Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы - Анья Рёйне

Раньше пища была источником энергии, а сегодня производство продуктов питания ее сжирает. Если вы читаете маркировки продуктов, то знаете, сколько энергии в них содержится. А теперь представьте себе, что для их производства было потрачено в 10 раз больше энергии, большая часть которой – в форме ископаемых (нефть, уголь и газ). Энергия уходит на строительство инфраструктуры, производство и транспортировку удобрений, пестицидов и семян, вспахивание почвы, обслуживание систем полива, высушивание урожая и перевозку сырья, а также на производство, упаковку, охлаждение, транспортировку и приготовление пищи.

Долгое время для производства продуктов питания мы использовали почти всю доступную территорию. Только представьте: всего несколько десятилетий назад в Норвегии с ее фьордами использовали каждый клочок земли, чтобы вырастить корм для скота. С 1950-х годов в мире резко выросло производство продуктов питания – не из-за увеличения сельскохозяйственных площадей, а благодаря появлению методов, позволяющих применить в сельском хозяйстве намного больше энергии – например, в форме минеральных удобрений. Сегодня мировое производство продуктов питания строится на избытке дешевой энергии полезных ископаемых. В будущем для производства того же количества пищи, что и сейчас, нам потребуется больше энергии, поскольку из-за эрозии, климатических изменений, истощения плодородного слоя почвы и потери грунтовых вод условия производства продуктов питания станут сложнее[286].

Вот где мы оказались сегодня. Ископаемые источники энергии вот-вот истощатся. Мы знаем, что нам придется прекратить сжигать уголь, нефть и газ, если хотим оставить пригодный для жизни климат нашим потомкам, но мы по-прежнему не приблизились к тому, чтобы заменить все угольные электростанции возобновляемыми источниками электричества – не говоря уже о том, чтобы обеспечить достаточное количество энергии для промышленности, транспорта и производства продуктов питания. Без изобилия энергии общество не сможет поддерживать сложные структуры, передовую промышленность и необходимые для нее научные исследования. Чтобы решить задачи, которые возникнут перед нами в будущем, необходимо что-то предпринять, причем быстро.

Я слишком ограниченная? Кажется, я вижу проблемы на каждом шагу. Слишком много мусора. Слишком мало еды. Слишком мало энергии и слишком дорогая сталь. Я застряла в сегодняшнем образе мышления? Разве людям несвойственно снова и снова достигать недостижимого?

Среди самых значимых будущих перспектив я пока не касалась трех заслуживающих внимания. Возможное наличие бесконечного источника дешевой энергии. Возможность брать ресурсы из космоса. И наконец, радикальный план Б: покинуть Землю и начать жизнь заново на других планетах.

Энергия, которая непрерывным потоком идет к нам с Солнца, высвобождается в его недрах посредством реакции синтеза. Эта энергия остается, когда ядра самых легких химических элементов, таких как водород и гелий, сливаются и образуют новые, более тяжелые химические элементы. Если бы у нас был механизм, с помощью которого можно было воспроизвести этот же процесс в термоядерном реакторе на Земле, мы производили бы огромные количества энергии из тех элементов, которых у нас в избытке.

Тем не менее тут проще сказать, чем сделать. Чтобы атомные ядра слились, их необходимо прижать друг к другу с огромной силой. В недрах Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 340 миллиардов раз превышает атмосферное давление на поверхность Земли[287]. Подобные условия за гранью того, что можно воссоздать в реакторе здесь, на Земле.

Задача окажется более посильной, если обычный водород, у которого в ядре лишь один протон, заменить его более тяжелой версией, у которой есть еще один или два нейтрона. Называются эти версии дейтерий и тритий[288]. Атомы дейтерия весят в два раза больше, чем обычный водород, а когда дейтерий занимает место водорода в молекуле воды, получается то, что мы зовем тяжелой водой: компания Norsk Hydro производила ее в Рьюкане, и во время Второй мировой войны из-за нее на предприятии совершались диверсии[289], ведь тяжелая вода понадобится тому, кто производит ядерное оружие из плутония[290]. Тритий – версия водорода с двумя нейтронами – очень нестабильное вещество, распадающееся на другие элементы за несколько лет после образования. Чтобы использовать тритий в термоядерном реакторе, нам сначала придется его изготовить. Сегодня тритий производят из редкого изотопа лития – от всего объема имеющегося на Земле лития его количество составляет менее 10 %.

Возможно, водород, в отличие от лития, бесконечный ресурс. Согласно расчетам, если весь литий, который удастся извлечь из земной коры, мы отправим в термоядерный реактор, при сегодняшнем энергопотреблении его хватит на тысячу лет. Кроме того, дейтерий и тритий есть в морской воде. При наличии эффективного метода добычи этих элементов из океана на удовлетворение людских энергетических потребностей нам хватило бы их на несколько миллионов лет.

В термоядерных реакторах электроны отрываются от атомов, чтобы атомные ядра оказались друг к другу как можно ближе и слились. Газ, чья температура поднимается так высоко, что электроны отрываются от атомов, называется плазмой. На Земле, например, плазму можно обнаружить в молниях и северном сиянии. В случае с плазмой проблема в том, что у нее есть тенденция рассеиваться, следовательно, остывает она быстро. Звезды настолько крупные и тяжелые, что их гравитационное поле удерживает плазму на месте, однако на нашей планете размером с камушек повторить это не выйдет. Альтернатива для нас – с помощью магнитов собирать плазму в магнитное поле определенной формы. Если сконструировать реактор так, чтобы плазма никогда не касалась его стен, содержащееся в ней тепло не уйдет в окружающую среду, а стены реактора не расплавятся и не сгорят.