Перспективы использования новых материалов для производства лучших моделей часто используемых товаров и более эффективного (прежде всего, менее энергоемкого) и менее экологически вредного их производства и потребления сегодня обнадеживают как никогда, а научные разработки стремятся воплотить все эти цели в жизнь. Подробные технические описания некоторых из наиболее важных достижений науки и новых материалов, которые будут использоваться в энергетике и охране окружающей среды, в том числе в искусственном фотосинтезе, можно найти в труде Дэвида Джинли и Дэвида Кэйена (Ginley и Cahen, 2012). Особым достижением было бы внедрение новых материалов для лучшего (с точки зрения энергетической плотности и времени разрядки) хранения больших объемов энергии (Dunn и соавт., 2011). Здесь я хотел бы отметить несколько замечательных достижений и полезных инноваций, которые обретут много важных практических применений в последующие 10–30 лет: от перспективных новых наноматериалов до старых материалов с новыми особенными свойствами или свойствами, расширенными до беспрецедентных масштабов. Наноматериалы – искусственно созданные структуры, размер которых хотя бы по одному из направлений находится в нанодиапазоне до 100 нм, – уже используются как катализаторы, компоненты фильтров, в полупроводниковой промышленности, как носители лекарственных средств и косметических препаратов. Они, безусловно, найдут применение в будущем в нескольких важных отраслях промышленности и растущем ряду предметов повседневного спроса. Графен – это двухмерная (толщиной в один атом) углеродная структура, в которой предельная механическая прочность сочетается с исключительно высокой электронной и тепловой проводимостью (Novoselov и соавт., 2012). Его прочность на растяжение составляет 100 ТПа, что 5 порядков больше, чем прочность стали, упругость (модуль Юнга) почти равна упругости алмаза, по подвижности электронов он превосходит кремний на 2 порядка, а его теплопроводность на порядок выше, чем у серебра (Savage, 2012). Производство этого материала – весьма сложная задача, но в будущем ожидается его широкое использование с самыми различными целями - от производства покрытий и прозрачных проводящих слоев до высокочастотных транзисторов и датчиков. В 2013 году годовой объем производства углеродных нанотрубок (представляющих собой свернутые в цилиндр графеновые плоскости) достигло нескольких тысяч тонн; они уже используются в производстве таких разнообразных продуктов, как аккумуляторы, автозапчасти, фильтры для воды, покрытия, суперконденсаторы и электромагнитные экраны (de Volder и соавт., 2013). Планируется также применять их в новых молекулярных транзисторах (размером всего 9 нм), которые будут использоваться в качестве реле (Franklin и соавт., 2012). Есть также много возможностей по изменению классических материалов и добавлению в них новых востребованных свойств. Например, это самоочищающиеся стеклянные поверхности, покрытые тонким слоем TiO2 (который помогает очистить поверхность при помощи сочетания фотокатализа и гидрофильности – стекло ActivTM Пилкингтона), или сделанные из супергидрофобных материалов. TiO2 может также входить в состав некоторых других материалов, подверженные воздействию окружающей среды, придавая им способность самоочищаться, поскольку под воздействием ультрафиолета молекулы диоксида титана катализируют реакции окисления органических веществ. На незащищенных поверхностях в конечном счете поселятся бактерии, мхи, водоросли и грибки, но обработанные поверхности будут противостоять этому (Pilkington, 2013). Сгибаемый бетон – еще один вариант инноваций в древнем материале. Эксперименты показали, что зольная пыль может заменить 65 % цемента в сочетании с достаточным количеством суперпластификатора. Вместе с золой или вместо нее можно использовать металлургический шлак. Расход энергии на производство бетона тоже можно сократить, если применять другую, более прочную разновидность материала, разработанную Виктором Ли. Это гибкий материал, более известный как высокопрочный бетон или проектируемый цементный композит, содержит мелкие частицы полистирола. Когда полимерное волокно из поливинилового спирта добавляется к бетону, крошечные пластиковые волокна стягивают микротрещины и тем самым повышают несущую способность конструкции (Li, 2012). Зарождается отрасль самовосстанавливающихся материалов (полимеров и композиционных материалов), которые могут устранять трещины и разрывы и восстанавливать свою функциональность (White и соавт., 2011). Не менее важные последствия будет иметь внедрение в широкое использование не только полностью биоразлагаемого (в результате окисления), но, более того, биокомпостируемогоо пластика, который сможет разлагаться микроорганизмами на CO2 и H2 O на промышленных компостных предприятиях за то же самое время, за которое обычно разлагаются органические отходы (Shalaby и Burg, 2004). Конечно, было бы еще лучше производить биоразлагаемые полимеры, функционально идентичные сегодняшним полимерам, исключительно из биомассы (например, производить полиэтилен и полипропилен из этанола, изготовленного из сахарного тростника). В следующие несколько десятилетий должно появиться множество повседневных и необычных приложений для новых биотехнологических материалов – структур, выращенных организмами и дополненных синтетическими материалами (Meyers и соавт., 2013), а также печатанных структур, которые будут вести себя, как живые клетки (Reiffel и соавт., 2013). Пожалуй, лучшим примером старого материала с исключительно многообещающим будущим является литий. Этот мягкий белый металл используется керамической и стекольной промышленностью, в смазочных материалах, полимерах и фармацевтических препаратах, но в будущем его будут в основном использовать в батареях, особенно в перезаряжаемых блоках в портативных электронных устройствах (компьютерах, планшетах, мобильных телефонах), инструментах и транспорте (Goonan, 2012). Общемировое производство этого металла в 2010 году достигло 28 100 т, примерно 70 % из которых производятся в Чили и Австралии, и недостатка в разрабатываемых ресурсах не наблюдается (USGS, 2013). Отношение запасов к добыче лития в 2010 году составляло более 400 лет; более половины мировых ресурсов металла находится в Боливии, Салар де Уюни, (Friedman-Rudovsky, 2011). Новые решения, как всегда, приносят с собой новые проблемы. Есть опасения по поводу потенциальной токсичности материалов на наноуровне: они могут неблагоприятным образом взаимодействовать с молекулами живых тканей или просто оказаться токсичными (Nel и соавт., 2006). Добыча лития, изготовление из него сотни миллионов новых батарей для будущих электрических машин, и затем утилизация батарей вызовут новые экологические проблемы (Tahil, 2006). Массовое производство биополимеров потребует значительных объемов растительного сырья, которые будут конкурировать с пищей и кормовыми культурами и культивирование которых может иметь много нежелательных экологических последствий, что хорошо известно из других опытов интенсивного земледелия. Дальновидность, новые нормы и правила, а также личная заинтересованность производителей в более экологически безопасных продуктах определят пока непонятную степень этих последствий. Гораздо более очевидно, что новые материалы внесут важный вклад в продолжающуюся тенденцию удельной дематериализации продуктов и услуг: Боинг-787 и BMW i3 – лишь первые известные применения композиционных материалов в транспорте; за ними последует многих других самолетов и автомобилей, поездов и кораблей. Снижение веса продуктов с помощью новых и традиционных материалов (много примеров такого снижения веса было приведено в предыдущем разделе) в сочетании с лучшей конструкцией и более умными системами контроля обеспечат более высокую производительность и лучшую функциональность устройств с меньшей массой. И, хотя многие описания роботов будущего, которые будут безошибочно ставить диагнозы и служить личными ассистентами, являются, скорее, попыткой выдать желаемое за реалии завтрашнего дня, нет сомнений, что многие услуги все-таки будут использовать гораздо меньшее количество материалов. Впрочем, мы можем быть уверены в том, чего эти достижения с собой не принесут: их совокупный эффект не приведет ни к какой совокупной абсолютной дематериализации в мировом масштабе. Мы не встретили ни одного прогноза снижения глобального спроса ни на один основной материал, и даже самые пессимистичные исследователи предсказывают значительный рост потребления в период с 2010 по 2050 год. Например, самые скромные прогнозы МЭА на 2010–2050 годы приводят такие цифры: 2,4 миллиарда тонн стали, 95 миллионов тонн алюминия, 3,8 миллиарда тонн цемента и 800 тонн бумаги (МЭА, 2010): это увеличение потребления стали на 70 %, алюминия на 33 %, цемента на 15 %, а бумаги – на 200 %. Аналогичным образом, даже самые скромные и умеренные сценарии роста предусматривают рост использования тройных удобрений в период с 2010 по 2050 год на 40–70 % (Tilman и соавт., 2011; Blanco, 2011). Замедление роста спроса на пластмассы (примерно с 3 % в недавнем прошлом до 2 %) приведет к росту производства полимеров более чем в 2 раза к 2050 году. Согласно более смелым прогнозам, производство цемента в 2050 году может составить 4,5 миллиарда тонн, стали – 2,8 миллиарда тонн, а бумаги – 1,1 миллиарда тонн (IEA, 2010). Перспективы развития конкретных стран – совсем другая история. Беспрецедентное расширение нескольких ключевых материальных потоков в Китае после 1990 года не может поддерживаться больше двух поколений, и ожидается, что к 2050 году производство стали и цемента (а также добычи песка и камня, необходимых для производства цемента) опустятся значительно ниже уровня 2010 года, но производство пластиков, бумаги и удобрений вырастет. Таким образом, совокупный материальный поток Китая в 2050 году трудно предсказать, но в других развивающихся странах абсолютной дематериализации наблюдаться не будет. Наиболее быстрый прирост будет в тех странах, в которых по-прежнему низкий уровень благосостояния на душу населения сочетается с относительно быстрым ростом населения: Индия, Пакистан, Нигерия и Эфиопия – наиболее яркие примеры в этой обширной категории. Если богатые страны, население которых снижается и быстро стареет, постараются удержать свой совокупный расход материала на одном уровне, то в некоторых категориях будут наблюдаться значительные снижения расхода материалов: это относится к Японии и многим странам Евросоюза, особенно к расходу строительных материалов и удобрений. В США, напротив, необходимость обеспечения растущего населения (к 2050 году население США по оценкам составит чуть более 400 млн человек, тогда как в 2010 году оно составило 310 миллионов) и ремонта разрушающейся инфраструктуры не позволяет нам говорить о каком-либо сокращении совокупного расхода материалов до 2050 года. Абсолютный расход сырья и промышленная обработка вредных веществ от растущих потоков материалов оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду: конечно, если бы не было удельной дематериализации, то ситуация с выбросами в атмосферу, загрязнением вод и земель, неправильной утилизацией и токсичными отходами в национальном и мировом масштабе была бы еще хуже, но большим успехом было бы с помощью постоянной удельной дематериализации, сдерживаемого роста населения и улучшений защиты окружающей среды замедлить упадок или в некоторых конкретных случаях остановить рост и даже значительно снизить существующие показатели (так же, как, например, удалось добиться снижения общемировых выбросов SO2 и прекращению использования свинца в потребительских товарах). В течение последнего поколения дематериализация, выраженная в снижении потребления товаров или энергии на единицу ВВП, прочно укоренилась как в развитых, так и в развивающихся странах (Ausubel и Waggoner, 2008), и нет никаких причин, по которым ее темпы не должны поддерживаться и даже расти. Но, как уже подчеркивалось, эта удельная дематериализация не приводит к какому-либо значительному снижению совокупного потребления в мировом масштабе – верно, как раз обратное, по крайней мере для многих ключевых видов топлива, сырья и готовых продуктов. И хотя дальнейший прогресс в электроники в принципе является благоприятным фактором, ему будет не под силу остановить волну совокупного потребления. Продемонстрируем эти ограничения рядом интересных сравнений. В главе 5 (в разделе 5.2 об удельной дематериализации) был приведен список устройств, которые могут быть заменены одним iPhone. Марион Тупи (Tupy, 2012) сделал следующий вывод из этого списка: Другими словами, дематериализация – хорошая новость для тех, кого волнует видимое противоречие между ростом населения мира с одной стороны и обеспеченности мира природными ресурсами с другой. Хотя мнения о нехватке ресурсов в будущем расходятся, дематериализация позволит нашему виду наслаждаться материальным комфортом и в то же время разумно распоряжаться планетой. Это особенно важно с точки зрения людей в развивающихся странах, которые должны иметь возможность испытать материальный достаток в эпоху озабоченности экологическими проблемами. Я привел весь абзац, поскольку это идеальный пример надежд, которые люди, влюбленные в электронные гаджеты, возлагают на способность экономики преобразовывать потребление в общем и служить агентом дематериализации в частности. Насколько этот вывод может быть неправильным, хорошо видно по материальным последствиям распространения смартфонов и других электронных устройств. Коммуникатор Nokia, выпущенный в 1996 году, был одним из первых смартфонов, и потребовалось 16 лет, чтобы число этих устройств превысило 1 млрд: это произошло в третьем квартале 2012 года (mobiThinking, 2013). Даже если (как указано в главе 5) предположить, что покупка каждого из этого миллиарда устройств устранила необходимость в часах, будильнике, маленьком радиоприемнике, диктофоне и цифровом фотоаппарате, чистые совокупные сбережения, связанные с распространением мобильных телефонов (около 400 г/телефон: 500 г – вес пяти устройств, которые заменяет телефон весом в 110 г), достигли бы 400 000 т (в основном алюминия, стекла и микропроцессоров) к концу 2012 года. Однако это всего лишь самообман, чисто теоретическое построение, поскольку даже таких снижений спроса, а тем более производства в действительности не наблюдалось. В первом десятилетии XXI века мировые продажи часов, в частности, элитных моделей, продолжали расти на 2-4 % в год, а с 2000 по 2012 год мировые продаже цифровых камер превысили 1 млрд единиц, а гораздо более крупных ЖК-телевизоров – 1,1 миллиард единиц (Dash, 2012). Даже предположив, что средний ЖК-телевизор (с экраном диагональю 80 см) весит всего 10 кг, это количество требует более 10 миллионов тонн материалов – главным образом алюминия, стекла и микропроцессоров, что перечеркивает даже максимальную теоретическую экономию от продаж смартфонов. Этот ряд сравнений можно продолжить: растут продажи не только часов, цифровых камер и ЖК-телевизоров, но и автомобилей, и предметов роскоши, многие из которых (частные самолеты и яхты) представляют собой наиболее концентрированные воплощения энергоемкости отдельных материалов. Следовательно, даже если бы смартфоны все-таки полностью заменили будильники, визитницы, диктофоны и камеры, материальную экономию от отсутствия спроса на эти товары по большей части перечеркнул бы рост спроса на те же ресурсы от алюминия и стекла до проводов и микропроцессоров. Есть и другие примеры поразительных требований будущей дематериализации, которые можно сравнить с усилиями по дальнейшему расширению материального потребления. Премия Qualcomm Tricorder Z Prize в размере 10 миллионов долларов полагается тому, кто представит конструкцию портативного (максимальным весом в 2,3 кг) устройства, «способного определять основные показатели здоровья и диагностировать 15 заболеваний» (Qualcomm, 2013) – первый шаг к дематериализации повседневных врачебных приемов. Но в то же время, Matternet, Интернет материальных продуктов, «создает логистическую парадигму будущего при помощи сети беспилотных летательных аппаратов» (Matternet, 2013). Предполагается, что дроны будут перевозить товары (сначала лекарства и запчасти) в тех регионах мира, где нет всесезонных дорог – очевидно, что эта разработка обладает огромным потенциалом для повышения материального потребления. К чему в плане материального потребления приведут эти две противоборствующие разработки (если окажутся коммерчески успешными)?
Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 6.