Таблица 2.2. Вовлечение энергоносителей в хозяйственную деятельность[19 - Хлебопрос Р. Г., Фет А. И. «Природа и общество. Модели катастроф». Новосибирск, 1999.]
Начало массового использования нового вида энергоносителя не отменяло навсегда применение уже используемых источников энергии. И по сей день люди используют дрова для отопления домов в частном секторе, уголь, сырую нефть и мазут для работы котельных и электростанций в коммунальном хозяйстве городов и посёлков. Поэтому известная нам история развития техносферы – это не полный переход из одного состояния в качественно новое состояние, а скорее количественное накопление знаний, техники и технологий. Простое накопление, которое предполагает создание и широкое использование всего нового, но не подразумевает полный отказ от старого, давно известного и хорошо апробированного.
2.2. История развития техносферы
На протяжении последующих после своего возникновения тысячелетий, техносфера медленно изменяла свой облик. Следующая за неолитической цивилизационная революция заключалась в зарождении и развитии городов примерно 7000 лет назад. Новый период получил название «энеолит» – медно-каменный век, так как создание городской среды было связано с началом использования первого металла – меди. Медные орудия, изготовленные из природных самородков, стали постепенно вытеснять каменные, так как были более долговечными, что позволяло экономить силы ремесленников и увеличивать тем самым количество изготавливаемых орудий.
Медленный рост
Новая цивилизационная революция – урбанистическая, позволила устранить кризис, вызванный нехваткой площадей, пригодных для выпаса скота и занятия кочевой формой скотоводства становившимися всё более многочисленными племенами людей. В результате этой революции возник новый вид техносферной территории – городская и жилая среда, произошло уплотнение населения на компактных территориях, выделились ремёсла, как специализированные виды труда. В далёкие времена территории компактного проживания людей были небольшими и ограничивались искусственными сооружениями – городскими стенами. С того времени начался процесс непрерывного роста численности городского населения, данные о котором приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Рост мирового городского населения[20 - Chandler T. «Four Thousand Years of Urban Growth». An Historical Census. New York, 1987.]
Но уже в древности людям необходимо было постоянно заботиться о получении пищи и чистой воды, уборке мусора и прочих отходов жизнедеятельности, строительстве жилья – то есть расходовать свою энергию на такие же процессы, которые естественным образом протекают в природных экосистемах. Изобретение городской среды тоже можно отнести к «энергосбережению». Удельный расход энергии для работы даже самых примитивных древних коммунальных систем, поддерживающих жизнедеятельность городского жителя, оказывается ниже, чем при любом другом образе жизни, например в кочевьях и временных посёлках.
Этот факт ярко проявился гораздо позже – в XX веке, при лавинообразной урбанизации, когда темпы роста доли городского населения в мире опережали темпы прироста энергетических мощностей всей техносферы в целом. Обеспечить быстрорастущее население Земного шара энергией стало возможно только в городской среде за счёт создания социотехнических систем – централизованного водоснабжения и отопления, массового распределения продуктов питания и типового домостроения, в которых низок удельный расход энергии и материальных ресурсов на жизнеобеспечение одного жителя.
Период развития техносферы, последовавший за созданием городской среды можно назвать «количественным накоплением знаний о мире». Несмотря на то, что история человечества изобиловала грандиозными эпохальными событиями, в результате которых рождались и гибли колоссальные империи, сознание людей, их образ мышления и облик техносферы не претерпевали значительных качественных изменений.
Умение плавить металлы и получать сплавы обеспечило развитие металлургии, что позволило постепенно заменить медные орудия более прочными бронзовыми (3000 г. до н.э.) и позднее (в 1200 г. до н.э.) железными. Наука античности открыла законы механики, поэтому была изобретена основывающаяся на этих законах простая строительная техника – рычаги, подъёмники, катки для перемещения тяжестей и т. д. Ремесленное и сельскохозяйственное производство в качестве источника энергии ориентировалась главным образом на использование мускульной силы человека и домашних животных, силу воды и ветра.
Деятельность человека в этот период не оказывала существенного влияния на биосферу – военные походы фараона Рамсеса II, взятие Вавилона персами, завоевания Александра Македонского, объединение Китая князем Цинь Шихуанди, расцвет и упадок Римской империи, Европейские Крестовые походы, штурм Константинополя османами и многие другие масштабные исторические события разворачивались на фоне стабильных физико-химических параметров окружающей среды. Техносфера Земли была устроена везде примерно одинаково, несмотря на культурно-исторические различия во внешнем виде техники, зданий и сооружений, существовавшие у разных стран и народов. Только в Новое время количество накопленных знаний перешло в новое качество, позволив Европейской цивилизации вырваться вперёд в деле нового техносферного строительства.
XVIII век – мировоззренческая революция
Машина научила человека
Пристойно мыслить, здраво рассуждать.
Она ему наглядно доказала,
Что Духа нет, а есть лишь вещество,
Что человек – такая же машина,
Что звездный космос только механизм
Для производства времени, что мысль
Простой продукт пищеваренья мозга,
Что бытие определяет дух,
Что гений – вырожденье, что культура —
Увеличение числа потребностей,
Что идеал —
Благополучие и сытость,
Что есть единый мировой желудок
И нет иных богов, кроме него.
(Максимилиан Волошин «Машина», 1922 г.)
Характер развития техносферы, неспешный со времён неолита, начал меняться в начале XVII века на территории Европы, после окончания эпохи религиозных войн. Этот феномен можно связать с процессами, происходившими в науке.
Бэкон Френсис
(22 января 1561 г. – 9 апреля 1626 г.)
Английский философ, основоположник материализма
К началу XVIII века окончательную победу одержала методология познания окружающего мира опытным путём, предложенная Френсисом Бэконом в виде «великого плана восстановления наук», описанного в 1620 г. в предисловии к труду «Новый Органон, или Истинные указания для истолкования природы». Аристотелеву дедукцию, в то время занимавшую главенствующие позиции в методологии познания, Бэкон отверг как неудовлетворительный способ философствования. Согласно его взглядам, нужно создать новый инструмент мышления, с помощью которого можно было бы произвести восстановление человеческого знания на более надежной, экспериментальной основе.
Труды Исаака Ньютона (1642 – 1727 гг.) и других физиков, опиравшиеся на экспериментальные исследования, окончательно сформировали механистическую картину мира. Наука переориентировалась на технику как на метод познания (техника эксперимента) и на технику, как способ преобразования окружающего мира. Эта «революция в науке» коренным образом ускорила процесс развития техносферы. Главным качественным изменением техносферы, произошедшим в то время, стало изобретение машин, использующих для своей работы, в отличие от простых механизмов древности, более мощные источники энергии.
Первым плодом «технизации науки» стало практическое применение силы расширяющегося водяного пара. В 1774 – 1784 гг. шотландский инженер Джеймс Уатт решал задачу создания универсального парового двигателя. Уатт провёл ряд экспериментальных исследований и разработал конструкцию парового котла, оснащённого цилиндром с поршнем, распределителем и конденсатором пара, а так же кривошипным механизмом для преобразования возвратно-поступательных движений поршня в постоянное вращение махового колеса. Так была создана универсальная паровая машина.
XIX – век пара
Пар послал
Рабочих в копи – рыть руду и уголь,
В болота – строить насыпи, в пустыни —
Прокладывать дороги;
Запер человека
В застенки фабрик, в шахты под землей,
Запачкал небо угольною сажей,
Луч солнца – копотью,
И придушил в туманах
Расплесканное пламя городов.
(Максимилиан Волошин «Пар», 1922 г.)
Паровой двигатель Уатта быстро нашел применение в самых разнообразных отраслях производства. Немецкий философ Карл Ясперс описывал это событие как «великий исторический перелом в развитии техники», который обеспечил переход к массовому промышленному производству широкого ассортимента товаров. Были созданы «машины, автоматически производящие продукты потребления. То, что раньше делал ремесленник, теперь делает машина. Она прядет, ткёт, пилит, стругает, отжимает, отливает; она производит весь предмет целиком. Если раньше сто рабочих, затрачивая большие усилия, выдували несколько тысяч бутылок в день, то теперь машина, обслуживаемая несколькими рабочими, изготовляет в день 20 000 бутылок»[21 - Ясперс К. «Истоки истории и её цель». М., 1994.] писал философ Карл Ясперс в работе «Истоки истории и её цель» (1948 г.).
Широкое применение паровых двигателей на фабриках и горно-металлургических заводах, а так же развитие парового транспорта позволило человечеству справиться с очередным кризисом. Начавшаяся в середине XIX века промышленная революция стала разрешением противоречия между темпами прироста населения и развитием производительных сил человечества. Это противоречие было описано Томасом Мальтусом в 1798 году в «Очерке о законе народонаселения». Мальтус отмечал, что многие родившиеся люди не смогут выжить вследствие недостатка необходимых для жизни предметов, в первую очередь – пищи. Но благодаря повышению производительности труда при машинном производстве, необходимых для жизни товаров стало хватать на всех, причём иногда даже стало случаться их перепроизводство.
Промышленная революция существенно преобразила структуру социума, образ жизни и род занятий людей. Технический прогресс стал главной движущей силой общественного развития. Появились новые социальные группы: промышленники, инженеры, фабричные рабочие. Переход к промышленному производству товаров привёл к тому, что главную роль в обществе стал играть класс промышленников-капиталистов, оттеснивший от государственного управления устаревшее сословие дворян-землевладельцев.
Паровой двигатель также позволил создать новые виды транспорта. В 1803 г. английский механик Ричард Тревитик организовал регулярный маршрут «парового дилижанса» из Лондона в Пэддингтон и обратно. Американец Роберт Фултон в 1807 году открыл регулярные рейсы по перевозке пассажиров и грузов между Нью-Йорком и Олбани, используя пароход «Клермонт», оснащённый паровым двигателем конструкции Уатта мощностью 20 л.с., который специально изготовили и доставили в Америку из Англии.
В 1825 году в Англии была запущена первая железная дорога общего пользования, построенная между городами Стоктон и Дарлингтон. Для перевозки пассажиров и грузов использовался локомотив «Ракета», сконструированный и построенный инженером Джорджем Стефенсоном. С этого момента началось бурное строительство железных дорог по всему миру. В табл. 2.4 приведены данные о развитии сети железнодорожного транспорта в XIX – ХХ веках.
Таблица 2.4. Рост протяжённости железных дорог в мире[22 - Сотников Е. А. «Железные дороги мира из XIX в ХХI век». М., 1993.]
В 1877 г. немецкий инженер Николаус Август Отто получил патент на четырёхтактный бензиновый двигатель, конструкция которого до сих пор является основой для современных двигателей внутреннего сгорания. В 1886 г. Карл Бенц продемонстрировал на Рингштрассе в немецком Мангейме трёхколесную повозку, на которую он установил двигатель Отто. Так был создан прототип современного автотранспорта.
Благодаря большей энергоёмкости жидкого топлива и возможности повышения эффективности его сгорания путём распыления в цилиндрах, двигатель внутреннего сгорания в промышленности и на транспорте начал вытеснять паровые машины, требовавшие для своей работы больших объёмов угля. Изобретение двигателя внутреннего сгорания так же обусловило появление воздушного транспорта, когда Орвилл и Уилбур Райты в 1903 г. установили бензиновый двигатель на сконструированный ими аэроплан.
Дальше наращивать энерговооруженность техносферы позволило широкое применение электричества в промышленности и в городской среде, начавшееся в первой половине XIX в. Электричество как явление было известно ещё с древнейших времён – Фалес Милетский (624 – 547 гг. до н.э.) называл в своих трудах «электризацией» способность янтарной палочки, потёртой рукой, притягивать лёгкие волокна шерсти. Путь к практическому использованию силы электрического тока проложило в 1821 г. открытие британским учёным Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции – принципа преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Он же в 1831 г. разработал первый электрогенератор, приводимый в движение вручную. В 1842 г. первый в мире электроагрегат, состоявший из генератора постоянного тока малого напряжения, приводимого в движение паровой машиной, был установлен на промышленном предприятии в Бирмингеме (Англия) для питания гальванической ванны[23 - Ристхейн Э. М. «Введение в энерготехнику». Таллинн, 2008.].
Усовершенствование в 1834 г. русским физиком Б. С. Якоби электродвигателя постоянного тока и изобретение электрических источников света потребовали создания распределительных сетей, подающих электричество от одного генератора сразу нескольким промышленным предприятиям или большому числу ламп в сети уличного освещения. В 1882 г. в США и Англии было одновременно запущено несколько тепловых и одна гидроэлектростанция (ГЭС), предназначенных для создания небольших промышленных и городских электросетей.
К 1887 г. в США было построено более 100 тепловых электростанций, питавших линии постоянного тока, снабжавшие электричеством промышленные предприятия и системы городского освещения по схеме, запатентованной Томасом Эдисоном. При расширении таких электросетей выявился главный недостаток постоянного тока – большие потери мощности при передаче напряжения на большие расстояния по протяженным проводам. Однако некоторые небольшие линии постоянного тока, построенные Эдисоном в городских кварталах Нью-Йорка, функционируют до сих пор.
В 1886 г. компания Джорджа Вестингауза ввела в эксплуатацию ГЭС переменного тока в Грейт-Баррингтоне (штат Массачусетс, США). Генерация переменного тока высокого напряжения позволила передавать электричество с минимальными потерями на сотни километров по линиям электропередачи и с помощью понижающих трансформаторов создавать разветвлённую сеть электрических линий меньшего напряжения для распределения электричества между множеством потребителей.
В 1889 г. русский электротехник М. О. Доливо-Добровольский, приглашенный на должность главного инженера в немецкий концерн «АЕG», усовершенствовал асинхронный электродвигатель переменного тока, ранее изобретённый Н. Тесла, предложив использовать трёхфазную схему электропитания и электропередачи. Трёхфазные электрические сети и асинхронные электродвигатели получили самое широкое распространение в техносфере, принципиально не изменившись и до нашего времени.
ХХ век – борьба за энергию
Так человек не в силах удержать
Неистовства машины: рычаги
Сгибают локти, вертятся колеса,
Скользят ремни, пылают недра фабрик,
И, содрогаясь в непрерывной спазме,
Стальные чрева мечут, как икру,
