Железобетонные факты
Бетон изобрели римляне; это была смесь наполнителя (песок, щебень), воды и связующего вещества. Этот материал, opus caementicium, широко применялся в строительстве. Он не содержал современного цемента (смесь извести, глины и оксидов металлов, обжигаемая в барабанных печах при высокой температуре и перемолотая в мелкий порошок), вместо которого использовалась смесь гипса и негашеной извести; лучший бетон получали из вулканического песка из Поццуоли, неподалеку от Везувия. Добавление вулканических пород повышало прочность материала, что позволяло строить огромные купола (купол римского Пантеона, 118–126 гг. н. э., до сих пор остается самым большим в мире куполом из неармированного бетона) и подводные сооружения многих портов на Средиземном море, в том числе в древней Кесарии (на территории современного Израиля).
Производство современного цемента началось в 1824 г., когда Джозеф Аспдин запатентовал процесс обжига известняка и глины при высокой температуре. В результате превращения глинозема и кремнезема в аморфное твердое тело, не имеющее кристаллической структуры (такой же процесс, витрификация, используется при изготовлении стекла), получаются маленькие друзы, или комья, стекловидного клинкера, которые перемалываются в порошок, и из них получается цемент. Затем этот цемент смешивают с водой (10–15 % общей массы) и наполнителями (песок и гравий, 60–75 % общей массы), чтобы получить бетон, пластичный материал, прочный на сжатие и хрупкий на растяжение.
Слабость к растяжению можно сделать не столь заметной, усилив бетон сталью. Первые попытки предпринимались во Франции в начале 1860-х гг., но технология была отработана только в 1880 гг. XX в. стал эрой армированного бетона. В 1903 г. в Цинциннати построили Ингаллс Билдинг, первый в мире небоскреб из железобетона; в 1930-х гг. инженеры-строители начали использовать предварительно напряженный бетон (с напряженной стальной проволокой или арматурными стержнями), а с 1950-х гг. материал использовался для строительства зданий любой высоты и назначения; самое высокое – башня Бурдж-Халифа в Дубае, а самое впечатляющее, вероятно, – здание оперного театра в Сиднее, возведенное по проекту Йорна Утзона. Железобетон позволил сооружать гигантские плотины для гидроэлектростанций: самая большая в мире плотинная ГЭС, «Три ущелья» (Китай), содержит в три раза больше бетона, чем крупнейшая американская, Гранд-Кули. Из железобетона также строят мосты: самым большим в мире железобетонным арочным мостом сегодня считается мост на реке Бэйпаньцзян, переброшенный через 445-метровое ущелье, разделяющее две китайские провинции. Но большую часть железобетона мы просто не замечаем: это миллиарды железнодорожных шпал, покрытие дорог и автострад, автостоянок, причалы в портах, взлетно-посадочные полосы и рулежные дорожки в аэропортах.
С 1900 по 1928 г. спрос на цемент в США вырос в десять раз, до 30 млн тонн, а послевоенное развитие экономики (в том числе строительство системы автострад между штатами, для которых требуется 10 000 тонн бетона на километр) еще больше увеличило спрос, который достиг пика, 128 млн тонн, в 2005 г., а в последние годы составляет чуть меньше 100 млн тонн.
Китай стал крупнейшим производителем цемента в мире в 1986 г., и теперь – в 2018 г. страна произвела больше 2,3 млрд тонн – на него приходится почти 60 % доли мирового рынка. Самой впечатляющей иллюстрацией беспрецедентного размаха строительства в Китае может служить тот факт, что за последние два года страна израсходовала больше цемента (около 4,7 млрд тонн), чем США за весь XX в. (около 4,6 млрд тонн)!
Но бетон не вечен, и необыкновенная долговечность Пантеона – редкое исключение. Бетон разрушается в любом климате, и этот процесс ускоряют самые разные факторы, от кислотных осадков до вибрации и от перегрузки конструкции до солевой коррозии, а в теплом и влажном климате бетонные поверхности чернеют от водорослей. В результате массового применения бетона после 1950-х гг. мы получили десятки миллиардов тонн материала, который в ближайшие десятилетия требуется либо заменить, либо уничтожить (либо просто бросить).
Еще одна проблема – загрязнение окружающей среды. Загрязнение воздуха (мелкая пыль) при производстве цемента можно устранить с помощью тканевых фильтров, но цементная промышленность (сжигающая такое несовершенное топливо, как уголь низкого качества и нефтяной кокс) остается значительным источником двуокиси углерода, выбрасывая около тонны углекислого газа на тонну цемента. Для сравнения: производство одной тонны стали приводит к выбросу приблизительно 1,8 тонны CO2.
В настоящее время на производство цемента приходится около 5 % мировых выбросов CO2 от ископаемого топлива, но этот углеродный след можно уменьшить с помощью ряда мер. Старый бетон можно измельчать и повторно использовать в строительной индустрии. Доменным шлаком или золой от угольных электростанций можно заменить часть цемента при смешивании бетона. Известны также процессы производства цемента с небольшими или нулевыми углеродсодержащими выбросами, но эти альтернативы лишь незначительно повлияют на выбросы в глобальном масштабе производства, которое в настоящее время превышает 4 млрд тонн.
Что вреднее для среды: ваш телефон или машина?
Статистика производства энергии достаточно достоверна; впрочем, точные данные о том, сколько энергии потребляют главные отрасли, получить сложнее, и еще менее доступны данные об энергии, потребленной при производстве конкретных товаров. Эта энергия, воплощенная в товарах, является частью нашей расплаты (в смысле влияния на окружающую среду) за все, чем мы владеем и что используем.
Оценка энергетических затрат на производство и эксплуатацию конечного продукта основана не только на бесспорных фактах – количество стали в конструкции автомобиля, число микросхем в компьютере, – но также на неизбежных упрощениях и допущениях, которые мы должны принимать для получения усредненных цифр. Какая модель автомобиля? Какой компьютер или телефон? Задача состоит в том, чтобы выбрать обоснованные репрезентативные величины, а наградой будет новый взгляд на рукотворный мир.
Попробуем сосредоточиться на мобильных телефонах и автомобилях. Первые я выбрал потому, что они обеспечивают мгновенную связь и доступ к безграничному объему информации, а вторые – потому, что люди по-прежнему хотят перемещаться в реальном мире.
Очевидно, что автомобиль массой 1,4 тонны (примерно столько весит Honda Accord LX) требует больше энергетических затрат на производство и эксплуатацию, чем смартфон массой 140 г (скажем, Samsung Galaxy). Но при разнице масс в 10 000 раз «энергетический разрыв» гораздо меньше.
В 2020 г. мировые продажи сотовых телефонов составили примерно 1,75 млрд единиц, а продажи портативных компьютеров (лэптопов, ноутбуков и планшетов) – порядка 250 млн. Общий вес этих устройств – приблизительно 550 000 тонн. Самая консервативная оценка дает 0,25 ГДж энергетических затрат на производство и эксплуатацию телефона, 4,5 ГДж – на лэптоп и 1 ГДж – на планшет, и это значит, что годовой объем выпуска этих устройств требует приблизительно 1 ЭДж (1 × 1018 Дж) первичной энергии, что сопоставимо с годовым потреблением Новой Зеландии или Венгрии. На производство одного автомобиля в среднем тратится около 100 ГДж, а 75 млн автомобилей, проданных в 2020 г., требуют для своей материализации почти 7 ЭДж энергии (чуть больше годового потребления Италии) и весят около 100 млн тонн. Таким образом, вес новых автомобилей более чем в 180 раз превышает вес всей портативной электроники, но для производства автомобилей требуется всего в 7 раз больше энергии.
Каким бы неожиданным ни выглядел этот вывод, мы можем провести еще более удивительное сравнение. Срок службы портативной электроники невелик – в среднем всего два года, – и поэтому на один год использования этих устройств приходится около 0,5 ЭДж энергетических затрат на производство и эксплуатацию. Срок службы легкового автомобиля составляет минимум десять лет, на один год приходится около 0,7 ЭДж – лишь на 40 % больше, чем для портативной электроники! Спешу заметить, что все это лишь грубые прикидки, но даже при ошибке «в разные стороны» (то есть если на самом деле производство автомобилей требует больше энергии, а производство электроники меньше, чем предполагалось) общие суммы будут на удивление сходными, а разница, скорее всего, будет не более чем двукратной. А в будущем эти показатели могут сблизиться еще сильнее: в последнее время ежегодные продажи и автомобилей, и мобильных устройств замедлились, но перспективы для двигателей внутреннего сгорания выглядят менее утешительными.
Разумеется, эксплуатационный расход энергии этих двух классов энергоемких устройств существенно различается. Компактный американский легковой автомобиль за десять лет эксплуатации расходует около 500 ГДж бензина, в пять раз больше, чем затрачено на его производство. Смартфон потребляет всего 4 кВт·ч электричества в год и меньше 30 МДж за весь двухлетний срок службы – или всего 3 % от энергии, затраченной на его производство, если электричество поступает от ветровой или солнечной электростанции. Эта доля увеличивается до 8 %, если энергию получают, сжигая уголь: это менее эффективный процесс.
Но смартфон бесполезен без сети, а стоимость электрификации сетей высока и постоянно растет. Разные прогнозы дают разную скорость будущего роста (или возможную стабилизацию из-за использования инновационных устройств), но в любом случае крошечные телефоны оставляют немалый совокупный след в энергетическом балансе – и в окружающей среде.
