Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[Nucleosome]

Но учитывая, что общее количество урана в литосфере земли оценивается как 1.3 1014 т, то такая убыль будет даже меньше, чем в результате его естественного радиоактивного распада.

да, выходит, что за все время существования Солнца на главное последовательности реки едва успевают вынести этот уран. правда также выходит, что половину уже успели, стало быть он возвращается в мантию обратно с морского дна?.. но вообще получается, что именно ядерная энергия наиболее перспективная - если освоить замкнутый цикл, правда лития-6 выходит ненамного меньше, чем урана, но взять его видимо труднее, хотя не знаю, ну и термоядом проблем явно больше...

Похоже насекомые  - действительно наше будущее.

если так, то в своей специализации я на верном пути.

Его хватит на приблизительно современный уровень потребления энергии на человека, но не более.

но это тоже очень неплохо.

Пищи необходимо всегда производить больше, чем требуется населению. И в нормальной ситуации она будет выкидываться.

я думаю это говорит только о тяжёлой разрухе в головах...

Во первых, сама таблица тенденциозна

то есть тендециозна??? там просто сухие цифры и ничего больше. а икл фосора да - до сих по сути загадка

[AlexAV]

Это уже кое-что. Это уже не 100% обвал, а некая надежда на счастливый исход и возможность проскочить и подняться на новую ступень прогресса. Да, возможно, придётся отказаться от личного авто. Но пересесть придётся на высокоскоростной ж/д транспорт, а не на лошадей. И жить в энергосберегающих небоскрёбах, а не в полуземлянках, подобных изображённым на фотках из Исландии.

Мне представляется, что при анализе возможных путей развития надо исходить из того, что технологии самоценностью не являются, а служат для решения каких-то конкретных проблем. Причём они должны делать это максимально дёшево и просто, создавая наименьшее число проблем сопутствующих. Человек создал технику чтобы она служила ему, а не превращала его в раба машины.

Вы рисуете картину запредельно сложного и высокотехнологического мира. Но нужно ли это в действительности? Явятся ли такой способ адаптации к бедной ресурсами среде оптимальным? Скажем насколько хорошим решением является энергосберегающий небоскрёб. Он дорог в постройке, для этого потребуется много дефицитного металла (а ведь даже железо из бросовых источников будет достаточно дорогим), он требует сложной и дорогой системы коммуникаций, потребует при всём энергосбережение много электричества (насосы для воды, освещение, вентиляция) без которых он просто будет совершенно непригоден для жизни, ну и решение с его отоплением содержит массу косвенных издержек. Откуда брать тепло для такого небоскрёба? Электричество - самый дорогой вид энергии. А если тепло от АСТ нужно передавать на большое расстояние (АСТ от города должна быть удалена просто в следствие требований безопасности), а это снова километры трубопроводов для горячей воды (и соответствующие капитальные затраты) и потери энергии, что будет съедать часть экономии. И всё ради небольшой экономии топлива для зимнего отопления. Это вообще окупится? Не окажется ли, что кирпичный или деревянный дом с дровяным отоплением окажется по полным затратам (включая строительство и стоимость инфраструктуры) за срок жизни в расчёте на человека дешевле этого небоскрёба? А если так - то зачем этот небоскрёб вообще нужен?

Шире - зачем вообще нужны мегаполисы в мире, где большая часть ресурсов равномерно размазана по поверхности земли? Мегаполис уязвим, требует очень сложной и дорогостоящей инфраструктуры исключительная задача которой обеспечить проживание столь скученного населения, которая при более рассеянной форме расселения или не нужна или может быть существенно проще. Причём уже сейчас возникает устойчивое ощущение, что мегаполисы в сущности являются экономической чёрной дырой, потребляющие непомерное количество людских и природных ресурсов не давая эквивалентной отдачи. Но у нас пока есть концентрированные ресурсы и пока ещё дешёвая логистика позволяющая их доставлять в любую точку. Но если ресурсы станут низкокачественными и рассеянными, а логистика хуже и дороже, то бессмысленность мегаполиса как формы человеческой организации становится ещё более явной. Какие задачи нельзя решить на базе малого и среднего города как формы расселения которую можно обеспечить более простыми и дешёвыми техническими и инфраструктурными решениями?

А если не будет мегаполисов, то непонятно как окупится высокоскоростная железная дорога, она ведь требует огромного грузопотока, чтобы перевозки были рентабельны, если население не сконцентрировано, а рассеяно по территории, то грузоперевозки на единицу длинны сети будут невелики и здесь потребуется решение с более простой и менее затратной инфраструктурой. И это не говоря о том, что для высокоскоростной требуются качественные сплавы, а это редкие легирующие элементами, с которыми ведь тоже будет очень плохо. Железная дорога попроще (возможно даже не электрифицированная на паровозной тяге) и речной транспорт в этих условиях может оказаться даже более интересным решением. Ну а на море без дешевого ископаемого топлива в большинстве случаев скорее всего вне всякой конкуренции будет парус.

Вообще можно предположить, что мир после перехода к стационарному состоянию с ЗЯТЦ и без него будет не так уж сильно отличаться друг от друга, в первом случае конечно население по-больше, жизнь по-богаче, а вся конструкция устойчивее. Но в целом всё будет более-менее похоже.

Ядерный реактор - великолепный источник энергии для промышленности, выдающий стабильную постоянную мощность. А вот для всего остального уже не очень, плохо работает в маневровом режиме и как источник электроэнергии для населения его достоинства уже значительно меньше, предъявляет высокие требования к безопасности, что делает его не слишком удобным средствам отопления для населения и т.д. Это полезное средство позволяющее решать широкий круг задач и, вероятно, возможная база энергетики, но атом единственным её компонентом быть не может. Самое рациональное его использование, там где его сильные стороны наиболее значимы, а недостатками можно пренебречь - источник энергии в крупной промышленности. В этом смысле его роль будет совершенно аналогичной роли ГЭС в мире без ЗЯТЦ, а критерии рациональности технических решений в обоих случаях довольно похожи.

В этом плане вероятно будет разделение - ГЭС/АЭС для крупной промышленности. Производство удобрений, выкапывание донных осадков с помощью плавбазы с реактором, металлургия, производство оборудования. И солнечная. ветро- и био- энергетика для населения и мелкой промышленности (пищевой, текстильной, местного производства строительных материалов и т.д.). Во втором секторе в этом случае EROEI не важно, т.к. речь не об самостоятельном источнике энергии, а скорее о способе доставки энергии от ГЭС/АЭС до потребителя. Ну да у солнечной панели EROEI ~ 0.8. А EROEI ЛЭП выше? А где-нибудь, где посолнечнее может быть выдадут даже слегка больше, чем на них затрачено, на что ЛЭП решительно не способна. Т.е. может быть рациональнее доставить энергию ГЭС или реактор до частного потребителя не в форме электричества по проводам, а в виде комплекта солнечных батарей. Тоже и с отоплением, можно доставить удобрения и технику для выращивания лесонасаждений, а потом топить локально полученными дровами. Причём в этом случае даже с дорогим фосфором скорее всего эти дрова дадут энергии раза в 2-3 больше, чем дал реактор. Т.е. такая косвенная передача может идти не с потерями, а с усилением (в отличие от прямой передач тепла и электроэнергии, которая очевидно всего сопровождается только потерями). И это не говоря о большей устойчивости такой системы с распределённой энергетикой второго уровня (хотя и зависимой от базовой) по сравнению со случаям, когда энергия передаётся по глобальной единой центрально-управляемой сети. Солнечные батареи на крыше каждого дома и питающие только этот дом, без сетей (сама же батарея при этом может производиться за счёт стороннего источника энергии, т.е. ГЭС или АЭС, т.е. являться не способом первичной генерации, а неким способом передачи энергии, возможно с некоторым усилением) явно обеспечивают большую устойчивость к катаклизмам любой природы, чем ЛЭП на половину материка.

В любом случае основным источником органического сырья для промышленности, т.е. химического сырья для синтеза полимеров (скажем этанола от которого выход на полиэтилен и бутадиеновые каучуки, пропанола и ацетона с выходом на полипропилен и т.д.), прочих органических реактивов, природных волокон, роль которых сильно повысится в связи со снижением доступности и росте цен на синтетические при отсутствии доступной нефти и т.д. будет сельское хозяйство. Снова резко повысится роль древесины и продуктов её переработки (вроде фанеры и т.д.) как конструкционного материала для самых разнообразных нужд. С древесиной также будет связано производство древесного угля - единственной по сути разумной альтернативы коксу, который в химической промышленности ключевой и незаменимый продукт. В сущности значительная часть не только продуктов питания, но и сырья для промышленности, топлива для транспорта и бытовых нужд (естественно с косвенными инвестициями энергии ГЭС и атома). А это распределённый источник сырья требующий для оптимального использования столь же распределённого по территории населения. Т.е. в любом случае оптимум скорее всего - население рассредоточенное по множеству малых городов. Как уже писал выше - зачем нужны мегаполисы в таком мире непонятно.

Что касается редких элементов... То кажется большинство задач от которых зависит выживания человека кажется можно решить и без них (для некоторых узких, но важных областей всё же будут нужны, вроде скажем катализаторов в органическом синтезе или вольфрама в нитях накала магнетронов, но совсем в мизерных количествах, буквально единицы -десятки тонн, это кажется реальным получить из различных попутных источников, также некую проблему представляют собой собственно ядерные реакторы, без легированных сталей они не получаются, правда лигатура там в основном хром и никель, которые хотя и редкие, но всё же по сравнению с другими имеют сравнительно высокие кларки). Ну будут характеристики электрических и тепловых двигателей, генераторов, металлорежущих и прочих инструментов заметно хуже, чем сейчас, а микроэлектроника представлена только чем-то весьма простым, то что можно сделать только из кремния и алюминия без экзотики. И дальше что? И того, что останется, для решения базовых задач скорее всего хватит. Ну не будет айфонов и выйдет из употребления реактивная авиация как и некоторые другие достижения 20-го и 21-го. Но ведь для жизни человека они совершенно не критичны. Так ли это существенно?

[AlexAV]

он возвращается в мантию обратно с морского дна?..

Да, постепенно адсорбируется придонными осадками, а затем затягивается обратно в мантию через зоны субдукции. Собственно как большая часть всего того, что сносится в океан.

[crazy_terraformer]

Если минимизировать потери фосфора с полей и замкнуть цикл фосфора, возможно хватит и того что с неба падает.

Если свести потери к фоновым, т.е. таким же как у естественных биогеоценозов. А это очень непросто, соревноваться с уровнем эрозии скажем с лугом с многолетней растительностью и толстым дерновым слоем, или с многоярусным лесом довольно сложно. Уже сама по себе вспашка как этап в сельскохозяйственном цикле уже резко повышает потери над естественными фоновыми.

Решение есть. Это отход от вспашки полей и выращивания растений в открытом грунте.
Переход на выращивание растений в фитотронах,герметичных теплицах с искусственным климатом на различных видах гидропоники или аэропоники с рециркуляцией воды и минеральных солей, микро и макроэлементов,полной переработкой остатков растений и канализационных стоков населённых пунктов для восполнения потерь этих веществ. То есть теряться будет мизерное количество фосфора, которое можно будет легко покрыть.

[crazy_terraformer]

В любом случае основным источником органического сырья для промышленности, т.е. химического сырья для синтеза полимеров (скажем этанола от которого выход на полиэтилен и бутадиеновые каучуки, пропанола и ацетона с выходом на полипропилен и т.д.), прочих органических реактивов, природных волокон, роль которых сильно повысится в связи со снижением доступности и росте цен на синтетические при отсутствии доступной нефти и т.д. будет сельское хозяйство.

Атом не будет способен решить эту проблему,извлекая водород из воды для синтеза углеводородов и спиртов из углекислого газа или неорганических карбонатов? 

[ВадимZero]

а микроэлектроника представлена только чем-то весьма простым, то что можно сделать только из кремния и алюминия без экзотики.

Давайте возьмем самый соврменный процессор паскаль, самая современная числодробилка. Где там экзотика? Поясните...

[stuuvi]

То есть ничего не выбрасывается.

Если не будете производить больше чем требуется пищи неизбежно будут моменты, когда в следствии различных обстоятельств придётся серьёзно голодать. Лишнюю пищу придётся выбрасывать.

[AlexAV]

Давайте возьмем самый соврменный процессор паскаль, самая современная числодробилка. Где там экзотика? Поясните...

Кремний там на самом деле не простой, а "растянутый", а это уже не чистый кремний, а сплав кремния и германия. Диэлектрические слои там  High-K и состоят не из оксида кремния, а оксида гафния. Микросхемы только из кремния и алюминия по сути закончились на техпроцессе 90 нм.

[AlexAV]

Атом не будет способен решить эту проблему,извлекая водород из воды для синтеза углеводородов и спиртов из углекислого газа или неорганических карбонатов?

Технически можно, но дорого и энергетически неэффективно. Много стадий на каждой из которых будет непроизводительно расходоваться энергия, много оборудования, катализаторы требуются дефицитные (для синтеза Тропша-Фишера чаще всего кобальт), причём в этом процессе катализаторы довольно малоактивны, что требует очень больших объёмов химического реактора и количества находящегося в нём катализатора, а этого хотелось бы избежать.

Та же энергия инвестированная в кукурузное поле на выходе даст куда большее количество того же полиэтилена (этилен получается из этилового спирта при дегидратации над серной кислотой или оксидом алюминия) или синтетического каучука (в классическом синтезе каучука по методу Лебедева бутадиен используемый при его синтезе получают из этилового спирта на оксидном цинк-алюминиевом катализаторе).

[crazy_terraformer]

Получаем CO разлагая CO2 в электрическом разряде и отделяя CO и O2 фильтрацией.
 Смешиваем CO c водяным паром под давлением и получаем на выходе водород и углекислый газ.

Ниже 830 °C более сильным восстановителем является CO, — выше — водород. Поэтому равновесие реакции:
H₂O + CO ⇄ CO₂ + H₂
до 830 °C смещено вправо, выше 830 °C влево.

CO2 отделяем от H2 и пускаем обратно в цикл получения CO.

Синтез ФТ можно рассматривать как восстановительную олигомеризацию оксида углерода:

        nCO + (2n+1)H₂ → C_nH_2n+2 + nH₂O

        nCO + 2nH₂ → C_nH_2n + nH₂O

Обе реакции экзотермичны со значительным тепловым эффектом ~165 кДж/моль по монооксиду углерода (СО).

Катализаторами служат переходные металлы VIII группы: наиболее активен рутений (Ru), затем кобальт (Co), железо (Fe), никель (Ni). Для увеличения реакционной каталитической поверхности их часто наносят на пористые инертные носители, такие, например, как силикагель и глинозём. В промышленности нашли применение только Fe и Co. Рутений слишком дорог, кроме того, его запасы на Земле слишком малы для использования в качестве катализатора в многотоннажных процессах. На никелевых катализаторах при атмосферном давлении образуется в основном метан (n=1), при повышении же давления в реакторе образуется летучий карбонил никеля который уносится из реактора с продуктами реакции.

Побочными реакциями синтеза углеводородов из СО и Н2 являются:
    гидрирование оксида углерода до метана:
        CO + 3H₂ → CH₄ + H2O + 214 кДж/моль
    реакция Белла — Будуара (диспропорционирование СО):
        2CO → CO₂+C
    химическое равновесие в водяном газе:
        CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂
Последняя реакция имеет особое значение для катализаторов на основе железа, на кобальтовом катализаторе она почти не протекает. На железных катализаторах, кроме того в значительных количествах образуются кислородсодержащие органические соединения — спирты и карбоновые кислоты.
Типичными условиями проведения процесса являются: давление от 1 атм (для Co катализаторов) до 30 атм, температура 190—240 °C (низкотемпературный вариант синтеза, для Co и Fe катализаторов) или 320—350 °C (высокотемпературный вариант, для Fe).

Исходя из таблице ниже в качестве катализатора можно использовать только железо.
Синтезы на оксида углерода(I) и водорода.

[ВадимZero]

Кремний там на самом деле не простой, а "растянутый", а это уже не чистый кремний, а сплав кремния и германия.

Действительно есть такая технология "напряженный кремний" применяется в тех процессах до 22нм. В FinFET технологии не используется.

Диэлектрические слои там  High-K и состоят не из оксида кремния, а оксида гафния.

В FinFET транзисторах гафний вроде как в затворах используется.

В любом случае все уто ужасно тонкие пленочки, весом в десятки микрограмм на квадратный сантиметр. С учетом того что гафний и германий, особо редкими не являются, выступать ограничителем современных тонких норм они явно не могут.

[noxx77]

То есть ничего не выбрасывается.

Если не будете производить больше чем требуется пищи неизбежно будут моменты, когда в следствии различных обстоятельств придётся серьёзно голодать. Лишнюю пищу придётся выбрасывать.

Ещё раз для... невнимательно читающих: Росрезерв, например - продуктовое (в том числе) депо. В нём столько же обновляется, столько же списывается в продажу до истечения срока хранения. То есть вполне годные продукты, просто с остаточным сроком где-то полгода. В какой-то момент, на формирование запаса придётся произвести больше и при росте популяции тоже. Или при расходе в случае кризисов. Но в норме - один в один.
http://rosreserv.ru/document/679
http://s-gosrezerva.ru/index.php?ukey=auxpage_proizvoditeli-rosrezerv

[AlexAV]

В FinFET технологии не используется.

Ещё как используется. Вот (http://www.rit.edu/kgcoe/eme/sites/default/files/Min-hwa%20Chi%20-%20abstract_%20Challenges%20in%20Manufacturing%20FinFET.pdf):

To induce compressive stress in channel, eSiGe (with
~55% Ge) of S/D is used for p-FinFET. The gate stack
with high-k and metal-gate (HKMG) [3] is used in
FinFET with careful optimization related to the corners
and sidewall for good reliability.

Не получаются без германия и гафния транзисторы современной электроники. Не хватает у чистого кремния подвижности заряда, а у его оксида - диэлектрической проницаемости.

В любом случае все уто ужасно тонкие пленочки, весом в десятки микрограмм на квадратный сантиметр.

Они конечно тонкие, но около 100 тонн германия куда-то ежегодно деваются.

С учетом того что гафний и германий, особо редкими не являются, выступать ограничителем современных тонких норм они явно не могут.

Именно, что особо редкие  и с химией очень затрудняющей их извлечение из бедного сырья. Это особенно  германия касается. Кроме хлорирования он собственно никак и не отделяется, а это крайне не избирательный метод.

[ВадимZero]

Они конечно тонкие, но около 100 тонн германия куда-то ежегодно деваются.

Куда то, но видимо не туда о чем идет речь. Кроме того, при относительной дешевизне, германий наверняка используется не шибко экономно.

Именно, что особо редкие  и с химией очень затрудняющей их извлечение из бедного сырья. Это особенно  германия касается.

Если кларк выше чем у серебра, назвать его особо редким язык не поворачивается. Обычный редкозем. При экономном расходе вполне бы хватило тонны(на тонкие пленочки) а то и меньше. При таком уровне потребления германий наверняка можно отнести к возобновляемым ресурсам.

[stuuvi]

Ещё раз для... невнимательно читающих: Росрезерв, например - продуктовое (в том числе) депо.

Причём вообще тут росрезерв? В масштабах цивилизации пищи должно производиться больше, потому что если производиться будет ровно столько , сколько требуется для населения - наступит голод. Поэтому в большинстве ситуаций пища будет выбрасываться в больших кол-вах, что и происходит на планете.

Мужик сажает картошку , если он будет сажать из расчёта сколько ему на год надо для пропитания - он столкнётся с тем, что в некоторые года он будет голодать из за проблем с урожаем. А если он будет каждый год сажать больше, то таких ситуации будет меньше.

Поэтому более рационально сажать больше картошки, чем потребуется для жизни.

[Kaiserfrogling]

Уважаемые собеседники, вы вообще о чем?
Уже достигнуто фоторазложение воды с эффективностью 40% (нитрид ниобия, "Панасоник").
Единственное что смущает - массовый переход на фотоэнергетику вызовет изменение солнечного альбедо, и как следствие - изменения климата, в  первую очередь изменение распределения осадков.

[AlexAV]

Уже достигнуто фоторазложение воды с эффективностью 40% (нитрид ниобия, "Панасоник").

Нет, не достигнуто. У них ниобий столько солнечного света поглощает, вот только это совсем не КПД системы.

Вот что они пишут в своём патенте (https://www.google.com/patents/US9114379):

A solar simulator manufactured by SERIC Ltd. was used to apply simulated sunlight. The surface of the photocatalyst electrode 920 was irradiated with light at an intensity of 1 kW/m2 through the light incident portion 950 of the hydrogen generation device 900 of Example 2-5. The gas generated on the surface of the counter electrode 930 was collected for 60 minutes, and the components of the collected gas were analyzed and the amount of the gas generated was measured by gas chromatography. The photocurrent flowing between the photocatalyst electrode 920 and the counter electrode 930 was measured with an ammeter. The apparent quantum efficiency was calculated using the amount of the gas generated in the counter electrode 930. About 59 μL of oxygen was generated from the photocatalyst electrode 920, and about 121 μL of hydrogen was generated from the counter electrode 930. About 0.19 mA photocurrent was observed, and thus the calculated apparent quantum efficiency was about 2%.

Т.е. поглощать он у них поглощает, вот только с пользой используется только 2% поглощённых квантов.

А в рекламных статейках он пишут про 57% поглощенного света и ни слова об эффективности системы в целом (для примера: http://www.discussionist.com/101811304). Типичный пример, когда пишут правду, только правду, ничего кроме правды, но не всю правду.

[pkl]

Ничто не мешает использовать платформы в Мировом океане для выращивания продукции на гидропонике под прозрачными герметичными для паров воды куполами или без куполов, используя системы сбора конденсата пара морской воды...

Мешает - коррозия! Она угробит всю идею. Да и вообще, чтобы реализовать Ваш план, нужен уровень технологий, явно превосходящий таковой для современной цивилизации.

Какая коррозия может быть у платформ из бетона армированного базальтовым волокном или стекловолокном? Металл оборудования - алюминиевые сплавы, не вступающего в контакт с солёной водой нержавеющая сталь.

Бетон плохо работает на изгиб, крошится. Алюминиевые сплавы и нержавейка будут дорогими. А гермокупол требует технологического уровня авиационной или космической промышленности.

[pkl]

Термояд не обуздали, а полезные ископаемые исчерпали. Какой станет наша цивилизация в этом случае?

Для экономии энергии всех людей следует переселить ближе к экватору, где условия вполне позволяют не расходовать огромные объемы энергии для отопления жилищ в период зимних холодов. Решать проблему голода возможно сезонной миграцией людей в периоды летних месяцев для с/х. Топливо же для транспорта и других необходимых нужд человечества следует получать путем выращивания сахарного тростника (так называемое "биотопливо")

А Вы не думаете, что регулярное перемещение больших масс людей и сельхозпродукции нивелирует всю Вашу экономию?

[pkl]

Что ведёт к использованию так называемых искусственных биосфер и теплиц, к использованию различных видов гидропоники, рециркуляции воды и т.д..

С такими технологиями можно уже в космос переселяться.