Читать книгу "Богатство наций. Электричество и потребности мира"

Часть I
Электричество значит «современность»

1
Электричество 101

Я так много узнал про электричество, что уже ничего не понимаю и ничего не могу объяснить.

Питер ван Мушенбрук, голландский ученый

Электрический жаргон вошел в повседневный язык. Сталкиваясь с чем-то неожиданным, мы говорим «меня как током ударило». В тревожной ситуации мы ощущаем наэлектризованную атмосферу. Чтобы выложиться на полную мощность, мы аккумулируем энергию. Мы сохраняем напряжение на работе, пока не вышибет пробки. После этого отключаемся и перезаряжаем батарейки.

Переход слов из области узкоспециальной терминологии в обыденную речь не случаен. Всю историю человечества можно разделить на две эпохи: эпоху электричества и ту, что была до нее. Да, Возрождение дало нам Микеланджело. Электричество дало нам Элвиса.

Электричество значит «современность».

По мере того как мы привыкали к тому, что на мобильные телефоны можно снимать видео с высоким разрешением, было легко забыть, насколько коротка эпоха электричества по сравнению со всей остальной историей человечества. Археологические изыскания показывают, что человек (точнее, наши человекоподобные предки) впервые использовал огонь около миллиона лет назад, но широкое распространение он получил лишь около 400 тысяч лет назад[38]38
  Erin Wayman, “The Earliest Evidence of Hominid Fire,” Smithsonian.com, April 4, 2012, www.smithsonianmag.com/science-nature/the-earliest-example-of-hominid-fire‐171693652/.


[Закрыть]. А пользоваться электричеством мы начали с 1880‐х годов. Соответственно, если сжать те 400 тысяч лет, которые человечество пользуется огнем, до 24 часов, то эра электричества составит всего 30 последних секунд этих суток.

Электричество значит «современность» потому, что мы овладели силой, которую не можем увидеть или ощутить. На протяжении тысячелетий мы могли добывать энергию только из навоза, древесины, угля, нефти, рек, ветра, солнца, пользоваться силой лошадей и быков. При электричестве мы используем силу невидимой глазу энергии с потрясающей точностью и все возрастающей эффективностью. За последние 150 лет мы прошли путь от эксплуатации животных (смиряясь со всем дерьмом, которое от них исходит) до подчинения субатомного движения электронов. Чем лучше мы контролируем потоки электронов, тем больше работы можем совершать. Чем больше работы мы совершаем, тем больше хотим совершать еще. И это поистине хорошая новость: мы все лучше учимся пристраивать к работе все эти электроны.

Для получения представления о том, какое ошеломительное количество электронов мы используем, приведу один пример: чтобы в электрическом чайнике вскипятить воду для одной чашки чая, требуется примерно 4,9 секстильона электронов[39]39
  «Электрический ток», объяснение единиц СИ, www.si-units-explained.info/ElectricCurrent/#.WESLOHeZPNw.


[Закрыть]. В математической нотации это выглядит так: 4,9 × 10²¹. В простой записи – так: 4 900 000 000 000 000 000 000. Учтите, это всего для одной чашки чая. Для работы домашнего кондиционера и холодильника придется добавить к этому числу хозяйственную сумку, полную нулей. А если вы собираетесь обеспечить энергией небоскреб или использовать дуговую электропечь, чтобы выплавить сталь для двутавровой балки, вам потребуется парочка морских контейнеров, заполненных нулями, которые придется написать для изображения числа используемых электронов.

Можно рассчитать количество электронов, необходимое для приготовления чашки чая, но это не приближает нас к пониманию сущности электричества. Это сила, движущая нашу жизнь, вездесущая и невидимая.

Бенджамин Франклин, политический деятель, издатель, писатель, рассказчик и дипломат, одним из первых приблизился к пониманию электричества. В 1752 году он провел знаменитый эксперимент с воздушным змеем. К змею был прикреплен металлический штырь, соединенный бечевкой с металлическим ключом на земле. Ключ, в свою очередь, был присоединен к лейденской банке – примитивному конденсатору. Франклин контролировал змея сухой тонкой шелковой нитью, что изолировало его от удара электрическим разрядом. Эксперимент Франклина доказал, что молния в небе – то же самое, что статическое электричество, которое можно получить при трении янтаря о ткань. Работа Франклина заложила основу для деятельности других великих испытателей и предпринимателей в области электричества. Один из отцов-основателей Соединенных Штатов придумал целый ряд электрических терминов, в том числе батарея, заряд, проводник и конденсатор. Он был также одним из авторов и подписантов Декларации независимости. Электричество он называл «электрическим огнем» и считал его «общим элементом»[40]40
  Independence Hall Association, “Electricity,” The Electric Ben Franklin, UShistory.org, www.ushistory.org/franklin/science/electricity.htm. “Benjamin Franklin,” APS Physics, www.aps.org/programs/outreach/history/historicsites/franklin.cfm.


[Закрыть]. Он также думал, что электричество – это жидкость, перетекающая от одного тела к другому.

Электричество – не жидкость. Но с учетом невыразимости и сложности его природы такое описание помогает составить хотя бы приблизительное представление. Подход Франклина к электричеству стал известен как «теория единой жидкости». Он полагал, что предметы, имеющие отрицательный заряд, теряют электрическую жидкость, а имеющие положительный, – приобретают ее. Если предмет теряет или приобретает электрическую жидкость и тем самым выходит из состояния равновесия, он становится заряженным. Предметы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Держа в голове эту аналогию электричества с жидкостью, представьте, что электричество в ваш дом поступает через садовый шланг. Аналогия становится яснее, если понять простое уравнение:

Мощность (Ватты) = Ток (Амперы) × Напряжение (Вольты).

Электрическая мощность, или количество поступивших к вам ватт, – это сила тока (количество амперов), умноженная на напряжение (число вольт). Теперь представьте, что электричество в ваш дом поступает по тому самому садовому шлангу. Количество электрической мощности измерим вместо ватт в литрах. Скорость потока будет заменять силу тока, а давление воды – напряжение[41]41
  William Beaty, “How Are Watts, Ohms, Amps, and Volts Related?” April 2, 2000, http://amasci.com/elect/vwatt1.html.


[Закрыть]. Чем больше давления оказывается на воду в садовом шланге, тем больше скорость потока, с которым она проходит по этому шлангу. Чем больше давление и скорость потока, тем больше литров воды доставляется в дом.

Чтобы аналогия сработала, предположим, что в доме пожар. Вы немедленно вызываете пожарную службу, потому что хотите спасти картины Сезанна и коллекцию мягких игрушек, которые дороги вам как память. Но вместо того чтобы использовать пожарные гидранты, мощные водяные помпы и шланги большого диаметра, пожарные пытаются погасить огонь парочкой дырявых садовых шлангов, которые они подсоединили к кранам дома вашего соседа. У пожарных будет немного шансов справиться с пожаром. Почему? Количество литров воды (мощность в ваттах), которое они смогут вылить на бушующий огонь, будет ограничено низким давлением в садовом шланге (напряжением в вольтах), по которому вода поступает с низкой скоростью (силой тока в амперах)[42]42
  Благодарю Джонатана Лессера и Леонардо Джаккино за приведенный сходный пример в их книге Fundamentals of Energy Regulation (Reston, VA: Public Utilities Reports Inc., 2013).


[Закрыть].

Аналогия с водой помогает понять, как происходит выработка электричества. Так же, как местные компании водоснабжения используют водяные помпы для доставки под высоким давлением и в больших объемах воды своим потребителям, компании энергоснабжения используют генераторы – электронные помпы, – чтобы гнать огромные объемы электронов под высоким напряжением в локальную электросеть. Ключевое различие между водной и электрической сетью в том, что первая гораздо проще. Например, если в системе водоснабжения падает давление, это всего лишь означает, что потребителям придется потратить немного больше времени, чтобы наполнить свой кофейник или плавательный бассейн. В электрической сети напряжение (еще раз вспомните давление воды) должно оставаться стабильным вне зависимости от того, сколько потребителей пользуется электроэнергией. Более того, напряжение должно быть стабильным днем и ночью, 24/7, и неважно, потребляет ли клиент несколько ватт для работы электролампочек или мегаватты для выплавки алюминия из бокситовой руды. Сеть должна быть постоянно настроена так, чтобы производство и потребление электричества совпадали. Совпадение производства и потребления дает уверенность в том, что напряжение в сети остается почти на постоянном уровне. Если происходят сильные скачки напряжения, возможны сбои в работе электросети.

Электричество означает «современность», потому что оно, как говорит мой сын Майкл, математический и компьютерный гений, – основа всех современных компьютерных сетей. Мы живем в цифровом мире, который зависит от этих сетей. И все эти сети – телефонные, глобального позиционирования, резервные авиационные системы, светофоры (перечислять можно до бесконечности) – зависят от электричества.

Короче говоря, компьютерная сеть – это электрическая сеть, и наоборот. Если вам повезло быть подключенными к электрической сети, вы сможете добраться и до цифровой информационной сети.

Благодаря электричеству телеграф, изобретенный Сэмюэлем Морзе, дал возможность почти мгновенной связи между отдаленными точками. В 1866 году по дну Атлантики был проложен телеграфный кабель, так была создана первая непрерывная коммуникационная линия между Европой и Соединенными Штатами. Через десять лет Александр Грэм Белл заполучил патент на телефон. В отличие от телеграфа, которому требовались операторы, чтобы передавать и получать сообщения, телефоном мог пользоваться каждый, и телефонные аппараты начали связывать жилые дома и учреждения. Джеймс Глейк в своей книге «Информация» (Information, 2011) пишет, что телефон и телеграф «разорвали ткань общества и воссоединили ее заново, добавив переходы и перекрестки там, где раньше было пустое пространство». Телеграф и телефон, как поясняет Глейк, начали «впервые превращать человеческое общество в некий связанный организм», и эта связь оказалась возможна исключительно благодаря электричеству[43]43
  James Gleick, The Information: A History, a Theory, a Flood (New York: Vintage, 2011), 126, 170.


[Закрыть].

Электричество – высший хищник в царстве энергии. Мы преобразуем множество первичных источников энергии – уголь, природный газ, нефть, биомассу, солнечный свет, ветер, воду и ядерные реакции – в электричество, которое является вторичной формой энергии. Другие источники вторичной энергии – бензин, который нужно рафинировать из сырой нефти, и водород, добываемый из природного газа (водород можно добывать и из воды, но расщепление молекул воды требует огромного количества энергии).

Мы конвертируем различные виды топлива в электричество потому, что оно – наиболее полезная форма энергии. Среди множества его замечательных качеств – отсутствие инерции. Это означает, что его не нужно нагревать. Оно дает максимальную мощность в доли секунды и может быть остановлено так же быстро. Электричество позволяет нам использовать движение электронов. Мы можем генерировать потоки электронов как из кинетической, так и из потенциальной энергии, и можем менять эти формы энергии местами[44]44
  “Forms of Energy Basics,” Energy Kids, EIA, www.eia.gov/kids/energy.php?page=about_forms_of_energy-basics.


[Закрыть]. То есть можно конвертировать потенциальную энергию в кинетическую, и наоборот. Вот наглядный пример: электрическую энергию можно использовать для зарядки аккумулятора, в котором содержится химическая энергия. Затем мы можем использовать химическую энергию аккумулятора и конвертировать ее обратно в электрическую, например, чтобы сделать телефонный звонок или заказать пакет «Осмокота» через Amazon.

Электричество можно производить множеством различных способов, а использовать – еще большим. Однако у него есть существенные недостатки. Электричество очень привередливое. Его нужно потреблять практически в то же мгновение, как оно создается. Это отличает его от других форм энергии, таких как древесина, уголь, нефть и природный газ, которые относительно просто запасать и хранить. Разумеется, умеренное количество электричества тоже можно запасти. Аккумуляторы, которые обеспечивают энергией телефоны в наших карманах, содержат несколько ватт-часов электроэнергии. Этого скромного количества энергии достаточно, чтобы поболтать по телефону и проложить маршрут в навигаторе. Но экономически значимые запасы больших объемов электричества, чтобы обеспечить город энергией на сутки-другие, современные технологии пока предоставить не в состоянии. На самом деле, если вам каким-то образом удастся собрать в одном месте аккумуляторы всех автомобилей мира, полностью зарядить их и соединить в единую сеть, они смогут снабжать планету электричеством всего 30 минут.

Мы пока не можем запасать электричество в больших количествах, но возможность хранить относительно небольшие порции и манипулировать ими уже сильно изменила нашу жизнь. Батарейки поистине дали возможность поймать молнию в бутылку. Используя новейшие достижения химической и металлургической промышленности, компании всего мира производят потрясающе разнообразные батарейки – от тех, что используются в кардиостимуляторах, имплантируемых в организм человека, до ванадиевых проточных батарей, которые требуют тысячи литров жидких химикатов, располагающихся в гигантских баках.

Теперь, немного разобравшись, что такое электричество, нужно прояснить разницу между двумя терминами – энергией и мощностью. Их часто путают, но это не одно и то же. Энергия – это способность совершать работу. Она измеряется в джоулях (Дж), ватт-часах (Вт-ч) или в британских термальных единицах (БТЕ). Мощность – это скорость, с которой может совершаться работа. Она измеряется в ваттах (Вт) или лошадиных силах (л. с.). Формула для мощности проста: 1 джоуль в секунду равен 1 ватту. Выглядит это так:

1 Дж/сек = 1 Вт.

Другой способ понять эти термины: запомнить, что энергия – это количество, как литр нефти или тонна угля. Мощность – это скорость, то есть измерение потока энергии в определенный период времени. Для понимания различия между энергией и мощностью полезно вспомнить генератор, который снабжает энергией дом Вильфредо Роке и Айрис Ортис в баррио Антон Руис. Их прибор обладает мощностью в 4500 ватт, и это означает, что он может вырабатывать 4500 ватт, работая в полную силу. Если Вильфредо включит его на один час, генератор произведет 4500 ватт-часов (4,5 киловатт-часа) энергии.

И наконец, краткий взгляд на Международную систему единиц, или СИ (акроним от Système International), которая определяет символы для единиц и чисел, представляющих кратные и дольные части этих единиц. При разговоре о выработке и использовании электричества полезно запомнить несколько приставок системы СИ, в том числе такую последовательность: КМГТ.

Она означает кило-, мега-, гига– и тера-. Это приставки для единиц энергии и мощности, соответственно, тысячи, миллионы, миллиарды и триллионы. Вам встретятся обозначения мощности в киловаттах, мегаваттах, гигаваттах и тераваттах. Не пугайтесь. Чтобы понять смысл этих приставок, вспомните, что мы потребляем электричество в доме в масштабах киловатт. Фен для волос потребляет примерно 1800 ватт, или 1,8 киловатта. Потребность небольшого города в электричестве, скорее всего, будет измеряться в мегаваттах. Для крупного города речь будет идти о гигаваттах, а для страны – о тераваттах. Например, Соединенные Штаты получают энергию от электросетей, имеющих общую установленную генерирующую мощность около одного тераватта, или одного триллиона ватт[45]45
  EIA data, “Table 1.2 Summary Statistics for the United States, 2007–2017,” www.eia.gov/electricity/annual/html/epa_01_02.html, см. таб. 4.2.B. Летом 2017 года установленные мощности коммунальных предприятий США составляли 1084 тераватта.


[Закрыть].

Все, на этом вводный курс заканчивается. Теперь, когда мы стали лучше представлять себе, что такое электричество, попробуем ответить на второй вопрос: почему оно обладает такой преобразующей силой?

2
Преобразующая сила электричества

Мы сделаем электричество настолько дешевым, что только богачи будут жечь свечи.

Томас Эдисон

Есть три причины, по которым электричество привело человечество к такому поразительному процветанию: освещение, мощность и плотность[46]46
  О роли энергетики в процветании человечества глубоко и содержательно поведал Alex Epstein в книге The Moral Case for Fossil Fuels (New York: Portfolio, 2014).


[Закрыть]. Электричество сделало освещение дешевым, обильным и надежным, что фундаментально изменило и дневную, и ночную жизнь человека. Электричество обеспечивает мгновенный доступ к энергии, что преобразило все сферы нашей жизни – от производства до городского транспорта. И наконец, электричество, как никогда ранее, дает возможность концентрировать потоки энергии. Эти высококонцентрированные энергетические потоки повлияли на все – от этажности наших городов до производительности заводов, фабрик и микропроцессоров.

Посмотрим вначале на первую причину – освещение.

Электричество позволило нам избавиться от одного из наших древнейших врагов – темноты. На протяжении тысячелетий стоимость хорошо освещенных пространств в темное время суток была настолько велика, что только очень богатые люди могли себе это позволить. Это означало, что бедные обычно оставались во мраке, и все злые силы, которые обитали во тьме, могли победить исключительно мистика, жрецы и шаманы.

Если кто-то хотел читать или работать во мраке, выбор освещения был невелик: горящий очаг, факел, фонарь или свеча – для всех источников света надо было что-то сжигать.

На протяжении веков у людей после захода солнца не было иного выбора, кроме как укрываться по домам. В 1380 году во Франции был издан указ, согласно которому парижане вечером должны были покидать улицы, и «все дома должны быть заперты, а ключи сданы в магистратуру. Никто не имеет права входить или выходить из дома, не представив в магистратуру убедительную причину». Примерно в то же время в Англии каждый, кто появлялся на улице после наступления темноты, считался подозрительным и подлежал немедленному задержанию. В 1467 году там же был издан указ, согласно которому «любой, появившийся на улице вечером после девятого удара колокола без фонаря либо без веской причины, подлежит задержанию». Более того, как пишет Вольфганг Шифельбуш в книге Disenchanted Night («Расколдованная ночь»), «в больших городах, таких как Берлин и Вена, сходные ограничения оставались в силе еще в XIX веке»[47]47
  Wolfgang Schivelbusch, Disenchanted Night: The Industrialization of Light in the Nineteenth Century (Berkeley: University of California Press, 1995), 81–82.


[Закрыть].

Индустриализация освещения, то есть решающий прорыв, который резко снизил стоимость и повысил доступность света, произошла с начала 1800‐х годов. В населенных пунктах, в домах и на производствах начали использовать метан, извлекаемый из угля, который сначала применяли для уличных фонарей, а потом – и для освещения помещений. Известный как «городской газ», метан сыграл важную роль и в XIX, и в XX столетиях. Городской газ добывают, нагревая уголь до высокой температуры. Газ улавливают, помещают в хранилища, а потом доставляют по трубам (нередко протекающим) к потребителям. Газовое освещение быстро стало популярным, потому что оказалось дешевле фонарей и свечей. К 1822 году Лондон занимал лидирующее положение в мире по газовому освещению. Четыре компании в целом обслуживали 200 миль (322 километра) газопроводов. В последующие десятилетия муниципальные газовые системы получили широкое распространение в Британии, Франции и Германии. Но по мере расширения газового освещения росло и число жалоб. Согласно одному утверждению, газовое освещение «сжигает огромное количество кислорода и часто повышает температуру в закрытых комнатах до тропического уровня»[48]48
  Schivelbusch, Disenchanted Night, 45.


[Закрыть]. Эдгар Аллан По писал, что газовое освещение «абсолютно недопустимо в помещениях. Его резкий и неустойчивый свет раздражает». В 1878 году в одном британском руководстве по ведению домашнего хозяйства утверждалось, что «некоторые испытывают угнетающее и тошнотворное ощущение в комнате, свободно освещенной газом и плотно закрытой, как часто происходит в моменты, когда газ особенно требуется». Далее говорилось, что газовое освещение «в равной степени губительно для убранства помещений, поскольку картины, бумаги, потолки и занавески быстро становятся тусклыми и грязными»[49]49
  Там же, 158.


[Закрыть].

У газового освещения были и другие недостатки. Каждый светильник нужно было каждый вечер зажигать вручную. Стеклянную оболочку, в которой находилась газовая горелка, нужно было регулярно чистить, потому что дым от горения давал темный осадок. Системы, по которым подавался газ, тоже представляли опасность. Городской газ часто хранился в наземных баллонах, которые назывались газометрами. В 1865 году в Лондоне взорвался один такой газометр. Погибли десять рабочих. После аварии газета Times написала, что газометры представляют собой опасность для жизни и здоровья: «Те, кто живет поблизости, и здания, расположенные рядом с ними, подвержены такому же риску, как если бы располагались на пороховой бочке»[50]50
  Там же, 35.


[Закрыть].

Широко использовались также лампы на керосине и китовом жире. Но, как и газовые, они выделяли много тепла и использовали открытое пламя, что означало постоянную опасность возгорания. Упавший фонарь или оставленная без присмотра свеча могли спровоцировать пожар, от которого мог сгореть дом или даже часть города. В Великом Чикагском пожаре 1871 года погибли около 300 человек и выгорело более трех квадратных миль (восемь квадратных километров) города. Бушующее пламя, которое, по популярной легенде, вспыхнуло после того, как корова некоей миссис О’Лири пнула копытом керосиновую лампу, оставило без крыши над головой более 100 тысяч человек[51]51
  Wikipedia, s. v. “Great Chicago Fire,” last modified May 10, 2019, 20:38, https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Chicago_Fire.


[Закрыть]. До широкого распространения электрификации был еще период популярности дуговых ламп. Они создают освещение благодаря дуге, возникающей между двумя угольными электродами, нагретыми до белого каления. Дуговые лампы могли освещать большие площади и использовались для освещения улиц и открытых пространств[52]52
  Schivelbusch, Disenchanted Night, 52.


[Закрыть]. Но из-за интенсивного выделения тепла они были весьма неудобны в помещениях.

Лампы накаливания Томаса Эдисона представляли собой наиболее безопасную систему освещения. Газовый фонарь мог погаснуть, могла произойти утечка, тогда помещение заполнилось бы горючим газом, что могло привести к взрыву. Именно по этой причине на электрическое освещение первыми стали переходить мельницы, текстильные фабрики и прочие предприятия, где имели дело с воспламеняющимися материалами[53]53
  David E. Nye, Electrifying America: Social Meanings of a New Technology (Cambridge, MA: MIT Press, 1990), 5.


[Закрыть]. Электрические лампы Эдисона также больше соответствовали пожеланиям потребителей. Первые отзывы о его системе освещения были исключительно восторженными. Газета New York Times, которая стала одним из первых клиентов Эдисона, писала, что его новые лампы «были тщательно проверены вчера вечером, как любые светильники, которые могут быть проверены за один вечер, и проверены человеком, который глаза посадил за годы вечерней работы и прекрасно разбирается в плюсах и минусах освещения, и его выбор оказался решительно в пользу электрических ламп Эдисона супротив газа»[54]54
  Phillip F. Schewe, The Grid: A Journey Through the Heart of Our Electrified World (Washington, DC: Joseph Henry Press, 2007), 38.


[Закрыть]. В том же духе Times писала: «Вы поворачиваете выключатель – и вспыхивает свет, никакого тошнотворного запаха, никакого мерцания и вспышек… Гораздо ярче, чем газ, и в сто раз стабильнее»[55]55
  Maury Klein, The Power Makers: Steam, Electricity, and the Men Who Invented Modern America (New York: Bloomsbury, 2008), 171.


[Закрыть].

Позитивные отклики подхлестнули спрос. В первый день работы электростанция Перл-стрит обеспечивала энергией 1284 лампы накаливания Эдисона. К концу 1882 года их количество возросло почти втрое. В октябре 1883 года у этой центральной станции было 508 потребителей, которые использовали 10 164 лампы[56]56
  Klein, The Power Makers, 172.


[Закрыть]. По мере расширения электрических систем стоимость освещения снижалась. Как пишет статистик Макс Розер в книге «Наш мир в цифрах» (Our World in Data), в 1880 году, через год после того, как Томас Эдисон создал действующую электрическую лампочку в лаборатории в Менло-Парк (штат Нью-Джерси), стоимость освещения составляла примерно 530 британских фунтов за миллион люмен-часов. К 1900 году цена упала до 236 британских фунтов. К 2000 году она опустилась ниже трех британских фунтов, то есть стала в 176 раз меньше, чем была в 1800 году[57]57
  Max Roser, “Light,” Our World in Data, https://ourworldindata.org/light.


[Закрыть]. Сегодня освещение стало настолько дешевым, что мы почти не задумываемся об этом. Каждый год американцы расходуют около семи тераватт-часов электричества только на рождественскую иллюминацию[58]58
  Department of Energy, “Energy Savings Estimates of Light Emitting Diodes in Niche Lighting Applications,” October 2008, xiv, www.energy.gov/sites/prod/files/maprod/documents/Energy_Savings_Light_Emitting_Diodes_Niche_Lighting_Apps.pdf.


[Закрыть]. Это примерно равно ежегодному потреблению электричества в таких странах, как Албания и Латвия.

Сегодня мы используем различные виды освещения – лампы накаливания, галогенные, светодиодные (LED), натриевые газоразрядные, металлогалогенные, керамические металлогалогенные лампы. У всех есть свои преимущества и недостатки. Но главное, они всегда в продаже и по доступным ценам. Мы конвертируем ватты в люмены, не задумываясь. В целом, победив мрак и снизив стоимость освещения, электрификация фундаментально изменила ход истории человечества.

Вторая причина преобразующего влияния электричества заключается в том, что оно мгновенно предоставляет энергию практически для любых целей: для коммуникации, вычислений, обогрева, освещения и движущей силы. Электроэнергия дает возможность достичь точности – как в скорости, так и в приложении, – которой невозможно достичь, используя иные виды энергии, и она с очень высокой эффективностью без дыма и запаха конвертируется в работу.

Человек на протяжении всей своей истории стремился обуздать энергию, чтобы совершать больше работы. Этой уздой могли быть простые кожаные или веревочные приспособления, чтобы запрячь пару волов, тянущих телегу, или водяной насос с паровым двигателем для откачки воды из угольной шахты, но цель всегда была одна: приложить больше энергии для выполнения конкретной задачи, чтобы быстрее и дешевле произвести больше работы. На протяжении тысячелетий единственными источниками энергии были простая мышечная сила человека и животных, ветер, биомасса (производная от Солнца) и водяные колеса.

Джеймс Уатт усовершенствовал паровой двигатель и тем самым изменил способ получения энергии. Шотландец Уатт был мастером по изготовлению измерительных инструментов. Размышляя над конструкцией паровой машины Томаса Ньюкомена, он вычислил, что эта машина впустую расходует 75 % потребляемого топлива. Повысив эффективность парового двигателя благодаря добавлению внешнего конденсатора, Уатт освободил промышленность от географической привязки к рекам и ручьям. Двигатель Уатта произвел революцию в производстве и на транспорте[59]59
  BBC History, s. v. “James Watt (1736–1819),” www.bbc.co.uk/history/historic_-figures/watt_james.shtml.


[Закрыть]. Типичный паровой двигатель Boulton & Watt начала XIX века имел мощность около 24 л. с. (17 900 ватт)[60]60
  Charles R. Morris, The Dawn of Innovation: The First American Industrial Revolution (New York: PublicAffairs, 2012), 110.


[Закрыть]. Но, в отличие от лошадей, паровой двигатель мог работать постоянно, не давал экскрементов и не требовал зерна, в этом смысле не конкурируя с человеком за пищу и территорию. Паровой двигатель Уатта положил начало Промышленной революции, и его помнят до сих пор, потому что в его честь названа единица, которую мы используем для обозначения мощности. Стальной магнат Эндрю Карнеги посчитал, что в 1905 году в мире было задействовано около 150 миллионов л. с. (111,8 гигаватт) паропроизводительности[61]61
  Craig R. Roach, Simply Electrifying: The Technology That Transformed the World, from Benjamin Franklin to Elon Musk (Dallas: BenBella Books, 2017), 27.


[Закрыть].

Паровой двигатель совершенствовался на протяжении XIX и XX веков. Преобразования сыграли непосредственную роль в эру электричества: паровые двигатели (и позже паровые турбины) использовались для работы генераторов, вырабатывающих электричество. До сих пор большинство электростанций мира для выработки электричества используют пар под высоким давлением. Мы вырабатываем электроэнергию также с помощью двигателей внутреннего сгорания, геотермальных станций, гидроэлектростанций, ветряных турбин и солнечных панелей. Дальнейшие совершенствования помогают получать больше электроэнергии более эффективными способами. Конвертируя первичную энергию в электрическую мощность, человечество достигло невиданного процветания. Успех пришел потому, что благодаря электричеству мы получили доступ к почти бесконечному объему энергии, которую можно направить на совершение практически любой работы.

Теперь третий аспект – плотность.

Электричество позволяет нам концентрировать энергетические потоки беспрецедентными способами. А концентрировать их мы можем потому, что электричество, которое мы потребляем, является высокоорганизованной энергией.

Мы конвертируем первичные источники энергии в электричество, а затем распределяем его по проводам в тщательно отмеренных дозах напряжения и силы тока. Эти высокоорганизованные потоки электронов означают, что мы можем, по сути, складывать их в ультраплотные пакеты. Так мы получаем в распоряжение энергию движущихся электронов в гораздо большем количестве – и с гораздо большей точностью, – чем можно достичь, используя древесину, уголь, пар или коленный вал двигателя внутреннего сгорания.

Концентрация энергетических потоков позволяет выполнить работу и, следовательно, создать богатство. Вне зависимости от выполняемой работы – оперируем ли мы роговицу глаза с помощью лазера, вычисляем ли данные на компьютере, выращиваем ли марихуану – нам требуются плотные потоки энергии. Электричество – главный концентратор энергии. Оно дает возможность направлять мощные потоки энергии в очень малые точки.

Говоря языком физики, электричество позволяет повысить плотность мощности, что означает количество потока энергии, которую можно произвести или использовать в определенном объеме, площади или массе[62]62
  Encyclopedia of Earth, s. v. “Energy Transitions,” by Arnulf Grubler, June 3, 2008, https://editors.eol.org/eoearth/wiki/Energy_transitions.


[Закрыть]. Например, плотность мощности можно определить в ваттах на литр, ваттах на квадратный метр и ваттах на килограмм. Плотность мощности позволяет иметь общий знаменатель, который можно использовать для сравнения выработки и потребления в энергетических системах в разные столетия или в разных областях промышленности. Вацлав Смил, ученый, эрудит и аналитик в области энергетики, говорит, что плотность мощности – «важнейшая аналитическая переменная для оценки всех значимых биосферных и антропогенных потоков энергии»[63]63
  Vaclav Smil, “Power Density Primer,” May 8, 2010, http://vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-power-density-primer.pdf.


[Закрыть]. В своей книге «Плотность мощности» (Power Density, 2015) Смил объясняет, что человечество на протяжении тысячелетий существовало на грани голода и вымирания потому, что было вынуждено перебиваться скудными потоками энергии, которую можно было получить от земледелия и животноводства. Эти потоки зависимы от процесса превращения солнечной энергии в полезную биомассу (зерно, древесину, фураж), которую, в свою очередь, потребляют люди и животные для производства работы. Смил делает вывод, что вне зависимости от образа деятельности, будь то выращивание пшеницы (чем человек занимается около девяти тысяч лет) или посадка деревьев для будущего топлива, плотность мощности в сельском хозяйстве ограничена примерно 1 ваттом на квадратный метр[64]64
  Vaclav Smil, Power Density: A Key to Understanding Energy Sources and Uses (Cambridge, MA: MIT Press, 2015), 86–87.


[Закрыть]. И это не единственное ограничение. Продуктивность любого хозяйства зависит от обилия дождей или их отсутствия; ему постоянно грозит опасность нашествия насекомых-вредителей, сильных ветров, воров и диких животных.

Промышленная революция позволила выйти за рамки скудного энергетического бюджета, определяемого сельским хозяйством. Используя углеводороды (сначала уголь, затем нефть и природный газ), человечество стало овладевать все большим количеством мощности и получать ее во все более плотном виде. Вместо энергии животных, солнца и ветра фабрики начали использовать более производительные водяные колеса и паровые двигатели, работающие на угле. В 1820‐е годы компания Merrimack Manufacturing, крупный производитель текстильной продукции, начала строить фабричные помещения на берегу реки Мерримак в городе Лоуэлл, штат Массачусетс. На фабрике, производившей ситец и другие ткани, использовались водяные колеса, которые давали плотность мощности примерно 20 ватт на квадратный метр[65]65
  Smil, Power Density, 166.


[Закрыть]. Это существенное улучшение по сравнению с тем, что мог дать тягловый скот, но лишь слабый намек на то, какую плотность будут позже создавать паровые машины и электрификация.