Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Серьезно? А как же суда в прошлом столетиями обходились без ДВС?  Все новое - это хорошо забытое старое.

А теперь посмотрите водоизмещение тех судов, которые были тогда. Парусники больше 10000 тонн практически не строились (для больших судов парус становится неэффективен и неудобен). Современные же грузоперевозки по морю осуществляются в основном судами с водоизмещением более 100 000 тонн. Перавести же на парус какой-нибудь OOCL Hong Kong физически невозможно.

А судами водоизмещением в 3000 - 4000 тонн (типичный парусник) обеспечить современные объёмы грузоперевозок затруднительно, да и себестоимость перевозок морским транспортом с уменьшением водоизмещения судна очень сильно растёт. Для объёмов грузоперевозок 19-го века это было достаточно, для современных уже не очень.

Теоретически на крупное судно можно поставить реактор, но тут тоже есть сложности (правда скорее организационно-политического плана, чем технического).

Вообще морской транспорт в силу отсутствия хороших альтернатив для судов большого водоизмещения, играющих главную роль в океанических грузоперевозках — будет последним, кто откажется от ископаемого топлива.

[AlexAV]

Действительно, обеспечить движение крупных судов только парусной тягой проблематично. Однако такая цель и не ставится. Можно поставить паруса в дополнение к основной двигательной установке и таким образом экономить топливо. 

Ну это явно тот случай, когда гибрид удачно совмещает недостатки обоих систем. Т.е. нужна массивная и тяжёлая система парусного вооружения (дополнительно к тому что есть), что снижает полезную нагрузку судна, резко падает безопасность, а выигрыш по топливу всего 30% и только на уровне обещаний (если вообще ещё будет при реальной эксплуатации, современные же маршруты оптимизируются же по времени доставки, а не по оптимальному ветру).

Технический франкенштей, который экономически гарантированно будет проигрывать нормальным судам.

[AlexAV]

А если так?

Очень оригинальная конструкция. Речной транспорт постапокалиптического будущего. Но всё же с современным речным транспортом это сравнивать нельзя.

Маховики

Энергоёмкость не та. Запасаемая энергия на единицу массы и близко к дизельному топливу не приближается (тут кстати надо учитывать, что корабельные дизели - очень эффективные машыны с КПД часто превышающим 45%).

Вообще ДВС для больших судов здесь есть только одна альтернатива не являющаяся бредово-фэнтезийной. Ядерный реактор. На корабле водоизмещением более 100 тыс.т. его уже разместить можно. Но тут проблемы политического и психологического плана мешают. Для широкого использования ядерной энергии на гражданских судах нужно немного другое отношение к атомной энергии и радиационным рискам, чем есть сейчас. Ну и даже реактор при современной цене на топливо проигрывает всё же ДВС.

А для судов класса река-море адекватных альтернатив ДВС просто нет (их доля в общих перевозках правда небольшая, основную роль играют именно сверхгиганты).

[AlexAV]

1,8 МДж/кг.

А у дизельного топлива 42 МДж/кг. Даже с учётом КПД ДВС в 10 раз больше. При этом не стоит забывать, что топливо занимает не такую уж малую часть полного водоизмещения, что-то порядка 10%. Т.е. эквивалентное количество маховиков на судне просто не поместится.

Кстати даже переход на паровую тягу при использование не слишком качественного угля будет составлять тут определённую проблему. Уменьшение энергоёмкости топлива в этом случае будет существенно снижать полезную нагрузку судна.

Вообще большие морские суда - весьма нефтезависимая часть современного транспорта. Т.е. все альтернативы здесь заведомо и сильно хуже.

Но в перспективе возможно появление материалов из нанотрубок.

Тут можно выразить определённый скепсис. Макроскопические образцы нанотрубок мало отличаются по прочности от стандартного углеволокна. Сверхвысокую прочность теоретически должны иметь лишь абсолютно бездефектные труби, однако даже единичные дефекты в их структуре её уменьшают катастрофически. Получение же длиных абсолютно бездефектных трубок скорее всего невозможно. Тут даже проблема не в том, как их получить (хотя это тоже нерешённая проблема), а в том, что в следствие взаимодействия со средой в макроскопическом образце дефекты неизбежно появятся спонтанно.

Тут вообще ситуация очень похожа на ту которая имеет место скажем для нитевидных кристаллов. Для отдельных кристаллов в силу малого количества дефектов прочность оказывается очень велика, но повторить её для более крупных объектов не удаётся.

[AlexAV]

Глубоководные илы — практически неисчерпаемый источник редкоземельных металлов

Если внимательно посмотреть работу о которой идёт речь, то видно, что ни о каких неисчерпаемых ресурсах там речи не идёт (ссылку приводил здесь: Нет термояда, нет ископаемых. К чему придет тогда цивилизация?). Найдено действительно крупное месторождение, но очень бедное. Общие геологические запасы - 16 млн.т., что конечно много, но совсем не безграничная цифра. Из них к более менее качественным можно отнести лишь 1,2 млн.т (и то очень условно, даже в этих условно качественных запасах содержание полезной компоненты меньше, чем в большинстве достаточно бедных обычных месторождениях при том, что в обычных руду не надо поднимать с многокилометровой глубины), что уже совсем ограниченное значение.

[AlexAV]

В самой воде морей и океанов растворено много чего полезного.

На самом деле не очень. Реально из морской воды кроме хлорида натрия, солей магния, сульфатов, калия, брома и бора едва ли вообще что-то можно извлечь с разумными затратами. Ну уран ещё... но это имеет смысл только при использование ЗЯЦ позволяющего утилизировать весь уран, а не только его 235-й изотоп (в этом случае могут окупаться и очень большие затраты на его извлечение).

[AlexAV]

В контексте темы предполагается развитие технологий и возможности выжимать полезное из бедных источникав.

Технология - не волшебная палочка. Извлечение вещества при низких концентрациях неизбежно требует совершенно чудовищного количества материалов, реактивов и энергии. Так-то да, теоретически извлечь можно всё что угодно откуда угодно (если оно там конечно вообще есть). Вот Мария Кюри радий из урановой руды извлекала (и кстати извлечение большинства редких элементов из рядовой породы или морской воды как раз будет намного больше напоминать труды Марии Кюри, чем современную промышленную добычу). Только стоимость получаемого продукта будет совсем неадекватной и сразу встанет вопрос, а нужно ли вообще всё это? Есть ли в этой деятельности хоть какой-то смысл?

Тут уж куда вероятнее, что все технологии нуждающиеся в редких элементах со временем просто отомрут. Технологический уровень при этом конечно от современного уровня просядет катастрофически, но ведь в конце концов большинство высоких технологий для человека отнюдь не является чем-то жизненно важным.

В этом вопросе разве что какая-то продвинутая биотехнология может что-то изменить, т.е. какие-то организмы способные селективно извлекать некоторые элементы из морской воды (самый яркий пример из существующих ламинария и йод, и теоретически если найти организмы селективно накапливающие другие элементы могло бы быть решением проблемы). Впрочем даже в этом случае океан будет хоть и возобновляемым источником некоторых элементов, но совсем не безграничным. Брать из него их можно будет лишь в ограниченных количествах, что будет лимитироваться биопродуктивностью и геохимическими циклами элементов. Причём это количество будет весьма невелико по сравнению с нашими современными потребностями. Скажем 15 млн. тонн меди, 1,5 млн. тонн никеля и т.д. (т.е. как сейчас) не получится извлекать на постоянной основе никогда и ни при каких обстоятельствах. Попросту эти цифры на несколько порядков превосходят потоки этих элементов в естественных геохимических циклах. Жить придётся не сранимо скромнее.

такие филтровальщики могут быть плавучими акваполисами, если не поставлять полезные ископаемые и планктон на континенты, то хоть самообеспечивать себя

Кстати устойчивое мнение, что океан может прокормить планету лучше чем это делает суша - миф. Фитопланктон намного менее продуктивен, чем высшие растения суши. Скажем несмотря на то, что океан занимает 2/3 планеты он даёт лишь 1/3 всей первичной продукции биосферы. Плюс к этому биоценозы океана куда хуже замкнуты по веществу, чем биоценозы суши. Биогены удерживаются ценозами суши дольше и эффективнее, чем биоценозами в океане, в последнем всё достаточно быстро тонет в абиссиальных глубинах (это кстати главная причина меньшей продуктивности океана по сравнению с сушей, хотя не только это). К этому также стоит добавить чувствительность морских организмов к изменениям гидрохимии воды и медленное перемешивание глубинных и поверхностных вод, что даже при эвтрофикации воды ограничивает биопродуктивность. Попросту если биогенов становится слишком много, то биопродуктивность с определённой точки не растёт, а наоборот обваливается. Попросту начинается накопление сероводорода, что губительно сказывается на морских организмов (так скажем получилось в Чёрном море, которое несмотря на большой сток биогенов достаточно малопродуктивный водоём).

Всё же никакая аквакультура классические поля и сады на суше не заменит. Попросту по той причине, что последние намного более продуктивны. Другой вопрос, что аквакультура позволяет теоретически в какой-то мере замыкать цикл фосфора, но это уже отдельный вопрос (но даже в этом случае она будет хоть и важным элементом, но всё же вспомогательным).

[AlexAV]

Я правда не понял, почему AlexAV назвал Черное море малопродуктивным.

Сравните вылов рыбы скажем в Чёрном море и в Балтийском. Площади у них соизмеримые при этом в Балтийском море ловят около 800 тыс. тонн, а в Чёрном хорошо если 400 - 500 тыс.т.

[AlexAV]

Совершенно непонятны стахи по поводу РЗЭ- объем рынка никеля, явно превосходящий все РЗЭ вместе взятые, составляет всего 20 млрд$ в год. Для сравнения только ЕЦБ в месяц печатает 50 млрд.

Нолики в компьютере ни в никель, ни лантан, ни в неодим не превращаются. Для этого нужны ни виртуальные евро или доллары, а вполне реальная энергия, техника и реактивы. Цена в долларах на объекты физического мира тут лишь удобный индикатор объёма этих затрат, но не более, и сравнивать её с количеством совершенно виртуальных ноликов напечатанных для банковской системы - просто полнейшая глупость. Ценой можно тут интересны лишь только в той мере в которой можно построить их корреляцию с затратами реальных ресурсов. Плюс к этому имеющая место корреляция между ценой ресурса и возможностью его применения в технике. И тут есть вполне определённая закономерность. Если стоимость материала превышает несколько десятков долларов за грамм (в текущих ценах) его применение падает до сотен тонн в лучшем случае вне зависимости от того на сколько этот материал хорош. И никакие миллиарды виртуальных ноликов этот факт исправить не могут, т.к. за ним стоят вполне объективные физические ограничения с которыми никакая финансовая магия ничего сделать не в силах.

Если взять то что печатает ЕЦБ за последние лет 10, то окажется, что стоимость если сделать все трубопроводы в мире из серебра, то их формальная стоимость будет меньше. Однако сами понимаете, что это физически невозможно. Нужно различать реальные ресурсы выраженные в финансовых единицах и виртуальный круговорот ноликов в банковском секторе. Второе в первое превратить можно далеко не всегда.

[AlexAV]

если быть честным, то кажется, что со спирулиной не всё так гладко как порой представляют и в е массовом выращивании может еть какие-то очень серьёздные подводные камни, хотя водоросли вообще

Если посмотреть составы субстратов на которых её культивируют (http://www.ponics.ru/2009/06/spirulina_platn/) можно обратить внимание, что они достаточно щелочные, т.е. должны иметь pH = 8 - 11. Видимо поэтому она так не часто встречается в природе. Большинство естественных пресноводных водоёмов имеют слабокислую воду, щелочная вода для них является редчайшим исключением.

Впрочем если стоит вопрос об искусственном культивирование, то эта проблема не кажется такой уж критической. Любой пруд можно сделать щелочным, для этого нужен только грузовик с содой.

[AlexAV]

Изучая литературу о геохимии Каспийского моря обнаружил интересную вещь.

Сначала тут стоит привести глобальный баланс фосфора в океане:



Эта таблица судя по всему построена по данным 90-х. Вся невязка баланса в ней обусловлена чисто антропогенным фактором. Таким образом на тот момент необратимые потери фосфора составляли 14 млн.т./год. Учитывая, что мировая площадь пашни на момент середины 90-х составляла величину около 1,3 млрд. га, то получается, что среднемировые удельные потери необратимые потери были около 11 кг/га. Сейчас эта цифра скорее всего стала ещё больше.

Это очень большая цифра, почти безнадёжная. Столько без опоры на невозобновляемые ресурсы фосфоритов достать практически невозможно.

Однако если взять баланс биогенных элементов Каспийского моря за 1956 — 1975 год, то картина выглядит просто разительно иной:



Полный сток фосфора в Каспийское море в этот период был 40,7 тыс.т./год. При этом в бассейне одной лишь Волги имеется 65 млн. га пашни. Т.е. даже если разделить полный сток на площадь пашни получаем 0,6 кг/га, более чем на порядок меньше средних антропогенных потерь в мире в 90-х. Однако даже эта цифра очевидно сильно завышена. Т.е. не весь сток фосфора в Каспийское море обусловлен антропогенной деятельностью, есть и нормальный фоновый сток, который был всегда.

При этом имеется информация как сток фосфора менялся по годам, а также оценка вклада антропогенной составляющей:



И если посмотреть на неё, то картина получается ещё интереснее. Резкий рост антропогенного стока идёт лишь с 1975 года. До же 1975 года он не особо велик составляя величину около 9,8 тыс.т./год. Т.е. объём потерь был около 0,15 кг/га. Это - величина почти на два порядка (!) меньше современной. Возможно конечно величина потерь собственно с полей была и выше, но в этом случае это превышение должно было депонироваться в донных осадков водохранилищ. Поскольку добыла сапропелей в водохранилищах с последующим их использованием в качестве удобрений не представляет никаких технических сложностей, то тот фосфор, который оказывается заключён там, нельзя считать необратимо потеренным и это на выводы никак не влияет.

0,15 кг/га уже не 11 кг/га. Это уже такая величина с которой хотя бы в принципе можно бороться. При этом сельское хозяйство СССР 60-х — начала 70-х — совсем не худший его вариант, который знало человечество. В целом достаточно продуктивное и позволяющая поддерживать достаточно большое население (хотя конечно заметно уступающему современному в этом плане).

Однако возникает вопрос за счёт чего сельское хозяйство СССР имело геохимический дисбаланс фосфора 73 раза (!) меньше того что мы имеем сейчас в среднем по миру. Судя по всему причина тут кроется как раз во внутренних проблемах с/х СССР того периода. В литературе можно найти, что в то время в СССР был дефицит водорастворимых фосфорных удобрений, что вынуждало вносить фосфор в нерастворимых формах (фосфоритная мука, томасшлак и т. д., такие удобрения дешевле, но дают намного меньший эффект). При этом азотные удобрения были сравнительно доступны и вносились в больших количествах. В результате видимо растения были лимитированы по фосфору при достаточном количестве азота и калия, что вело к резкому снижению концентрации его подвижных форм в почвенных растворах и препятствовало его миграции. Сейчас же в фосфорные удобрения вносятся в почву в растворимой форме и в больших количествах в результате чего его подвижных форм в почве видимо много. Это увеличивает урожайность, но одновременно приводят к катастрофическому уровню его необратимых потерь.

P.S. Ещё были бы интересны цифры для волжского бассейна относительно доли фосфора туда поступающего из почвы и с канализационным стоком. Можно заподозрить, что при исключение второго фактора величина нескомпенсированных потерь была бы ещё заметно меньше. Но пока в этой части каких-то конкретных цифр не нашёл.

[AlexAV]

Имеет смысл повысить продукцию фитопланктона путем искусственного удобрения некоторых районов железом, собственно для сбора либо избыточной массы фитопланктона, либо зоопланктона, рыбы, кальмаров, медуз и прочих гидробионтов.

Это кстати действительно интересная вещь. Железа требуется немного и, что важно, элемент дефицитом не является.  Интересно на сколько регионы, где фитопланктон лимитирован не фосфором, а железом распространены...

[AlexAV]

Почему вообще марганец- сейчас же основной анодный материал LiFePO4

На том что ставят на электромобили катод - смесь СoO и NiO с добавкой Al2O3. LiFePO4 для электромобилей имеет недостаточную ёмкость.

[AlexAV]

Вряд ли что то существенно изменится- как и прежде холодная вода в ледовитом океане будет опускаться и замещаться теплой с Атлантики.

Заратушра знает к чему это приведёт. Щель в Панамском перешейке шириной пару десятков километров и глубиной метров двести меняла климат всего северного полушария  весьма и весьма заметно (градусы среднегодовой температуры и десятки процентов осадков), а тут такое...

[AlexAV]

А если начнет  таять североледовитый океан вместе с гренландией и конвейер с малстемом перестанет вообще работать?

Нет, не перестанет. По расчётом современный вид циркуляции должен сохраняться даже при 1250 ppm концентрации CO2 (это +6 градусов к среднепланетарной температуре) и при притоке пресной воды из Гренландии на уровне минимум 0,29 Sv (что касается притока пресной воды -  такой приток будет её довольно заметно возмущать, но не подавлять полностью, приток же менее 0,03 Sv она вообще не заметит), при этом ни одна разумная модель не даёт скорость таяния Гренландии ни в одном случае, который вообще стоит рассматривать, более 0,1 Sv.

[AlexAV]

Потому что, электричество это фабрики и заводы,

Совсем кстати не обязательно. Паровая машина - да, там эффект масштаба очень сильный, а электричество прекрасно совместимо и с маломасштабным производством похожим на ремесленное. При наличие только ВИЭ кстати даже лучше совместимо, чем с большой индустрией. Для большой индустрии стабильный график поставок электроэнергии нужен, а для малого производства это менее критично.

Как раз средневековье с паровой машиной выглядит куда более нелепо, чем средневековье с электричеством. Электричество как раз в социальную структуру классического общества прекрасно вписывается.

Вообще даже удивительно, что до электрических машин человечество додумалось позже, чем до тепловых. Они на самом деле проще и технически легче исполнимы. Сделать вполне пригодный для практического применения электродвигатель имея лишь то, что было доступно в Древнем Риме, проще, чем паровую машину.

[AlexAV]

Сам по себе генератор, двигатель не чего не дает. К нему нужен к примеру ткацкий станок.

Насосы, механические мельницы, различные механические подъёмники при строительстве, - это даже не средневековье,  а вообще античность. Электрический привод ко всему этому стоит очень многого.

Пользу бы электропечей для металлургии то же бы оценили даже в древнем Риме.

[AlexAV]

Ну, окромя мозгов.

Из железа сделать нельзя, т.к. тогда чугунного литья ещё не было (тогда железо плавить вообще не могли), а делать цилиндры и поршни достаточного качества ковкой очень сложно. Из бронзы можно (металлургия бронзы тогда была на очень высоком уровне, вообще бронза для античного и средневекового мастера - очень удобный металл), но бронза страшно дорогая. Сделать может быть можно, но вот кому это нужно потом будет? Опять же сделали, а чем топить? Паровая машина без топлива бесполезна. Посмотрите на окрестности Александрии или Антиохии (все таки главные центры науки там на греческом востоке) - много леса увидите?

Собственно там на самом деле попытки сделать паровую машину были, та же машина Герона (на самом деле его конструкция конечно не верх эффективности, но по большей части не намного хуже той же машины Ньюкомена). Но особого интереса не вызывали. И совсем не по той причине, что дураки были. Вот попробуйте придумать хоть какие-то осмысленные аргументы, которые могли бы убедить патриция из Александрии 1-го - 2-го века вложиться в это.

[AlexAV]

Получить достаточную мощность для электропечи было бы затруднительно.

10-30 киловатт? Для чего-то вроде такого:

http://mosinductor.ru/productsiya/induktsionnye-plavilnye-pechi/ipp-5-200-kg/

С помощью водяного колеса легко. Средневековые мельницы иногда имели приводы мощностью до нескольких десятков киловатт.

[AlexAV]

Паровой привод ко всему этому стоит очень многого.

Патриций ответит: Это верно, но Вашей машине дрова нужны, а их приходится везти морем и стоят они очень дорого. Нанять артель, чтобы она всё делала вручную, обойдётся дешевле, чем купить топливо для машины. Вот если бы Ваша машина могла обойтись без них, можно было бы поговорить.

Окрестности Антиохии выглядят так: