Глава 8
Энергия
Белый сполох на юго-востоке превратился в багровый шар. Все понимали, что это. Орландо. Или авиабаза Маккой, или то и другое вместе. Электростанция, питающая округ Тимукуан. Свет тут же погас, и цивилизация в Форт-Репоуз откатилась на сто лет назад. Так завершился Тот День.
Пэт Фрэнк. Горе тебе, Вавилон (Alas, Babylon)
Поворошив старые счета за газ и электричество в своей квартире на севере Лондона, я подсчитал, что за прошлый год мое потребление энергии составило чуть меньше 14 000 квт·ч. Если бы у нас не было ископаемых углеводородов и всю эту энергию нужно было обеспечить за счет срубаемого леса, мне пришлось бы каждый год сжигать почти 3 т сухих дров (или 1,7 т более энергоносного древесного угля), что требует более 0,4 га леса с коротким оборотом рубки. Это при условии, что все 100 % энергии, сокрытой в древесине, мы конвертируем в электричество, текущее по моим проводам. На самом же деле многоступенчатый процесс сожжения топлива для генерации электричества по своей природе малопроизводителен, и даже современные электростанции могут перевести в электричество лишь 30–50 % энергии, содержащейся в топливе.
И, конечно же, здесь мы считаем только энергию, которую я потребляю непосредственно в стенах дома: на обогрев, освещение и работу бытовых устройств.
Я не учел затраты, которыми обеспечивается моя доля в потреблении благ индустриальной цивилизации: энергию, затрачиваемую на строительство зданий и дорог, на промышленные процессы, необходимые для производства писчей бумаги и стирального порошка, на производство и транспортировку моей одежды или дивана, на изготовление удобрений и обработку земли, дающей мне пищу, а еще на топливо, расходуемое поездом метро, везущим меня на работу. Если разделить общенациональное энергопотребление на численность населения страны, мы увидим, что каждый житель Соединенных Штатов реально потребляет в год около 90 000 квт·ч, а европеец — чуть более 40 000 квт·ч.
До средневековой механической революции, которая ввела в широкое употребление водяные колеса и ветряные мельницы, и позднейшей промышленной, опиравшейся на использование ископаемого топлива, все усилия, необходимые для сельского хозяйства и ремесла, а также для перемещения, создавались только мускульной силой. Поместим нынешний объем энергопотребления в историческую перспективу: чтобы получить 90 000 квт·ч, каждый американец должен иметь табун из 14 лошадей или бригаду из более чем 100 батраков, работающих без передышки 24 часа в сутки 7 дней в неделю.
С крахом индустриальной цивилизации и гибелью энергосистем возрождающемуся человечеству придется заново учиться удовлетворять потребности в энергии. Развитие цивилизации основано на способности человека распоряжаться все более обширными энергоресурсами и особенно на умении превращать один вид энергии в другой, например обращать тепло в механическое движение.
Механическая сила
Цивилизация требует не только тепловой энергии, о которой шла речь в главе 5; чтобы шагнуть за пределы возможностей мускульной силы, нужно научиться использовать механическую.
Одним из ключевых изобретений римлян было вертикальное водяное колесо с зубчатой передачей: нижняя часть большого колеса с лопастями погружалась в реку, и колесо силой течения вертелось. В античную эпоху эта сила воды использовалась для вращения жерновов, перемалывающих зерно в муку, а ключевым механизмом, без которого такая технология была бы невозможна, стала ортогональная зубчатая передача (изобретенная около 270 г. до н. э.), трансформирующая направление движения из вращения в вертикальной плоскости, совершаемого колесом, в горизонтальное вращение жернова. Проще всего этого можно добиться применением большого коронного колеса (с зубцами, торчащими перпендикулярно плоской поверхности диска) на валу колеса водяного в сочетании с так называемой цевочной шестерней (барабаном из стержней), соединенной с жерновом. Меняя соотношение размеров коронного колеса и цевочного колеса, можно подобрать нужную скорость вращения для жернова при любой скорости течения реки. Водяные мельницы такой конструкции — первейшее известное применение шестерен для передачи усилия и, таким образом, являют собой раннее предвестие механизации.
Хотя его можно смонтировать практически на любом речном берегу и даже приспособить к борту мельничного судна, поставленного на якорь на стрежне реки, нижнебойное колесо удручающе непроизводительно и в своей простейшей конструкции перестает работать при изменении уровня реки. К счастью, не требуется особенной технической компетентности, чтобы построить гораздо более эффективное водяное колесо. Верхнебойные колеса, которые вошли в широкий обиход в Темные века — как считается, период застоя и темноты, наступивший в Европе после падения Рима, при всем внешнем сходстве с примитивными нижнебойными используют совершенно иной принцип.
Нижний край верхнебойного колеса не погружают в воду, напротив, поднимают над лотком, а вода поступает на макушку колеса по специальному желобу. У верхнебойного колеса момент силы возникает не от напора течения, а от удара падающей струи. Такая конструкция много производительнее и может утилизировать до двух третей энергии падающего водного потока. Устройте на желобе задвижку-шлюз, чтобы управлять толкающим колесо потоком, и, если реку перегородить дамбой, создав мельничную запруду, вы получите резервуар энергии, расходуемой по мере надобности (до этого приема человечество додумалось лишь к VI в., полтысячелетия спустя после появления первых вертикальных водяных колес. Однако в постапокалиптическом мире можно сразу же перейти к такой технологии).
Оседлать ветер — задача значительно более хитрая, чем запрячь водный поток, и соответствующие технологии возникают в истории человечества значительно позже (хотя суда с парусом, использующие силу ветра как двигатель, восходят к 3000 г. до н. э.). Вода гораздо более плотная среда, чем воздух, и даже слабое течение несет немалую энергию: этот ресурс легко использовать даже с помощью несовершенных машин и малопроизводительных деревянных деталей. Поток воды можно регулировать посредством шлюза, но управлять силой ветра никто не может, так что, если он станет дуть слишком резко, крылья мельницы или даже ее механизм могут сломаться. Поэтому ветряным мельницам нужен специальный тормоз и система настройки крыльев, по подобию с управлением корабельными парусами. Но при всем этом самая главная трудность — постоянно меняющееся направление ветра, под которое мельницу нужно быстро переориентировать.
Примитивную ветряную мельницу можно водрузить на столб и вручную разворачивать всю конструкцию под ветер, но у крупных и мощных мельниц крылья должны крепиться на верхней башенке, которая автоматически поворачивается за ветром вокруг центрального вала. Механизм для этого применялся простой до гениальности: небольшая крыльчатка, установленная позади главных крыльев и под прямым углом к ним, соединялась зубчатой передачей с зубчатым кольцом, лежащим по верхнему краю башенки: если ветер менялся и попадал на лопасти крыльчатки, она начинала крутиться и поворачивала башню, пока та не оказывалась вновь точно против ветра
[32].
