Михаил Краснянский

Третья промышленная революция


Хотя моя кандидатская диссертация была посвящена теоретической химии, а докторская – горению и взрыву, мои научные интересы стали быстро смещаться в область экологии.  (Особенно «удобно» было заниматься экологией, проживая в Донецке, так как   Донецкая область является одним из самых неблагополучных регионов Европы с экологической точки зрения). Я все глубже осознавал, что дальнейшее развитие цивилизации по исторически сложившемуся пути невозможно, так как ныне появились новые глобальные проблемы, угрожающие существованию цивилизации. Впервые в истории человечества «поплыли», т.е. сдвинулись со стационарных уровней, важнейшие  показатели состояния биосферы. К таким показателям можно отнести: резкое ухудшение  качества воздуха и воды; глобальное потепление; истощение озонового слоя; уменьшение биоразнообразия;  достижение предела водных, пищевых, сырьевых и энергетических возможностей биосферы; утрату нравственных ориентиров значительной частью человеческого сообщества (так называемый «феномен аморального большинства»). Памятник нашему поколению будет выглядеть, видимо, так: посреди огромного шламового отвала стоит величественная бронзовая фигура в противогазе, а внизу на гранитном постаменте надпись: «Мы победили природу!». Наиболее пессимистически настроенные экологи считают, что человечество в погоне за благами цивилизации частично утратило один из важнейших природных инстинктов - инстинкт самосохранения (вспомним известное высказывание Антуана де Сент-Экзюпери: «Мы вовсе не получили Землю в наследство от наших предков – мы всего лишь взяли её в долг у наших детей»).  Ведь не смогут же, черт возьми, наши дети остановить Землю и сойти с нее, потому что на ней стало невозможно жить!…Пророчески звучат слова М. Лермонтова («Дума»):


И прах наш, с строгостью судьи и гражданина,
Потомок оскорбит презрительным стихом,
Насмешкой горькою обманутого сына
Над промотавшимся отцом.

Последний жестокий экономический кризис (2008 г.), когда множество «золотых карет» мгновенно и неожиданно превратились в тыквы, особенно ярко высветил  аморальность и тупиковый характер  экономики, основанной на бесконечном росте потребления и заимствований при бесконечном отравлении природной среды (как писал замечательный   А. Межиров:

Всё долбим, долбим, долбим,
Сваи забиваем.
А бывал ли ты любим
И незабываем?).
      
Экономика — это более уже не наука об ограниченных возможностях  и неограниченных потребностях, ныне  - это наука о  разумных самоограничениях. (Кстати, недавно подобную мысль высказал  протоиерей из России Всеволод Чаплин: «Нужно переходить от экономики роста к экономике достаточности  и самоограничения в стяжании земных благ»). Человечество, попавшее в плен разрушительной мощи собственных технологий, уже не может  учиться методом проб и ошибок -  для этого уже нет ни времени, ни ресурсов. В XXI веке человечеству в своей хозяйственной деятельности (да и в глобальной политике!) придется быть очень осмотрительным, чтобы этот век не стал для него последним.

Похоже, подлинная проблема  мировой экономики имеет не циклическую, но куда более фундаментальную природу – исчерпание традиционных внешних и внутренних источников (экспорт и покупательский спрос населения) развития рынка.  
 
Первая промышленная революция на базе угля и Вторая промышленная революция на базе нефти и газа фундаментально изменили жизнь и труд человечества  и преобразили облик планеты. Однако эти две революции привели человечество к пределу развития. Среди главных вызовов, которые брошены человечеству  — истощение биоресурсов и невозобновляемых источников энергии и проблемы экологии (загрязненные воздух, вода, пища, глобальное потепление и др.). И на эти  вызовы  человечество должно ответить  Третьей Промышленной Революцией.   «Третья промышленная революция» (Third Industrial Revolution - TIR) - это концепт развития человечества, авторами которого являются  американцы: ученый-экономист и эколог Джереми Рифкин (Jeremy Rifkin) и футуролог Рэй Курцвейл (Raymond Kurzweil). Также, я позволил себе несколько дополнить и расширить данный концепт.

Вот основные положения  концепции TIR («Рифкин-Курцвейл-Краснянский»):

1)  Переход на возобновляемые источники энергии – солнце, ветер, естественные водные потоки (wws – wind, water, sunlight), геотермальные воды, в отдаленном будущем – высоко- или низко-энергетический ядерный синтез. Уже сегодня  20% потребляемой в Германии электроэнергии поступает из возобновляемых источников, а к 2020 г. их доля  увеличится до 35%. (Кроме того, на газовом рынке, после «сланцевой», грядет еще более  радикальная «метангидратная революция». Сейчас общемировые запасы метана в «обычных» месторождениях составляют около 180 триллионов кубических метров (доля России – около 50 трлн). В сланцевых месторождениях хранится еще около 240 трлн кубометров метана. Итого – где-то около 420 трлн кубометров.  А вот суммарный объем метана в подводных газогидратах оценивается в 20 тысяч триллионов кубических метров (!), то есть в 50 раз больше, чем на суше! Этих запасов хватит на несколько столетий самой «зверской» эксплуатации.  Огромные запасы метана хранятся в основном на морском дне. Метан находится там в связанном виде  – в форме твердых кристаллов состава метан-вода 1:6, т.е. гидрат метана напоминает лед или спрессованный снег, который способен гореть как газовая горелка, если его поджечь. В 2013 г. Япония – первая из всех «претендентов» - начала экспериментальную добычу метана по уникальной технологии из собственных залежей метангидратов, запасы которых вокруг Японии оцениваются до 20 триллионов кубометров. Технология разработана Японским агентством по морским наукам и технологиям (JAMSTEC). Первые в мире подобные работы  осуществляет исследовательское судно «Тикю» («Земля») в Тихом океане в 80 км к югу от полуострова Ацуми. Глубина моря в этом месте -  примерно 1000 метров, глубина самой скважины в морском дне составила 330 метров; там, на этой глубине под морском дном и лежит огромный пласт метангидратов.)

2)  Превращение существующих и новых зданий (как промышленных, так и жилых) в минизаводы по производству энергии (за счет оборудования их солнечными батареями, мини-ветряками, теплонасосами, утилизаторами тепла и т.д.). Такие дома не будут нуждаться во «внешней» энергии (так наз. «нулевой дом» - «zero house»). Например, в  Евросоюзе имеется около 200 млн зданий. Каждое из них может стать маленькой электростанцией, черпающей энергию из крыш, стен, тепла выходящих вентиляционных и канализационных потоков, мусора.  Третья промреволюция для жилых и промышленных помещений — это мириады малых источников энергии от ветра, солнца, воды, геотермии, тепловых насосов, биомассы и т.д. В нескольких странах – Китае, США, ОАЭ – уже спроектировали и начали строить даже «нулевые небоскрёбы».

3) Развитие и внедрение технологий энерго-ресурсо-сбережения  (как производственного, так и жилого секторов) -  полная утилизация остаточных потоков и потерь электроэнергии, пара, газа, воды, любого тепла,  пищевых потоков, полная утилизация промышленных и бытовых отходов и др. Так, потери электричества в сетях  США составляют в среднем 6,5% (около 250 миллиардов кВт-ч ежегодно); потери электроэнергии в электросетях России составляют в среднем 13% (около 100 млрд. кВт•ч/год). Исследование Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (Food and Agriculture Organization of the United Nations) показало, что каждый год в мире выбрасывается или теряется 1,3 миллиарда тонн (!) или треть всех производимых для потребления продуктов питания. В развитых странах более 40% потерь приходится на этапы розничной продажи и потребления (т.е. их в буквальном смысле выбрасывают в мусор либо магазины из-за истекшего срока годности, либо потребители  из-за того, что попросту не успели их съесть). Например, в США выбрасывается в мусор  около 25% всех производимых пищевых продуктов. В размерах страны их экономическая цена составляет свыше 100 миллиардов долл./год, и на их производство расходуется около  300 млн баррелей нефти в год. (Но в развивающихся странах более 50% потерь в пищепроме происходит в результате перевозки, хранения и последующей переработки). Главное, нужно понимать, что затраты на экономию одного мегаватта энергии или одной тонны продуктов питания – в десятки раз меньше, чем для их нового производства и транспортировки!
 5
«Нулевой дом» (проект М. Краснянского):

1 – тепловой насос; 2 – теплая вода; 3 – холодная  «отработанная» вода; 4 – ветровые микро-турбины; 5 – светодиод; 6 – солнечные панели; 7 – воздушный фильтр; 8 – теплообменник для утилизации тепла воздушных потоков; 9 – двойной стеклопакет; 10 – теплоизоляция стены дома; 11 – вода после очистки; 12 – туалет; 13 – солнечная панель;  14 – электроаккумулятор; (13 и 14 - это  уличный «фонарный столб» с автономным накопительным  источником электроэнергии); 15 – прачечная; 16 – низкоэнергетические "сухие" стиральные машины (на основе магнитотеплового эффекта и поляризованного нейлона в качестве адсорбента грязи – почти не используют воду и какие-либо моющие средства); 17 – биохимическая очистка сточных вод; 18 – змеевик с жидким аммиаком.


4) Перевод всего автотранспорта  (легкового и грузового) на электротягу (топливные элементы на «связанном» водороде или мощный блок сверхъёмких электроаккумуляторов с быстрой перезарядкой; при этом электродвигатель будет встроен прямо в автомобильное колесо). Японская компания Sekisui Chemical представила сверхтонкие и сверхъёмкие литий-ионные аккумуляторы; новые батареи обладают в 5 раз более высокой емкостью и в 10 раз снижена их стоимость. В США разработаны «ячеистые» аккумуляторы с анодами из кремний-углеродных нанокомпозитов; их емкость выше в 10-15 раз и они могут выдержать несколько тысяч  зарядных циклов. Перевод авиатранспорта  на «гибридную» тягу (топливо – жидкость или сжиженный газ - плюс блок сверхъёмких аккумуляторов), что уменьшит расход топлива и уровень шума авиалайнеров на 50%. Развитие скоростного и сверхскоростного (св. 1000 км/час - в «вакуумной трубе») общественного пассажирского транспорта. Развитие новых экономичных видов грузового транспорта, таких как большие дирижабли (до 200 тонн полезного груза), подземный пневмотранспорт и др. В настоящее время в мире эксплуатируется свыше одного миллиарда ДВС - двигателей внутреннего сгорания.  При этом кпд ДВС  невысок – в среднем 25%, т.е. при сжигании 10 л бензина используется «по прямому назначению» только 2,5 л. А вот средний кпд электропривода – 75%, втрое выше ДВС, а термодинамический кпд топливного элемента – и вовсе около 90%.  Недавно «водородомобиль» Ливерморской национальной лаборатории  Министерства энергетики США прошел свыше 1000 километров на одной «водородной заправке» (5 кг).


5) Переход  от промышленного к локальному и даже «домашнему» производству большинства бытовых товаров благодаря развитию технологии 3D-принтеров. В отличие от обычных принтеров, 3D-принтеры печатают не фотографии и тексты, а «вещи» - промышленные товары. Т.е. 3D-принтеры позволяют создавать по введенной в память цифровой трехмерной модели практически всё, что угодно. У 3D-принтера тоже есть картриджи, но не с чернилами, а с заменяющими их рабочими материалами – пластмассовые гранулы, сухие цемент или гипс, металлические порошки и др. По расчётам экономистов из Мичиганского  университета, «домашний» 3D-принтер обеспечивает возврат инвестиций от 40% до 200% за год – так что производство бытовых товаров ожидает «3D-революция» (Good bye, «made in China»?). Компания Natural Machines  с 2014 г. начнет производство первого «продовольственного» принтера «Foodini», который ориентирован на коренное реформирование кухонной индустрии. Он возьмет на себя трудоемкую и сложную работу повара и сможет печатать (из натуральных ингридиентов!) практически все твердые продукты: от тортиков и шоколадок причудливой формы до равиоли и проч.  Датская компания «DUS Architects»  планирует возвести полноразмерный дом, печатая его компоненты на огромном 3D-принтере  «KamerMaker» прямо на стройплощадке (3D-принтер KamerMaker отличается внушительными размерами - его высота равна 3,5 метров). Если при этом еще  использовать почти безлюдный метод «контурного строительства» (разработка университета Ю. Калифорнии) – дом можно будет построить за 24 часа. Видимо, стройиндустрию также ждет «3D-революция».


6) Замена традиционного машиностроения технологиями 3D-печати на основе селективной лазерной плавки (SLM – Selective Laser Melting)  или метода прямого металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering - DMLS) (сырье - металлические порошки); эти технологии обеспечивают  высокую точность изготовления – до 20 микрон, и не требуют дальнейшей обработки изделий, а изготовление сложнейших деталей по 3D-технологиям сокращает длительность и стоимость процесса в десятки раз. Эти технологии уже осваивает NASA.

7) Переход от металлургии к композитным материалам (особенно нано-материалам) на основе углерода. Так, новейший американский «Boeing-787-Dreamliner» - изготовлен на 50% из композитных материалов на основе углерода (включая фюзеляж и крылья). Исследователи из университета Северной Каролины разработали новый метод растяжки углеродных нанотрубок, который позволяет создавать углеродные композиты, на порядок более прочные, чем металлы. Новый материал, после внедрения промышленной технологии,  можно будет использовать повсеместно: от велосипедных рам  до корпусов  самолетов. Ученым из технологического университета Сиднея (UTS) удалось аккуратно отделить от графита одноатомные слои, очистить их и выложить как «бутерброд» в идеально выровненную структуру из гексагональных решёток атомов углерода — «графеновую бумагу»  (graphene paper — GP).  Хотя удельная масса GP  в пять-шесть раз ниже, чем у стали, испытания показали, что новый материал в два раза твёрже и в десять раз прочнее при растяжении, нежели углеродистая сталь, а его  модуль упругости при изгибе оказался выше стали в 13 раз.  Американо-израильская компания «ApNano» создала наноматериалы - «неорганические фуллерены» (inorganic fullerene — IF), которые многократно прочнее и легче стали (их еще называют «нано-броня»). Образцы IF на основе сульфида вольфрама останавливали стальные снаряды, летящие на скорости 1,5 км/сек, а также выдерживали статическую нагрузку в 350 тонн/кв.см. Упомянутые и подобные им  материалы могут быть использованы для создания корпусов ракет, самолетов, морских судов, автомобилей, бронемашин, а также  в других целях.           
          
8) Отказ от животноводства, переход к производству «искусственного мяса» из мышечных  клеток домашнего скота с помощью 3D-биопринтеров. Для выращивания мяса «в пробирке» энергии потребуется впятеро меньше,  воды – в 10 раз меньше (а выбросы парниковых газов снижаются в 20 раз), чем при выращивании скота на убой (ведь для производства 15 г животного белка нужно скормить корове 100 г растительного белка, таким образом, кпд традиционного метода получения мяса составляет лишь 15%). Искусственный "мясозавод" требует намного меньше земли (займет всего 1% земли по сравнению с обычной фермой той же производительности по мясу). Кроме того,  в стерильных искусственных условиях можно получить экологически чистый продукт, без всяких токсичных металлов, глистов, лямблий и прочих «прелестей», часто присутствующих в сыром мясе. К тому же, искусственно выращенное мясо не нарушает этических норм: не надо  будет выращивать скот, а затем безжалостно его умерщвлять. Американская компания Modern Meadow уже разработала технологию промышленного изготовления мяса животных и натуральной кожи из клеток  животных-доноров (это может быть как домашний скот, так и экзотические виды, которых часто убивают только ради их шкуры).
         
9) Перевод значительной части сельского хозяйства в города на базе технологии «вертикальных ферм» («Farmskyscraper» или «Vertical Farm») – одну такую уже строят в ОАЭ. Это такой технологический «сельхоз-небоскреб» в 20-30 этажей без окон, расположенный в черте города и покрытый -  если это юг - солнечными панелями, на каждом  этаже которого размещены многоярусные стеллажи с гидропонными  контейнерами, где и произрастают злаки или др.; урожай собирается автоматически – ручной труд отсутствует; поскольку  «сельхоз-небоскреб»  изолирован от внешней среды, т.е. там  постоянные температура, влажность и освещенность - там можно снимать урожай 3-4 раза в год в любом климате; из-за отсутствия  паразитов можно будет полностью отказаться от любых пестицидов.
         
10) Переход от традиционной «химико-таблеточной» терапии к генной терапии (например, к "редактированию" геномов человека методом «CRISPR» - Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), а также к замене больных человеческих органов новыми, выращенными из стволовых клеток с помощью 3D-биопринтеров. Так,  американская компания Organovo  научилась создавать небольшие искусственные фрагменты печени, используя для этого 3D-биопринтер, команда учёных из Китая впервые в истории распечатала на 3D-биопринтере работающие человеческие почки, а ученые австралийского университета (University of Wollongong) создали мини-3D-биопринтер, получивший название BioPen («биоручка»), который «вписывает» слои здоровых клеток прямо в повреждённую человеческую кость.
       
11) Переход к «Биомиметике» - т.е. к копированию уникальных функций и производственных процессов живых организмов. Так, немецкие ученые создали сверхпрочный и крайне легкий композитный материал, способный выдерживать очень высокие давления, опираясь на данные по структуре и свойствам костей человека, а команда биоинженеров Стэнфорда недавно изобрела генетические транзисторы, из которых можно собрать компьютер в рамках одной живой клетки; основу его составляет «биотранскриптор», который контролирует поток ключевого белка, «бегущего» по цепи ДНК - нетрудно представить, каким объемом информации сможет управлять такой биокомпьютер, если всего одна молекула ДНК хранит в себе 700 терабайт информации!
          
12) Создание мини-супер-компьютеров  - оптических, квантовых, когнитивных (т.е. способных слышать, видеть, обонять, осязать, чувствовать вкус, как человек), которые повысят скорость и объём вычислений в сотни тысяч раз.  Создание гибрида биологического (человек) и электронного (компьютер) типов мышления, тесно сопряженных друг с другом. Переход к наноэлектронике. – (Ученые Гарварда разработали и собрали крохотное наноэлектронное управляющее устройство «nanoFSM», с самой плотной компоновкой из когда-либо созданных процессоров. Новое устройство, названное nanoFSM, имеет очень низкое энергопотребление и по размеру меньше, чем человеческая нервная клетка. Разработчики полагают, что технология nanoFSM поступит в массовое производство через 5-10 лет, как раз ко времени, когда текущая электроника достигнет предела своего совершенства. Переход на наноэлектронику позволит существенно снизить энергопотребление и повысить вычислительную мощь современных электронных устройств. Также будет открыта дорога для многих перспективных направлений, например микророботов, имплантируемых сенсоров, нейроинтерфейсов и др.)
        
Откуда взять на всё это деньги, коль скоро и Европа, и Америка, и Япония  тонут в долгах?   Но ведь везде ежегодно закладывается бюджет развития - каждая страна и почти каждый город планируют его. Важно делать капиталовложения в то, у чего есть будущее, а не в поддержание жизни таких инфраструктур, технологий, отраслей или систем, которые обречены на вымирание.  
      
Собственно говоря, «продвинутая часть» человечества  последнее время уже активно движется по этому пути. Хочется выразить надежду, что «всемирная TIR» случится гораздо раньше того момента, когда человечество  исчерпает все имеющиеся в природе запасы угля, нефти, газа и урана, а заодно окончательно загубит окружающую природную среду. В конце концов, каменный век закончился вовсе не потому, что на Земле закончились камни…

 

 Вернуться на главную