Энергетическое равновесие: можно ли избежать «глубокого нагрева»

Вряд ли найдется человек, который не слышал о глобальном потеплении, связанном с парниковым эффектом и угрожающим превратить Землю в подобие Венеры, куда предлагал оплатить билет всем отрицателям проблемы Стивен Хокинг. Однако за ней прячется еще более фундаментальная проблема, не имеющая технологического решения. О скрытом «глубоком нагреве», ожидающем цивилизацию в сравнительно недалеком будущем, и о том, каких кардинальных шагов он может потребовать от человечества, размышляет в своей статье физик и научный журналист Марк Бьюкенен.

В отличие от проблемы влияния на климат парниковых газов история осмысления «глубокого нагрева» (формулировка Бьюкенена) сравнительно невелика. Одним из первых, кто заговорил о нем, стал гарвардский астрофизик Эрик Чейссон. В своей статье 2008 года «Долгосрочный глобальный нагрев в результате использования энергии» он пришел к выводу, что наша технологическая цивилизация в будущем может столкнуться с фундаментальным ограничением роста из-за «неизбежного глобального нагрева…диктуемого исключительно вторым законом термодинамики», что зачастую игнорируется при оценке сценариев глобального потепления.

Его расчеты были подтверждены расчетами суперкомпьютера из Национального центра атмосферных исследований США. Кроме того, в том же 2008 году два инженера – Ник Кауэрн и Чихак Ан – в независимой от Чейссона работе признали, что несмотря на сравнительно небольшое количество отработанного тепла, выделяемого в окружающую среду сейчас, в будущем эта проблема может стать крайне серьезной.

И это связано с ее фундаментальными источниками. С одной стороны, вся история человечества – это во многом история поиска новой энергии для увеличения ее потребления. Так, по оценкам британского историка Яна Морриса, если 10 тысяч лет назад охотники и собиратели для всей своей деятельности «захватывали» около 5 тысяч килокалорий на человека в день, то переход к оседлому образу жизни и сельскому хозяйству дал 30 тысяч килокалорий в день, а использование энергии пара и ископаемого топлива позволило к 1970 году потреблять уже 230 тысяч. И вся эта энергия, согласно первому закону термодинамики, никуда не исчезает, а лишь меняет форму.

С другой стороны, проблема не в том, какую энергию потребляет человек для своей деятельности (как в случае с ископаемым топливом), а в том, что он вообще потребляет энергию. И эта энергия, согласно уже второму закону термодинамики, рано или поздно превратится в тепло. «Хотя количество энергии остается прежним, она постепенно превращается в менее организованные, менее пригодные для использования формы, – поясняет Бьюкенен. – Конечная точка энергетического процесса – отработанное тепло. И мы генерируем его всё время и всем, что делаем».

В текущий момент эта проблема не выглядит серьезной – отработанное тепло, вызванное использованием энергии, составляет около 2% от теплового планетарного дисбаланса, связанного с парниковыми газами, – и пока находится в тени. Но если учесть, что за последние два столетия ежегодное потребление энергии каждые 30–50 лет удваивалось, то при сохранении этой тенденции отработанное тепло станет, по оценкам ученых, проблемой не меньшей, чем потепление, связанное с парниковыми газами, уже через 150–200 лет.

«При этом глубокий нагрев будет более опасным, поскольку его невозможно избежать, просто переключившись с одного вида энергии на другой, – говорит Бьюкенен. – Перед нами встанет серьезный вопрос: можем ли мы установить строгие ограничения на всю потребляемую нами энергию? Можем ли мы управлять кажущимся бесконечным расширением нашей деятельности, чтобы не разрушать собственную среду?».

Скептики на это могут заявить, что проблемы не возникнет, потому что человечество научится потреблять меньше энергии, более эффективно ее используя. Признавая прогресс в этой области, Бьюкенен, тем не менее, считает этот довод убедительным лишь на первый взгляд, потому что, с одной стороны, существуют пределы энергоэффективности, а с другой – всё тот же рост энергопотребления. В результате, это не решение, а лишь откладывание проблемы.

Так, говорит он, если в качестве мысленного эксперимента предположить, что человечество немедленно повысит энергоэффективность в 10 раз, то с учетом нынешней тенденции к экспоненциальному росту энергопотребления, отсрочка составит примерно 130 лет: «Оптимизация эффективности – это лишь временная передышка, а не радикальное изменение человеческого будущего».

Более того, повышение энергоэффективности способно оказать и обратное влияние на общее потребление энергии. «Экономистам хорошо знаком парадоксальный эффект, известный как «отскок», когда повышение энергоэффективности за счет удешевления использования технологии фактически приводит к ее более широкому использованию, а также к увеличению потребления энергии», – поясняет Бьюкенен.

Классическим примером этому является изобретение парового двигателя – технологии, не только позволившей более эффективно использовать энергию угля, но и нашедшей применение еще в массе новых вариантов, что увеличило использование угля в целом. Согласно недавним данным, такой «отскок» в масштабах экономики способен поглотить до половины полученного эффекта.

Еще один абсолютно гипотетический вариант снижения энергопотребления – сократить население Земли. По некоторым оценкам, 8 млрд людей при условии, что основная их масса стремится к «ресурсоемкому образу жизни богатых наций», делают ситуацию на Земле неустойчивой и в перспективе неблагополучной. Опять же, по словам Бьюкенена, если бы в порядке мысленного эксперимента население внезапно сократилось до 2 млрд, это дало бы огромный эффект в снижении энергопотребления, но и он был бы не решением проблемы, а всего лишь ее отсрочкой на 60–100 лет.

Так есть ли выход вообще? По словам Бьюкенена, предотвращение или максимальная отсрочка глубокого нагрева имеет два основных пути решения – ограничение используемой энергии и выбор тех ее источников, которые в наименьшей степени усугубляют проблему.

Второе направление в некотором смысле проще – оно не касается человеческих аппетитов, – и в этом случае наилучшим выходом будет использование возобновляемых источников: перехват уже существующей энергии солнца и ветра, а не производство новой даже с помощью альтернативных вариантов вроде энергии атома или гейзеров, не говоря уже об ископаемом топливе.

«Если мы используем любой из альтернативных источников, то высвобождаем новые потоки энергии в систему Земли без компенсирующего сокращения, – считает он. – В результате все они усугубят проблему отработанного тепла. Однако если возобновляемые источники энергии используются правильно, они не должны увеличивать его накапливание в окружающей среде. Используя их энергию, мы производим не больше отработанного тепла, чем было бы произведено солнечным светом».

К примеру, часть энергии ветра, уловленная турбинами, даст в итоге не больше отработанного тепла, чем при естественном рассеивании этой энергии. Или энергия солнечного света, уловленная батареями и использованная людьми на какие-либо цели, даст ровно столько же отработанного тепла, сколько возникнет при простом нагревании солнцем поверхности Земли.

Однако ключевой момент, по словам Бьюкенена, заключается в том, что не любой способ перехвата энергии возобновляемых источников подойдет для борьбы с глубоким нагревом. Так, установить солнечные панели в пустыне – это увеличить проблему отработанного тепла, поскольку пустыни большое количество солнечного света отражают в космос. «Любые попытки произвести больше энергии, чем обычно можно получить от солнечного света на поверхности Земли, только усугубят проблему с нагревом», – утверждает он.

Не исключено, что при движении в этом направлении возникнут совершенно фантастические варианты вроде систем планетарного охлаждения или искусственно созданных торнадо, переносящих тепло с поверхности Земли в верхние слои атмосферы, откуда оно будет уходить в космос. И ученые уже рассматривают подобные идеи, но, по мнению Бьюкенена, подобные схемы, скорее, усугубят проблему, чем решат ее.

Фундаментально решить ее можно только одним способом – ограничить собственные энергетические аппетиты. И этот путь самый сложный, потому что, по словам Бьюкенена, он означает «радикальный разрыв с нашим прошлым, со всей человеческой историей», нечто совершенно новое.

«Если бы мы научились рассматривать ограничения на использование энергии как обязательный атрибут жизни на Земле, мы всё еще могли бы многое из того, что делает нас собственно людьми: учиться, открывать, изобретать, творить, – говорит он. – При таком подходе любая новая полезная технология, которой необходимо много энергии, нуждается в уравновешивающем сокращении энергопотребления где-то в другом месте. И в этом случае перед нами было бы постоянно обновляющееся и, вероятно, лучшее будущее».

Но, как считает Бьюкенен, это будет очень тяжело: «Будут ожесточенные ссоры, споры и глубокая поляризация и даже, возможно, большие войны. Человечество никогда не сталкивалось с вызовом такого масштаба, и я ожидаю, что мы не справимся с ним быстро или легко». В том числе и потому, что для человека и человечества крайне сложно принять наличие фундаментальных ограничений – невозможно потреблять всё больше и больше энергии и ожидать, что климат планеты останется прежним.

И хотя на данный момент проблема глобального потепления, связанного с парниковыми газами, выглядит несравнимо серьезнее – это только начало, а нынешняя борьба за ограничение их выбросов станет, по словам Бьюкенена, тестом на способность «организовать разумный и скоординированный ответ»: «Если мы сможем справиться с этой задачей, мы, возможно, будем как вид лучше подготовлены, более устойчивы и дееспособны, чтобы справиться с еще более сложной задачей».

Источник