Великий переход

Назад: 5. Ископаемое топливо, первичное электричество и возобновляемые источники энергии

В некоторых странах ископаемое топливо использовалось, пусть и в сравнительно малых количествах, за столетия до того, как оно начало массово вытеснять растительное топливо и одушевленный труд. Уголь и природный газ в Китае и каменный уголь в Англии – самые известные примеры. Китайцы применяли уголь в малом промышленном масштабе во времена династии Хань (206 до н. э. – 220 н. э.); в Англии, Уэльсе и Шотландии было много мест, где уголь выходит на поверхность, добывать его легко, и этим занимались где-то со времен Рима, где-то (чаще всего) – со Средних веков.

Но, как было замечено (Nef 1932, 12), «До шестнадцатого века каменный уголь едва ли сжигали, даже в семейных очагах на кухнях, на расстояниях больших, чем миля или две от его выхода на поверхность, и даже внутри этой территории его использовали только бедняки, которые не могли купить себе дерева».

Каменный уголь был, как правило, доминирующим видом ископаемого топлива в то время, когда Европа совершала свой переход. Самое известное исключение двигало одну из самых влиятельных экономик на заре современной эпохи: на протяжении XVII и XVIII веков голландский Золотой век состоялся благодаря в основном собственному торфу. Объемы его добычи хорошо показаны исследователями (De Zeeuw 1978): оценивается, что из 175 тысяч гектаров торфяников в Нидерландах только 5 тысяч остались более или менее нетронутыми. В США и Канаде переход тоже начался с каменного угля, но в отличие от Европы, эти две страны раньше и быстрее перешли на нефть и природный газ (Smil 2010а). Схожим образом Россия оказалась одним из пионеров крупномасштабной коммерческой добычи нефти, а позже извлекла преимущество из колоссальных запасов природного газа.

Большая часть Европы снизила зависимость от растительного топлива до очень низкого уровня в XIX веке, однако оно до сих пор активно используется во многих бедных странах. Паттерн перехода часто отличается в зависимости от вида топлива, и вывести общие закономерности очень сложно. Разные виды угля, нефти, газа имеют разные свойства (см. примечание 5.1). Тепло, получаемое при их сжигании, можно использовать прямо для приготовления пищи, отопления и плавки металлов, или косвенно для энергетизации первичных движителей. Паровой двигатель стал ведущим неодушевленным первичным движителем в XIX веке. Двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины получили коммерческое распространение в 1890-х годах. К 1950 году бензиновые и дизельные двигатели стали доминирующими первичными движителями в транспорте, а паровые турбины – в крупномасштабном производстве электричества (Smil 2005). Широкое распространение газовых турбин (стационарных для производства электричества и мобильных на реактивных самолетах и кораблях) началось только после 1960-х годов (Smil 2010а).

Недавние исследования энергетических переходов демонстрируют много общих черт в том, как происходили эти постепенные сдвиги, и позволяют определить главные факторы, ускорявшие или замедлявшие процесс (Malanima 2006; Foiquet 2010; Smil 2010а; Pearson and Foxon 2012; Wrigley 2010, 2013). Бывали такие переходы, когда длительные периоды экспериментов заканчивались пиковым ростом и завоеванием всего мира (Wilson 2012), и сравнительно ранние и быстрые переходы в случае малых потребителей энергии (Rubio and Folchi 2012). Некоторые небольшие страны перескочили фазу каменного угля, даже те, где имелись крупные его залежи, и стали зависеть от собственной или, чаще, импортной сырой нефти. Но во всех случаях в конце концов значительно увеличивалось потребление первичной энергии на душу населения, когда общества, ранее ограниченные запасами растительного топлива и количеством одушевленной энергии, входили в новую эпоху использования ископаемого топлива и масштабного применения механических первичных движителей.

Начало и распространение добычи каменного угля

Использовать каменный уголь начали еще в древности, его применяли в Китае при династии Хань для производства железа (Needham 1964). Европейские письменные источники впервые упоминают добычу угля в Бельгии в 1113 году, первую перевозку его морем в Лондоне в 1228-м, первый экспорт из района Тайнмута во Францию в 1325-м. Первой страной, совершившей переход от растительного топлива к углю, стала Англия, и начался он в XVI веке. После 1500 года серьезная нехватка дерева в некоторых регионах привела к росту цен на дрова, древесный уголь и строевой лес. Ситуация только ухудшилась в XVII веке благодаря растущему производству железа и бурно развивающемуся кораблестроению. Импорт железа в чушках и древесины облегчил положение только временно (Thomas 1986). Естественным решением выглядела добыча угля на месте: почти все угольные залежи страны были открыты между 1540 и 1640 годами.

К 1650 году ежегодная добыча каменного угля в Англии превысила 2 Мт; 3 Мт/г добывали в начале XVIII века и 10 Мт/г к его концу. Растущее использование угля требовало решения многих технических и организационных проблем, связанных с его добычей, перевозкой и потреблением. После истощения открытых залежей начали разрабатывать глубже залегающие пласты, а следовательно появились шахты. Если в конце XVII века это были в основном ямы глубиной редко более 50 м, то после 1700 года самые глубокие шахты превзошли 100 м, к 1765 году – 200 м, и 300 м после 1830 года. К этому времени дневная добыча составляла между 20–40 тонн на шахту, а столетием ранее – всего несколько тонн. Такие шахты требовали откачки воды, и больше энергии нужно было для вентиляции, для поднятия угля из более глубоких стволов и его доставки по назначению. Водяные и ветряные мельницы, а также лошади использовались для решения всех этих задач. Сама же добыча угля обеспечивалась тяжелым человеческим трудом.

Забойщики, вооруженные кирками, клиньями и колотушками, извлекали уголь, работая в любых позициях, от стоячей в полный рост до лежачей в узком тоннеле. Откатчики заполняли плетеные корзины углем и тащили их на деревянных салазках ко дну ямы, где стволовые вешали их на веревки. Крутильщики поднимали груз наверх, и рукоятники высыпали уголь в груды. Взрослые мужчины делали большую часть работ, мальчики от шести до восьми лет выполняли самые легкие задачи. Во многих шахтах часть самой тяжелой работы делали женщины или девушки-подростки. Им приходилось подниматься по крутым деревянным лестницам к поверхности с тяжелыми наполненными углем корзинами на спине, которые удерживал налобный ремень, (рис. 5.1). В 1812 году Роберт Болд, шотландский гражданский инженер и геолог, опубликовал исследование, посвященное жизни этих женщин, и обширную цитату из его работы стоит привести не только из-за полного боли описания страданий работниц, но и потому, что он приводит точные оценки их физического напряжения (примечание 5.2).

Рисунок 5.1. Носильщицы угля в шотландской шахте в начале XIX века (Corbis)

Живое описание Болда также является отличной иллюстрацией фундаментального факта энергетики, впечатляющим примером того, как каждый переход к новой форме энергии обеспечивается интенсивным использованием существующих форм и первичных движителей. Переход от дерева к углю стал возможным благодаря человеческим мускулам, потребление угля подтолкнуло к освоению нефти и, как я подчеркиваю в последней главе, сегодняшние фотоэлементы и ветровые турбины являются воплощением ископаемых энергий, которые требовались для плавки нужного металла, синтеза необходимого пластика и производства других материалов, влекущих за собой высокие вложения энергии.

Примечание 5.2. Исследование условий труда женщин, которые носят каменный уголь под землей в Шотландии, известных под названием «носильщицы»

Таким был заголовок приложения к «Общему обзору торговли каменным углем в Шотландии», опубликованному в 1812 году. Здесь приведены ключевые фрагменты (Bald 1812,131–132,134):

«Мать… спускается в яму со старшими дочерями, каждая, имеющая корзину подходящей формы, кладет ее наземь, и в нее закатываются большие куски угля; и такой вес они носят, который часто требует двух мужчин, чтобы закинуть ношу им на спины… Мать отправляется первой, зажав горящую свечку в зубах; девушки следуют… утомительными шагами, медленно, поднимаются они по ступеням, останавливаясь иногда, чтобы перевести дыхание… Нередко бывает так, что во время подъема видят их плачущими очень горько от величайшей суровости труда… Необходимая работа исполняется… таким образом за пределами всякого представления… Вес угля, поднятый на поверхность женщиной за день, составляет до 4080 фунтов… и часто бывает так, что доходит он и до 2 тонн».

При весе тела в 60 килограммов ежедневный подъем 1,5 тонны угля с глубины 35 метров сам по себе требует около 1 МДж, а если включить затраты на передвижение угля по горизонтали или под уклоном – под землей в глубине шахты и на поверхности рядом с ней – и затраты на обратный путь, то всего за день получится 1,8 МДж. Если предположить эффективность труда 15 %, взрослая носильщица могла тратить около 12 МДж энергии, в среднем 330 Вт на протяжении десятичасовой смены. Современные исследования энергетических затрат при тяжелом труде подтвердили, что работу на уровне 350 Вт вполне можно выполнять на протяжении восьми часов, но крайне редко – более долгий срок (Smil 2008а). Очевидно, что носильщицы работали день за днем, многие годы – они начинали трудиться в возрасте семи лет и часто продолжали до пятидесяти – на пределе человеческих возможностей.

На самых глубоких шахтах лошади вращали лебедки, позволяющие поднимать уголь или откачивать воду. После 1650 года лошадей и ослов использовали непосредственно под землей. Запряженные лошадьми телеги, часто по рельсам, доставляли уголь на короткие дистанции, к рекам или гаваням для погрузки на баржи или корабли. К началу XVII века уголь повсеместно применяли в домашнем хозяйстве и в кузницах, для обжига кирпичей, керамической плитки и глиняной посуды, для изготовления крахмала и мыла, для извлечения соли. Но из-за загрязнений в конечном продукте его нельзя было использовать в стекольном деле, при сушке солода и, что самое важное, в плавке железа. Проблема с изготовлением стекла была решена первой, около 1610 года, с появлением отражательной печи, где сырые материалы нагревались в отдельных замкнутых секциях. Только доступность кокса позволила обеспечить все другие потребности (см. следующий раздел).

Другим важным косвенным путем использования угля стал угольный, или городской, газ, получаемый карбонизацией битуминозного угля, иначе говоря, высокотемпературным нагреванием топлива в печах с ограниченным поступлением кислорода (Elton 1958). Первые газовые системы были установлены независимо на английских текстильных фабриках в 1805–1806 годах. Компания, чьей целью стала организация централизованной поставки газа в Лондон, была основана в 1812 году. Улучшение оборудования, удаление серы из газа, новая техника изготовления труб малого диаметра из железа и более эффективные горелки сделали возможным распространение газового освещения. И его век не закончился с появлением электрических лампочек. Газокалильная сетка, запатентованная в 1885 году Карлом Ауэром фон Вельсбахом, позволила газовой промышленности еще несколько десятилетий конкурировать с электрической.

За пределами Англии распространение каменного угля в восемнадцатом веке было куда более медленным. Главная добыча велась в северной Франции, в районах Льежа и Рура, и в районах Богемии и Силезии. Добыча угля в Северной Америке приобрела национальное значение только на протяжении XIX столетия. Историческая статистика в области угледобычи и наилучшие из доступных (но менее надежные) оценки потребления древесного топлива в разных странах позволяют сузить, в некоторых случаях буквально до конкретной даты, периоды времени, когда уголь превзошел дерево и начал давать более половины всей первичной энергии в стране (Smil 2010а). В Англии и Уэльсе такое случилось довольно рано, но время этого самого раннего энергетического перехода можно определить только приблизительно.

Отдельные исследователи (Warde 2007) пришли к выводу, что выбор точной даты перехода от дерева к углю будет произвольным, но определили наиболее вероятное время, когда уголь стал превосходить биомассу в качестве источника тепла, как 1620 год, или даже немного ранее. К 1650 году доля угля выросла до 65 %, к 1700-му – до 75 %, к 1800-му – около 90 % и в 1850 году составляла более 98 % (последние две цифры для Великобритании в целом). Британское угольное превосходство затянулось и на следующее столетие: в 1950 году уголь обеспечивал 91 % всей первичной энергии в стране, и 77 % – в 1960-м. В результате уголь доминировал (составлял более 75 %) в энергетике страны 250 лет, много дольше, чем в любом другом государстве.

Франция в начале наполеоновской эпохи получала более 90 % первичной энергии из дерева, эта доля все еще составляла около 75 % в 1850 году, и только к 1875му упала ниже 50 % (Barjot 1991). Уголь оставался доминирующим топливом во Франции до конца 1950-х годов, после чего импортная нефть заняла его место. Добыча угля в колониальной Америке началась в 1758 году в Виргинии, и в начале XIX века Пенсильвания, Огайо, Иллинойс и Индиана стали производящими уголь штатами (Eavenson 1942). Уголь обеспечивал всего 5 % от общей первичной энергии к 1843 году, но последующий быстрый рост добычи увеличил долю до 20 % к началу 1860-х, а в 1884 году добытый каменный уголь содержал больше энергии, чем все потребление дров в стране (Schnurr and Netschert 1960). В 1880 году, когда в Японии начали вести статистику, дерево (и полученный из него древесный уголь) давало 85 % первичной энергии в стране, но к 1901 году интенсивная модернизация подняла долю угля выше 50 %, пик в 77 % был достигнут в 1917 году (Smil 2010а).

Российская империя, обладавшая большими бореальными лесами на севере европейской части и в Сибири, была по сути своей обществом дерева. В соответствии с советской исторической статистикой, дрова поставляли 20 % всей первичной энергии в промышленности в 1913 году (TsSU 1977), но это, очевидно, относится только к коммерчески заготовленному топливу, которое составляло малую долю от того, что требовалось для обогрева домов: даже небольшой дом потреблял не менее 100 ГДж/год. По моей оценке, дерево обеспечивало 75 % энергии к 1913 году, а нефть и уголь начали давать больше половины всей первичной энергии только в начале 1930-х (Smil 2010а).

Последней из ведущих экономик, совершившей переход от фитомассы к углю, стала китайская, где процесс был отсрочен бесконечными кризисами XX века. Они начались с падения империи в 1911 году, продолжились длинной гражданской войной между коммунистами и Гоминьданом (1927–1936, 1945–1950) и вторжением Японии (1933–1945). После этого пришли десятилетия маоистских экономических экспериментов, результатом которых стал крупнейший в мире голод (1958–1961) и безумная Культурная революция (1966–1976). Поэтому растительное топливо в Китае стало поставлять меньше половины первичной энергии только в 1965 году; к 1983-му его доля упала ниже 25 %, и к 2006 году – ниже 10 % (Smil 2010а).

От древесного угля к коксу

Замещение древесного угля металлургическим коксом при выплавке чугуна принадлежит, без сомнения, к величайшим техническим инновациям современности, поскольку оно привело к двум фундаментальным изменениям. Прекратилась зависимость индустрии от дерева (следовательно, отпала необходимость размещать производство в лесистых регионах) и появилась возможность использовать домны большего размера (тем самым, увеличилась производительность). Кроме того, это был переход к куда более качественному металлургическому топливу.

Пиролиз (деструктивная дистилляция) каменного угля – нагревание битуминозного угля (с низким содержанием пепла и серы) в отсутствие кислорода – позволяет получить почти чистую углеродную матрицу с низкой условной плотностью (0,8–1 г/см³), но высокой плотностью энергии (31–32 МДж/кг), которая также куда лучше сопротивляется сжатию, чем древесный уголь, и поэтому может выдерживать больший вес железной руды и известняка в более высоких домнах (Smil 2016).

Кокс применяли в Англии уже в начале 1640-х годов для сушки солода (уголь не годился, поскольку при его сгорании выделяются сажа и оксиды серы), но его металлургическое использование началось только в 1709 году, когда Абрахам Дерби (1678–1717) ввел эту практику в Колбрукдейле. Коксование могло обеспечить практически неограниченный объем прекрасного металлургического топлива, но процесс был затратным и дорогим, и его широкое применение началось только после 1750 года (Harris 1988; King 2011). Английские металлурги первой половины XVIII века не последовали примеру Дэрби немедленно в основном потому, что приходилось держать низкую цену на металл в чушках, чтобы конкурировать со шведским импортом. Как только рыночная ситуация улучшилась в середине 1750-х годов, англичане тут же начали строить новые домны на коксе, и к 1770 году с помощью кокса изготавливалось 46 % британского железа (King 2005). Это эпохальное изменение прекратило невыносимое давление на древесные ресурсы, ощущавшееся как в Великобритании (см. примечание 4.22), так и на континенте: например, в 1820 году 52 % лесных территорий Бельгии использовались для производства металлургического древесного угля (Madureira 2012).

В Америке в первой половине XIX века ситуация не была столь суровой (см. примечание 4.23), и к 1840 году весь чугун в США все еще выплавлялся на древесном угле, но последующее развитие индустрии привело к быстрому переходу сначала на антрацит, затем на кокс, который стал доминирующим к 1875 году. Поколениями кокс производили очень затратным способом в круглых ульевых печах (Sexton 1897; Washalski 2008). Радикальное улучшение наступило только с внедрением коксохимических печей: они позволяли забирать богатые СО на топливо, химикалии (деготь, бензол, толуол) – для использования в качестве материалов, и сульфат аммония – в качестве удобрения. Использование таких устройств началось в Европе в 1881 году, в США – в 1895-м; их модернизированные версии до сих пор остаются главной опорой современного коксования (Hoffmann 1953; Mussatti 1998).

Первые коксовые домны были такой же высоты (около 8 м) и такого же объема (менее 17 м³), как их современницы на древесном угле, но к 1810 году домны на коксе уже достигали в среднем около 14 м высоты и объема более 70 кубометров). После 1840 года Лотиан Белл (1816–1904), ведущий британский металлург, предложил новую конструкцию, и к концу XIX века домны были почти 25 м высотой и имели внутренний объем в 300 м³ (Bell 1884; Smil 2016). Крупные домны, способные на большую производительность (менее 10 т/день для лучшей домны на древесном угле против более 250 т/день для коксовой домны к 1900 году), обеспечили резкий рост производства чугуна с всего лишь 800 тысяч тонн в 1750 году до около 30 Мт в 1900-м. Этот рост заложил основу для развития после 1860-х годов современной стальной промышленности и предоставил ключевой материал для индустриализации (Smil 2016).

Паровые двигатели

Паровой двигатель стал первым новым первичным движителем, освоенным после внедрения ветряных мельниц, которое произошло на 800 лет ранее. Он был первым практичным, экономичным и надежным преобразователем химической энергии угля в механическую энергию, первым неодушевленным первичным движителем, работающим на ископаемом топливе, а не на почти мгновенной трансформации солнечного излучения. Первые двигатели начала XVIII века обеспечивали только возвратно-поступательное движение, подходящее для откачки жидкости, но уже до 1800 года появились новые конструкции, позволившие получать более практичное вращательное движение (Dickinson 1939; Jones 1973). Несомненно, освоение таких устройств имело большое значение для глобальной индустриализации, урбанизации и развития транспортной системы, и о воздействии паровой машины на все эти процессы не раз писали (von Tunzelmann 1978; Hunter 1979; Rosen 2012).

Коммерциализация и распространение паровых двигателей продвигались медленно, на то и другое ушло более века, и даже во время их быстрого развития, после 1820 года, они еще конкурировали (как уже упоминалось в главе 4) с водяными мельницами и турбинами. Использование паровых двигателей устранило некоторые разновидности одушевленного труда (откачка воды из шахт, многочисленные производственные задачи), но тотальная зависимость от труда человека и животных сохранялась на протяжении всего XIX века. Подобные обстоятельства привели к пересмотру широко распространенного мнения, что внедрение парового двигателя равнялось процессу, который называют, хотя и не совсем верно, индустриальной революцией.

Доминирующее понимание той эпохи как времени глобальных экономических и социальных перемен (Ashton 1948; Landes 1969; Mokyr 2009) не раз подвергалось сомнению со стороны тех, кто воспринимает революцию как ограниченный, даже локальный феномен. Технические перемены затронули лишь некоторые отрасли (текстильную, черную металлургию, транспорт) и оставили прочие сектора экономики в нетронутом состоянии до середины XIX века (Crafts and Harley 1992). Некоторые критики идут еще дальше, утверждая, что перемены были столь малы по сравнению с масштабом всей экономики, что сам термин «индустриальная революция» является ошибочным (Cameron 1982) и что вся Британская индустриальная революция не более чем миф (Fores 1981).

Если говорить точнее, то британские данные показывают: связывать экономический рост в XIX веке в первую очередь с паром будет слишком смело (Crafts and Mills 2004). Несмотря на паровые двигатели, «британская экономика была большей частью традиционной еще 90 лет после 1760 года» (Sullivan 1990, 360), и «типичный британский работающий человек в середине XIX века был вовсе не оператором машины на фабрике, а традиционным ремесленником или разнорабочим или домашним слугой» (Musson 1978, 141). Но оценка становится более понятной, когда мы рассматриваем процесс в терминах общего потребления энергии: его колоссальный рост – валовая величина для Англии и Уэльса (Wrigley 2010) – составляла около 117 ПДж в 1650–1659 годах, 231 ПДж столетием позже, и 1,83 ЭДж в 1850–1859 годах, то есть, потребление увеличилось примерно в 15 раз за 200 лет – сделал возможным экспоненциальный рост экономики, и, без сомнений, паровой двигатель был ключевым механическим толкачом индустриализации и урбанизации.

Но в полной мере его воздействие стало ощущаться только после 1840 года, когда началось быстрое строительство железных дорог и пароходов и когда паровые машины стали использовать в промышленности в качестве стационарных источников кинетической энергии (передаваемой ремнями к отдельным механизмам). Практическая эволюция паровых устройств началась экспериментами Дени Папена (1647–1712) с маленькой моделью, построенной в 1690 году. После больше похожей на игрушку машины Папена появился паровой насос Томаса Севери (1650–1715), всего в 750 Вт, то есть в одну лошадиную силу, работавший без поршня. К 1712 году Ньюкомен (1664–1729) построил двигатель в 3,75 кВт, способный приводить в движение шахтные насосы (Rolt 1963). Поскольку эта машина, работавшая при атмосферном давлении, конденсировала пар на нижней стороне поршня, у нее была очень низкая эффективность, не более 0,7 % (рис. 5.2). К 1770 году Джон Смитон, чья работа по сравнению мощности первичных движителей была отмечена в главе 4, улучшил конструкцию и удвоил эффективность.

Двигатели Ньюкомена начали распространяться по английским шахтам после 1750 года, но из-за низкой эффективности устройства могли использовать лишь там, где топливо имелось на месте, но не там, куда его нужно было везти. Джеймс Уатт (1736–1819) обозначил пути усовершенствования паровой машины в самом названии своего патента: «Новый изобретенный метод уменьшения потребления пара и топлива в огненных машинах» (Watt 1855 [1769]). Патент был выдан 25 апреля 1769 года, и по систематизированному списку улучшений стало очевидно, чем новая машина отличалась от предшественниц (примечание 5.3).

Отдельный конденсатор был очевидно самой важной инновацией (рис. 5.2). Немного позже Уатт внедрил машину двойного действия (где пар двигал поршень как вверх, так и вниз), и центробежный регулятор, который поддерживал постоянные скорости при разных загрузках. В совершенно современном стиле Уатт и его финансовый партнер Мэттью Болтон (1728–1809) брали деньги не за поставленную машину, а за ее повышенную эффективность по сравнению с распространенным двигателем Ньюкомена. Добыча угля и паровые двигатели поддерживали развитие друг друга, потребность откачивать больше воды из более глубоких шахт была основной причиной совершенствования паровых машин. Доступность более дешевого топлива способствовала их распространению, и тем самым увеличению количества шахт. Вскоре машины также приводили в движение вращательные и вентиляционные механизмы.

Рисунок 5.2. Паровые двигатели Ньюкомена и Уатта. В двигателе Ньюкомена, построенном Джоном Смитоном в 1772 году, котел размещался под цилиндром, и пар конденсировался внутри цилиндра, при впрыскивании воды из трубы, ведущей к его нижней правой стороне (слева). В двигателе Уатта, построенном в 1788 году, котел размещался в собственном кожухе, цилиндр был заключен в изолирующую паровую рубашку, и отдельный конденсатор соединялся с воздушным насосом, поддерживая вакуум (справа). Воспроизведено из Farey (1827)

Примечание 5.3. Патент Уатта 1769 года

Вот как Уатт объяснял улучшения в конструкции:

«Мой метод уменьшения потребления пара и, следовательно, топлива в огненных машинах сводится к следующим принципам: во-первых, тот сосуд, в котором находится мощность пара, необходимая для выполнения работы, который зовется цилиндром в обычных огненных машинах и который я зову паровым сосудом, должен во все время, что машина работает, поддерживаться столь же горячим, как и входящий в него пар…

Во-вторых, в машинах, которые работают целиком или частично благодаря конденсации пара, пар должен конденсироваться в сосудах, отличных от паровых сосудов или цилиндров, хотя время от времени соединяющихся с ними. Эти сосуды я зову конденсаторами, и в то время когда машины работают, эти конденсаторы должны по меньшей мере сохраняться столь же холодными, как окружающий машину воздух, посредством приложения воды или иных холодных тел.

В-третьих, чтобы воздух или другой эластичный пар не конденсировался холодом конденсатора и не мог тем самым препятствовать работе машины, его нужно вытягивать из паровых сосудов или конденсаторов посредством выкачивания насосами, приводимыми в движение самой машиной, или иным образом» (Watt 1855 [1769], 2).

Усовершенствованная паровая машина Уатта почти немедленно возымела коммерческий успех, и легко видеть, какое влияние она оказала за пределами индустрии добычи угля, в производстве и транспорте (Thurston 1878; Dalby 1920; von Tunzelman 1978). Но это успех, измеренный относительно промышленного фона второй половины XVIII века: общее применение улучшенных двигателей было незначительным на шкале современного массового производства. К 1800 году, когда закончился срок исходного патента в 25 лет (определенный Актом о паровых машинах от 1775 года), компания, владельцами которой были Уатт и Болтон, изготовила около 500 двигателей, 40 % из них – для откачки воды. Средняя мощность их составляла около 20 кВт, что более чем в пять раз превосходило среднее значение для типичной водяной мельницы того времени, и в три раза – для ветряной.

Крупнейшие изделия Уатта (чуть более 100 кВт) соответствовали самым мощным существовавшим водяным мельницам. Но мельницы нельзя было ставить где угодно, а паровые машины не имели такого ограничения, хотя обычно их размещали рядом с портом или у канала, где была возможность водным транспортом подвозить топливо. Хотя изобретения Уатта открыли дорогу промышленному успеху паровых машин, продление патента на самом деле помешало дальнейшему прогрессу. Мысли о безопасности сделали Уатта столь несмелым в использовании пара высокого давления, или он просто хотел, чтобы во время действия его собственного патента не выдавались похожие? Уатт и Болтон не только не предпринимали попыток развить транспорт на основе пара, они отговаривали Уильяма Мёрдока (1754–1839), главного сборщика их двигателей, от создания движущейся паровой машины, а когда тот стал упорствовать, Болтон убедил его не брать патент (примечание 5.4).

Примечание 5.4. Уатт и Болтон отсрочивают создание паровой кареты

В 1777 году, когда ему исполнилось 23, Уильям Мёрдок прошел около 500 км до Бирмингема, чтобы найти работу в компании паровых машин Джеймса Уатта. И Уатт, и его партнер Мэттью Болтон вскоре поняли, насколько ценный работник им достался. Прекрасная работа Мёрдока на сборке новых машин обеспечивала их эффективное и прибыльное функционирование.

К 1784 году Мёрдок создал небольшую модель паровой кареты, трехколесного экипажа с котлом между двух задних колес. За первой моделью последовала вторая, и Мёрдок в конечном итоге решил запатентовать свой паровой экипаж (Griffiths 1992).

Он отправился в Лондон, чтобы это сделать, но по пути, в Эксетере, его перехватил Болтон, который убедил Мёрдока вернуться домой, не подавая документов на патент. Настойчивость оппонента Болтон воспринял как неповиновение; он написал Уатту:

«Он сказал, что собирается в Лондон, повидать людей, но я вскоре обнаружил, что он отправился туда с его паров, карет., чтобы показать ее и взять патент. Ему было сказано мр. В. Вилкном, что Сэдлер сказал, и он также прочитал в газетных новостях, что Симмингтон заново зажег все топки и ему не терпится делать паровые кареты. Тем не менее я горячо убедил его вернуться в Корнуэлл на дилижансе следующего дня, и он соответственно прибыл сюда этим днем в полдень… я думаю, очень удачно, что я встретил его, поскольку я убедил его, и я могу или излечить его от неповиновения или превратить зло в добро. По меньшей мере, я предотвращу тот вред, который мог бы быть нанесен его путешествием в Лондон» (Griffiths 1992,161).

Но, возможно, это и не имело значения для будущего развитии транспорта на паровой тяге, поскольку первый дорожный экипаж, собранный в 1800 году, оказался неприемлемо тяжелым. И проблема была тем серьезнее, что тогда практически не существовало дорог с хорошим покрытием, способных выдержать его вес. Единственный практичный способ использовать подобные машины заключался в том, чтобы поставить их на рельсы, но прошло несколько десятилетий от появления идеи до начала коммерческого использования, когда окончание патента Уатта в 1800 году открыло период интенсивных инноваций. Первым значительным успехом стало внедрение котлов высокого давления Ричардом Тревитиком (1771–1833) в Англии в 1804 году и Оливером Эвансом (1755–1819) в 1805 году в США. Другими вехами стали прямоточная конструкция, предложенная Джекобом Перкинсом (1766–1849) в 1827 году, и кулачковый клапан-регулятор, придуманный Джорджем Генри Корлиссом (1817–1888) в 1849-м, а также французское усовершенствование двигателей паровозов-компаундов в середине 1870-х. Таким образом из единого базового двигателя возникло большое количество разнообразных конструкций (Watkins 1967).

Исходная задача по откачке воды и подъему грузов в шахтах (рис. 5.3) вскоре стала лишь одной из функций двигателя. К тому времени самое широкое применение он нашел в ременных приводах на бесчисленных фабриках и в быстро меняющемся транспорте девятнадцатого века, как на суше, так и на воде. Развитие пароходов и паровозов происходило одновременно. Первые паровые суда были созданы в 1780-х годах во Франции, в США и Шотландии, но коммерчески успешные корабли появились только в 1802 году в Англии (Charlotte Dundas Патрика Миллера), и в 1807-м в США (Clermont Роберта Фултона).

Рисунок 5.3. Шахта С Pit в Хебберн-Кольери была типичным угольным разрезом времен паровых машин. Паровой двигатель шахты находился в здании с трубой и приводил в движение подъемные и вентиляционные механизмы. Воспроизведено из Hair (1844)

Все первые речные пароходы приводились в движение колесами с лопатками (на корме или по бортам), а для морских вояжей по-прежнему использовались паруса. Первым пересек Атлантику Royal William, он прошел по маршруту Квебек – Лондон в 1833 году (Fry 1896). Первым плаванием на скорость стала гонка между колесными пароходами Sirius и Great Western в 1838-м, в том самом году, когда Джон Эриксон предложил первый работающий винт. Постепенно все более крупные и быстрые пароходы заменяли парусники на пассажирских и торговых маршрутах через Северную Атлантику, и позже – на длинных переходах в Азию и Австралию. Они перевезли большую часть из 60 миллионов эмигрантов, оставивших континент между 1815 и 1930 годами, чтобы отправиться за море, в первую очень в Северную Америку (Baines 1991). В то же самое время движимые углем океанские корабли стали важным инструментом внешней политики США (Shulman 2015).

История наземного парового транспорта тоже началась с медленного старта, за которым последовало быстрое распространение железных дорог. После эксперимента Ричарда Тревитика в 1804 году с поставленной на рельсы машиной появилось несколько маленьких частных железных дорог. Первая общественная ветка, из Ливерпуля в Манчестер, открылась только в 1830 году, ее поезд тянул Rocket Джорджа Стефенсона (1781–1848). Благодаря большому количеству новый изобретений появлялись более эффективные и быстрые машины. К 1900 году лучшие механизмы в локомотивах работали при давлении до пяти раз выше, чем в 1830-х, и с эффективностью более 12 % (Dalby 1920). Скорости выше 100 км/ч стали обычным делом, и в 1930-х годах на прямых участках паровозы достигали и даже превосходили 200 км/ч (рис. 5.4).

Рисунок 5.4. Знаменитые машины эпохи паровозов. Rocket Стефенсона 1829 года, первая коммерческая машина, в которой появились две инновации, сохранившиеся во всех последующих конструкциях: отдельные цилиндры на каждой стороне, приводящие колеса в движение короткими соединительными стержнями, и эффективный многотрубочный котел. Стандартная американская конструкция, которая господствовала на железных дорогах США с середины 1950-х годов. Обтекаемый дизайн немецкого паровоза Borsig, разогнавшегося до 191,7 км/ч в 1935 году. Основано на Вут (1900) и Ellis (1983)

Начавшиеся с первой междугородней ветки в 56 км (Ливерпуль – Манчестер) в 1830 году, британские железные дороги протянулись до 30 тысяч километров к 1900 году, в Европе их общая длина составила 250 тысяч км. По всему миру наиболее мощная экспансия железных дорог наблюдалась в три последних десятилетия XIX века. К 1900 году сеть в России достигла 53 тысяч километров (но Транссибирскую магистраль до Тихого океана достроили только в 1917-м), в США на тот же момент было более 190 тысяч километров (включая три трансконтинентальных ветки), а всего в мире (с большей частью из оставшегося в Британской Индии) насчитывалось 775 тысяч километров (Williams 2006). В результате расширение железнодорожной сети стало главной причиной не имевшего прецедентов спроса на сталь во второй половине столетия.

Конечно, металл требовался в еще больших количествах для многих новых промышленных рынков: самой по себе стальной индустрии (чтобы обеспечивать металл для новых мощностей по производству железа и стали), электрической индустрии (для котлов и паровых турбогенераторов, трансформаторов и проводов), в добыче нефти и газа (для буровых труб, буровых головок, креплений, трубопроводов и цистерн), в кораблестроении (для новых кораблей со стальными корпусами), в производстве (для машин, инструментов и комплектующих), и в традиционной текстильной и пищеобрабатывающей промышленности. Но рельсы (ранее их изготавливали из железа) оказались самым важным конечным продуктом из доступной бессемеровской стали (подробости см. в главе 6), появившимся в 1860-х годах и остававшимся таковым до конца столетия (Smil 2016).

Апогей популярности парового двигателя наступил более чем через столетие после того, как Уатт получил усовершенствованный патент: к началу 1880-х годов широкое распространение паровых машин заложило энергетические основы современной индустриализации, и доступность высококонцентрированной мощности преобразовала как производительность промышленности, так и транспорт дальнего следования, и морской, и наземный. В свою очередь, эти изменения привели к обширной урбанизации, росту благосостояния людей, расширению международной торговли и сдвигам в положении стран на международной арене. Кумулятивный технический прогресс оказался значительным: крупнейшие машины, сконструированные в 1890-х годах, были примерно в 30 раз более мощными, чем их предки в 1800-м (3 МВт против 100 кВт), эффективность в лучших случаях повысилась в 10 раз, с 2,5 до 25 % (рис. 5.5). Этот огромный выигрыш в эффективности, со значительной экономией топлива и уменьшением загрязнения воздуха, случился благодаря в первую очередь более чем стократному росту рабочего давления, от 14 кПа до 1,4 МПа.

Рисунок 5.5. Растущая мощность и улучшение эффективности лучших паровых машин, 1700–1930 годы. Основано на данных из Dickinson (1939) и von Tunzelmann (1978)

Быстрый прогресс и пригодность двигателя для выполнения многих производственных, строительных и транспортных задач (благодаря прочности и надежности) превратил паровую машину в неодушевленный первичный движитель индустриализации XIX века. Его стационарное использование варьировалось от работ, которые ранее выполняли одушевленные первичные движители, водяные колеса или ветряные мельницы (откачка воды, распил древесины или обмолот зерна) до новых задач, которые появились на растущих фабриках (приводные ремни позволяли осуществлять сверление, полировку и другие операции с помощью механизмов, а также получать сжатый воздух). Кроме того, отдельные самые крупные из когда-либо построенных паровых двигателей использовались для того, чтобы вращать динамо первых электростанций в 1880-90-х годах (Smil 2005).

Мобильное использование двигателя привело к революции (здесь эта оценка совершенно опревданна, в отличие от обычного гиперболического утверждения) в транспорте, как наземном, так и водном, к быстрому развитию железных дорог и появлению пароходов. Другие способы мобильного применения, облегчавшие труд, включали паровые краны, молоты для забивки свай и экскаваторы (первое устройство такого типа, «паровая лопата», была запатентовано еще в 1839 году). Панамский канал не удалось бы построить так быстро (1904–1914) без использования примерно сотни «паровых лопат» Bucyrus и Marion (Mills 1913; Brodhead 2012), пар нашел путь даже на американские поля посредством канатных плугов.

Но паровые двигатели стали жертвами собственного успеха: по мере того как росла их эффективность, а ее пиковое значение достигало беспрецедентного уровня (на порядки выше, чем у любого традиционного первичного движителя), они начали сталкиваться с сущностными ограничениями, изначально заложенными в конструкции (Smil 2005). Даже после столетия усовершенствований широко используемые паровые машины оставались малоэффективными: к 1900 году типичный паровой локомотив тратил впустую 92 % угля, загруженного в котел. И они оставались тяжелыми, что ограничивало их мобильность за пределами рельсов и воды, которые могли поддерживать значительную массу (примечание 5.5).

Примечание 5.5. Соотношение масса/мощность паровых машин и «мегатерия»

Лошадь среднего размера, весящая 750 кг и дающая одну лошадиную силу (745 Вт), будет иметь соотношение масса/мощность почти в 1000 г/Вт, как и человек в 80 кг, постоянно работающий с мощностью в 80 Вт. Первые паровые двигатели XVIII века были очень массивными и давали соотношения (600–700 г/Вт) почти столь же высокие, как у людей и тягловых животных. К 1800 году соотношение упало до 500 г/Вт, и к 1900 году лучшие паровые локомотивы добрались до 60 г/Вт. Но это было все равно слишком много для того, чтобы приводить в движение наземные средства транспорта или вращать динамо на электростанциях.

В 1894 году новый бензиновый двигатель «Даймлер-Майбах», установленный на автомобиле, который выиграл гонку Париж-Бордо, имел показатель менее 30 г/Вт (Beaumont 1902), и он не оставил паровым машинам места в дорожном транспорте. Даже первый коммерческий вариант малых паровых турбин Чарльза Парсонса – мощностью в 100 кВт, построена в 1891 году – выдавал лишь 40 г/Вт, и перед Первой мировой соотношение упало ниже 10 г/Вт, а эффективность превзошла 25 %, много выше 11–17 % для лучших паровых двигателей (Smil 2005). Вследствие этого 16 больших паровых машин «Вестингауз-Корлисс», установленных на нью-йоркской электростанции Эдисона в 1902 году, уже устарели, и все же тремя годами позже лондонский городской совет по трамваям поставил на станции Гринвич «мегатерия мира машин» (Dickinson 1939, 152), первый из 3,5-мегаватных паровых компаунд-двигателей, для чего потребовалось пространство размером с собор. Массивные машины Гринвича были почти столь же высокими (14,5 м), как и широкими, а генератор Парсонса той же самой мощности имел бы только 3,35 метра в ширину и 4,45 метра в высоту.

Когда паровые машины достигли своей величайшей эффективности, наибольшей мощности и самого низкого соотношения масса/мощность, не нашлось путей, по которым они смогли бы проследовать к дальнейшему доминированию. Несмотря на впечатляющий прогресс и на совсем недавнее широкое распространение в промышленности, на железных дорогах и в морском транспорте, первичный движитель XIX века потерял лидирующие позиции в веке двадцатом. Паровые турбины остались наиболее мощными первичными движителями в генерации электричества, а двигатели внутреннего сгорания (сначала бензиновые, появившиеся в 1880-х годах, затем и дизельные) в конечном итоге оказались достаточно легкими, мощными и удобными, чтобы стать основой дорожного транспорта. Распространение двигателей внутреннего сгорания стало возможным благодаря доступности недорогого жидкого топлива, получаемого из сырой нефти: у этих жидкостей была большая плотность энергии, чем у угля, они сгорали чище, их было легче перевозить и хранить, и эта комбинация до сих пор делает их лучшим топливом в сфере транспорта.

Нефть и двигатели внутреннего сгорания

Начальный этап крупномасштабной добычи и использования нефти занял всего несколько десятилетий в конце XIX века. Конечно, углеводороды (сырая нефть и природный газ) были известны тысячелетиями благодаря просачиванию нефти на поверхность и «пылающим столбам», широко распространенным на Ближнем Востоке (особенно в северном Ираке), но обнаруживаемым по всему миру.

Перечень имущества, приложенный к завещанию Джорджа Вашингтона, описывает пылающий источник в долине реки Канова в Западной Виргинии: «Участок, из которого 125 акров составляют половину, был взят генералом Эндрю Льюисом и мной благодаря тому битуминозному источнику, который тот содержит, столь воспламеняемому по природе, что горит он столь же свободно как спирт, и почти столь же сложен для тушения» (Upham 1851, 385).

Но использование углеводородов в древности было ограничено почти исключительно строительными материалами или защитной одеждой. Их сжигание для того, чтобы получить тепло, например, в термах Константинополя во времена поздней Римской империи, было редким (Forbes 1964). Знаменательное исключение – сжигание природного газа в Китае для выпаривания соляного раствора в лишенной выхода к морю провинции Сычуань (Adshead 1992). Этот процесс стал возможным благодаря изобретению в Китае вибрационно-вращательного бурения и осуществлялся по меньшей мере с начала династии Хань (около 200 до н. э.; Needham 1964). Тяжелый железный наконечник, прикрепленный к длинному бамбуковому трубопроводу, закрепленному на бамбуковой вышке, ритмично поднимала команда от 2 до 6 человек с помощью рычага. Самые глубокие из описанных скважин были всего 10 метров во времена династии Хань, но к III веку они достигли 150 м, и в Цинхай в 1835 году – 1 км (Vogel 1993). Природный газ, доставляемый по бамбуковым трубопроводам, использовался для выпаривания рассола в огромных железных сосудах.

Эта китайская практика оставалась изолированной, и эра углеводородов во всем мире началась только через два тысячелетия. В Северной Америке нефть собирали из естественных выходов на поверхность в западной Пенсильвании в конце XVIII века и продавали в качестве лечебного «масла Сенеки», а во Франции нефтеносные пески эксплуатировались с 1745 года в Эльзасе, около Мерквиллер-Пешельбронн, где в 1857 году был построен первый маленький очистительный завод (Walther 2007). Но в доиндустриальном мире было только одно место с долгой историей добычи сырой нефти, Апшеронский полуостров на Каспийском море в современном Азербайджане.

Район Баку с большим количеством нефтяных бассейнов и колодцев был описан в средневековых источниках, в тексте 1593 года упоминается колодец в 35 метров, который был выкопан вручную в Балахани (Mir-Babaev 2004). К 1806 году, когда царская Россия заняла этот регион, на Апшероне находилось множество неглубоких колодцев, из которых собирали более легкую нефть, чтобы затем с помощью дистилляции получить керосин для освещения на месте и для экспорта с помощью верблюдов, в кожаных мешках и в деревянных бочках. Первая в мире коммерческая фабрика по переработке нефти была построена русскими в 1837 году в Балахани, и в 1846-м они же пробили первую (21 м в глубину) нефтяную скважину в Биби-Эйбат и тем самым начали эксплуатацию одного из крупнейших нефтяных полей, которая продолжается до сих пор.

Историки нефтяной промышленности на Западе либо упускают разработку в Баку из вида, либо начинают рассказ с США, с уже упомянутой выше Пенсильвании. Добыча нефти в Америке была мотивирована необходимостью найти заменитель для дорогого китового жира, который получали из ворвани и использовали для освещения (Brantly 1971). Америка имела самый большой в мире китобойный флот – общее число достигло пика в 700 судов около 1846 года – ив начале 1840-х они привозили около 160 тысяч бочек ворвани в порты Новой Англии каждый год (Starbuck 1878; Francis 1990).

Но первую нефтяную скважину в Северной Америке выкопали вручную в Канаде в 1858 году, и сделали это Чарльз Трипп и Джеймс Миллер Уильям около Блэк-Крик в графстве Лэмбтон в юго-западном Онтарио, следствием чего стал первый в мире нефтяной бум и переименование поселка в Ойл-Спрингс (Bott 2004). Первую скважину, которую не выкопали, а пробурили, и которая попала во все истории нефтяной индустрии, организовал Эдвин Дрейк (1819–1880), бывший машинист поездов, нанятый Джорджем Генри Бисселом (1821–1884), основателем Pennsylvania Rock Oil Company (Dickey 1959). Скважина находилась на нефтяных выходах у Ойл-Крик рядом с Тайтусвиллем, Пенсильвания, бурильщики получили нефть с глубины 21 метр 27 августа 1859 года, и эту дату обычно называют началом современной нефтяной эры. Задача была выполнена с помощью перкуссионного бура, приводимого в движение небольшой паровой машиной.

На протяжении 1860-х годов только три страны могли похвастаться новой развивающейся нефтяной промышленностью – США, Канада и Россия. Добыча в Канаде выросла с первым фонтаном в Ойл-Спрингс в 1862 году и с новыми открытиями в окрестностях Петролео в 1865-м, но еще до конца века она снизилась почти до нулевого уровня, так что в число лидеров в производстве нефти страна вернулась лишь после Второй мировой войны с открытием нефтяных полей в Альберте. По контрасту, добыча в США только росла, сначала за счет многочисленных небольших полей в районе Аппалачей (от Нью-Йорка через Пенсильванию в Западную Виргинию), затем, начиная с 1865 года, за счет Калифорнии. Добыча в районе Лос-Анджелеса началась в 1880 году, в Сан-Хоакине в 1891-м (громадные поля Мидуэй-Сансет и Керн-Ривер до сих пор дают нефть) и в Санта-Барбаре после 1890 года (включая первые морские скважины, пробуренные с деревянных пирсов).

Канзас присоединился к числу нефтепроизводящих штатов в 1892 году, Техас (поле Корсикана) в 1894-м, Оклахома в 1897-м. В 1901 году Энтони Френсис Лукас открыл нефтяное поле Спиндлтоп около Бомонта, и нефтяной фонтан дал 100 тысяч баррелей нефти за день 10 января 1901 года (Linsley, Rienstra and Stiles 2002; рис. 5.6). Новорожденная русская нефтяная промышленность получила много инвестиций из-за границы, особенно значимые – от Людвига и Роберта Нобелей, открывших в 1875 году Nobel Brothers Petroleum Company, а также от братьев Ротшильд через их Caspian and Black Sea Oil Industry and Trade Society, основанное в 1883-м. К 1890 году Россия производила больше энергии в нефти, чем в угле, и в 1899-м, до открытия нефти в южном Техасе, она ненадолго стала крупнейшим в мире производителем сырой нефти, давая более 9 Мт/год (Samedov 1988). Большая часть топлива экспортировалась иностранными инвесторами. Добыча в районе Баку начала падать после 1900 года, и к 1913-му угля в стране потреблялось в два раза больше, чем нефти. Другие значимые нефтеносные районы были обнаружены в XIX веке в Румынии, Индонезии (Суматра в 1883 году) и Бирме (производство началось в 1887-м). Мексика вошла в число производителей нефти в 1901 году, в 1908-м последовало первое открытие на Ближнем Востоке: Месджеде-Солейман в Иране. Тринидадская нефть впервые была получена в 1913 году, громадное поле Мене-Гранде в Венесуэле на побережье озера Маракайбо начало давать продукцию в 1914-м.

Рисунок 5.6. Нефтяной фонтан на поле Спиндлтоп около Бомона, Техас, в январе 1901 года (Corbis)

В результате поисков обычно обнаруживали углеводородные поля, содержащие как сырую нефть, так и попутный природный газ, но в первые десятилетия добычи газ редко использовали, поскольку без компрессоров и стальных труб его нельзя было передавать на большие расстояния, и его просто выпускали в воздух. Жидкое топливо, полученное из сырой нефти, обладало высокой плотностью энергии. Бензин, керосин и дизельное топливо можно было перевозить, и эти вещества стали превосходным источником энергии для транспорта, а изобретение и распространение двигателя внутреннего сгорания открыло для них новый громадный рынок.

Добывать сырую нефть начали для того, чтобы обеспечить более удобный источник энергии для освещения, но менее чем через 25 лет в США коммерческая генерация электричества и лампы накаливания (см. следующий раздел) дали лучшую альтернативу. Когда нефтяная индустрия начала расширяться в 1860-х годах, не существовало коммерческих двигателей внутреннего сгорания, способных приводить в движение средства транспорта, но через те же 25 лет два германских инженера создали первый практичный автомобильный двигатель, ставший основой для глобального спроса на новое топливо, который достиг пика более чем через 130 лет.

Развитие двигателя внутреннего сгорания, нового первичного движителя, в котором топливо сгорает внутри цилиндра, происходило очень быстро. Конструкция была усовершенствована за первое поколение его коммерческого использования между 1886 и 1905 годами, после чего она оставалась в основе неизменной (хотя улучшалась во многих отношениях) большую часть XX века (Smil 2005). После нескольких десятилетий неудачных экспериментов и отброшенных вариантов конструкции первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был запатентован в 1860 году Этьеном Ленуаром (1822–1900). Но его двигатель совершенно не подходил для мобильного использования: это была горизонтальная машина двойного действия, которая сжигала несжатую смесь осветительного газа и воздуха, воспламеняемую электрической искрой, и эффективность устройства составляла всего 4 % (Smil 2005).

В 1862 году Альфонс Бо де Роша (1815–1893) создал концепцию четырехтактного двигателя, но понадобилось еще 15 лет, прежде чем Николаус Август Отто (1832–1891) запатентовал такую машину (в 1877 году), и впоследствии продал почти 50 тысяч единиц (средняя мощность 6 кВт с коэффициентом сжатия всего 2,6) маленьким мастерским, которые не могли себе позволить паровой двигатель (Clerk 1909). Эта медленная машина, работавшая на угольном газе, не могла служить первичным движителем в транспорте. Способный выполнить эту задачу механизм создали Готтлиб Даймлер (1834–1900), бывший работник компании Отто, и Вильгельм Майбах (1846–1929), чтобы сжигать бензин в своей мастерской в Штутгарте (Walz and Niemann 1997). Бензин имеет энергетическую плотность 33 МДж/л (примерно в 1600 раз больше, чем газ, который использовал Отто), и низкую точку возгорания (примерно 40 °C), что облегчает старт.

Даймлер и Майбах собрали первый прототип в 1883 году, а в ноябре 1885-го они использовали двигатель с воздушным охлаждением, чтобы сдвинуть с места первый в мире мотоцикл. В марте 1886 года их более крупная (0,462 л, 820 Вт, 600 оборотов в минуту) конструкция с водяным охлаждением была установлена на экипаже с деревянными колесами (Walz and Niemann 1997). В то же самое время работавший в Манхейме Карл-Фридрих Бенц (1844–1929) спроектировал свой первый двухтактный бензиновый двигатель в 1883 году и (после того, как истек патент Отто) четырехтактный двигатель, который запатентовал в январе 1886-го. Бенц установил механизм в 500 Вт, 250 оборотов в минуту на трехколесном шасси и предъявил устройство публике 3 июля 1886 года. Комбинация революционного двигателя Даймлера, электрического зажигания Бенца и поплавкового карбюратора Вильгельма Майбаха обеспечила ключевые компоненты современного дорожного транспорта. Новая эра началась, и ведущий германский производитель сконструировал первый, по сути, современный автомобиль (примечание 5.6., рис. 5.7).

Примечание 5.6. Первый современный автомобиль

Автомобиль был немецким изобретением, но французский инженер Эмиль Левассор (1844–1897) разработал первую машину, которая не являлась просто каретой без лошади. При этом она была снабжена лучшим немецким двигателем. Лавассору показали германский V-образный движок, созданный Daimler-Motoren-Gesellschaft в 1891 году, и он придумал новое шасси, достойное этого мотора. На протяжении 1890-х годов автомобили с двигателями DMG постоянно выигрывали европейские гонки, но вошедший в историю автомобиль имел полностью коммерческое происхождение (Robson 1983; Adler 2006). Когда Эмиль Еллинек (1853–1918), предприниматель и генеральный консул Австро-Венгрии в Монако, основал дилерскую сеть по продаже автомобилей «Даймлер» 2 апреля 1900 года, он заказал 36 машин, и вскоре удвоил заказ. В ответ на столь щедрую сделку он потребовал эксклюзивные права на торговлю в Австро-Венгерской империи, Франции, Бельгии и США, и торговую марку «Мерседес» по имени его дочери.

Для этого уникального заказа Майбах сконструировал автомобиль, который его компания-преемник, «Мерседес-Бенц» назвала «первым современным во всех отношениях автомобилем» (Flink 1988, 33). «Мерседес 35» воспринимался как гоночный автомобиль с удлиненным профилем, он имел очень низкий центр тяжести и общий вес в 1200 кг. Машина несла исключительно мощный для своего времени четырехцилиндровый двигатель (5,9 л, 26 кВт или 35 л. с., 950 оборотов в минуту) с двумя карбюраторами и механизированными впускными клапанами. Майбах снизил вес двигателя до 230 кг, использовав алюминий, в результате чего соотношение масса/мощность оказалось меньше 9 г/Вт, на 70 % ниже, чем у лучшего двигателя DMG, изготовленного в 1895 году. Новый автомобиль скоро установил мировой рекорд (64,4 км/ч), и еще более мощный «Мерседес 60» с лучшим корпусом был создан в 1903 году, положив начало марке, которая успешно продается до сих пор.

Компания Daimler-Motoren-Gesellschaft производила автомобили высочайшего качества, и в начале XX века она сосредоточилась на рынке предметов роскоши. Двумя десятилетиями позже после своего дебюта на германском рынке в середине 1880-х годов пассажирский автомобиль оставался дорогой машиной, их изготавливали небольшими сериями ремесленными методами. В американских автомобилях тогда не было ничего особенного: ведущий британский автомобильный эксперт писал в 1906 году, что «прогресс в конструкции и производстве моторных экипажей в Америке не принес чего-либо заслуживающего внимания, каких-либо прорывов по сравнению с нашей страной или континентом» (Beaumont 1906, 268). Все изменилось двумя годами позже, когда Генри Форд (1863–1947) представил «Модель Т», удобную, производимую в больших количествах, причем так, чтобы оправдать чаяния американских водителей. О его достижениях и наследии будет рассказано в следующей главе.

Рисунок 5.7. «Мерседес 35», сконструированный Вильгельмом Майбахом и Паулем Даймлером в 1901 году. Фотография с сайта Даймлера

Два брата – Уилбур Райт (1867–1912) и Орвилл Райт (1871–1948), изготовители велосипедов из Дейтона, Огайо – оказались первыми изобретателями, сумевшими совершить полет с помощью легкого двигателя внутреннего сгорания. Их аэроплан поднялся ненадолго над дюнами Китти-Хок в Северной Каролине 17 декабря 1903 года (McCullough 2015). Они были далеко не первыми, кто пытался это сделать. Девятью днями ранее Чарльз М. Мэнли предпринял вторую попытку запустить Aerodrome А с помощью катапульты с баржи на реке Потомак. Его самолет был построен благодаря гранту правительства США, полученному Сэмюэлом Пирпонтом Лэнгли (1834–1906), секретарем Смитсоновского института, и оснащен мощным (39 кВт, 950 об./мин.) пятицилиндровым радиальным двигателем. Но, как и во время первой попытки Мэнли 7 октября 1903 года, самолет немедленно рухнул в воду.

Каким образом преуспели Райты и почему ухитрились добиться успеха за пять лет с того момента, когда они, не имея никаких знаний, написали в Смитсоновский институт, чтобы получить информацию о полете? После того, как производители двигателей отказались создать машину по их спецификации, братья сконструировали двигатель самостоятельно и их механик, Чарльз Тейлор, построил его всего за шесть недель. Двигатель имел корпус из алюминия, у него не было карбюратора и запальных свечей, но четыре его стальных цилиндра объемом 3,29 л выдавали 6 кВт мощности (Gaunston 1986). Он весил 91 кг и в конечном итоге выдал 12 кВт в полете, соотношение масса/мощность у него равнялось 7,6 г/Вт. Но двигатель, пусть легкий и мощный, был далеко не единственным основанием для успеха. Братья изучили аэродинамику и осознали важность баланса, стабильности и контроля в полете, и для исследования этих свойств построили сначала планер (Jakab 1990). Они обогатили свой опыт точными и систематическими испытаниями разных профилей и форм крыла и экспериментальными полетами планеров. Их первые полеты 17 декабря 1903 года хорошо документированы (примечание 5.7, рис. 5.8).

Примечание 5.7. Первые полеты

Девятью днями позже после второго нырка Мэнли братья Райт были готовы испытать свой Flyer в Китти-Хок. Их летательный аппарат представлял собой хрупкий биплан с носовым управлением (хвостовой стабилизатор располагался перед крыльями) с деревянной (ель) рамой и покрытием из плотной хлопковой ткани; размах крыльев был 12 м, а вес – всего 283 кг. Цепь зубчатой передачи приводила в движение два пропеллера, вращавшихся в противоположных направлениях. Во время первого полета, примерно в 10:35, Орвилл был пилотом, он лежал на животе на нижнем крыле и управлял бипланом с помощью рычага, который был присоединен к тяжам, идущим к крыльям и рулю. Первый полет скорее напоминал прыжок на 37 метров, и пилот находился в воздухе всего 12 секунд.

Второй полет, совершенный после устранения повреждений, полученных во время первого, покрыл 53 метра, третий – 61 метров. Во время четвертой попытки биплан начал рыскать вверх-вниз, пока Уилбур не вернул контроль, а затем внезапно упал, в результате чего сломалась рама для руля, но до этого он провел в небе 57 секунд и оставил позади 260 метров. Перед тем как отправиться обратно в Дейтон, братья послали телеграмму отцу, преподобному Милтону Райту: «Успех четыре полета утром четверг все против ветра в двадцать одну милю начали с уровня мощности двигателя только средняя скорость в воздухе тридцать одна миля длиннейший 57 секунд информируй прессу дома к Рождеству» (World Digital Library 2014).

Патент (U.S. 821393) был выдан только в мае 1906 года, и он не раз нарушался по мере того как конструкторы во многих странах начали строить собственные аэропланы. Прогресс в контроле над полетом и в его продолжительности оказался быстрым. 20 сентября 1904 года Райты пролетели первый полный круг и 9 ноября преодолели три мили (McCUllough 2015). Менее чем пятью годами позже, после периода интенсивной международной конкуренции, Луи Блерио (1872–1936), до этого создавший первый в мире моноплан, пересек Английский канал 25 июля 1909 года (Bleriot 2015), и к 1914 году основные воюющие силы имели новорожденные ВВС, которые сильно увеличились за время Первой мировой.

Рисунок 5.8. Первый полет но самодвижущейся машине тяжелее воздуха в Китти-Хок, Северная Каролина, в 10:35 17 декабря 1903 года, Орвилл Райт на месте пилота. Фотография из библиотеки Конгресса

Когда бензиновые двигатели с искровым зажиганием уже вышли на дорогу к коммерческому успеху, Рудольф Дизель (1858–1913) предложил совершенно иной способ зажигания, и запатентовал его в 1892 году (Diesel 1913). В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр и воспламеняется самопроизвольно при высокой температуре, которая возникает при степени сжатия в 14–24, по сравнению с 7-10 в бензиновом двигателе Отто. Этот процесс требует большей массы двигателя и меньшей скорости, но дизели изначально более эффективны. Даже во время первых сертификационных тестов новой машины в феврале 1897 года прототип имел эффективность выше 25 % (по сравнению с 14–17 % для лучших бензиновых движков того времени). К 1911 году значение достигло 41 %, и сейчас лучшие дизельные машины немного превосходят 50 %, то есть они в два раза эффективнее бензиновых сородичей (Smil 2010b). Кроме того, они используют более тяжелое и дешевое топливо: дизель примерно на 14 % тяжелее бензина (820–850 г/л против 720–750 г/л), а плотность энергии на единицу массы у них одинакова, что значит – энергетическая плотность дизельного двигателя на объем, почти 36 МДж/л, будет на 12 % выше.

Дизель принял решение создать более эффективную машину внутреннего сгорания уже во время учебы в университете, и в декабре 1892 года он в конечном итоге (после двух отказов) получил патент на «двигатель внутреннего сгорания, характеризующийся тем, что в цилиндре чистый воздух… столь сильно сжат поршнем, что полученная температура находится много выше температуры воспламенения топлива… и добавление топлива… происходит так постепенно, что сгорание имеет место без значительного роста температуры или давления, поскольку поршень движется наружу и сжатый воздух расширяется…» (Diesel 1893а, 1).

Как упоминалось, по патенту нельзя было построить работающий двигатель; второй патент выдали в 1895 году, и Дизель получил практическую помощь от Генриха фон Буца (1833–1918), генерального директора Maschinenfabrik Augsburg, ведущего инженерного предприятия страны, и от магната стальной отрасли Фридриха Альфреда Круппа (1854–1902), оба вложили достаточно денег, чтобы получить работающую машину. Официальный сертификационный тест с двигателем в 13,5 кВт состоялся 17 февраля 1897 года, он показал полезную эффективность в 26,2 % и максимум давления в 34 атмосферы, одну десятую от оригинальной спецификации Дизеля (Diesel 1913). К осени того же года эффективность удалось поднять до 30,2 %, и это значило, что Дизель изготовил лучший двигатель, воплотил свою мечту, но социальное влияние двигателя оказалось совсем не таким, как надеялся его создатель (примечание 5.8).

Коммерциализация нового двигателя шла более медленно, чем изначально предполагалось, менее 300 штук было продано до конца 1901 года (Smil 2010b). В 1903-м первое судно на дизеле, маленький нефтяной танкер «Вандал», начал ходить по Волге и Каспийскому морю; в 1904-м первая электростанция на дизеле открылась в Киеве, и французская Aigrette стала первой подводной лодкой, приводимой в движение дизелем. Но большой успех пришел только в феврале 1912 года, когда датская Selandia (грузопассажирское судно в 6200 тонн водоизмещением) стала первым океанским кораблем с дизельным двигателем. За год до смерти в середине 1912 года, Дизель писал «Появилось новое слово в морских кругах: дизель. Нам нужен только дизель… так говорят повсеместно» (Diesel 1937, 421).

И все же быстрый успех двигателей внутреннего сгорания – проникших в самолеты, дорожный транспорт и корабли, начавших заменять тягловых животных в сельском хозяйстве на Западе – не завершил эпоху пара. Другой первичный движитель обрел коммерческую значимость в конце XIX века, и его дальнейшее развитие определило промышленный прогресс века двадцатого. Этим изобретением стала паровая турбина, быстро нашедшая себе место в производстве электричества во все больших и больших объемах.

Примечание 5.8. Двигатель Дизеля: намерения и результат

Мечта Дизеля состояла в том, чтобы создать легкий, маленький (размером со швейную машинку того времени) дешевый двигатель, который могли бы покупать независимые предприниматели (механики, часовщики, владельцы ресторанов). Результатом стала бы значительная децентрализация промышленности, как писал изобретатель: «Безо всяких сомнений, лучше децентрализовать промышленность до такой степени, до какой только возможно, и попытаться разместить ее в окрестностях города, даже в сельской местности, а не концентрировать ее в больших городах, где все скучено без воздуха, света или пространства. Эта цель может быть достигнута с помощью независимой машины вроде той, которая предложена здесь и которую легко обслуживать. Без сомнений, новый двигатель может дать более прочные основания развитию малых промышленных предприятий, увести нас в сторону от фальшивых современных трендов, на которые опирается все в экономике, политике, гуманитарной и гигиенической сферах» (Diesel 1893b, 89).

Десятилетием позже в работе под названием Solidarismus: NatQrliche wirtschaftliche Erlosung des Menschen (Diesel 1903) он предлагал создать управляемые рабочими фабрики и мечтал о веке честности, правосудия, братства, мира, сострадания и любви. Дизель видел рабочие кооперативы как ульи, а рабочих как пчел с идентификационными картами и контрактами. Но из 10 тысяч экземпляров книги было продано всего 300, и современное общество вовсе не организовано вокруг рабочих кооперативов. Дизель говорил сыну, что его «главное достижение в том, что я решил социальный вопрос» (Diesel 1937, 395), но его двигатели нашли применение вовсе не в маленьких мастерских, а в тяжелых механизмах, в грузовиках и локомотивах, а после Второй мировой войны в больших танкерах, сухогрузах и контейнеровозах. Они помогли создать нечто противоположное тому, о чем мечтал изобретатель, беспрецедентную централизацию масштабного производства и дешевого распределения продуктов в новой глобальной экономике (Smil 2010b).

Электричество

Систематическое понимание базовых свойств и законов электричества было получено благодаря трудам многих европейских и американских ученых и инженеров на протяжении второй половины XVIII века и первых шести десятилетий девятнадцатого. Во многих случаях вклад отдельных пионеров был отмечен тем, что их фамилии стали использовать для обозначения базовых физических единиц. В число тех, кто славно поработал на стезе электричества в XVIII веке, были Луиджи Гальвани (1737–1798), который экспериментировал с лягушачьей лапкой в 1790-х годах (отсюда пошел ошибочный термин «животное электричество»), Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806), изучавший электрическую силу («кулон» сейчас стандартная единица электрического разряда) и Алессандро Вольта (1745–1827), создавший первую электрическую батарею (в «вольтах» измеряют электростатический потенциал).

В 1819 году Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) открыл магнитный эффект электрического тока (в эрстедах сейчас измеряют напряженность магнитного поля), и в 1820-х Андре-Мари Ампер (1755–1836) сформулировал концепцию замкнутой цепи и дал количественную оценку магнитному эффекту электрического тока (ампер – единица силы тока). Но самое важное открытие начала XIX века было сделано Майклом Фарадеем (1791–1867), который обнаружил электромагнитную индукцию (рис. 5.9). Фарадей решил ответить на простой вопрос – если, как показал Эрстед, электричество порождает магнетизм, то может ли магнетизм порождать электричество? – и у нас есть точная дата и его детальный отчет о том, как он получил ответ (примечание 5.9).

Рисунок 5.9. Майкл Фарадей. Фотография Wellcome Library, Лондон

Опыт Фарадея показал, что механическую энергию можно превратить в электричество (чтобы сгенерировать переменный ток), и наоборот, и это открыло путь практическому производству и конверсии энергии, которая не зависела бы и не была ограничена тяжелыми батареями, имеющими низкую плотность энергии. Но потребовались десятилетия работы многих людей, чтобы эта возможность превратилась в коммерческую реальность. Когда Жюль Верн (1828–1905) опубликовал свой роман «Двадцать тысяч лье под водой», он заставил капитана Немо объяснить профессору Аронаксу: «Есть могущественная, послушная сила, простая в обращении, которой принадлежит первое место на моем корабле. Все делается ею: она меня освещает, согревает, очень быстро приводит в действие машины. Эта сила – электричество!» – но в 1870 году это оставалось еще научной фантастикой, поскольку электричество нельзя было получать в больших объемах, и мощность электромоторов ограничивали батареи малой емкости.

Примечание 5.9. Открытие Фарадеем электромагнитной индукции

Фарадей был самоучкой и работал ассистентом в Королевском институте, где помогал в основном Хэмфри Дэви (1778–1829), первому ученому, который описал электрическую дугу, каковая возникает, если развести на небольшое расстояние два углеродных электрода. Первую значимую работу об электричестве (об электромагнитном вращении) он опубликовал в 1821 году, где обрисовал принципы работы электромотора. Новую серию экспериментов Фарадей начал в 1831-м, и она в конечном итоге привела к открытию электромагнитной индукции 17 октября 1831 года. Беспокоясь, что его результаты могут быть искажением, которое породила экспериментальная установка, он провел финальный эксперимент, используя отличную технику, получая постоянный ток. Результаты он представил на лекции в Королевском обществе 24 ноября 1831 года. Вот как он описал их в «Экспериментальных исследованиях по электричеству» (Faraday 1832,128):

«В предыдущих экспериментах провода размещались рядом друг с другом, и контакт индуцирующего с батареей возникал, когда требовался индуктивный эффект; но поскольку некоторые отдельные действия могли быть восприняты как причина воздействия в моменты возникновения и разрыва контакта, индукция была получена другим путем. Несколько футов медного провода были вытянуты в форме широкого зигзага, представляя букву W, на поверхности широкой доски; второй провод был расположен точно таким же образом на второй доске, так что когда его подносили к первому, они должны были совпасть, если бы между ними не находился слой толстой бумаги. Один из этих проводов был присоединен к гальванометру, другой – к вольтовой батарее. Первый провод затем двигался по направлению ко второму, и когда он приближался, стрелка отклонялась. Когда провод удаляли, стрелка отклонялась в обратном направлении. Сначала сближая провода, а затем удаляя их друг от друга, удавалось получить все более мощные колебания стрелки, но когда же провода прекращали двигать, то стрелка гальванометра вскоре возвращалась к обычной позиции.

По мере того, как провода сближались, индуцируемый ток шел в направлении, противоположном индуцирующему. Когда провода расходились, индуцированный ток шел в том же направлении, что и индуцирующий. Когда провода не двигались, индуцируемого тока не возникало».

Эта задержка не так уж удивительна, поскольку генерация электричества, его передача и превращение в тепло, свет, движение и химический потенциал является крайне сложным достижением в ряду энергетических инноваций. Ранее новые источники энергии и первичные движители конструировали, чтобы быстрее и дешевле выполнять определенные задачи, или получать больше мощности, и их можно было без труда использовать в рамках существовавших производственных отношений (например, жернова стали вращать мельничные колеса вместо животных). По контрасту, освоение электричества потребовало изобретения, развития и установки целой новой системы, необходимой для надежной генерации, безопасной передачи на большие расстояния и удобной доставки к конкретным пользователям, а также эффективной конверсии в различные формы энергии, нужные этим самым пользователям.

Коммерциализация электричества началась с поиском источников лучшего освещения. Как уже отмечалось, Дэви продемонстрировал эффект дуги в 1808 году, но первые лампы, где он использовался, загорелись на площади Согласия (Париж) в декабре 1844-го, и затем в Лондонской Национальной галерее в ноябре 1848-го. В 1871 году Зеноб Грамм (1826–1901) представил первую динамо-машину, которую он назвал machine magneto-electrique produisant de courant continu, Академии наук в Париже (Chauvois 1967). Его конструкция в конечном итоге открыла дорогу к дуговой лампе, питаемой с помощью динамо: с 1877 года они освещали некоторые известные общественные места в Париже и Лондоне, а к середине 1880-х распространились по многим европейским и американским городам (Figuier 1888; Bowers 1998). Но дуговые лампы требовали контроля, чтобы поддерживать постоянную дугу в то время как ток сжигал положительный электрод, и они не подходили для использования внутри домов, а замена электродов представляла собой значительную логистическую проблему: для лампы в 500 Вт на каждые 50 м километр городской дороги потребовал бы в год 3,6 км толстых (15 и 9 мм) углеродных электродов (Garcke 1911).

Разработка системы домового освещения с помощью раскаленных нитей растянулась на шесть десятилетий – от экспериментов Уильяма де ла Ру с платиновой спиралью в 1820-х до 1879 года, когда Эдисон представил свою первую надежную лампу с угольной нитью (Edison 1880). В процессе оказались задействованы почти две дюжины выдающихся (и забытых) изобретателей из Великобритании, Франции, Германии, России, Канады и США (Pope 1894; Garcke 1911; Howell and Schroeder 1927; Friedel and Israel 1986; Bowers 1998). Необходимо отметить по меньшей мере Германа Шпрен-геля, который изобрел ртутный насос, позволивший получить вакуум, в 1865 году; Джозефа Уилсона Свана (1818–1914), начавшего работу в 1850-м и в конечном итоге получившего патент Великобритании на лампу с угольной нитью в 1880 году; канадцев Генри Вудворда и Мэтью Эванса, чей патент 1875 года послужил основой работы Эдисона. Почему достижения самого Эдисона намного превзошли то, чего сумели добиться его многочисленные предшественники и конкуренты?

Эдисон преуспел, потому что понял, что победа в гонке достанется не тому, кто получит первую надежную лампочку, но тому, кто сумеет создать целую практичную коммерческую систему электрического освещения, в которую входят бесперебойная генерация, передача и контроль расхода (Friedel and Israel 1986; Smil 2005). В результате своим возникновением индустрия электричества, больше чем в любом другом случае инноваций XIX века, обязана достижениям единственного человека. Это потребовало точной идентификации технических проблем, их решения с помощью упорных междисциплинарных исследований, и быстрого введения полученных инноваций в коммерческий оборот (Jehl 1937; Josephson 1959). В то время были другие изобретатели ламп или больших генераторов, но только Эдисон совместил все и добавил к этому решительность и организационный талант (примечание 5.10, рис. 5.10).

Примечание 5.10. Электрическая система Эдисона

Первая надежная электрическая лампа, продемонстрированная Джозефом Сваном в Ньюкасле 18 декабря 1878 года, имела те же ключевые компоненты, что и лампочка Эдисона, запатентованная десятью месяцами позже: провода из платины и свинца и карбоновую нить (Electricity Council 1973; Bowers 1998). Но нити Свана имели очень низкое сопротивление (<1-5Щ), и их массовое использование требовало очень низкого напряжения, слабых токов и массивных передающих проводов. Более того, лампы до Эдисона соединялись последовательно и питались постоянным током от динамо, и ни одну из них нельзя было отключить отдельно, зато в случае единого обрыва они потухали все одновременно. Эдисон осознал, что система освещения, имеющая коммерческую ценность, должна минимизировать потребление электричества путем использования нитей высокого сопротивления, соединенных параллельно под постоянным напряжением.

Подобное мнение полностью противоречило техническому консенсусу эпохи (Jehl 1937), но простое сравнение показывает практические выводы из двух подходов. Стандартная установка до Эдисона – лампа в 100 Вт и 2 Щ требовала целых 7 ампер. Эдисон же выбрал 140 Щ, что требовало всего 0,85 А, и тем самым значительно снижалась цена на медные проводники (Martin 1922). Эдисон описал это в своем заявлении на патент, поданном 12 апреля 1879 года: «Используя такие лампы с высоким сопротивлением, я получаю возможность помещать их большое число в многопролетную арку без приведения общего сопротивления всех ламп к такой низкой точке, которая требует большого магистрального провода; наоборот, я получаю возможность использовать магистральный провод умеренного сечения» (Edison 1880, 1). Закон Ома требует, чтобы спецификации Эдисона получали 118 В, и такое напряжение (110–120 В) остается стандартным в Северной Америке (и Японии), в то время как в Европе оно составляет 240 В.

Но этот вердикт был не таким уж и единодушным.

Я могу присоединиться к мнению одного из коллег (Hughes 1983, 18): «Эдисон был целостным концептуализатором и упорным разрешателем проблем, связанных с ростом систем… Концепции Эдисона вырастали из его потребности найти организационные принципы, достаточно мощные, чтобы интегрировать и дать целевое направление различным факторам и компонентам». Но есть и другие мнения, например (Friedel and Israel 1986, 22): «полнота этой системы была скорее продуктом возможностей, обеспеченных техническими достижениями и финансовыми ресурсами, чем продуктом целеустремленного системного подхода».

Невозможно отрицать, что Эдисон был исключительно изобретательным и настойчивым человеком (его интеллектуальные достижения превосходила только его же легендарная настойчивость), чьи противоречивые качества рационального, вдохновленного изобретателя и продвигающего себя, ничего не стесняющегося бизнесмена могли как привлекать, так и отталкивать тех, кто работал с ним в команде. Несомненно, он не достиг бы столь многого без щедрой финансовой поддержки от богатейших людей той эпохи, но он хорошо использовал инвестиции в своей лаборатории в Менло-Парк. Он исследовал многие новые концепции и возможности, и его подход можно рассматривать как основу корпоративных НИОКР, возникших и расцветших в XX веке.

Рисунок 5.10. Томас Э. Эдисон в 1882 году, когда его первая электростанция на угле начала работать в нижнем Манхэттене. Фотография Библиотеки Конгресса

Нить Эдисона из карбонизированного хлопка в вакууме дала устойчивый свет 21 октября 1879 года, и он продемонстрировал 100 новых ламп в Менло-Парк, Нью-Джерси, 31 декабря 1879-го, осветив собственную лабораторию, соседние улицы и железнодорожную станцию. Хотя первые лампочки были очень неэффективными, они по этому показателю превосходили все прочие источники света. Они оказались, например, почти в десять раз ярче, чем газовые рожки, и в сотни раз ярче свечей. А такой большой прогресс в освещении был ничуть не менее важным для индустриальной модернизации и повышения качества жизни, чем внедрение новых первичных движителей.

Надежная лампочка была только началом: за три года после ее появления Эдисон получил около 90 патентов на нити лампы, 60-на различные магнито- или динамоэлектрические машины, 14-на системы освещения, 12-на системы дистрибуции электричества, и 10-на электромоторы и электросчетчики (Thomas Edicon Papers 2015). Попутно он и его сотрудники переводили эти идеи в практическую реальность с невероятной быстротой. Первая электростанция, построенная компанией Эдисона у железнодорожной станции Холборн-Виадук, начала давать энергию 12 января 1882 года. Электростанция на Перл-стрит, запущенная 4 сентября того же года, оказалась первой в Америке ТЭС. Через месяц после открытия она давала свет около 1300 лампам в финансовом квартале города, а годом позже их число возросло до 11 тысяч.

Я нахожу особенно замечательными два факта: первый сводится к комбинации озарений и качества законченной работы, которая сделала систему Эдисона столь успешной и столь полной, что ее основные параметры все еще используются. Несмотря на критику и вопросы (см. примечание 5.9), те, кто оценил сложности разработки такой системы с нуля, всегда признавал и достижения. Возможно, лучше всех высказался Эмиль Ратенау, основатель Allgemeine Elektrizitflts Gesellschaft, крупнейшего производителя электрического оборудования в Германии и лидирующего разработчика отрасли в Европе. В 1908 году он вспоминал впечатления от того, что увидел на Парижской Электрической выставке в 1881-м:

«Система освещения Эдисона была столь прекрасно разработана до мельчайших деталей, и столь тщательно сделана, словно ее тестировали десятилетиями в разных городах. Не требовалось ни разъемов, ни переключателей, ни предохранителей, патронов или других аксессуаров, чтобы дополнить инсталляцию; и генерация тока, регуляция и проводка через распределительные щитки, счетчики и прочее… все имело признаки удивительного умения и несравнимого гения» (Dyer and Martin 1929, 318–319).

И второй факт, возможно, еще более важный: сколь бы широкомасштабной и фундаментальной ни была работа Эдисона, она сама по себе не смогла бы создать полную, надежную и эффективную электрическую систему – и все требуемые инновации заняли свое место не только в очень короткий период (почти все в чудесные 1880-е), но в почти оптимальной манере. В течение 120 лет доминирования элементов нашей нынешней энергетической системы – паровых турбогенераторов, трансформаторов и линий передачи высоковольтного переменного напряжения – они стали более эффективными, надежными, но базовое устройство и свойства остались такими же, и те, кто их придумал, узнали бы свои детища в том, что мы используем сейчас.

И хотя лампы накаливания были превзойдены лампами дневного света (производство в коммерческих масштабах началось в 1930-х годах), а совсем недавно еще более эффективными светильниками (натриевые лампы, серные лампы, светодиоды), почти нетронутыми остались электромоторы, еще один ключевой элемент глобальной системы, возникшей в 1880-е годы. Именно по этой причине необходимо более тщательно рассмотреть четыре важных изобретения или инновации, к которым не имел отношения Эдисон, но которые помогли перевести невероятный теоретический потенциал электричества в универсальную экономическую и социальную реальность: паровые турбины, трансформаторы, электромоторы, и передачу переменного тока.

Я уже отметил высокий показатель масса/мощность паровых двигателей и их ограниченную мощность. Эти первичные движители, бывшие громоздкими и откровенно неэффективными, ушли в прошлое после того как Чарльз Парсонс (1854–1931) запатентовал более эффективную, легкую и меньшую по размерам паровую турбину в 1884 году (Parsons 1936). Компания Парсонса установила турбину в 75 кВт в Ньюкасле в 1888-м, и уже в 1 МВт в 1900 году в германском Эльберфель-де; крупнейшая из машин, установленная в Чикаго в 1912-м, достигла мощности в 25 МВт (Smil 2005). Паровые двигатели редко давали больше нескольких сотен оборотов в минуту, а современные турбины достигли 3600 об./мин. и могут работать под давлением до 34 МПа и с паром, перегретым до 600 °C, результатом чего является эффективность до 43 % (Termuehlen 2001; Sarkar 2015). Их можно построить с заданной мощностью от нескольких киловатт до более чем 1 ГВт, и они способны заполнять ниши от маломасштабной конверсии остаточного тепла в электричество до массивных турбогенераторов на ядерных электростанциях.

Трансформаторы, вероятно, выиграли бы конкурс на устройство, которое широко распространено и незаменимо в современном мире, но практически отсутствует в общественном сознании (Coltman 1988). Они используются обычно в скрытом виде (под землей, внутри зданий, за высокими заборами), молчаливы и неподвижны, но именно они обеспечивают недорогую централизованную генерацию электричества. Применявшиеся поначалу системы передачи постоянного напряжения от электростанций к потребителям были ограничены по дистанции. Передача энергии на расстояние больше чем в четверть мили потребовала бы установки массивных проводников, которые, как сделал вывод Сименс (Siemens 1882, 70) «невозможно более размещать в узких каналах под тротуарами, так что они потребуют создания затратных подвесных линий – подлинных cava electrica».

Другой возможный вариант состоял в постройке огромного количества станций, обеспечивающих ограниченные территории, и он тоже выглядел достаточно затратным. Трансформаторы переменного тока обеспечили дешевое и надежное решение (примечание 5.11).

Примечание 5.11. Преобразование энергии и потери при ее передаче

Электричество эффективнее всего производить и использовать при низком напряжении, но поскольку потеря мощности при передаче растет согласно квадрату переданного тока, лучше всего использовать высокое напряжение, чтобы ограничить эту потерю. Трансформа-торы превращают один ток в другой, либо снижая, либо увеличивая напряжение входящего потока, и делают это практически без потерь энергии и в широком спектре напряжений (Harlow 2012). Простые расчеты иллюстрируют это преимущество. Мощность переданного электричества является производной силы тока и напряжения (ватты = амперы х вольты); напряжение является производной силы тока и сопротивления (закон Ома, V = АО), мощность – производной А20.

Потеря мощности (сопротивление), следовательно, уменьшается обратно квадрату напряжения: если увеличить его в 10 раз, линейное сопротивление будет только 1/100 при передаче электричества в том же объеме. Это всегда играет на руку максимально возможному напряжению, но на практике его увеличение ограничено другими обстоятельствами (коронный разряд, требования к изоляции, размер вышек на линии передачи), так что что высоковольтная и сверхвысоковольтная передача сейчас обычно совершается при 240–750 тысяч вольт (240–750 кВ), с потерями 7 % от переданного электричества.

Как уже отмечалось, трансформаторы работают благодаря электромагнитной индукции, процессу, открытому Фарадеем, и их развитие было не результатом прорывного изобретения, а следствием неспешных усовершенствований, которые базировались на фундаментальных исследованиях английского физика. Ранняя конструкция Люсьена Голара (1850–1888) и Джона Гиббса была представлена в 1883 году, и позже три венгерских инженера усовершенствовали ее, используя железные сердечники. Но только Уильям Стэнли (1858–1916), молодой инженер, работавший на «Вестингауз», в 1885 году создал прототип устройства, которое мы используем сейчас и которое дает возможность передавать высоковольтный переменный ток с электростанций со сравнительно небольшими потерями и распределять его уже при низком напряжении по потребителям (Coltman 1988).

Как и в случае с другими компонентами новой электрической системы, мощность трансформаторов быстро выросла за конец XIX века и отрезок времени перед Первой мировой войной. Я не могу предложить лучшей оценки этого простого, но хитроумного устройства, чем высказывание Стэнли, адресованное в 1912 году Американскому институту инженеров-электриков:

«Это простое и полное решение сложнейшей проблемы. Оно заставляет устыдиться за все попытки механической регуляции, оно работает с легкостью, уверенностью и экономией, позволяя преобразовывать колоссальное количество энергии, которое мгновенно передается или получается с его помощью. Оно очень надежно, нерушимо и определенно. В этой смеси стали и меди экстраординарные силы столь изящно сбалансированы, что их почти и не видно» (Stanley 1912, 573).

Трансформаторы стали основой для выбора переменного тока как рабочего для новых электросетей. Постоянный ток был логичным выбором для первых сетей локального масштаба, а кроме того, тогда существовали некоторые сомнения по поводу безопасности высоковольтного переменного тока. Но они не оправдывают ни запущенной Эдисоном агрессивной кампании, начатой в 1887 году и включавшей убийство бродячих собак и кошек с помощью листа металла, заряженного до 1 кВ от генератора переменного тока (чтобы продемонстрировать, насколько рискованно его применение), ни персональных выпадов в сторону Джорджа Вестингауза (1846–1914), ведущего промышленника той эпохи, работодателя Стэнли и сторонника переменного тока.

Даже в 1889 году Эдисон писал: «Я бы лично хотел совершенно запретить использование переменного тока. Он столь же опасен, сколь и не нужен… и я поэтому не вижу оправдания для введения системы, в которой нет элемента постоянства, зато есть элемент опасности для жизни и собственности» (Edison 1889, 632). В этой борьбе Эдисон нашел неожиданного союзника в Великобритании, лорда Кельвина, ведущего физика. Но уже годом позже Эдисон выступил в качестве защитника переменного тока, и эту перемену объясняют иногда (David 1991) тем, что кажущаяся иррациональной оппозиция была на самом деле рациональным выбором, сделанным из необходимости поддержать рыночную ценность предприятий Эдисона, которые продолжали производить компоненты для систем на постоянном токе, и тем самым улучшить условия для продажи его собственных акций. Как только инвестиции прекратились, конфликт резко исчез.

Но эта знаменитая «война токов» имела далеко идущие последствия: фундаментальные физики предпочитали переменный ток, и после 1890 года новые системы базировались на нем (переходу помогло появление точного и дешевого счетчика переменного тока в 1889 году), а существующие системы постоянного тока, которые к 1891 году давали более половины городского освещения в США, можно было перевести на переменный благодаря изобретению вращающегося преобразователя. Он был запатентован Чарльзом Брэдли, бывшим работником Эдисона, в 1888 году, и сделал возможным использование оборудования существующих генераторов постоянного тока при передаче полифазного высоковольтного переменного тока на большие расстояния. Распространение переменного тока ускорилось благодаря масштабным проектам 1890-х годов, в число которых входила Большая Депфордская станция в Лондоне, обслуживавшая более 200 тысяч ламп, и крупнейшая в мире линия переменного тока от электростанции на Ниагарском водопаде до Буффало (Hunter and Bryant 1991). В 1900 году появилась первая публичная сеть, использующая трехфазный ток, максимальное напряжение передачи увеличилось до 60 кВ в этом же году и до 150 кВ в 1913-м. Таким образом, все компоненты современной сети генерации и передачи энергии уже работали до Первой мировой войны.

Тремя годами позже трансформатора Стэнли Никола Тесла запатентовал первый практичный полифазный индукционный мотор на переменном напряжении (Cheney 1981; рис. 5.11). Как и лампы накаливания, это изобретение появилось после десятилетий экспериментов и испытаний, и даже коммерческого использования моторов постоянного тока, работающих от батарей, которое началось в 1830-х годах, и от динамо в 1870-х (Hunter and Bryant 1991). Высокие операционные издержки и ограниченная емкость батарей привели к тому, что небольшие моторы на постоянном токе были худшими первичными движителями, чем паровые машины.

Рисунок 5.11. Никола Тесло в 1890 году. Фотография Napoleon Sarony

Первый небольшой электромотор на постоянном токе (а их были проданы тысячи) также получал энергию от громоздкой батареи, и его запатентовал Эдисон в 1876 году; он монтировался на верхушке стилуса, чтобы приводить в движение изготавливающую шаблоны ручку, которая использовалась для механического копирования памятников (Pessaroff 2002). Как только появились большие динамо, тут же начались попытки устанавливать малые электромоторы на трамваях (сначала в Германии) и решать с их помощью производственные задачи (в основном в США). Перспективы изменились, по большому счету, только после изобретения Никола Тесла (1857–1943): концепция была придумана в Европе и воплотилась в работающую машину после того, как молодой сербский инженер эмигрировал в США.

Тесла утверждал, что исходная идея пришла к нему в 1882 году, но после переезда в США он поступил на работу к Эдисону, а тот мало интересовался переменным током. Тесла легко нашел финансирование, он открыл собственную компанию в 1887 году и оформил все необходимые патенты – 40 штук между 1887 и 1891 годами. Создавая свой полифазный мотор, серб нацеливался на то, чтобы «получить большую экономию при конверсии энергии, чем достигнута на данный момент, более дешевый, надежный и простой аппарат, которым можно было бы без труда управлять, чтобы избежать любой опасности при передаче экономически оправданных объемов тока высокого напряжения» (Tesla 1888, 1).

Вестингауз купил все патенты Теслы в области переменного тока в июле 1888 года, и в 1889-м компания получила первое электрическое устройство с мотором Теслы: маленький вентилятор (125 Вт) с мотором переменного тока равной мощности; к 1900 году было продано почти 100 тысяч единиц (Hunter and Bryant 1991). Первый патент серба был выдан на двухфазную машину, а первую трехфазную конструкцию создал Михаил Осипович Доливо-Домбровский (1862–1919), русский инженер, работавший на AEG. Трехфазные моторы (каждая фаза отстоит от другой на 120°) обеспечивают, чтобы одна из фаз всегда была на пике или рядом с ним, результатом становится более равномерный выход мощности, чем у двухфазной конструкции, и при этом они немногим хуже четырехфазных, которым требуется дополнительный провод. Трехфазные моторы быстро завоевали рынок, и это привело, как я расскажу в следующей главе, к большим изменениям в производстве.

Назад: 5. Ископаемое топливо, первичное электричество и возобновляемые источники энергии

Дальше: Технические инновации