Вскоре мы сможем обеспечить доступ к чистой воде для всех
Одной из ключевых задач XXI века станет обеспечение растущего населения Земли надежными источниками чистой воды. В 1990 году около 24 % жителей планеты не имели постоянного доступа к безопасным источникам питьевой воды241. Благодаря достижениям в области строительства и новым технологиям это число сократилось примерно до 10 %242. Тем не менее водоснабжение остается одной из самых острых проблем. По данным Института показателей и оценки состояния здоровья, в 2019 году от желудочно-кишечных инфекций, связанных с употреблением зараженной кишечными бактериями воды, умерло 1,5 миллиона человек, в том числе 500 000 детей243. Наиболее опасными из этих заболеваний являются холера, дизентерия и брюшной тиф, которые представляют наибольшую угрозу для детей.
Основная проблема заключается в том, что на многих заселенных территориях до сих пор отсутствует необходимая инфраструктура для сбора, очистки и доставки пресной воды в дома, где люди могли бы пользоваться ей для питья, приготовления пищи, стирки и купания. Сооружение водопроводных сетей с колодцами, насосами, акведуками и трубами – это очень затратное дело. Правительства развивающихся стран не могут позволить себе такие проекты. К тому же политические сложности вплоть до гражданских войн также не способствуют реализации долгосрочных инфраструктурных инициатив. Из-за этого централизованные водопроводные и очистительные системы, подобные тем, что работают в развитых странах, не смогут обеспечить потребности оставшихся 10 % населения. Альтернативой становятся технологии, позволяющие получать очищенную воду в масштабах жилых комплексов или даже отдельных домохозяйств.
В целом в 2020-х годах и в будущем стремление к децентрализации станет двигателем прогресса во многих областях, в частности включая добычу энергии с помощью солнечных панелей, выращивание продуктов питания с использованием технологий вертикального сельского хозяйства и производство повседневных товаров путем 3D-печати. В сфере водоочистки существует несколько подходов: от машин размером с дом, таких как Janicki Omni Processor, которые могут обеспечить водой целый поселок, до портативных фильтрующих систем наподобие LifeStraw, предназначенных для индивидуального использования244.
Некоторые очистные системы используют тепловую энергию, которую можно получить от солнца или в результате сжигания топлива, для кипячения воды перед ее употреблением. Кипячение убивает болезнетворные бактерии, но не решает проблему других загрязнений. Кроме того, вода может быть повторно заражена, если ее не употребить сразу после кипячения. Добавление антибактериальных химикатов в воду помогает предотвратить повторное заражение, однако и этот метод не избавляет от токсичных веществ. В последние годы на рынке появились портативные очистители, в которых используется электричество для получения озона из кислорода в воздухе. Проходя через воду, озон эффективно уничтожает патогенные организмы245. В других устройствах для достижения той же цели применяется ультрафиолетовое излучение. Однако все эти способы не позволяют избавиться от химических загрязнений.
Еще один метод – фильтрация. Уже много лет существуют фильтры, которые эффективно удаляют из воды почти все микроорганизмы и токсины. Однако есть опасные вирусы, которые настолько малы, что могут проникать через поры фильтров246. Молекулы некоторых вредных веществ также не задерживаются фильтрационными элементами247. В последние годы ученые разрабатывают новые материалы, способные блокировать все более мелкие загрязнения. Фильтры, созданные в будущем с помощью нанотехнологий, будут отличаться высокой пропускной способностью, оставаясь относительно недорогими.
Одним из наиболее многообещающих изобретений стала система под названием Slingshot, разработанная Дином Кейменом (род. в 1951)248. Устройство представляет собой компактный аппарат, по размеру сравнимый с небольшим холодильником, и позволяет получать полностью очищенную воду, соответствующую стандартам для инъекционных растворов, из любых источников, включая даже канализационные стоки и грязные болота. Для работы устройству требуется менее одного киловатта электроэнергии. В основе его работы лежит парокомпрессионная дистилляция, при которой вода сначала превращается в пар, не содержащий загрязнений. Это позволяет обойтись без использования фильтров. В устройстве применяется легко приспосабливаемый к различным условиям двигатель Стирлинга, который способен преобразовывать в электричество тепловую энергию любого происхождения, в том числе тепло от сжигания навоза249.
Вертикальное сельское хозяйство обеспечит нас недорогой высококачественной пищей и освободит земли, занятые под традиционные угодья
Большинство археологов сходятся во мнении, что сельское хозяйство зародилось около 12 000 лет назад. Однако есть отдельные свидетельства, что люди начали возделывать культуры еще 23 000 лет назад250. Возможно, в будущем появятся новые находки, которые потребуют коррекции этих оценок. Но когда бы ни началось земледелие, поначалу количество еды, выращиваемой на определенном участке, было весьма невелико. Первые фермеры просто бросали семена в неподготовленную почву и надеялись на дождь. При такой низкой эффективности процесса большинство населения было вынуждено заниматься сельским хозяйством, чтобы выжить.
Примерно за 6000 лет до нашей эры были изобретены оросительные системы. С тех пор поля получали больше воды, чем могли обеспечить дожди251. С помощью селекции людям удалось увеличить в размерах съедобные части растений и сделать их в целом более питательными. Удобрения восстанавливали свойства почвы и обогащали ее веществами, необходимыми для роста растений. Фермеры стали применять более продуманные методики посадки, что позволило им использовать земельные участки наиболее эффективно. Это привело к росту урожайности, и с течением времени все больше людей получали возможность заниматься другими делами, в частности, торговлей, наукой и философией. Некоторые из них создали изобретения, которые нашли применение в сельском хозяйстве. Таким образом, образовался положительный цикл обратной связи, ускоривший прогресс и сделавший возможными другие достижения нашей цивилизации.
Прогресс в сельском хозяйстве удобно отслеживать, замеряя плотность посевов: сколько урожая можно собрать с определенной площади. Например, за последние полтора века в США эффективность выращивания кукурузы увеличилась более чем в семь раз. В 1866 году американские фермеры в среднем собирали 24,3 бушеля кукурузы с каждого акра земли, а в 2021 году этот показатель составил уже 176,7 бушеля252. Эффективность использования земли растет по всему миру в геометрической прогрессии. Сегодня нам в среднем требуется на 30 % меньше площади для посевов, чем в 1961 году, чтобы собрать такой же урожай253. Эта тенденция стала ключевым фактором роста мирового населения и спасла человечество от массового голода, о котором так много говорили во времена моего детства.
Более того, благодаря высокой плотности посевов и использованию машин, которые взяли на себя большую часть некогда ручной работы, один фермер в состоянии вырастить столько урожая, сколько необходимо, чтобы прокормить 70 человек. В результате доля работников, занятых в сельском хозяйстве в США, снизилась с 80 % в 1810 году до 40 % в 1900 году, а на сегодняшний день составляет 1,4 %254.
Однако плотность посевов для заданной площади сельскохозяйственного участка уже приблизилась к максимально возможной. Одним из возможных решений этой проблемы является выращивание урожая в несколько слоев друг над другом – так называемое вертикальное сельское хозяйство 255. Вертикальные фермы задействуют ряд новых технологий256. Во-первых, урожай в них выращивают методом гидропоники, то есть вместо обычной почвы используют лотки с водой, богатой питательными веществами. Их размещают на специальных многоэтажных стеллажах, организованных таким образом, чтобы влага с верхних этажей капала на нижние и не расходовалась зря. На ряде ферм уже применяется новый подход, называемый аэропоникой: вместо воды в качестве питательной среды используется туман257. Чтобы каждое растение получало нужное количество света, всюду установлены светодиодные источники, и ферма не зависит от солнца. Одной из ведущих компаний в области вертикального сельского хозяйства является Gotham Greens. Она уже открыла десять крупных ферм от Калифорнии до Род-Айленда. К началу 2023 года компания привлекла 440 миллионов долларов от венчурных инвесторов258. Разработанная компанией технология позволяет «экономить 95 % воды и 97 % площади по сравнению с традиционными фермами» при той же урожайности259. Такие показатели не только способствуют сохранению водных ресурсов и освобождению земельных площадей (напомним, что сейчас примерно половина обитаемой поверхности суши занята сельскохозяйственными угодьями), но и позволяют в изобилии поставлять на рынок сравнительно недорогую еду260.
У вертикальных ферм есть и другие важные преимущества. Они не допускают утечки воды, устраняя тем самым одну из основных причин загрязнения водоемов. Кроме того, вертикальные фермы позволяют избежать рыхления почвы, что предотвращает попадание большого количества пыли в воздух. При таком способе производства нет необходимости в пестицидах, так как вредители не могут попасть на тщательно спроектированную ферму. К тому же урожай можно получать круглый год, включая культуры, которые в естественных условиях не могли бы вырасти в данной климатической зоне. Заодно удается избежать гибели урожая от морозов и непогоды. И, возможно, самое главное: можно выращивать необходимые культуры вблизи городов, чтобы не везти их на поездах и грузовиках за сотни и тысячи километров. По мере того как вертикальные фермы станут дешевле в обслуживании и получат более широкое распространение, загрязнение окружающей среды заметно сократится.
В ближайшие годы, благодаря достижениям в области солнечной энергетики, материаловедения, робототехники и нейросетевых технологий, вертикальное сельское хозяйство станет намного менее затратным, чем традиционное. Фермы будут получать энергию от солнечных батарей, производить удобрения на месте, добывать влагу из воздуха и собирать урожай с помощью автоматизированных систем. В будущем подобные предприятия смогут располагаться на небольшой площади и обходиться почти без участия работников. В результате себестоимость урожая упадет настолько, что люди смогут получать еду почти бесплатно.
Точно такой же эффект закон ускорения отдачи произвел в сфере информационных технологий. Стоимость вычислительных мощностей падала по экспоненте, и в результате новые платформы, такие как Google, смогли предоставлять людям свои услуги бесплатно, получая доходы от других бизнес-процессов, например, от продажи рекламы. Если использовать автоматизацию и нейронные сети для управления всеми аспектами работы вертикальной фермы, то производство еды можно будет считать одним из направлений информационных технологий.
Салат, выращиваемый на стеллажах на вертикальной ферме. Фото: Valcenteu, 2010
