В 1720 году 60 английских домен производили около 17 тысяч тонн чугуна, на что требовалось, из расчета 40 кг дерева на килограмм металла, около 680 тысяч тонн древесины. Ковка металла для производства 12 тысяч тонн чушек добавляла, при 2,5 килограмма древесного угля на килограмм чушки, еще 150 тысяч тонн, и в результате получалось годовое потребление в 830 тысяч тонн древесины на древесный уголь. Со средней продуктивностью в 7,5 т/га территории это соответствовало бы около 1100 км2 лесов и порослевой вырубки.
Для США самые ранние результаты по производству чугуна доступны для 1810 года, когда на около 49 тысяч тонн металла потребовалось (предполагая 5 кг угля или как минимум 20 кг древесины на килограмм горячего металла) около 1 Мт дерева. В то время весь этот объем можно было получить, вырубая девственные леса, богатые экосистемы, которые содержали порядка 250 т/га (Brown, Schroeder and Birdsey 1997). Если вся наземная фитомасса уходила на древесный уголь, то площадь в 4000 га (квадрат со стороной в 6,3 км) требовалось очищать каждый год, чтобы не упал уровень продуктивности. Богатые леса США могли поддерживать и более высокий уровень, и к 1840 году все железо в США выплавляли на древесном угле. Но после быстрого перехода на кокс, который обеспечивал до 90 % выплавки железа в 1880 году, резко выросло производство металла, так что древесного угля не хватило бы ни при каких условиях. В 1910 году, когда выход железа составлял 25 Мт, даже со сниженной потребностью в 1,2 килограмма угля и 5 килограммов дерева на килограмм горячего металла стране потребовалось бы 125 Мт древесины в год.
Даже предполагая высокий прирост вторичных лесов в 7 т/га, постоянное потребление древесины потребовало бы в год вырубать почти 180 000 км2, площадь штата Миссури (или трети Франции), квадрат со стороной от Филадельфии до Бостона или от Парижа до Франкфурта. Очевидно, что даже богатая лесами Америка не могла обеспечить черную металлургию древесным углем.
Этот эффект по необходимости концентрировался в лесистых гористых регионах. Там можно было свести к минимуму расстояние для перевозки угля с помощью животных (ограничение это значительно усиливалось хрупкостью топлива), а энергию, необходимую для мехов, добывать с помощью водяных мельниц. Близость к залежам руды – тоже важный фактор, но поскольку топлива требовалось больше, чем руды, то проще было транспортировать именно ее. Сведение лесов было той неизбежной ценой, которую приходилось платить за изготовление гвоздей, топоров и подков, а также кольчуг, копий, пушек и ядер к ним. Ранняя экспансия черной металлургии и ограниченные запасы собственной древесины привели к энергетическому кризису в Британии в XVII веке. Ситуацию ухудшил высокий спрос на тот же материал в бурно развивавшейся тогда кораблестроительной отрасли.
Железо было широко распространено во многих доиндустриальных обществах, но сталь использовали лишь для особых целей. Подобно чугуну, сталь тоже является сплавом, но она содержит только 0,15-1,5 % углерода и часто очень малое количество других металлов (обычно никеля, марганца и хрома). Сталь превосходит чугун и любой из сплавов меди: лучшая инструментальная сталь имеет разрывную прочность на порядок выше, чем медь или железо (Oberg et al. 2012, примечание 4.21). Некоторые простые технологии древности позволяли получать сравнительно высококачественную сталь, но в малых количествах. Традиционные сталевары Восточной Африки использовали низкие (менее 2 м), круглые домны в виде конусов, питаемые древесным углем, построенные из шлака или глины над ямами с обугленной травой. Восемь человек управлялись с мехами из козьей кожи, подсоединенными к керамическим трубкам, что давало возможность поднять температуру выше 1800 °C (Schmidt and Avery 1978). Этот метод, очевидно, был известен с первых веков нашей эры и позволял прямо получить небольшие количества качественной стали со средним содержанием углерода.
Но доиндустриальные общества обычно приходили к стали одним из двух эффективных древних способов: либо обогащение углеродом ковкого мягкого железа, либо удаление лишнего углерода из чугуна. Первая технология возникла раньше, она предполагала продолжительное нагревание металла в каменном угле, и в процессе происходила постепенная внутренняя диффузия углерода. Без дальнейшей ковки такой способ давал слой твердой стали поверх ядра из более мягкого железа. Это был идеальный материал для плугов и для изготовления защитного снаряжения, доспехов или кольчуг. Повторяющаяся ковка распределяла абсорбированный углерод сравнительно равномерно, и в результате получались отличные лезвия для мечей. Декарбонизация, удаление углерода из чугуна посредством окисления, использовалась в Китае уже во время династии Хань и давала металл для таких исключительных объектов, как цепи для подвесных мостов.
Растущая доступность железа и стали постепенно привела к целому ряду глубоких социальных изменений. Железные пилы, топоры, молоты и гвозди ускорили процесс строительства домов и повысили их качество. Железная кухонная утварь, как и множество других предметов домашнего обихода, от колец до грабель, от решеток до терок, облегчили готовку и многие домашние работы. Железные подковы и плуги обеспечили интенсификацию земледелия. Революция случилась и в военном деле, сначала появились гибкие кольчуги, шлемы и тяжелые мечи, затем пушки, ядра и ручное огнестрельное оружие. Эти тенденции значительно ускорились после того, как металлургия перешла на каменный уголь и появились паровые машины.
Военное дело
Вооруженные конфликты всегда играли в истории значительную роль: они требовали мобилизации источников энергии (часто – в экстраординарном масштабе, и не важно, сбор ли это пеших солдат, вооруженных простыми предметами, производство взрывчатых веществ и боевых машин или подготовка запасов к долгой войне) и регулярно приводили ко все более концентрированному и опустошительному высвобождению разрушительной силы. Более того, поступление базовой энергии в виде пищи или топлива к населению, оказавшемуся под воздействием конфликта, страдало не только в то время, когда он разворачивался (реквизиции пищи для войск, уничтожение посевов, разрушение экономики, мобилизация молодых мужчин, вред, нанесенный поселениям и инфраструктуре), но и многие годы после его завершения.
Все исторические конфликты решались с помощью оружия, но оружие не является первичным движителем войны: если убрать два исключения, то до изобретения пороха единственными первичными движителями войны были мускулы человека и животных. Первым исключением является применение зажигательных материалов; вторым, конечно, использование парусов на боевых кораблях. Традиционное механическое оружие – ручное (кинжалы, мечи, копья) и метательное (дротики, стрелы, тяжелые снаряды для катапульт и требушетов) – конструировалось так, чтобы нанести максимальный физический урон с помощью резкого высвобождения кинетической энергии. Только изобретение пороха добавило новый, намного более мощный первичный движитель. Взрывчатая реакция между химическими веществами могла толкать метательные снаряды быстрее и дальше и увеличивать их разрушительную силу. Столетиями эта сила была ограничена неудобной конструкцией личного оружия (ружья с дульным и полочным заряжанием), но порох приобрел даже большую важность как движитель пушечных ядер.
