FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь 2019
176 городов
September – November 2019
312 cities
11-13 октября 2019
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры
21-22 сентября 2019 года
22-23 октября 2019 года
29-30 ноября 2019 года
7-8 сентября 2019 года
27-29 сентября 2019 года
4-5 октября 2019 года
10-12 октября 2019 года

Последствия дематериализации

Прежде чем подробно рассматривать материальные последствия дематериализации, я хотел бы подчеркнуть, что этот важный показатель неизбежно дает нам ограниченное и несовершенное представление о ходе вещей. Более реалистичный показатель, который учитывает в том числе и влияние снижения веса материалов на окружающую среду (землепользование, выбросы диоксида углерода, токсичность водных ресурсов), подсказывает, что этот фактор, возможно, не самый важный: небольшое количество тяжелых металлов в электронике может оказать большее влияние, чем сравнительно большое количество пластика (van der Voet и соавт., 2005). Для надежной оценки этих последствий необходимо проводить сравнительный анализ жизненного цикла конкретных продуктов, а в некоторых случаях и часто повторять ее, поскольку в дематериализации участвуют все новые и новые материалы и устройства. Постоянное снижение отношения массы продуктов и двигателей к их производительности и мощности позволяет нам делать много показательных сравнений, вроде тех, что я привел в разделе, где выразил массу алюминия, сэкономленного благодаря более легкой конструкции банок, в количестве новых Боингов, которые можно было бы из него построить. Но все эти сравнения блекнут перед фактом, что если бы среднее соотношение массы и оперативной памяти более 300 миллионов компьютеров, проданных по всему миру в 2011 году, осталось на уровне начала 1980-х, то общий вес всех материалов (металла, кремния, пластика, стекла), необходимых для производства всех этих разных видов персональных компьютеров, составил бы почти 850 миллиардов тонн, что на 2 порядка больше, чем весь углерод, добытый в мире в этом году из всех видов ископаемого топлива, и в 200 раз больше массы всех материалов, израсходованных США в этом году. Вот еще несколько распространенных примеров: при прочих равных, двигатели сегодняшних межконтинентальных реактивных лайнеров были бы по крайней мере на 50% тяжелее, если бы соотношение их тяги и мощности оставалось на уровне начала 1960-х; двигатели современных автомобилей были бы как минимум в три раза тяжелее, если бы обладали лучшей конструкцией начала 1930-х; если бы крупные контейнерные суда были оборудованы лучшими паровыми двигателями, то последние весили бы в 3–4 раза больше, чем наиболее эффективные современные морские дизельные двигатели; а сегодняшние тепловые электростанции с крупнейшими и  эффективнейшими паровыми двигателями начала двадцатого века требовали бы в 50-100 раз больше материала (в основном железа и стали), чем оборудованные современными паровыми и газовыми турбинами с огромными бойлерами. Из этих контрастов явственно следует, что удельная дематериализация является одной из основных причин снижения затрат, роста доступности и массового распространения новых поколений продуктов, а также предотвращения поистине невообразимого экологического загрязнения и деградации. Очевидно, что в 2011 году было бы физически невозможно продать более 300 миллионов, да даже и 30 миллионов персональных компьютеров, если бы их соотношение массы и оперативной памяти оставалось бы на уровне начала 1990-х: даже самое передовое и обеспеченное государство не смогло бы приобрести и обработать то количество материалов, которое потребовалось бы для изготовления этих устройств. Аналогичным образом, сегодняшние пассажирские автомобили не были бы такими мощными, если бы их соотношение массы и мощности застряло на уровне 1930-х годов. В отличие от персональных компьютеров из предыдущего примера, мы бы смогли организовать производство множества таких тяжелых автомобилей, но стоимость их покупки и эксплуатации была бы так высока, что массового распространения они бы не получили. Выработка электричества с помощью паровых двигателей никогда не сравнится по эффективности с турбогенераторами, сырье для которых дешево, а соотношение массы и мощности является низким: если бы мы продолжили пользоваться паровыми машинами для производства электроэнергии, ее потребление было бы значительно ниже, гораздо меньше людей владели бы электроприборами и электронными устройствами, домашнее и уличное освещение было бы гораздо более скудным, а в промышленности использовались бы лишь относительно неприхотливые электрохимические процессы. Конечно, меньший удельный вес продуктов и меньший вес двигателей на единицу производительности – не единственная причина удешевления и широкого распространения продуктов и услуг. Технические инновации обычно работают в комплексе и часто неожиданным образом взаимодействуют друг с другом, поэтому оценить относительное воздействие отдельных факторов сложно, если вообще возможно. Основным фактором дематериализации стало уменьшение затрат на энергию, необходимую для производства, обработки и транспортировки материалов. Кроме того, свое влияние оказали удешевление и механизация производства, частое (а иногда и постоянное) перепроектирование коммерчески успешных продуктов, а также введение новых методик и технологических процессов, некоторые из которых улучшали, а некоторые радикально меняли процесс производства. Это удешевление энергии было бы невозможно без новых продуктов и процессов: только подумайте обо всех тех механизмах, которые необходимы, чтобы дешевле добывать уголь из угольного разреза, о том, как роторные буровые установки изменили добычу углеводородов, которая раньше велась методом ударного бурения, о высоковольтных линиях, которые сегодня позволяют нам дешево передавать электричество на длинные расстояния. В свою очередь, новые материалы, необходимые для производства этих продуктов, часто требуют больше энергии, чем производство их предшественников: алюминий, пришедший на смену стали, и пластик, заменивший стекло – вот два наиболее очевидных примера. И хотя многие инновации, которые позволили снизить расходы на производство, были разработаны специально, чтобы заполнить нишу, некоторые изначально не имели никакого отношения к своему широкому коммерческому применению: метод выращивания монокристаллов, разработанный Чохральским, ставший материальной основой современной твердотельной электроники – лучший тому пример (Scheel и Fukuda, 2004). В подавляющем большинстве случаев эти сложные динамические взаимодействия процессов удешевления энергии, сырья и производства привели к такой распространенности большого количества продуктов и постоянно расширяющегося ассортимента услуг, что даже впечатляющие результаты по экономии материала в продуктах, сопровождающие увеличение их потребления, не позволяют говорить ни о каком уменьшении использования материалов в целом. Действительно, нет никаких сомнений в том, что удельная дематериализация стала ключевым (и нередко основным) фактором значительного увеличения общего расхода материалов. Таким образом, меньше стало значить больше. Это парадоксальное явление было впервые описано полторы сотни лет назад английским экономистом Уильямом Стенли Джевонсом в связи с расходом энергии: Предположение о том, что экономия топлива эквивалентна снижению его потребления, является заблуждением. Верно обратное. Как правило, новые экономические режимы ведут к увеличению потребления, в соответствии с принципом, действующим во многих подобных случаях (Jevons, 1865, с. 140; жирный шрифт в соответствии с оригиналом). Экономия в результате повышения эффективности преобразования энергии привела к ее более частому использованию и к общему увеличению использования топлива и электричества. Тому есть множество примеров: сравните количество лампочек и электроники в среднестатистическом доме в 2010 году и в 1930, когда производство энергии было намного менее эффективным. В 1930 году даже в самых богатых странах в среднестатистическом доме было несколько (6-8) лампочек, радиоприемник и, может быть, электроплита. 80 лет спустя в каждом доме имеется в среднем более двух дюжин различных осветительных приборов, несколько электроприборов, в том числе такие энергоемкие устройства, как холодильник, электроплита, тостер, стиральная машина, посудомоечная машина, сушилка для белья и кондиционер, и все больше и больше электронных гаджетов, начиная с телевизора и CD-плейера и заканчивая игровыми приставками, персональными компьютерами и мобильными телефонами. Очевидно, удельная дематериализация явно является одним из тех «многих подобных случаев», о которых Джевонс говорил «меньше стало значить больше». Постепенное снижение массы (а, следовательно, и стоимости) отдельных продуктов, будь то потребительские товары или мощные двигатели, привела к их более широкому использованию, а также применению в более тяжелых (более мощных, более крупных, более удобных) машинах. Это неизбежно привело к очень резкому росту спроса на материалы, даже учитывая рост населения и количества компаний. Наиболее очевидный пример такого увеличения в наши дни – мобильные телефоны. Поистине взрывное распространение более чем сгладило их эволюцию от «кирпичей» к тонким (в некоторых случаях тоньше карандаша) конструкциям, а в результате мы получили значительный рост спроса на энергоемкие материалы. Учитывая, что средняя масса мобильного телефона в 1990 году (когда их было около 11 миллионов) составляла 600 г, а в 2011 году (почти 6 миллиардов абонентов) – уже 118 г, совокупная масса мобильных телефонов выросла с менее чем 7 тысяч тонн в 1990 году до более чем 700 тысяч тонн, то есть на два порядка. Эволюция американских легковых автомобилей и, в частности, их двигателей – еще один хорошо задокументированный пример удельной дематериализации, не сопровождаемой никаким совокупным снижением количества материалов. Улучшение соотношения мощности и массы американских бензиновых двигателей (в Европе чаше используются дизельные двигатели, но в США их доля выросла с 0,2% новых моделей в 1975 году до всего лишь 0,6% к 2011) вызвало снижение спроса на материалы, необходимые для производства этих двигателей, но широкое распространение этих относительно дематериализованных двигателей, их более высокая мощность и большая масса машин перевесили эту тенденцию. Вот подробное сравнение ситуации в 1920 и 2010 годах. В 1920 на рынке доминировал Ford Model Т с двигателем мощностью 15 кВт (20 л.с.) с низкой компрессией (4,5:1) и массой 230 кг, то есть соотношение массы и мощности составило 15,3 г/Вт. К 2010 году самый популярный легковой автомобиль компании – Ford Fusion – был оборудован двигателем Duratec 25 I-4 мощностью 130 кВт (с высокой компрессией 9,7:1) и массой всего 120 кг, то есть соотношение массы и мощности стало всего 0,92 г/Вт. Примем за среднее соотношение консервативный показатель 1 г/Вт для всех легких автомобилей, зарегистрированных в 2010 году, и окажется, что типичное соотношение массы и мощности бензиновых двигателей, устанавливаемых в пассажирских автомобилях, за 90 лет снизилось на 93%. Впрочем, эти выдающиеся улучшения в среднем отношении массы к мощности бензиновых двигателях сопровождались значительным ростом средней мощности двигателя. Двигатель в Ford Fusion в 8,7 раз более мощный, чем в Model T, но он не отражает общего уровня роста мощности, поскольку за последние 30 лет доля легких грузовиков и кроссоверов на рынке выросла. Средняя мощность новых автомобилей, проданных в 1972 году, составила 102 кВт, а затем (в результате быстрого подорожания цен на сырую нефть) снизилась до 80 кВт в начале 1980-х, но вскоре после того, как цена на сырую нефть упала, мощность снова начала расти. В 2003 году средняя мощность новых автомобилей превысила 150 кВт, а после небольшого падения в 2009 году достигла нового рекордного значения в 170 кВт в 2011 году (USEPA, 2012). Средняя мощность новых автомобилей в США в период с 1920 по 2011 год выросла более чем в 11 раз. Даже приняв среднюю мощность двигателей всех транспортных средств, зарегистрированных в 2011 году, за 150 кВт, рост по сравнению с 1920 годом будет почти в 10 раз. Неудивительно, что наблюдается тесная взаимосвязь между средней мощностью и средней массой автомобиля: в 1920-х и 1930-х годах автомобили стали тяжелее, поскольку стали выпускаться с полностью закрытым металлическим корпусом, а их комфортность продолжала расти, что требовало использования более мощных и тяжелых двигателей. В 1908 году Ford Model T весил всего 540 кг, а через 30 лет популярный седан Model 74 – уже 1090 кг. С 1950 года вес автомобилей малой грузоподъемности вырос, поскольку они стали больше и снабжались большим количеством оборудования. Эта тенденция усилилась благодаря быстрому вхождению в обиход внедорожников и популяризации использования фургонов и легких грузовиков в качестве пассажирских машин, на которых обычно ездил всего один пассажир. Автоматические коробки передач (ими оборудовано около 95% новых американских автомобилей), кондиционеры, сервоприводы для управления окнами и зеркалами, аудиосистемы и лучшая изоляция дополнительно увеличивают массу среднестатистического автомобиля. Впрочем, пока цены на сырую нефть оставались невысокими, американских автомобильных конструкторов не слишком волновал вес автомобилей, в отличие от их (зачастую сомнительного) внешнего вида. В результате в 1975 году (год, когда Агентство по охране окружающей среды США начало отслеживать реализацию новых автомобилей), когда средняя масса легковых автомобилей в Европе оставалась в пределах 750–900 кг, в США этот показатель (для легковых и легких грузовых автомобилей) составил 1,84 т. Два раунда быстрого повышения цен на нефть в 1970-х создали благоприятную ситуацию для производства автомобилей поменьше, и средняя масса новых автомобилей в США к 1981 году снизилась до 1,45 т. Однако когда цена на нефть в 1985 году снова упала, крупные легковые и легкие грузовые автомобили снова вошли в моду, а появление кроссоверов только усилило эту тенденцию. В 1975 году на долю кроссоверов приходилось менее 2% рынка новых автомобилей, через десять лет – чуть больше 5%, однако к 1995 их было уже 12%, а к 2004 новые пассажирские автомобили стали тяжелее, чем в 1975 году, достигнув рекордного среднего веса в 1,86 т. К 2005 году доля кроссоверов составила почти 26% (наиболее тяжелые конструкции которых весили 4,7 т), а к 2010 году лишь незначительно сократилась примерно до 25% (USDOE, 2005; Davis и соавт., 2011). Поскольку к 2011 году автомобильный рынок в Америке был поделен десятками брендов и сотнями моделей, самым продаваемым автомобилем 2011 года оказался не пассажирский автомобиль, а тяжелый (2130 кг) пикап Ford F-150. Благодаря значительной доле легких грузовиков и кроссоверов, средний вес нового автомобиля в 2000 году превысил 1,7 т и, после небольшого снижения в 2009 и 2010, в 2011 приблизился к рекордным 1815 килограммам, почти не изменившись с 2004 года (USEPA, 2012b). Это значит, что в период с 1920 по 2011 год вес автомобилей увеличился в 3,4 раза. Показатели, приведенные в Таблице 5.1, свидетельствуют о том, что, хотя в период с 1920 по 2011 год среднее отношение массы автомобиля к его мощности снизилось на 93%, средняя мощность двигателя увеличилась более чем в 11 раз: это увеличение нейтрализовало 75% экономии материала, которая стала возможной благодаря улучшению отношения массы двигателя к его мощности, а остальную четверть экономии перечеркнуло увеличение конечного веса автомобиля более чем в 3 раза.  В пересчете на душу населения эти показатели выглядят еще более удручающе, поскольку количество владельцев автомобилей за все эти годы только увеличилось: если в 1920 году было зарегистрировано 8 автомобилей на 100 человек, то в 1950-м это уже 27 автомобилей на 100 человек. После этого нормой стало иметь несколько автомобилей в семье: в 1950 году лишь 3% семей в США имели по два автомобиля, к 1965 году эта цифра достигла 24%, к 2011 году – почти 40%, причем около 20% из них владеют тремя и более машинами, что в общем составляет 80 автомобилей на 100 человек. Таким образом, с 1920 по 2011 год число автомобилей, зарегистрированных на 100 человек, выросло почти в 10 раз, и даже без учета роста населения (с 106 до 308 млн человек), которое при прочих равных привело бы к появлению в три раза большего количества автомобилей, совокупное влияние увеличения мощности, массы и количества автовладельцев привело к увеличению расхода материалов на пассажирские автомобили на душу населения в 2011 году в 35 раз по сравнению с 1920. Похожие тенденции в отношении веса автомобилей и владения ими наблюдаются в Европе и Японии. В 1973 году первая Honda Civic, завезенная в США, весила всего 697 кг, а Civic (LX) 2012 года с автоматической коробкой передач и кондиционером в стандартной комплектации, на 70% больше – 1198 кг; при этом мощность двигателя выросла в 2,8 раза (с 37 до 105 кВт). Снаряженная масса другого бестселлера компании – Honda Accord – выросла более чем на 50% с 1980 по 2012 год, тогда как мощность двигателя увеличилась почти в три раза. И хотя некоторые старые европейские автомобили, разработанные после Второй мировой войны, весят менее 600 кг (Citroen 2 CV – 510 кг, Fiat Topolino – 550 кг), средняя масса европейских малолитражных автомобилей выросла примерно до 800 кг к 1970 и 1200 кг к 2002 году (WBCSD, 2004). С 1995 года средний вес автомобиля существенно вырос почти в каждом сегменте: европейские производители в среднем добавляли по 100 кг каждые пять лет, причем сегодня многие модели весят более 1500 кг (Cuenot, 2009). Количество личных автомобилей в Японии выросло с 1 автомобиля на 100 человек в начале 1960-х до почти 50 автомобилей на 100 человек к 2011 году; в Германии за этот же период количество автомобилей выросло почти в 6 раз до более чем 50 автомобилей на 100 человек. Большая распространенность и вес личных автомобилей привели к увеличению совокупной массы европейских и японских автомобилей на столько же порядков (101 ), что и в США. Вот такая вот дематериализация самых распространенных машин современности! Новые изобретения – гибридные приводы и электромобили – не приведут к уменьшению веса пассажирского транспорта, ведь они требуют использования более сложной трансмиссии и тяжелых аккумуляторных батарей. Например, Volt, выпущенный General Motors в 2012 году, весит более 1,7 т, а электрическая версия Ford Focus – 1,67 т. Еще один показатель, который необходимо учитывать при оценке расхода материалов в производстве пассажирских автомобилей – это средняя эффективность топлива: очевидно, что последовательное улучшение этого показателя значительно повлияет на расход материалов при добыче, транспортировке, очистке нефти и распределении продуктов нефтепереработки. В США произошло нечто прямо противоположное: средняя производительность новых транспортных средств снижалась на протяжении более чем четырех десятилетий, а затем после десяти лет улучшений наступила двадцатилетняя стагнация. В 1936 году (это первый год, с которого можно достоверно рассчитать среднее потребление топлива) средняя производительность новых автотранспортных средств составляла более 15 миль на галлон (то есть около 15,7 л/100 км), а к 1973 году снизилась до 13,4 миль на галлон (18 л/100 км) (Сивак и Tsimhoni, 2009) – замечательный пример регресса в эпоху стремительных технических улучшений. Тенденция изменилась только благодаря инициативе OPEC по поднятию цен на сырую нефть: в 1975 году Конгресс США принял закон о Гарантированных корпорацией средних нормах экономии топлива (CAFE), а в 1978 году было отмечено первое утвержденное улучшение эффективности. К 1985 году производительность автомобилей, зарегистрированная до 1975 года, повысилась более чем в 2 раза и достигла 27,5 миль/галлон (около 8,7 л/100 км). Но в то время, несмотря на падение цен на сырую нефть (с почти 40 долларов за баррель в 1980 году до примерно 15 в 1986) нормы CAFE не менялись более 20 лет; с появлением кроссоверов, на которые эти нормы не распространялись, расход топлива в новых автомобилях (отражающий реальную ситуацию вождения, а не лабораторные тесты) составил всего 21 милю на галлон (11,2 л/100 км) в 2008 году, что на 5% меньше, чем в 1987 году (10,69 л/100 км), а к 2011 году этот показатель возрос до 22,8 миль на галлон (10,3 л/100км) – удивительно низкая производительность и невероятное отсутствие прогресса за четверть века, полную важных технических инноваций. Таким образом, в США не наблюдалось никакой прогрессивной дематериализации автотранспорта, поскольку вплоть до 2004 года среднее расстояние, проезжаемое на автомобиле на душу населения, постоянно росло, а вместе с ним росли производство и распределение топлива, расходы материала на амортизацию, обслуживание автомобилей и ремонт дорог. В то время как в Японии и Европе среднее расстояние, ежегодно проезжаемое на автомобиле, выровнялось на относительно низком уровне, в США этот же показатель на душу населения утроился в период с 1950 по 2000 год (с 4800 до более чем 15 500 км) и достиг максимума в 16 165 км в 2004 году, а к 2010 упал примерно на 5% (BTS, 2013). Вывод ясен: удельная дематериализация двигателя внутреннего сгорания и использование более легких элементов и химических соединений в конструкции транспортных средств только замедляет рост общего расхода материалов на их производство и эксплуатацию. К 2010 году (после замедления роста численности населения) сочетание роста количе- 172 Ñîçäàíèå ñîâðåìåííîãî ìèðà ства тяжелых легковых автомобилей, легких грузовиков и кроссоверов с непростительно низкой средней эффективностью и растущей дальностью перевозок привело к увеличению средней массы автомобилей в Америке на душу населения более чем в 30 раз по сравнению с 1920 годом. Аналогичный расчет удельной дематериализации двигателей и быстро растущего потребления материалов можно сделать и для современной авиаиндустрии. Тяговооруженность крупнейших турбовентиляторных двигателей (например, установленных в Боинге-747 и Аэробусе-380) сегодня примерно на 60% выше, чем у первых турбореактивных самолетов конца 1950-х – но такая значительная дематериализация производительности сопровождалась введением более мощных двигателей, необходимых для еще более крупных самолетов. В первой модели Боинг-707 был установлен двигатель Pratt&Whitney JT3D с номинальной тягой 80 кН, тогда как мощнейший двигатель первого десятилетия XXI века – GE GE0-115 B – обладал тягой 512 кН, а двигатели в реактивных лайнерах среднего размера, используемых для большинства внутриконтинентальных полетов (модели Боинг-737 и Аэробус-320), обладают тягой от 100 до 150 кН и являются на 25–50% более мощными, чем первые коммерческие турбореактивные самолеты (Smil, 2010). Авиационная промышленность стала главным пионером замены материалов на легкие металлы и химические соединения – эта тенденция сейчас достигла кульминации в преимущественном использовании углеродных композитов. Но такая относительная дематериализация не привела к появлению более легких коммерческих самолетов, поскольку стали выпускаться более крупные машины. Эту тенденцию лучше всего видно в развитии Боинга-737 - самого успешного реактивного лайнера всех времен: с момента его введения в 1967 году было продано более 7000 единиц, причем каждая последующая модель весила больше предыдущей. В 1967 году максимальный взлетный вес Боинга 737-100 был чуть меньше 50 т, к 1981 году взлетный вес серии 300 составил уже 56,5 т; самолеты серии 800, находящиеся в эксплуатации с 1998 года, весят 79 т, а последняя разработка - 900ER, эксплуатируемая с 2006 года, весит 85,13 т, что свидетельствует об увеличении максимального взлетного веса на 70% за 40 лет. Растущая вместительность самолетов Боинг-737 (100 пассажирских мест в серии 100 и 203 – в серии 900) сделала возможной удельную дематериализацию самолетов в расчете на пассажира: максимальный взлетный вес уменьшился с 494 кг/чел до 419 кг/чел, то есть на 15% за 39 лет. Но эта тенденция касается далеко не всех самолетов. Например, максимальный взлетный вес Боинга-747 вырос с 333 т у самолетов серии 100, запущенной в производство в 1969 году, до 442,25 т у последней версии 747-8i, но (из-за большей максимальной дальности полета) вырос и удельный вес: от всего лишь 605 кг/чел в 1969 году до почти 950 кг/чел в модели 747-8. Вопреки впечатлению от беспрецедентного использования композитных материалов в этой новой модели, масса Боинга-787 без топлива больше, чем масса Боинга 747-8: если рассчитать удельный вес при размещении третьего класса (467 человек в модели 747, 242 человека в модели 787), то для меньшего самолета он составит 665 кг/чел, а для большего – 623 кг/чел (Boeing, 2012). В любом случае, значительное увеличение общего числа действующих самолетов и невероятное увеличение частоты полетов имеют гораздо большее значение.  Только за счет увеличения населения США флот коммерческих реактивных лайнеров страны и пассажирские перевозки увеличились бы на 70%, однако в действительности в период с 1960 по 2010 год общий флот коммерческих реактивных лайнеров вырос в 3,5 раза, а перевозки только на внутренних рейсах – в 18 раз. Очевидно, что удельная дематериализация реактивных двигателей и некоторых конструкций самолетов лишь слегка тормозит общий рост расхода материалов в американской авиационной промышленности, которая выросла не только за счет увеличения количества и размера самолетов и использования более мощных двигателей, но и косвенно за счет значительного увеличения количества потребляемого топлива, частоты полетов и необходимости во вспомогательных службах (погрузочно-разгрузочные работы, кейтеринг, обслуживание самолетов), а также непрекращающегося развития аэропортов и их инфраструктуры. Этот же процесс происходит сейчас в Китае, где темпы роста авиации уже вытеснили всякую экономию материала за счет использования новейших конструкций двигателей и реактивных лайнеров. Еще один пример долгосрочных тенденций в потреблении продуктов на фоне удельной дематериализации показывает, что даже в сочетании с относительно высокими показателями переработки уменьшение массы на единицу продукции недостаточно, чтобы компенсировать рост потребления на душу населения. Данные о фактических поставках банок для напитков американского производства есть лишь начиная с 1979 года: в период с этого по 2011 год вес банки уменьшился на 25%, но потребление алюминиевых банок на душу населения за год удвоилось: с 149 до 296 (AA, 2013): удельная дематериализация опять способствует абсолютному увеличению расхода материалов. И как ни странно, даже рост переработки алюминиевых банок в стране не привел к общей экономии энергии. Как уже отмечалось, в 2011 году коэффициент переработки достиг 65% (AA, 2012). Это значительно влияет на общую стоимость энергии, поскольку затраты энергии на банки, изготовленные из переработанного металла, составляют всего 5% от того, что требуется для производства банок с нуля. Но даже предположив, что в 1979 году перерабатывали только 30% банок, и энергетические затраты на производство алюминия были на 10% выше, чем в 2011 году, мы получим одни и те же затраты на производство банок из нового и переработанного алюминия на душу населения что в 2011, что в 1979 году, то есть побочный эффект относительной дематериализации (затраты энергии) не привел к абсолютной экономии. Несомненно, меньшая масса на единицу продукции и рост переработки позволили производить в два раза больше банок с теми же энергозатратами, но общее количество задействованных в производстве материалов увеличилось. Наконец, необходимо отметить случаи сокращения удельного веса продукции, которые сопровождались увеличением не только общего расхода материалов, но и затрат энергии на единицу массы новых материалов. На сегодняшний день наиболее распространенным примером этого является замена стали на алюминий. Удельная плотность стали колеблется между 7,7 и 8,0 г/см3 , тогда как сплавы на основе алюминия обладают плотностью 2,6–2,8 г/см3. Снова обратимся к автомобильной промышленности США, чтобы понять последствия того сдвига, который в крупных масштабах начался в конце 1970-х, когда чугунные впускные коллекторы начали заменять алюминиевыми. На эту замену потребовалось несколько лет, а затем из алюминиевых сплавов стали изготавливать головки цилиндров, манжеты поршней, блоки цилиндров, корпуса коробки передач и колеса. В результате к 2000 году общий вес алюминия в среднестатистическом автомобиле американского производства увеличился в два раза (120 кг) по сравнению в 1980 годом и в четыре – по сравнению в 1960 годом (AA, 2003). Если предположить, что стальные и железные детали имели тот же объем, что и заменившие их алюминиевые (на самом деле, объем отличается, но на расчеты это повлияло бы лишь незначительно), 120 кг алюминия заменило примерно 350 кг стали. Но хотя сталь почти в три раза тяжелее алюминия, затраты энергии на ее производство составляют меньше трети энергии, нужной для производства последнего. Лучшие в США средние показатели общей энергетической стоимости производства стали составляют 20 МДж/кг, а алюминия – примерно 218 МДж/кг, то есть разница на порядок (Worrell и соавт., 2008). Для производства некоторых особых видов стали требуется 50 МДж/ кг, но даже в этом случае сохраняется разница более чем в 4 раза. Таким образом, для производства 120 кг алюминиевых деталей для среднего автомобиля в США потребуется около 24 ГДж энергии, а производство 350 кг чугуна и стали стоит не более 8 ГДж – разница в 4 раза. Следовательно, все сокращения веса, связанные с заменой стали алюминием, привели к значительному повышению энергетических затрат на материалы. В то же время следует отметить, что это различие можно сократить за счет снижения эксплуатационных расходов на легкие автомобили, железнодорожные вагоны, и это снижение будет тем больше, чем больше материалов будет заменено: в автомобилях из алюминия изготавливается лишь несколько деталей, но в железнодорожном транспорте он является основным компонентом; колеса и колесная тележка все еще производятся из стали, но в корпусах как крупных грузовых вагонов, используемых для перевозки руды и других продуктов, так и скоростных пассажирских поездов (японский синкансэн, французский TGV и испанский AVE, развивающие скорости до 300 км/ч и более), применяются более легкие сплавы. Алюминиевые грузовые вагоны типа Hopper имеют еще одно преимущество, которое снижает затраты энергии на их эксплуатацию: даже через 20 лет службы потеря металла стен и пола составляет на 25% меньше, чем в стальных (АА, 2003). Замена чугуна и стали на пластмассы приносит те же преимущества (более легкие детали, экономия энергии в производстве тех машин, в которых эти детали составляют большую часть общей массы) и недостатки (неизменно более высокие затраты энергии на производство: большинство видов пластика требуют в 4–6 раз больше энергии на единицу массы, чем легированная сталь). Опять же, последствия этой замены лучше всего видны при сравнении расходов на эксплуатацию энергоемкого транспорта в течение всего срока его службы. Наиболее яркий пример тому – реактивные лайнеры: в интерьере крупного самолета сегодня используется более 5 т передовых термопластиков и других синтетических и композитных материалов, из которых изготавливаются пол, потолочные панели, багажные полки над сиденьями, оконные рамы, кресла, бортовые кухни и тележки, туалетные модули и шторки, разделяющие классы (Composites World, 2006). Можно привести еще много примеров, где замена одних материалов другими, более легкими или обладающих лучшими или уникальными свойствами, позволившая снизить вес конечного продукта, привела к значительному повышению энергопотребления. Вот некоторые из них: пластиковые напольные покрытия в интерьере, заменившие деревянные и кафельные; титан вместо стали в деталях самолетов, полиэтилен, пришедший на смену парусине, пластиковые (полиэтиленовые или полипропиленовые) контейнеры для мусора, повсеместно распространившиеся вместо тяжелых оцинкованных. Возникает очевидный вопрос: к каким последствиям привела эта удельная дематериализация продуктов и целых секторов в масштабе страны?

 

Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 5.

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Другие статьи в этой рубрике

Первый снимок черной дыры

Астрономы впервые получили прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87 и ее тени.

 

 

 

Как бактерии проводят электричество

Электропроводящие выросты на поверхности бактериальных клеток устроены подобно обычным электрическим проводам – с проводящей внутренней частью и изолирующей обмоткой.

 

 

 

 

Вездесущий натрий

Крупинки натрий-хлора в солонке, бензоат в газировке и лаурилсульфат в шампуне — натрий окружает нас если не повсюду, то, по крайней мере, на кухне и в ванной.

 

 

Новости в фейсбук