Текст книги "Энергия и цивилизация"

Пожнивные остатки и навоз

Пожнивные остатки были незаменимым источником топлива на лишенных леса плотно населенных равнинах и в пустынных регионах, где деревьев в принципе мало. Солома и стебли зерновых чаще всего составляли основную массу, другие виды остатков имели значение в некоторых регионах. В них входили солома от бобовых, клубневых, стебли и корни хлопка, стебли джута, листья сахарного тростника и ветви фруктовых деревьев. Некоторые виды пожнивных остатков приходилось сушить перед сжиганием. Зрелая солома содержит только 7-15 % воды, а содержание энергии в ней сравнимо с таковым в твердом дереве.

Но плотность энергии очевидно намного ниже, и поэтому набрать достаточно соломы, чтобы топить всю зиму, куда сложнее, чем сделать запас нарубленных дров. Низкая плотность энергии пожнивных остатков также означала, что открытые очаги и простые печи нужно было снабжать топливом почти постоянно. А поскольку остатки использовали не только для получения энергии, то их обычно было не так много. Остатки бобовых служили удобрением и прекрасным фуражом с высоким содержанием протеина. Солома зерновых шла на корм для жвачных и на подстилки животным; многие общества (включая Англию и Японию) использовали ее, чтобы крыть крыши, она также годилась в качестве материала для изготовления простых инструментов и домашних украшений.

Поэтому каждый кусочек сгораемой фитомассы собирался для использования в хозяйстве. На Ближнем Востоке часто сжигали колючие кусты, а финиковые косточки использовали для изготовления древесного угля. На равнинах Северного Китая женщины и дети с граблями, серпами, корзинами и мешками собирали опавшие ветки, листья и сухую траву (King 1927). Во внутренних районах Азии, как и на Индийском субконтиненте, в районах Ближнего Востока, Африки и обеих Америк высушенный навоз был наиболее важным источником тепла для приготовления пищи. Теплотворность этого материала сравнима с той, какой обладали пожнивные остатки или трава (примечание 4.9).

Мало ценится значительный вклад того же навоза в экспансию США на запад (Welsch 1980). Навоз бизонов и крупного рогатого скота пригодился в первых путешествиях через континент и при последующей колонизации Великих Равнин в XIX веке. Путешественники на Орегонской и Мормонской тропах собирали «бизонье дерево», а первые поселенцы складывали его запасы либо под стенами домов, либо кучами в форме иглу. Это топливо, известное также как «коровье дерево» или «дуб Небраски», горело ровно и почти без дыма и запаха, но требовало постоянной подпитки. В Южной Америке навоз лам был самым важным топливом на высокогорном плато в Андах, центральном районе империи инков, занимавшей юг Перу, восток Боливии, север Чили и Аргентины (Winterhalder, Larsen and Thomas 1974). Навоз крупного рогатого скота и других животных использовался в Сахеле, районе саванн в Африке, точно так же как в деревнях Египта. Навоз крупного рогатого скота собирали в наибольших количествах равно в пустынной и муссонной Азии, тибетцы всегда полагались на навоз яков. Только овечий навоз обычно не сжигали, поскольку при сгорании он испускает едкий дым.

В Индии, где навоз все так же используют во многих сельских местностях, его собирают регулярно, как за коровами, так и за буйволами (и занимаются этим большей частью дети и женщины из касты harijan, неприкасаемых), как для собственных нужд, так и на продажу (Patwardhan 1973). Навоз собирали (и собирают) как уже в засохшем виде, так и в виде свежей биомассы, во втором случае его смешивали с соломой или мякиной, формовали в блоки и сушили их, прилепляя к стенам домов или складывая в груды (рис. 4.15). Недавний обзор сельского использования энергии в Южной Азии показал, что 75 % хозяйств в Индии, 50 % в Непале и 47 % в Бангладеш все еще готовят пищу на навозе (Behera et al. 2015).

Рисунок 4.15. Ряды и груды брикетов из коровьего навоза, оставленных сушиться в Варанаси, штат Уттар-Прадеш, Индия (Corbis)

Хозяйственные нужды

Древнекитайская пословица перечисляет в правильном порядке вещи, без которых людям не прожить и дня: дрова, рис, масло, соль, алкоголь, уксус и чай. В традиционных сельскохозяйственных обществах, где зерно обеспечивало большую часть пищевой энергии, его необходимо было готовить (обрабатывать паром, варить или запекать), чтобы сделать твердые семена пригодными в пищу. Но перед использованием зерна (запасенного в корзинах, сундуках или ларях), его почти всегда и везде требовалось первым делом измельчить. Сначала люди додумались делать это непосредственно для того, чтобы есть; прессовать разные виды семян, фруктов и орехов, чтобы получить масло или сок, начали позже. Клубни обрабатывали, чтобы удалить их несъедобные части или обеспечить долговременное хранение. И во всех этих задачах человеческая энергия только очень постепенно сменялась энергией животных.

Как уже отмечалось, первое использование неодушевленной энергии в обмолоте зерна – горизонтальные водяные колеса, приводившие в движение небольшие жернова – отмечено около двух тысячелетий назад.

Приготовление пищи требовало сравнительно небольшой тепловой энергии при распространенном в Восточной Азии поджаривании с перемешиванием и варке на пару. Наоборот, значительное количество топлива тратилось при выпекании хлеба, который был основной пищей остального Старого Света, и при жарке продуктов, широко распространенной на Среднем Востоке, в Европе и Африке. В некоторых обществах топливо также требовалось, чтобы приготовить корм для домашних животных, в первую очередь для свиней. Сезонное отопление было необходимо в средних широтах, но (за исключением регионов к югу от Сахары) дома доиндустриальной эпохи обычно обогревались лишь короткие периоды времени и до сравнительно невысоких температур.

В некоторых регионах, где не хватало топлива, не существовало зимнего обогрева, несмотря на месяцы холодной погоды: например, на лишенных леса равнинах Китая к югу от Янцзы времен династий Мин и Цин. Но в северной части Цзяннаня (провинции к югу от Янцзы) в январе и феврале средняя температура колебалась в пределах 2–4 °C, а минимальная могла быть ниже -10 °C. Холод, традиционно царивший в английских домах даже после появления угольных печей, вошел в поговорку. Таким образом, энергетические потребности обществ Восточной Азии и Среднего Востока на хозяйственные нужды были очень низкими. Абсолютная же потребность в топливе некоторых обществ северной Европы и колоний Северной Америки была по-настоящему высокой, но из-за низкой эффективности сжигания удавалось получать сравнительно малую долю полезного тепла. Вследствие этого даже в Америке XIX века, где с дровами не было проблем, среднее домашнее хозяйство потребляло только часть потоков полезной энергии, которые стали доступными его наследникам в XX веке.

В свете того, что зерновые составляли основу питания всех высоких культур, помол зерна был определенно самой важной пищеперерабатывающей задачей в истории. Цельное зерно не особенно пригодно в пищу; его трудно переваривать, и из него нельзя испечь хлеб. В результате помола получается мука различной тонкости, которую можно использовать для приготовления легко перевариваемой пищи, в первую очередь хлеба и лапши. Эволюционная последовательность помола началась с камней с выемками, пестиков и ступок. Продолговатые овальные ступки, с которыми приходилось работать, стоя на коленях, были широко распространены и в древних обществах Ближнего Востока, и в доклассической Европе.

Ручные мельницы с воронками и каменным основанием стали первой базовой инновацией. Греческая мельница в форме песочных часов имела конусообразную воронку и такой же формы дробилку Продуктивность обработки зерна только с помощью человеческих мускулов была очень низкой (Moritz 1958). Утомительный труд с каменными жерновами или ступками позволял выдать не более чем 2–3 кг муки грубого помола в час. Два римских раба, прилежно моловших муку с помощью вращательной ручной мельницы (mola manualis, использовалась с III столетия до н. э.), могли произвести менее 7 кг муки в час. Более эффективными были помпейские мельницы (mola asinalis, использовались в основном в городах), изготовленные из грубой вулканической породы. На нижнюю цилиндрическую часть (meta) устанавливалась чаша (catillus) в форме песочных часов, мельницу вращал запряженный осел, который ходил по кругу. Но там, где не хватало места, использовали рабов, и те же рабы приводили в движение машины для замеса теста в больших пекарнях: главная пища империи создавалась ценой неимоверных страданий (примечание 4.11).

Примечание 4.11. Луций Апулей («Метаморфозы» IX, 126 3.4) о римских мельничных рабах

«Великие боги, что за жалкий люд окружал меня! Кожа у всех была испещрена синяками, драные лохмотья скорее бросали тень на исполосованные спины, чем прикрывали их, у некоторых короткая одежонка до паха едва доходила, туники у всех такие, что тело через тряпье сквозит, лбы клейменые, полголовы обрито, на ногах цепи, лица землистые, веки разъедены дымом и горячим паром, все подслеповаты, к тому же на всех мучная пыль, как грязно-белый пепел, словно на кулачных бойцах, что выходят на схватку не иначе как посыпавшись мелким песком»[4]4
  Перевод М. Кузмина. – Прим. пер.


[Закрыть].

Мельница, приводимая в движение ослом (потребление энергии около 300 Вт), производила муки от менее 10 кг/ч до 25 кг/ч (Forbes 1965); жернова, которым передавалась энергия воды (1,5 кВт), мололи со скоростью между 80 и 100 кг/ч. Мука использовалась для приготовления хлеба, который давал около половины всей энергии пищи при типичном питании (доля хлеба порой превышала 70 %). Таким образом, единственная мельница за десятичасовую смену производила достаточно муки, чтобы накормить 2500–3000 человек, население приличного средневекового города. При использовании горизонтальных водяных колес жернова вращала непосредственно вода, но все вертикальные колеса и ветряные мельницы требовали эффективной трансмиссии из дерева, способной передать вращательное движение. И никакая мельница не смогла бы произвести хорошую муку без точно пригнанных и поддерживаемых в хорошем состоянии жерновов, верхнего и нижнего (Freese 1957). К XVIII веку каменные жернова обычно были 1–1,5 м в диаметре, до 30 см толщиной, весили около 1 т и вращались 120–150 раз в минуту. Зерно поступало через приемник в отверстие в верхнем (подвижном) жернове, затем сжималось и раздавливалось между плоскими поверхностями.

Подобные массивные камни должны были иметь очень точный баланс. Если они терлись друг о друга, то могли сами себя повредить и даже высечь искру. Если находились слишком далеко, то получалась очень грубая, некачественная мука. Требовался зазор в толщину листа толстой коричневой бумаги около отверстия и в толщину папиросной бумаги у края. Мука и отходы направлялись к внешнему краю камня по канавкам, которые делал умелый ремесленник с помощью острых инструментов. Обновлять канавки приходилось регулярно, через интервалы времени, определяемые качеством камня и скоростью работы, обычно каждые две-три недели. Блоки гранита, или твердого песчаника, или куски пористого кварца, скрепленные вместе и удерживаемые железными обручами, чаще всего брали для изготовления жерновов, но даже лучшие камни не справлялись с работой за один проход. После первого помола высевки удалялись, а мука заново пускалась в дело, и процесс мог повторяться несколько раз. Финальной стадией было просеивание через сито, после которого убирали все отходы и сортировали муку по категориям.

Веками помол с помощью воды или ветра все так же представлял собой тяжелый труд. Приходилось разгружать зерно и высыпать его в приемники; намолотую муку требовалось собирать, просеивать и паковать в мешки. Сита, работающие с помощью воды, появились в XVI веке, а полностью автоматическая мельница была сконструирована только в 1785 году американским инженером Оливером Эвансом, который предложил использовать бесконечные ремни с ведрами, чтобы поднимать зерно, и архимедовы винты для того, чтобы транспортировать его по горизонтали и распределять намолотую муку по поверхности для охлаждения. Изобретение Эванса не имело немедленного коммерческого успеха, но опубликованная им книга о мельничном деле стала классической (Evans 1795).

История приготовления пищи показывает очень небольшой прогресс до начала индустриальной эры. Открытые очаги и камины использовались для жарки (в огне или на шампурах, решетках или вертелах), для варки и тушения. Жаровни применяли для кипячения воды и жарки мяса, а простые каменные или глиняные печи – для выпекания хлеба. Плоский хлеб прилепляли на стенки глиняных печей (до сих пор это единственный способ испечь правильный индийский наан), а дрожжевой хлеб помещали на плоской поверхности. Нехватка топлива привела к изобретению способов готовки с низкими затратами энергии. Китайцы использовали с этой целью горшки на трех полых ногах (И) уже в 1500 году до н. э. Неглубокие сковороды с покатыми стенками – индийские и тайские kuali, китайские kuo, лучше всего известные на Западе под кантонским названием wok – ускоряли жарку, тушение и обработку паром (Е. N. Anderson 1988).

Происхождение кухонных печей остается неопределенным, но их широкое распространение очевидно потребовало освоения труб. Даже в богатейших частях Европы они редко встречались до начала XV века, поскольку люди продолжали полагаться на дымные, неэффективные очаги (Edgerton 1961). Многие китайские глиняные или кирпичные печи все еще не имели труб в первые десятилетия XX века (Hommel 1937). Железные печи, в которых огонь был полностью замкнут, начали замещать открытые очаги в области приготовления пищи и отопления только в XVIII веке. Знаменитая печь Бенджамина Франклина, придуманная в 1740 году, была не самодостаточным устройством, а печью внутри очага, способной греть с чуть большей эффективностью (Cohen 1990). В 1798 году Бенджамин Томпсон (граф Румфорд, 1753–1814) придумал кирпичное устройство с цилиндрической топкой и отверстиями в верхней поверхности, чтобы ставить горшки; печь эта изначально использовалась для больших кухонь (Brown 1999).

Примитивность и неэффективность традиционных методов отопления и освещения особенно примечательны, если сравнивать с часто впечатляющими механическими достижениями древних цивилизаций. Контраст еще больше на фоне широкого набора технических инноваций в Европе после Ренессанса. Открытые очаги и камины обеспечивали довольно слабое отопление почти на всем протяжении ранней современной эры (1500–1800). Свечение огня, мерцающее слабое пламя (часто дымивших) масляных ламп и (обычно дорогих) свечей обеспечивали все освещение в течение тысячелетий доиндустриальной эволюции.

В области отопления самый важный переход от затратных, нерегулируемых открытых очагов к более совершенным устройствам был очень медленным. Даже помещение огня в трехсторонний камин принесло лишь крайне малый выигрыш в эффективности. Хорошо сложенные камины могли гореть без присмотра целую ночь, но их эффективность оставалась низкой. Лучшие цифры достигали 10 %, но как правило величина колебалась лишь около 5 %. Обычно подобное устройство нагревало воздух рядом с собой, но теплый воздух уходил через трубу наружу, что приводило к общим потерям тепла в комнате. Перекрыть же тягу было нельзя, поскольку при сгорании топлива выделялся опасный, а в больших количествах даже летальный угарный газ.

Эффективность традиционных кирпичных или глиняных печей менялась не только в зависимости от конструкции (часто обусловленной предпочтениями в приготовлении пищи), но также в зависимости от главного топлива. Современные исследования, посвященные азиатским сельским печам, чья форма не менялась столетиями, позволили зафиксировать максимальную практическую эффективность. Массивные кирпичные печи с длинными трубами и плотной кладкой, которые топили дровами, имели эффективность около 20 %. В менее крупных, продуваемых печах с короткими трубами, которые топили соломой или травой, типичная величина была близка к 15 %, а иногда составляла всего 10 %. Но все традиционные отопительные устройства оставались очень неэкономными. По меньшей мере три обогревательных системы использовали дерево и пожнивные останки изобретательно эффективным образом, обеспечивая большую степень комфорта.

К их числу относились римский hypocaust, корейский ondol и китайский kang. Первые два направляли горячие продукты горения через поднятый пол комнаты перед тем, как отправить их в трубу. Hypocaust был греческим изобретением, его старейшие образцы находят в Греции и некогда населенной греками побережной части Южной Италии, и датируют III веком до н. э. (Ginouves 1962). Римляне поначалу использовали его в теплых комнатах (caldaria) публичных бань-терм, а позже для того, чтобы обогревать каменные дома в более холодных провинциях империи (рис. 4.16). Испытания сохранившегося hypocaust показали, что 1 кг каменного угля в час достаточно, чтобы поддержать температуру в 22 °C в комнате 5x4x3 м при наружной температуре 0° (Forbes 1966). Третье из упомянутых обогревательных устройств до сих пор встречается в Северном Китае. Kang, большая кирпичная платформа (минимум 2x2 м и 75 см высотой) обогревается остаточным теплом от прилегающей печи; она используется в качестве кровати по ночам и как место отдыха днем (Hommel 1937).

Рисунок 4.16. Часть римского hypocaust (со скелетом собаки, убитой чадом) из Римского музея в Хомбург-Шварценакер (Саар). Фотография предоставлена Barbara F. McManus

Был проведен (Yates 2012) детальный инженерный анализ подобного традиционного теплообменника, затем последовали предложения по повышению его эффективности. Kang отдавал тепло медленно, распределяя его по сравнительно большой площади, жаровни же, широко распространенные в большинстве обществ Старого Света, наоборот, предоставляли точечный источник тепла и производили немало угарного газа. Японцы, успешно эксплуатировавшие китайские и корейские изобретения, не смогли адаптировать ondol или kang для своих хлипких деревянных домиков. Жители Японии пользовались жаровнями с каменным углем (hibachi) и грелками для ног (kotatsu). Такие небольшие контейнеры с каменным углем, поставленные на пол и покрытые плотной тканью, использовались даже в XX веке. Они существуют и сегодня в форме электрических kotatsu, маленьких обогревателей, встроенных в низкие столики. А Палата общин Великобритании отапливалась с помощью больших сосудов с каменным углем до 1791 г.

Растительное топливо также служило важнейшим источником освещения во всех доиндустриальных обществах. Огонь, факелы из смолистого дерева и горящие лучины были простейшими, но наименее эффективными и очень неудобными вариантами освещения. Первые масляные лампы с горящим жиром появились в Европе в верхнем палеолите, около 40 тысяч лет назад (de Beaune and White 1993), свечи начали использовать на Среднем Востоке после 800 года до н. э. И те и другие обеспечивали неэффективное, слабое и дымное освещение, но они по меньшей мере были безопасными и высокомобильными. Для горения использовались различные животные и растительные жиры: пчелиный воск, оливковое, рапсовое, льняное и касторовое масло, ворвань, говяжье сало; на фитили шел папирус, пенька, тряпки. До конца XVIII века искусственное освещение существовало только в форме свечей, и для яркой иллюминации требовалось огромное количество этих крохотных источников света.

Свечи превращают только около 0,01 % химической энергии в свет, самая яркая точка в их пламени дает среднюю интенсивность излучения (объем энергии, падающей на единицу поверхности) всего лишь на 20 % выше, чем у чистого неба. С изобретением спичек в Китае в конце VI века растопка очагов и разжигание ламп стали намного более легким делом. Первые спички представляли собой тонкие сосновые палочки, пропитанные серой; они добрались до Европы только в начале XVI века. Современные безопасные спички с красным фосфором на головке были придуманы в 1844 году и вскоре заняли большую часть рынка (Taylor 1972). В 1794-м Ами Арганд предложил лампы, светимость которых можно увеличивать с помощью фиксатора фитиля, с центральной подачей воздуха и трубой для лучшей тяги (McCloy 1952).

Вскоре после этого появился первый осветительный газ, полученный из угля. Однако большую часть XIX века за пределами крупных городов десятки миллионов домов по всему миру продолжали полагаться в области освещения либо на растительное топливо, либо на животные жиры, в первую очередь на китовую ворвань. Плохо оплачиваемая, утомительная и опасная охота на морских млекопитающих, описанная в романе Германа Мелвилла «Моби Дик» (1851), достигла пика перед 1850 годом (Francis 1990). Американский китобойный флот, на тот момент крупнейший, состоял из 700 судов в 1846 году. В первую половину десятилетия около 160 тысяч бочек китового жира прибывало каждый год в порты Новой Англии (Starbuck 1878). Последующее уменьшение численности китов и конкуренция со стороны угольного газа и керосина привели к быстрому упадку этого промысла.