Химия и жизнь №1 2014

Химия и жизнь

Ежемесячный научно-популярный журнал

1 2014

Зарегистрирован в Комитете РФ по печати

19 ноября 2003 г., рег.№ 014823

НОМЕР ПОДГОТОВИЛИ:

Главный редактор

Л.Н.Стрельникова

Заместитель главного редактора

Е.В.Клещенко

Главный художник

А.В.Астрин

Редакторы и обозреватели

Б.А.Альтшулер,

Л.А.Ашкинази,

В.В.Благутина,

Ю.И.Зварич,

С.М.Комаров,

Н.Л.Резник,

О.В.Рындина

Технические рисунки

Р.Г.Бикмухаметова

Подписано в печать 10.01.2014

Адрес редакции

19991, Москва, Ленинский просп., 29, стр. 8

Телефон для справок:

8 (495) 722-09-46 e-mail: redaktor@hij.ru

http://www.hij.ru

При перепечатке материалов ссылка

на «Химию и жизнь — XXI век» обязательна.

© АНО Центр «НаукаПресс"

На обложке — рисунок А.Кукушкина

На второй странице обложки —

картина Амедео Озенфана «Готическое стекло». Впечатление от вина создается не только вкусом и запахом, но и цветом. Читайте об этом в статье А.А.Бондарева «Сенсоры вкуса».

Кораблю безопасней в порту, но он не для этого строился.

Грейс Хоппер

Содержание

Ресурсы

Кандидат физико-математических наук

С.М.Комаров

Британское Королевское общество продолжает исследовать перспективы современного социума, стоящего на распутье. В прошлый раз (см. «Химию и жизнь», 2013, № 12) рассуждения о доступных человечеству материалах привели к выводу, что нужно кардинально менять отношение к понятию экономического роста. А в январском номере «Philosophical Transaction A» (2014, 372, 2006) речь шла о самом главном — снабжении общества энергией.

Сукцессия

Термин, вынесенный в подзаголовок, обозначает последовательную и необратимую смену биоценозов в живой природе. В соответствии с концепций, разработанной русскими экологами В.Н.СукачевымиС.М.Разумовским,такая смена ведет к закономерному результату — созданию устойчивого сообщества организмов, у которого нет внутренних

причин для изменения; все потоки вещества и энергии в нем замкнуты. Такое состояние называется климаксом. Есть мнение,чтодремучийтемныйеловыйлес в средней полосе — это и есть климакс лесной экосистемы; сколько органического вещества в нем образуется при фотосинтезе, столько и разлагается в результатесовокупногодыханиявсегосообщества. Поток солнечной энергии (или поток углекислого газа, если от энергии перейти к материи) проходит через это сообщество,нигдененакапливаясь.Иначе обстоит дело в молодой системе: там при фотосинтезе углекислого газа (и соответственноэнергии)фиксируетсябольше,чемрасходуетсяпридыхании;запасы органического вещества увеличиваются, растетбиомасса,какколичественно,таки качественно,—засчетбиоразнообразия. До климакса, впрочем, дело может и не дойти, если процесс прервется пожаром или ураганом. Тогда возникшую пустошь заселят виды-пионеры, и сукцессия начнется сначала.

Как считает географ Дэвид Мэрфи из Северного университета Иллинойса («Philosophical Transaction A», 2014, 372, 20130126, http://dx.doi.org/10.1098/

rsta.2013.0126), эти же соображения вполне применимы к человеческому обществу. Имея возможность извлекать все больше и больше энергии, оно развивается, увеличивая уровень своей социальной и технологической сложности. При этом возрастает энергия, которую надо тратить на своего рода метаболизм цивилизации — поддержание всей этой сложности: ремонт дорог, мостов, эксплуатацию электростанций, содержание непроизводственных секторов вроде науки и культуры, здравоохранения, социального страхования и т. д. И однажды может так сложиться, что на развитие энергии не останется. Общество войдет в стабильное состояние застоя, соответствующееклимаксуэкосистемы.Если же количество энергии, которой располагает общество, сокращается, какие-то его компоненты начинают деградировать и отмирать: биоразнообразие падает. Для предотвращения деградации и преодоления застоя требуется или новый источник энергии, или перестройка метаболизма цивилизации.

В отличие от природной экосистемы, человеческое общество может находить новые источники энергии, и это случа-

Глубокий эконом

сказал, что пик американской добычи будет пройден между 1965 и 1970 годом. Предсказание сбылось, отчего Хуберт

истал знаменитостью. Прохождение пика сопровождалось серьезными неприятностями, поскольку в 1973 году случилось арабское нефтяное эмбарго для стран, поддерживающих Израиль, а в 1979 году иранская революция еще усилила проблемы на рынке нефти. Итогом стал затяжной экономический кризис, выйти из которого помогли решительные преобразования, предпринятые в США Рональдом Рейганом (в Великобритании — Маргарет Тэтчер),

икрах СССР.

Однако последующие события показали, что расчеты Хуберта слишком схематичны и не учитывают научно-тех- нический прогресс: с 90-х годов в США начался рост нефтедобычи. Он был связан с появлением новых технологий: сначала добычи на глубоководных участках шельфа, потом разработки сланцевой нефти, а также канадских тяжелых углеводородов. Сейчас американская нефтедобыча уверенно движется к своему второму пику, и день, когда США превратятся из импортера в экспортера нефти, по мнению некоторых экспертов, не за горами.(Другие,впрочем,указывают,что потенциал широко разрекламированной сланцевой нефти для этого слишком мал.) Наличие такого второго пика позволяет оптимистам утверждать, что за ним, по мере появления соответствующих методов, может последовать и третий, и четвертый, отчего вся проблема исчерпания нефти выглядит надуманной.

Прежде чем перейти к разговору о том, сколько же нефти осталось в земных недрах, посмотрим вместе с сотрудниками компании «Бритиш петролеум» («Philosophical Transaction A», 2014, 372, 20120320; doi: 10.1098/rsta.2012.0320) на судьбу нефтяного месторождения.

Нефть добывают на нефтяных полях. Сейчас известно от 45 до 70 тысяч таких полей. При этом 25 сверхгигантских полей обеспечивают четверть мировой добычи (самое большое поле Гавар в Саудовской Аравии дает 7%). Еще одна четверть приходится на несколько сотен полей с запасами более 500 млн. баррелей. Очевидно, что сейчас все имеющиеся на планете гигантские поля

«Химия и жизнь», 2014, № 1, www.hij.ru

не удастся использовать, а это 19% запасов. Другие же отмечают, что извлечь удастся лишь шестую часть оцененных агентством запасов, или 1,2 трлн. баррелей. То есть ровно столько, сколько мы извлеклизавсюисториюнефтедобычи.А так как половину из них, то есть 0,6 трлн., выкачали всегозачетвертьвека—с1988 по 2012 год, — получается, что нефти при нынешнем темпе добычи в принципе к 2060 году не останется. Впрочем, так далеко эксперты не заглядывают, сосредоточившись на периоде до 2030 года.

Памятуя о том, что предсказание будущего нефтедобычи — дело неблагодарное, все они признают, что пик когда-ни- будьслучитсяиспормеждуоптимистами

ипессимистами идет лишь о сроках его прохождения. При этом все исходят из одних и тех же чисел. Главные среди них

— соотношение между скоростью роста потребления и скоростью увеличения запасов. При прогнозе потребления в 2030 году на уровне 113 млн. баррелей в день (это значение дает оптимистический сценарий выхода из мирового экономического кризиса с последующим умеренным ростом) и при нынешнем потреблении 91 млн. баррелей в день получается, что ежегодный рост добычи должен составлять 1,2 млн. баррелей в день, или 1,4% от нынешней добычи. В то же время, по оценкам МЭА, к 2030 году добыча сырой нефти из уже открытых традиционных источников сократится с 68,5 млн. баррелей в день в 2011 году до 26 млн. в 2035-м. Компенсация этого падения требует вводить каждый год новые мощности объемом 3 млн. баррелей в день, а для запланированного роста потребуется 4,2 млн. баррелей в день. Для сравнения: Иран обещает после снятия санкций в течение года повысить добычу с 1 до 3,5 млн. баррелей в день и потом довести ее до 4 млн. баррелей. Таким образом, для обеспечения роста нужно каждый год расконсервировать запасы двух Иранов или каждые три года находить одну новую Саудовскую Аравию.

Понимая бесперспективность подобных мечтаний, оптимисты — американские аналитики Питер Джексон и Лета Смит из компании IHS (Information Handling Services, то есть Служба обработки информации), ведущей самую подробную базу данных о месторождениях нефти и газа («Philosophical Transaction A», 2014, 372, 20120491. http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2012.0491), уповают на новые методы разведки и добычи, которые позволят увеличить добычунадействующихместорождениях

иоткрыть новые. В результате добыча нефти из традиционных источников не только не упадет, а даже подрастет к 2020 году. Газоконденсатные жидкости, битуминозные пески, сланцевая нефть и жидкое биотопливо обеспечат рост по-

требления: ежегодная прибавка от них вплоть до 2030 года составит около 1 млн. баррелей в день. Остальные 2—3,5 млн. баррелей в день надо, видимо, добирать из вновь разведанных или переоцененных традиционных источников.

Уверенностьамериканскиханалитиков

втом, что нефтедобыча из традиционных источников вышла не на пик, а на плато, базируется скорее на идеологических соображениях: высокие цены нефти, а по прогнозу, слегка упав в 2014 году, они снова будут выше ста долларов за баррель после 2015 года, стимулируют, во-первых, нефтеразведку, а во-вторых, применениедорогихметодовизвлечения дополнительнойнефтиизоскудевшихместорождений.Этажевысокаяценапозволяет разрабатывать и малорентабельные новые источники вроде глубоководного шельфа, северных территорий и всех нетрадиционныхисточников.Перспективже сниженияценыневидно:восстановление экономики после кризиса вызовет рост потребности в нефти, а дешевых ее источников не осталось.

Авторы статьи отмечают, что пятилетие высоких цен на нефть пока не ускорило сколько-нибудь заметно открытие новых месторождений, но полагают, что стагнация вскоре закончится. Правда, ввод в эксплуатацию дорогих источников нефти потребует немалых затрат капитала: вместо 1,2 трлн. долларов

в2012 году придется уже в 2016-м потратить 1,6 трлн. долларов, или 220% от стоимости работ в 2006 году. Что касается маловеров, которые увидели

встабилизации добычи сырой нефти и газоконденсатных жидкостей (скорость роста с 1995 по 2005-й была 1,5% в год, а сейчас 0,3%) свидетельство долгожданного пика Хуберта и даже указали на его прохождение в 2008 году, — они не туда смотрят. Высокие цены подтолкнули рост общей добычи горючих жидкостей, и она скакнула в 2012 году до 91 млн. баррелей в день, подтвердив принципы рыночной экономики. Хотя, конечно, это произошло благодаря сланцевой и другой нетрадиционной нефти — добыча сырой нефти и газоконденсатных жидкостей сохранилась на прежнем уровне 85 млн.

Мы на пике?

Вообще-то уже сам факт стремительного роста затрат на поддержание нефтедобычи в статье американских аналитиков делает прогнозы менее оптимистичными. Однако британцы Ричард Миллер и Стивен Соррель из Энергетической группы Сассекского университета («Philosophical Transaction A», 2014, 372, 20130179; http://dx.doi.org/10.1098/ rsta.2013.0179) решили детально разобраться с возможными источниками

Глубокий эконом

роста. По их мнению, нет никаких оснований думать, что темпы открытия новых полей или вовлечения в оборот использованных сохранятся. Ведь никуда не деться от факта, что основные месторождения уже выбраны на те 30%, которые соответствуют пику нефтедобычи. А все технические приемы позволяют лишь замедлить скорость падения, но никак невернутьпиковуюпроизводительность. Поэтому, по их мнению, нефтедобыча из традиционных источников в глобальном масштабе начнет снижаться раньше, чем наступит 2020 год.

Надежды на газоконденсатные жидкости и жирный сланцевый газ (которые, согласно прогнозу, составят в 2030 году 19% добычи всех горючих жидкостей) могут также оказаться излишне радужными даже не потому, что перспективы добычи переоценены. Количество энергии в бочке такой жидкости на треть меньше, чем в бочке нефти. Надежды на сланцевую нефть могут не оправдаться в принципе, поскольку ее запасы невелики, лишь 10% от запасов сырой нефти, да и месторождение истощается очень быстро. Битуминозные пески даже при благоприятном развитии ситуации дадут в 2030 году лишь 5 млн. баррелей в день, то есть не более 6% от потребности в этом году. Что же касается синтетического жидкого топлива из газа и угля, в также биотоплива, то они требуют таких затрат энергии, что выгода неочевидна, — эти проекты могут держаться только за счет дотаций либо в критических условиях, например эмбарго на поставку нефтепродуктов как в нацистской Германии или в ЮАР времен апартеида.

В общем, нетрадиционные источники горючих жидкостей дадут в 2030 году лишь 11—15 млн. баррелей в день, что в сумме с надежно оцененными 26 млн. баррелями от существующих месторождений обеспечивает 37—41 млн. баррелей, или примерно треть от тех 113 млн. баррелей, что заложены в план. Остальные две трети оптимисты покрываютнадеждаминалучшеебудущее.При этом в расчет не берутся политические неприятности вроде войн, революций и разного рода эмбарго в отношении нефтедобывающих стран.

«Химия и жизнь», 2014, № 1, www.hij.ru

Почем дровишки?

Двукратное увеличение расходов за десятьлетнаизвлечениенефтиможетбыть связано с еще одним крайне неприятным для сторонников нетрадиционной добычи обстоятельством. Точнее, с индексом, называемым по-английски EROI (energy return on investment) — отношение энергии извлеченного топлива к той энергии, что нужно затратить на его извлечение и транспортировку к месту переработки. Эту проблему подробно обсуждает уже упомянутый Дэвид Мэрфи.

Идея считать такой показатель возникла у американского эколога Чарльза Холла, когда он в 1968—1971 годах изучал миграцию рыб в одной из речушек Северной Каролины. Он заметил, что чем крупнее рыба, тем с большей вероятностью она весной движется вверх по течению, затрачивая при этом немало энергии в отличие от мелких рыб, плывущих по течению. Холл объяснил это так: да, рыба тратит много энергии, но она попадает в место, богатое пищей, и восстанавливает энергию с лихвой, которой хватает на рост и размножение. А вот мелкой рыбе так делать невыгодно — она затратит слишком много энергии на плавание и не сможет ее компенсировать.

Эту же идею можно применить к экономике, более того, уже не один раз предлагали оценивать результаты производственной деятельности именно в натуральных, энергетических единицах, а не в денежных, ценность которых весьма условна («Химия и жизнь» подобные статьи публиковала, и их легко найти в электронном архиве журнала). В США эту идею в 1974 году предложил к обсуждению Питер Чапман, главный редактор журнала «Energy Policy», а поводом послужило пресловутое арабское эмбарго. В том же году конгресс США одобрил предложение использовать энергетические оценки для проектов

вэнергетике. Увы, в 1979 году грянула иранская революция, и Рональд Рейган запретил любые новые механизмы регулирования, выгода от которых для общества неочевидна. Лишь в 2005 году идею снова стали обсуждать, на сей раз

всвязи с эффективностью биотоплива. Тем не менее исследователи продолжали работать, и в 1981 голу тот же Чарльз Холл, проанализировав эффективность американской энергетики, ввел термин EROI. Когда же возникла озабоченность глобальным потеплением, выяснилось: этот показатель тесно связан с оценками выбросов углекислого газа при выборе альтернативных путей развития энергетики, что привлекло к нему внимание.

Рассчитывать его нелегко. Тем не менее, по имеющимся оценкам, глобальный EROI для нефти и газа составлял

потому, что даже поддержание ее на нынешнем уровне требует вовлечения в оборотисточниковсвысокимизатратами на добычу. Спор идет о том, будет ли так продолжаться дальше или все окажется еще хуже. А что такое «хуже»? Об этом лучше всего судить экономистам-рыноч- никам, например, из такой авторитетной организации, как Международный валютный фонд. Статью на эту тему опубликовали Майкл Кумхоф и Дирк Мюир из исследовательского департамента МВФ («Philosophical Transaction A», 2014, 372, 20120327; http://dx.doi.org/10.1098/ rsta.2012.0327).

Врассматриваемой ими математической модели предполагалось, что в производстве участвуют три силы: капитал, рабочие и энергия. Стоимость энергии определяется ценой на нефть, которая,

всвою очередь, зависит от спроса и объема производства. При этом имеется эластичность спроса: цена продукции может расти медленнее цены на нефть, поскольку ее можно заменить на нечто не столь дорогое. У этого процесса есть ограничитель — так называемая энтропия, которая показывает, какую долю нефти нельзя заменить ничем. Например, сейчас нет реальной замены нефти

вкачестве моторного топлива или сырья для химической продукции: все альтернативы столь ничтожны, что учитывать их не имеет смысла. Третий параметр — роль нефти в производстве. С формальной точки зрения ее нужно оценивать весом цены на нефть в себестоимости продукции, что составляет несколько процентов. Однако есть мнение, что эта роль существеннее, поскольку именно рост потребления энергии обеспечил почти половину всего роста промышленности в XX веке.

Вкачестве начальных условий выбрали ситуацию, когда после нефтяного шока и значительного роста цены выше 60 долларов за баррель следует падение производства со скоростью 2% в год, при этом страны-экспортеры стерилизуют большую часть доходов в суверенных фондах, которые хранят в долговых обязательствах развитых стран. Чем-то это напоминает нынешнюю ситуацию:

в2008 году случился резкий рост цены на нефть до 140 долларов за баррель, затем последовало снижение цены до нынешних примерно 100 долларов за баррель. Производство же, как было сказано, почти не растет, а условия для падения вполне созрели. Так, по данным МЭА, годовая скорость падения добычи на приисках, прошедших пик (а это подавляющее большинство крупных полей и стран-экспортеров нефти), составляет 6,5% от пиковой мощности. Оптимисты говорят, что если учесть еще не открытые месторождения, где добыча будет поначалу бурно расти, а также новые, еще

Об исчерпаемости нефти

С точки зрения наиболее распространенной биотической гипотезы происхождения нефти, предложенной в нашей стране М.В.Ломоносовым, — ее запасы исчерпаемы, хотя она и образуется постоянно со скоростью несколько миллиардов баррелей в год. Есть и иные точки зрения. В числе экзотических — происхождение нефти в результате кометной бомбардировки (см. «Химию и жизнь», 2005, № 6). В принципе такая идея не противоречит современной теории происхождения планет: на периферии Солнечной системы конденсировались именно углеводородные фракции протопланетного облака; там сформировались насыщенные метаном, водой и углекислым газом Юпитер и Сатурн. Образовавшиеся в этой зоне малые тела вполне могли бомбардировать внутренние планеты, принося туда сырье для изготовления нефти. Кометная нефть так же исчерпаема. А вот абиогенная гипотеза Д.И.Менделеева о происхождении углеводородов из содержащихся в магме карбонатов предполагает практически неисчерпаемость ее запасов. Некоторые подтверждения адепты этой точки зрения находят в тех фактах, что нефть зачастую добывают из таких пород, где животной и растительной органике взяться неоткуда. В каком-то смысле эти гипотезы равноправны, поскольку, как отмечает И.М.Королев (см. «Химию и жизнь», 2005, № 6), нефть может весьма быстро, за десятилетия, образовываться как из биогенного, так и абиогенного углерода; главное, чтобы в месте его залегания были достаточные давление и температура.

«Химия и жизнь», 2014, № 1, www.hij.ru

Антенна для нанобота

Графен способен уменьшить расход энергии на связь между наномашинами в тысячу раз.

Агентство

«NewsWise»,

12 декабря 2013 года

Наномашины еще не созданы, однако инженеры уже думают, как их обеспечить энергией и системой связи. Современный мир насыщен энергией — это всевозможные электромагнитные волны, пронзающие эфир, и

механические колебания. При желании эту энергию можно собирать, например, стержнями из оксида цинка, обладающего пьезоэффектом. Именно с их помощью профессор Технологического института Джорджии Чжун Линван сделал сначала стельки-генераторы для солдат, а потом и наногенератор для микроустройства («Nano Letters», 2011, 11, 2572—2577). Однако запитать таким генератором наноботов, чтобы они могли обмениваться информацией друг с другом, до сих пор не удавалось — металлические микроантенны способны работать на частотах в сотни терагерц, но это требует много энергии, сигнал же гаснет, преодолев считанные микроны.

Профессор того же института Йан Акылдыз, который с 90-х годов занимается наноантеннами, обратил внимание на графен. У этого вещества под действием электромагнитной волны возникает возбуждение — так называемый поверхностный плазмонный поляритрон. Ему нужна входящая волна частотой 0,1—10 ТГц. Снижение частоты на два порядка ведет к падению ее энергии на четыре, и тогда получаются значения энергии, вполне посильные для генератора Чжуна. А для передачи сигнала поляритрон возбуждают за счет внедрения

вграфен электрона из нижележащего слоя металла.

Вразрабатываемой Акылдызом наномашине будет некий датчик, процессор, память, генератор и графеновый приемник-передатчик. Предполагается, что такие машины смогут обмениваться информацией как друг с другом, так и с каким-либо внешним устройством

Распечатка

динамика

Впервые на трехмерном принтере сделали цельное устройство.

Агентство

«NewsWise»,

16 декабря 2012 года

В з а р у б е ж н ы х л а б о р а т о р и я х

«Любую вещь можно напечатать», — сказал дипломник Корнелловского университета Апурва Киран и вместе со своим одногруппником Робертом Мак-

карди напечатал небольшой динамик. Это довольно простое устройство, которое состоит из корпуса, электромагнита и катушки индуктивности, однако до сих пор никому не удавалось напечатать подобное устройство целиком — их только собирали из изготовленных по отдельности деталей. А студенты так модифицировали лабораторный принтер, что в него стало можно помещать картриджи с разными материалами и работать с ними соответственно при разных температурах. В результате корпус сделали пластмассовым, для проводников использовали сере-

бряные чернила, а электромагнит напечатали вязкой суспензией феррита стронция. Последнее вещество коллегам помог получить дипломник с факультета химической и биомолекулярной инженерии Саманвайя Шривастава.

Так технология трехмерной печати сделала огромный шаг вперед, подобный переходу от черно-белого к цветному принтеру: она доказала способность печатать активные устройства из многих компонентов. Значит, день, когда в рамках идеологии экономики снижающихся мощностей можно будет перейти от массового производства к штучному печатанию вещей, стал ближе.

Это не первое электромагнитное устройство, распечатанное в лаборатории доцента Хода Липсона: в 2009 году здесь была сделана работающая копия телеграфа, с помощью которого Альфред Вейл и Сэмюэл Морзе впервые отправили сообщениев1844году.Телеграфзаинтересовалнеслучайно:основательуниверситетаЭзраКорнеллразбогателименно на телеграфной промышленности.

Батарея из мочалки

Мочалка может стать основой для недорогих топливных элементов.

«Environmental Science and Technology», 2013, 47, 24, 14525–14532; doi: 10.1021/ es404163g

Микробный топливный элемент — это устройство, которое превращает растворенную в сточных водах органику в электричество, а делают это электрогенерирующие микробы. Их надо поселить на таком электроде, у которого большая поверхность, но при этом жить на нем комфортно, а доступ к еде прост. И еще желательно,

чтобы электрод был дешевым.

Китайские исследователи из Гуандунского института экологии и почвоведения во главе с Чжоу Шуньгуем решили применить для его изготовления плоды люффы — разновидности тыквы, из которой делают мочалки: в этом материале множество открытых пор, причем они именно такого размера, который подходит бактериям. На поверхность выделанных плодов люффы нанесли наночастицы углерода (они обеспечивают проводимость), заселили бактерий и поместили в питательный раствор — в данном случае это был ацетат натрия. Спустя несколько дней мочалка дала ток, что означало: бактерии успешно прижились. Электричество ячейка стабильно вырабатывала два месяца, после чего исследователи решили ее изучить. Оказалось, что вся поверхность пор плотно покрыта бактериальными пленками.

Такая мочалка оказалась рекордсменкой — один метр ее поверхности давал напряжение в 1090 мВ, в то время как ближайший конкурент — 710 мВ. Это считается хорошим результатом, тем более что каркас для электрода и так выращивают в промышленных масштабах по всему теплому миру. А из семечек люффы добывают техническое масло.