Третья промышленная революция – солнце с ветром, водород, 3D-принтеры

Экспертное сообщество всё отчетливее осознаёт, что дальнейшее развитие цивилизации по исторически сложившемуся пути невозможно, так как ныне появились новые глобальные проблемы, угрожающие существованию этой цивилизации. Впервые в истории человечества сдвинулись со стационарных уровней важнейшие показатели состояния биосферы.

К таким показателям можно отнести: резкое ухудшение качества воздуха и воды; глобальное потепление; истощение озонового слоя; уменьшение биоразнообразия; достижение предела пищевых, сырьевых и энергетических возможностей биосферы; утрату нравственных ориентиров значительной частью человеческого сообщества (так называемый «феномен аморального большинства»).

Памятник нашему поколению будет выглядеть, видимо, так: посреди огромного шламового отвала стоит величественная бронзовая фигура в противогазе, а внизу на гранитном постаменте надпись: «Мы победили природу!».

Первая промышленная революция на базе угля и Вторая промышленная революция на базе нефти и газа фундаментально изменили жизнь и труд человечества и преобразили облик планеты. Однако эти две революции привели человечество к пределу развития. Среди главных вызовов, которые брошены человечеству — проблемы экологии (см. выше), истощение биоресурсов и традиционных источников энергии. И на эти вызовы человечество должно ответить ТРЕТЬЕЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕВОЛЮЦИЕЙ.

«Третья промышленная революция» (ThirdIndustrialRevolution — TIR) — это концепт развития человечества, автором которого является  американский ученый — экономист и эколог — Джереми Рифкин (JeremyRifkin). Вот основные положения концепции TIR:

1) Переход на возобновляемые источники энергии (солнце, ветер, водные потоки, геотермальные источники).

Хотя «зеленая» энергия все еще не заняла в мире большой сегмент (не больше 3-4%), инвестиции в неё растут огромными темпами. Так, в 2008 г. было потрачено $155 миллиардов на выполнение «зеленых» энергетических проектов ($52 миллиарда – энергия ветра, $34 миллиарда – солнечная энергия, $17 миллиардов – биотопливо и др.), и впервые это были больше, чем инвестиции в ископаемое топливо.

Только за последние три года (2009-2011) суммарная мощность установленных в мире солнечных станций утроилась (с 13,6 ГВт до 36,3 ГВт). Если же говорить обо всех ВИЭ (ветровая, солнечная, геотермальная и морская энергетика, биоэнергетика и малая гидроэнергетика), то установленная мощность электростанций в мире, использующих ВИЭ, уже в 2010 г. превысила мощность всех АЭС и составила около 400 ГВт.

На конец 2011 г. цена в Европе одного кВт-ч «зеленой» энергии для потребителей составляла: гидроэнергии – 5 евроцентов, ветровой – 10 евроцентов, солнечной – 20 евроцентов (для сравнения: обычной тепловой – 6 евроцентов). Однако ожидаемые научно-технологические прорывы в солнечной энергетике позволят к 2020 г. получить резкое падение цен на солнечные панели и снизить цену «под ключ» 1-го ватта солнечной мощности с $2,5 до $0,8-1, что позволит генерировать «зеленую» электроэнергию по цене меньшей, чем от самых дешевых сейчас угольных ТЭС.

2) Превращение существующих и новых зданий (как промышленных, так и жилых) в минизаводы по производству энергии (за счет оборудования их солнечными батареями, мини-ветряками, теплонасосами). Например, в Евросоюзе имеется 190 млн. зданий. Каждое из них может стать маленькой электростанцией, черпающей энергию из крыш, стен, теплых вентиляционных и канализационных потоков, мусора. Необходимо постепенно распрощаться с крупными поставщиками энергии, порожденными Второй промышленной революцией — основанных на угле, газе, нефти, уране. Третья промреволюция — это мириады малых источников энергии от ветра, солнца, воды, геотермии, тепловых насосов, биомассы, включая твердые бытовые и «канализационные» городские отходы и др.

3) Развитие и внедрение технологий энерго-ресурсо-сбережения (как производственного, так и «домашнего») — полная утилизация остаточных потоков и потерь электроэнергии, пара, воды, любого тепла, полная утилизация промышленных и бытовых отходов и др.

4) Перевод всего автомобильного (легкового и грузового) и всего общественного транспорта на электротягу на основе водородной энергетики (плюс развитие новых экономичных видов грузового транспорта таких как дирижабли, подземный пневмотранспорт и др.).

В настоящее время в мире эксплуатируется свыше одного миллиарда ДВС — двигателей внутреннего сгорания (легковые и грузовые автомобили, тракторы, сельхоз- и строительная техника, военная техника, корабли, авиация и др.), которые ежегодно сжигают около полутора миллиардов тонн моторного топлива (бензина, авиакеросина, дизтоплива) и оказывая угнетающее действие на окружающую природную среду.

По данным InternationalEnergyAgency, более половины потребляемой в мире нефти идет на нужды транспорта. В США на транспорт приходится около 70% всей потребляемой нефти, в Европе — 52%; неудивительно, что 65% нефти потребляется в крупных городах (в сумме — 30 млн баррелей нефти в день!).

Вольфганг Шрайберг, один из руководителей Volkswagen, привел интересную статистику: большая часть городского коммерческого транспорта в большинстве стран проезжает за день не более 50 км, а средняя скорость движения этих автомобилей — 5-10 км/час; однако с такими мизерными показателями эти автомобили потребляют в среднем [10 (легковые)—15 (пикапы, микроавтобусы)-25 (автобусы)] литров моторного топлива на 100 км! Большая часть этого топлива сгорает на светофорах, в пробках или при мелкой погрузке-разгрузке (или на остановках – для общественного транспорта) с невыключенным мотором.

NationalRenewableEnergyLaboratory (США) в своих расчётах использовала среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км), потребление водорода — 1 кг на пробег 60 миль (96 км). Т.е. одному легковому автомобилю в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день.

Недавно «водородомобиль» Ливерморской национальной лаборатории (LLNL) Министерства энергетики США прошел 1046 километров на одной водородной заправке.

Средний кпд ДВС невысок – в среднем 25%, т.е. при сжигании 10 л бензина 7,5 л уходит «в трубу». Средний кпд электропривода – 75%, втрое выше (а термодинамическое кпд топливного элемента – около 90%); выхлопы водородомобиля –только Н₂О.

Важно отметить, что если для движения традиционного автомобиля необходима нефть (бензин, дизель), которая есть далеко не у каждой страны, то водород получают из воды (даже морской) с помощью электроэнергии, которую, в отличие от нефти, можно получать из различных источников – уголь, газ, уран, водные потоки, солнце, ветер и др., и у любой страны что-то из этого «набора» обязательно имеется.

5) Переход от промышленного к локальному и даже «домашнему» производству большинства бытовых товаров благодаря развитию технологии 3D-принтеров.

3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели. В отличие от обычных принтеров, 3D-принтеры печатают не фотографии и тексты, а «вещи» — промышленные и бытовые товары. В остальном они очень похожи. Как и в обычных принтерах, применяются две технологии формирования слоёв – лазерная и струйная. У 3D-принтера тоже есть «печатающая» головка и «чернила» (точнее, заменяющий их рабочий материал). Фактически, 3D-принтеры — это те же специализированные промышленные станки с числовым программным управлением, но на абсолютно новой научно-технической базе XXI века.

6) Переход от металлургии к композитным материалам (особенно нано-материалам) на основе углерода, а также замена металлургии на технологию 3D-печати на основе селективной лазерной плавки (SLM – SelectiveLaserMelting).

Например, новейший американский «Boeing-787-Dreamliner» — первый в мире самолет, изготовленный на 50% из композитных материалов на основе углерода. В новом авиалайнере из композитных полимеров изготовлены в том числе крылья и фюзеляж. Широкое использование углепластика по сравнению с традиционным алюминием позволило значительно уменьшить вес самолета и сократить использование топлива на 20% без потерь в скорости

Американо-израильская компания «ApNano» создала наноматериалы — «неорганические фуллерены» (inorganicfullerene — IF), которые многократно прочнее и легче стали. Так, в опытах образцы IF на основе сульфида вольфрама останавливали стальные снаряды, летящие на скорости 1,5 км/сек, а также выдерживали статическую нагрузку в 350 тонн/кв.см. Эти материалы могут быть использованы для создания корпусов ракет, самолетов, морских судов и морских субмарин, небоскребов, автомобилей, бронемашин и в других целях.

NASA решила использовать технологию 3D-печати на основе селективной лазерной плавки как замену металлургии. Недавно сложную деталь для космической ракеты сделали с помощью лазерной трехмерной печати, в процессе которой лазер сплавляет металлическую пыль в деталь любой формы — без единого шва или винтового соединения. Изготовление сложнейших деталей по технологии SLM с применением 3D-принтеров занимает считанные дни вместо месяцев, кроме того, SLM-технологии делают производство на 35-55% дешевле.

7) Отказ от животноводства, переход к производству «искусственного мяса» из животных клеток с использованием 3D-биопринтеров;

Американская компания ModernMeadow изобрела технологию «индустриального» изготовления мяса животных и натуральной кожи. Процесс создания таких мяса и кожи будет включать в себя несколько этапов. Сначала учёные отбирают миллионы клеток у животных-доноров. Это может быть как скот, так и экзотические виды, которых часто убивают только ради их кожи. Затем эти клетки будут размножены в биореакторах. На следующем этапе клетки будут центрифугироваться для удаления питательной жидкости и соединения их в единую массу, которая затем при помощи 3D-биопринтера будет сформирована в слои. Эти пласты клеток будут снова помещены в биореактор, где произойдёт их «созревание». Клетки кожи сформируют коллагеновые волокна, а клетки «мяса» образуют настоящую мышечную ткань. Этот процесс займёт несколько недель, после чего мышечная и жировая ткань может быть использована для производства пищевых продуктов, а кожа – для обуви, одежды, сумок. Для получения мяса в 3D-биопринтере энергии потребуется втрое меньше, а воды – в 10 раз меньше, чем на производство того же количества свинины, а особенно говядины обычными способами, а выбросы парниковых газов снижаются в 20 раз по сравнению с выбросами при выращивании скота на убой (ведь в настоящее время для производства 15 г животного протеина нужно скормить скоту 100 г растительного протеина, таким образом, кпд традиционного метода получения мяса составляет лишь 15%). Искусственный «мясозавод» требует намного меньше земли (займет всего 1% земли по сравнению с обычной фермой той же производительности по мясу). Кроме того, из пробирки в стерильных лабораторных можно получить экологически чистый продукт, без всяких токсичных металлов, глистов, лямблий и прочих «прелестей», часто присутствующих в сыром мясе. К тому же, искусственно выращенное мясо не нарушает этических норм: не надо будет выращивать скот, а затем безжалостно его умерщвлять.

8) Перевод части сельского хозяйства в города на базе технологии «вертикальных ферм» (VerticalFarm).

Давайте вообразим в центре города-миллионника 30-ти-этажный небоскреб без окон с площадью основания один гектар (100х100 м). На каждом его этаже размещены пять рядов гидропонных контейнеров, т.е. с каждого этажа можно снимать урожай с общей площади 5 гектар, а всего с небоскреба – 30х5=150 гектар. Поскольку в «сельскохозяйственном небоскребе» температура и влажность являются всегда постоянными, можно снимать урожай 3-4 раза ежегодно (даже если эта вертикальная ферма расположена на Северном полюсе!). Со средним урожаем пшеницы 50 центнеров от одного гектара (такие урожаи имеют место в Евросоюзе), полный ежегодный урожай для “сельскохозяйственного небоскреба” будет 150х50х3=22.500 центнер/год. Сбор урожая будет полностью автоматизирован. Кроме того, сельскохозяйственные небоскребы, изолированные от окружающей среды, будут защищены от паразитов и болезней, и это позволит полностью отказываться от любых химических гербицидов. Очень важно и то, что мы перемещаем сельское хозяйство непосредственно в города, где большинство потребителей и проживает – в результате транспортные расходы резко упадут.

****

Откуда взять на все это деньги, коль скоро и Европа, и Америка тонут в долгах? Но ведь везде ежегодно закладывается бюджет развития — каждая страна и почти каждый город планируют его. Важно делать капиталовложения в то, у чего есть будущее, а не в поддержание жизни таких инфраструктур, технологий, отраслей или систем, которые обречены на вымирание.

Хочется выразить надежду, что «всемирная TIR» случится гораздо раньше того момента, когда человечество исчерпает все имеющиеся в природе запасы угля, нефти, газа и урана, а заодно окончательно загубит окружающую природную среду.

В конце концов, каменный век закончился вовсе не потому, что на Земле закончились камни…