизни для самых бедных слоев городского населения. Высокоэнергетичные общества могут похвастаться куда более высокими стандартами жизни, чем были у их традиционных предшественников, и подобный успех привел к возникновению ожиданий, что прогресс будет идти дальше. Но из-за экономического неравенства выигрыш оказался распределен неравномерно (иногда очень сильно); более того, нет гарантий, что дальнейшее развитие, требующее затраты дефицитных ресурсов, будет продолжаться по мере старения населения.

Цены на энергию, торговля топливом и электричеством и надежность поставок энергии стали важными политическими факторами как в импортирующих, так и в экспортирующих энергию странах; в особенности периоды высоких и низких цен на нефть значимо влияют на экономики, сильно зависящие от экспорта углеводородов. Выросшая разрушительная сила оружия, риск ядерного конфликта и его на самом деле глобальные экологические и экономические последствия сопровождались широким признанием бессмысленности термоядерной войны и постепенным снижением вероятности такого конфликта. Масштабное сжигание ископаемого топлива создало многочисленные факторы, негативно влияющие на окружающую среду, и на первом месте тут стоит глобальное потепление, хотя у нас есть эффективные варианты действий, чтобы ослабить эту угрозу.

Урбанизация

Города, особенно большие, имеют долгую историю (Mumford 1961; Chandler 1987). Рим I столетия н. э. был домом для более чем полумиллиона человек. Багдад времен Гаруна аль-Рашида, в начале IX века имел население 700 тысяч, современный ему Чанъань (столица Китая времен династии Тан) – 800 тысяч. Тысячелетием позже Пекин, ставший новой столицей, перешел цифру в миллион; в 1800 году существовало около 50 городов с населением более 100 тысяч. Но даже в Европе в 1800 году не более 10 % людей жили в городах. Последующий быстрый рост как населения самых крупных городов мира, так и общей доли городских обитателей был бы невозможен без ископаемого топлива. Традиционные общества могли поддерживать лишь очень небольшое количество крупных городов, поскольку энергия поступала от полей и лесов, площадь которых была как минимум в 50, а обычно в 100 раз больше, чем площадь самого поселения (примечание 6.11).

Примечание 6.11. Плотность мощности поставки и использования энергии в традиционном обществе

Приняв среднее поступление пищи на человека за 9 МДж/день, которое обеспечивается, как это обычно было в доиндустриальных обществах, почти полностью (90 %) за счет растительной пищи, и типичный урожай зерновых за 750 кг/га, мы можем рассчитать, что традиционный город в 500 тысяч человек нуждался в 150 тысячах гектаров обработанной земли. В более холодном климате годовые потребности в топливе (дерево и древесный уголь) составляли около 2 тонны на душу населения. Если оно поставлялось благодаря надежному базису в виде лесов с годовым приростом древесины в 10 т/га, то около 100 тысяч гектаров требовалось, чтобы обеспечить город. Плотно населенный город занимал всего 2500 гектаров и должен был полагаться на площадь примерно в 100 раз больше, чтобы получать достаточно пищи и топлива.

В терминах средней плотности мощности этот пример подразумевает около 25 Вт/м² общего потребления энергии и 0,25 Вт/м² для поставки энергии. Актуальный же разброс показателей плотности мощности был на самом деле очень большим. В зависимости от поступления продуктов питания, принятых способов отопления и приготовления пищи, энергетических потребностей в области ремесленного производства и эффективности сжигания топлива общее потребление энергии в доиндустриальных городах находилось между 5 и 30 Вт/м². Надежное производство топлива в ближайших лесах и угодьях приносило примерно между 0,1 и 1 Вт/м². Вследствие этого города должны были полагаться на засаженные и лесные территории в 50-150 раз большие, чем они сами. Отсутствие мощных и недорогих первичных движителей лимитировало объем поставок пищи и топлива из отдаленных регионов и порождало давление на растительные ресурсы в окрестностях города (Smil 2015b).

Современные города используют топливо с более высокой эффективностью, но значительная концентрация жилых зданий, производства и транспорта подняла плотность мощности в них до 15 Вт/м² в разбросанных поселениях в теплом климате, а в индустриальных городах в более холодном климате до 150 Вт/м². Однако как уголь, так и нефть, поставляемые для обеспечения этих потребностей, добываются с плотностью мощности, которая варьируется обычно между 1000 и 10 000 Вт/м² (Smil 2015b). Это значит, что индустриальный город должен полагаться на угольный разрез или нефтяное месторождение, чей размер составляет не более чем одну седьмую, а иногда менее одной тысячной от застроенной территории, и на новые, мощные первичные движители, перевозящие топливо от мест добычи к городам-потребителям. Если традиционные города жили благодаря концентрации разбросанных потоков энергии, которые приходилось собирать на большой территории, то современные города обеспечивают распространение ископаемых энергий, добытых централизовано на сравнительно малом пространстве.

Что касается пищи, то современный город в 500 тысяч, потребляющий в день 11 МДж/на душу населения (примерно одна треть поступает от животных источников пищи, требующих, в среднем, в четыре раза больше энергии в виде корма), нуждается только примерно в 70 тысяч гектаров для выращивания злаков, даже если их урожайность составит всего 4 т/га – это менее половины значения для традиционных городов. Ископаемое топливо и электричество обеспечивают перевозки пищи в больших объемах на большие расстояния. И только электричество и жидкое транспортное топливо сделали возможной подкачку питьевой воды, удаление жидких и твердых отходов, и смогли удовлетворить транспортные и коммуникационные потребности мегаполисов (города с населением более 10 миллионов человек). Все современные города возникли благодаря потокам ископаемой энергии, подвергшимся конверсии с высокой плотностью мощности, но у мегаполисов особенно большие потребности: недавний обзор (Kennedy and co-workers 2015) показал, что в 2011 году 27 мегаполисов (где обитает почти 7 % населения мира) потребляли 9 % всего электричества и 10 % всего бензина в мире.

Рост городов, питающихся ископаемым топливом (сначала только углем) был быстрым. В 1800 году только один из десяти крупнейших городов мира, Лондон (второй в десятке), находился в стране, чьи энергетические потребности обеспечивались в основном углем. Столетием позже девять из десяти находились в этой категории: Лондон, Нью-Йорк, Париж, Берлин, Чикаго, Вена, Санкт-Петербург, Филадельфия и Манчестер, в то время как Токио был столицей страны, где растительное топливо все еще давало около половины всей первичной энергии (Smil 2010а). Доля городского населения в мире в 1900 году составляла всего около 15 %, но показатель был куда выше для трех крупнейших производителей угля. Это более 70 % в Великобритании, до 50 % в Германии и 40 % в США. Последующая урбанизация привела к значительному увеличению числа очень больших городов. К 2015 году почти 550 городских агломераций превысили отметку в миллион жителей, и это по сравнению с тринадцатью в 1900 году и только двумя, Пекином и Большим Лондоном, в 1800-м (City Population 2015).

Ископаемое топливо также стимулировало движущие силы миграции: рост городов был обусловлен повышением механизации сельского хозяйства и развитием индустриализации. Конечно, урбанизация и индустриализация не являются синонимами, но эти процессы тесно связаны многими взаимно усиливающими друг друга обстоятельствами. В первую очередь следует отметить, что технический прогресс в Европе и Северной Америке имеет в значительной степени городское происхождение, и города по-прежнему являются источниками инноваций (Bairoch 1988; Wolfe and Bramwell 2008). Был сделан вывод (Bettencourt and West 2010), что по мере того, как население города удваивается, экономическая продуктивность увеличивается в среднем на 130 %, причем и общая, и на душу населения. В другом исследовании (Pan and co-workers 2013) этот результат приписали большей частью «сверхлинейному масштабированию», иными словами, рост плотности городского населения дает жителям больше возможностей для личного взаимодействия.

Масштабный сдвиг занятости в сторону сферы услуг был характерен для развития городов после Второй мировой войны. К 2015 году все эти трансформации привели к тому, что городское население превысило 75 % от совокупного не только в странах Запада, но и в Бразилии и Мексике (соответственно 90 % и 80 %). Во многих африканских и азиатских странах доля городского населения составляет меньше 50 %, в Индии – 35 %, в Нигерии – 47 %, но в Китае цифра превысила 55 %. Сравнительно низким показателем Китай обязан в значительной степени десятилетиям жестко контролируемой миграции при маоистском режиме; быстрая урбанизация в стране началась только в 1990-х годах. Экономические, экологические и социальные последствия столь масштабного перемещения людей находятся среди наиболее живо изучаемых феноменов современной истории. Отчаяние, лишения, грязь и болезни, общие для быстро растущих городов XIX века, широко отражены в литературе. Тексты варьируются от просто описательных (Кау 1832) до негодующих (Engels 1845), от записей парламентских слушаний до романов-бестселлеров (Dickens 1854; Gaskell 1855).

Схожие обстоятельства – если исключить опасность самых заразных болезней, ныне побежденных благодаря прививкам – можно видеть сегодня во многих городах Азии, Африки и Латинской Америки. Но люди все так же стремятся в эти самые города. Сейчас, как и ранее, они часто покидают условия еще более худшие, и этот факт обычно упускали и упускают из виду все, кто пишет о негативных сторонах урбанизации. Сейчас, как и ранее, нужно взвесить отчаянное состояние городской окружающей среды – эстетический кошмар, загрязнение воздуха и воды, шум, толпы, условия жизни в трущобах – и часто ничуть не менее неприятное состояние среды в сельской местности.

Обычные проблемы включают высокую концентрацию загрязняющих веществ в воздухе жилищ (особенно высокую в случае взвешенных частиц) от сжигания растительного топлива, неадекватное отопление в холодном климате, ненадежное обеспечение водой, плохие условия персональной гигиены, обветшавшие, перенаселенные жилища, минимальные возможности или их отсутствие в области нормального образования для детей. Более того, тягостный труд в поле редко кажется предпочтительным, даже если сравнивать его с неквалифицированной работой в промышленности. В среднем типичные заводские задачи требуют меньших затрат энергии, чем работа на ферме, и за удивительно короткий срок после начала массовой городской индустриализации продолжительность рабочего дня на фабриках стала жестко регулироваться.

Позже возникла тенденция к прогрессивному росту зарплат, появились такие преимущества, как страховая медицина и пенсионное обеспечение. Вместе с лучшими возможностями в сфере образования эти изменения привели к значительному росту средних стандартов жизни. Следом появился немаленький по объему городской средний класс, примерно одинаковый во всех большей частью либеральных экономиках. Привлекательность подобного великого, хотя и несколько потускневшего к настоящему моменту достижения западной цивилизации почувствовали люди по всему индустриализирующемуся миру. И, без всяких сомнений, оно оказалось важным фактором в падении коммунистических режимов, которые не смогли обеспечить схожие преимущества. И совершенно очевидно, какие именно последствия имела урбанизация для потребления энергии. Жизнь в городе требует значительного роста потребления энергии на душу населения даже в отсутствие тяжелой промышленности или крупных портов: для поддержания жизни человека, переехавшего в один из новых мегаполисов Азии, нужно на порядок больше энергии в виде ископаемого топлива и электричества, чем для того, кто остался в деревне.

Качество жизни

Растущее потребление энергии оказывало обычно постепенное (но в некоторых случаях, например в Китае 1990-х годов, откровенно внезапное) и большей частью желаемое воздействие на среднее качество жизни – термин несколько более широкий, чем стандарты жизни, поскольку он включает такие важные качественные переменные как образование и личная свобода. На протяжении десятилетий быстрого роста после Второй мировой войны многие бедные страны передвигались в среднюю категорию в потреблении энергии по мере того, как жители этих стран улучшали общее качество жизни (хотя часто ценой сопутствующей деградации окружающей среды), но распределение глобального использования энергии оставалось крайне искаженным. В 1950 году только около 250 миллионов человек, или одна десятая мирового населения, живущая в наиболее процветающих странах мира, потребляла более 2 тонн нефтяного эквивалента (84 ГДж) в год на душу населения, то есть на них замыкалось 60 % мировой первичной энергии (исключая традиционное растительное топливо). К 2000 году эта категория населения составила почти четверть человечества, и на нее уходит почти три четверти всего ископаемого топлива и электричества. По контрасту, самая бедная четверть населения Земли использует менее чем 5 % всех коммерческих энергий (рис. 6.18).

Рисунок 6.18. Кибера, один из крупнейших районов трущоб в Найроби (Corbis). Использование современной энергии на душу населения в Кении в среднем составляет около 20 ГДж/г., но обитатели трущоб в Африке и Азии потребляют всего 5 ГДж/г., или менее чем 2 % от среднего по США

К 2015 году благодаря быстрому экономическому росту Китая доля мирового населения, потребляющего более 2 тонн нефтяного эквивалента, поднялась до 40 % – величайший уравнивающий шаг в истории. Эти цифры выглядят ошеломляющими, но они не отражают реальных различий в среднем качестве жизни, поскольку бедные страны посвящают много меньшую долю общего потребления энергии домашним хозяйствам и транспортным потребностям, а также трансформируют энергию с меньшей эффективностью. Таким образом, реальная разница в типичном прямом использовании энергии на душу населения среди самых богатых и беднейших слоев человечества скорее в 40 раз больше, чем «всего лишь» в 20. Подобное колоссальное неравенство является одной из главных причин хронического разрыва в экономических достижениях и в общем уровне жизни. Ну а они, в свою очередь, являются базовым источником сохраняющейся глобальной политической нестабильности.

Страны, которые перешли в среднюю категорию по потреблению энергии, проходили через схожие стадии прогресса, но с сильно различающейся скоростью: что потребовало для первичной индустриализации Западной Европы двух или даже трех поколений, то в Южной Корее и в Китае случилось за одно поколение сжатого развития (преимущество тех, кто решительно стартует позже). На ранних стадиях экономического роста преимущества еще и значительно ограничены по той причине, что электричество и топливо используются большей частью для построения промышленной базы. Медленный рост их потребления в секторе домашних хозяйств, появление товаров широкого потребления и улучшение базового рациона питания стали первыми признаками улучшений, которые начались в больших городах и постепенно распространились на сельскую местность.

Среди первых статей выгоды – большее разнообразие и лучшее качество базовой кухонной утвари, тарелок и столовых приборов; лучший выбор одежды и разнообразие ее цветов; лучшая обувь; лучшая индивидуальная гигиена (возможность чаще мыться и стирать одежду); приобретение дополнительных предметов мебели; приобретение маленьких подарков для специальных целей; картины (начиная с дешевых репродукций) на стенах. В Северной Америке и Европе начала XX века постепенно растущий набор электрических бытовых приборов в домашнем хозяйстве стал следующей фазой формирования среднего класса. В настоящее время цена на новые электрические (кондиционеры, микроволновые печи, телевизоры) и электронные приборы и устройства (в первую очередь мобильные телефоны) настолько низкая, что во многих странах Азии и Африки семьи приобретают их даже раньше, чем получают в собственность другие дополнительные предметы домашнего обихода.

На следующей стадии можно видеть дальнейшее улучшение в разнообразии и качестве продуктов питания, прогресс в здравоохранении и распространение всех этих преимуществ на сельскую местность. Уровень образования городского населения растет, появляются все более многочисленные символы начального преуспевания, в их числе – собственные автомашины, новые дома и путешествия в другие страны для людей с высоким уровнем дохода. И снова, некоторые из этих преимуществ были недавно соединены или инвертированы, особенно в Азии. В конечном итоге наступает стадия массового потребления, включающая высокий уровень физического комфорта и нередко выставление богатства напоказ. Более длинный период обучения, высокая персональная мобильность, растущие затраты на развлечения и заботу о здоровье – тоже признаки таких перемен.

Корреляция этих последствий со средним потреблением энергии на душу населения совершенно очевидна, но то, что обычно сравнивают – среднее потребление на человека, рассчитанное агрегированием поставок первичной энергии страны и делением этой величины на численность населения – не является наилучшим показателем. Среднее потребление общей первичной энергии на душу населения не говорит нам ничего ни о расщеплении потребления (военные могут потреблять диспропорционально большое количество, как это было в СССР и как происходит сейчас в Северной Корее и Пакистане), ни о типичной (или средней) эффективности конверсии энергии (более высокой и, следовательно, позволяющей доставить больше энергии к месту использования на единицу валовой энергии, например, в Японии, чем в Индии). Лучшие выводы можно сделать из сравнения средних значений потребления энергии жителями, но и этот показатель не идеален: топливо и электричество, потребляемые домашними хозяйствами, принимаются в расчет, но значительные непрямые затраты энергии (для постройки домов или производства автомашин, бытовых приборов, электроники и мебели) не учитываются.

Удерживая этот факт в памяти и понимая, что национальные особенности (от климатических до экономических) мешают создавать простые классификации, взаимосвязь между использованием энергии и качеством жизни можно рассмотреть в виде трех частей. Ни одна страна, в которой годовое потребление первичной коммерческой энергии (оставляя в стороне традиционное биотопливо) в среднем составляет менее 5 ГДж/на душу населения (иным словами, около 120 кг нефтяного эквивалента), не может гарантировать даже базовые предметы первой необходимости своим жителям. В 2010 году Эфиопия была все еще намного ниже этого минимума, Бангладеш едва выше; Китай находился на этом уровне до 1950 года, а большая часть Западной Европы до 1800-го.

Как только уровень потребления коммерческой энергии достигает 1 тонны нефтяного эквивалента (42 ГДж), начинает расти промышленность, повышаются доходы, качество жизни значительно улучшается. Китай в 1980-х, Япония в 1930-х и затем в 1950-х, Западная Европа и США между 1870 и 1890 годами являются примерами этой стадии развития. Начальное благосостояние требует даже при достаточно эффективном использовании энергии по меньшей мере 2 тонн нефтяного эквивалента (84 ГДж) на душу населения в год. Франция добралась до этой отметки в 1960-х, Япония – в 1970-х, Китай достиг его к 2012 году, но значение в данном случае нельзя целиком и полностью сравнивать с показателями западных стран, поскольку слишком много энергии до сих пор идет в промышленность (почти 30 % в 2013 году), и мало предназначено для частного независимого использования (IEA 2015а).

Но и французский, и китайский примеры показывают скорость недавних изменений. Перепись во Франции 1954 года обнаружила ошеломляющие проблемы с домашними хозяйствами: менее 60 % из них имели водопровод, 25 % – туалет внутри дома, и только в 10 % была ванная и центральное отопление (Prost 1991). К середине 1970-х холодильники появились в почти 90 % домашних хозяйств, туалеты – в 75 %, в 70 % имелись ванные комнаты, и около 60 % наслаждались центральным отоплением и стиральными машинами. К 1990 году эти удобства стали практически повсеместными, а 75 % семей владели автомобилем, и это по сравнению с менее чем 30 % в 1960-м. Подобный рост благосостояния должен был отразиться в увеличении потребления энергии. Между 1950 и 1960 годами среднее потребление энергии на душу населения во Франции выросло на 25 %, но между 1960 и 1974 годами показатели увеличились до 80 %; при этом между 1950 и 1990 годами потребление топлива всех видов на душу населения более чем удвоилось; потребление бензина выросло почти в шесть раз, использование электричества – в восемь (Smil 2003).

Еще более быстрый прогресс имел место в Китае. В 1980 году, когда начались экономические реформы (через четыре года после смерти Мао Цзэдуна), потребление энергии на душу населения в среднем составляло 19 ГДж. К 2000-му оно выросло почти до 35 ГДж, в 2010 году, после учетверения за три десятилетия, оно составило, грубо, 75 Гдж, а к 2015-му – более 90 ГДж (Smil 1976; China Energy Group 2015), и это сравнимо с показателями Испании в начале 1980-х. Более того, совершенно невероятная доля этого выигрыша была использована в строительстве. Ничто не показывает этого лучше, чем следующий факт: потребление цемента составило 4,5 Гт за весь XX век, и Китай использовал большее его количество (4,9 Гт) в новых строительных проектах всего лишь за три года, с 2008-го по 2010-й (Smil 2014b). Ничего удивительного, что страна на сегодняшний день обладает самой большой в мире сетью современных высокоскоростных железных дорог и крупных автотрасс.

Никакая другая форма энергии не имела большего воздействия на рост качества жизни, как доступное и удобное в использовании электричество. На уровне отдельного человека эффект оказался вездесущим и охватил всю жизнь (недоношенных младенцев выхаживают в инкубаторах, вакцины для прививок держат в холодильниках, опасные заболевания диагностируют с помощью сложных приборов, серьезно больные люди находятся под постоянным мониторингом). Но одно из важнейших социальных последствий распространения электричества – трансформация поденной работы по дому, от которой выиграли в первую очередь женщины. И эта перемена случилась, даже в западном мире, совсем-совсем недавно.

Поколениями растущее потребление энергии имело мало значения для обычной домашней работы. А в некоторых случаях оно делало эту работу даже более тяжелой. Поскольку стандарты гигиены и социальные ожидания выросли после того, как улучшилось образование, женская работа в странах Запада стала еще сложнее. Будь то стирка, готовка и уборка в тесной английской квартирке (Spring-Rise 1939) или ежедневные обязанности на американской ферме, женская работа оставалась тяжелой на протяжении 1930-х годов. Электричество оказалось окончательным освободителем. Вне зависимости от доступности иных форм энергии, только внедрение электричества смогло отменить утомительный и часто опасный труд (Саго 1982; примечание 6.12).

Примечание 6.12. Важность электричества для облегчения домашней работы

Освобождающий эффект электричества впечатляюще показан в первом томе биографии Линдона Джонсона (Robert Саго 1982). Как пишет автор, вовсе не нехватка энергии делала жизнь в Хилл-Каунти (Техас) настолько тяжелой, поскольку дров и керосина имелось в избытке, а отсутствие электричества. Живо, почти физически болезненно он описывает каторжный труд и опасность глажки белья с помощью тяжелого металлического утюга, нагретого на печи, бесконечное накачивание и перетаскивание воды для приготовления пищи, стирки и для питья животных, помол зерна, заготовку дров. Эти задачи, обычно выпадавшие на долю женщин, были много тяжелее, чем типичные трудовые требования в бедных странах, поскольку фермеры Хилл-Каунти в 1930-х стремились поддерживать более высокие стандарты жизни и осуществляли куда больший объем полевых операций, чем крестьяне в Азии или Латинской Америке. Например, потребность в воде для семьи в пять человек приближалась к 300 т/г., и чтобы обеспечить ее, были необходимы эквивалент более чем 60 восьмичасовых рабочих дней и пройденное расстояние около 2500 км. Неудивительно, что именно распространение линий передачи электроэнергии стало революционным для жизни этих людей.

Многие электрические приборы были доступны уже к 1900 году: в 1890-х «Дженерал Электрик» продавала электрические утюги, вентиляторы и нагреватель воды, способный вскипятить пинту за 12 минут (Electricity Council 1973). Высокая цена этих приборов, ограничения электросетей жилых домов и медленный прогресс в сельской электрификации отсрочили широкое распространение, как в Европе, так и в Северной Америке до 1930-х годов. Холодильники оказались более важным нововведением, чем газовые или электрические печи (Pentzer 1966). Первые домашние холодильники были представлены на рынке Kelvinator Company в 1914 году. Но их количество у населения резко выросло только в 1940-х, а в Европе они стали обычным делом после 1960 года. Их важность увеличилась с распространением такого явления, как фастфуд. Сейчас на холодильники приходится до 10 % всей электроэнергии, потребляемой в домашних хозяйствах богатых стран.

Когда электричество завоевало свое место в домашних делах, то в богатых странах на них стало уходить меньше времени и труда. Самоочищающиеся печи, кухонные комбайны и приготовление пищи с помощью микроволн (разработано в 1945 году, но небольшие домашние модели появились только в конце 1960-х) широко распространились по богатой части мира. Уровень собственности на холодильники, стиральные машины и микроволновые печи достиг насыщения среди наиболее преуспевающих сегментов населения Азии и Латинской Америки, и там же наблюдается высокий уровень распространения кондиционеров. Запатентованный изначально Уиллисом Кэрриером (1876–1950) в 1902 году, этот прибор десятилетиями применялся только в промышленности. Первые модели, предназначенные для домашнего использования, появились в 1950-х годах в США, их распространение открыло «солнечный пояс» для массовой миграции из северных штатов и увеличило количество туристических направлений в тропических и субтропических регионах (Basile 2014). Домашние кондиционеры в наше время широко распространены в городских районах жарких стран, большей частью это настенные модели (рис. 6.19).

Рисунок 6.19. Апартаменты в небоскребах Шанхая, где кондиционер стоит практически в каждой комнате (Corbis)

Современные общества характеризуются значительным экономическим ростом, и следовательно, их потребность в энергии постоянно растет, при этом подразумевается, что чем больше ее используется, тем лучше. Но экономический рост и увеличение использования энергии должны рассматриваться только как средство обеспечения лучшего качества жизни, концепт которой включает как удовлетворение базовых физических потребностей (здоровье, питание), так и развитие человеческого интеллекта (сюда входит все, от начального образования до личной свободы). Подобный сугцностно многомерный концепт нельзя свести к одному репрезентативному показателю, но несколько переменных служат достаточно хорошими его индикаторами.

Детская смертность (количество смертей на 1000 родившихся детей) и ожидаемая продолжительность жизни являются двумя очевидными и недвусмысленными показателями физического качества жизни. Детская смертность – информативный сборный показатель множества факторов, от доходов и качества жилищ до адекватности питания, уровня образования и инвестиций государства в медицину: очень небольшое число новорожденных умирает в странах, где люди живут в хороших домах и где хорошо образованные (и хорошо накормленные) родители кормят отпрысков правильно и имеют доступ к медицинской помощи. И естественно, что продолжительность жизни количественно отражает долгосрочное воздействие этих важных факторов. Образование и уровень грамотности не столь показательны: доли учащихся в возрастных группах говорят нам не о качестве образования, а лишь о доступе к нему, и детальные исследования успехов в учебе (такие как Международная программа по оценке образовательных достижений учащихся, разработанная Организацией экономического сотрудничества и развития) не проводятся в большинстве стран. Другой вариант – использовать Индекс человеческого развития (HDI), созданный в рамках Программы развития ООН; он сочетает ожидаемую продолжительность жизни, уровень грамотности, комбинированные доли учащихся и ВВП на душу населения.

Сравнение этих параметров со средним использованием энергии позволяет сделать важные заключения. Некоторые общества в состоянии обеспечить адекватное питание, базовую медицинскую помощь и обучение, то есть достойное качество жизни при ежегодном потреблением энергии всего в 20–50 ГДж на душу душу населения. Сравнительно низкая детская смертность, ниже 20 из 1000 новорожденных; сравнительно высокая ожидаемая продолжительность жизни у женщин, свыше 75 лет; HDI выше 0,8 могут быть достигнуты при 60–65 ГДж на душу населения, но вершины мирового рейтинга (детская смертность ниже 10 на 1000 новорожденных, ожидаемая продолжительность жизни для женщин выше 80 лет, HDI более 0,9) покоряются при как минимум 110 ГДж/на душу населения. Выше этого уровня не обнаружено заметного улучшения фундаментального качества жизни.

Использование энергии, таким образом, прямо и линейно связано с качеством жизни только на низких стадиях развития (от качества жизни в Нигере до качества жизни в Малайзии). Нанесенные на график значения показывают заметные отличия между 50 и 70 ГДж/на душу населения, после чего кривая становится более плоской, а затем превращается в горизонтальную линию на уровне (в зависимости от того, какая переменная используется) 100–120 ГДж на душу населения (рис. 6.20). Это значит, что воздействие потребления энергии на улучшение качества жизни – расчитанного с помощью переменных, которые на самом деле имеют значение, а не по количеству частных яхт – достигает уровня насыщения значительно ниже показателей использования энергии, которые обычно наблюдаются в богатых странах. Например, в ведущих экономиках ЕС и Японии это значение составило около 150 ГДж на душу населения, в Австралии – 230 ГДж на душу, в США – 300 ГДж, а в Канаде – около 385 ГДж в 2015 году (ВР 2015). Дополнительный прирост использования энергии приходится на шикарные дома (средний размер семьи уменьшился, а средний размер дома в США более чем удвоился с 1950-х), на роскошные средства передвижения и частые полеты.

Рисунок 6.20. Среднее потребление энергии но душу населения и индекс человеческого развития в 2010 году. Основано на данных из UNDP (2015) и World Bank (2015а)

Более примечательно, что высокое потребление энергии в США сопровождается индикаторами качества жизни, которые ниже не только в сравнении с достижениями ведущих стран ЕС или Японии (где использование энергии составляет половину от американского), но и в сравнении со многими странами, где потребление энергии находится на среднем уровне. Так, по критерию детской смертности в 2013 году США, с показателем 6,6 смертей на 1000 новорожденных занимали 31-е место в мире, ниже не только Франции (3,8), Германии (3,5) и Японии (2,6), но и Греции, где это число было в два раза меньше (CDC 2015). По ожидаемой продолжительности жизни США в 2013 году находились на 36-м месте со средним показателем 79,8 года для обеих полов, что немного лучше, чем на Кубе при Кастро (79,4) и ниже, чем показатели Греции, Португалии и Южной Кореи (WHO 2015а).

Успехи учащихся в странах Организации экономического сотрудничества и развития регулярно оцениваются Международной программой по оценке образовательных достижений учащихся, и последние результаты показывают, что в группе пятнадцатилетних США стоит сразу после России, Словакии и Испании и намного ниже Германии, Канады и Японии (PISA 2015). В науках тинэйджеры США находятся чуть ниже среднего для ОЭСР показателя (497 и 501), в чтении они чуть выше среднего (498 и 496), но гораздо ниже всех процветающих крупных стран Западного мира. Программа, как и любое подобное исследование, имеет слабые стороны, но значительные тренды очевидны: нет ни малейшего признака, что высокий уровень потребления энергии в США каким-либо образом сказался на образовательных успехах страны.

Политические импликации

Зависимость современных обществ от непрерывных, надежных и недорогих поставок ископаемого топлива и электричества создает множество политических проблем и способов реагирования на них, как во внутренних делах, так и в международных. Возможно, наиболее универсальной проблемой является концентрация власти принятия решений, происходящая от высоких уровней интеграции в правительстве, в бизнесе, или в военной области. Как отметил один из исследователей (Adams 1975, 120–121), когда «больше энергетических процессов и форм входит в общество, контроль над ними диспропорционально концентрируется в руках немногих, так что меньшее количество независимых решений несет ответственность за все большее высвобождение энергии».

Но по-настоящему серьезные угрозы возникают, когда сверхсконцентрирован-ный контроль сосредотачивается в одном индивидууме, который решает использовать его в агрессивной и разрушительной манере. Результатом такой ситуации могут стать колоссальные человеческие страдания, продолжительные растраты труда и ресурсов, вред окружающей среде и разрушение культурного наследия. Примеры такой чрезмерной концентрации контроля, из-за которой с цепи были спущены деструктивные силы, постоянно встречаются в истории; если измерять только в человеческих потерях, то решения, принятые испанскими королями шестнадцатого века, Наполеоном Бонапартом (1769–1821), императором Вильгельмом

II (1859–1941) или Адольфом Гитлером (1889–1945) привели к миллионам смертей. Испанская конкиста в Америке в конечном итоге привела, прямо (смерти в сражениях или в рабстве) и косвенно (инфекционные болезни и голод) к гибели десятков миллионов человек (Lopez 2014). Серия агрессивных действий Наполеона стоила как минимум 2,5 и как максимум 5 миллионов жизней (Gates 2011). Прусская агрессия стала конечной причиной того, что в Первой мировой войне погибло более 17 миллионов человек, ну а общее количество жертв Второй мировой, среди военных и гражданских, достигает 50 миллионов (War Chronicle 2015).

Но решения двух коммунистических диктаторов, которые смогли превратить собственные мании в ужасающую реальность с помощью значительных потоков ископаемого топлива и энергии, остаются непревзойденными примерами концентрации контроля. В 1953-м, в год смерти Сталина, использование энергии в СССР было более чем в 25 раз выше, чем в 1921-м, когда страна вышла из гражданской войны (Clarke and Dubravko 1983). При этом паранойя диктатора привела к смерти десятков миллионов человек в массовых чистках, переселению целых народов (крымских татар, чеченцев, немцев Поволжья) и погружению потенциально богатейшей страны в экономическую прострацию (Conquest 2007). Сходным образом, в год смерти Мао Цзэдуна, в 1976-м, производство энергии в Китае более чем в 20 раз превосходило показатели 1949 года (Smil 1988). Но решения Великого Кормчего вызвали множество смертей во время Большого Скачка, за которым последовал самый страшный голод в человеческой истории – между 1959 и 1961 годами умерло более 30 миллионов человек (Yang 2012) – а затем разрушительная Культурная революция. Точное число жертв, как и в случае со сталинскими, определить невозможно, но общее количество погибших в 1949–1976 годах может приближаться к 50 миллионам (Dikotter 2010). И хотя вероятность предельной угрозы, термоядерной войны между великими державами, снизилась благодаря уменьшению ядерных арсеналов США и России, она не исчезла окончательно, и решение начать войну может быть принято, не важно, на какой стороне, очень небольшим числом людей.

Не было лучшего примера глобальных политических и экономических последствий контроля над потоками энергии, чем решения, принятые Организацией стран-экспортеров нефти (ОПЕК) после 1973 года. Учитывая важность сырой нефти в современной экономике и ее доминирование на глобальном рынке нескольких стран Ближнего Востока, неизбежно, что любые решения группы индивидуумов, особенно из Саудовской Аравии, чьи громадные мощности по производству нефти обеспечивают ей решающий голос в ОПЕК, будут иметь глубокие последствия для глобального преуспевания. Так, последствием недовольства ОПЕК низкими прибылями и увеличения цен в пять раз в 1973–1974 годах, а затем в четыре раза в 1979-80 годах стал период мировых экономических неурядиц, отмеченный высокой инфляцией и значительным замедлением экономического роста (Smil 1987; Yergin 2008).

В ответ все главные импортеры Запада и Япония заключили срочные соглашения в области энергетики, координировать выполнение которых стало Международное энергетическое агентство, получившее полномочия создавать стратегические резервы нефти (некоторые страны также установили более тесные двусторонние связи со странами ОПЕК) и субсидировать поиск альтернативных источников энергии. Развитие ядерной энергетики во Франции и усилия по сохранению энергии в Японии можно назвать двумя самыми заметными и эффективными примерами. Но быстрый экономический рост Китая – страна стала крупным импортером нефти в 1994 году – и уменьшение добычи на традиционных месторождениях, например, на Аляске и в Северном море, стали ключевыми причинами того, что цены на нефть снова выросли до рекордного уровня 145 долларов за баррель в июле 2008 года, и это повышение остановилось только с началом экономического кризиса осенью 2008-го, в результате которого к декабрю цена на нефть упала до чуть выше 30 долларов за баррель.

Когда мировая экономика восстановилась, спрос в Китае продолжил расти, и цены на нефть снова подскочили, до 100 долларов в июле 2014 года, но затем падение спроса и рост предложения (большей частью за счет того, что США вернулись в ряды крупнейших производителей, начав активную добычу сланцевой нефти методом гидравлического разрыва) привели к изменению тенденции. Но в этот раз существовало ключевое отличие: чтобы защитить долю страны на рынке, лидеры Саудовской Аравии решили сохранить добычу на максимальном уровне, а не, как ранее, уменьшить ее, чтобы поднять цены. Снова решения, принятые группой людей, имели последствия для политической стабильности стран, сильно зависящих от нефтяного экспорта, и для крупных производителей нефти за пределами ОПЕК, таких как США и Канада.

Падение цен на нефть снова едва не похоронило ожидания стран ОПЕК, но особенности очень неравномерного распределения запасов сырой нефти (эта ведущая стратегическая проблема XX века не потеряла важности и в двадцать первом) позволяют странам Ближнего Востока сохранять благоприятную позицию. Бассейн Персидского залива не имеет себе равных: там находятся 12 из 15 крупнейших в мире нефтяных месторождений, и на 2015 год он содержал около 65 % мировых запасов нефти (ВР 2015). Подобное богатство объясняет долговременную важность поддержания стабильности в этом регионе. Но поддерживать ее невероятно сложно из-за хронических неурядиц в странах Залива, на берегах которого живут люди из многих религиозных групп и существуют искусственные государства, чьи границы были нанесены произвольно, так что древние этнические группы оказались разделены.

Масштабные попытки внешнего вмешательства в дела региона после Второй мировой войны начались с того, что СССР попытался взять контроль над Северным Ираном (1945-46). Американцы дважды высаживались в Ливане, в 1958 и в 1982 годах, и во втором случае их решительность была сломлена единственным терактом в казармах Бейрута в 1983-м (Hammel 1985). Западные страны активно вооружали Иран до 1979 года, в последнее десятилетие правления шаха Реза Пехлеви, и снабжали оружием Саудовскую Аравию, в то время как СССР делал то же самое с Египтом, Сирией и Ираком. Последний начал получать помощь и от Запада во время ирано-иракской войны 1980–1988 годов. Кульминация интервенций наступила в 1990–1991 годах, когда США и их союзники провели операции «Буря в пустыне» и «Щит пустыни» в ответ на захват Ираком Кувейта (CMI 2010).

Оккупировав территорию соседа, Ирак удвоил нефтяные резервы под собственным контролем, подняв их до 20 % от общих мировых запасов. Продвижение иракцев создало угрозу расположенным около границы нефтяным месторождениям саудитов, в опасности оказалась сама монархия, под властью которой находится четверть всей мировой нефти. После того, как агрессор был отброшен, Саддам Хуссейн остался у власти. Только события 11 сентября 2001 года, после которых возник страх нового нападения (ложный, как стало ясно позже, когда никакого оружия массового поражения не было найдено в Ираке), заставили США оккупировать Ирак в марте 2003-го, за чем последовали годы насилия и появление на части территории страны так называемого Исламского государства. Но позже в этой главе я буду доказывать, соглашаясь с коллегами (Lesser 1991), что связанные с ресурсами задачи, по видимости первоочередные в конфликтах на Ближнем Востоке, исторически определялись более широкими стратегическими целями, а не наоборот. И неудача арабских стран ОПЕК в попытках превратить нефть в политическое оружие (включая нефтяное эмбарго против США и Нидерландов после войны Судного дня в октябре 1973 года) была не первым случаем использования поставок энергоносителей для передачи идеологического послания.

Символическая мощь электрического света эксплуатировалась такими разными силами, как большие компании США и нацистская партия Германии. Американские промышленники показали мощь света первый раз во время Всемирной выставки в Чикаго в 1894 году, и позже, залив центральные районы больших городов «Белыми лучами» (Nye 1992). Нацисты использовали стены из света, чтобы привести в восторг участников массовых партийных мероприятий в 1930-х (Speer 1970). Электрификация стала воплощением столь различных политических идеалов, как ленинский порыв к коммунистическому государству и Новый курс Франклина Рузвельта. Ленин выразил свою цель в известном лозунге «Коммунизм – это советская власть плюс электрификация всей страны», и советское пристрастие к постройке огромных электростанций живо до сих пор, несмотря на гибель СССР, в пост-маоистском Китае. Рузвельт использовал федеральные ресурсы для строительства дамб и электрификации сельской местности в качестве средства экономического восстановления, иногда в самых отсталых регионах (Lilienthal 1944).

Оружие и войны

Производство оружия давно стало одной из ведущих отраслей промышленности, сейчас оно опирается на систему продвинутых НИОКР, и все ведущие экономики являются масштабными экспортерами оружия. Только небольшая доля затрат в этой области идет на реальные потребности безопасности, в то время как огромные потери, а также отвлечение инвестиций и квалифицированных кадров – особенно заметно, когда все это уходит на развитие оружия, неспособного отразить новые угрозы (например, массовое производство танков вряд ли поможет в борьбе с террористами), – отмечают историю современной индустрии вооружений. Ничего удивительного, что многие технические достижения, возникшие благодаря новым видам топлива и первичных движителей, оказались быстро адаптированы для военных целей. Поначалу они увеличивали мощность и эффективность существующих видов техники. Позже стало возможным разрабатывать новые классы вооружения беспрецедентного дальнодействия, скорости и разрушительной силы.

Кульминация этого процесса наступила, когда были созданы огромные ядерные арсеналы и установлены межконтинентальные баллистические ракеты, способные поразить любую цель на Земле. Увеличение разрушительной силы хорошо иллюстрирует контраст между типичным оружием середины XIX века и середины двадцатого века и их предшественниками полувеком ранее. Во время Гражданской войны в США (1861–1865) первоочередное значение имели два типа оружия, пехотные мушкеты и двенадцатифутовые пушки (оба дульнозарядные и гладкоствольные), и они показались бы знакомыми ветеранам Наполеоновских войн (Mitchell 1931). По контрасту, среди оружия, доминировавшего во время Второй мировой – танки, истребители и бомбардировщики, авианосцы, подводные лодки, по-видимости – только последние существовали, и то на ранних экспериментальных стадиях, в 1890-х годах. Интересный способ показать энергетическое измерение подобного контраста состоит в том, чтобы сравнить реальную кинетическую и взрывную мощность широко распространенных видов оружия.

Чтобы определить основу первого вида сравнения, полезно вспомнить (как показано в главе 4), что кинетическая энергия двух наиболее широко распространенных видов ручного оружия доиндустриальной эры, стрел и мечей, составляла всего лишь порядка 10¹ Дж (большей часть между 15 и 75 Дж) и что стрела, выпущенная из тяжелого лука, могла поразить цель с 100 Дж кинетической энергии. Выпущенная же из мушкета или ружья пуля имела кинетическую энергию порядка 10³ Дж (от 10 до 100 раз больше), а снаряды современных пушек (включая те, что монтируются на танках) – порядка 10⁶ Дж. Расчеты для полудюжины видов вооружения приведены в примечании 6.12: оценки для пушечных снарядов учитывают только кинетическую энергию самого снаряда, здесь исключено взрывчатое вещество, которое они могут нести, а могут и нет.

Ракеты, приводимые в движение твердым или жидким топливом, причиняют большую часть вреда нацеленным подрывом боеголовок, а не собственной кинетической энергией, но когда первые (неуправляемые) германские «Фау-1» не взрывались, то кинетическая энергия от их падения составляла 15–18 МДж. И наиболее известный недавний пример использования объекта с высокой кинетической энергией для причинения огромного вреда – нацеливание большого «Боинга» (модели 767 и 757) в здание Международного торгового центра исламистскими угонщиками 11 сентября 2001 года. Башни были на самом деле спроектированы так, чтобы пережить столкновение с самолетом, но только с медленным (80 м/с) «Боингом-707», который имел шансы потеряться при заходе на аэропорты «Ньюарк», «Ла Гвардия» или «Джон Франклин Кеннеди». «Боинг-767-200» лишь на 15 % тяжелее, чем «Боинг-707», но самолет ударил здание на скорости не менее 200 м/с, и поэтому его кинетическая энергия оказалась в шесть раз больше (около 2,5 ГДж, грубо, против 400 МДж).

Примечание 6.13. Кинетическая энергия метательного оружия на взрывчатых веществах

И даже в этом случае здания не рухнули бы, если бы самолеты действовали как пули, вонзающиеся в дерево: они не могут продавить массивную структуру, они проникают в нее, разрушив сначала внешние опоры. Исследователи (Karim and Fatt 2005) показали, что 46 % начальной кинетической энергии самолета ушло на преодоление внешних колонн и что они не были бы разрушены, имей они минимальную толщину в 20 мм. Падение башен было, таким образом, вызвано возгоранием топлива (более 50 тонн керосина, или 2 ТДж) и воспламенением горючих материалов внутри зданий, что привело к термальному ослаблению конструкционной стали, неравномерному нагреванию длинных балок межэтажных перекрытий и, в свою очередь, к масштабному обрушению и очень быстрому падению, всего за 10 секунд (Eagar and Musso 2001).

Мощность современного оружия начала расти с изобретением более сильных взрывчатых веществ, чем порох: они тоже были самоокисляющимися, но большая скорость детонации позволяла создавать ударную волну. Этот новый класс химических соединений изготавливали азотированием таких органических соединений как целлюлоза, глицерин, фенол и толуол (Urbanski 1967). Асканио Собреро синтезировал нитроглицерин в 1846 году, Эдуард Шульце представил нитроцеллюлозу в 1865-м, но практическое использование нитроглицерина стало возможным только благодаря двум изобретениям Альфреда Нобеля: смешивание соединения с диатомовой землей (инертной, пористой субстанцией), чтобы создать динамит, и введение практичного детонатора, воспламенителя Нобеля (Fant 2014).

В зависимости от состава скорость детонации пороха могла быть лишь несколько сотен метров в секунду, в то время как у динамита она достигает 6800 м/с. Тринитротолуол (TNT) был синтезирован Юлиусом Вильбрандом в 1863 году и использовался в качестве взрывчатого вещества (скорость детонации 6700 м/с) к концу XIX века, самое мощное ВВ доядерной эпохи, циклонит (циклотримети-лентринитрамин или RDX, Royal Demolition explosive, скорость детонации 8800 м/с) был впервые изготовлен Гансом Геннингом в 1899-м. Эти взрывчатые вещества тогда использовались в пушечных снарядах, минах, торпедах и бомбах, а в последние десятилетия их привязывают к собственным телам террористы-смертники. Но многие террористические атаки проводятся с помощью легковых или грузовых автомобилей и простой смеси обычных удобрений (нитрат аммония) и жидкого топлива: ANFO содержит 94 % NH₄N0₃ (в качестве окислительного агента), и 6 % жидкого топлива, и оба эти компонента легко достать. Разрушительный эффект в этом случае достигается скорее массой использованного ВВ, а не экстраординарной скоростью детонации (примечание 6.14).

Примечание 6.14. Кинетическая энергия взрывных устройств

Комбинация лучших взрывчатых веществ и высококачественной стали увеличила дальнобойность полевых и морских пушек с менее чем 2 км в 1860-х до более 30 км к 1900 году. Комбинация дальнобойных пушек, тяжелой брони и паровых турбин для передвижения по морю сделала возможной постройку новых тяжелых боевых кораблей: HMS Dreadnought, спущенный на воду в 1906 году, стал их прототипом (Blyth, Lambert and Ruger 2011). Корабль приводился в движение паровыми турбинами (появившимися в ВМФ Великобритании в 1898 году), точно так же как и крупнейшие пассажирские суда той эпохи, «Мавритания», «Лузитания», «Олимпик» и «Титаник», и точно так же как современные атомные авианосцы класса «Нимиц» (Smil 2005). Другие заметные разрушительные нововведения, появившиеся перед Первой мировой войной, включают пулеметы, подводные лодки и первые прототипы военных самолетов. Ужасные окопные сражения Первой мировой осуществлялись при массовом использовании тяжелой артиллерии, пулеметов и минометов. Но ни ядовитые газы (впервые применены в 1915 году), ни первое массовое использование самолетов и танков (в 1916-м, но по-настоящему массовое только в 1918-м) не помогали тогда лобовой атакой преодолеть глубоко эшелонированное сопротивление (Bishop 2014).

Промежуток между войнами был отмечен быстрым развитием танков, истребителей и бомбардировщиков. Цельнометаллические корпуса заменили ранние конструкции из дерева, парусины и проволоки, а первые настоящие авианосцы появились в 1922 году (Polmar 2006). Все это оружие использовалось во время Второй мировой войны. Первые немецкие успехи были большей частью основаны на быстром разрыве линии обороны с помощью танков, а японцы получили преимущество благодаря атаке на Перл-Харбор 7 декабря 1941 года, которая была возможной только при наличии истребителей дальнего действия («Мицубиси А6М2 Зеро», дальность 1867 км), и бомбардировщиков (Aichi ЗА2, дальность 1407 км, Nakajima B5N2, дальность 1093 км), запускаемых с авианосцев (Hoyt 2000, National Geographic Society 2001; Smith 2015).

Те же самые классы оружия оказались самыми важными в победе над странами Оси. Сначала это была комбинация лучших истребителей («Супермарин Спит-файр» и «Хоукер Харрикейн») и радаров во время битвы за Британию в августе и сентябре 1940 года (Collier 1962; Hough and Richards 2007). Затем США начали активно использовать морскую авиацию (начиная с поворотной битвы за Мидуэй в 1942 году), а СССР обозначил свое превосходство в области танков (модель Т-42). Послевоенная гонка вооружений на самом деле началась уже во время войны, с разработкой реактивных двигателей, которые приводили в движение баллистические ракеты (германские «Фау-2» были впервые использованы в 1944 году), и со взрывом первой ядерной бомбы: испытание «Тринити», Нью-Мексико, 11 июля 1945-го; первое боевое применение: Хиросима 6 августа 1945-го, и Нагасаки четырьмя днями позже. Общая энергия, высвобожденная этими атомными бомбами, была на порядки выше, чем могло обеспечить любое другое оружие, но на порядки ниже, чем в разработанных позже водородных бомбах.

Первая современная полевая пушка, французская Canon 75 mm modele 1897, стреляла снарядами, внутри которых находилось около 700 г пироксилиновой кислоты, чья энергия взрыва достигала 2,6 МДж (Benoit 1996). Возможно, самым известным орудием Второй мировой войны была немецкая зенитная пушка FlaK 18 (Flugzeugabwehrcanone), вариант которой также использовался в конструкции танка «Тигр» (Hogg 1997); она стреляла шрапнелью с энергией взрыва 4 МДж. Но самым мощным взрывчатым оружием Второй мировой были огромные авиабомбы, которые сбрасывались на города. Наиболее мощные несли «Летающие крепости» («Боинг В-17»), и они имели энергию взрыва 3,8 ГДж. Наибольший ущерб был причинен сбрасыванием зажигательных бомб на Токио 9-10 марта 1945 года (примечание 6.15, рис. 6.21).

Примечание 6.15. Бомбардировка Токио, 9-10 марта 1945 года

Крупнейший рейд всей Второй мировой был осуществлен с помощью 334 бомбардировщиков В-29, сбросивших бомбы с малой (около 600–750 метров) высоты (Caidin 1960; Hoyt 2000). В основном это были большие, весом 230 килограммов, кассетные бомбы, каждая высвобождала 39 зажигательных бомб М-69 с напалмом, смесью полистирола, бензина и газолина (Mushrush et al. 2000); также использовались простые бомбы по 45 кг с желатинированным газолином и фосфором. Около 1500 тонн зажигательных веществ обрушилось на город, и общее содержание энергии в них (принимая среднюю плотность напалма за 42,8 ГДж/т) достигало 60 ТДж, что сравнимо с энергией упавшей на Хиросиму бомбы.

Но энергия, высвободившаяся при горении напалма, была лишь крохотной частью того, что получилось, когда начали гореть деревянные здания. По данным городского департамента полиции Токио, огонь уничтожил 286 358 зданий и сооружений (US Strategic Bombing Survey 1947), и консервативные предположения (250 000 деревянных зданий, всего 4 тонны дерева на каждое, 18 ГДж/т сухой древесины) дают нам результат в 18 ПДж энергии, высвободившейся при сгорании домов в Токио, что на два порядка (в 300 раз) больше, чем энергия самих зажигательных бомб. Зона разрушений охватила примерно 4100 гектаров, погибло по меньшей мере 100 тысяч человек. Для сравнения – площадь разрушений в Хиросиме была около 800 гектаров, и самые точные немедленно погибших приводят цифру 66 тысяч.

Бомба, упавшая на Хиросиму, высвободила 63 ТДж энергии, около половины в виде вспышки и 35 % в виде теплового излучения (Malikl985). Эти два фактора вызвали большое количество мгновенных смертей, в то время как радиоактивное излучение привело как к мгновенным, так и к отсроченным смертям. Бомба взорвалась в 8:15 7 августа 1945 года на высоте 580 м; температура в точке взрыва достигла нескольких миллионов градусов, и это по сравнению с 5000 °C для обычных взрывчатых веществ. Огненный шар приобрел максимальный размер 250 метров за секунду, высочайшая скорость взрыва в эпицентре была 440 м/с, а максимальное давление – 3,5 кг/см² (Committee for the Compilation of Materials 1991).

Бомба в Нагасаки высвободила около 92 ТДж.

Но все это оружие выглядит слабым рядом с самой мощной термоядерной бомбой, испытанной СССР над Новой Землей 30 октября 1961 года: Царь-бомба высвободила 209 ПДж энергии (Khalturin et al. 2005). Менее чем через пятнадцать месяцев Никита Хрущев сообщил, что советские ученые создали бомбы еще в два раза мощнее.

Рисунок 6.21 .Последствия бомбардировки Токио в марте 1945 года (Corbis)

Сравнение мощности взрыва обычно проводят не в джоулях, а в единицах тротилового эквивалента (1 тонна ТЭ = 4,184 ГДж): бомба Хиросимы содержала всего 15 кт ТЭ, Царь-бомба – 50 Мт ТЭ. Типичные боеголовки межконтинентальных ракет имеют мощность от 100 кт до 1 Мт, но одна ракета подводного базирования (американский «Посейдон» или русский СС-11) может нести до 10 таких устройств. Чтобы подчеркнуть значительность объемов высвобождаемой энергии, я не использую научную запись (экспоненты), приводя ошеломляющие данные максимальной разрушительной силы взрывчатого оружия (примечание 6.16).

Примечание 6.16. Максимальная энергия взрывчатого оружия

Две ядерных сверхдержавы в конечном итоге накопили арсенал из 5000 стратегических ядерных боеголовок (и более чем 15 000 ядерных боеголовок других типов на ракетах меньшей дальности), совокупная деструктивная энергия которых составила около 30 ЭДж. Понятно, что это было совершенно иррациональным преувеличением. Физик Виктор Вайскопф писал (Weisskopf 1983, 25): «Ядерное оружие – это не оружие войны. Единственная цель, ради которой оно может создаваться – удержать от его использования другую сторону, и для этой цели его не требуется слишком много». Очевидно, что ядерный паритет послужил сдерживающим средством и предотвратил атомную войну, в которой не было бы победителя.

Но создание ядерных бомб тяжелым ярмом легло на национальные бюджеты, поскольку оно требует колоссальных инвестиций и очень крупных затрат энергии, большей частью для отделения изотопов урана (Kesaris 1977; WNA 2015а). Для газовой диффузии необходимо около 9 ГДж/SWU (на отдельную рабочую установку), но современным газовым центрифугам достаточно только 180 МДж/SWU, и 227 SWU нужно, чтобы произвести килограмм оружейного урана, то есть совокупный расход составляет 41 ГДж/кг. Триада средств доставки ядерного оружия – дальние бомбардировщики, межконтинентальные баллистические ракеты и ядерные подводные лодки – также содержит первичные движители (реактивные и ракетные двигатели) и структуры, производство которых и поддержание в рабочем состоянии обходится с точки зрения энергии очень дорого.

Производство обычного оружия тоже требует энергоемких материалов, и его распространение возможно лишь благодаря вторичному ископаемому топливу (бензин, керосин, дизель), электричество же используется, чтобы питать машины, которые перевозят оружие, чтобы экипировать и кормить солдат, которые оперируют им. В то время как обычную сталь можно изготовить из железной руды и чугуна, затратив всего лишь 20 МДж/кг, особые стали, которые применяют в оружейной промышленности, требуют 40–50 МДж/кг, а использование обедненного урана (для бронебойных снарядов и усиленной брони) еще более энергоемко. Алюминий и титан (и их сплавы), главные материалы в современном самолетостроении, воплощают соответственно между 170 и 250 МДж/кг (алюминий) и 450 МДж/кг (титан), а более легкие и прочные композитные волокна обычно требуют между 100 и 150 МДж/кг.

Столь мощные современные военные машины очевидно спроектированы для повышения эффективности боевых действий, а не для минимизации потребления энергии, и они отличаются исключительной энергоемкостью. Например, американский боевой танк «М1/А1 Абрамс» весом в 60 тонн приводится в движение газовой турбиной AGT-1500 Honeyhell мощностью 1,1 МВт и потребляет (в зависимости от задачи, почвы и погоды) 400–800 л/км (Army Technology 2015). Для сравнения, большой «Мерседес S600» требует около 15 л/100 км, а «Хонда Цивик» всего 8 л/100 км. Полет на сверхзвуковой скорости таких высокоманевренных военных самолетов как F-16 Fighting Falcon фирмы «Локхид» и F/A-18 Hornet компании «Мак-Доннел-Дуглас» требует такого объема авиатоплива, что их длительные миссии возможны только при дозаправке в воздухе от самолетов-заправщиков, таких как КС-10, КС-135 и «Боинг-767».

Другой особенностью современного вооружения, определяющей высокие потребности в энергии, является то, что его используют в масштабных соединениях. Наиболее крупная танковая атака в 1918 году состоялась при участии 600 машин (сравнительно легких моделей по меркам времени), но почти 8000 танков, 11000 самолетов и более 50 тысяч пушек и реактивных минометов были развернуты Красной армией перед финальным наступлением на Берлин в 1945 году (Ziemke 1968). Как пример интенсивности современного вооружения можно привести операцию «Буря в пустыне» (январь – апрель 1991 года) и месяцы перед ней («Щит пустыни», август 1990-январь 1991 годов), когда 1300 самолетов совершили более 116 тысяч вылетов (Gulflink 1991).

Другим феноменом, который в значительной степени отвечает за рост общих энергетических затрат, является необходимость резко увеличить производство военного снаряжения в очень короткие периоды времени. Две мировые войны – лучшие тому примеры. На август 1914 года Британия имела всего 154 военных самолета, но четырьмя годами позже на фабриках в авиационной отрасли работало 350 тысяч человек, которые производили 30 тысяч самолетов в год (Taylor 1989). Когда США объявили войну Германии в апреле 1917-го, у них было менее 300 второсортных самолетов, не способных нести пулеметы и бомбы, но тремя месяцами позже Конгресс одобрил беспрецедентную сумму в 640 миллионов долларов (почти 12 миллиардов в ценах 2015 года) на постройку 22500 двигателей «Либерти» для новых истребителей (Dempsey 2015). Рост промышленности в Америке во время Второй мировой был еще более впечатляющим.

За последний квартал 1940 года только 514 самолетов было поставлено в ВВС США. Общее количество за 1941 год достигло 8723, в 1942-м – 26448, в 1943-м превзошло 45000, а за 1944 год заводы США выпустили 51 547 новых самолетов (Holley 1964). Производство самолетов было самым мощным сектором военной экономики: в нем работало два миллиона человек, на него уходила четверть всех издержек, и в результате США выпустили 295959 самолетов, по сравнению с 117 479 в Британии, 111 784 в Германии и 68057 в Японии (Army Air Force 1945; Yenne 2006). В конечном итоге победа союзников стала результатом их превосходства в области обуздания разрушительной энергии. К 1944 году США, СССР, Великобритания и Канада производили в три раза больше военного снаряжения, чем Германия и Япония (Goldsmith 1946). Увеличение разрушительной силы оружия и рост концентрации доставки взрывчатых веществ можно проиллюстрировать, сравнив как отдельные события, так и боевые потери (примечание 6.17).

Расчет энергетических затрат в больших вооруженных конфликтах требует установления важных произвольных границ того, что необходимо включить в общую сумму. Общества в смертельной опасности не разделяются на два четко разграниченных сектора, гражданский и военный, и военная мобилизация экономики касается практически всех видов деятельности. Доступные подсчеты определяют общие затраты США в крупнейших конфликтах XX века в 334 миллиарда долларов для Первой мировой, 4,1 триллиона для Второй мировой и 748 миллиардов для Вьетнамской войны (1964–1972 годы), если выразить их в долларах 2011 года (Daggett 2010). Выражая эти затраты в необходимой валюте и умножая суммы на поправленные средние величины основных показателей энергоемкости из ВВП страны, можно получить более-менее обоснованные приближения к минимальным энергетическим затратам в разных конфликтах.

Примечание 6.17. Боевые потери в современных войнах

Потери во время битвы на Сомме (июль – ноябрь 1916 года) составили 1,043 миллиона. Потери во время Сталинградской битвы (23 августа 1942-го – 2 февраля 1943 года) превзошли 2,1 миллиона (Beevor 1998). Показатель смертности в бою – количество смертей на 1000 человек в составе вооруженных сил на момент начала конфликта – был ниже 200 во время двух первых войн современности, где участвовали крупные державы (Крымская война 18531856 годов и франко-прусская война 1870–1871 годов). Этот показатель перевалил отметку 1500 во время Первой мировой, 2000 во время Второй мировой, для России он составил 4000 (Singer and Small 1972). Германия потеряла около 27 000 военных на миллион человек населения во время Первой мировой войны, но более 44 000 во время Второй мировой.

Показатели гибели гражданского населения от современного оружия росли еще быстрее. Во время Первой мировой цифра погибших гражданских достигла 40 миллионов, более 70 % от всех погибших. Бомбардировка крупных городов приводила к огромным потерям в течение дней или даже часов (Kloss 1963; Levine 1992). Общее количество жертв при бомбардировках в Германии достигло почти 600 тысяч убитыми и почти 900 тысяч ранеными. Около 100 тысяч человек погибло во время ночных рейдов бомбардировщиков В-29, сравнявших с землей около 83 км² в четырех крупнейших японских городах между 10 и 20 марта 1945 года. Результат бомбардировки Токио и ядерной атаки на Хиросиму уже был описан (см. примечание 6.15).

Поправки требуются, поскольку промышленность и транспорт в военное время потребляют больше энергии на единицу продукции, чем в случае средней единицы ВВП. В качестве приближения я выбрал последовательные множители 1,5, 2 и 3 для трех конфликтов. Согласно таким расчетам, участие в Первой мировой потребовало около 15 % всего потребления энергии в США в 1917 и 1918 годах, в среднем составило 40 % во время Второй мировой и не более 4 % во время Вьетнамской войны. Пиковые значения: 54 % для США в 1944 году, 76 % для СССР в 1942-м, и примерно столько же для Германии в 1943-м.

Нет очевидной корреляции между общим использованием энергии и успехом в развязывании современных актов агрессии (или их предотвращении). Яркий пример позитивной корреляции между энергетическими инвестициями и полной победой – мобилизация в США во время Второй мировой войны, результатом которой стал рост в 46 % общего использования первичной энергии между 1939 и 1944 годами. Можно также сказать, что Америка еще сильнее доминировала во время Вьетнамской войны, когда количество взрывчатых веществ, пущенных в ход, в три раза превысило то, что было в бомбах ВВС США во время Второй мировой, упавших на Японию и Германию. Кроме того, Америка имела ультрасовременные реактивные самолеты, вертолеты, авианосцы, средства уничтожения листвы, но все же по ряду политических и стратегических причин не смогла превратить свое доминирование в победу.

Отсутствие любой корреляции между затраченной энергией и полученными результатами наиболее очевидно иллюстрируют террористические атаки. Полностью переворачивая парадигму холодной войны, когда оружие было экстремально дорогим в производстве и оставалось привилегией государств, террористы используют оружие дешевое и доступное для всех. Нескольких сотен килограммов ANFO (нитрат аммония/жидкое топливо) для того, чтобы набить взрывчаткой автомобиль, или нескольких килограммов мощного ВВ (часто начиненного обрезками металла), пристегнутых к телу смертника, достаточно, чтобы вызвать десятки или даже сотни смертей (в 1983 году две бомбы в грузовиках убили 307 человек, большей частью американских военнослужащих в их казармах в Бейруте), и много большее количество ранений, и в конечном итоге запугать избранную целью группу людей.

19 угонщиков 11 сентября не имели оружия, кроме нескольких ножей, и вся операция, включая уроки пилотирования, стоила менее 500 тысяч долларов (bin Laden 2004, 3). В то же время самые скромные оценки (финансовая ревизия Нью-Йорка, проведенная через год после атаки) дают цифру прямых потерь города в 95 миллиардов, включая около 22 миллиардов на восстановление зданий и инфраструктуры, и 17 миллиардов в потерянной заработной плате (Thompson 2002). В масштабах страны все это означает потери в ВВП, падение биржевых котировок, потери в авиационной и туристической индустрии, увеличение ставок страхования и фрахтовых ставок, рост расходов на безопасность, и в общем обходится в более 500 миллиардов долларов (Looney 2002). Если добавить сюда даже только некоторые расходы на последующее вторжение в Ирак и его оккупацию, то сумма будет выше триллиона. Как показало время, прошедшее с момента атаки 11 сентября, не существует простого военного решения для подобных случаев, поскольку классическое мощное оружие и новейшие умные машины лишь частично эффективны против фанатично настроенных индивидуумов или групп, готовых умирать во время терактов.

Нет сомнений, что концепт гарантированного взаимного уничтожения (MAD) был главной причиной того, что две ядерные сверхдержавы не развязали термоядерную войну, но размер атомных арсеналов, накопленных двумя соперниками, и следовательно, воплощенные в них энергетические затраты, превысили любой рационально допустимый уровень сдерживания. Каждый шаг в разработке, развертывании, охране и поддержании в рабочем состоянии ядерных боеголовок и их носителей (бомбардировщиков и межконтинентальных ракет, подводных лодок с атомными двигателями) очень энергоемок. Оценки показывают, что как минимум 5 % всей коммерческой энергии США и СССР, потребленной между 1950 и 1990 годами, ушло на разработку и массовое производство этого оружия и средств его доставки (Smil 2004).

Но даже если бы эта цифра увеличилась в два раза, можно утверждать, что такая цена приемлема по сравнению с той жатвой, которую собрала бы термоядерная война, даже ограниченная: десятки миллионов жертв от прямого воздействия вспышки, огня и радиоактивного излучения (Solomon and Marston 1986). Обмен термоядерными ударами между США и СССР, ограниченный стратегическими военными целями, привел бы как минимум к 27 миллионам и как максимум к 59 миллионам погибших по оценкам конца 1980-х годов (von Hippel et al. 1988). Подобная перспектива действовала в качестве мощного сдерживающего фактора при разработке существовавших с 1960-х годов планов первого удара.

К сожалению, потери, вызванные ядерным оружием, не прекращаются даже после полного отказа от него: его ликвидация и дорогостоящее хранение, а также очищение зараженных регионов могут продолжаться десятилетиями, и затраты на эти цели в США растут. Еще дороже будет очистить сильнее зараженные территории в странах бывшего СССР. К счастью, затраты на вывод из эксплуатации ядерных боеголовок могут быть значительно уменьшены повторным использованием извлеченного вещества для производства электричества (WNA 2014). Высокообогащенный уран (HEU, содержащий как минимум 20 % и до 90 % U-235) смешивается с обедненным ураном (большей частью U-238), природным ураном (0,7 % U-235) или частично обогащенным ураном, чтобы получить низкообогащенный уран (менее 5 % U-235), который используют в ядерных реакторах. В соответствии с соглашением 1993 года между США и Россией (мегатонны на мегаватты) Россия превратила 500 тонн HEU из боеголовок и стратегических запасов (эквивалент 20 тысяч ядерных бомб) в реакторное топливо (в среднем 4,4 % U-235) и продала его на нужды гражданских реакторов США.

Я не могу завершить раздел, посвященный энергии и войне, без нескольких замечаний об энергии как casus belli. Мнение, что такая связь существует, распространено очень широко, и в качестве недавнего примера приводят вторжение США в Ирак в 2003 году, совершенное, как мы уверены, чтобы получить нефть Ирака. Наиболее часто приводимый исторический образец – нападение японцев на США в декабре 1941 года. Администрация Рузвельта сначала отменила соглашение о коммерции и навигации 1911 года (в январе 1940-го), затем прекратила выдавать лицензии на экспорт авиационного бензина и металлообрабатывающих станков (в июле 1940-го), ну а дальше вступил в действие запрет на экспорт лома черных металлов и стали (сентябрь 1940-го). И это, в соответствии с до сих пор не опровергнутым мнением, не оставило Японии особенного выбора, кроме как атаковать США, чтобы иметь возможность для вторжения в Юго-Восточную Азию с ее нефтяными месторождениями на Суматре и в Бирме.

Но Перл-Харбору предшествовало почти десятилетие экспансии японского милитаризма, начавшейся с завоевания Манчжурии в 1933 году и перешедшей на новый уровень с нападением на Китай в 1937-м: Япония могла бы сохранить доступ к нефти США, если бы прекратила свою агрессивную политику в Китае (Ienaga 1978). Ничего удивительного, что один из ведущих историков современной Японии писал о том, что вся конфронтация с Соединенными Штатами была вызвана в основном внутренними причинами (Jansen 2000). И кто может утверждать, что серия агрессивных действий Гитлера – против Чехословакии (в 1938 и 1939 годах), Польши (1939), Западной Европы (с 1939 года), и против СССР (1941) – и развернутый им геноцид евреев были мотивированы поиском энергетических ресурсов?

Не были связаны с энергией ни причины Корейской войны (начавшейся из-за приказов Сталина), ни мотивы конфликта во Вьетнаме (французы сражались с партизанами-коммунистами до 1954 года, США между 1964 и 1972 годами), ни ввод войск СССР в Афганистан (1979–1989), ни война США против Талибана (началась в октябре 2001 года), ни пограничные столкновения второй половины XX века (Китай-Ин-дия, несколько раз между Индией и Пакистаном, Эритрея-Эфиопия и многие другие) и гражданские войны (Ангола, Уганда, Шри-Ланка, Колумбия). Хотя война в Нигерии с сепаратистами Биафры (1967–1970) и бесконечная гражданская война в Судане (ныне превратившаяся в конфликт Судан – Южный Судан и племенные столкновения в Южном Судане) имели очевидный нефтяной компонент, обе начались в первую очередь из-за религиозных и этнических расхождений, причем суданский конфликт возник в 1956 году, за десятилетия до того, как в регионе обнаружили нефть.

И в конечном итоге остаются лишь две войны, в которых нефть послужила реальным поводом. Вторжение Ирака в Кувейт в 1990 году удвоило запасы сырой нефти под контролем Саддама Хусейна и поставило под угрозу гигантские нефтяные месторождения Саудовской Аравии (Сафания, Зуфул, Марджан и Манифа, расположенные к югу от Кувейта, на берегу или в море), да и само выживание монархии. Но на карту было поставлено много больше, чем углеводороды, включая попытки Ирака овладеть ядерным и другим оружием массового поражения, и риск новой арабо-израильской войны (ракетные атаки Ирака на Израиль проводились, чтобы спровоцировать такой конфликт). И если контроль над нефтяными ресурсами был первичной целью войны в Персидском заливе в 1991 году, почему тогда победоносной армии отдали приказ остановиться, и почему она не оккупировала по меньшей мере самые богатые нефтяные месторождения юга Ирака?

Каким на самом деле оказался результат вторжения США в Ирак в 2003 году? Американский импорт иракской нефти достиг пика в 2001-м, когда Саддам Хуссейн еще находился у власти (41 Мт), а после вторжения импорт постоянно уменьшался, в 2015-м он составил менее 12 Мт, не более 3 % от всего импорта США (USEIA 2016b), а тот тоже постоянно уменьшался по мере того, как технология гидравлического разрыва возвращала страну в число крупнейших в мире производителей сырой нефти и природного газа (ВР 2016). Вердикт прост: США не нуждались в иракской нефти, Восточная Азия всегда была ее главным покупателем… так что, США вторглись в Ирак, чтобы обезопасить поставки углеводородов в Китай? Даже случай, который многие рассматривают в качестве яркого примера войны, вызванной энергетическими причинами, оказывается очень сомнительным! Очевидно, что более широкие стратегические цели, не важно, истинные или ложные, а вовсе не поиск ресурсов, были причиной того, что Америка ввязывалась в военные конфликты после Второй мировой.

Изменения окружающей среды

Производство и использование ископаемого топлива и электричества являются наиболее значимыми источниками антропогенного загрязнения атмосферы, выбросов парникового газа, и ведущими причинами загрязнения воды и почвы. Сжигание всех видов ископаемого топлива вызывает быстрое окисление содержащегося в них углерода, при котором происходит выброс CO₂; метан (СН₄), более сильнодействующий парниковый газ, освобождается при производстве и транспортировке природного газа; при сгорании выделяются небольшие количества закиси азота (N₂O). Сжигание угля обычно было главным источником выброса в атмосферу взвешенных частиц, а также оксидов серы и азота (SOx и NOx), но стационарные выбросы этих газов в настоящий момент в значительной степени контролируются электростатическими уловителями, десульфуризаторами и процессами удаления оксидов азота (Smil 2008а). Но даже при этом выбросы от сгорания угля продолжают оказывать большое негативное влияние на здоровье (Lockwood 2012).

Загрязнение воды значительно увеличивается во время случайных утечек нефти (из трубопроводов, железнодорожных цистерн, танкеров и очистительных заводов) и разливов кислоты. Землепользование многих территорий изменяется при поверхностной добыче угля, создании водохранилищ для гидроэлектростанций, постройке линий высоковольтной передачи, огромных складов, очистительных и распределительных мощностей для жидкого топлива, а в последнее время – из-за появления больших ветряных и солнечных ферм. Косвенным образом топливо и электричество ответственны за многие другие потоки загрязнений и виды деградации экосистем. Наиболее заметное влияние оказывают промышленность (в первую очередь черная металлургия и химическая), использование химикалий в сельском хозяйстве, урбанизация и развитие системы транспорта. Все эти воздействия постоянно усиливаются, как с экстенсивной, так и с интенсивной точки зрения, а их масштабы варьируются от локального до регионального. Потери, которые при всем этом происходят, принуждают все важнейшие экономики уделять все больше внимания экологическим проблемам.

К 1960 годам один из видов такой деградации, кислотные дожди в Центральной и Западной Европе, а также в восточной части Северной Америки, возникшие большей частью из-за выбросов оксидов серы и азота на угольных электростанциях, а также из-за автомобильных выхлопов, достигли масштабов в половину континента и до середины 1980-х рассматривались как самая сложная экологическая проблема, стоящая перед развитыми странами (Smil 1985, 1997). Следующие действия: переход на уголь с низким содержанием серы и не содержащий серы природный газ в производстве электричества, использование более чистого бензина и дизельного топлива, разработка более эффективных двигателей для автомобилей и технологии десульфуризации продуктов горения – не только приостановили процесс окисления, но двинули его в обратном направлении, так что осадки в Европе и Северной Америке стали менее кислотными (Smil 1997). Но в 1990 году проблема возникла снова, на этот раз в Восточной Азии, из-за резко выросшего потребления угля в Китае.

Частичное разрушение озонового слоя над Антарктикой и окружающим ее океаном быстро стали называть главной проблемой, связанной с потреблением энергии. Возможность снижения концентрации стратосферного озона, который защищает планету от ультрафиолетового излучения, была точно предсказана в 1974 году, феномен впервые зафиксировали над Антарктикой в 1985-м (Rowland 1989). Потерю озона вызвали большей частью выбросы хлорофторуглеродов (CFC, используются обычно как охладители), но эффективное международное соглашение, Монреальский протокол, подписанный в 1987 году, и переход на менее вредные соединения вскоре снизил угрозу (Andersen and Sarma 2002).

Разрушение озонового слоя было только первым из новых негативных факторов, несущих глобальную угрозу окружающей среде (Turner et al. 1990; McNeill 2001; Freedman 2014). Причины для постоянного беспокойства варьируются от потери глобального биоразнообразия до аккумуляции пластика в океанах, но одна проблема возвышается над другими с конца 1980 годов: антропогенный выброс парниковых газов приводит к сравнительно быстрым изменениям климата, в первую очередь к нагреву тропосферы, окислению океана и подъему уровня моря. Свойства парниковых газов и вероятность вызванного ими парникового эффекта хорошо понимали еще в конце девятнадцатого века (Smil 1997). Ведущим соединением, вносящим вклад в этот процесс, является CO₂, конечный продукт эффективного сжигания всех видов ископаемого и биологического топлива. Кроме того, немалую лепту вносит разрушение лесов (в первую очередь влажных тропических) и травянистых равнин (IPCC 2015).

С 1850 года, когда в атмосферу выбрасывали 54 Мт углерода (умножить на 3,667, чтобы перевести в CO₂), глобальная антропогенная генерация углекислого газа росла по экспоненте по мере того, как использовалось все больше ископаемого топлива: как уже отмечалось, к 1900 году значение поднялось до 534 Мт углерода, а в 2010-м превысило 9 Гт углерода (Boden and Andres 2015). В 1957 году Ганс Зюсс и Роджер Ревелл сделали вывод:

«В настоящий момент человечество осуществляет крупномасштабный геофизический эксперимент такого рода, который нельзя было сделать в прошлом и не получится воспроизвести в будущем. За несколько столетий мы вернули в атмосферу и океан концентрированный органический углерод, запасенный в осадочных породах за многие сотни миллионов лет» (Revelle and Suess 1957, 19).

Первые систематические измерения уровня остаточного CO₂, организованные Чарльзом Килингом (1928–2005), начались в 1958 году вблизи вершины Мауна-Лоа на Гавайях и на Южном полюсе (Keeling 1998). Концентрация на Мауна-Лоа использовалась в качестве глобального маркера роста содержания CO₂ в атмосфере: средняя величина составила 316 частиц на миллион в 1959 году, превысила 350 в 1988-м, и достигла 398,55 в 2014 году (NOAA 2015, рис. 6.22). Другие парниковые газы человек выбрасывает в атмосферу в гораздо меньших объемах, чем CO₂, но поскольку их молекулы поглощают сравнительно больший объем исходящего инфракрасного излучения (метан в 86 раз больше за 20 лет, оксид азота в 268 раз больше, чем CO₂), их совместное влияние в данный момент составляет около 35 % антропогенного радиационного воздействия (примечание 6.18).

Рисунок 6.22. Атмосферный CO₂, измеренный в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях (NOAA 2015)

По расчетам, для того, чтобы избежать наихудших последствий глобального потепления, средний подъем температуры должен быть ограничен 2 °C, но это потребовало бы немедленного и значительного сокращения сжигания ископаемого топлива и быстрого перехода на неуглеродные источники энергии, что не то чтобы невозможно, но крайне маловероятно, учитывая доминирование ископаемого топлива в мировой энергетической системе и огромные энергетические потребности малообеспеченных обществ. Некоторые большие статьи потребностей можно удовлетворить с помощью возобновляемых источников электроэнергии, но не существует доступной, масштабной альтернативы топлива для транспорта, производства сырья (для удобрений, пластика) и плавки железной руды.

Примечание 6.18. Парниковые газы и рост температуры тропосферы

В 2014 году глобальный показатель антропогенного радиационного воздействия (объем парниковых газов, влияющий на энергетический баланс планеты) достиг 2,936 Вт/м², и вклад CO₂составил 65 % (Butler and Montzka 2015). Что до ресурсов, то ископаемое топливо обеспечило около 60 %, изменение землепользования (в первую очередь сведение лесов) около 10 %, а выброс метана (в основном за счет домашнего скота) – около 20 %. Глобальный рост температуры поверхности (комбинированные данные для океана и суши) идет по прямой на 0,85 °C (0,65-1,06 °C) между 1880 и 2012 годами (IPCC 2015). Из-за неопределенности относительно уровня выбросов в будущем и сложности атмосферных, гидросферных и биосферных процессов и взаимодействий, управляющих глобальным углеродным циклом, в настоящий момент невозможно создать надежную модель предсказания уровня температуры и подъема уровня моря до 2100 года. Последние общепринятые оценки показывают, что (в зависимости от уровня выбросов в будущем) к концу XXI века средняя глобальная температура будет как минимум на 0,3–1,7 °C выше, чем в 1986–2005 годах, но может вырасти и на 2,6–4,8 °C (IPCC 2015).

В любом случае, Арктика будет нагреваться с несколько большей скоростью. Очевидно, что меньшая скорость изменений облегчает адаптацию, в то время как большая вызывает много серьезных проблем. Число изменений, причиной которых называют глобальное потепление, множится, к ним относят новые паттерны осадков, затопление прибрежных районов, сдвиг границ экосистем и распространение трансмиссивных болезней, свойственных теплому климату. Изменения в продуктивности растений, потеря недвижимости в прибрежных районах, секторальная безработица, крупномасштабная миграция из пострадавших регионов являются ключевыми экономическими последствиями. Не существует простого технического решения (такого как извлечение CO₂ из воздуха или создание запасов CO₂под землей, оба варианта требуют громадных и дорогостоящих усилий, ведь для того, чтобы они были эффективными, нужно справляться с порядка 10 Гт CO₂/г) для проблемы антропогенного выброса парниковых газов. Единственный потенциально успешный подход состоит в том, чтобы работать со всеми грозящими нам изменениями на невиданном ранее уровне международной кооперации. Угрожающая нам проблема предлагает фундаментальную мотивацию для того, чтобы совершенно иным образом строить отношения между странами и народами.

Долгосрочная взаимосвязь между человеческими достижениями и доминирующими источниками энергии и меняющимися первичными движителями лучше всего, вероятно, раскрывается, если описывать ее в терминах энергетических эпох и переходов. При этом нужно избегать жесткой периодизации (поскольку некоторые переходы происходили очень медленно) и признавать, что обобщения относительно отдельных периодов должны учитывать различия в формах и скорости ключевых основополагающих процессов. Возможно, лучшим недавним примером является исключительно быстрое развитие Китая после 1990 годов, когда за одно поколение было достигнуто то, на что у многих наций на более ранней стадии индустриализации ушло три поколения. Существует также множество национальных и региональных особенностей, движущих подобные комплексные изменения и придающих им форму.

Наиболее очевидные общие черты, определяющие отдельные энергетические эпохи, можно обнаружить в видах деятельности, относящихся к извлечению, преобразованию и распределению энергии. Человеческие мускулы и запряженные волы схожим образом ограничивают территорию, которую можно обработать за день, буть то в Пенджабе или Пикардии; производство древесного угля традиционным способом в Тохоку (север острова Хонсю) мало отличается от той же процедуры в Йоркшире (север Англии). После возникновения современной глобальной цивилизации черты сходства стали абсолютными: те же самые источники энергии и первичные движители в настоящее время используются по всему миру в одинаковых процессах, и часто производятся или доставляются потребителю небольшим числом доминирующих компаний.

К числу таких глобальных компаний относятся «Schlumberger», «Halliburton», «Saipem», «Transocean» и «Baker» в обслуживании нефтяных месторождений; «Caterpillar», «Komatsu», «Volvo», «Hitachi» и «Liebherr» в области тяжелой строительной техники; «General Electric», «Siemens», «Alstom», «Weir Allen» и «Elliott» в случае больших паровых турбин; «Boeing» и «Airbus» – крупных реактивных самолетов. Когда корпорации охватывают сервисом и продуктами весь мир, международные различия в эффективности и надежности значительно уменьшаются или даже полностью исчезают, и в некоторых случаях те, кто начал позже, в настоящий момент имеют более высокую долю продвинутых технологий, чем те, кто был среди пионеров индустриализации. Несмотря на большие различия в культурных и политических условиях, существует удивительно широкий диапазон для генерализации социально-экономических последствий фундаментальных энергетических изменений.

Поскольку наиболее выгодная эксплуатация идентичных энергетических ресурсов и первичных движителей требует одинаковых технологий, это единообразие также подразумевает множество идентичных или очень похожих последствий не только для культивации злаков (начиная с доминирования нескольких коммерческих сортов и массового производства животной пищи), промышленной активности (специализация, концентрация и автоматизация), организации городов (начиная с роста деловых центров внутри городов, субурбанизации и необходимости создавать зеленые пространства) и для средств транспорта (в больших городах одинаково требуются шоссе, пригородные поезда, личные автомобили и такси), но также для паттернов потребления, способов отдыха и нематериальных стремлений.

В каждом зрелом высокоэнергетичном обществе и в городских районах многих до сих пор сравнительно быстро растущих экономик телевизорами, холодильниками и стиральными машинами обладает более 90 % домохозяйств, а в число других предметов, которыми владеют почти все, входят разные вещи от персональных электронных устройств до кондиционеров и легковых автомобилей. Глобальные тренды в области питания включают интернационализацию вкусов (курица тикка масала является самым популярным блюдом в Англии, и ее же знают под названием карэ райсу в Японии), широкое распространение фастфуда, круглогодичную доступность сезонных фруктов и овощей, что подразумевает значительные затраты энергии на межконтинентальную перевозку в рефрижераторах и доставку по воздуху Среди почти универсальных в настоящее время способов отдыха находятся полеты к теплым морям, визиты в тематические парки (американский «Диснейленд» ныне имеется во Франции, Китае, Гонконге и Японии), круизы на специальных лайнерах (изначально это развлечение появилось в Европе и Северной Америке, сейчас оно переживает рост популярности в Азии). И если сделать шаг вперед, то общие энергетические основания в конечном итоге влияют на многие нематериальные стремления, особенно в области продвинутого (и элитного) образования.

Но раз за разом возникает огромный разрыв между малообеспеченными обществами (в энергетических основаниях которых лежит сочетание традиционного биологического топлива и одушевленных первичных движителей с растущими долями ископаемого топлива и электричества) и высокоэнергетичными (индустриальными или постиндустриальными) странами, где потребление ископаемого топлива и электричества на душу населения достигло или почти достигло уровня насыщения. Этот разрыв можно видеть на любом уровне, когда смотришь на общий объем производства или на средние стандарты жизни, на производительность труда или доступ к образованию. И этот разрыв основан не только на международных различиях, но гораздо больше на недоступных большинству привилегиях (образование, широкие возможности), и его реальность лучше всего иллюстрирует обеспеченный класс в Китае и Индии. В 2013 году один филиал китайского Sports Car Club требовал от своих членов, чтобы у них во владении находился автомобиль лучше, чем Porsche Carrera GT за 440 тысяч долларов (Taylor 2013), в то время как самое дорогое частное жилое здание в Азии, 27-этажный небоскреб Мукеша Амбани за 2 миллиарда долларов, позволяет видеть огромные трущобы во всей «красе».

Энергетические эпохи и переходы

Любая реалистичная периодизация того, как люди использовали энергию, должна учитывать как доминирующий тип топлива, так и главные первичные движители. Поэтому нам не подходят два концептуально привлекательных разделения истории на две энергетические эры. Противопоставление «одушевленное против неодушевленного» вроде бы отличает традиционное общество, где мускулы человека и животных были доминирующими первичными движителями, от современных цивилизаций, зависящих от машин на топливе и электричестве. Но это разделение приводит нас к неверным выводам как насчет прошлого, так и настоящего. Значительное количество высоких культур древности видело рождение двух классов неодушевленных первичных движителей, а именно водяных и ветряных мельниц, за много столетий до появления современных машин.

А подъем Запада в значительной степени обязан мощной комбинации двух неодушевленных первичных движителей. Сила ветра и порох использовались на океанских парусных кораблях, вооруженных тяжелыми пушками (McNeill 1989). Более того, расхождение между одушевленными и неодушевленными первичными движителями полностью достигнуто только у богатейшей пятой части человечества. Опора на тяжелый труд человека и животных все еще остается нормой в беднейших сельских районах Африки и Азии, утомительные (и часто опасные) ручные работы выполняют каждый день сотни миллионов людей, занятых в добывающей, обрабатывающей и производящей промышленности малообеспеченных стран (варьируются от разбивания камней с целью получения гравия до разборки старых нефтяных танкеров).

Второе упрощение, возобновляемые источники энергии против невозобновляемых, охватывает базовую дихотомию между тысячелетиями, когда доминировали одушевленные первичные движители и биологическое топливо, и недавним прошлым, когда возникла зависимость от ископаемого топлива и электричества. И снова реальная картина выглядит несколько более сложной. Общества эпохи дерева не имели гарантии стабильной возобновляемости: чрезмерные вырубки, за которыми следовала разрушительная эрозия почв на уязвимых склонах, уничтожили условия для постоянного роста леса на больших пространствах Старого Света, особенно вокруг Средиземного моря и в Северном Китае. В сегодняшнем мире, где доминирует ископаемое топливо, энергия воды, возобновляемый источник, дает примерно одну шестую электричества, и многие земледельцы все еще полагаются на одушевленный труд в полевых работах и в поддержании оросительных систем.

Четкие границы между отдельными энергетическими эпохами не являются реалистичными не только по причине очевидных национальных и региональных различий во времени появления инноваций и широкого принятия новых видов топлива и первичных движителей, но также по причине эволюционной природы энергетических переходов (Melosi 1982; Smil 2010а). Установившиеся источники энергии и первичные движители могут быть удивительно постоянными, и новые технологии могут стать доминирующими только после долгих периодов постепенного распространения. Комбинация функциональности, доступности и затрат большей частью определяет эту инерцию. Пока старые источники или первичные движители работают хорошо в пределах сложившейся обстановки, вполне доступны и приносят прибыль, их заменители, даже с очевидно лучшими качествами, будут распространяться очень медленно. Экономисты могут видеть этот факт как пример зависимости от пути развития, концептуализированной одним из исследователей (David 1985), основавшим свои положения на использовании клавиатуры QWERTY (которой противостояла предположительно лучшая раскладка Дворака).

Но нам не требуются новые сомнительные ярлыки, чтобы описывать очень широко распространенный и заметный процесс медленного эволюционного развития, тот, который затрагивает как саму жизнь, так и принятие решений, технический прогресс и управление экономикой. Можно найти множество примеров из истории энергии. Римские водяные мельницы впервые начали использовать в V веке до н. э., но широко они распространились только через 500 лет. И даже тогда их применение было почти всецело ограничено помолом зерна. Как отметил исследователь (Finley 1965), освобождение рабов и животных от их тяжкой работы не было достаточно сильным стимулом для быстрого распространения водяных мельниц. К концу XVI века морские путешествия вокруг света на парусниках стали обычным делом, но в битве при Лепанто в 1571 году каждая сторона использовала более 200 галер, в 1588-м Непобедимая Армада отправилась завоевывать Англию, имея в составе четыре больших галеры и четыре галеаса, которые приводились в движение более чем 2 тысячами осужденных гребцов; снабженные мощными пушками шведские галеры использовались, чтобы уничтожить большую часть русского флота во Втором Роченсальмском сражении в 1790 году (Martin and Parker 1988; Parker 1996).

Тягловые животные, водяные мельницы и паровые двигатели сосуществовали в индустриализирующихся Европе и Северной Америке более ста лет. В США, где было много леса, уголь превзошел древесину в качестве топлива, и кокс стал более значимым, чем древесный уголь, только в 1880 годах (Smil 2010а). Механическая энергия в сельском хозяйстве пришла на смену энергии лошадей и мулов только в конце 1920-х, и в начале 1950-х миллионы мулов оставались в использовании на юге США, а государственные органы перестали подсчитывать сельскохозяйственных животных лишь в 1963 году. И во время Второй мировой войны массово производимые транспортные корабли типа «Либерти» (ЕС2) приводились в движение не новыми, эффективными дизельными машинами, но хорошо себя показавшими трехцилиндровыми паровыми двигателями, котлы которых работали на нефти (Elphrick 2001).

Только значительные приближения возможны при попытке очертить долгосрочные паттерны развертывания первичных движителей в доиндустриальных обществах Старого Света. Самой заметной чертой здесь является долгое доминирование человеческого труда (рис. 7.1). Человеческие мускулы были единственным ресурсом механической энергии от начала эволюции гоминин и до одомашнивания тягловых животных, которое началось лишь 10 тысяч лет назад. Доступная человеку мощность увеличивалась благодаря все более широкому набору все более качественных инструментов, в то время как эффективность животных по всему Старому Свету тысячелетиями была ограничена плохой упряжью и неадекватным фуражом, а в Океании и Америке тягловые животные отсутствовали вовсе. Человеческие мускулы, таким образом, оставались незаменимым первичным движителем во всех доиндустриальных обществах.

Рисунок 7.1. Продолжительное доминирование человеческого труда, медленное распространение машин, приводимых в движение ветром и водой, и быстрый рост использования двигателей и турбин после 1800 года – три наиболее заметных вехи в истории первичных движителей. Примерные доли оценены и рассчитаны с помощью широкого набора источников, процитированных в этой книге

Заметная дихотомия характеризовала использование человеческого труда во всех древних цивилизациях. По контрасту с его массовым применением для выполнения исключительно сложных задач в капитальном строительстве, ни одна старая высокая культура, базировалась ли она на рабстве, барщине или на свободном труде, никогда не предпринимала шагов по крупномасштабному производству товаров. Атомизация производства оставалась нормой (Christ 1984). В Китае времен династиии Хань было разработано некоторое количество методов, которые потенциально могли использоваться в массовом производстве. Возможно, наиболее замечательно, что тогда удалось усовершенствовать литье железа, создав технологию, практически идентичную той, что применяется сейчас для изготовления большого количества одинаковых металлических предметов во время одной-единственной плавки (Ниа 1983). Но самая большая из найденных плавильная печь того времени была всего 3 метра в ширину и менее 8 метров в длину. За пределами Европы и Северной Америки сравнительно маломасштабные ремесленные мануфактуры оставались нормой до XX века. Отсутствие дешевого наземного транспорта было очевидно главным фактором, мешающим массовому производству.

Затраты на дистрибуции за пределы сравнительно малого радиуса превзошли бы любую экономию от масштаба, которую могло бы обеспечить централизованное производство. Многие древние строительные проекты не требовали на самом деле экстраординарно больших вложений человеческого труда. Несколько сотен или несколько тысяч работников на основе сезонной занятости, то есть работающих лишь от двух до пяти месяцев каждый год, могли возвести громадные религиозные или защитные сооружения, выкопать длинные каналы для орошения и транспорта, построить протяженные дамбы за период в 20–50 лет. Но многие удивительные проекты потребовали куда больших сроков: например, ирригационный комплекс Кала Вева на Цейлоне создавался около 1400 лет (Leach 1959), а постепенное возведение и ремонт Великой Китайской стены растянулось на еще больший период (Waldron 1990). И столетие или два вовсе не было исключительно долгим временем для постройки кафедрального собора.

Рисунок 7.2. Средняя мощность единицы традиционного первичного движителя оставалась ограниченной даже после появления более крупных водяных колес в начале современной эпохи. Изменения начались лишь после изобретения паровых машин в XIX веке. Максимальные пределы начерчены по материалам источников, посвященных первичным движителям

Первые неодушевленные первичные движители начали значительно влиять на жизнь в некоторых частях Европы и Азии только около 200 н. э. (водяные мельницы) и 900 н. э. (ветряные мельницы). Постепенное усовершенствование этих устройств позволило использовать их для выполнения и ускорения многих тяжелых, повторяющихся задач, но замена одушевленного труда была медленной и неравномерной (рис. 7.2). В любом случае, водяные и ветряные мельницы почти не могли облегчить полевые работы, разве что с их помощью удавалось качать воду. Именно по этой причине приблизительные оценки для Англии (Fouquet 2008) показывают, что усилия человека и животных составляли в 1500 году около 85 % от всей мощности, в 1800-м – все еще 87 % (когда вода и ветер обеспечивали около 12 %), но только 27 % в 1900 году; к этому времени пар занял свое место в промышленности. Но даже в эпоху паровых машин одушевленный труд оставался незаменимым при извлечении и распределении ископаемого топлива и в бесчисленных производственных задачах; ну а в сельском хозяйстве он доминировал на протяжении всего XIX века.

Но задолго до того, как максимальная мощность работающих животных увеличилась в три раза (более сильные лошади и совершенная упряжь), водяные мельницы стали самыми мощными первичными движителями. Их последующее развитие было медленным: первое увеличение максимальной эффективности в десять раз потребовало около 1000 лет, второе – около 800. Пиковая мощность на единицу в результате превысила мощность паровой машины конца XIX века, а доминирование водяных мельниц закончилось только с появлением двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин. Оба эти изобретения были представлены в 1880 годах, но лидерство захватили только в 1920-х, и остаются ведущими первичными движителями, как стационарными, так и мобильными, в начале XXI века.

Примечание 7.1. Устойчивость одушевленного труда

В Америке лошади, мулы и волы помогли освоить большую часть ныне культивируемой земли во время распашки обширных травянистых пространств в США. Великие Равнины, канадские прерии, бразильский cerrado и аргентинская пампа были освоены в последние десятилетия века девятнадцатого и в самом начале двадцатого. Только к 1963 году, когда мощность американских тракторов более чем в 12 раз превзошла рекордный показатель всех животных в 1920-м, министерство сельского хозяйства США перестало считать тягловую рабочую силу. В период позднего императорского и раннего республиканского Китая вклад ветряных, водяных мельниц и пара оставался пренебрежимо малым по сравнению с вкладом человеческого труда, чья агрегированная мощность значительно превосходила ту, которую выдавали тягловые животные. Лучшие оценки показывают, что даже к 1970 году человеческий труд в Китае давал около 200 ПДж полезной энергии, и это по сравнению с чуть более 90 ПДж, которые приходились на тягловых животных (Smil 1976).

Доминирование человеческих мускулов ограничивало мощность наиболее широко распространенных рабочих единиц до 60-100 Вт постоянного (на протяжении дня) полезного труда. Это значит, что во всех обстоятельствах, кроме нескольких исключений, высочайшая концентрация мощности под единым командованием (от сотен до тысяч работников на стройках) давала не более 10-100 тысяч ватт постоянной мощности, хотя пиковые усилия могли превосходить это значение в разы. Архитектор или строитель каналов традиционной эпохи, таким образом, контролировал потоки энергии, эквивалентные тому, что сегодня выдает единственный двигатель, приводящий в движение небольшую землеройную машину.

Несмотря на некоторые важные континентальные и региональные различия, типичные уровни потребления топлива и превалирующие способы использования первичных движителей в высоких культурах древности были практически идентичными. Если и существовало общество, которое можно выделить в качестве исключения по причине значительных отличий в потреблении топлива и развитии первичных движителей, то это Китай эпохи Хань (207 до н. э. – 220 н. э.). Инновации, возникшие в его пределах, появились по всему миру столетия, а иногда и тысячелетия спустя. Наиболее значительные достижения ханьского Китая – использование угля при производстве железа, бурение с целью добычи природного газа, изготовление стали из чугуна, широкое распространение отвальных железных плугов, начало использования хомутов и применение многотрубной сеялки. Позже почти тысячелетие не случалось так, чтобы скопление подобных достижений возникло в краткий период времени.

В ранних мусульманских государствах появились инновации в области водоподъемных машин и ветряных мельниц, и морская торговля много выиграла от эффективного использования треугольного паруса. Но у них не было никаких радикальных инноваций в области топлива, металлургии и упряжи для животных. Только средневековая Европа, заимствуя одновременно у Китая, Индии и мусульманских стран, положила начало движению вперед во множестве важных областей. Что в самом деле ставит европейские средневековые общества особняком в области использования энергии – это растущая зависимость от кинетической энергии воды и ветра. Эти потоки обеспечивали работу все более сложных машин и беспрецедентную концентрацию мощности для разных целей. Ко времени первых великих готических соборов самые большие водяные колеса давали до 5 кВт, эквивалент более трех человек. Задолго до эпохи Ренессанса некоторые регионы континента стали зависеть от воды и ветра, сначала в обмолоте зерна, затем в черной металлургии и в изготовлении одежды, и эта зависимость также внесла вклад в развитие и распространение многих навыков, связанных с механизмами.

Поздняя средневековая и ранняя современная Европа, таким образом, была местом расширяющихся инноваций, но, как свидетельствуют отчеты путешественников того времени, посетивших Поднебесную Империю, общие технические достижения Китая выглядели более впечатляющими. Но путешественники не могли знать, как скоро все изменится. К концу XV века Европа вступила на дорогу ускоряющегося прогресса и экспансии, в то время как в утонченной китайской цивилизации началась долгая техническая и социальная инволюция. Западное техническое превосходство позволило быстро преобразовать европейские общества и начать колонизацию других материков.

К 1700 году уровни типичного использования энергии в Китае и Европе, а следовательно, и среднее материальное изобилие, выглядели по большому счету одинаковыми. К середине XVIII века доход строительных рабочих в Китае был примерно таким же, как у их «коллег» в менее развитых странах Европы, но находился далеко позади относительно лидирующих экономик континента (Allen et al. 2011). Затем прогресс в Европе набрал скорость. В терминах энергии он проявился в комбинации роста урожаев, металлургии на коксе, лучшей навигации, нового оружия, улучшения торговли и в постоянных экспериментах. Исследователи утверждают (Pomeranz 2002), что этот взлет был связан не столько с общественными институтами, отношениями или демографией в основных экономических регионах Европы и Китая, сколько с удачным расположением залежей угля и с очень разными взаимосвязями между районами добычи и их соответствующими перифериями, а также с внедрением инноваций.

Другие считают, что основания этого успеха были заложены еще в Средние века. Благоприятное воздействие христианства на технический прогресс в общем (включая идею о достоинстве ручного труда), и стремление средневекового монашества к самообеспеченности в частности были важными составляющими успеха (White 1978; Basalla 1988). Даже те ученые, которые ставят под сомнение важность этих связей (Ovitt 1987), признают, что монашеская традиция, которая поддерживала фундаментальное достоинство и духовную пользу труда, была позитивным фактором. В любом случае, к 1850 году наиболее экономически развитые районы Китая и Европы принадлежали к двум разным мирам, и к 1900 году они были разделены огромным разрывом в производительности: потребление энергии в Западной Европе по крайней мере в четыре раза превышало среднее значение для Китая.

Период очень быстрого развития после 1700 года начался благодаря нескольким гениальным изобретениям. Но величайшие успехи XIX века были достигнуты в результате тесной взаимосвязи между расширением научного и технического знания с одной стороны, и коммерциализацией новых изобретений – с другой (Rosenberg and Birdzell 1986; Mokyr 2002; Smil 2005). Энергетические основания прогресса XIX века включали развитие паровых двигателей и их широкое распространение в качестве как стационарных, так и мобильных первичных движителей, плавку железа с помощью кокса, крупномасштабное производство стали, начало генерации электричества и появление двигателей внутреннего сгорания. Масштабы и скорость этих изменений были обусловлены сочетанием энергетических инноваций с новыми методами химического синтеза и улучшением организации производства на фабриках. Активное развитие новых видов транспорта и телекоммуникаций тоже имело важное значение как для наращивания производства, так и для развития национальной и международной торговли.

К 1900 году аккумуляция технических и организационных инноваций обеспечила западному миру, к которому присоединилась новая сила в виде США, контроль над беспрецедентной долей глобальной энергии. С долей населения лишь 30 % от общего количества, западные страны потребляли около 95 % ископаемого топлива. На протяжении XX века западный мир увеличил общее потребление энергии почти в 15 раз. Неизбежно его доля потребления энергии снизилась, но к концу столетия Запад (ЕС и Северная Америка) с населением менее 15 % от глобального потреблял почти 50 % всей первичной коммерческой энергии. Европа и Северная Америка оставались ведущими потребителями топлива и электричества на душу населения и сохраняли техническое лидерство. Экономический рост Китая изменил абсолютные рейтинги: страна стала крупнейшим потребителем энергии в мире в 2010 году, к 2015-му она на 32 % опережала США, но потребление на душу населения составило всего треть от среднего в США (ВР 2016).

Другие грубые приближения возможны в описании долгосрочных паттернов потребления первичной энергии в Старом Свете (рис. 7.3). В Великобритании уголь заменил дерево в XVII веке, во Франции и Германии дерево быстро потеряло важность после 1850 года, а в России, Италии и Испании биологическое топливо оставалось все еще доминирующим в XX веке (Gales et al. 2007; Smil 2010a). Когда базовая энергетическая статистика доступна, то можно количественно оценить переходы и различить длинные волны замещений (Smil 2010а; Kander, Malanima and Warde 2013). В глобальных терминах это можно сделать с достаточной точностью с середины XIX века (рис. 7.3). Скорости замещения были низкими, но, учитывая разнообразие всяческих факторов, можно только удивляться, насколько одинаковыми.

Моя реконструкция глобальных энергетических переходов показывает, что уголь (замещая древесину) достиг 5 % мирового рынка около 1840 года, 10 % к 1855-му, 15 % к 1865-му, 20 % к 1870-му, 25 % к 1875-му, 33 % к 1885-му, 40 % к 1895-му, и 50 % к 1900 году (Smil 2010а). Отрезки времени в годах, которые проходили между этими вехами: 15-25-30-35-45-55-60. Интервалы для нефти (замещавшей уголь), которая добралась до 5 % глобальных поставок в 1915 году, были практически теми же самыми: 15-20-35-40-50-60 (нефть никогда не достигала 50 %, и сейчас ее доля уменьшается). Природный газ достиг отметки в 5 % от общих первичных поставок в 1930 году, и 25 % – через 55 лет, то есть, ему потребовалось значительно больше времени, чем углю или нефти. Схожее протекание трех глобальных переходов – уходило два или три поколения, или 50–75 лет, чтобы новый ресурс отвоевал значительную долю на глобальном энергетическом рынке – выглядит достойным внимания, поскольку три вида топлива требовали различных технологий производства, распределения и конверсии, и поскольку масштаб замещения был очень различным. Переход от 10 до 20 % для угля потребовал годового роста потребления менее чем на 4 ЭДж, а тот же переход для природного газа – примерно 55 ЭДж/год (Smil 2010а). Два наиболее важных фактора, которые позволяют объяснить сходство в скорости перехода – предпосылки для громадных инфраструктурных инвестиций и инерция материально воплощенных энергетических систем.

Рисунок 7.3. Примерные оценки долей розных видов топливо в первичной выработке энергии Старого Света за последние три тысячи лет (сверху). Достаточно точная (за исключением потребления традиционного биологического топлива) статистика после 1850 года позволяет обнаружить последовательные волны энергетических переходов (снизу): к 2010 году сырая нефть была лидирующим видом ископаемого топлива, но уголь и природный газ отставали не так сильно. Основано на данных из UNO (1956) и Smil (2010а)

Хотя последовательность трех замещений не значит, что четвертый переход, сейчас находящийся на самой ранней стадии (когда ископаемое топливо заменяется возобновляемыми источниками энергии), будет происходить с той же скоростью, и шансы, что он затянется, велики. В 2015 году два новых способа генерации электроэнергии давали все еще менее 2 % мировой выработки первичной энергии (солнечная 0,4 %, ветровая 1,4 %; ВР 2016). Два прорыва ускорили бы этот сдвиг: быстрое строительство новых атомных станций на основе улучшенных конструкций и появление недорогих способов запасать энергию ветра и солнца в больших масштабах. И даже тогда еще останется проблема замены миллиардов тонн высокоэнергоемкого жидкого топлива в сфере транспорта и необходимость наладить производство чугуна, цемента, пластмасс и аммиака без ископаемого углерода.

Долгосрочные тенденции и снижение затрат

Постоянные переходы к более мощным первичным движителям могут быть достоверно прослежены в терминах как типовой, так и максимальной производительности (рис. 7.4). Размер мощности, соединяющий пиковую производительность первичного движителя, сдвинулся с примерно 100 Вт для постоянного человеческого труда до 300–400 Вт для тягловых животных где-то в 3-м тысячелетии до н. э.; затем линия поднялась до около 5000 Вт (5 КВт) для горизонтальных водяных колес к концу 1-го тысячелетия н. э. К 1800 году показатель превысил 100 тысяч Вт (100 кВт) в паровых двигателях, и они оставались самыми мощными источниками энергии до середины XIX века, когда водяные турбины обрели краткосрочное превосходство между 1850 и 1910 годами (достигнув 10 МВт). Впоследствии паровые турбины стали наиболее мощными единичными первичными движителями, достигнув потолка в более чем 1 миллиард ватт (1 ГВт) в виде мощнейших представителей своего класса, установленных после 1960 года.

Иную картину мы получаем, взглянув на общую производительность первичных движителей. После 1700 года базовый глобальный паттерн можно оценить с достаточной точностью, и отличная историческая статистика делает ретроспективу легкой для США (рис. 7.5). В 1850 году одушевленный труд все еще составлял более чем за 80 % производительности мировых первичных движителей. Половиной столетия позже его доля была около 60 %, а паровые машины давали около одной трети. К 2000 году вся мировая мощность, кроме незначительной доли, воплощалась в двигателях внутреннего сгорания и генераторах электричества. В США этим глобальным изменениям предшествовала замена первичных движителей. Конечно, двигатели внутреннего сгорания (в автомобилях, тракторах, комбайнах или насосах) редко работают непрерывно, как электрические генераторы. Автомобили и сельскохозяйственные машины обычно работают менее 500 часов в год, по сравнению с более 5 тысячами часов для турбогенераторов.

Ну а в терминах фактического производства энергии глобальное соотношение между двигателями внутреннего сгорания и генераторами электричества сейчас составляет около 2 к 1.

Рисунок 7.4. Максимальная производительность первичных движителей, существовавших до 1700 года, и введенных за последние три столетия. Самые большие турбогенераторы сейчас на шесть порядков (почти в 2 миллиона раз) более мощны, чем тяжелые тягловые лошади, наиболее мощный одушевленный первичный движитель. Водяные колеса были превзойдены паровыми машинами до 1750 года, к 1850-му водяные турбины ненадолго стали самыми мощными первичными движителями, и паровые турбины являются таковыми со второго десятилетия XX века. Основано на данных из источников об отдельных первичных движителях, информация из которых приводилась в разделе

Две важные общие тенденции сопровождались ростом удельной мощности неодушевленных первичных движителей и аккумуляцией их общей производительности: соотношение масса/мощность падало (генерация все большего количества энергии все меньшими объектами), а эффективность конверсии росла (больше полезной работы на то же количество затраченной начальной энергии).

Рисунок 7.5. Глобальные доли первичных движителей в 1700 году лишь незначительно отличались от тех, которые существовали 500 или даже 1000 лет назад. По контрасту, к 1950 году вся доступная мировая мощность, кроме небольшой доли, была воплощена в двигателях внутреннего сгорания (большей частью в пассажирских автомобилях) и паровых и водяных турбинах (сверху). Неагрегированные статистические данные по США (снизу) показывают эту быструю трансформацию с большой точностью и детальностью. Глобальные показатели были оценены и начерчены по данным из UNO (1956), Smil (2010a), и Palgrave Macmillan (2013); нижний график начерчен по данным из USBC (1975) и из последующих выпусков The Statistical Abstract of the United States

Первая тенденция вела к возникновению все более легких и, следовательно, более удобных конвертеров энергии (рис. 7.6). Самые первые паровые машины, более мощные, чем лошади, были чрезвычайно тяжелыми, поскольку соотношение масса/ мощность у них принадлежало к тому же порядку, что и у тягловых животных. Более двух столетий последующего развития снизили соотношение масса/мощность для паровых двигателей до примерно одной десятой от первоначальных значений, но оно все равно осталось слишком высоким, чтобы эти двигатели можно было использовать на дорогах или в летательных аппаратах.

Рисунок 7.6. Каждый новый неодушевленный преобразователь энергии становился в конечном итоге легче и эффективнее. Постоянное уменьшение соотношения масса/мощность ведущих первичных движителей привело к тому, что лучшие современные двигатели внутреннего сгорания весят менее 1/1000 от веса тягловых животных или первых паровых двигателей равной мощности. Основано на данных, приведенных в этой книге

Соотношение масса/мощность у двигателей внутреннего сгорания (сначала бензиновых, потом дизельных) упало на два порядка менее чем за 50 лет, после того как появились первые коммерческие образцы, горизонтальные движки на угольном газе, представленные в 1860-х. Это стремительное падение открыло дорогу механизации дорожного транспорта (легковые автомобили, автобусы, грузовики) и развитию авиации. Появившиеся в 1930 годах газовые турбины (как для стационарного использования, так и для самолетов) преодолели еще два порядка в том же направлении, сделав возможными высокоскоростные реактивные путешествия по воздуху, которые начались в 1957 году, а большой масштаб приобрели после появления широкофюзеляжных авиалайнеров («Боинг-747» в 1969 году). Одновременно газовые турбины стали ведущим средством чистой и гибкой генерации электричества.

Эффективность первичных движителей ограничена фундаментальными законами термодинамики. Технический прогресс сузил разрыв между наилучшей эффективностью и возможным максимумом. Эффективность паровых машин выросла с доли процента для двигателя Севери до более 40 % для больших турбогенераторов начала XXI века. Для турбогенераторов сейчас возможны только незначительные усовершенствования, работают ли они на пару или на воде, газовые турбины комбинированного цикла могут достичь эффективности 60 %. Схожим образом, лучшие камеры сгорания в данный момент функционируют близко к максимальной эффективности. И котлы на больших электростанциях, и домашние газовые котлы могут достигать эффективности до 97 %. По контрасту, повседневная эффективность двигателей внутреннего сгорания, первичных движителей с наибольшей агрегированной установленной мощностью, все еще очень низка. Двигатель у машины, за которой плохо ухаживают, часто работает всего лишь на треть от возможного максимума.

Улучшения в эффективности освещения выглядят еще более впечатляющими (примечание 7.2).

Примечание 7.2. Эффективность и отдача освещения

Свечи превращают в свет минимум 0,01 %, и не более 0,4 % химической энергии горящего воска, жира или парафина. Первые лампы Эдисона, в которых использовались овальные петли карбонизированной бумаги, прикрепленные платиновыми зажимами к платиновым проводам, пропущенным через стекло, давали 0,2 %, на порядок выше, чем свечи, но не больше, чем современные им газовые светильники (0,15-0,3 %). Осмиевая нить, появившаяся в 1898 году, превращала почти 0,6 % электрической энергии в свет. Эта величина выросла более чем вдвое после 1905 года, при свечении вольфрамовой нити в вакууме, и затем удвоилась еще раз после начала применения инертных газов в лампочках. В 1939 году первые лампы дневного света подняли эффективность выше 7 %, и показатель стал больше 10 % после Второй мировой войны (Smil 2006).

Но лучше всего можно оценить этот выигрыш в терминах световой отдачи. Это соотношение светового и лучевого потока (выраженного в люменах на ватт) показывает эффективность, с которой источник лучистой энергии производит видимый свет, и его максимум составляет 683 лм/Вт. Здесь приведены растущие показатели световой эффективности, все в лм/Вт (Rea 2000): свечи – 0,3; газовые светильники – 1–2; первые лампы накаливания – менее 5; современные лампы накаливания – 10–15; лампы дневного света – до 100. Натриевые лампы низкого давления в настоящий момент являются наиболее эффективным коммерческим источником света (с максимумом чуть выше 200 лм/Вт), но их желтоватый свет используется только для уличного освещения. Светодиоды, подходящие для внутреннего освещения, уже подобрались к 100 лм/Вт, и вскоре будут выдавать больше 150 лм/Вт (USDOE 2013).

Более мощные, более эффективные и более легкие механические первичные движители увеличили типичную скорость дальних путешествий более чем в десять раз и на суше, и на воде, и обеспечили возможность полетов (рис. 7.7). В 1800 году экипаж с запряженными лошадьми обычно двигался не быстрее 10 км/ч, а тяжелые грузовые фургоны – в два раза медленнее. В 2000 году движение на шоссе происходило со скоростями более 100 км/ч, а высокоскоростные пассажирские поезда достигали 300 км/ч, а иногда и больше; стандартная крейсерская скорость реактивных самолетов равна 880–920 км/ч на высоте примерно 11 км над землей. Рост скоростей сопровождался растущими показателями грузоподъемности и дальности в транспортировке как товаров, так и людей.

Рисунок 7.7. Максимальные скорости пассажирского транспорта выросли с менее 20 км/ч для экипажей дожелезнодорожной эры до много более 100 км/ч всего за несколько десятилетий развития локомотивов. Современные быстрые поезда обычно движутся на скоростях 200–300 км/ч, а реактивные самолеты следуют по своим маршрутам со скоростью, превышающей 900 км/ч. Основано на данных из многочисленных источников, которые цитировались в разделах книги, посвященных транспорту

На земле эта механическая эволюция достигла пика недавно, с появлением многоосевых грузовиков, грузовых составов (перемещающих до 10 тысяч тонн твердых материалов) и быстрых электричек (до 1000 человек). Супертанкеры перевозят до 500 тысяч тонн сырой нефти; крупнейшие пассажирские самолеты, «Боинг-747» и «Аэробус-380» могут нести около 500 человек, а самый большой грузовой самолет «Антонов-225» может поднять 250 тонн. Рост дальности был ничуть не менее впечатляющим: величайшее расстояние, которое может покрыть пассажирский автомобиль без заправки, сейчас около 2600 км – рекорд установил в 2012 году дизельный «Фольксваген Пассат ТДИ» (Quick 2012) – а «Боинг-747-200ЛР» может пролететь более 17 500 км.

Рост скорости и дальности средств транспорта имел свою деструктивную сторону – точно так же выросли скорость, дальность и эффективная мощность метательного оружия. Радиус действия для копий был всего несколько десятков метров; опытный воин мог увеличить эту дистанцию до 60 метров и более. Хорошие композитные луки стреляли на 500–700 м, и это было предельной дистанцией для более мощных арбалетов. Разные катапульты могли бросать камни в 20-150 кг на 200–500 метров. Их дальность быстро выросла после того, как мускулы заменил порох. Непосредственно перед 1500 годом самые тяжелые пушки могли стрелять железными ядрами в 140 кг на 1400 метров, а более легкими каменными ядрами – в два раза дальше (Egg et al. 1971).

К началу XX века, когда дальнобойность больших полевых орудий достигла нескольких десятков километров, пушки потеряли первое место в области дальности доставки средств разрушения. Они уступили его бомбардировщикам, дальность которых превысила 6000 километров при возможности нести до 9 тонн бомб к концу Второй мировой войны, а затем сами бомбардировщики уступили первенство реактивным снарядам. С начала 1960-х эти снаряды могли нести более мощные ядерные бомбы с большей точностью при запуске как из наземных бункеров, так и с подводных лодок в любой точке Земли. Дальность оружия, от древнего композитного лука Старого Света до баллистической ракеты конца XX века, увеличилась в 30 тысяч раз, а современная ракета обладает разрушительной мощностью на 16 порядков больше, чем у стрелы.

Долгосрочные тенденции потребления, как в абсолютном, так и в относительном выражении, выглядят не менее впечатляющими. В глобальном масштабе общие потоки первичной энергии, включая традиционное биологическое топливо, достигли 20 ЭДж в 1800 году, почти 45 ЭДж в 1900-м, 100 ЭДж в 1950-м, более 380 ЭДж в 2000-м, и более 559 ЭДж в 2015 году. Это дает общегодовой рост мощности от около 650 ГВт в 1800 году до 12,2 ТВт в 2000-м, почти в 20 раз за два столетия, и к 2015 году эта цифра увеличилась еще на 40 %, до около 17,5 ТВт. Объемы добычи ископаемого топлива между 1800 и 2000 годами увеличились в 900 раз, с менее 0,4 ЭДж до более 300 ЭДж. Рост использования энергии глубоко изменил как абсолютный, так и относительный уровни потребления на душу населения.

Энергетические потребности кочевых обществ сводились к добыче пищи, изготовлению простейшей одежды и поиску временных убежищ. Высокие культуры древности направляли медленно растущие потоки энергии на создание постоянных жилищ, на разнообразие возделываемой и обрабатываемой пищи, на лучшую одежду, средства транспорта и на развитие производств (с древесным углем в качестве доминирующего ресурса, дававшего тепло для плавки руды или обжигания кирпичей). Ранние индустриальные общества – с большим количеством одомашненных животных, с кинетической энергией водяных и ветряных мельниц, с растущей добычей угля – легко удвоили потребление энергии на душу населения по сравнению с периодом высокого Средневековья.

Поначалу большая часть излишка энергии уходила на новые мануфактуры, строительство и транспорт (включая обширное инфраструктурное развитие), но рост независимого частного использования энергии не отражается в стандартных отчетах о потреблении энергии в секторах: например, статистика Международного энергетического агентства показывает, что в 2013 году только 12 % первичной энергии в США шло на бытовые нужды, в то время как Агентство по энергетической информации оценивает эту долю (включая все электричество и потери при его производстве) в 22 %, а фактическая доля (включая большие количества энергии, отнесенные к коммерческому и транспортному использованию) составляет более 30 %.

Производство энергии на душу населения в США было очень высоким уже в 1900 году, и вследствие этого к первому десятилетию XXI века оно выросло «всего» в два с половиной раза (330 против 132 ГДж на душу населения), в то время как в Японии потребление на человека между 1900 и 2015 годами увеличилось в 15 раз, в Китае – примерно в 10. Благодаря постоянному росту средней эффективности конверсии рост потребления полезной энергии на душу населения был еще выше: в зависимости от страны, как минимум четырехкратным, как максимум – 50-кратным за XX век. С общей энергетической эффективностью не выше 20 % США потребляли на душу населения не более 25 ГДж полезной энергии в 1900 году, но к 2000-му со средней эффективностью 40 % показатель был около 150 ГДж/на душу, что дает рост в 7 раз за век. Мои лучшие расчеты для Китая показывают рост полезной энергии на душу населения с 0,3 ГДж в 1950 году до около 15 ГДж в 2000-м, то есть в 50 раз всего за два поколения.

Данные по Британии (Fouquet 2008) иллюстрируют полезный выигрыш для главных категорий потребления энергии за 250 лет между 1750 и 2000 годами. Для всей промышленной мощности (в 1750 году ее обеспечивали труд животных, водяные колеса, ветряные мельницы и несколько паровых машин; в 2000-м – большей частью электромоторы и двигатели внутреннего сгорания) множитель был 13 за 250 лет; для отопления – 14, для всего пассажирского транспорта (в 1750-м лошади, телеги, экипажи, баржи и парусные корабли; в 2000-м автомашины и корабли, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания, а также реактивные самолеты) он составил около 900; и (как уже отмечалось) освещение занимает место наверху рейтинга, поскольку средний британец потребил в 11 тысяч раз больше света в 2000 году, чем в 1750-м.

Эти множители, отражающие выигрыш в полезной энергии, лучше всего объясняют большой рост в объеме производства, повышение качества жизни, возникновение беспрецедентной мобильности и (если разумные инопланетяне сочтут возможным бросить взгляд на Землю) такое количество света, что снимки со спутников, сделанные ночью, показывают большие регионы Европы, Северной Америки и Азии как сплошные пятна сияния. Но высокую энергетическую эффективность сводит на нет рост населения и, следовательно, увеличение потребности в энергии. Хотя мировая экономика стала сравнительно менее энергоемкой, агрегированное использование энергии все растет, и только некоторые из наиболее развитых стран продемонстрировали насыщение среднего уровня в потребности в энергии на душу населения в течение последних трех десятилетий.

При этом энергия, необходимая для обеспечения физических жизненных потребностей, составляет все меньшую долю в общем объеме потребления. Производство громадного разнообразия товаров, предоставление бессчетного количества услуг, видов досуга и транспорта сейчас потребляют большую часть топлива и электричества во всех богатых странах; тот же самый паттерн приложим к растущему числу обеспеченных городских сообществ во всех густонаселенных развивающихся странах, в первую очередь в Китае, Индии и Бразилии. И долгосрочный выигрыш в эффективности был главной причиной значительного падения цен на энергию (сравнивая в реальных ценах с поправкой на инфляцию).

Исследователи (Kander 2013) показали, что на протяжении XX века реальные цены на энергию в Западной Европе упали на 75 % в среднем, от 80 % в Великобритании до 33 % в Италии. В работе одного из ученых (Fouquet 2008) были представлены некоторые из наиболее интересных долгосрочных тенденций (правильным образом оцененных в постоянных денежных единицах, или на единицу удельной производительности или выполненной услуги), причем с использованием данных по Англии, иногда доступных вплоть до Средних веков. Между 1500 и 2000 годами затраты на обогрев жилища упали почти на 90 %, на промышленную энергию – на 92 %, на грузовой транспорт – на 95 %, а стоимость океанского грузового транспорта – на 98 %.

Но самое впечатляющее падение произошло снова в области освещения.

Снижение стоимости топлива, используемого для генерации света прямо или через электричество, и рост эффективности осветительных устройств в комбинации привели к значительному падению стоимости освещения (деньги/люмены). В 2000 году люмен света в Британии стоил всего 0,01 % от его стоимости в 1500-м, и около 1 % от стоимости в 1900 году (Fouquet 2008). Другие расчеты (Nordhaus 1998) показывают, что к концу XX века затраты на освещение в США были на четыре порядка ниже (фактическое соотношение составило около 0,0003), чем в 1800 году. Цены на электричество упали на 97–98 % за XX век как в Европе, так и в Северной Америке (Kander 2013). Благодаря такому падению, одновременному пятикратному увеличению среднего дохода на душу населения и росту в эффективности конверсии энергии порой на порядок, к 2000 году единица электроэнергии была как минимум в 200 раз, и как максимум в 600 раз более доступна, чем в 1900 году (Smil 2008а). И с 2000 года общие расходы на электроэнергию в средней американской семье составляли всего 4–5% от дохода после уплаты налогов, что необычайно выгодно, учитывая средний размер дома и интенсивность использования транспорта (USEIA 2014).

Уменьшение затрат очерчивает неоспоримые тенденции, но нельзя забывать, что практически все эти показатели выглядели бы иначе, если бы цены на энергию полностью отражали все разнообразие внешних факторов, включая воздействие на окружающую среду и здоровье, связанное с добычей топлива, его транспортировкой, обработкой и сжиганием, а также разные способы производства электричества. Но все это никогда не бралось в расчет. Некоторые внешние факторы, например, уловители взвешенных частиц и десульфуризаторы газообразных продуктов горения, большей частью учитывали, другие игнорировали. Особенно это заметно в расчетах для ископаемого топлива, где не отражены затраты, связанные с глобальным потеплением, вызванным избытком CO₂. Кроме того, большая часть цен на энергию – не имеет значения, в так называемых свободных рыночных экономиках или в государствах, где экономика жестко регулируется, в богатых или бедных странах – субсидировались, часто в значительной степени, главным образом путем игнорирования внешних факторов, установкой низких налоговых ставок и других льгот (примечание 7.3).

Примечание 7.3. Энергетические субсидии

Международный валютный фонд (IMF 2015) более чем удвоил свою смету 2011 года в 2 триллиона долларов глобальных энергетических субсидий, подняв ее до 4,2 триллиона, и определил эту величину на 2015 год в 5,3 триллиона, или в 6,5 % мирового экономического продукта. Большая часть субсидий связана с недооценкой внутренних экологических и медицинских нагрузок и других внешних факторов (включая пробки на дорогах и аварии). Китай, с его огромным потреблением угля, был ведущим источником субсидий в абсолютных терминах (около 2,27 триллиона долларов в 2015 году); субсидии на Украине достигали 60 % ВВП страны; и субсидии в Катаре на душу населения занимали первое место, около 6000 долларов на каждого жителя. Новая волна энергетических субсидий была потрачена, чтобы создать, а потом расширить производство энергии за счет солнца и ветра, двух ведущих возобновляемых источников, а также на переработку растений для получения топливного этанола (Charles and Wooders 2011; Alberici et al. 2014; USEIA 2015c).

Что не изменилось?

Учитывая фундаментальную природу развития, опирающегося на энергию, подобный вопрос выглядит очевидным. И очевидный простой ответ должен звучать так: принятие и распространение новых источников энергии и новых первичных движителей послужило фундаментальной физической причиной для экономических, социальных и экологических перемен, и они трансформировали буквально каждую черту современных обществ; этот процесс шел всегда, но его скорость увеличивалась. Доисторические изменения – лучшие инструменты, мастерство обращения с огнем, лучшие охотничьи стратегии – происходили очень медленно, в масштабах десятков тысяч лет. Последующее принятие и интенсификация постоянного земледелия затянулись на тысячелетия. Наиболее важным последствием перехода к земледелию стал значительный рост плотности населения, приведший к социальной стратификации, специализации и начальной урбанизации. Высоко-энергетичные общества, возникшие в результате растущего потребления ископаемого топлива, сами по себе стали воплощением перемен, будучи одержимыми стремлением к постоянным инновациям.

Плотность населения в кочевых обществах сильно варьировалась, но, за исключением нескольких прибрежных культур, она никогда не превышала одного человека на квадратный километр. Даже наименее продуктивные кочевые земледельцы подняли этот показатель как минимум в десять раз. Оседлое земледелие дало рост еще в десять раз. Интенсификация традиционного сельского хозяйства потребовала большего объема вложенной энергии. И пока одушевленный труд оставался единственным первичным движителем полевых работ, доля населения, вовлеченного в растениеводство и животноводство, оставалась высокой, более 80 %, обычно свыше 90 %. Валовая энергоотдача интенсивного земледелия увеличивалась за счет ирригации, террасирования, культивации нескольких растений одновременно, севооборота, удобрений, и все же она была обычно ниже, чем у экстенсивного земледелия, хотя и позволяла поддерживать большую плотность населения.

Наиболее интенсивное традиционное сельское хозяйство – лучшим примером является азиатская круглогодичная модель выращивания нескольких растений, обеспечивающая вегетарианский рацион – могло обычно поддержать более пяти человек на гектар обработанной земли. Такая плотность уже вела к постепенной урбанизации, но рост городов, расширение торговли и эффективная интеграция растущих империй были ограничены в первую очередь низкими скоростями и малой вместимостью наземного транспорта. Общества на берегах морей имели преимущество в виде парусных кораблей, которые использовались как для межконтинентальной торговли предметами роскоши, так и для демонстрации силы.

По контрасту с медленными, кумулятивными трансформациями традиционных обществ, социально-экономические последствия индустриализации на основе ископаемого топлива были почти мгновенными. Замещение биологического топлива ископаемым и более поздняя замена одушевленной энергии электричеством и двигателями внутреннего сгорания создали новый мир за каких-то несколько поколений (Smil 2005). Америка была экстремальным примером сжатых во времени изменений. Мощь и влияние США были созданы за счет экстраординарно высокого использования энергии, больше, чем в случае любого другого современного государства (Schnurr and Netschert 1960; Jones 2014; Smil 2014b). В 1850 году страна была почти полностью сельской, жила за счет дров и обильного импорта. Столетием позже – после того, как потребление полезной энергии на душу населения выросло более чем в три раза, и страна сделалась крупнейшим производителем и потребителем ископаемого топлива в мире, ведущим техническим инноватором, способным превратить эти преимущества в политическую мощь, – США стали экономической, военной и технологической супердержавой.

Наиболее очевидная физическая трансформация нового мира на ископаемом топливе произошла благодаря взаимосвязанным процессам индустриализации и урбанизации. На самом фундаментальном уровне они освободили сотни миллионов людей от тяжелого физического труда, обеспечили больший объем и разнообразие пищи, лучшие жилищные условия. Комбинация более производительного сельского хозяйства и новых трудовых возможностей в расширяющейся промышленности привела к массовой миграции из деревень и непрерывной быстрой урбанизации на всех континентах. В свою очередь, эти изменения привели к тому, что значительно выросло глобальное использование энергии. Инфраструктурные требования городской жизни подняли потребление энергии на душу населения по сравнению с сельской местностью и даже с не подвергшимися индустриализации городами. Эти сравнительно высокоэнергоемкие потребности не могли быть обеспечены без дешевых средств дальнего транспорта, способного перевозить продукты и топливо, а позже – и без передачи электричества.

Механизация массового фабричного производства, приведенная в движение ископаемым топливом и электричеством, позволила массово производить товары общего потребления, увеличить их разнообразие и улучшить качество, не повышая при этом цены. Благодаря ей появились новые материалы (металлы, пластик, композиты) и значительно интенсифицировались торговля, транспорт и телекоммуникации, образовавшие единую глобальную систему, доступ к которой получил любой индивидуум с достаточным доходом. Неизбежным последствием стали толпы народа в городах, коммерциализация всего и вся, вооруженные селфи-палками армии туристов, берущие в осаду любую достопримечательность.

Эти процессы также ускорили социальные изменения во всех аспектах общества. Оказался сломан традиционный круг ограниченных социальных и экономических горизонтов, в первую очередь (если не учитывать неизбежную инверсию соотношений между объемом коммуникации и ее качеством) для миллиардов пользователей социальных сетей, во вторую очередь для часто контрпродуктивных офшорных зон и субконтрактных отношений в производственной деятельности (вследствие более высоких транспортных затрат и недостатка должного контроля качества). Они улучшили состояние здоровья населения и увеличили срок жизни, почти всегда ко благу (не учитывая проблем, связанных со старением популяции). Они распространили и базовую грамотность, и более высокие стандарты образования (хотя массовое использование стипендий в области получения университетских степеней снизило их ценность) и позволили значительной доле населения мира узнать, что такое благополучие. Они создали больше места для демократии и прав человека (но на самом деле не сделали мир более демократичным).

Об электричестве необходимо поговорить особо, учитывая множество уникальных ролей, которые оно играет. Опора на эту наиболее гибкую и максимально удобную форму энергии быстро переросла во всеохватывающую зависимость. Без электричества современные общества не в состоянии обеспечить себя едой привычным образом: электричество приводит в действие компрессоры как на фабриках по производству аммиака, так и в домашних холодильниках. Общества не смогут предотвратить болезни (вакцины хранятся в тех же холодильниках) и позаботиться о больных (диагноз зависит от устройств на электричестве, от рентгеновских аппаратов до новейших установок МРТ, а поддержкой жизни в палатах интенсивной терапии занимаются компьютеры), контролировать потоки транспорта, справиться с огромными объемами информации (центры обработки данных стали крупнейшими потребителями энергии) или с городскими сточными водами.

И само собой, без электричества современные общества не в состоянии поддерживать работу промышленности, способной массово производить все растущий ассортимент высококачественных и при этом доступных товаров. Подобный способ производства уничтожил большую часть древнего разделения между замечательным разнообразием изысканных предметов роскоши, которые изготавливали в небольшом количестве для немногих избранных, и ограниченным ассортиментом широкодоступных грубых поделок. Растущая доля все увеличивающегося производства находит путь на мировой рынок. В 2015 году международная торговля составляла около 25 % от мирового ВВП, и это по сравнению с 5 % в 1900-м (World Bank 2015с). Этот тренд ускорился с появлением более быстрых и надежных методов транспортировки и мгновенной электронной связи. Ископаемое топливо и электричество перевели мир из состояния мозаики экономических автаркий и ограниченных культурных горизонтов в фазу единого целого, зависимость отдельных частей которого между собой растет.

Не менее глубоким изменениям в эпоху ископаемого топлива подверглись и социальные отношения. Возможно, наиболее важной стала система распределения материальных благ. Изменения во всем, от статуса до контракта привели к большей личной и политической взаимозависимости. Эта трансформация привела к появлению нового рабочего порядка (обычно фиксированных рабочих часов и многоуровневой организационной иерархии) и новой системы социальных групп (профсоюзы, управленцы, инвесторы). Почти с самого начала она вызвала и новые проблемы, в первую очередь – необходимость справляться с крайностями быстрого регионального промышленного роста и хронического экономического спада. От этого неравенства продолжают страдать даже богатые страны. И новая напряженность в международных отношениях возникла из-за торговых барьеров, субсидий, тарифов и иностранной собственности.

Введение новых источников первичной энергии и новых первичных движителей также оказало мощное воздействие на циклы экономического роста и технических инноваций. Значительные инвестиции требуются, чтобы создать обширную инфраструктуру, необходимую для освоения новых источников энергии, транспортировки топлива и передачи электричества, а также чтобы перерабатывать топливо и массово производить новые первичные движители. В свою очередь, новые источники энергии и первичные движители порождают кластеры постепенного усовершенствования и фундаментальных технических инноваций. Классическое описание деловых циклов (Schumpeter 1939) в промышленных странах Запада показывает четкую корреляцию между новыми источниками энергии и первичными движителями с одной стороны, и ростом инвестиций с другой (примечание 7.4., рис. 7.8).

Примечание 7.4. Деловые циклы и энергия

Первый хорошо задокументированный экономический скачок (1787–1814) совпадает с расширением добычи угля и с первичным введением стационарных паровых машин. Вторую волну экспансии (1843–1869) обеспечили распространение мобильных паровых машин (железные дороги и пароходы) и прогресс в черной металлургии. Третий подъем (1898–1924) был вызван ростом генерации коммерческой энергии и быстрым замещением механических приводов электромоторами в фабричном производстве. Центральные точки всех этих подъемов разделены примерно 55 годами. Воодушевляющие результаты исследований, проведенных после 1945 года, в значительной степени подтвердили существование примерно пятидесятилетних циклов в человеческих отношениях (Marchetti 1986) в общем, а также повторяемость долгих волн в экономике и в технических изобретениях в частности (van Dujin 1983; Vasko, Ayers and Fintvieille 1990; Allianz 2010; Bernard et al. 2013).

Эти работы показывают, что ранние стадии освоения новых первичных энергий в значительной степени коррелируют с началом больших волн инноваций. История энергетических инноваций также подтверждает все еще спорное предположение, что экономические депрессии действуют как триггеры инновационной активности. Центральные точки трех инновационных кластеров (Mensch 1979) почти точно совпадают по времени со средними точками проседания деловой активности (Schumpeter 1939). Первый кластер, достигший пика в 1828 году, четко ассоциируется с развертыванием стационарных и мобильных паровых двигателей, заменой древесного угля на каменный и производством угольного газа. Второй, достигший пика в 1880 году, включает революционные инновации в генерации энергии, электрическое освещение, телефон, паровую турбину, электролитическое производство алюминия и двигатель внутреннего сгорания. Третий, сосредоточенный вокруг 1937 года, включает газовую турбину, реактивный двигатель, лампы дневного света, радар и ядерную энергию.

Последующее наложение этой модели на реальность показало, что она работает. Послевоенный экономический подъем ассоциировался с глобальной заменой угля на углеводороды, с мировым ростом производства энергии (в том числе и за счет ядерного распада), с массовым появлением автомобилей в личной собственности и с большими энергетическими субсидиями в сельском хозяйстве. Расширение приостановилось, когда ОПЕК увеличила в пять раз цены на нефть в 1973 году. Позднейшая волна инноваций включала появление высокоэффективных промышленных и бытовых преобразователей энергии и прогресс в области фотоэлементов. Быстрое распространение микрочипов, развитие вычислительной техники, использование оптических волокон, введение новых материалов и методов промышленного производства, повсеместная автоматизация и роботизация стали еще более значимыми энергетическими импликациями.

Рисунок 7.8. Сравнение начальных стадий новых энергетических эпох (идентифицируемых по главному топливу и первичным движителям) с кластерами инноваций согласно Mensch (1979) и длинными волнами деловой активности согласно Schumpeter (1939). Я продлил оба графика до 2000 года

Экономические последствия использования огромного количества энергии по всему миру также отражаются в списке крупнейших компаний мира (Forbes 2015). В 2015 году пять из 20 топовых нефинансовых межнациональных корпораций занимались нефтью – EXXON, PetroChina, Royal Dutch Shell, Chevron и Sino-pec, а три принадлежали к числу изготовителей автомобилей – «Тойота», «Фольксваген» и «Даймлер». Интенсификация производства стала возможной благодаря надежной поставке доступной энергии и привела к развитию экономики, масштаб которого соотносится с концентрацией производства. Практически в каждом секторе имеются показательные примеры этого процесса. В 1900 году в США было около 200 производителей автомобилей, во Франции – более 600 (Byrn 1900). К 2000 году существовали лишь три американских фирмы, «Дженерал Моторе», «Форд» и «Крайслер», и две французских, «Рено» и «Ситроен-Пежо». Количество британских пивоварен упало с более чем 6 тысяч в 1900 году до всего 142 к 1980-му (Mark 1985). Но в ряде отраслей (включая микропивоварни) обратное движение имеет место с 1970-х. Это изменение в основном связывают с комбинацией лучших коммуникаций, более быстрой доставки и возможностей обеспечивать особые запросы.

В быту нашего времени наиболее важным последствием эпохи высоких энергий стала беспрецедентная степень благосостояния и улучшения качества жизни. В основе своей это достижение базируется на изобильной и разнообразной пище. Людям в богатых странах доступно куда больше, чем нужно для удовлетворения самых разных потребностей. Но одновременно с этим избытком существует недоедание, даже голод (в 2015 году около 45 миллионов американцев получали продуктовые карточки), из-за неравномерности распределения. Рост благосостояния общества более убедительно отражается в резком падении детской смертности и увеличении ожидаемой продолжительности жизни. Интеллектуальный рост проявляется в более высоком уровне грамотности, увеличении срока обучения и облегчении доступа к растущему объему разнообразной информации.

Другим важным признаком благосостояния стало использование энергии для экономии времени. Здесь стоит упомянуть не только широко распространенное предпочтение более энергоемких, но быстрых частных автомобилей перед общественным транспортом. Холодильники (устраняющие необходимость покупать еду каждый день), электрические и газовые плиты, микроволновки и кухонные комбайны (упрощающие процесс приготовления или разогревания пищи), центральное отопление (исключающее необходимость периодически топить печи) являются отличными примерами сохраняющих время технологий, которые в данный момент распространены по всему миру. В свою очередь время, освободившееся благодаря таким энергетическим инвестициям, все в большей степени используется на путешествия для удовольствия и другие виды активности, которые требуют дальнейших значительных вложений энергии.

Но один фундаментальный принцип не изменился: все эти очевидные и впечатляющие исторические тенденции, отображающие появление новых источников энергии и уровней эффективности не значат, что человечество использует энергию все более рациональным образом. На вождение машины в городских условиях, которое якобы позволяет быстрее двигаться, на самом деле тратится много времени, и это яркий пример иррационального использования энергии. Если принять в расчет время, необходимое на зарабатывание денег для покупки (или аренды) машины, ее заправки, ремонта и страхования, то средняя скорость легкового автомобиля в США окажется менее 8 км/ч в начале 1970-х годов (Illich 1974), а учитывая ухудшение ситуации на дорогах к началу 2000-х – не выше 5 км/ч, что сравнимо со скоростями, которых достигли до 1900 года омнибусы на лошадиной тяге и пешеходы. Кроме того, с эффективностью полного цикла производства топлива много ниже 10 % автомобили остаются ведущим источником загрязнения окружающей среды; как уже отмечалось, они также провоцируют множество смертей и увечий (WHO 2015b).

Топливо, электричество, а также легкие и более надежные, гибкие и эффективные конвертеры часто используются расточительно, вызывают экологические проблемы лишь для того, чтобы обеспечить эфемерное персональное удовлетворение (или претензию на него). Как заключил один из исследователей (Rose 1974, 359): «До сих пор все большее количество энергии используется, чтобы превращать ресурсы в мусор, и из этой активности мы извлекаем призрачные блага и удовольствия; не такое уж и достижение». Ничего нового нет в непродуктивном использовании энергии, и его можно рассматривать как расточительное только если человеческие общества движимы всеобъемлющей целью минимизировать использование энергии, посвятив ее только задачам или процессам, прямо необходимым для выживания вида.

Но едва наша власть над физическим миром начала приносить умеренные энергетические излишки, человеческая изобретательность тут же пустила их на создание искусственного мира разнообразия и (для некоторых) праздности, несмотря на то, что эти излишки можно было использовать для обеспечения базовых энергетических потребностей. Колонна, на которой покоится вес, может быть простым гладким цилиндром из камня или вытянутой призмой; никогда не существовало структурной или функциональной необходимости для возникновения трех ордеров древнегреческой архитектуры (дорического, ионического и коринфского). Просто обильного обеда оказалось недостаточно, римские пиры иногда продолжались не один день. Эта погоня за отличием, новизной, разнообразием шире распространилась во время Ренессанса и начала современности (1500–1800), но даже тогда ее самые выдающиеся проявления были все еще немногочисленными и в значительной степени предназначались для общественного пользования и для обеспечения потомства.

Более того, легко понять, что фундаментальные постройки досовременных обществ были не просто затратными хранилищами скудных ресурсов. Исследователи утверждают (Norenzayan 2013), что вера в вершащих суд богов («больших богов») помогала развитию кооперации, необходимой для создания и поддержания в порядке сложных обществ и монументальных структур. В качестве материального выражения господствующих верований такие постройки способствовали социальной сплоченности, воодушевляли на благоговение, уважение, смирение, созерцание и милосердие. В любом случае, потомки часто рассматривают такие сооружения как нечто безупречное, чему свидетельством количество людей, каждый год отправляющихся в путь, чтобы увидеть собор Святого Петра в Риме или Тадж-Махал в Агре (рис. 7.9). И для сравнения – разве куда более охотно не навешивают ярлыки бессмысленного использования энергии на экстравагантные, но большей частью невоодушевляющие сооружения, которые мы возводим, чтобы управляться с деньгами или наблюдать, как современные гладиаторы пинают, бросают или бьют разнообразные мячи?

Рисунок 7.9. Церковь Святого Петра, закончена в 1626 году (Corbis)

Более важно, что современные общества вознесли этот поиск разнообразия, праздного времяпрепровождения, неограниченного потребления и отличия друг от друга с помощью собственности на недосягаемые высоты и в беспрецедентном масштабе. Сейчас сотни миллионов людей расходуют в год на ненужные вещи (включая все растущее количество предметов роскоши) большую сумму, чем весь доход семьи на Западе столетие назад. Примеров такого поведения немало. Размер семьи в богатых странах продолжает уменьшаться, но средняя площадь выстроенного на заказ дома в США уже превысила 500 м²; у кораблестроителей стоит очередь на яхты с посадочными площадками для вертолетов; многие автомобили на рынке обладают столь избыточной мощностью, что ее нельзя проверить на обычной трассе; двигатель Koenigsegg Regera выдает 1,316 МВт, топовые «Ламборджини» и «Мерседес-Бенц» – 1,176 МВт, последний таскает под капотом почти 1600 лошадиных сил, в 11 раз больше, чем у небольшого автомобиля «Хонда Цивик», который я вожу.

На более общем уровне десятки миллионов людей каждый год совершают межконтинентальные перелеты к солнечным пляжам, чтобы как можно быстрее получить рак кожи. Уменьшающаяся когорта ценителей классической музыки имеет на выбор более 100 записей Quattro Stagioni Вивальди; существует более 500 разновидностей хлопьев для завтрака и более 700 моделей легковых автомобилей. Чрезмерное разнообразие приводит к значительному расходованию энергии впустую, но ему не видно конца: электронный доступ к ассортименту потребительских товаров увеличил в несколько раз возможности выбора через Интернет, а изготовление продукции по условиям заказчика для многих предметов (индивидуальные пожелания при проектировании компьютеров и аддитивное производство) обеспечит следующий уровень избыточности. То же самое касается и скорости: разве нам в самом деле нужно, чтобы кусок недолговечного барахла, изготовленный в Китае, попадал к нам через несколько часов после оформления заказа, причем с помощью дрона, никак не меньше?!

Вне зависимости от того, какие показатели использовать, все эти разновидности расточительного, непродуктивного и избыточного использования энергии глобально до сих пор находятся в меньшинстве. Если сравнивать среднее производство энергии на душу населения, то всего лишь одна пятая из 200 стран мира совершила переход к зрелому, процветающему промышленному обществу, которое опирается на высокое потребление энергии (более 120 ГДж/на душу); в популяционных терминах доля еще ниже, около 18 % (1,3 миллиарда из 7,3 миллиарда в 2015 году). Добавив богатые домохозяйства в таких не самых процветающих странах как Китай, Индия, Индонезия и Бразилия, мы повысим эту долю очень незначительно, всего до 20 %. Например, Китай сейчас находится на четвертом месте в мире по числу обеспеченных семей (впереди него США, Япония и Великобритания), но таких семей менее 5 миллионов по данным на 2015 год (Atsmon and Dixit 2009; Xie and Jin 2015).

Вследствие этого глобальное распространение западного чуда быстрых технических инноваций привело к возникновению глобального чудовищного раскола, беспрецедентного уровня экономического неравенства между странами. К 2015 году богатейшие 10 % человечества (живущие в 25 странах) потребляли около 33 % энергии. Это значит, что недельная стоимость использования энергии на душу населения в США эквивалентна общему годовому потреблению первичной энергии нигерийской семьей и двум годам поставок энергии среднему обитателю Уганды. Таким образом, беднейшие 5 % человечества (живущие в 15 африканских странах) потребляют не более 0,2 % от всей выработанной в мире коммерческой энергии.

Нет простых средств для преодоления этого неравенства, и сужение разрыва требует времени, даже в случае экстраординарно быстрого экономического роста: на протяжении 35 лет ускоренной экономической модернизации, с 1980 по 2015 год, Китай увеличил в пять раз среднее потребление энергии на душу населения (свыше 90 ГДж/на душу). Процесс этот обернулся значительными экологическими проблемами и вредом для общественного здоровья, но уровень производства энергии в стране все еще на 20–25 % ниже уровня комфорта. Более значительными даже в случае легкой доступности необходимых ресурсов выглядят экологические последствия того, что остальной мир поднимется до уровня потребления энергии, которым ныне характеризуется Запад; скорее всего, они окажутся просто неприемлемыми. Уже существуют проблемы, угрожающие всей биосфере, и они являются важным фактором при рассмотрении будущего высокоэнергетичной цивилизации. Они варьируются от сохранения биоразнообразия до быстрых антропогенных изменений климата.

Многие исторические перемены являются результатом ограниченного количества возможностей, которые зависят от использования определенных энергий конкретными способами. Опора на разные виды первичной энергии предполагает разные виды повседневной работы и досуга. Жизнь, потраченная на разбивание комьев земли тяжелой мотыгой, выращивание саженцев, перерезание стеблей с помощью серпа, собирание соломы для сжигания и ручной обмолот зерна (все эти занятия были широко распространены в конце XIX века в сельском Китае), не похожа на ту, в которой упряжки сильных лошадей тащат отвальные плуги, механические сеялки и жатки, лесопосадки дают достаточно дерева для больших печей, а муку получают на паровых мельницах (обычное дело в США конца того же столетия).

Схожим образом, опора на различные первичные движители определяет различный комплекс и темп повседневных занятий. Трудоемкое взнуздывание лошадей с помощью узды, нахрапника, оголовника, клешней хомута и самого хомута, подпруги, чересседельника и поводьев; стук подков, скрип экипажа на плохих рессорах, морды отдыхающих животных, опущенные в мешки с кормом, сбор лошадиного навоза на городских улицах и вывоз его в пригородные сады – эти образы ассоциируются с ритмом жизни, совершенно непохожим на тот, который определяется поворотом ключа зажигания, визгом шин, мягким и быстрым движением седанов и пикапов, сетью заправочных станций, легкой доступностью овощей и фруктов, на тяжелых грузовиках доставленных из других стран, или на реактивных лайнерах – с других континентов. Использование энергии в качестве первичного аналитического концепта в человеческой истории таким образом является очевидным, выгодным и желаемым выбором. Но мы не должны смотреть на энергию как на первичный объяснительный фактор. Объяснительную ценность энергетического подхода к истории не стоит преувеличивать. Неточные заявления ведут к умозаключениям, которые невозможно отстаивать. Обобщение по поводу того, что на протяжении тысячелетий более высокая социально-экономическая сложность требовала большего и более эффективно используемого потока энергии, справедливо. Но чтобы сделать вывод, что каждое усовершенствование в потоках энергии ведет к усовершенствованию в культурных механизмах, как иногда утверждают ученые (Fox 1988), – нужно проигнорировать массу противоречащих этому исторических свидетельств.

Единственный плодотворный и перспективный способ понять важность энергии в человеческой истории не сводится ни к упрощенным, детерминистическим объяснениям, которые опираются на изложение бесчисленных энергетических императивов, ни к уменьшению их важности, умалению их роли по сравнению со многими историческими факторами, от климатических перемен и эпидемий до человеческих страстей и прихотей. Конверсия энергии всегда необходима, если нужно чего-то достичь, и ни одна конверсия за пределами нашего тела, начатая и контролируемая людьми, вовсе не предопределена, но только немногие из них возникают случайно. Эта дихотомия важна для воссоздания прошлого таким, какое оно было, и для понимания будущих возможностей: они тоже не предопределены, но их масштаб ограничен, и границы эти определяются в первую очередь потоками энергии.

Императивы энергетических потребностей и видов использования энергии

Сущностная роль энергии в физическом мире и в поддержании жизни отражена в эволюционном и историческом развитии. Доисторическое развитие человеческих обществ и растущая сложность высоких цивилизаций были отмечены бесчисленными энергетическими императивами. Наиболее фундаментальный физический лимит, бесспорно, объем входящего солнечного излучения. Этот поток поддерживает температуру планеты в рамках, подходящих для углеродной жизни, и дает энергию атмосферной циркуляции и водному циклу планеты. Температура, осадки, доступность питательных веществ являются ключевыми детерминантами продуктивности растений, но только часть синтезируемой биомассы съедобна. Эти факторы очерчивают базовые способы существования, плотность населения и социальную сложность всех кочевых обществ. Чаще всего таким группам приходилось быть всеядными. Большая часть их пищевой энергии поступала от собранных, имевшихся в изобилии семян (комбинирующих крахмалы с белками и маслами) и клубней (богатых углеводами).

Концентрированное изобилие и легкая доступность собираемых растений имели большее значение, чем их общая биомасса и разнообразие. Травянистые равнины и лесостепи предлагали лучшие условия для жизни, чем густой лес. Убийство крупных (мясистых и жирных) млекопитающих давало больший выход полезной энергии, охота на меньших животных почти всегда приносила меньшее энергетическое вознаграждение, чем собирание растений. Жиры были самыми желанными питательными веществами, их обычно не хватало. Их высокая энергетическая плотность обеспечивала удовлетворительное чувство насыщения. Эти энергетические императивы диктовали стратегии охоты и собирательства и внесли вклад в появление социальной сложности.

Пока мускулы человека, а позже и животных, оставались единственными первичными движителями, скорость любого труда определялась метаболическими императивами: скоростью переваривания пищи, базовыми метаболическими и ростовыми потребностями гомойотермных тел и механической эффективностью мускулов. Постоянный поток мощности от взрослых людей не мог превышать 100 Вт. Эффективность конвертации пищи в механическую энергию не могла превосходить 20–25 %. Только массовое сосредоточение людей или тягловых животных помогало преодолеть эти лимиты и, как свидетельствуют доисторические и античные монументальные сооружения, такие подвиги, требовавшие эффективного контроля и координации, периодически совершались обществами столь различными, как строители менгиров из Ирландии и Британии, египтяне первых династий и маленькое население острова Пасхи.

Агрессия, приводимая в движение человеческими мускулами, могла осуществляться либо в битве лицом к лицу, либо скрытной атакой с дальности не большей, чем пара сотен метров. Тысячелетиями убийство требовалось совершать, находясь рядом с тем, кого собираешься убить. Человеческая анатомия не позволяет лучнику приложить максимальную силу, когда вытянутую и согнутую руки разделяет больше 70 см. Это ограничивает натяжение, а следовательно, и дальность полета стрелы. Катапульты, заряжаемые многими руками, обеспечили увеличение массы метательных снарядов, но не дальности. Результат битвы лицом к лицу в конечном итоге определялся умением, опытом и случайностью.

Переход от кочевого образа жизни к земледелию произошел благодаря комбинации как социальных, так и связанных с энергией (в первую очередь с питанием) факторов, но последующая интенсификация оседлого земледелия может быть объяснена чисто энергетическими императивами (Boserup 1965,1976). Когда существующий способ производства пищи достигает физического лимита продуктивности, популяция либо стабилизируется в размере (с помощью контроля рождаемости или миграций), либо изобретает более эффективный способ производства пищи. Очертания и продолжительность последовательных шагов интенсификации значительно варьируются, но практически всегда для освоения большего фотосин-тетического материала требуются более высокие вложения энергии. И наоборот, большие урожаи способны поддержать большую плотность населения.

Интенсификация сельского хозяйства также требовала более высоких косвенных энергетических инвестиций: на выведение и прокорм тягловых животных, на создание или приобретение все более сложных инструментов и орудий, на такие долгосрочные инфраструктурные проекты как постройка террас, оросительных каналов, прудов, зернохранилищ и дорог. В свою очередь, для такой интенсификации нужны источники энергии, отличные от человеческих мускулов. Вспашка более тяжелых почв или невероятно сложна или вообще невозможна без тягловых животных. Ручной обмолот зерна очень трудоемок, поэтому были необходимы животные, а позже энергия воды и ветра, чтобы обрабатывать обильные урожаи. Доставка зерна на большие расстояния, в города, почти всегда обеспечивалась только с помощью животных, и иногда – ветра. Производство более надежных и более эффективных железных инструментов и орудий требовало древесного угля, без которого нельзя плавить руду

Ряд особых энергетических императивов придает характерную форму миру традиционного сельского хозяйства. Где в наличии нет большого количества доступных пастбищ и где вся пахотная земля используется для выращивания еды, там потребности человеческой энергии накладывают ограничения на производство пищи и, следовательно, на число крупных тягловых животных. Во всех других случаях (исключая Америку и Австралию) тягловых животных используют все больше и больше, но часто их кормят исключительно травой и пожнивными остатками. По мере того как растет производство зерна на душу населения, достаточное количество обрабатываемой земли может быть предназначено для выращивания высококачественного фуража: в США для него использовалось почти 25 % всех сельскохозяйственных территорий, в густонаселенных низинах традиционной Азии эта величина составляла обычно менее 5 %.

Интенсивность культивации, иными словами, энергетическая плотность производства пищи, тоже оказывала воздействие. В высокоинтенсивных рисоводческих обществах Азии, где использовались террасы и заливные поля на склонах, редко находилось место для пастбищ, и буйволы часто кормились прибрежной травой или даже водными растениями. По контрасту, наличие большого количества скота, лошадей и других домашних животных в богатых землей регионах Европы (и Северной Америки XIX века) оказало влияние как на плотность сельского населения, так и на организацию самих деревень. Изобилие пространства позволяло строить амбары и конюшни и запасать навоз перед тем как использовать его на полях.

Две агроэкосистемы воплощали противоположные черты – традиционные общества юга Китая на реке Янцзы, где доминировал рис, и смешанное земледелие Западной Европы, в значительной степени зависевшее от животных как в области питания (молоко и мясо), так и в области работы. Сельскохозяйственные общества доколумбовой Америки развивались под влиянием отличающихся энергетических императивов. Все остальное было похожим, но кукуруза, злак С4, приносила большие урожаи, чем любой ее конкурент, растущий на сухой земле (пшеница, овес, рожь – все злаки СЗ), и это преимущество повышалось, когда кукурузу возделывали одновременно с бобовыми: кукуруза и бобы составляли основу сельского хозяйства в Америке, за исключением высокогорных регионов Анд, где преобладали картофель и киноа. Кроме того, в Америке, благодаря отсутствию домашних животных, у людей оставалось больше времени и энергии для других задач.

Энергетические императивы, определявшие несельскохозяйственную активность и структуру традиционных обществ, варьировались от ограничений местоположения до проблем с эффективным управлением. Плавка металлов в большом масштабе производилась только с использованием энергии воды, что ограничивало расположение топок и плавильных печей горными районами, даже при возможности недорого перевозить руду и древесный уголь. Мощность тягловых животных и плохие дороги в значительной степени ограничивали объем прибыльной перевозки громоздких материалов по земле; водный путь был предпочтительным, строились каналы. Из-за неэффективных методов производства древесного угля (менее 20 % энергии дерева превращалось в бездымное топливо) вырубались большие площади лесов.

Управление отдаленными территориями, торговые и военные экспедиции сталкивались с трудностями не только из-за низкой скорости, но из-за ненадежности и наземного, и морского транспорта. Переход из Рима в Египет, крупнейшую житницу империи, мог занять всего неделю, а мог – три месяца и более (Duncan-Jones 1990). Неудачу Непобедимой Армады, пытавшейся атаковать Англию в 1588 году, можно приписать большей части ветру: или тому, что его не было, или тому, что он дул с неудачного направления (Martin and Parker 1988). И даже в 1800 году английские корабли должны были ждать, иногда неделями, чтобы правильный ветер позволил войти в залив Плимут-Саунд (Chatterton 1926).

Энергетические императивы оказали влияние на судьбы стран и регионов во время недавних энергетических переходов. Страны, имевшие сравнительно легкий доступ к топливу, которое можно было производить и доставлять с меньшими затратами энергии, чем ранее доминировавшие конкуренты, наслаждались более быстрым экономическим ростом, с его приятными спутниками в виде процветания и улучшения качества жизни. Первый пример, где преимущества такого рода достигли национального масштаба – Голландия с ее высокой зависимостью от торфа, пережившая Золотой век в семнадцатом столетии. Хотя более ранние оценки (De Zeeuw 1978) высокой годовой добычи торфа позже были пересмотрены (Unger 1984), нет сомнений, что этот вид молодого ископаемого топлива в то время был самым важным источником первичной энергии для страны. Только несколькими поколениями позже еще более масштабное преимущество такого рода проявилось в почти полной замене дерева и древесного угля в Англии битуминозным углем и коксом (King 2011). После 1870 года этот опыт значительно превзошла экономика США, сначала опиравшаяся на отличные угли, а позже – на углеводороды.

Без сомнений, последовательно завоеванные лидирующие позиции Голландской республики, Великобритании и США связаны с тем, что эти страны раньше других начали эксплуатировать топливо, доступное с небольшими вложениями полезной энергии (иначе говоря, с большим возвратом полезной энергии). Доминирование ископаемого топлива и электричества создало невиданный ранее уровень технического, и в значительной степени также экономического и социального единообразия (рис. 7.10). Даже базовый перечень универсальных элементов инфраструктуры высокоэнергетичной цивилизации окажется длинным: угольные шахты, нефтяные и газовые месторождения, тепловые и гидроэлектростанции, трубопроводы, порты, очистительные заводы, металлургические предприятия, заводы по производству удобрений, бесчисленные обрабатывающие, химические и производящие предприятия, железные дороги, многоуровневые шоссе, аэропорты, деловые центры сплошь из небоскребов, протяженные пригороды.

Рисунок 7.10. Крупнейший мегаполис Бразилии, Сан-Паулу, сфотографирован в 2013 году. Мегаполисы – идеальные примеры глобального единообразия, которое возникает благодаря высокому уровню использования топлива и электричества (Corbis)

Поскольку универсальные элементы инфраструктуры выполняют одинаковые функции, то и внешний облик их должен быть идентичным или очень похожим, а их созданием и управлением ими все чаще занимается сравнительно небольшое число компаний, обеспечивающих мировой рынок ключевыми машинами, процессами и ноу-хау. Два наиболее очевидных беспокоящих последствия зависимости от мощных потоков энергии – ограничение выбора (иными словами, невозможность отменить существующие практики, не вызвав при этом многочисленных и масштабных неурядиц) и деградация окружающей среды. Первый феномен лучше всего иллюстрирует невозможность ликвидировать высокоэнергетичные субсидии в современном сельском хозяйстве без фундаментальной трансформации всего социума.

Например, замена работающих на полях Америки полевых машин тягловыми животными потребовала бы поголовья лошадей и мулов как минимум в 10 раз большего, чем насчитывалось в начале XX века. Примерно 300 тысяч гектаров, или двойной объем всей пахотной земли США, пришлось бы отвести на выращивание корма, а массу горожан – переселить в сельскую местность. И не только богатые страны не могут вернуться к традиционному сельскому хозяйству без полномасштабной трансформации по доиндустриальному образцу: по причине самой высокой в мире интенсивности удобрения и орошения зависимость Китая от ископаемого топлива в производстве пищи еще больше.

Ограничение выбора является парадоксальным свойством мира, в котором доминирует то, что Жак Эллюль (1912–1994) назвал просто и всеобъемлюще la technique[18] «совокупность методов, рационально продуманных и имеющих абсолютную эффективность (для данной стадии развития) в каждой области человеческой деятельности» (Ellul 1954, xxv). Этот мир дает нам беспрецедентные блага и почти магическую свободу, но взамен современные общества должны не просто адаптироваться к нему, но подчиняться его правилам и структурам. Каждый человек сейчас зависит от этой «техники», но ни один не понимает ее во всей совокупности; мы просто следуем ее диктату в повседневной жизни.

Последствия не ограничиваются невежественным повиновением, поскольку растущая мощь технологий освобождает все большее количество людей от участия в производственных процессах, и только малая часть рабочей силы теперь требуется (со все растущей помощью компьютеров) для проектирования и изготовления предметов, предназначенных для массового потребления. В результате сейчас в продажах продукта занято гораздо больше людей, чем в его разработке, создании и усовершенствовании. В 1960 году 11 из 15 крупнейших компаний США (вверху списка стояли «Дженерал Моторе», «Форд», «Дженерал Электрик» и «Юнайтед Стейтс Стил») принадлежали к числу производителей, и на них работало более 2,1 млн человек; к 2010 году только два производителя, «Хьюлетт-Паккард» и «Дженерал Электрик», с числом работников около 600 тысяч, оказались в топ-15, а доминировали ритейлеры и сервисные компании (Walmart, UPS, «Мак-Доналдс», Yum, Target).

На основе всей этой информации логично представить развитие техники как процесс замещения углеродной жизни машинами (Wesley 1974). Эволюционные параллели между этими двумя совокупностями сущностей выглядят интригующе. Машины живые с термодинамической точки зрения, и их распространение происходит по законам естественного отбора: неудачные варианты не воспроизводятся, новые виды процветают, стремятся к максимальной поддерживаемой массе; успешные поколения становятся все более эффективными (вспомним впечатляющее падение соотношения масса/мощность), более мобильными и имеют более продолжительный срок службы. Эти параллели можно отбросить как забавную биоморфизацию, но доминирование машин остается неоспоримым фактом.

Они уже заменили обширные пространства естественных экосистем инфраструктурой, необходимой для их создания, передвижения и хранения (шахты, железные дороги, шоссе, фабрики, парковки); жизнь человека все в большей степени тратится на обслуживание машин; продукты их «метаболизма» вызывают обширную деградацию почв, воды и атмосферы; общая масса только автомобилей уже выше, чем всего человечества. Конечность запасов ископаемого топлива вряд ли остановит развитие машин. В ближайшей перспективе они могут адаптироваться и стать более эффективными, в долгосрочной – перейти на возобновляемые источники.

В любом случае, только фундаментально неправильное толкование четких геологических данных может дать повод для беспокойства, что из-за высокого потребления ископаемого топлива оно быстро закончится. Запасы ископаемого топлива – малая часть ресурсной базы, чье пространственное распределение и затраты на добычу (в текущих ценах и с существующими технологиями) известны достаточно подробно, чтобы оправдать коммерческое использование. Поскольку мы извлекаем более высокие доли первоначально доступных ресурсов, наилучшей мерой их доступности является стоимость производства предельной единицы минерала. Этот подход учитывает улучшение методов эксплуатации и нашу способность выплачивать цену восстановления. Впечатляющий рост добычи нефти из обильных сланцевых месторождений – благодаря комбинации горизонтального бурения и гидравлического разрыва (Smil 2015а) Америка после 2005 года вновь стала крупнейшим производителем нефти и газа – иллюстрирует громадные возможности, которые еще можно будет эксплуатировать.

Истощение ресурсов, таким образом, не столько вопрос актуального физического исчерпания, сколько проблема возрастания затрат до некомпенсируемого уровня. Если не считать некоторых исключений (таких как отказ от добычи угля в Голландии после открытия супергигантского газового месторождения Гронинген), можно заявить, что не бывает внезапного прекращения добычи ископаемого топлива, только медленное снижение и постепенный переход к новым источникам (британская угольная промышленность является идеальным образцом). Понимание этого является критическим для оценки перспектив цивилизации ископаемого топлива. Тот факт, что ископаемое топливо конечно, не подразумевает фиксированных дат физического истощения угля и углеводородов, и не означает быстрого повышения затрат на добычу этих ресурсов и, следовательно, необходимости стремительного перехода к следующей энергетической эпохе.

Оценки резервов и разведки ресурсов недостаточно, чтобы размышлять о будущем ископаемого топлива. Глобальный спрос и эффективность использования ничуть не менее важны: спрос (движимый комбинацией экономического и популяционного роста) может предсказуемо расти, но он в то же время очень гибок, и эффективность конверсии энергии, даже после многих поколений прогресса, остается далекой от идеала. Вследствие этого не столько беспокойство по поводу быстрого истощения ископаемого топлива – особенно ярко выраженное в работах сторонников неизбежного пика добычи нефти (Deffeyes 2001) – сколько пригодность биосферы к обитанию (в первую очередь глобальные изменения климата) является самой важной кратко- и долгосрочной проблемой, возникшей по причине зависимости мира от угля и углеводородов.

Важность средств контроля

Освоение все новых источников энергии и новых первичных движителей никогда не породило бы далеко идущих последствий без возникновения новых способов обуздания этих энергий, контроля их конверсии в поток необходимого ресурса (тепло, свет, движение), текущий с желаемой скоростью. Средства контроля или триггеры могут открывать ранее закрытые пути и освобождать новые потоки энергии; они также могут увеличивать валовую рабочую производительность уже существующих процессов, делать их более надежными или эффективными. Эти средства могут быть простыми механическими устройствами (водяные колеса) или сложными и высокотехнологичными, которые сами требуют значительного вложения энергии: микропроцессоры в современных автомобилях являются отличным примером. Средства контроля могут сводиться к улучшеному протоколу управления, новым рынкам, фундаментальным политическим или экономическим решениям.

Неважно, насколько лошадь сильная и умелая, она становится эффективным первичным движителем, только когда удила вставляются ей в рот и присоединяются поводьями к рукам наездника; она может тянуть боевую колесницу только при наличии хорошей легкой упряжи; лошадь можно использовать в рыцарской битве только при наличии седла и стремян; она может быть тягловым животным при наличии хомута и железных подков, а ходить в упряжке – только когда неравномерная тяга животных разного размера уравновешивается с помощью ваги.

Отсутствие должных средств контроля сильно снижало эффективность замечательных в иных отношениях первичных движителей. И возникшие проблемы порой устранялись очень медленно. Наверное, лучшим примером такой ситуации была невозможность вычислить долготу местности. К началу XVIII века корабли с парусной оснасткой были эффективными преобразователями энергии ветра и средством создания европейских империй, но их капитаны все еще не могли определять долготу. Как было написано в петиции, поданной английскими капитанами и торговцами в парламент в 1714 году, слишком много кораблей задерживалось в пути и слишком много терялось. Поскольку вращение Земли на экваторе составляет порядка 460 м/с, то определение долготы требует хронометров, которые отклонялись бы не более чем на долю секунды в неделю, чтобы позицию корабля можно было вычислить с ошибкой менее чем в пару километров после путешествия протяженностью два-три месяца. В 1714 году акт британского парламента установил награду в 20 тысяч фунтов тому, кто сможет решить задачу. Приз в конечном итоге получил Джон Харрисон (1693–1776) в 1773 году (Sobel 1995).

Если говорить только о топливе, то история пошла бы другим путем, если бы уголь использовался исключительно как заменитель дерева в открытых топках или если бы сырая нефть годилась лишь на керосин для освещения. В большинстве случаев вовсе не доступ к изобильным энергетическим ресурсам или к конкретным первичным движителям создавал долгосрочные различия. Определяющими факторами были стремление к инновациям, заинтересованность в освоении новых ресурсов и техник, в поиске новых способов их использования. Комбинация этих факторов определяла как энергетическую эффективность целых экономик или отдельных процессов, так и безопасность и приемлемость новых техник конверсии. Примеры этих иногда ошеломляющих, но часто едва заметных воздействий можно найти во всех энергетических эпохах, для всех видов топлива и первичных движителей.

В узком техническом смысле самый важный тип средств контроля включает устройства и системы обратной связи (Doyle, Francis and Tannenbaum 1990; Astrom and Murray 2009). Они передают информацию о конкретном процессе контролирующему механизму, чтобы можно было вносить поправки. Европа начала современной эпохи получила определенное лидерство в развитии подобных устройств. Первыми представителями средств контроля этого типа стали термостаты (например, изобретенный приблизительно в 1620 году голландским инженером Корнелиусом Дреббелем), автоматическое поворотное устройство для ветряных мельниц (запатентовано в 1745 году английским кузнецом Эдмундом Ли), поплавки в бытовых цистернах и паровых котлах (1746–1758) и знаменитый центробежный регулятор Джеймса Уатта, контролировавший мощность паровой машины (1789). Современный самый распространенный пример – микропроцессоры, следящие за тем, как работает двигатель автомобиля или самолета.

Незаменимый тип средств контроля включает инструкции, которые дают возможность копировать системы производства и управления, стандартизировать товары и услуги. Быстрое развитие печати в Европе внесло значительный вклад в развитие этой сферы. К 1500 году более 40 тысяч различных изданий было выпущено в Западной Европе тиражом более 15 миллионов экземпляров (Johnson 1973). Освоение технологии тонкого гравирования на меди в XVI веке и одновременное развитие картографии было другим важным достижением на заре современной эпохи. Еще одной выдающейся инновацией этого типа стало изобретение перфокарт, которым мы обязаны Жозефу Мари Жаккару (1752–1834): поначалу они использовались (с 1801 года) для контроля ткацких операций. До 1900 года перфокарты благодаря Герману Холлериту (1860–1929) стали применять для обработки данных переписей (Lubar 1992). После 1940 года ввод с помощью перфокарт использовали сначала в электромеханических, потом в электронных компьютерах; к настоящему времени они вышли из употребления.

До конца XIX века новые средства контроля оставались в основном механическими. На протяжении XX века прогресс в математике и физике, широкое распространение транзисторов, интегральных микросхем и микропроцессоров позволило создать обширное поле для возникновения все более сложных средств автоматического контроля на электрической и электронной основе. Важнейшие инновации варьируются от широкого распространения радара (для контроля воздушного пространства, наведения ракет, работы автопилота) до миллиардов средств контроля на микрочипах в домашней и промышленной электронике.

В более широком смысле фундаментальные соображения контроля касаются того, как общества обращаются со своими энергетическими источниками и первичными движителями. Как они распределяют их между различными областями потребления? Какого баланса они хотят (если вообще хотят) достичь между противоречивыми тенденциями к автаркии и к росту важности внешней торговли? Насколько открыты они к новым товарам и идеям? Какую цену они готовы платить за военные расходы? Какую форму централизованного контроля они в состоянии осуществить? Ответы на эти вопросы во многом зависят от культурных, религиозных, идеологических и политических ограничений, склонностей и предпочтений. И вновь многочисленные примеры можно обнаружить во всех энергетических эпохах. Особенно показательны два важных контраста: первый между западными и китайскими морскими экспедициями, и второй между русским и японским подходом к экономической модернизации.

Трансокеанские путешествия требовали не только парусов, способных вести корабль круче к ветру, но также более прочных корпусов, хороших рулей и надежных навигационных устройств. Впервые почти все это появилось в Китае, и так были построены большие флоты империи Мин. Всего столетием позже путешествия Марко Поло в Китай эти флоты проникли дальше на запад от Китая чем любой европейский корабль того времени на восток. Между 1405 и 1433 годами китайцы несколько раз посетили воды Юго-Восточной Азии, Индийский океан и побережье Восточной Африки (Needham et al. 1971). Затем из-за резкой инволюции централизованной империи мореплавание стало невозможным.

По контрасту, корабли позднего Средневековья в Европе в качестве первичных движителей были намного худшими, но они участвовали в предприятиях, движимых исследовательскими, агрессивными и алчными побуждениями испанских и португальских правителей и моряков. К XVII веку постоянными стали торговые экспедиции англичан и голландцев: Ост-Индская компания была основана в Лондоне в 1600 году; Голландская VOC (Vereenigde Oost-Indische Compagnie) получила документы в 1602-м (Кеау 2010; Gaastra 2007). Между 1602 и 1796 годами корабли VOC совершили почти 4800 путешествий в Азию, а Ост-Индская компания управляла обширными районами субконтинента между 1757 и 1858 годами. Комбинация экономических, религиозных и политических побуждений привела в конечном итоге к европейскому доминированию на морях и возникновению колониальных империй.

Сравнение экономического состояния России и Японии после 1945 года может быть основано на противопоставлении: количества против качества, автаркии против коммерции, роль государства как верховного арбитра против его роли как ведущего катализатора модернизации. Небольшие запасы угля в Японии, ограниченный гидроэлектрический потенциал и практически полное отсутствие углеводородов вынудили страну стать крупным импортером энергии. Чтобы снизить зависимость от высоких цен на импортное топливо, Японии пришлось стать одним из самых эффективных в мире пользователей энергии (Nagata 2014). Правящая бюрократия продвигала кооперацию государства с промышленностью, технические инновации и прибыльный экспорт.

По контрасту, благодаря исключительному количеству полезных ископаемых в европейской России, в Сибири и в Центральной Азии СССР оказался не только самодостаточным во всех формах энергии, но и сделался значимым экспортером топлива. Но поколения негибкого центрального планирования, автаркические сталинские пятилетние планы, никуда не девшиеся после смерти диктатора, избыточная милитаризация экономики сделали страну наименее эффективным пользователем энергии в индустриальном мире: в последние годы перед падением СССР был, вне всяких сомнений, крупнейшим производителем как сырой нефти (в 1,66 раз больше Саудовской Аравии), так и природного газа (в 1,5 раза больше США), но ВВП на душу населения составлял всего 10 % от показателя для США (Kushnirs 2015).

Главные средства контроля над критически важными потоками энергии часто находились за пределами человеческого влияния: это влияние либо узурпировали, либо оно подвергалось значительному воздействию паразитных отклонений. Исследователи (McNeil 1980) объединили эти понятия в дуальной концепции микро- и макропаразитизма. Микропаразиты – бактерии, грибки, насекомые – препятствуют человеческим усилиям в получении достаточного количества пищевой энергии. Они повреждают или уничтожают злаки, поражают домашних животных или мешают эффективному использованию переваренных питательных веществ, прямо вторгаясь в человеческое тело. Поэтому современные общества тратят значительное количество энергии, чтобы ограничить распространение микропаразитов как на полях, так и в собственной популяции, для чего используются в первую очередь пестициды и антибиотики.

Макропаразитизм сводится к набору средств социального контроля над потоками энергии: сюда относятся как принуждение, от рабства до барщины и военных экспедиций, так и сложные (часто добровольные) взаимоотношения между неравными группами людей. Группы с особыми интересами стали определенно самыми важными макропаразитами в современных богатых странах. В их число входят различные профессиональные ассоциации и профсоюзы, олигополистические промышленные картели и объединения лоббистов. Оказывая влияние на политику правительства, саботируя ее или поощряя, эти группы действуют против оптимального использования ресурсов и неизбежным образом влияют на развитие энергетических ресурсов и на эффективность их применения. Они стояли за большими субсидиями, которые десятилетиями предоставлялись различным производителям ископаемого топлива и ядерного электричества, и сейчас они прячутся за новыми субсидиями, которые даются на развитие солнечной и ветровой энергетики (примечание 7.3).

Ученые (Olson 1982) справедливо называют подобные группы «распределяющими коалициями» и указывают, что в стабильном обществе будет возникать все больше таких альянсов. С этой точки зрения легко объяснить промышленный упадок в США и Британии и послевоенный успех в Германии и Японии. Организации, созданные победоносными силами после 1945 года в двух побежденных странах, были куда более инклюзивными, и их энергетическая эффективность привела к тому, что японская и немецкая экономики оказались намного менее энергоемкими, чем британская и американская. Это выглядит очевидным не только при сравнении глобальных показателей, но и практически в любом значимом секторе.

С другой стороны, действия некоторых особых групп открывали новые энергетические врата и способствовали повышению эффективности конверсии. Навыки эмигрантов из Британии XIX века в США оказали более мощное влияние, чем можно судить по пропорции мигрантов в местном населении. Поэтому их приток в США послужил важным триггером для более мощных потоков энергии (Adams 1982) и для заметной экономии энергии. Схожий процесс разворачивался в 1990-х с началом крупномасштабной эмиграции индийских инженеров в электронные и телекоммуникационные компании вообще и в Кремниевую долину в частности (Bapat 2012). И теперь вынужденные конкурировать на глобальном уровне многонациональные компании стремятся уменьшить энергоемкость собственной продукции, распространяя новые технологии и повышая эффективность конверсии энергии по всему миру.

Пределы энергетических объяснений

Большинство историков не обращаются к энергии как к одной из ключевых переменных исторического процесса. Даже Фернан Бродель (1902–1985), который настойчиво указывал на значимость материального мира и экономических факторов, не упоминает энергию в какой-либо ее форме в своем подробном определении цивилизации:

«Цивилизация прежде всего пространство, «культурный ареал», как сказали бы антропологи – локус. В пределах локуса… вы должны представить себе большое разнообразие «товаров», культурных характеристик, варьирующихся от формы домов и крыш, материала, из которого они построены, умений вроде оперения стрел, диалекта или группы диалектов, вкуса пищи, особенностей технологии, структуры верований, способа выражения любви, и до компаса, бумаги и печатного пресса» (Braudel 1982, 202).

Как будто материалы, дома, стрелы и печатные прессы возникают из ничего, без каких-либо затрат энергии. Это упрощение выглядит недопустимым при попытке назвать фундаментальные факторы, влияющие на историю, но оно оправдано, если упомянуть о том, что виды энергетических ресурсов и первичных движителей, а также уровни использования энергии не определяют стремлений и достижений человеческих обществ. Существуют бесспорные естественные причины для подобных феноменов. Конечно, конверсия энергии совершенно необходима для выживания и эволюции любых организмов, но ее модификации и различные виды использования зависят от свойств, присущих этим организмам.

Да, энергия столь же фундаментальна, как законы термодинамики, но она вовсе не является единственным детерминантом эволюции биосферы, жизни в целом и человеческой деятельности в частности: эволюция неизбежно энтропийна, но существуют другие факторы, которые нельзя заменить или повторить. Земля, залитая излучением, не могла породить углеродную жизнь без адекватного количества элементов, незаменимых для биохимических процессов, включая фосфор в АТФ, азот и серу в белках, кобальт и молибден в энзимах, кремний в стеблях растений или кальций в костях и панцирях животных. Эпигенетическая информация направляет энергию на поддержание, рост и дифференциацию, а также на репродукцию; эти необратимые трансформации рассеивают как материю, так и энергию, и на них влияют доступность земли, воды и питательных веществ, а также необходимость выстоять в межвидовой конкуренцией и борьбе с хищниками.

Энергетические потоки ограничивают, но не определяют организацию биосферы в любом масштабе. Как писали об этом исследователи (Brooks and Wiley 1986, 37–38):

«Энергетические потоки не обеспечивают нам объяснения, почему существуют организмы, почему они столь различны или почему существуют различные виды… Внутренне присущие организмам свойства определяют, как будет течь энергия, а не наоборот. Если поток энергии был бы определяющим для биологических систем, то живое существо не могло бы умереть от голода… Мы предполагаем, что организмы являются физическими системами с генетически и эпигенетически определенными индивидуальными характеристиками, которые используют текущую через среду энергию сравнительно стохастическим образом».

Но эти фундаментальные факты не оправдывают игнорирования роли энергии в истории; более того, они говорят о том, что ее необходимо рассматривать. В современных сложных человеческих обществах использование энергии много больше, чем вопрос желания, и оно обеспечивает много больше, чем простые физические потребности. Количество энергии в распоряжении общества накладывает очевидные пределы на размах его действий, но мало что может сказать по поводу базовых экономических достижений общества или его нравственного облика. Доминирующее топливо и первичные движители находятся среди наиболее важных факторов, придающих обществу форму, но не они определяют характер его успехов или падений. Это особенно очевидно, когда оцениваешь равенство между энергией и цивилизацией. Данная концепция, столь распространенная в современном обществе, приравнивает высокий уровень использования энергии к высокому уровню цивилизации: можно вспомнить, например, заключение (Fox 1988, 166): «усовершенствование культурных механизмов происходило с каждым усовершенствованием стыковки энергетических потоков».

Появление такой идеи вовсе не выглядит удивительным: только рост потребления ископаемых энергий смог удовлетворить такое количество материальных желаний в таком масштабе. Больший объем собственности и комфорта стали приравнивать к прогрессу цивилизации. Этот неравновесный подход исключает целую вселенную творческих – моральных, интеллектуальных и эстетических – достижений, не имеющих очевидной связи с потреблением энергии. Никогда не было ясной корреляции между способами и уровнями использования энергии и «усовершенствованием культурных механизмов». Кроме того, подобный энергетический детерминизм, как и любой другой упрощающий подход, ведет в ложном направлении.

Исследователи предложили (Georgescu-Roegen 1980, 264) прекрасную аналогию, которая также отражает и сложность исторических объяснений: геометрия ограничивает длину диагоналей в квадрате, но не его цвет, и «почему квадрат оказался зеленым, например, странный и почти невозможный вопрос». И таким же образом поле физических действий и достижений любого общества ограничено императивами, вытекающими из зависимости от определенных потоков энергии и первичных движителей, но даже небольшое поле можно превратить в прекрасный гобелен, возникновение которого не так просто объяснить. Несложно найти исторические доказательства для этого заключения на всех уровнях человеческой деятельности.

Универсальные, все еще актуальные этические заповеди были сформулированы древними мыслителями и моралистами, а также основателями доживших до нашего времени религий на Ближнем Востоке, в Индии и Китае в низкоэнергетичных обществах, где большая часть населения беспокоилась только о базовом физическом выживании. Христианство и ислам, две доминирующие монотеистические религии, которые продолжают оказывать мощное влияние на современный мир, появились, соответственно, около 20 и 13 веков назад, в пустынных ареалах, где сельскохозяйственные общества не имели технических средств, чтобы превращать изобильный солнечный свет в полезную энергию. Греки классической эпохи часто говорили о своих рабах в терминах, которые четко помещали последних на одном уровне с рабочими животными (именуя их tetrapoda, четвероногими, в отличие от andrapoda, двуногие, как называли свободных людей), но они дали нам фундаментальные идеи личной свободы и демократии. Одновременное существование свободы и рабства – один из наиболее примечательных аспектов греческой истории (Finley 1959), и нечто похожее, признание равенства всех людей и рабство, существовало в начале Американской республики.

США приняли свою визионерскую конституцию («Все люди созданы равными») в те времена, когда основным источником энергии служила древесина. Главный составитель этого документа и четвертый президент, Джеймс Мэдисон (1751–1836) был рабовладельцем, точно так же как и первый и третий президенты, Джордж Вашингтон (1732–1799) и Томас Джефферсон (1743–1826). Германия конца XIX века породила агрессивный милитаризм, а двумя поколениями позже – фашизм, и все сразу после того как стала ведущим потребителем энергии в континентальной Европе. Италия и Испания попали в тенета диктаторских режимов соответственно в 1920-х и 1930-х годах, когда потребление энергии в этих странах на душу населения было одним из самых низких на континенте и они отставали от Германии на поколения.

Художественные достижения тоже имеют мало отношения к уровню потребления энергии или виду энергии, который использовался в то время, когда они были совершены: создание литературы на все времена, рисование, скульптура, архитектура или музыка не показывают связи со средним уровнем потребления энергии в обществе. В первом десятилетии XVI века бездельник на площади Синьории во Флоренции мог наткнуться всего за несколько дней на Леонардо да Винчи, Рафаэля, Микеланджело и Боттичелли: сосредоточение творческих гениев, которое совершенно необъяснимо с точки зрения потребления дерева и использования тягловых животных, обычных практик в то время в любом городе Италии, а также всей Европы и Азии.

Никакие энергетические соображения не могут объяснить присутствие Глюка, Гайдна и Моцарта в одной комнате в Вене при императоре Иосифе II в 1780 годах, или тот факт, что в 1890-х в Париже свежий роман Эмиля Золя мог быть прочитан в тот же день, когда выставлялись новые полотна Клода Моне или Камиля Писсарро, а Густав Доре дирижировал «LApres-midi d un faun» Клода Дебюсси (рис. 7.11). Более того, искусство не демонстрирует прогресса, соотносимого с энергетическими эпохами: изображения животных из неолитических пещер Южной Франции, пропорции классических храмов Греции и Южной Италии, средневековые гимны из французских монастырей ничуть не менее интересны и актуальны, чем красочные композиции Жоана Миро, необычные очертания зданий Кензо Танге или напор и меланхолия музыки Рахманинова.

На протяжении XX века уровень использования энергии мало соотносился с уровнями политической и персональной свободы: они были высоки в богатых энергией США и Индии, и низки в богатом энергией СССР и бедном Пакистане. После Второй мировой войны сталинский и послесталинский СССР и некоторые страны бывшей советской империи использовали больше энергии, чем демократии Западной Европы, но при этом не могли предложить населению сравнимый уровень жизни, этот ключевой фактор и привел к кончине коммунизма. И сегодня богатая энергией Саудовская Аравия имеет куда меньший уровень свободы, чем бедная энергией Индия (Freedom House 2015).

Рисунок 7.11. Камиль Писсарро, «Le Boulevardde Montmartre, Matinee de Printemps» (1897). Масло, холст (Google Art Project)

Никогда не было значимой связи между потреблением энергии на душу населения и субъективным чувством удовлетворения жизнью или персональным счастьем (Diener, Sun and Oishi 1997; Layard 2005; Bruni and Porta 2005). В число 20 стран с высочайшим показателем удовлетворенности входят не только богатые энергией Швейцария и Швеция, но также сравнительно бедные Бутан, Коста-Рика и Малайзия, в то время как Япония (90 место) находится ниже Узбекистана и Филиппин (White 2007). World Happiness Report[19] 2015 года (Helliwell, Layard and Sachs 2015) помещает среди 25 наиболее счастливых стран такие государства со сравнительно низким потреблением энергии как Мексика, Бразилия, Венесуэла и Панама, и все они находятся впереди Германии, Франции, Японии и Саудовской Аравии.

Удовлетворение базовых человеческих потребностей требует очевидно умеренного уровня энергетических вложений, но сравнение разных стран показывает, что дальнейший рост качества жизни не имеет ничего общего с ростом потребления энергии. Общества, сильнее сосредоточенные на человеческом благосостоянии, чем на свободном потреблении, могут достичь более высокого качества жизни, потребляя меньше топлива и энергии, чем иные расточительные нации. Примером тому служат контрасты между Японией и Россией, Коста-Рикой и Мексикой, Израилем и Саудовской Аравией. Во всех этих случаях внешние факторы, относящиеся к энергетическим потокам, имели явственно второстепенное значение для внутренних мотиваций и решений. Схожий уровень потребления энергии на душу населения (например, в России и Новой Зеландии) дает принципиально разные результаты, в то время как совершенно разные энергетические показатели соответствуют удивительно близким уровням физического качества жизни: Южная Корея и Израиль имеют почти одинаковый индекс человеческого развития, хотя в Корее используют примерно на 80 % больше энергии на душу населения.

Образ духа, спрятанного за фасадом физической реальности, уместен также, если рассматривать мнимую всемирную идентичность высокоэнергетических структур и процессов. Универсальные императивы энергетических и материальных инвестиций, а также эксплуатационные требования для домн на Среднем Западе США, в Рурском регионе Германии, на Донбассе, в китайской провинции Хэбэй, на острове Кюсю в Японии и в индийском Бихаре практически одинаковые, но различия проявляются, если взять более широкий контекст. Отличительные особенности связаны с сочетанием культурных, политических, социальных, экономических и стратегических условий, в которых строятся и работают домны, а также с назначением и качеством конечных продуктов, изготовленных из выплавленного металла.

Другая важная область, где энергетические объяснения имеют ограниченную полезность – влияние производства энергии на рост населения. Сравнительно надежные долгосрочные демографические реконструкции как для Европы, так и для Китая, показывают очень долгие периоды медленного роста, состоящие из последовательных волн экспансии и кризисов, вызванных эпидемиями и войнами (Livi-Bacci 2000, 2012). Общая численность населения в Европе в первой половине XVIII века была примерно в три раза больше, чем в начале нашей эры, но к 1900 году она более чем утроилась. Улучшение качества питания было главной причиной подъема, но если свести все только к этому фактору (McKeown 1976), тогда точные реконструкции среднего потребления пищевой энергии выбиваются из картины (Livi-Bacci 1991).

И если мы припишем рост населения в Европе после 1750 года более высокому потреблению энергии (в виде лучших жилищных условий, гигиены и заботы о здоровье), тогда как мы должны объяснить одновременный рост населения Китая при династии Цин? В 1700 году численность населения страны была всего в три раза больше, чем при династии Хань около 145 года, но к 1900-му она увеличилась почти так же, как и в Европе, в три раза, достигнув 475 миллионов. Однако на протяжении этого периода не происходило значимых сдвигов к новым источникам энергии или первичным движителям, не было изменений в среднем потреблении топлива на душу населения, не случилось никаких выигрышей в среднем уровне питания; наоборот, разразился чуть ли не самый страшный голод за всю историю Китая (1876–1879).

Ничего удивительного, что энергетические соображения могут быть лишь ограниченно полезны при попытках объяснить величайшие повторяющиеся загадки истории, падения сложных обществ. Исследования этой интересной темы (Tainter 1988; Ponting 2007; Diamond 2001; Fauliseit 2015) дают простые ответы, только когда авторы игнорируют нежелательные сложности. Наиболее примечательные объяснения, затрагивающие энергию, включают эффекты обширной деградации экосистем, вызванной несовершенными методами земледелия, уничтожением лесов, результатом чего становится снижение производства пищи. Невозможность эффективной интеграции больших империй в силу слабого развития наземного транспорта и растущих затрат на защиту отдаленных территорий (синдром имперского перенапряжения) относится к числу наиболее частых объяснений.

Если изучить списки различных причин, предложенных для объяснения падения Римской империи, – наиболее исследованного «коллапса» в истории (Rollins 1983; Smil 2010с), – то видно, что социальная дисфункция, внутренние конфликты, вторжения, эпидемии, климатические изменения являются самыми популярными. Бесспорный факт состоит в том, что во многих случаях социально-политического коллапса он происходил без убедительных свидетельств ослабления энергетической базы. Ни медленный распад Западной Римской империи, ни внезапная гибель Теотиуакана не могут быть достоверно привязаны к ухудшению производства продуктов питания, к заметному сдвигу в области первичных движителей или к любому существенному изменению в использовании биологического топлива. И наоборот, оказавшие значительное влияние на историю случаи объединения и расширения – включая постепенный рост Древнего Царства в Египте, появление Римской республики в качестве доминирующей силы в Италии, быстрое распространение ислама в VII веке и монгольские вторжения в тринадцатом – тоже не могут быть привязаны к значительным переменам в использовании первичных движителей и топлива.

Легко описать экстремальные варианты будущего.

С одной стороны, уровень развития западной цивилизации может привести к значительным отличиям в области базовых паттернов поведения по сравнению с другими обществами. Распространение накопленных ею знаний может создать настоящую мировую цивилизацию, которая научится жить в пределах ограничений биосферы и увидит свой расцвет в следующем тысячелетии. Совершенно противоположной является точка зрения, что биосфера уже испорчена человеческим влиянием, которое отразилось на многих фундаментальных жизненных процессах и даже затронуло границы той области, где человечество может существовать безопасно (Stockholm Resilience Center 2015). Следовательно, в равной степени возможно – если отставить в сторону вероятность полномасштабной ядерной войны – что глобальная, высо-коэнергетичная цивилизация рухнет задолго до того, как достигнет ресурсных ограничений. Огромное пространство между этими двумя экстремумами может быть заполнено множеством сценариев, варьирующихся от временного продолжения или

даже углубления социального неравенства до медленного, но важного прогресса в направлении к более рациональной и глобальной политике.

Не рассматривая возможности столкновения с астероидом, извержения мегавулканов, беспрецедентных эпидемий (их оценки приведены в Smil 2008b), можно сказать, что постепенное разложение цивилизации, основанное на деградации биосферы и сокращении зон обитаемости, выглядит более вероятным, чем внезапное падение, как в случае Теотиуакана. Я не буду предсказывать шансы разрушительной социальной дисфункции, мировых войн или эпидемий, только отмечу сосуществование двух противоречащих ожиданий, касающихся энергетической базы современного общества: хронический консерватизм (из-за недостатка воображения?) по отношению к мощи технических инноваций и завышенные ожидания, основанные на новых источниках энергии.

Список опровергнутых технических предсказаний достаточно длинный (Gamarra 1969; Pogue 2012), и некоторые его пункты относятся к развитию и использованию различных видов конверсии энергии (Smil 2003). Экспертное мнение когда-то отвергало возможность создания газового освещения, пароходов, ламп дневного света, телефонов, бензинового двигателя, летательных аппаратов, переменного тока, радио, ракетного двигателя, ядерной энергии, спутников связи и массового распространения компьютеров. Этот консерватизм часто сохранялся даже после того, как инновации были успешно опробованы. Трансатлантические рейсы пароходов считались невозможными, поскольку суда якобы не могли нести достаточно топлива для столь долгих путешествий. В 1896 году лорд Кельвин отказался вступить в Королевское авиационное общество: его записка от руки Баден Ф. С. Баден-Пауэллу, активному стороннику развития авиации, гласила, что он «не имеет ни малейшей молекулы веры в полеты чего-либо отличного от воздушных шаров» (Thomson 1896). В то время, когда конкуренция между производителями вызывала появление все более эффективных и надежных автомобилей, высказывались мысли, что «невероятно, чтобы человек когда-либо смог двигаться со скоростью лошади» (Byrn 1900, 271).

Живучесть мифов о новых видах энергии по меньшей мере столь же примечательна. Новые энергии поначалу воспринимаются как практически лишенные сопутствующих проблем. Они обещают дешевизну и изобилие, открытие возможностей для почти утопических социальных изменений (Basalla 1982; Smil 2003; 2010а). После тысячелетий использования биологического топлива многие писатели XIX века видели в угле идеальный источник энергии, а паровую машину воспринимали в качестве чудесного первичного движителя. Серьезное загрязнение воздуха, разрушение ландшафтов, угроза для здоровья, несчастные случаи в шахтах и необходимость разрабатывать все более бедные залежи уничтожили этот миф. Электричество стало следующим носителем неограниченных возможностей, его мощь, как ожидалось, победит бедность и болезни (примечание 7.5).

Что можно предсказать с уверенностью – много большее количество энергии потребуется в течении следующих десятилетий, чтобы обеспечить достойную жизнь большей части все еще растущего населения мира, той самой, доступ к энергии у которой сейчас находится ниже минимума, определяющего удовлетворительное качество жизни. На первый взгляд это выглядит невероятно тяжелой, даже невозможной задачей. Глобальная высокоэнергетичная цивилизация уже страдает экономически и социально от своего стремительного расширения, и ее дальнейший рост угрожает целостности биосферы, от которой зависит само выживание человечества (Smil 2013а; Rockstrom et al. 2009).

Примечание 7.5. Обещания электричества, которые никогда не были выполнены

Электричество – наиболее гибкая форма энергии, и связанные с ним надежды воодушевляли многих изобретателей (Эдисон, Вестингауз, Штайнмец, Форд) и политиков, причем последние часто находились на разных полюсах спектра ценностей, как Ленин и Рузвельт. Еще до завершения Гражданской войны Ленин (1920, 1) сделал вывод, что экономический успех «может быть обеспечен только тогда, когда действительно в русском пролетарском государстве будут сосредоточены все нити крупной промышленной машины, построенной на основах современной техники, а это значит – электрификация». «Белый уголь» гидроэлектричества имел особую притягательность для западных технократов до 1950 годов, когда его отодвинули в сторону невероятные перспективы ядерной энергетики.

В 1954 году Льюис Штраус (1896–1974), председатель Комиссии по атомной энергии США (занимал пост между 1953 и 1958 годами), заявил Национальной ассоциации научных писателей в Нью-Йорке:

«Наши дети будут пользоваться в домах электрической энергией столь дешевой, что никто не будет ее считать. Не слишком смелым выглядит ожидание, что наши дети будут знать о большом голоде, время от времени случавшемся в разных регионах, только как об исторической проблеме, смогут без усилий путешествовать над морями и под ними, и по воздуху с минимальной опасностью и большой скоростью, и будут жить намного дольше, чем мы, поскольку урожаи растут, а человек понимает, что заставляет его стариться. Можно предвидеть век мира» (Strauss 1954,5).

В 1971 году Глен Сиборг, занимавший то же самое кресло, что ранее Штраус, предсказывал, что к 2000 году половину генерирующих электричество мощностей в США будут составлять экологически чистые и безопасные ядерные реакторы, и что космические корабли на ядерной тяге будут возить людей на Марс (Seaborg 1972). На самом деле в 1980-х было почти полностью прекращено строительство новых ядерных электростанций на Западе, а перспективы этой отрасли еще ухудшились после катастрофы 1986 года в Чернобыле и взрывов 2011-м в Фукусиме. Зато теперь все надежды возлагаются на ветровые турбины и солнечные батареи, занявшие мифическое пространство, освобожденное ядерными источниками энергии: будто они дадут столько дешевого электричества, что можно будет децентрализовать систему его поставки (уничтожив все центральные станции), и оно прольется, подобно манне небесной, на современный мир. Но в таких рассуждениях не учитывается, что большая часть населения мира скоро будет жить в мегаполисах, которые мало подходят для децентрализованной выработки энергии. И все еще существует, с 1945 года, перспектива получать энергию от ядерного синтеза, хотя в практическом смысле мы ничуть не ближе к использованию этой технологии, чем поколение назад.

Еще одной большой неопределенностью является долгосрочная жизнеспособность городов. Тесное социальное единство и семейное воспитание детей, характерные для сельского общества, отсутствуют в современных городах. Напряжение жизни в мегаполисах сказывается на популяции, очень долго бывшей сельской и сплоченной, как в богатых, так и в бедных странах. Например, уровень преступности в целом может, и снизился во многих государствах, но обширные районы крупнейших городов мира остаются настоящими рассадниками насилия, наркотиков, проституции, там больше всего бездомных, брошенных детей и убогого жилья. И в то же время, возможно, сильнее чем когда-либо, императивы современной экономики требуют социальной стабильности и постоянства эффективной кооперации. Города всегда обновлялись благодаря миграции из деревень – но что случится, если уже большей частью городская цивилизация столкнется с ситуацией, когда деревни полностью исчезнут, а социальная структура городов продолжит распадаться?

Но есть признаки, внушающие надежду.

Именно потому, что общий уровень использования энергии не определяет ход истории, наша активность и изобретательность могут сначала ослабить, а затем даже обратить вспять эволюционную связь между развитием цивилизации и энергией. Теперь мы понимаем, что растущее потребление энергии нельзя приравнять к эффективной адаптации, и что мы должны быть в состоянии остановить эту тенденцию, чтобы выйти из-под диктата закона максимальной энергии Лотки (1925). Это должно быть легче, учитывая очевидные признаки того, что максимизировать генерируемую мощность нецелесообразно.

Несомненно, более высокий уровень использования энергии сам по себе не гарантирует ничего, кроме большей нагрузки на окружающую среду (Smil 1991). Исторические свидетельства совершенно ясны. Более высокий уровень использования энергии не обеспечивает надежные поставки продовольствия (сжигавшая дрова царская Россия была экспортером зерна; СССР, углеводородная сверхдержава, импортировал зерно); он не дает стратегической безопасности (США были очевидно более безопасным местом в 1915 году, чем в 2015-м); он не является фундаментом политической стабильности (например, в Бразилии, Италии или Египте); он не обязательно ведет к более просвещенному правлению (его очевидно нет в Северной Корее или Иране); он вовсе не гарантирует значительного и массового роста стандартов жизни (в Гватемале или Нигерии).

Возможности для грандиозного перехода к менее энергоемкому обществу могут найти в первую очередь выдающиеся мировые потребители энергии и материалов в Западной Европе, Северной Америке и Японии. Многие способы экономии удивительно легко реализовать. Я согласен с коллегой (Basalla 1980, 40), который сказал: «если равенство энергии и цивилизации бесполезно и потенциально опасно, то необходимо его отбросить, поскольку оно обеспечивает предположительно научную основу против усилий принять стиль жизни, основанный на более низких уровнях потребления энергии. Если это обобщение истинно и говорит об интеллектуальном богатстве, то оно заслуживает более внимательного отношения, чем оно получало до сих пор».

Зная о колоссальной неэффективности использования ресурса – будь то энергия, пища, вода или металлы – современной цивилизацией, я всегда настаивал на более рациональных способах потребления. Такой курс имел бы глубокие последствия для оценки перспектив выокоэнергетичной цивилизации, но любые предложения по добровольному снижению использования определенного ресурса отвергаются теми, кто уверен, что бесконечный технический прогресс так и будет удовлетворять постоянно растущий спрос. В любом случае, невозможно количественно оценить вероятность того, что восторжествуют рациональность, сдержанность и скромность в использовании ресурсов, и того, что такой курс сохранится на долгое время.

Двумя главными характеристиками жизни всегда были расширение зоны обитания и рост сложности. Можем ли мы обратить вспять эти тенденции, перейдя к технически гибким, экологически оправданным способам использования энергии? Сможем ли мы продолжить эволюцию человека, сконцентрировавшись только на тех аспектах, которые не требуют максимизации энергетических потоков, сможем ли создать энергетически неизменную цивилизацию, которая будет существовать строго в ее солнечно-биосферных границах? Можно ли осуществить такой сдвиг без окончательного перехода к лишенной роста экономике и снижения численности населения мира? Для индивидуумов это может свестись к не менее революционному отделению социального статуса от уровня материального потребления. Создание общества нового типа будет особенно тяжелым для первых поколений, на долю которых выпадет сам переход. В более долгосрочной перспективе новый порядок также уничтожит один из источников прогресса на Западе – стремление к социальной и экономической мобильности. Или, может быть, новые технологические прорывы позволят нам прямо и эффективно использовать большую долю поступающего солнечного излучения и уменьшат нашу зависимость от множества предметов, создающих комфортные условия?

Современная энергетическая система является самоограниченной: на шкале исторического времени наша высокоэнергетичная цивилизация, эксплуатирующая накопленные запасы древнего излучения, превратившиеся в топливо, всего лишь интерлюдия даже в том случае, если сжигание этого топлива не повлияет негативно на окружающую среду. Наша цивилизация, в отличие от предшественниц, опиравшихся на использование почти мгновенных энергетических потоков, не в состоянии существовать тысячелетиями.

Окончательное истощение ископаемых энергий очень маловероятно потому, что сжигание угля и углеводородов является первичным источником антропогенного CO₂ и использование всего доступного ископаемого топлива поднимет температуру тропосферы достаточно, чтобы растаял весь слой льда в Антарктиде, а уровень моря поднялся примерно на 58 м (Winkelman et al. 2015).

Учитывая, что большая часть населения нашей планеты живет в прибрежных районах, такой подъем окажет серьезное воздействие на цивилизацию. Доступные потоки возобновляемых энергий достаточно велики, чтобы избежать такой судьбы, но чтобы поддерживать – а для миллионов, живущих в бедных странах, поднять уровень использования энергии, мы должны их осваивать, трансформировать и запасать в объемах на порядок больших, чем сейчас. Эпохальный переход от глобальной энергетической системы, в которой доминирует ископаемое топливо, к новому порядку, основанному исключительно на возобновляемой энергии, связан с громадными (и недостаточно изученными) трудностями. Повсеместность использования ископаемого топлива, сила нашей от него зависимости, а также потребность в дальнейшем росте глобального потребления энергии означают, что даже самый энергичный проект такого перехода может быть осуществлен лишь за несколько поколений.

Полный переход потребует замещения ископаемого топлива не только как основного источника разных видов энергии, но и как критически важного источника сырья: для синтеза аммиака (около 175 Мт/г. в 2015-м, большей частью на удобрения для выращивания злаков) и других удобрений и средств агрохимии (гербицидов и пестицидов); для повсеместно распространенного пластика (общее производство составляет около 300 Мт/г.); металлургического кокса (сейчас требуется каждый год около 1 Гт коксующего угля, который используется не только как источник энергии, но участвует в процессе плавки в домнах, производящих около 1 Гт железа в год); смазочных материалов (необходимы для функционирования как стационарных, так и транспортных машин); дорожных материалов (недорогой асфальт).

Наша неспособность понять поведение сложных, обладающих множеством связей систем – взаимодействие биосферных процессов, производства энергии, экономической деятельности, технического прогресса, социальных изменений, политического развития, вооруженных конфликтов – делает любой конкретный сценарий (а их предлагается немало) отдаленного будущего чистой спекуляцией.

Достаточно легко очертить крайние варианты, в которых будущее предстает либо отчаянно плохим, либо экстатически светлым. Один из исследователей (Georgescu-Roegen 1975, 379) оставляет нам мало надежды: «Возможно, судьба человека – короткая, яркая, воодушевляющая и экстравагантная жизнь, а вовсе не долгое, не омраченное событиями растительное существование. И пусть другие виды – амебы, например – не имеющие духовных амбиций, унаследуют Землю, все еще купающуюся в изобилии солнечного света». Наоборот, технооптимисты видят будущее неограниченной энергии, от суперэффективных солнечных батарей или от ядерного синтеза, где человечество колонизирует другие планеты, подвергая их терраформированию по образу Земли. Но для будущего, к которому приложимы реальные прогнозы (два-четыре поколения, 50-100 лет) все это не более чем сказки.

Единственное, в чем можно быть уверенным – шансы на успех в беспрецедентном стремлении создать новую энергетическую систему, совместимую с долгосрочным выживанием высокоэнергетичной цивилизации, остаются неопределенными. Учитывая нашу степень понимания, эта задача может быть не более сложной, чем барьеры, которые мы не раз брали в прошлом. Но понимания, каким бы впечатляющим оно ни было, недостаточно. Нам нужен активный интерес к переменам, и можно повторить вслед за де Сенанкуром (1770–1846):

«Человек погибает. Это возможно, но позвольте нам сражаться, даже если мы погибаем; и если тот удел, которому мы обречены – ничто, то пусть он просто не упадет к нам в руки как награда» (Senancour 1901 [1804], 2:187).