И. Э. Лалаянц

Наука против мальтузианства

Томас Р.Мальтус

В 1798 г. Томас Мальтус (1766–1834) опубликовал знаменитые «Очерки о принципах народонаселения». В них он привел свои, впоследствии многократно осуждавшиеся, аргументы, согласно которым рост народонаселения в отсутствие ограничений всегда обгоняет рост производства источников питания, что, в свою очередь, порождает недоедание и даже голод, приводящий к гибели «лишних ртов». В ходе истории чрезмерное увеличение популяций ограничивалось не только голодом, но также войнами и разного рода эпидемиями, после завершения которых все возвращалось на круги своя. Чтобы избежать смертей при перенаселении, Мальтус предлагал прибегнуть к сознательному и добровольному ограничению рождаемости. Но об этом было легче написать, чем сделать, поскольку никаких средств контроля рождаемости в то время не было. Не учитывал Мальтус и еще одного неблагоприятного следствия своих предложений, за что его и не ругали даже, поскольку сами критики не могли предвидеть этого.

Сегодня бурный рост населения Земли давно превысил все мыслимые пределы доступности ресурсов, в частности энергетических, что отражается прежде всего на цене продуктов. В конце февраля 2008 г. мир был поражен резким, на 25%, ростом цен на пшеницу. Наряду с ценами на нефть, золото и платину она достигла исторического максимума.

В марте 2008 г. Ж.Шееран, исполнительный директор Всемирной продовольственной программы ООН, заявила, что рост цен на продовольствие продолжится по крайней мере до 2011 г. Это грозит подъемом новой волны голода, от которого сегодня каждый день умирает свыше 25 тыс. человек. В полном соответствии с «заветами» Мальтуса она сказала: «Нехватка нашего бюджета, возникшая в 2008 г., заставляет нас решать, какое из меньших зол выбрать: сократить на 40% количество закупаемого продовольствия или на столько же процентов уменьшить число людей, которых мы кормим».

Надо сказать, что человечество не впервые сталкивается с подобной дилеммой. Достаточно вспомнить лето и раннюю осень трагического для нас 1941 г., когда немцам было попросту нечем кормить миллионы «свалившихся» на их головы пленных, что приводило даже к случаям каннибализма.

Союзникам нечем было кормить и миллионы наших освобожденных узников из гитлеровских концлагерей. И они вернули их советской стороне, что для многих означало попасть в такой же лагерь, только на Родине. Англия после войны была настолько бедна, что юной Елизавете, будущей королеве Великобритании, выходившей замуж, не из чего было сшить свадебное платье, и Букингемскому дворцу пришлось обращаться к премьер-министру с просьбой о выделении дополнительного талона на мануфактуру. О какой еде для дополнительных миллионов «лишних ртов» могла идти речь?!

Всемирный голод после Второй мировой войны сподвигнул генетиков создать с помощью специальных «радиационных полей» новые низкорослые и высокопроизводительные сорта риса и пшеницы, внедрение которых в сельскохозяйственную практику привело к знаменитой «зеленой революции» конца 1950-х – начала 1960-х гг. В полном соответствии с законами популяционной биологии народонаселение, получившее доступ к пищевым ресурсам, ответило увеличением рождаемости. Благодаря зеленой революции население Индии выросло до 1 млрд человек, а Китая – до 1,5 млрд! Дело дошло до того, что власти КНР вынуждены были ввести дискриминационную демографическую политику «одна семья – один ребенок», что уже сейчас, буквально через одно поколение, привело к нежелательным последствиям, которые Мальтус даже не рассматривал.

Резкое возрастание цен на продукты питания, несомненно, связано с запредельными ценами на нефть, перешагнувшими сотню долларов за баррель (159 л). Еще в конце благополучных по нашим меркам 1980-х ученые прогнозировали, что при ценах на нефть выше 80 долл, экономически оправданными станут разработки альтернативных источников энергии, в частности ветровой, приливной и солнечной.

Будучи не так давно в Гонконге, я видел множество ветряков с электронной начинкой, установленных на пустынных берегах нескольких заливов и бухт. Власти этого особого района Китая полагают, что после полного развертывания программы по размещению десятка тысяч подобных генераторов они смогут на четверть покрывать свои потребности в электроэнергии. Нечто подобное происходит и в Сингапуре.

В Калифорнии тоже много ветряков, но всё же все отлично понимают, что это весьма и весьма вспомогательный источник электроэнергии, да к тому же и весьма ненадежный. Поэтому не удивителен настоящий бум, возникший в связи с разворачивающимся бурным строительством так называемых солярно-термальных станций (от лат. Sol – Солнце). Одна из таких станций строится в пустыне Мохав в Неваде в непосредственной близости от Лас-Вегаса, который наряду с Калифорнией давно испытывает нехватку электроэнергии.

Существуют, как известно, два альтернативных подхода к использованию солнечной энергии. Это прежде всего солнечные батареи, состоящие из фотоулавливающих ячеек, непосредственно преобразующих с низким КПД энергию фотонов в поток электронов. Подобные батареи активно используются на космических станциях. Именно такие батареи приходят на ум, когда речь заходит об использовании солнечной энергии. В Европе и США их начали использовать более 20 лет назад, но до сих пор они относительно дороги, хотя и дают экономию при долговременном использовании в быту. В середине февраля 2008 г. СМИ сообщили, что солнечная батарея установлена в Москве на крыше дома № 15 по Леонтьевскому переулку, ведущему к зданию старой мэрии на Тверской, 13. Дом был оборудован панелями еще в мае 2007 г. Батареи, заряжающие днем аккумуляторы, настолько хорошо себя зарекомендовали, что было принято решение оборудовать ими еще 18 домов на Мичуринском проспекте в Москве.

Другой подход лежит в русле классической термодинамики: солнечные лучи с помощью зеркал концентрируются на котле с водой, нагревая ее, и пар под давлением начинает вращать обычные турбины генераторов электроэнергии. Сооружение зеркально-тепловой станции, выход энергии которой сравним с выходом трех ядерных реакторов, занимает всего лишь пару лет, в то время как на строительство реакторов требуется никак не меньше десяти.

Нынешний прогресс солнечных станций обусловлен прежде всего технологиям САD и микрочиповой электроникой. Первое означает компьютерный дизайн, позволяющий необычайно точно контролировать производство параболических зеркал. Идеальный параболоид позволяет концентрировать в 70 раз больше солнечной энергии, нежели обычные плоские зеркала, использовавшиеся ранее. Сконцентрированные лучи направляются на абсолютно черный «топливный» элемент с циркулирующей в его трубке специальной жидкостью, способной нагреваться до сотен градусов. Такие термальные системы способны сохранять необходимую температуру в течение 6 ч.

Нынешние станции рассчитаны на производство 64 МВт электроэнергии, что довольно мало по сравнению с угольными и газовыми станциями. Но в то же время это много по сравнению с обычными солнечными панелями. Объясняется это тем, что панели плоские и не могут концентрировать достаточно солнечной энергии, к тому же и подвижность их довольно ограниченна. Изменение угла наклона параболического зеркала практически не имеет предела, поэтому оно значительно дольше сопровождает движение дневного светила по небосклону. Благодаря высокой концентрации солнечных лучей зеркала могут чуть ли не лежать на земле, что резко уменьшает расходы на сооружение подставок (которые необходимы для ветряков и стоят немалых денег) и позволяет генерировать энергию даже в облачную погоду.

Станция «Невада Солар I» представляет собой горизонтальную поверхность площадью 2,5 км², на которой установлены 182 тыс. зеркал. Каждый день они следят за движением солнца, проходящего с востока на запад по небосклону над необъятной пустыней. Получаемая здесь энергия пока дорога, но это, так сказать, «нетто-стоимость» без учета экологических плюсов.

Солнечная энергия стоит сегодня 15–20 центов за 1 кВт, в то время как энергия, получаемая со станции, работающей на угле, обходится в два, а то и три раза дешевле. Однако есть одно «но».

Классическим примером недооценки издержек, связанных с решением вновь возникших экологических проблем, является гигантская гидроэлектростанция «Три ущелья» в Китае. С проблемами, связанными с подтоплением земель вокруг ее водохранилища, не удается справиться на протяжении вот уже полутора десятков лет. А ведь многомиллиардные расходы, связанные с ликвидацией подобных последствий, тоже необходимо закладывать в калькуляцию дешевой электроэнергии. То же относится к проблемам утилизации миллионов тонн угольного шлака и тепловому загрязнению атмосферы, неизбежных при сжигании миллионов кубометров газа.

Солнечно-термальные станции в этом отношении практически не оказывают нагрузки на внешнюю среду. Конечно, и здесь необходимо будет утилизировать отходы, но они такие же, как в автопроме, а индустрия переработки автомобильного вторсырья давно налажена.

Жизнь на Земле возможна только благодаря улавливанию солнечного света многочисленными молекулами светоулавливающих систем листьев растений и океанических водорослей (фитопланктона). Энергия поглощенного фотона в молекуле хлорофилла приводит к высвобождению электрона, энергия которого затем расходуется на «фотолиз» воды, т.е. ее расщепление на кислород и водород. Кислород является мощнейшим ядом для клеток, поэтому он максимально быстро выводится в атмосферу. А далее начинается самая настоящая водородная энергетика.

Оставшийся в клетке водород «прокачивается» сквозь многочисленные АТФазы – встроенные в липидную строму мембраны клетки молекулы фермента. Этот необычный фермент состоит из двух отдельных частей: гидрофобной части, F₀, связанной с мембраной и ответственной за транспорт протонов, и гидрофильной части, F₁, ответственной за синтез и гидролиз АТФ. По мере того как протоны протекают через F₀, γ-субъединица части F₁ ATФазы вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении γ-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов меняется на обратное. Отданная водородом энергия расходуется на синтез АТФ, которая запасает достаточно большое в масштабах клетки количество энергии, тем самым до поры до времени «консервируя» ее. Высвобождаемая при гидролизе АТФ энергия может расходоваться на самые разные нужды клетки.

В отличие от клеток, современная энергетика не умеет запасать выработанную энергию – она тут же передается потребителю, который лишь частично может сохранять ее с помощью аккумуляторов. Если бы научиться как-то запасать энергию, что живая природа делает вот уже на протяжении трех миллиардов лет, то можно будет надеяться на стабилизацию цен на питание. Но это вновь приведет к проблеме роста населения.

Мальтус не знал или не хотел задумываться, к чему приведет самоограничение рождаемости. На примере современных Китая и Европы мы видим, что подобная популяционная стратегия чревата довольно быстрым старением населения, что приводит к падению производительности труда и, следовательно, к снижению товарного изобилия, к которому мир уже успел привыкнуть.