Несмотря на многие недавние улучшения на различных этапах производства, использования и повторного использования материалов, по-прежнему остается много различных возможностей тратить существенно меньше сырья и готовых продуктов. Систематического обзора этих возможностей легко хватит на целую отдельную книгу, а здесь я упомяну лишь несколько ярких примеров, демонстрирующих разнообразие возможных улучшений и их значительные результаты. Я остановлюсь на четырех категориях вариантов сокращения отходов: изменение конструкции продукта для сокращения отходов, переход к более рациональному и экономному производству, более активная и эффективная переработка и поощрение замены материала. Однако прежде чем перейти к ним, я должен подчеркнуть, что наиболее важный непрямой способ рационализации и ограничения потребления материалов сегодня – использовать все возможности сократить энергоемкость на всех этапах работы с материалами от добычи и переработки минералов, транспортировки и производства до распределения и переработки или повторного использования побочных соединений и продуктов. Разница между передовыми методиками и реальными процессами на сегодня отражает размер потенциальной экономии: почти в 2,5 раза для алюминия, в 2 раза для стали и только 1,3 раза для аммиака. Конечно, на практике невозможно близко подойти к теоретическому минимуму, который позволит высвобождать металлы из руды или синтезировать компоненты из их составляющих с минимально возможной потерей ресурсов, но и без всяких принципиально новых открытий можно достичь значительной экономии. Например, при подробной оценке целлюлозно-бумажной промышленности США средний расход энергии – взвешенный по типу производственного процесса (крафт, термомеханическая обработка) и типу бумаги (печать, облицовочный картон и др.) – составил 27,4 ГДж/т, а как применение наилучших известных на сегодня методик позволит снизить этот расход примерно на 26 % до 20,5 ГДж/т (Jacobs и IPST, 2006). Во многих других отраслях применение наиболее эффективных существующих методик также позволит сэкономить 20–30 % энергии. Следует всегда стремиться к использованию минимально возможного количества материалов, за исключением случаев, когда это приведет к созданию менее безопасных, удобных или долговечных продуктов. Возможности для экономии путем изменения конструкции можно наиболее широко и эффективно применить в строительстве: неоптимальное проектирование зданий обычно означает, что общий расход материалов можно снизить на 30 %. Самый простой способ сократить использование материалов – упаковка. Межконтинентальная транспортировка требует достаточной защиты груза, но чрезмерная упаковка потребительских товаров (будь то инструменты, продукты питания или подарки) стала повсеместным атрибутом в современных богатых обществах, люди привыкли к этой часто бесполезной трате материала; упаковка просто снимается и выбрасывается. Это относительно недавний феномен: еще в 1970-х годах не было такого, что каждый элемент заключается в блистерную упаковку, приклеенную к бумажной подложке (что значительно усложняет переработку этих двух очень разных материалов); простые в переработке бумажные пакеты широко распространились продуктовых магазинах; а овощи и фрукты продаются расфасованные по пластиковым контейнерам и стаканам. Непревзойденный образец такой излишней упаковки – Япония, в которой продукты заворачиваются в несколько слоев бумаги и пластика. Численные показатели этого процесса вовсе не тривиальны: в расчете на душу населения ежегодно производится 40 кг только пластиковых отходов в Италии, Испании и Нидерландах, а средний показатель по ЕС составляет около 30 кг, а всего в Евросоюзе (в том числе в Швейцарии) в 2008 году было произведено 15,6 миллиона тонн отходов (EC, 2011). Этот переход к чрезмерной упаковке продукции была обусловлена стремлением к сокращению рабочих мест в продажах и ускорению оформления покупок, но его последствия для материального потребления и окружающей среды были плачевными. Один из лучших систематических обзоров возможностей по экономии материалов в производстве можно найти в труде по оценке сокращения отходов от производства металлов, в частности стали и алюминия Джулиана Оллвуда и Джонатана Каллена (Allwood и Cullen, 2012). Авторы выделяют такие возможности в шести различных последовательных категориях: использование меньшего количества металла в конструкции; снижение потерь конечной продукции; сокращение доли брака; повторное использование металлических компонентов; стремление к увеличению долговечности продуктов и сокращение конечного спроса на услуги по обработке металла. Даже экономия металла, заложенная в конструкцию – возможно, наиболее очевидная цель рационального конструирования – далеко не полностью исчерпала себя. По оценкам Оллвуда и Каллена (Allwood и Cullen, 2012), облегченная конструкция стальных балок может снизить их массу на 20–50 %, экономия металла при производстве арматуры может составить более 30 %, а автомобильных кузовов – 40 %; в совокупности это 100 миллионов тонн сэкономленного металла, то есть почти столько же, сколько США израсходовали до 2008 года. Технология послойного наращивания (3D-печать) позволяет производить сложные формы с минимальными отходами (Gibson и соавт., 2010; Gebbhardt, 2012). Продление срока службы продукции – еще один очевидный способ экономии материала, но наибольшие результаты приносит снижение потерь в выходе продукции и сокращение доли брака. Большинство людей удивляются, узнав, что значительные доли вновь произведенных металлов (более 25 % стали, почти 50 % алюминия) не доходят до конечных продуктов: при производстве обычной балки уголкового сечения может использоваться 90 % произведенной стали, но для алюминиевой банки этот показатель составляет 50 %, а для алюминиевого крыла для самолета – всего 10 %. Эти показатели можно улучшить, изменив конструкцию продукта, и, хотя потери материала в процессе производства перерабатываются, процесс их переплавки требует энергии и загрязняет атмосферу выбросами. Некоторые из этих внутренних отходов – неизбежные побочные продукты производственных процессов: отходы образуются при поверхностной обработке и резке металла, токарная стружка получается при сверлении, фрезеровании и шлифовании. Также металлы тратятся впустую из-за поверхностных и внутренних дефектов, взыскательности обработки, а при выполнении некоторых операций получается много брака из-за большого количества заказанного сырья: новые материалы в идеальном состоянии не пригождаются и отправляются на переработку. По оценкам Оллвуда и Каллена (Allwood и Cullen, 2012), до 30 тонн каркасов для поверхностной обработки стали и до 20 тонн алюминиевой стружки не обязательно переплавлять – их можно использовать менее энергоемкими способами. Аналогичным образом, потери материалов на строительных площадках, которые обычно составляют около 10 % массы первоначально поставленных материалов, при правильном менеджменте можно легко сократить наполовину. Большие возможности для расширения переработки остаются даже в производстве бумаги и алюминиевых банок – материалов, лидирующих по переработке во всех богатых странах (кроме, пожалуй, Японии, поскольку там вторичная переработка бумаги уже достигла предела возможностей). Возможно, наиболее примечателен тот факт, что до 2008 года бумага в США оставалась самым неперерабатываемым материалом, большая часть которого отправлялась на свалку (почти 21 % общей массы, тогда как для пластика этот показатель составил 17 %), и хотя к 2010 году она обогнала пластик по переработке (16,2 % непереработанной бумаги и 17,3 % пластика), общая масса бумаги на свалках составляла почти 27 тонн/год (USEPA, 2011a): это больше, чем масса всей бумаги и картона, произведенных Германией за тот же год (FAO, 2013). И хотя в 2010 году в США масса бумаги, отправившейся на свалку, составила лишь половину той же массы в 1990 году (26,7 миллиона тонн и 52,5 миллиона тонн), за те же двадцать лет масса выброшенного пластика выросла на 70 %, а общая масса неперерабатываемых полимеров, 28,5 т, превысила совокупное производство Франции и Германии за год (Plastics Europe, 2012). Другое сравнение: роясь в мусорных баках крупного азиатского города, бродяга, собирающий мусор, будет целый день искать 1 кг пластиковых пакетов, тогда как в США на свалку ежедневно отправляются 80 тысяч тонн пластика. В то время как в США в 2010 году перерабатывалось только 8 % пластмассового мусора (от 23 % для ПЭТ-бутылок (полиэтилентерефталат) до менее чем 1 % для полипропилена), целью ЕС на 2020 год является полное отсутствие пластиковых отходов на свалках (EPRO, 2011). Для этого потребуется на 50 % поднять уровень переработки, который в 2010 году составил 66 % с примерно равными долями вторичной переработки и сжигания для выработки энергии. И, конечно, утилизация отходов не является синонимом переработки, поскольку значительные доли собранных отходов не используются повторно, а отправляются на свалки (после уменьшения объема путем измельчения или сжатия). Необходимо стремиться к переработке максимально возможного количества материалов, и важнейший шаг, который мир должен предпринять в этом направлении, не требует никаких особенных приготовлений и разорительных инвестиций. При разработке продуктов должны учитываться разделение и утилизация отходов, что значительно упрощается благодаря использованию современных CAD-программ, однако по-прежнему редко считается важным. Рациональная разработка продукта с учетом последующей переработки особенно важна для утилизации растущей массы отходов электрических и электронных устройств. Интересным проектом в этой области стало введение роботизированных киосков ecoATM (к концу 2012 года в США их появилось 100 штук), которые оценивают стоимость старых мобильных телефонов и выдают наличные за устройства, которые затем продаются заказчикам: фирма является посредником между потребителями и компаниями, которые ремонтируют и перепродают телефоны либо разбирают их на компоненты и перерабатывают в ценные металлы (ecoATM, 2013). Эту же модель можно применить для утилизации всех остальных электронных устройств. С другой стороны, следует отметить, что, к счастью, некоторые прогнозы будущих потребностей в утилизации могут оказаться преувеличенными. Например, Лу и соавт. (Lu и соавт., 2010) дают прогноз, что к 2030 году количество ежегодно устаревающих компьютеров достигнет 700 миллионов единиц в развивающихся странах и до 300 миллионов в развитых регионах – но даже за короткое время, прошедшее с того момента, когда была написана эта статья (в 2009 году) стало ясно, что небольшие мобильные устройства будут приобретать все большую важность по мере того, как будут заполнять новые ниши (от электронной почты до фото банков и чтение журналов), которые раньше занимали персональные компьютеры. В результате состав отходов электронных устройств будет выглядеть совсем не так, как описано в этом довольно механическом прогнозе. Как я показал во второй главе, история использования материалов в значительной степени состоит из их замен. Сейчас этот процесс становится как никогда важным, и самый простой пример этому – сокращение веса. Сокращение веса приводит к прекрасным результатам во всех видах промышленной металлообработки и не обязательно требует отказа от использования традиционных материалов с большим удельным весом. Оно достигается, например, за счет использования передовых высокопрочных видов стали, обработанных методом холодного формования или горячего штампования, или входящих в более легкие и прочные многослойные материалы: крыши для автомобилей со слоем полимеров толщиной менее чем в 0,4 мм между двумя стальными листами толщиной 0,2 и 0,3 мм весят почти на 40 % меньше цельнометаллических (Hoffmann, 2012). Замена стали на алюминий развивается уже несколько десятилетий, особенно в автомобильной промышленности. В 1975 году средний автомобиль в США содержал 36 кг алюминия, к 2012 году – уже 155 кг, прежде всего в двигателе, коробке передач, дисках и колесах (Schultz, 2012). Тем не менее, остается еще множество других возможностей, и по оценкам Международного института алюминия (IAI, 2008), при сокращении веса в транспортном секторе можно снизить ежегодные выбросы CO2 на 700 миллионов тонн: это выгодно для любого вида пассажирских и грузоперевозок (автомобили, грузовики, поезда, корабли и самолеты). Снижение веса продукции с использованием пластика, армированного углеродным волокном, особенно привлекательно, поскольку оно позволяет снизить массу автомобильного шасси на 50 % по сравнению со сталью и на 30 % – с алюминиевыми сплавами: подключаемый к электросети гибридный автомобиль BMW i3 – первый автомобиль с умеренной ценой, в котором используется углепластик (BMW, 2013). Впрочем, возможности по снижению веса продукции везде, хотя некоторые из них сталкиваются с необычными барьерами в восприятии/предпочтении людей. Розлив вина в пластиковую упаковку – прекрасный пример такого барьера: учитывая объемы межконтинентальной торговли вином, миллионы бутылок, перевозимых контейнерными судами, в общем объеме такая замена приведет к огромной экономии энергии и материалов. Винные бутылки можно сделать легче (на целых 25 %), а качество вина не пострадает, если разливать вино в Tetra Pak – картонные упаковки с полимерным покрытием (даже если сравнивать упаковку в 1 л с бутылкой в 0,75 л), которые позволили бы снизить массу на 95 %; кроме того, энергия, затрачиваемая на весь жизненный цикл картонной упаковки, примерно на 70 % ниже, чем у стеклянных бутылок (Franklin Associates, 2006). Напомню также, что снижение веса продукции не всегда является лучшим решением с точки зрения функциональности. В порядке от самых легких к самым тяжелым распространенные контейнеры для напитков располагаются так: алюминиевые банки, пластиковые бутылки, стальные банки, стеклянные бутылки; в соответствии с энергоемкостью от наиболее энергоемких к наименее – стекло, сталь, пластик, алюминий; что касается отношения энергоемкости производства к объему контейнера, то сначала идет сталь (3,4 МДж/л), затем пластики (3,5-5,5 МДж/л), стекло (примерно 8 МДж/л) и алюминий (9 МДж/л). Таким образом, в функциональном отношении сталь лидирует: все остальные материалы требуют больше энергии на производство контейнера на единицу объема жидкости (ImpEE Project, 2008). Качественные соображения часто являются наиболее важными, так как новые материалы могут обладать свойствами, позволяющие им заполнить новые ниши: например, термопластичный эластомер Hytrel TPC-ET от DuPont обладает гибкостью резины и прочностью пластика (DuPont, 2013). Один из самых последовательных замен стало производство электроники без использования свинца (Li и соавт., 2005). В Японии с 2005 года, а в ЕС с 2006 все новые электронные продукты производятся без использования свинца: вместо них используются сплавы без свинца (с оловом, серебром и медью) и электропроводные клеи. Еще более фундаментальный сдвиг – переход от кремния к полупроводниковым соединениям, которые обозначаются III-IV по их положению в периодической таблице химических элементов – арсениду галлия (GaAs), арсениду галлия-индия (InGaAs) и антимониду индия (InSb) – с зарядовой способностью, намного превышающей кремний (InSb – на 2 порядка) (Service, 2009).
Источник: Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 6.