Енергетика життя

У чому саме полягає сенс життя, поки точно не відомо. Деякі вважають, що він - в творенні: прокласти по всій країні мережу автомагістралей, добудувати «Зеніт-Арену», ще раз поміняти тротуарну плитку в центрі Москви. Інші думають, що краще, навпаки, трохи менше смикатися, щоб ненароком щось не зіпсувати, а всі сили присвятити роздумам про суть буття.

А є й така думка: сенс життя в тому, щоб повзти під землею, пропускаючи цю саму землю через шлунково-кишковий тракт і переварюючи все те, що можна перетравити. Енергію ж від переваренного слід використовувати для того, щоб продовжувати повзти. Такої думки дотримуються, мабуть, земляні хробаки, які - якщо судити по сумарній біомасі на одиницю площі планети - являють собою найбільш еволюційно успішний вид тварин в земній біосфері. Це, звичайно, не привід, щоб приймати на віру їх концепцію сенсу життя, але і скидати її з рахунків було б неправильно.

Отже, розуміння сенсу життя у різних представників біосфери сильно розрізняється. Щоб хоч якось привести різні концепції до спільного знаменника, спробуємо подивитися на них з боку. Неупереджений інопланетянин, спостерігаючи за нашого земного суєтою, відразу виділить в ній загальну тему: всі ми, від черв`яка до філософа, переробляємо енергію, яку планета отримує від Сонця. Творення, пізнання і всі інші різновиди скрупульозності живих істот - просто різні варіації цього мотиву.

Більш того, інопланетянин помітить, що величезна частина нашого земного компанії переробляє цю саму енергію не абияк як, а одним, досить спеціальним способом. Швидше за все, цей спосіб інопланетянина здивує: він дуже тісно пов`язаний з конкретною історією нашої конкретної планети. В цьому ми зараз і розберемося.

Що планета робить з енергією

Отже, планета отримує енергію від Сонця, а потім розсіює її в космос у вигляді тепла. Енергія в результаті зберігається, ентропія збільшується, а весь цей процес крутить млин життя на нашій планеті.

Від Сонця на планету надходить найкраща, нізкоентропійная енергія. Її несуть фотони електромагнітного випромінювання. Доля цих фотонів складається по-різному: більшість потрапляють в якусь земну каменюгу, нагрівають її, і на цьому історія закінчується. Але з дуже невеликою часткою фотонів відбувається куди більш цікава річ.

Вони потрапляють в молекулу води і розбивають її на водень і кисень.

Так, принаймні, було на самому початку, і з цього, схоже, почалася історія життя на Землі. Про те, яку роль відіграв у розвитку життя вибитий з води водень, можна прочитати в одній з наших минулих публікацій. Тоді, на зорі життя, енергетика біосфери виглядала так: водень, вибитий сонячним фотоном з води, ставав паливом для життя (або, як кажуть хіміки, донором електрона). Цей електрон первісна жива клітина навішувала на те, що у неї було під рукою. А під рукою у неї був вуглекислий газ, з якого в основному складалася первісна атмосфера планети. Вуглекислий газ, обвішаний електронами, - це вже практично готова органіка, з якої клітина будує саму себе. А якщо тепер цю органіку окисляти, тобто відривати від неї електрони і передавати їх ще куди-небудь, виходить енергія для всієї клеткіной життєдіяльності. На виході знову ж вуглекислий газ, вода і тепло, тобто все як було.

Пізніше біосфера розділилася за інтересами в залежності від того, яка частина цієї роботи у кого виходила краще. Частина живих створінь спеціалізувалися на самій першій фазі процесу: стали ловити сонячні фотони, розбивати ними воду, віднімати у водню електрони і робити органіку. З них потім вийшли зелені рослини. Рослини монополізували процес отримання водню з води, і замість того, щоб їсти водень, всім іншим довелося їсти рослини, а згодом і один одного. Для цього їм треба було досить багато енергії, так що їх спеціалізацією стала якраз переробка з`їденої органіки в стрибки, погоні, засідки, бійки і в кінцевому підсумку знову ж в тепло.

Ось так виглядала земна енергетика так мільярд років тому. Потім час внесло деякі корективи.

Викопне паливо

Як не старалися представники земної біосфери з`їсти один одного, частина їх все ж залишилася нескушанной. Вони лягли в землю, поступово перетворюючись на вугілля і нафту. Нафта, власне, складається з вуглецевих ланцюжків, обвішані водню, - саме це сталося з атомами водню, колись вибитими сонячними фотонами з води, будь то в первісному океані або в зелених листочках папороті. Енергія цих фотонів перетворилася в консерви, готові пройти через останню фазу енергообміну - перетворитися в тепло - при слушній нагоді.

Вугілля - чистий вуглець - більш просунута форма таких консервів, а й він би не вийшов, якби свого часу вуглекислий газ не був «відновлений» вирваними з водню електронами.

Ці енергетичні консерви збереглися до сьогоднішнього дня, оскільки земні тварини до недавнього часу так і не навчилися їх розкривати. У них запасена енергія Сонця, що потрапила на Землю в попередні епохи. Наскільки ефективно біосфера її запасає?

Екологи вже давно займаються тим, що скрупульозно це підраховують. Ефективність виходить нікудишня. З мільйона кілокалорій сонячного світла рослини при фотосинтезі пов`язують тільки 1%, тобто 10 000 ккал. Коли рослини з`їдаються козою, в козі залишається всього тисяча кілокалорій, а якщо бідну козу задере страшний сірий вовк - в вовка збережуться жалюгідні 100 ккал. Ця закономірність відома екологам як правило Линдемана: при переході на наступний рівень харчування 90% енергії розсіюється у вигляді тепла, і лише одна десята зберігається у вигляді біомаси.

Якщо не розтрачувати рослинну біомасу на відгодівлю кіз, а поховати її на вугілля, результати виходять не краще: від мільйона сонячних кілокалорій в вугіллі залишиться тільки 500. Забігаючи наперед, скажемо, що навіть з цих п`ятисот на корисні справи, на кшталт отримання електрики, неможливо використовувати більше чверті. Таким чином, і біологічна, і технологічна переробка енергії зводиться до однієї і тієї ж жалюгідною ефективності в 0,01%.

Що придумали люди

Тільки-но з`явившись на арені еволюції, людина розумна вніс в цю цікаву гру абсолютно новий поворот. Він вирішив, що частина енергії можна з великою користю переробляти і поза власних тіл.

Розглянемо, наприклад, що робив з енергією який-небудь мешканець Київської Русі. Припустимо, що він повноцінно харчувався і з`їдав в день приблизно 2000 ккал в складі різної органіки, від ріпи і полби до м`яса. Але цим справа не обмежувалася: наш гіпотетичний русич ще і палив дрова, щоб зігрітися і приготувати їжу. Навряд чи він був одінок- припустимо, що на кожного члена його сім`ї на добу, взимку і влітку, припадав в середньому кілограм дров для опалення та приготування їжі - це ще 4000 ккал енергії. Але і це ще не все: русичу треба було орати, сіяти, воювати половців і їздити в гості до батьків дружини в сусіднє село. Для цього йому потрібна була коня. Кінь переробляла в корисну для сім`ї русича форму енергії приблизно 24 000 Ккал в добу. При сім`ї з шести чоловік на кожного припадало, таким чином, ще 4000 спожитих кілокалорій. Разом ця людина Х століття нашої ери з 10 000 використаних ним за день кілокалорій енергії пропускав через власне тіло тільки 2000, а 80% або більше обробляв іншими способами. З цього, власне, починалися «технології» - небіологічних переробка енергії представниками біосфери, які з цього моменту отримали право називатися «цивілізацією».

Є люди з роками більше не стали, а ось технології розвивалися. Знадобився, наприклад, людям алюміній. А щоб його зробити хоча б один кілограм, потрібно ні багато ні мало 20 млн кілокалорій (будемо все вважати в кілокалорії, якщо вже почали). Упродовж віків все більша і більша частка наших енергетичних витрат припадала на технології, і все менша - на їжу (тут ще дуже до речі довелося винахід способу передачі енергії з місця на місце в вигляді електрики). В результаті сьогодні ми споживаємо більше енергії, ніж древній русич ...

...До речі, не настільки вже й більше, як ви зопалу могли подумати. Середнє енергоспоживання на планеті Земля становить 20 000 кВт год на людину в рік (в США - в чотири рази більше, в малорозвинених країнах - приблизно в чотири рази менше). У перерахунку на кілокалорії виходить всього-то 55 000 ккал на добу. Енергоспоживання на душу населення в порівнянні з нашим типовим русичем зросла всього в шість разів *. Біда в тому, що чисельність людства збільшилася за цю тисячу років в 20 разів. Таким чином, сьогодні людству щодня потрібно в сто з гаком разів більше кілокалорій - запасених, як ми пам`ятаємо, в процесі синтезу органіки нашими колегами по біосфері за сотні мільйонів років.

Чим поганий дідівський спосіб?

Уважний читач повинен був помітити, що всі способи переробки енергії, про які ми до цих пір згадували або ще не встигли згадати, - їжа, годування коня сіном, топка печей дровами, топка ковальського горна вугіллям, спалювання нафти на ТЕЦ або заправка вашого Cadillac CTS високооктанових бензином - так чи інакше сходять до древнього архетипу: в основі лежить (або колись лежало) вибивання водню з води сонячним фотоном і подальший синтез біомаси з використанням СО2.

Але хто взагалі сказав, що вибивання водню з молекули води - єдино можливий спосіб отримання енергії від Сонця? Приречені ми на цей шлях лише тому, що тільки до цього міг додуматися первісний мікроб 4 млрд років тому? Історично склалося так, що для нас, як і іншої земного життя, саме цей спосіб виявився найважливішим, але життя не стоїть на місці. Дуже малоймовірно, щоб спосіб, винайдений мільярди років тому, і зараз залишався найкращим з можливих.

Звичайно, неприємно визнати, що ми так недалеко пішли від практик первісної клітини. Але «неприємно визнати» - це просто емоції. Що не так з древнім і перевіреним способом по суті?

Дві проблеми. По-перше, ми витрачаємо запасені біосферою енергію швидше, ніж біосфера встигає відновлювати запаси.

По-друге, запасаючи енергію у вигляді копалин «консервів», стародавні організми прибирали з атмосфери вуглекислий газ. Було його там до 96%, а залишилося всього 0,3%. Але коли ми вживаємо викопне паливо, то пускаємо цей процес назад, і вуглець у вигляді СО2 повертається в атмосферу. Чим це може скінчитися, кожен може дізнатися зі статті Раміза Алієва «Тепло Армагеддона». Підказка: буде пекло.

На щастя, людство все-таки не настільки тупе, щоб обмежуватися традиційним джерелом калорій, тобто відновленим вуглецем. Крім революційного способу переробки енергії поза власних тіл, ми придумали ще дещо цікаве.

Нові можливості

Було б дивно, якби за тисячі років існування цивілізації люди не натрапили на способи отримання енергії, не пов`язані з окисленням і відновленням будь-яких хімічних субстанцій. Ось, наприклад, деякі з наших напрацювань:
- Використання енергії вітру. Парус був винайдений людьми приблизно 10 000 років тому, а зараз в Данії вітрогенератори дають до третини споживаної електрики. В кінцевому рахунку енергія циркуляції атмосфери теж приходить від Сонця, що нагріває поверхню планети, але використовувати її вміє тільки людство.
- Використання енергії поточних річок. На цьому, крім водяних млинів, заснована гідроенергетика.
- Сонячна енергетика. Ми і тільки ми вміємо змусити сонячні фотони робити не хімію, а безпосередньо електрику.
- Атомні реактори. Енергія розпаду урану взагалі не має відношення до Сонця, уран була запасів не їм, а стародавніми зірками, що вибухнули і розсіяних по всесвіту своє речовина задовго до народження Землі.
- І, звичайно, термоядерна енергетика, якої поки не існує. Це амбітна людська спроба не чекати милостей від Сонця, а відтворити на Землі той процес, що живить енергією саму нашу зірку.

З іншого боку, і традиційний спосіб був серйозно вдосконалено. З точки зору енергетичного балансу планети топка печей дровами, використання коней (або навіть рабів) в якості тяглової сили, двигун на біоетанолі і, наприклад, паливний елемент - переспіви старої ідеї електрона, покинутого на верхню сходинку енергетичної сходи сонячним фотоном і поступово спускається звідти . Але яка технологічна різниця!

Бажання жити вічно

Таким чином, класифікація способів отримання енергії на «дідівський» і «інноваційні», яку ми тут взяли за основу, хороша для теорії, але не дуже змістовна для практики. Екологам набагато цікавіше ось що: чи може той чи інший спосіб підтримувати нашу цивілізацію нескінченно, або в ньому закладена бомба уповільненої дії?

Саме за цим принципом джерела енергії поділяються на поновлювані (ВДЕ) та невідновлювані. Якщо джерелом можна користуватися нескінченно в рамках нинішнього стійкого стану біосфери, з ним все в порядку. Сонячна енергетика, гідроенергетика та термоядерна енергетика, якої немає, саме такі. Але, як не дивно, до цього ж типу треба віднести і топку лазні дровами. Вище ми говорили, що енергооборот людства - не більше відсотка від тієї енергії, яку земна біосфера запасає в процесі фотосинтезу. Природа здатна з лишком повернути нам весь той відновлений вуглець, який ми спалимо в грубці у вигляді дров. Отже, весь СО2, який виділиться при цьому в атмосферу, буде неминуче вжито природою для будівництва нової органіки.

Але з викопним паливом все далеко не так райдужно. Як зазначено вище, ефективність його переробки людиною - менше 0,01%, а наша потреба в енергії - 0,16% від енергобалансу біосфери. Отже, природа ні за що не встигне повернути в справу весь виділився СО2 і відновити запаси вуглинки і нафти. А це означає, по-перше, що нафта і вугілля колись закінчаться. А по-друге це означає, що СО2 буде накопичуватися. Таким чином, людство цілком здатне змістити енергобаланс планети незворотно, і це досить неприємний сценарій.

До речі, ми далеко не перші, хто пробував це зробити. Коли під кінець палеозою рослини навчилися синтезувати лігнін - полімер, що надає твердість деревині, - вони теж змістили рівновагу, хоч і в протилежну сторону. Вони стали забирати з атмосфери СО2 і запасати його в такій формі, що повернути його в оборот стало важко. Власне, запаси вугілля утворилися саме тоді, і спалити їх повністю - значить, грубо кажучи, повернути природу на чверть мільярда років тому. Тоді було жарко, літали величезні бабки і атмосфера на ⅕ складалася з вуглекислого газу. Вам цього хочеться?

Якщо немає, наші новини вас не порадують: з невідновлюваних джерел ми зараз отримуємо більше двох третин всієї споживаної нами енергії.

Все сказане зовсім не означає, що якщо джерело енергії «поновлюваний», його використання нічим нам не загрожує. Викладіть пустелю Сахара сонячними батареями, і всі тамтешні ховрахи і скорпіони прийдуть до вас на поріг з криками і прокльонами. Гідроелектростанції - прекрасна річ, ніяких викидів взагалі, повна поновлювані. Але розбуди гринписовцев серед ночі, запитай його: «Що не так з ГЕС?» - і він, до ладу не прокинувшись, відбарабанить щось про деградацію водних екосистем, вплив на клімат і кошмарні наслідки можливих аварій. Навіть термоядерна енергетика, якої немає, чревата накопиченням радіоактивних ізотопів в захисті реактора, і це сміття треба кудись дівати. Але ніхто і не говорив, що буде легко.

Не можна переробляти енергію, не змінюючи навколишнє середовище, і навіть нерозумно ставити таку мету: ми, людство, тому і нарощуємо енергоспоживання, що хочемо зробити цю середу краще (хоча б для голодуючих африканських дітей). Залишається придумати, як робити це, не заганяючи себе в безвихідний тупик.

Поділися в соціальних мережах: