Термическая энергия
С течением времени человечество все лучше овладевало огнем, все более умело управляло процессом горения и применяло его. Целый ряд основных функций цивилизации немыслим без химических и физических превращений, вызываемых высокой температурой: плавка, ковка и литье металлов, стеклоделие, рафинирование соли, производство мыла, выжигание извести, обжиг кирпича, черепицы и керамических водопроводных труб, отбеливание тканей, хлебопечение, пивоварение и винокурение, а также выполнение сложных промышленных процессов Габера и Сольве, к которым мы вернемся позже. Вспышки пламени, заточенного в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, движут автомашины, и, даже щелкая выключателем лампы, вы, скорее всего, используете огонь, пусть и горящий где-то далеко на электростанции, — огонь, энергия которого извлекается, преобразуется и по проводам течет в вашу лампочку. Нынешняя техническая цивилизация зависит от применения огня не меньше, чем зависели наши предки, готовившие еду на очагах в первых рукотворных жилищах.
Сегодня основную часть необходимой термической энергии мы получаем напрямую или опосредованно (в виде электричества), сжигая ископаемое топливо: нефть, уголь и природный газ. Одна из технологий, открывших путь промышленной революции, — это производство кокса и его использование во многих промышленных процессах, в том числе упомянутых выше, особенно для плавки металлов и производства стали. С тех пор прогресс нашей цивилизации обеспечивался не возобновляемыми, восстанавливаемыми по мере потребления источниками энергии, а расходованием ископаемого топлива — энергии, запасенной миллионы лет назад, заключенной в преобразованной растительной массе.
Когда истощатся уцелевшие запасы бензина и газа на заправочных станциях, общество, отброшенное планетарной катастрофой к истокам, вероятно, не сможет удовлетворить прежнюю потребность в тепловой энергии. Бóльшая часть доступных месторождений высококачественного топлива уже выработана: изобилие законсервированной готовой к употреблению энергии, которое облегчило нам задачу в первый раз, осталось в прошлом. Нефть больше не бьет из мелких скважин, а за углем нужно все глубже забираться в земные недра, применяя сложнейшие технологии водоотведения, вентиляции и укрепления против обвала
[23]. Угля на планете еще много: США, Россия и Китай вместе располагают более чем 500 млн т, но легкодобываемые запасы в основном исчерпаны. Каким-то группам землян, уцелевших после апокалипсиса, может быть, повезет оказаться у неглубоко залегающих угольных пластов, которые можно разрабатывать открытым способом, но все же перезагрузка цивилизации, вероятно, поневоле будет «зеленой».
Как мы увидели в главе 1, после глобального катаклизма леса быстро захватят сельскую местность и даже брошенные города. Небольшая популяция переживших апокалипсис не ощутит дефицита дров, особенно если будет возобновлять вырубки быстрорастущими породами. Спиленный ясень или ветла дадут новые побеги от пня, и через 5–10 лет вырастет новое дерево; таким образом, с гектара лесного хозяйства в год можно получать в среднем от 5 до 10 т древесины. Поленья хороши для камина, для обогрева дома, но для различных задач, неизбежных на долгом пути возрождения цивилизации, потребуется топливо, дающее гораздо больше тепла, чем древесина. Поэтому придется вернуться к старинной практике — выжиганию угля.
Дерево сжигается с ограниченным притоком воздуха: при дефиците кислорода оно не сгорает полностью, а карбонизируется. Летучие вещества, такие как вода и другие небольшие легкие молекулы, легко переходящие в газ, выделяются вовне, а сложные компоненты, составляющие древесину, под действием жара разрушаются — древесина пиролизируется, — и получаются черные куски практически чистого углерода.
Древесный уголь не просто горит жарче своего прекурсора — поскольку из него удалена вся влага и остался только чистый топливный углерод — он примерно в два раза его легче, а значит, более компактен и транспортабелен.
Традиционно для бескислородного пережигания дерева — в чем заключалось ремесло углежога — поленья укладывали в пирамиду с полым каналом в центре, затем обмазывали глиной или обкладывали дерном. Дерево поджигали через отверстие на вершине, и затем за тлеющими дровами тщательно следили, регулируя их горение в течение нескольких дней. Нужного результата можно достичь проще: выройте траншею, заполните ее дровами, подожгите их, дайте разгореться, а потом накройте траншею найденными листами гофрированного железа и присыпьте землей, чтобы перекрыть кислород. Дерево будет тлеть и остывать. Древесный уголь окажется незаменимым чисто сгорающим топливом при возрождении ключевых производств: например, производства керамики, кирпича, стекла и металла, о чем мы поговорим в следующей главе. Если вы окажетесь в местности, где есть доступные залежи каменного угля, у вас под рукой тоже будет прекрасный источник тепловой энергии. Тонна каменного угля дает ее столько же, сколько целый акр леса. Неудобство состоит в том, что сгорает каменный уголь не так жарко, как древесный. К тому же это довольно грязное топливо — копоть может испачкать выпекаемый вами хлеб или выплавляемое стекло, а сталь от содержащихся в угле сернистых примесей становится хрупкой и малопригодной для ковки
[24]. Чтобы этого избежать, уголь коксуют.
Это похоже на выжигание древесного угля из древесины. Каменный уголь спекают в печах с ограниченным притоком кислорода, чтобы устранить примеси и летучие вещества, которые, как и побочные продукты сухой перегонки древесины, имеют свое особое применение и для этого конденсируются и запасаются.
Сжигание топлива также дает свет, и, пока возрождающееся общество восстанавливает электросети и заново изобретает лампочку Эдисона, уцелевшим людям придется довольствоваться масляными лампами и свечами
[25]. Растительные масла и животные жиры благодаря особенностям их химии служат лучшим компактным источником энергии с управляемым горением. Особенность этих соединений — длинные углеводородные цепи: гирлянды из атомов углерода с прицепленными по бокам атомами водорода, похожие на гусеницу с множеством коротких ножек. Энергия заключена в связях между разными атомами, так что длинные углеводороды представляют собой туго набитые упаковки, которые нужно вскрыть. В процессе горения эти крупные структуры распадаются, и все атомы соединяются с кислородом: водородные образуют воду, а звенья углеродного хребта улетучиваются в составе углекислого газа. Быстрая разборка длинных массивных молекул в ходе окисления высвобождает поток энергии — теплое мерцание свечного огонька.
