Энергия. История человечества
Ричард Роудс
Энергия. История человечества
Посвящается Айзеку Роудсу
Предисловие
Сейчас вы отправитесь в четырехсотлетнее путешествие в компании некоторых из самых интересных и творческих из когда-либо живших людей. Эти люди – ученые, изобретатели и инженеры, и их произведения не всегда связывают с их именами. Но именно они придали миру, в котором мы живем, его вид – будь то во благо или во вред. По большей части, я считаю, во благо – и мне кажется, что вы, совершив это путешествие вместе с ними, согласитесь со мной. По меньшей мере вы узнаете, что́ они сделали, почему и как. Для меня было неожиданностью – а иногда настоящим шоком – узнать, сколь многие из их историй оказались забыты. Ряд источников, которые я использую, чтобы рассказать о них, – это исторические и биографические материалы двухсотлетней, а то и большей давности. Это старые книги и документы, но истории, изложенные в них, звучат совершенно по-новому.
Кто же эти герои? Среди них по меньшей мере один писатель – Уильям Шекспир, но он выступает здесь не в роли драматурга, а в роли совладельца «Театра» – самого первого в Лондоне. Во времена нехватки древесины в окрестностях Лондона он и его партнеры разобрали (а землевладелец утверждал, что украли) свой театр по бревнышку и перевезли его на другой берег Темзы, чтобы построить в злачном Саутуарке, рядом с площадкой для травли медведей, другой, более вместительный театр – «Глобус».
Это француз Дени Папен, стремившийся спасти бедняков от голода: изобретенная им пароварка проложила дорогу к созданию паровой машины.
Это, разумеется, Джеймс Уатт, шотландец, давший нам саму паровую машину, но также и его предшественник, Томас Ньюкомен: его огромная, неуклюжая атмосферная паровая машина существовала до изящных усовершенствований Уатта.
Я видел машину Ньюкомена, воссозданную в Англии, – в один из тех немногих дней в году, когда хранители ее запускают. Это сооружение размером с дом, поглощающее огромное количество угля (а уголь сейчас недешев, и именно поэтому машину так редко включают). Я забросил в топку ковш угля и поговорил с вышедшим на пенсию инженером, который управлял машиной. Я спросил: «Какое оборудование требуется для ее обслуживания?» – и он, ухмыльнувшись, поднял огромную кувалду. Машина Ньюкомена, вся состоящая из труб и кривошипов, часто выходит из строя, и кувалдой ее загоняют обратно в строй.
Машины Ньюкомена устанавливали у устьев шахт, чтобы откачивать из них воду. Они оказались настолько непроизводительными, что их не получалось сделать передвижными. Более производительная машина Уатта могла быть компактнее – достаточно компактной, чтобы поставить ее на колеса и отвозить уголь по рельсам от шахты к реке, где его грузили на баржи и отправляли в Лондон. Потом кому-то пришла в голову идея, что так можно возить не только уголь, но и людей: так возникли пассажирские железные дороги, быстро охватившие всю Англию. Появились они и в Америке, но там на протяжении большей части XIX в. жгли дрова, что позволило провести железные дороги вдалеке от угольных шахт и в конце концов соединить противоположные точки континента.
В число героев XX в. вошел Арье Хаген-Смит, голландский специалист по ароматическим маслам, преподававший в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) в Пасадине. Однажды в 1948 г. к нему в лабораторию, забитую в этот момент спелыми ананасами – там шла работа по конденсации их тропического аромата из воздуха, – пришли озабоченные государственные чиновники. Они попросили его выполнить ту же работу с ужасным лос-анджелесским смогом. Хаген-Смит убрал ананасы, открыл окно и закачал в лабораторию тысячу кубических футов (ок. 28300 л) пропитанного смогом воздуха. Прогнав воздух через фильтр, охлаждавшийся жидким азотом, он соскреб с него несколько капель вонючего коричневого налета, провел химический анализ и объявил, что налет состоит из автомобильных выхлопов и атмосферных выбросов близлежащих нефтеперерабатывающих заводов. В отличие от старого, часто смертельно опасного, «дымного тумана» (само слово smog – соединение слов smoke и fog[1]), отравлявшего крупные города, когда в них жгли уголь, это новое вещество образовывалось прямо в воздухе, наподобие бинарного ядовитого газа. Катализатором этой реакции, придававшей воздуху оттенок сепии, служил солнечный свет.
Нефтяным компаниям эта информация была ни к чему. Химики этих компаний высмеяли анализ Хаген-Смита. Они объявили всему миру, что не обнаружили никакой подобной реакции. Но это лишь раззадорило упрямого голландца. Вернувшись к лабораторным исследованиям, он продемонстрировал, что роскошное оборудование, используемое химиками нефтяных компаний, не позволяло выяснить, как формируется смог. Сам же Хаген-Смит измерял, как озон, содержащийся в смоге, разрушает резиновые ленты, нарезанные из старых автомобильных камер, и выделял компоненты, сочетание которых отравляло воздух, на своем оборудовании для анализа состава ананасов. Затем в дело вмешались власти, и начался процесс очистки воздуха Лос-Анджелеса.
В этой книге много таких историй. Однако она не сводится лишь к ним. Ее серьезная цель – исследование истории энергии и выявление тех дилемм, с которыми мы сталкиваемся сегодня в связи с проблемой глобальных изменений климата. Те, кто работает в области энергетики, считают, что мы воспринимаем энергию как некую данность. Они говорят, что она интересует нас только в приложении к насосу или розетке на стене. Возможно, когда-то так оно и было. Сейчас это точно не так. Изменения климата стали крупной политической проблемой. Большинство из нас осознает это – все в большей степени – и беспокоится о них. Они затрудняют работу коммерческих компаний. Они кажутся столь же мрачной апокалипсической угрозой существованию нашей цивилизации, какой был в годы холодной войны ужас ядерного уничтожения.
Однако многие чувствуют себя исключенными из обсуждения этой проблемы. Литература по изменениям климата по большей части ориентирована на специалистов; дебаты о них понятны лишь посвященным. Разговор сосредоточен на нынешнем положении дел и мало касается человеческого прошлого – многовекового опыта, доставшегося человечеству дорогой ценой. Однако сегодняшние проблемы – это наследие исторических преобразований. Дрова сменились углем, уголь потеснила нефть, а теперь и уголь, и нефть уступают место природному газу, атомной энергии и возобновляемым источникам. Движители (системы, непосредственно преобразующие энергию в движение) прошли путь от животной и гидравлической тяги к паровым машинам, затем к двигателям внутреннего сгорания, генераторам и электромоторам. Мы многому научились, решая связанные с этим задачи, освоили такие переходы и сумели обратить предоставляемые ими возможности себе во благо.
Нынешние дебаты почти не затрагивают богатейшего человеческого аспекта истории – истока современных энергетических проблем. Одна из целей, которые я ставил перед собой, когда писал «Энергию», состоит в заполнении этого пробела – людьми, событиями, датами, местами, методами, примерами, аналогиями, поражениями и победами – для оживления дискуссии и прояснения возможных решений.
В борьбе с энергетическими проблемами жили и умирали люди, процветали и разорялись компании, становились мировыми державами и приходили в упадок государства. В это повествование вплетено множество историй отдельных людей, и в число его героев входят многие исторические деятели четырех столетий: Елизавета I, Яков I, Джон Ивлин, Абрахам Дарби, Бенджамин Франклин, Томас Ньюкомен, Джеймс Уатт, Джордж Стефенсон, Гемфри Дэви, Майкл Фарадей, Герман Мелвилл, Эдвин Дрейк, Ида Тарбелл, Джон Дэвисон Рокфеллер, Генри Форд, Энрико Ферми, Хайман Риковер, угольные магнаты старой Пенсильвании и нефтяные магнаты Калифорнии и Саудовской Аравии – и это лишь немногие, самые известные из них.
В этой истории участвуют целые океаны китов, тела которых давали жир, освещавший весь мир. Со дна ручья сочится нефть, и профессор химии из Йеля задумывается, как ее использовать. Лошади заваливают города смердящим навозом, причиняя все больший вред здоровью жителей, а когда им на смену приходят автомобили, сельское население стремительно нищает – кому теперь нужен выращиваемый им корм для лошадей? Изобретение дуговой сварки становится толчком к строительству трубопроводов для транспортировки природного газа. Рождение ядерной энергетики знаменуется уничтожением двух японских городов: почти несмываемым пятном на ее репутации.
Само глобальное потепление, о котором за век тревожных наблюдений свидетельствуют все новые и новые факты, порождает столкновение идеологий и корыстных интересов – и масштабы этого столкновения сравнимы с библейскими. Энергия ветра, изобильная энергия солнечного света, огромные запасы угля и природного газа борются за господство в бурном мире, население которого к 2100 г. должно возрасти до десяти миллиардов. Его бо́льшую часть составляют жители Китая и Индии, двух самых населенных стран мира, только сейчас переходящих от выживания к процветанию и соответствующему расходованию запасов энергии. Энергии хватит на всех, но справится ли Земля с отходами ее потребления?
В этой книге вы почти не найдете рецептов. В каждом веке свои проблемы и свои возможности – запланированные или неожиданные, но в любом случае слишком сложные, чтобы вывести из них простую мораль. Зато вы найдете в ней примеры, которые я старался изложить настолько полно, насколько это было в моих силах. Речь идет о том, как люди снова и снова сталкивались с одной и той же фундаментальной задачей – извлечь жизненную силу из сырья этого мира. Каждое изобретение, каждое открытие, каждое усовершенствование вело к возникновению новых проблем, и именно через такие непрерывные преобразования мы и пришли к нынешнему положению вещей. Воздух стал чище, мир стал более мирным, и среди нас все больше тех, кто достигает процветания. Но в то же время воздух все больше нагревается. Например, в августе 2015 г. на севере Ирана зарегистрировали увеличение индекса тепловой нагрузки[2] до 165°F (74 °C). Пусть эти важные исторические сведения помогут нам найти дорогу в будущее. У меня есть дети и внуки. Я надеюсь и верю, что мы найдем эту дорогу.
Часть I
Сила
Глава 1
Нет леса – нет и королевства
Суббота 28 декабря 1598 г. День выдался холодный и серый; валит снег. Уже сорок один год длится царствование Елизаветы Тюдор, королевы Англии и Ирландии. На самом краю города Лондона, в округе Холиуэлл, во дворе перед старым «Театром» собираются рабочие: их бороды в снегу; они притопывают башмаками и хлопают руками в рукавицах, чтобы не замерзнуть. Они окликают друг друга, и в их горячем дыхании чувствуется эль. Пора браться за дело, и немедля: даже в праздники нужно заработать свои несколько шиллингов. В Лондоне не хватает дерева – окружавшие город леса уже обобраны до нитки. Рабочих наняли, чтобы разобрать «Театр» – первый в Лондоне театр, – и перевезти его разобранный каркас на склад старшего плотника Питера Стрита, стоящий на берегу Темзы, у самого Брайдуэллского спуска. Все ясно, перемигивались некоторые. Перевезти? Украсть целое здание прямо из-под носа у отсутствующего землевладельца – вот для чего их наняли! Впрочем, окончательное решение о том, кому по праву принадлежит «Театр», примут лишь после многолетних судебных разбирательств[3]. Братья Бёрбедж, компаньоны Шекспира по театральному бизнесу, считали полноправными владельцами именно себя. Это ведь они построили здание театра в 1576 г. Пускай земля останется землевладельцу – а они разберут свой театр и заново возведут его на новом месте!
Землевладелец Джайлс Аллен, бывший тогда в своем поместье в Эссексе, впоследствии утверждал в суде, что его слуг, которых он отправил остановить работы (и заметьте, отправил с официальной доверенностью), прогнали с угрозами вооруженные люди. Крики привлекли толпу любопытных. Братья Бёрбедж присутствовали в тот день на месте событий. Был там и Шекспир. Перевезти театр требовалось срочно – иначе где выступать их труппе? Аллен угрожал, что сам снесет театр и построит из оставшейся от него древесины доходные дома – то есть жилье под сдачу внаем.
Рабочие Бёрбеджей разобрали деревянное здание и увезли балки на телегах. За два дня до этого труппа играла в присутствии королевы в Уайтхолльском дворце. В новогоднюю ночь им предстояло дать там очередное представление. Между двумя спектаклями театр и разобрали.
Весной 1599 г. его заново отстроили на другом берегу Темзы, в разгульном районе Саутуарк. Театр раздался вширь, получил новое название – «Глобус» – и превратился в трехэтажный двадцатиугольник примерно 30 м в поперечнике. Широкий центральный двор, располагавшийся под открытым небом, окружала кольцевая соломенная крыша. А вот откуда взяли древесину для расширения театра? Скорее всего, Питер Стрит добывал ее в лесу под Виндзором, к западу от Лондона. Стволы очищали от сучьев и верхушек, ошкуривали и обтесывали прямо на лесоповале, чтобы не сплавлять вниз по Темзе целые деревья – это обошлось бы дороже. Вечером 21 сентября 1599 г. швейцарский путешественник Томас Платтер присутствовал в новом «Глобусе», где давали трагедию «Юлий Цезарь», так что к этому дню театр уже открылся. По мнению Платтера, пьеса была «исполнена весьма умело»[4].
Открытый очаг с крюком для подвешивания котла
Елизаветинскую Англию строили из дерева. «Постройки в больших и малых добрых городах Англии, – сообщал в 1577 г. летописец Елизаветинской эпохи Уильям Харрисон, – по большей части состоят из одной лишь древесины»[5]. Даже и орудия труда того времени, плуги и мотыги, делались деревянными, и их разве что оковывали железом. Лондон был деревянным городом, состоял из домов с остроконечными крышами и деревянными каркасами и отапливался дровами, которые жгли в открытых каменных очагах, располагавшихся посреди комнат. Сладкий дым горящего дерева растекался по всему дому и выходил в окна.
Но дерево дорожало; его цена росла по мере того, как увеличивалось население Лондона, и лесорубы везли в город дрова из все более и более отдаленных мест. В 1581 г. парламент предпринял шаги, несколько облегчившие эту ситуацию: был принят закон, запрещавший производить древесный уголь для выплавки железа в радиусе 22 км от Лондона – так намеревались сберечь местные деревья для отопления жилищ. Тем не менее с 1500 по 1592 г. цены на дрова, доставляемые в город, выросли более чем вдвое – а наряду с этим бурно возросла и численность населения, увеличившись за XVI в. в четыре раза, с 50000 до 200000 человек[6]. Население всей Англии в целом увеличилось за то же столетие с 3,25 до 4,07 млн человек[7].
Кое-кто из нынешних экономистов сомневается, что в Англии кончалась древесина. Когда Бёрбеджи и их труппа перевозили каркас «Театра» и строили на берегу Темзы новый, увеличенный «Глобус», они стремились сберечь не только дерево, но и время, и деньги. Кроме того, что ни говори, древесина – ресурс возобновляемый. Однако многих государственных чиновников, парламентариев и частных наблюдателей XVII–XVIII вв. страшила нехватка леса – особенно крупных дубов, пригодных для изготовления корабельных мачт.
Боевые корабли того времени были так же ценны для безопасности страны, как нынешние авианосцы. На постройку среднего английского линейного корабля уходило около 2500 крупных дубовых стволов[8]. Он становился великолепной деревянной боевой машиной, массивной и прочной, шириной 15 м и длиной 60 м. Из ее выпуклых желтых бортов выступали два ряда пушек, установленных на подвижных деревянных лафетах. Палубы окрашивали в тускло-красный цвет, чтобы не так бросалась в глаза кровь, лившаяся в сражениях[9]. Для установки парусов на судне делали не менее 23 мачт, реев и стеньг, от почти сорокаметровой грот-мачты, весившей 18 тонн, до миниатюрного фор-брам-рея[10], легкого семиметрового шеста[11]. Патриоты говорили, что Королевский флот – это «деревянные стены» Англии, защищающие ее от вторжения. Адмиралтейство обеспечивало постройку и содержание около сотни линейных кораблей, а также нескольких сотен кораблей и лодок меньших размеров. Их губили сражения и древоточцы; лет через десять-двадцать такой корабль требовал замены.
Но, чтобы дерево, пригодное для изготовления большой мачты, выросло до нужного диаметра, требовалось от 80 до 120 лет. Землевладелец, посадивший желудь, мог надеяться, что его внуки или правнуки смогут продать выросший дуб – если только промежуточные поколения сумеют прождать достаточно долго. Многие не могли – да и не дожидались. Торговля лесом сулила легкие деньги; землевладельцы вплоть до самого короля прибегали к ней каждый раз, когда в их кошельках показывалось дно. Второй граф Карнарвон, известный острослов, сказал одному другу мемуариста Сэмюэла Пипса, что лес – это «нарост на земле, дарованный Богом для уплаты долгов»[12].
Искривленный низкорослый лес – «кокоры», как называли такую древесину моряки, – играл в судостроении не менее важную роль, чем прямые стволы, необходимые для изготовления мачт. Из этих огромных изогнутых дубов получались криволинейные и разветвленные единые заготовки для килей, ахтерштевней[13] и шпангоутов[14] корабельных корпусов. Такое дерево всегда было редким и, соответственно, дорогостоящим. Но в результате так называемых «огораживаний» в средневековой Англии – приватизации и объединения общинных полей под овечьи пастбища в интересах крупных помещиков – почти все искривленные деревья вырубили. Поиски подходящей детали для корабля занимали иногда целые годы.
Но не только Королевский военно-морской флот расходовал леса Англии. К 1630-м гг. в стране работало около трех сотен железоплавильных производств, ежегодно пережигавших на древесный уголь 300000 лоудов[15] древесины, причем каждый лоуд соответствовал одному крупному дереву[16]. Строительство и содержание еще более многочисленных в Британии торговых судов требовало в три раза больше дуба, чем военное кораблестроение.
Галеон «Арк Ройял» с двумя пушечными палубами, оснащенными 55 пушками. Построен в 1587 г. по заказу сэра Уолтера Рэли, в 1588-м преследовал Непобедимую армаду при ее отступлении в Северное море
Лес – в особенности дубы – оспаривал пахотную землю у зерновых культур. Большим деревьям требовалась глубокая плодородная почва, но такие земли было выгоднее возделывать: их засевали растениями, годными в пищу. Томас Престон, чиновник из графства Суффолк, считал могучие леса уделом первобытности, «былого века», в котором королевство «весьма изобиловало дубом». Чем меньше дубов, утверждал он, тем выше уровень развития королевства, «и это в тысячу раз ценнее любой древесины». Престон надеялся, что это сокращение продолжится: «Если мы вынуждены кормить людей иностранной пшеницей, а лошадей – иностранным овсом, к чему нам растить дубы?.. Ни в коем случае не следует сожалеть о недостатке леса, ибо это верный признак развития страны. Что же до нужд Королевского флота, достойные и даже единственно возможные питомники для них – это страны, еще не вышедшие из варварского состояния»[17].
В число этих варварских стран входила Северная Америка, особенно колонии в Новой Англии, где поселенцы в то время только начали заготавливать древесину в первозданных лесах. И с 1650 г. именно оттуда Адмиралтейство получало для своих военных кораблей крепкие мачты из цельных бревен, по 40 м в длину и от метра до полутора в диаметре. А в колониях тем временем началась конкуренция – борьба за древесину. В 1663 г., задолго до того, как англичане перестали пилить бревна вручную и перешли на пилорамы, приводимые в движение водяным колесом, на реке Салмон-Фолс в Нью-Хэмпшире заработала первая американская лесопилка. К 1747 г. на реках Салмон-Фолс и Пискатакуа появилось уже 90 таких водяных лесопилок, а бревна перевозили на 130 воловьих упряжках. В общей сложности американцы ежегодно распиливали около 6 млн досковых футов[18] леса, который шел на продажу в Бостоне, Вест-Индии и других местах. Историк XVIII в. Дэниел Нил отмечал в «Истории Новой Англии», что Пискатакуа оказалась «важнейшим местом торговли мачтами во всех владениях короля»[19].
К несчастью для Королевского флота, спустя 30 лет в Америке свершилась революция, положившая конец поставкам американской белой сосны. Флоту пришлось вернуться к ранее освоенному средству – «составным мачтам», менее прочным, собранным из нескольких стволов, обвязанных вокруг центрального бруса.
Из дров в Англии делали не только уголь для выплавки железа. Лес валили для постройки домов, амбаров и изгородей, для производства стекла и рафинирования свинца, для сооружения мостов, доков, шлюзов, канальных барж и крепостей, для производства бочек под пиво и сидр… Многие из этих отраслей потребляли дерева не меньше, чем военно-морской флот. Даже особы королевской крови бывали замечены в ненадлежащем обращении с королевскими лесами при полном попустительстве парламента. «Окончательное разорение лесов, – заключает историк, – стало итогом постоянного небрежения и злоупотреблений»[20].
Артура Стэндиша, агронома Яковианской эпохи, опубликовавшего в 1611 г. под покровительством короля Якова I «Жалобу общин» (The Commons Complaint), тревожили не столько нужды Королевского флота, сколько «повсеместное уничтожение и растрата лесов». Однако в числе нехваток, которые он предвидел, он упоминал и «лес… для мореплавания». И в своем суровом отчете о последствиях он перефразировал одну из королевских речей, прозвучавших в парламенте, и заключил: «Итак, можно предположить: не будет леса, не будет и королевства»[21].
Проблему с топливом решала дешевая альтернатива: можно было жечь каменный уголь – «морской» или «карьерный», как называли его елизаветинцы, чтобы отличить от угля древесного. Исходно словом coal (уголь) называли любые тлеющие куски топлива; отсюда появились названия char-coal (букв. «жженый уголь») для обожженной древесины, а также sea coal («морской уголь») или pit coal («карьерный уголь») для ископаемого топлива в зависимости от того, откуда его добывали: из естественных выходов на мысах над морем – или из-под земли. В 1577 г., в статье, опубликованной в елизаветинском сборнике «Хроники Холиншеда»[22], Харрисон отмечал, что Центральная Англия уже переходит на ископаемое топливо: «Что касается угольных шахт, они настолько изобильны в северной и западной частях нашего острова, что их хватило бы и для всего английского королевства»[23]. Уголь служил кузнецам уже многие столетия. Его использовали и мыловары; и обжигальщики, готовя в своих печах негашеную известь для штукатурки; и солевары, когда выпаривали морскую воду в открытых железных чанах – долго, тратя огромную массу угля: так получали соль, необходимую для хранения пищи в эпоху, еще не знавшую холодильной техники.
Но уголь, добываемый в Центральной Англии, давал едкий дым и пах серой, и потому его не жаловали в быту, в домах, где мясо жарили на открытом огне, без дымоходов. «Милые дамы Лондона», как называет их хронист, не желали даже заходить в такие дома. В 1578 г. даже сама Елизавета I жаловалась на зловоние угольного дыма, доносившееся до Вестминстерского дворца от близлежащей пивоварни, и в том же году отправила по меньшей мере одного пивовара в тюрьму за такую дерзость[24]. Испуганная гильдия пивоваров согласилась жечь вблизи дворца только дрова.
Подобно ядерной энергии в веке XX, в XVI–XVII столетиях каменный уголь вызывал страх – и вполне оправданный. Уголь считали отравой, изначальной скверной, даже порождением дьявола: «…ядовит при сжигании в жилищах, – резюмирует предрассудки Елизаветинской эпохи историк, – и… особенно вреден для цвета лица. Его использование считали причиной всевозможных недугов»[25]. Кроме того, черному камню, извлекаемому из подземных залежей и горящему зловонным адским пламенем, будто испражнения самого дьявола, как клеймили его проповедники, – вредила связь с горным делом, отраслью, которую издавна проклинали священники и поэты. Тон этим проклятиям задал Джеффри Чосер в коротком стихотворении «Детство человечества», написанном около 1380 г.:
Потом металлы стали добывать,Во мрак земли все глубже погружатьсяИ перлы, обнаружив их приятство,Себе выуживать из недр морских.(Отсель пошли и жадность, и злорадство,И зависть – бед источники людских)[26][27].В 1556 г. немецкий врач-гуманист Георгий Агрикола, живший в горнопромышленном городе Иоахимстале[28], опубликовал трактат «О металлургии» (De re metallica), в котором пересказывал доводы противников разработки недр и цитировал Овидия, осуждавшего горное дело в сходных выражениях. Римский поэт, по словам Агриколы, утверждал, что люди вечно проникают «…в утробу земную; // Те, что скрывала земля, отодвинувши к теням стигийским, // Стали богатства копать, ко всякому злу побужденье! // С вредным железом тогда железа вреднейшее злато // Вышло на свет и война, что и златом крушит, и железом»[29][30]. Спустя столетие после Агриколы горное дело по-прежнему осуждал Джон Милтон, связывая его в первой книге «Потерянного рая» с падшим ангелом Маммоном: