- •Часть I. Естествознание и современный мир 11
- •Часть III. Естественно-научные концепции развития. . . 171
- •Часть IV. Естественно-научные основы современных тех-
- •1.1. Естественно-научные знания
- •1.2. Роль естествознания в формировании
- •1.6. Развитие естествознания и псевдонаучные
- •1.8. Рациональное и иррациональное
- •2.1. Процесс естественно-научного познания
- •1) В основе естественно-научного познания лежит причинно-следствен-
- •2) Истинность естественно-научных знаний подтверждается эксперимен-
- •3) Любое естественно-научное знание относительно.
- •2.2. Формы естественно-научного познания
- •3.3. Концепция атомизма. Дискретность
- •3.4. Фундаментальные взаимодействия
- •3.10. Электромагнитная концепция
- •4.1. Структура атомов
- •43. Вероятностный характер микропроцессов
- •4.5. Ядерные процессы
- •5.1. Сущность концепции развития
- •5.2. Эволюция вселенной
- •6.1. Развитие химических знаний
- •6.2. Синтез химических веществ
- •6.3. Современный катализ
- •6.9. Современные материалы
- •7.3. Структура и функции белков
- •7.5. Происхождение жизни
- •7.6. Предпосылки эволюционной идеи
- •7.9. Человек — феномен природы
- •7.10. Жизнеобеспечение человека
- •8.1. Развитие средств информационных технологий
- •8.2. Современные средства накопления информации
- •8.3. Мультимедийные системы и виртуальный мир
- •8.4. Микро- и наноэлектронная технологии
- •8.6. Современные биотехнологии
- •9.9. Атомная энергетика
- •9.10. Особенности отечественной энергетики
- •10.1. Глобальные катастрофы и эволюция жизни
- •10.2. Предотвращение экологической катастрофы
- •10.3. Природные катастрофы и климат
- •10.5. Сохранение озонового слоя
- •10.7. Потребление энергии и среда нашего обитания
- •10.8. Радиоактивное воздействие на биосферу
- •11.1. Человек и природа
- •11.3. Обновление энергосистем
- •11.4. Эффективное потребление энергии
- •11.6. Экономия ресурсов на транспорте
- •11.8. Решение проблем утилизации
- •11.9. Перспективные технологии и окружающая среда
11.3. Обновление энергосистем
Для производства тепловой и электрической энергии потребляется
громадное количество природных ископаемых ресурсов: нефти, природ-
ного газа и угля. К настоящему времени многие энергосистемы, произво-
дящие тепло и электроэнергию, устарели. Тепловой КПД (КПД с учетом
используемой тепловой энергии) большинства из них не превышает 35%
при работе на газе, а при использовании угля он еще меньше. В то же вре-
мя в уже эксплуатируемых энергосистемах — парогазовых установ-
ках — тепловой КПД достигает не менее 60% и в системах с эффектив-
ным сжиганием угля он равен 40—50%. Следовательно, переход к таким
системам приведет к чрезвычайно большой экономии природных энерго-
ресурсов.
Принцип работы многих видов энергосистем основан на преобразова-
нии тепла, выделяющегося при сжигании топлива. В настоящее время в
качестве топлива используют природный газ и нефтепродукты. Чтобы
сберечь эти ценнейшие природные ресурсы для более рационального
применения — производства разнообразной ценной химической продук-
ции в течение более длительного времени, — нужно переходить на аль-
тернативные источники топлива. Один из таких источников — каменный
уголь, долгое время верой и правдой служивший топливом для паровых
машин. Низкий КПД таких машин привел к их замене, а вместе с ними и
топлива. Тем не менее в энергетике ряда стран Центральной и Восточной
Европы до сих пор уголь играет важную роль: с его применением произ-
водится около 65% электроэнергии. Устаревшие тепловые электростан-
ции, потребляющие уголь, вне зависимости от того, где они эксплуатиру-
ются, нуждаются не только в переоснащении и модернизации, но и в но-
вой технологии сжигания угля. Разработке таких технологий уделяется
большое внимание. Одна из перспективных технологий основана на сжи-
гании угля в циркулирующем кипящем слое. В результате многократной
438
циркуляции происходит более эффективное сжигание частиц топлива
при температуре 800—900 °С и резко снижается образование вредных ок-
сидов азота.
Сбережению нефти, природного газа и угля способствует применение
самого энергоемкого ядерного топлива: энергия единицы его массы в
миллионы раз больше, чем, например, угля. Внедрение перспективной
технологии преобразования ядерного топлива в реакторе-размножителе
на быстрых нейтронах, не только вырабатывающем энергию, но и произ-
водящем вторичное топливо, открывает возможности дальнейшего раз-
вития атомной энергетики.
По мере обновления любой энергосистемы одновременно решаются
три важные задачи: экономия топлива, производство дешевой энергии и
сохранение окружающей среды. Наряду с обновлением энергосистем не
менее важна разработка перспективных технологий преобразования
энергии Солнца, ветра, геотермальных источников и Мирового океана.
11.4. Эффективное потребление энергии
Сохранение тепла и сбережение энергии. Всем понятно: сохране-
ние тепла в жилых домах, различных помещениях и сбережение энергии
в быту, на производстве и транспорте — есть прямой путь сохранения
природных ресурсов. Современный уровень развития естествознания и
наукоемких технологий позволяет строить дома с относительно неболь-
шим потреблением энергоресурсов вне зависимости от климата и выра-
щивать тропические растения в суровых климатических условиях. Мно-
гим кажется, что все это относится к потенциальным возможностям и
благим намерениям. Однако такое мнение ошибочно: уже возводятся
тропические сады и строятся почти сказочные жилые дома. Попытаемся
убедиться в этом.
В Скалистых горах Западного Колорадо США в штаб-квартире Ин-
ститута Рокки Маунтин, на высоте 2200 м над уровнем моря расположена
банановая ферма с пассивным солнечным освещением. Здесь растут ба-
наны, хотя эта зона и климат совсем не подходят для их выращивания,
ведь иногда температура опускается до — 44 °С. Сезон роста растений
между сильными морозами составляет 52 дня, а заморозки могут слу-
читься даже в июльский день. Солнечная погода неустойчива — в сере-
дине зимы насчитывается до 39 облачных дней, а иногда за декабрь и ян-
варь бывает не более семи солнечных дней. Тем не менее в январе, в ме-
тель и непогоду созревают бананы, апельсины, а с приближением весны,
когда дни становятся длиннее, джунгли покрываются растительно-
стью — появляются авокадо, манго, виноград и т.п. И все же здесь нет
традиционной малоэффективной системы отопления. Две небольшие
439
печки, рассчитанные на сжигание дров, используются время от времени
для обогрева или просто для приятного отдыха. Они дают около 1 % теп-
ла, требуемого для обогрева обычного дома в этом районе, а остальное яв-
ляется пассивным солнечным теплом. Даже в пасмурные дни солнечное
тепло улавливается специальными окнами, обеспечивающими теплоизо-
ляцию, равноценную 12 листам стекла: прозрачные бесцветные окна про-
пускают внутрь 3/4 видимого света и половину всей солнечной энергии, но
практически не позволяют теплу бесполезно рассеиваться. Пенопласто-
вая изоляция внутри каменных стен и крыши по крайней мере вдвое
уменьшает тепловые потери. Свежего воздуха достаточно — он предва-
рительно подогревается теплообменниками, возвращающими 3/4 тепла,
которое обычно уносится при проветривании помещения.
Сколько же стоила вся эта теплоизоляция? Дополнительные затраты
были перекрыты экономией при строительстве дома без традиционной
системы отопления и воздуховодов. Сэкономленные деньги и еще
16 долл./м2 истрачены для сбережения 50% расходуемой воды, 99% энер-
гии нагревания воды и 90% — для бытовой техники. При тарифе в
0,07 долл./кВт • ч счет за всю потребляемую бытовую электроэнергию
составляет примерно 5 долл./мес.
Дневной свет, поступая со всех сторон, обеспечивает 95% необходи-
мого освещения; сверхэкономичные лампы сберегают 3/4 энергии, требуе-
мой для дополнительного освещения. Яркость ламп регулируется в зави-
симости от интенсивности дневного света, а когда в комнате никого нет,
они автоматически выключаются. Холодильник потребляет только 8%, а
морозильная камера — 15% электроэнергии, необходимой для обычного
холодильника. Такой экономичный холодильник снабжен эффективной
изоляцией, и его система охлаждается в течение полугода наружным воз-
духом. Стиральная машина новой конструкции экономит около 2/3 воды и
3/4 порошка, стирает качественнее и продлевает срок службы белья и оде-
жды. Газовая кухонная плита сберегает энергию благодаря применению
швейцарской керамической посуды с двойной стенкой и британского
чайника, теплоизоляция которых позволяет сэкономить треть потребляе-
мого газа и уменьшить время приготовления пищи и кипячения воды. Вне
помещения изолированная пассивно-солнечная фотоэлектрическая фер-
ма помогает поросятам набирать вес, а курам нести яйца, поскольку им не
440
приходится затрачивать слишком много энергии на поддержание темпе-
ратуры собственного тела.
Затраты на электроснабжение окупаются за первые 10 месяцев. В
дальнейшем энергосбережения пойдут на оплату всего здания в течение
40 лет. Такое здание должно прослужить по крайней мере в 10 раз дольше
обычного. По его ориентации на юг и по необычной форме изогнутых ка-
менных стен археологи будущих поколений, вероятно, придут к выводу о
том, что они обнаружили храм первобытного поклонения Солнцу.
Возведенное в Скалистых горах здание, объединяющее под одной
крышей научно-исследовательский центр с 20 рабочими местами и фер-
му, посетили десятки тысяч гостей. Большинство из них отмечают: самая
важная особенность здания в том, что оно помогает его обитателям лучше
себя чувствовать и лучше работать. Действительно, естественное освеще-
ние, здоровый воздух, приятный шум водопада, настроенный на аль-
фа-ритм человека и оказывающий успокаивающее действие, отсутствие
механических шумов, зеленая растительность джунглей — все это созда-
ет в обычных условиях поистине райскую атмосферу для жизни. Конеч-
но, некоторые детали этого дома можно было бы совершенствовать, но
основные принципы его планировки и строительства продолжают волно-
вать воображение.
В 1983 г. Швеция ввела стандарт на тепловую изоляцию: макси-
мально допустимые тепловые потери для домов не должны превышать
60 кВт • ч/м2 в год. В Германии, например, дома обычно в среднем теряют
200 кВт • ч/м2 в год. И все же шведский стандарт можно значительно
улучшить. Это доказывает один из наиболее ярких примеров — пассив-
ный дом, построенный в Дармштадте, в 50 км южнее Франкфурта.
Потребность в дополнительном тепле для этого дома не превышает
15 кВт • ч/м2 в год. Для него требуется на 90% меньше электроэнергии,
чем обычным немецким домам той же площади, но при этом обеспечива-
ется более высокий уровень комфорта.
Можно привести примеры экономичных домов не только для холод-
ного, сурового, но и для жаркого, тропического климата. А это означает,
что ни холод, ни жара, ни влажность не являются препятствием для зна-
чительного энергосбережения при отличном комфорте и рентабельности.
Экономия электроэнергии. В большинстве промышленно развитых
стран 30—50% электроэнергии потребляется бытовыми электроприбора-
ми для нагревания воды, освещения, вентиляции и т.п. Тщательный ана-
лиз показывает, что можно поддерживать современный уровень бытовых
услуг (охлаждение, чистку, стирку, уборку и т.д.), используя лишь 20%
электроэнергии, потребляемой в настоящее время. Например, благодаря
усовершенствованию компрессора, системы охладителя, регулятора тем-
пературы и улучшению изоляции годовое потребление энергии датским
441
200-литровым холодильником уменьшилось с 350 до 90 кВт • ч. Приме-
нение вакуумной изоляции в голландском холодильнике сокращает энер-
гопотребление до 30 кВт • ч в год.
Лучшее датское кухонное оборудование в 1988 г. потребляло около
400 кВт • ч в год. Новейшие передовые технологии позволили уменьшить
эту цифру до 280, и это не предел. Такой эффект достигается благодаря
простым усовершенствованиям — улучшению термоконтакта между на-
гревательным элементом и кастрюлей, термоизоляции духовки и т.п.
Примерно половина энергии на освещение в США и существенно боль-
шая часть в развивающихся и бывших социалистических странах потреб-
ляется лампами накаливания, конструкция и устройство которых практи-
чески не изменились за более чем полувековой период. Такие лампы по
существу являются электронагревателями — менее 10% потребляемой
энергии в них излучается в виде света. В настоящее время почти все лам-
пы накаливания можно заменить люминесцентными. Одна 18-ваттная
компактная люминесцентная лампа, заменяющая 75-ваттную лампу на-
каливания, способна на протяжении своего срока службы сэкономить
около 200 л нефти, потребляемой электростанцией на жидком топливе,
или предотвратить выброс в атмосферу 1 т двуокиси углерода, 4 кг оки-
слов серы и 1 кг окислов азота, не считая других выбросов от работающих
на угле станций.
Люминесцентные лампы — это не единственное средство экономии
электроэнергии на освещении. Крупные лампы накаливания лучше
заменять металлогалогенными или натриевыми лампами высокого давле-
ния. В последнее время большое внимание уделяется осветительным
приборам на основе светодиодов, существенно сокращающих потребляе-
мую энергию. В 1997 г. изготовлен светодиод, излучающий белый свет.
Белый светодиод площадью менее 1 см2 излучает такой же свет, как и
80-ваттная лампочка, при этом потребляемая мощность составляет лишь
3 Вт. Ресурс средней лампочки накаливания — 1000—1500, а светово-
да — 50 тыс. ч. По мере совершенствования технологии изготовления се-
бестоимость световодов уменьшится, и они сэкономят немало энергии.
Внедрение уже выпускаемого промышленностью инфракрасного датчи-
ка, с помощью которого включается свет при входе человека в помеще-
ние и выключается при его выходе, позволит навсегда забыть известное
многим напоминание «уходя, гасите свет».
С развитием информатизации общества персональный компьютер
становится предметом массового пользования. Потребляемая мощность
широко распространенного компьютера составляет около 150 Вт. При-
мерно половина ее приходится на цветной монитор. Более эффективные
мониторы с теми же характеристиками потребляют в несколько раз мень-
ше энергии. Дисководы жесткого диска, произведенные в прошлом деся-
442
тилетии, расходуют в 5—10 раз больше энергии, чем современные. Неко-
торые модификации портативных компьютеров потребляют всего не-
сколько ватт, но по своим возможностям не уступают настольным персо-
нальным компьютерам.
С помощью компьютера создаются электронные книги и каталоги
больших объемов, что приводит к экономии бумаги, на производство
которой требуется огромная масса древесины и громадное количество
энергии. Кроме того, компьютер открывает большие возможности элек-
тронной почты, позволяющей по сравнению с обычной почтой косвенно
экономить энергию. В последние десятилетия интенсивно развивается
еще один вид компьютерных услуг — Интернет, открывающий новые го-
ризонты применения информационных технологий. При этом сокращает-
ся не только время поиска и передачи информации, но и материальные, и
энергетические ресурсы для их реализации.
Энергоснабжение на промышленных предприятиях. Промышлен-
ные предприятия, выпуская ту или иную продукцию, потребляют боль-
шое количество природных ресурсов и энергии. Поэтому к современным
предприятиям предъявляются требования не только производить высоко-
качественную продукцию, но и экономно расходовать природные ресур-
сы, сберегать энергию и тем самым сохранять окружающую среду. Тех-
ническое оборудование любого промышленного предприятия со време-
нем устаревает. Новые технологии требуют кардинального обновления
устаревшего оборудования, т.е. модернизации технической базы про-
мышленности в целом. Современная промышленность включает множе-
ство отраслей, связанных с производством разнообразных материалов,
автомобильной и авиационной техники, технических средств связи, стан-
ков, инструментов и многого другого. Промышленных отраслей много, и
каждая из них имеет свою специфику. Однако способы модернизации
промышленных предприятий разных отраслей принципиально не разли-
чаются и направлены в основном на экономию сырья и энергии при повы-
шении качества выпускаемой продукции.
Промышленные предприятия — один из основных потребителей
энергии. Даже небольшая доля сбереженной на них энергии приводит к
значительной экономии. Способы экономии энергии в технологическом
процессе производства той или иной продукции чаще всего известны, но
не всегда внедряются.
Что же нужно сделать, чтобы они внедрялись и приносили доход?
Возможны различные пути решения данной задачи. Например, совсем не
сложный путь выбрала одна из химических компаний США. В ней в тече-
ние 12 лет — с 1981 по 1993 г. — ежегодно для сотрудников, занимаю-
щих место не выше контролера, объявлялся конкурс на проект по элек-
443
тросбережению. Важное условие конкурса: энергосбережение или сокра-
щение потерь должно окупаться в течение одного года при первичных
затратах, не превышающих 200 тыс. долл. Представленные проекты тща-
тельно проверялись. И вот результат — за 12 лет доход от 575 проектов в
среднем составил 204% в год при общей экономии 110 млн. долл. в год.
Во многих случаях энергосбережение и сокращение потерь основаны
на внедрении передовых технологий, рожденных в недрах важнейших
достижений современного естествознания. Открываются новые свойства
вещества, синтезируются необычные химические соединения, а из них
производятся уникальные материалы — все это составляет основопола-
гающую базу для прогрессивного развития любого производства и в ко-
нечном результате способствует гармоничному сочетанию деятельности
человека и природы.
11.5. ЭКОНОМИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ
Один из важнейших путей энергосбережения ресурсов связан с эф-
фективным использованием материалов в процессе производства про-
дукции. Конечно, разные производства отличаются своей спецификой
потребления материалов. Поэтому легче проследить за производством и
потреблением материалов, скажем, на предприятиях автомобильной про-
мышленности, которая, например, в США составляет — по числу заня-
тых и по уровню расходов и — валового национального дохода. Автомо-
бильная промышленность потребляет примерно 70% свинца, 60% рези-
ны, ковровых покрытий и ковкого чугуна, 40% инструментальных мате-
риалов и платины, 34% железа, около 25% алюминия, цинка, стекла и
полупроводниковых материалов, 14% стали и 10% меди. За последние де-
сятилетия потребление этих материалов изменялось незначительно: на-
пример, с 1984 по 1994 г. средний американский автомобиль стал на 1%
тяжелее, в нем до 3% пластмасс и цветных металлов.
Современный автомобиль, весящий не менее тонны, перевозит не
только пассажиров и полезный груз, но и самого себя, на что расходуется
много топлива. Кроме того, производство автомобиля сопровождается
громадным потоком сырья, материалов, готовых изделий. Расчеты пока-
зывают, что для изготовления только одного автомобиля необходимо пе-
ревезти более 1520 т груза, включающего добываемое сырье, материалы,
детали и т.п. С появлением сверхлегких автомобилей такой поток суще-
ственно уменьшится. Предполагается, что благодаря переходу к поли-
мерным и композиционным материалам можно уменьшить массу авто-
мобиля примерно в 3 раза.
444
Сверхлегкий автомобиль по сравнению с американским автомобилем
1994 г. будет содержать: вдвое больше композиционных и полимерных
материалов, на 1/8 меньше меди, на 9/10 меньше железосодержащих метал-
лов, на 1/3 меньше алюминия, на 2/3 меньше резины, на 4/5 меньше платины и
нетопливных жидкостей. Такой автомобиль будет весить 400—500 кг.
Его создание потребует существенной модернизации практически всех
систем, включая двигатель, систему трансмиссии и др.
Можно привести и другие примеры эффективного использования ма-
териалов. Так, при замене бетонных опор линии электропередачи сталь-
ными достигается шестикратное увеличение эффективности использова-
ния материалов. На бетонные опоры требуется в 3 раза больше материа-
лов, чем на стальные, которые служат в два с лишним раза дольше, и их
можно производить из чугунного и стального лома, что приводит к даль-
нейшей экономии.
Важнейший природный ресурс — пресная вода. Приведем некоторые
примеры рационального ее потребления. Примерно в 1,6 раза повышает-
ся эффективность использования воды при подпочвенном капельном
орошении, при котором с помощью линий орошения, расположенных на
глубине 20—25 см, подается небольшое количество воды в зоне корневой
системы растений. При этом поверхность почвы остается сухой, что
уменьшает поверхностное испарение и уменьшается объем стока и про-
сачивания воды в глубину.
Чрезвычайно большое количество воды расходуется при производст-
ве бумаги и картона. Так, в 1900 г. производители бумаги в Европе по-
требляли примерно 1 т воды на 1 кг продукции. К 1990 г. потребление
воды уменьшилось более чем в 15 раз и составило 64 л, из которых 34 л
шло на производство целлюлозы и 30 л — на изготовление бумаги и кар-
тона из целлюлозы. Благодаря дальнейшему совершенствованию техно-
логического цикла и в результате роста платежей за сточную воду, напри-
мер, в Германии расход воды сокращен до 20—30 л, а на одной из совре-
менных бумажных фабрик удалось совсем исключить сточные воды из
производства упаковочной бумаги. Требуется лишь небольшое количест-
во воды для компенсации испарений и улучшения механохимических
свойств бумаги. В результате расходуется не более 1,5 л пресной воды на
1 кг упаковочной бумаги.
Можно существенно повысить эффективность бытового потребления
воды. В настоящее время, например, в США на одного человека в сутки
расходуется около 300 л воды только внутри жилого дома. Внедрение но-
вого сантехнического оборудования, в частности шведского туалета с
расходом 3 л на слив, более эффективных посудомоечных и стиральных
445
машин, а также использование в ряде случаев дождевой воды и другие
меры могут в несколько раз сократить бытовое потребление воды.
Руководители многих современных промышленных предприятий по-
нимают, что уменьшение потоков материалов в производстве, устране-
ние их потерь и превращение отходов в ценные продукты — это выгод-
ный путь увеличения прибыли, ведущий к рациональному использова-
нию материалов и одновременно к сохранению окружающей среды.
Анализ специалистов показывает, что такой традиционный материал
как древесина, более надежен и долговечен, чем бетон. Древесина — это
удивительный строительный материал. На его производство идет менее
одной четверти энергии, потребляемой для производства бетона. Древе-
сина — восстанавливаемый материал: на месте вырубленного леса про-
изводят посадку молодых деревьев. Часто строят дома из бревен традици-
онным способом, который не предусматривает экономию древесины. В
результате применения более оптимальной конструкции дома в сочетании
с хорошими теплоизоляционными материалами — минеральной ватой и
стекловолокном — экономятся энергия и материальные ресурсы. В произ-
водстве мебели для изготовления столярных изделий широко используют
древесные плиты, получаемые в результате прессования и склеивания мел-
ких частиц. При этом можно использовать отходы древесины и непригод-
ные для строительства и производства мебели материалы.
Следует упомянуть еще об одном широко распространенном виде ма-
териалов — пластмассах. Они постепенно вытесняют другие материалы,
и объем их производства постоянно растет. В этой связи возникает серь-
езная проблема утилизации отработанных или использованных пласт-
массовых изделий. Пластмасса не подвергается гниению, а при ее сжига-
нии выделяются хлор, диоксин и другие токсичные вещества. Выход
один — надо искать альтернативный вид материала. И один из таких ви-
дов найден — это белланд. Он обладает очень ценным свойством: при во-
дородном показателе рН немного выше семи он растворяется в воде. Ему
присущи все основные качества пластмассы: прозрачность, эластичность
и различная жесткость, что позволяет использовать его для производства
как мягких упаковочных, так и прочных изделий. При добавлении несколь-
ких капель лимонной кислоты или другого безвредного вещества белланд
коагулирует. Выпавший осадок можно собрать и превратить в гранулы для
дальнейшей переработки. Переработанный таким образом материал обла-
дает теми же свойствами, что и исходный, а для его переработки требуется
гораздо меньше энергии, чем для первоначального синтеза.