Термическая энергия
С течением времени человечество все лучше овладевало огнем, все более умело управляло процессом горения и применяло его. Целый ряд основных функций цивилизации немыслим без химических и физических превращений, вызываемых высокой температурой: плавка, ковка и литье металлов, стеклоделие, рафинирование соли, производство мыла, выжигание извести, обжиг кирпича, черепицы и керамических водопроводных труб, отбеливание тканей, хлебопечение, пивоварение и винокурение, а также выполнение сложных промышленных процессов Габера и Сольве, к которым мы вернемся позже. Вспышки пламени, заточенного в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, движут автомашины, и, даже щелкая выключателем лампы, вы, скорее всего, используете огонь, пусть и горящий где-то далеко на электростанции, — огонь, энергия которого извлекается, преобразуется и по проводам течет в вашу лампочку. Нынешняя техническая цивилизация зависит от применения огня не меньше, чем зависели наши предки, готовившие еду на очагах в первых рукотворных жилищах.
Сегодня основную часть необходимой термической энергии мы получаем напрямую или опосредованно (в виде электричества), сжигая ископаемое топливо: нефть, уголь и природный газ. Одна из технологий, открывших путь промышленной революции, — это производство кокса и его использование во многих промышленных процессах, в том числе упомянутых выше, особенно для плавки металлов и производства стали. С тех пор прогресс нашей цивилизации обеспечивался не возобновляемыми, восстанавливаемыми по мере потребления источниками энергии, а расходованием ископаемого топлива — энергии, запасенной миллионы лет назад, заключенной в преобразованной растительной массе.
Когда истощатся уцелевшие запасы бензина и газа на заправочных станциях, общество, отброшенное планетарной катастрофой к истокам, вероятно, не сможет удовлетворить прежнюю потребность в тепловой энергии. Б?льшая часть доступных месторождений высококачественного топлива уже выработана: изобилие законсервированной готовой к употреблению энергии, которое облегчило нам задачу в первый раз, осталось в прошлом. Нефть больше не бьет из мелких скважин, а за углем нужно все глубже забираться в земные недра, применяя сложнейшие технологии водоотведения, вентиляции и укрепления против обвала[23]. Угля на планете еще много: США, Россия и Китай вместе располагают более чем 500 млн т, но легкодобываемые запасы в основном исчерпаны. Каким-то группам землян, уцелевших после апокалипсиса, может быть, повезет оказаться у неглубоко залегающих угольных пластов, которые можно разрабатывать открытым способом, но все же перезагрузка цивилизации, вероятно, поневоле будет «зеленой».
Как мы увидели в главе 1, после глобального катаклизма леса быстро захватят сельскую местность и даже брошенные города. Небольшая популяция переживших апокалипсис не ощутит дефицита дров, особенно если будет возобновлять вырубки быстрорастущими породами. Спиленный ясень или ветла дадут новые побеги от пня, и через 5–10 лет вырастет новое дерево; таким образом, с гектара лесного хозяйства в год можно получать в среднем от 5 до 10 т древесины. Поленья хороши для камина, для обогрева дома, но для различных задач, неизбежных на долгом пути возрождения цивилизации, потребуется топливо, дающее гораздо больше тепла, чем древесина. Поэтому придется вернуться к старинной практике — выжиганию угля.
Дерево сжигается с ограниченным притоком воздуха: при дефиците кислорода оно не сгорает полностью, а карбонизируется. Летучие вещества, такие как вода и другие небольшие легкие молекулы, легко переходящие в газ, выделяются вовне, а сложные компоненты, составляющие древесину, под действием жара разрушаются — древесина пиролизируется, — и получаются черные куски практически чистого углерода.
Древесный уголь не просто горит жарче своего прекурсора — поскольку из него удалена вся влага и остался только чистый топливный углерод — он примерно в два раза его легче, а значит, более компактен и транспортабелен.
Традиционно для бескислородного пережигания дерева — в чем заключалось ремесло углежога — поленья укладывали в пирамиду с полым каналом в центре, затем обмазывали глиной или обкладывали дерном. Дерево поджигали через отверстие на вершине, и затем за тлеющими дровами тщательно следили, регулируя их горение в течение нескольких дней. Нужного результата можно достичь проще: выройте траншею, заполните ее дровами, подожгите их, дайте разгореться, а потом накройте траншею найденными листами гофрированного железа и присыпьте землей, чтобы перекрыть кислород. Дерево будет тлеть и остывать. Древесный уголь окажется незаменимым чисто сгорающим топливом при возрождении ключевых производств: например, производства керамики, кирпича, стекла и металла, о чем мы поговорим в следующей главе. Если вы окажетесь в местности, где есть доступные залежи каменного угля, у вас под рукой тоже будет прекрасный источник тепловой энергии. Тонна каменного угля дает ее столько же, сколько целый акр леса. Неудобство состоит в том, что сгорает каменный уголь не так жарко, как древесный. К тому же это довольно грязное топливо — копоть может испачкать выпекаемый вами хлеб или выплавляемое стекло, а сталь от содержащихся в угле сернистых примесей становится хрупкой и малопригодной для ковки[24]. Чтобы этого избежать, уголь коксуют.
Это похоже на выжигание древесного угля из древесины. Каменный уголь спекают в печах с ограниченным притоком кислорода, чтобы устранить примеси и летучие вещества, которые, как и побочные продукты сухой перегонки древесины, имеют свое особое применение и для этого конденсируются и запасаются.
Сжигание топлива также дает свет, и, пока возрождающееся общество восстанавливает электросети и заново изобретает лампочку Эдисона, уцелевшим людям придется довольствоваться масляными лампами и свечами[25]. Растительные масла и животные жиры благодаря особенностям их химии служат лучшим компактным источником энергии с управляемым горением. Особенность этих соединений — длинные углеводородные цепи: гирлянды из атомов углерода с прицепленными по бокам атомами водорода, похожие на гусеницу с множеством коротких ножек. Энергия заключена в связях между разными атомами, так что длинные углеводороды представляют собой туго набитые упаковки, которые нужно вскрыть. В процессе горения эти крупные структуры распадаются, и все атомы соединяются с кислородом: водородные образуют воду, а звенья углеродного хребта улетучиваются в составе углекислого газа. Быстрая разборка длинных массивных молекул в ходе окисления высвобождает поток энергии — теплое мерцание свечного огонька.
Простейшей масляной лампой может служить глиняный сосуд с узким носиком или горлышком или просто большая морская раковина. Фитиль, сделанный из волокон льна или из камыша, поднимает жидкое топливо из резервуара туда, где оно испаряется от жара пламени и затем возгорается. С 1850-х гг. обычным топливом для ламп стал керосин (который сегодня носит над облаками реактивные лайнеры), но керосин получают путем дробной перегонки сырой нефти, и произвести его после краха современной технологической цивилизации будет затруднительно. Подойдет любая маслянистая жидкость: рапсовое масло, оливковое или даже топленое сливочное (чистое).
Свече не нужна оболочка, потому что топливо в ней остается твердым, пока в соприкосновении с пламенем не растечется в небольшую лужицу; то есть свеча — это цилиндр твердого топлива, в сердцевине которого проходит фитиль. С выгоранием топлива фитиль обнажается все больше, пламя становится ярче и коптит, если фитиль не подрезать. Избавляет от этой заботы не приходившее никому в голову до 1825 г. усовершенствование: волокна фитиля сплетают в форме плоской ленты, которая естественным образом загибается книзу, так что излишек фитиля уничтожается пламенем.
Современные свечи делаются из парафина, продукта перегонки сырой нефти, а пчелиный воск никогда не будет широкодоступен, однако вполне пригодные свечи можно изготовить из топленого животного жира. Сварите в соленой воде мясную обрезь, соберите с поверхности отвердевший слой жира. Из свиного лярда получаются пахучие и дымные свечи, но говяжий и бараний жир вполне сгодятся. Растопленный жир заливается в форму, либо ряд фитилей просто окунают в расплав и оставляют на воздухе, чтобы слой жира на них застыл. Затем операция повторяется, добавляются слой за слоем, пока не получится нужная толщина.
