Эффективность первичных движителей ограничена фундаментальными законами термодинамики. Технический прогресс сузил разрыв между наилучшей эффективностью и возможным максимумом. Эффективность паровых машин выросла с доли процента для двигателя Севери до более 40 % для больших турбогенераторов начала XXI века. Для турбогенераторов сейчас возможны только незначительные усовершенствования, работают ли они на пару или на воде, газовые турбины комбинированного цикла могут достичь эффективности 60 %. Схожим образом, лучшие камеры сгорания в данный момент функционируют близко к максимальной эффективности. И котлы на больших электростанциях, и домашние газовые котлы могут достигать эффективности до 97 %. По контрасту, повседневная эффективность двигателей внутреннего сгорания, первичных движителей с наибольшей агрегированной установленной мощностью, все еще очень низка. Двигатель у машины, за которой плохо ухаживают, часто работает всего лишь на треть от возможного максимума.
Улучшения в эффективности освещения выглядят еще более впечатляющими (примечание 7.2).
Примечание 7.2. Эффективность и отдача освещения
Свечи превращают в свет минимум 0,01 %, и не более 0,4 % химической энергии горящего воска, жира или парафина. Первые лампы Эдисона, в которых использовались овальные петли карбонизированной бумаги, прикрепленные платиновыми зажимами к платиновым проводам, пропущенным через стекло, давали 0,2 %, на порядок выше, чем свечи, но не больше, чем современные им газовые светильники (0,15-0,3 %). Осмиевая нить, появившаяся в 1898 году, превращала почти 0,6 % электрической энергии в свет. Эта величина выросла более чем вдвое после 1905 года, при свечении вольфрамовой нити в вакууме, и затем удвоилась еще раз после начала применения инертных газов в лампочках. В 1939 году первые лампы дневного света подняли эффективность выше 7 %, и показатель стал больше 10 % после Второй мировой войны (Smil 2006).
Но лучше всего можно оценить этот выигрыш в терминах световой отдачи. Это соотношение светового и лучевого потока (выраженного в люменах на ватт) показывает эффективность, с которой источник лучистой энергии производит видимый свет, и его максимум составляет 683 лм/Вт. Здесь приведены растущие показатели световой эффективности, все в лм/Вт (Rea 2000): свечи – 0,3; газовые светильники – 1–2; первые лампы накаливания – менее 5; современные лампы накаливания – 10–15; лампы дневного света – до 100. Натриевые лампы низкого давления в настоящий момент являются наиболее эффективным коммерческим источником света (с максимумом чуть выше 200 лм/Вт), но их желтоватый свет используется только для уличного освещения. Светодиоды, подходящие для внутреннего освещения, уже подобрались к 100 лм/Вт, и вскоре будут выдавать больше 150 лм/Вт (USDOE 2013).
Более мощные, более эффективные и более легкие механические первичные движители увеличили типичную скорость дальних путешествий более чем в десять раз и на суше, и на воде, и обеспечили возможность полетов (рис. 7.7). В 1800 году экипаж с запряженными лошадьми обычно двигался не быстрее 10 км/ч, а тяжелые грузовые фургоны – в два раза медленнее. В 2000 году движение на шоссе происходило со скоростями более 100 км/ч, а высокоскоростные пассажирские поезда достигали 300 км/ч, а иногда и больше; стандартная крейсерская скорость реактивных самолетов равна 880–920 км/ч на высоте примерно 11 км над землей. Рост скоростей сопровождался растущими показателями грузоподъемности и дальности в транспортировке как товаров, так и людей.
Рисунок 7.7. Максимальные скорости пассажирского транспорта выросли с менее 20 км/ч для экипажей дожелезнодорожной эры до много более 100 км/ч всего за несколько десятилетий развития локомотивов. Современные быстрые поезда обычно движутся на скоростях 200–300 км/ч, а реактивные самолеты следуют по своим маршрутам со скоростью, превышающей 900 км/ч. Основано на данных из многочисленных источников, которые цитировались в разделах книги, посвященных транспорту
На земле эта механическая эволюция достигла пика недавно, с появлением многоосевых грузовиков, грузовых составов (перемещающих до 10 тысяч тонн твердых материалов) и быстрых электричек (до 1000 человек). Супертанкеры перевозят до 500 тысяч тонн сырой нефти; крупнейшие пассажирские самолеты, «Боинг-747» и «Аэробус-380» могут нести около 500 человек, а самый большой грузовой самолет «Антонов-225» может поднять 250 тонн. Рост дальности был ничуть не менее впечатляющим: величайшее расстояние, которое может покрыть пассажирский автомобиль без заправки, сейчас около 2600 км – рекорд установил в 2012 году дизельный «Фольксваген Пассат ТДИ» (Quick 2012) – а «Боинг-747-200ЛР» может пролететь более 17 500 км.
Рост скорости и дальности средств транспорта имел свою деструктивную сторону – точно так же выросли скорость, дальность и эффективная мощность метательного оружия. Радиус действия для копий был всего несколько десятков метров; опытный воин мог увеличить эту дистанцию до 60 метров и более. Хорошие композитные луки стреляли на 500–700 м, и это было предельной дистанцией для более мощных арбалетов. Разные катапульты могли бросать камни в 20-150 кг на 200–500 метров. Их дальность быстро выросла после того, как мускулы заменил порох. Непосредственно перед 1500 годом самые тяжелые пушки могли стрелять железными ядрами в 140 кг на 1400 метров, а более легкими каменными ядрами – в два раза дальше (Egg et al. 1971).
К началу XX века, когда дальнобойность больших полевых орудий достигла нескольких десятков километров, пушки потеряли первое место в области дальности доставки средств разрушения. Они уступили его бомбардировщикам, дальность которых превысила 6000 километров при возможности нести до 9 тонн бомб к концу Второй мировой войны, а затем сами бомбардировщики уступили первенство реактивным снарядам. С начала 1960-х эти снаряды могли нести более мощные ядерные бомбы с большей точностью при запуске как из наземных бункеров, так и с подводных лодок в любой точке Земли. Дальность оружия, от древнего композитного лука Старого Света до баллистической ракеты конца XX века, увеличилась в 30 тысяч раз, а современная ракета обладает разрушительной мощностью на 16 порядков больше, чем у стрелы.
Долгосрочные тенденции потребления, как в абсолютном, так и в относительном выражении, выглядят не менее впечатляющими. В глобальном масштабе общие потоки первичной энергии, включая традиционное биологическое топливо, достигли 20 ЭДж в 1800 году, почти 45 ЭДж в 1900-м, 100 ЭДж в 1950-м, более 380 ЭДж в 2000-м, и более 559 ЭДж в 2015 году. Это дает общегодовой рост мощности от около 650 ГВт в 1800 году до 12,2 ТВт в 2000-м, почти в 20 раз за два столетия, и к 2015 году эта цифра увеличилась еще на 40 %, до около 17,5 ТВт. Объемы добычи ископаемого топлива между 1800 и 2000 годами увеличились в 900 раз, с менее 0,4 ЭДж до более 300 ЭДж. Рост использования энергии глубоко изменил как абсолютный, так и относительный уровни потребления на душу населения.
Энергетические потребности кочевых обществ сводились к добыче пищи, изготовлению простейшей одежды и поиску временных убежищ. Высокие культуры древности направляли медленно растущие потоки энергии на создание постоянных жилищ, на разнообразие возделываемой и обрабатываемой пищи, на лучшую одежду, средства транспорта и на развитие производств (с древесным углем в качестве доминирующего ресурса, дававшего тепло для плавки руды или обжигания кирпичей). Ранние индустриальные общества – с большим количеством одомашненных животных, с кинетической энергией водяных и ветряных мельниц, с растущей добычей угля – легко удвоили потребление энергии на душу населения по сравнению с периодом высокого Средневековья.
