Быстрый прогресс и пригодность двигателя для выполнения многих производственных, строительных и транспортных задач (благодаря прочности и надежности) превратил паровую машину в неодушевленный первичный движитель индустриализации XIX века. Его стационарное использование варьировалось от работ, которые ранее выполняли одушевленные первичные движители, водяные колеса или ветряные мельницы (откачка воды, распил древесины или обмолот зерна) до новых задач, которые появились на растущих фабриках (приводные ремни позволяли осуществлять сверление, полировку и другие операции с помощью механизмов, а также получать сжатый воздух). Кроме того, отдельные самые крупные из когда-либо построенных паровых двигателей использовались для того, чтобы вращать динамо первых электростанций в 1880-90-х годах (Smil 2005).
Мобильное использование двигателя привело к революции (здесь эта оценка совершенно опревданна, в отличие от обычного гиперболического утверждения) в транспорте, как наземном, так и водном, к быстрому развитию железных дорог и появлению пароходов. Другие способы мобильного применения, облегчавшие труд, включали паровые краны, молоты для забивки свай и экскаваторы (первое устройство такого типа, «паровая лопата», была запатентовано еще в 1839 году). Панамский канал не удалось бы построить так быстро (1904–1914) без использования примерно сотни «паровых лопат» Bucyrus и Marion (Mills 1913; Brodhead 2012), пар нашел путь даже на американские поля посредством канатных плугов.
Но паровые двигатели стали жертвами собственного успеха: по мере того как росла их эффективность, а ее пиковое значение достигало беспрецедентного уровня (на порядки выше, чем у любого традиционного первичного движителя), они начали сталкиваться с сущностными ограничениями, изначально заложенными в конструкции (Smil 2005). Даже после столетия усовершенствований широко используемые паровые машины оставались малоэффективными: к 1900 году типичный паровой локомотив тратил впустую 92 % угля, загруженного в котел. И они оставались тяжелыми, что ограничивало их мобильность за пределами рельсов и воды, которые могли поддерживать значительную массу (примечание 5.5).
Примечание 5.5. Соотношение масса/мощность паровых машин и «мегатерия»
Лошадь среднего размера, весящая 750 кг и дающая одну лошадиную силу (745 Вт), будет иметь соотношение масса/мощность почти в 1000 г/Вт, как и человек в 80 кг, постоянно работающий с мощностью в 80 Вт. Первые паровые двигатели XVIII века были очень массивными и давали соотношения (600–700 г/Вт) почти столь же высокие, как у людей и тягловых животных. К 1800 году соотношение упало до 500 г/Вт, и к 1900 году лучшие паровые локомотивы добрались до 60 г/Вт. Но это было все равно слишком много для того, чтобы приводить в движение наземные средства транспорта или вращать динамо на электростанциях.
В 1894 году новый бензиновый двигатель «Даймлер-Майбах», установленный на автомобиле, который выиграл гонку Париж-Бордо, имел показатель менее 30 г/Вт (Beaumont 1902), и он не оставил паровым машинам места в дорожном транспорте. Даже первый коммерческий вариант малых паровых турбин Чарльза Парсонса – мощностью в 100 кВт, построена в 1891 году – выдавал лишь 40 г/Вт, и перед Первой мировой соотношение упало ниже 10 г/Вт, а эффективность превзошла 25 %, много выше 11–17 % для лучших паровых двигателей (Smil 2005). Вследствие этого 16 больших паровых машин «Вестингауз-Корлисс», установленных на нью-йоркской электростанции Эдисона в 1902 году, уже устарели, и все же тремя годами позже лондонский городской совет по трамваям поставил на станции Гринвич «мегатерия мира машин» (Dickinson 1939, 152), первый из 3,5-мегаватных паровых компаунд-двигателей, для чего потребовалось пространство размером с собор. Массивные машины Гринвича были почти столь же высокими (14,5 м), как и широкими, а генератор Парсонса той же самой мощности имел бы только 3,35 метра в ширину и 4,45 метра в высоту.
Когда паровые машины достигли своей величайшей эффективности, наибольшей мощности и самого низкого соотношения масса/мощность, не нашлось путей, по которым они смогли бы проследовать к дальнейшему доминированию. Несмотря на впечатляющий прогресс и на совсем недавнее широкое распространение в промышленности, на железных дорогах и в морском транспорте, первичный движитель XIX века потерял лидирующие позиции в веке двадцатом. Паровые турбины остались наиболее мощными первичными движителями в генерации электричества, а двигатели внутреннего сгорания (сначала бензиновые, появившиеся в 1880-х годах, затем и дизельные) в конечном итоге оказались достаточно легкими, мощными и удобными, чтобы стать основой дорожного транспорта. Распространение двигателей внутреннего сгорания стало возможным благодаря доступности недорогого жидкого топлива, получаемого из сырой нефти: у этих жидкостей была большая плотность энергии, чем у угля, они сгорали чище, их было легче перевозить и хранить, и эта комбинация до сих пор делает их лучшим топливом в сфере транспорта.
Нефть и двигатели внутреннего сгорания
Начальный этап крупномасштабной добычи и использования нефти занял всего несколько десятилетий в конце XIX века. Конечно, углеводороды (сырая нефть и природный газ) были известны тысячелетиями благодаря просачиванию нефти на поверхность и «пылающим столбам», широко распространенным на Ближнем Востоке (особенно в северном Ираке), но обнаруживаемым по всему миру.
Перечень имущества, приложенный к завещанию Джорджа Вашингтона, описывает пылающий источник в долине реки Канова в Западной Виргинии: «Участок, из которого 125 акров составляют половину, был взят генералом Эндрю Льюисом и мной благодаря тому битуминозному источнику, который тот содержит, столь воспламеняемому по природе, что горит он столь же свободно как спирт, и почти столь же сложен для тушения» (Upham 1851, 385).
Но использование углеводородов в древности было ограничено почти исключительно строительными материалами или защитной одеждой. Их сжигание для того, чтобы получить тепло, например, в термах Константинополя во времена поздней Римской империи, было редким (Forbes 1964). Знаменательное исключение – сжигание природного газа в Китае для выпаривания соляного раствора в лишенной выхода к морю провинции Сычуань (Adshead 1992). Этот процесс стал возможным благодаря изобретению в Китае вибрационно-вращательного бурения и осуществлялся по меньшей мере с начала династии Хань (около 200 до н. э.; Needham 1964). Тяжелый железный наконечник, прикрепленный к длинному бамбуковому трубопроводу, закрепленному на бамбуковой вышке, ритмично поднимала команда от 2 до 6 человек с помощью рычага. Самые глубокие из описанных скважин были всего 10 метров во времена династии Хань, но к III веку они достигли 150 м, и в Цинхай в 1835 году – 1 км (Vogel 1993). Природный газ, доставляемый по бамбуковым трубопроводам, использовался для выпаривания рассола в огромных железных сосудах.
Эта китайская практика оставалась изолированной, и эра углеводородов во всем мире началась только через два тысячелетия. В Северной Америке нефть собирали из естественных выходов на поверхность в западной Пенсильвании в конце XVIII века и продавали в качестве лечебного «масла Сенеки», а во Франции нефтеносные пески эксплуатировались с 1745 года в Эльзасе, около Мерквиллер-Пешельбронн, где в 1857 году был построен первый маленький очистительный завод (Walther 2007). Но в доиндустриальном мире было только одно место с долгой историей добычи сырой нефти, Апшеронский полуостров на Каспийском море в современном Азербайджане.
