Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Что, начинаем новый круг, начиная с того, что от Солнца на Землю приходит в СТО РАЗ больше энергии чем тратит цивилизация?

Действительно по кругу.
1) Вы  забыли о таком понятие как EROEI. Существует оценка, что 1$ стоимости энергии приблизительно соответствует 20 МДж потраченным на её производство (http://www.ogbus.ru/eng/authors/Safronov/Safronov_1e.pdf). Если её принять, то получится, что EROEI электроэнергетики вообще весьма низкое (если учитывать стоимость её доставки распределения, т.е. смотреть по ценнику в розетке конечного потребителя). Если взять энергосистему с достаточно высокой долей ВИЭ, скажем Германию, то стоимость электроэнергии там оказывается около 15 евроцентов/кВтч. Если пересчитать EROIE такой энергосистемы, то выйдет менее единицы. Для США, где альтернативной генерацией увлекаются не так сильно - чуть больше больше единицы (где-то 1.8 ), но в любом случае очень небольшая величина.

Т.е. возникают сомнения вообще в возможности цивилизации свести концы с концами только с опорой на электроэнергию фактически независимо от способа её генерации. А уж основываясь только на очень дорогой альтернативной (а факты говорят, что рост альтернативной генерации ведёт повсеместно к росту ценника у конечного потребителя) - совсем никак. Собственно баланс сходится сейчас только благодаря тому, что большая часть энергии потребляется не в форме электроэнергии, а непосредственно в виде тепла и химической энергии ископаемого топлива без промежуточного преобразования.
     
2) Для производства энергии нужна инфраструктура для строительства которой используются материалы также являющиеся не возобновляемыми ресурсами (медь, цинк, олово, никель, хром другие цветные и редкие металлы). Количество элементов доступных в фактически неограниченных объёмах на земле ограниченно. По сути это кремний, алюминий, кальций, магний, железо, титан, натрий, калий, хлор, сера, бром, атмосферные газы, возможно ещё марганец. С оговорками на ограниченный объём - биогенные элементы, т.е. углерод и фосфор (правда с последним всё не совсем просто, если для технологических целей его в каких-то количествах можно будет получить пока существует жизнь на земле, то в части его использования в сельском хозяйстве как удобрения  он превращается в критически важный и не возобновляемый ресурс). Плюс некоторые количества элементов селективно накапливаемых живыми организмами (например иода).

Если технология и инфраструктура использует что-то вне этого ограниченного списка, то она основана на невозобновляемых ресурсах.

Здесь правда есть ещё момент, что даже те элементы которые на земле формально имеются в изобилии мы получаем сейчас не из квазинеограниченных источников, а из концентрированных месторождений, которые тоже невозобновляемы. Железо мы получаем не из красных глин (количество которых фактически неограниченно, вот только железа там порядка 5%-10%), а из концентрированных руд с содержанием железа от 40%  и более. Алюминий не из алюминосиликатов, а значительно более удобных в переработке бокситов (запасы которых ограниченны), серу в основном из газа и нефти, в меньшем масштабе - месторождений самородной серы и пирита, а не из фактически неисчерпаемой, но дорогой и нетехнологичной глауберовой соли морской воды и т.д. Очевидно, что переход на низкокачественные неограниченные источники даже их сделает в разы и порядки дороже и менее доступными чем есть сегодня.

[AlexAV]

Раньше ныли, что и радиосвязь невозможна

Здесь ведь была такая хронология. 1864 - Максвелл формулирует уравнения максвелла и рассматривает основные их свойства. Опыт Герца - 1888 год. Первый опыт по радиосвязи 1895 год. Т.е. от фундаментальной теории к её экспериментальному подтверждению 24 года. От экспериментального подтверждения до опытного образца техники 7 лет. Т.е. всё произошло в достаточно сжатые сроки.

[AlexAV]

Ведь ерой ГЭС более около 100.

Так тариф на счётчике ГЭС действительно очень низкий. На крупных ГЭС составляет до 1 коп./кВтч (http://www.rushydro.ru/upload/iblock/2b0/informatsiya-o-tarifah-2012.pdf). Если воспользоваться приведённым выше подходом к оценке EROEI то и получится вообще 540. Здесь как раз полное согласие между исключительно низкой стоимостью и исключительно высоким EROEI. Правда это только на счётчике станции. После доставки к потребителю картина становится уже не столь радужной.

Теперь давайте посмотрим такой момент. Допустим у нас солнечная батарея и цена установленной мощности составляет 1000$ на киловат.

Так это от того, что учтена только голая панель без сопутствующих расходов, затрат на распределение и борьбу с нестабильностью генерации (т.е. аккумуляцию или резервные маневровые мощности). А в итоге когда учитывается всё (т.е. реальных сетях) цена у конечного потребителя улетает в запредельные высоты. Что автоматически подразумевает низкий EROEI.

[AlexAV]

Если данные из работ Ю.Когана(и современные из мериканских трудов) по самоподдержанию метастабильного состояния верны-то достаточно будет вставить литровую баклажку в реактор и месяц наслаждаться наличием эл-ва в квартире.

Этот вопрос изучен от и до. Нет ни у водорода, ни у дейтерия метастабильного металлического состояния при нормальных условиях. А то металлическое состояние, что есть представляет интерес только для проблем планетологии (на земле такие давления, где оно устойчиво, просто не встречаются нигде кроме эпицентра термоядерного взрыва, но там температуры не те).

[AlexAV]

о вообще-то у Японии полезных ископаемых практически совсем нет - они ВСЁ импортируют, кроме еды.
Думаете, у них нет развитой торговли?

Еду она тоже импортирует.  Только пример не корректный. Япония часть глобальной системы разделения труда и отсутствие конкретно там тех или иных ресурсов естественно решается путём импорта. А вот планета Земля система более-менее замкнутая. При глобальном исчерпании ресурсов у инопланетян купить не получится.

Вот если обнести Японию стеной и полностью исключить ею любой экспорт и импорт - вот тогда бы это был более адекватный пример. Кстати такая страна есть - Северная Корея (и то только частично). Вот она куда более адекватно показывает, что получается при существенной нехватки ресурсов.

[AlexAV]

Но почему-то, в отличии от утверждений тут некоторых немного выше, происходит не коллапс, а резкое упорядочение самоорганизации общества. И возобновление/расширение высокотехнологического производства.
Пусть и производства оружия, конечно.

А так и должно быть. По мере нарастания дефицита ресурсов именно такая петля и наблюдается. От мягких демократических форм к жёстким централизованным (и как правило милитаристским), а затем пороговым образом коллапс жёсткой структуры к феодальной.

И даже в режиме жестокого дефицита  нефтепродуктов технологии цивилизации не пострадают, если большинство жителей придется пересесть с джипов на трамваи/троллейбусы/метро.

Если только нефтепродуктов - возможно. Но нефть не исчерпывает списка всех неисчерпаемых ресурсов. Большинство цветных и редких металлов - ресурс ни чуть не менее исчерпаемый чем нефть и проблемы с ними начнутся не сильно позже.

[AlexAV]

Хотите серьезный разговор – говорите конкретный элемент.

Ну давайте начнём с никеля как основы для жаропрочных сплавов. И какие альтернативы? Системы ещё более редких кобальта, молибдена, тантала, вольфрама, рения?

P.S. Жаропрочные сплавы титана легируются ниобием и молибденом.

[AlexAV]

Никель - самый первый кандидат на массовый экспорт элементов в индустрию Земли. Например, с пояса астероидов.

Даже если бы он там лежал в виде слитков готовых к погрузке, то после доставки на землю его стоимость была-бы выше платины сейчас.

[AlexAV]

Хотите серьезный разговор – говорите конкретный элемент.

Можно и продолжить. Скажем неодим и диспрозий (они в определённой степени взаимозаменяемы) как компоненты материалов для сверхсильных постоянных магнитов. Вещь совершенно незаменимая в вентильных двигателях и компактных электрогенераторов без чего ни нормальный ветрогенератор, ни электромобиль не получаются.

[AlexAV]

А разве магниты- скоропортящийся продукт?

Нет. Но всё имеет ограниченный срок годности, а при рецикленге всегда есть потери.

[AlexAV]

Заменимые.

Чем? Т.е. какой материал имеет соизмеримый с системой Неодим-Железо-Бор остаточную намагниченность (ну не считая кобальт-самарий)?

А асинхронник совсем не является полноценной альтернативой вентельному двигателю со сверхсильными магнитами. Просто удельная мощность в разы меньше, а для ряда приложений это критично (элетромобили, электрические ЛА).

С ветрогенераторами также. Никакой сколько-нибудь равноценной замены многополюсных генераторам на постоянных магнитах нет. Всё остальное сильно хуже, особенно в условиях слабого ветра. Собственно до появления таких генераторов со сверхсильными магнитами (т.е. до 90-х) они особо никакого полезного применения и не находили.

[AlexAV]

го не назвали выше, но его вполне можно причислить к условно бесконечным ресурсам Земли.

И сколько будет стоить его извлечение? Даже в ультраосновынх породах его 0,2%. Причём насколько я понимаю в основном в форме изоморфной примеси. А это значит всё породу придётся молоть и переводить металлы в растворимую форму. При этом магний (25,9%), кальций(0,7%), железо(9,9%), алюминий(0,45%) и т.д. окажутся в растворе тоже, т.е. будут потреблять реактивы без всякой пользы.

Если скажем будем вскрывать серной кислотой, то на тонну породы получится около 1,3т, а на выходе около 2 кг хрома. Если принять цену серной кислоты 70$/т, то уже только на реактивы для выщелачивания без помола, оборудования и дальнейших операций получается 46$/кг. И это при очень дешёвой сере, которая сейчас является побочным продуктом очистки газа и нефти (сейчас имеет место её сильнейшее перепроизводство и цена по сути меньше себестоимости).

А в нашем счастливом коммунистическом будущем почти бесплатной серы из нефти и газа не предполагается. Точно также как доступного сульфидного сырья. Получать её придётся из глауберовой соли морской воды (единственный неисчерпаемый источник серы на земле). А это ещё где-то на порядок дороже будет.

P.S. Здесь кстати появляется вопрос сойдётся ли вообще EROMI для такого источника хрома. Дело в том, что мельницы для породы в процессе эксплуатации имеют достаточно значительный износ, причём материалом для них как раз и является высокохромистая сталь. Скажем шаровая мельница тратит несколько килограмм материала на тонну породы (материал шариков высокохромистая сталь с содержанием хрома около 20%). При этом расход хрома на переработку тонны породы уже буде получаться соизмерим с его содержанием в ней...

[AlexAV]

А так ли много никеля в обычных конструкционных сталях? Стали с высоким его содержанием в большом количестве применяются при добыче нефти. Куда ещё идёт нержавейка? Тока не говорите что на кухонные ножики.
Что интересно, Россия потребляет чуть менее 3% от мирового потребления никеля.

И при этом имеет 2% мирового населения. Цифры потребления страной надо всегда нормировать на население.

[AlexAV]

Неадекватный. Вы сознательно опускаете разницу климатов, разницу местной флоры и фауны между даже достаточно близкими странами (Япония и Приморье России) - даже там уже есть чем торговать, а в мировом масштабе, при большем плече перевозки, международная торговля дает НАМНОГО большую пользу.

Мы вообще-то вели речь о минеральных ресурсах. Причём здесь климат?

А об инопланетянах у которых недостающие можно прикупить вроде бы никто не слышал. Поэтому Япония как пример экономики, которая якобы может процветать без ресурсов и не годится.

[AlexAV]

Напомнить, сколько стоил Аллюминий до освоения электролитического метода производства?

И какая связь?

А сколько стоила Фау-2 в 1944 году в курсе?

Опять никакой связи. Космическая техника уже вышла на верхнее плато эффективности и сильного удешевления здесь уже не будет. То что на ранних фазах развития себестоимость падала - это естественно, вот только этот этап уже давно в прошлом.

Во вторых, так для справки, в самом начале космического времени обнаружили, что стальные шар-баллоны вполне успешно спускались с орбиты безо всяких спускаемых аппаратов и термоизоляции.

А где на околоземной орбите есть никель не подскажете? А чтобы что-то с астероида попало на землю нужен ХС в несколько километров в секунду (в зависимости от параметров его орбиты), ничтожность его собственной второй космической здесь ничего не меняет.

И да. Там металла в слитках готовых к погрузке вообще-то нет. Придётся разместить горно-обогатительный комбинат, завозить оборудования, реактивы и т.д.

[AlexAV]

ВОпрос, нафига евросоюзу стока никеля?

Производство машин и оборудования. Без качественных сплавов ведь ничего не получается. Кстати цифра 2,3% - это только прямое использование сырья. Косвенное (т.е. никель ввезённый в виде компонентов деталей готовых изделий) в неё не входит. За счёт импорта оборудования реальная цифра будет больше.

[AlexAV]

Еще какими элементами меня подловите?

Давайте внимательно посмотрим на конструкционные сплавы алюминия. Алюминий конечно имеется в достатке, вот только в чистом виде он годится только на провода и ложки. Что касается сплавов, то используется несколько систем в которых для легирования используется магний, кремний, марганец, медь, цинк, бериллий, цирконий, титан, РЗЭ и ещё некоторые. При этом чистые системы Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Si имеют весьма посредственные механические свойства, т.е. сравнительно невысокую прочность, а силумины ещё и хрупкие.

Большинство же высокопрочных алюминиевых сплавов в обязательном порядке содержат медь и цинк (последний в несколько меньшей степени). Особых альтернатив здесь им нет. Т.е. известны высокопрочные сплавы алюминия и без них, но там лигатура ещё более своеобразная и редкая (прежде всего скандий, цирконий, бериллий, есть высокопрочные сплавы на системах с иттрием).

Для этих двух металлов по объёму использования это не основные области, но здесь они более чем критичны. Нет их и область применимости алюминия как конструкционного материала сразу резко сжимается.

P.S. С титаном та же картина. Сам титан как-бы квази неисчерпаемый, а вот лигатура к нему...

[AlexAV]

Раз Вы такой большой Знаток металлов , быть может , ответите на вопрос - хорош ли будет мангал из титана ?

Откуда такая экзотика?

А вообще мне кажется материал не самым удачным. Жаростойкость у большинства сплавов титана не очень. Выше 700 градусов довольно быстро корродирует в присутствии кислорода, да и механические свойства при нагревание быстро ухудшаются (что для мангала правда не очень существенно).

[AlexAV]

Вряд ли следует ожидать дефицита таких элементов как кремний, магний, марганец.

Ну о кремнии и магнии никто и не говорит, только их одних для получения качественных сплавов мало. А вот меди и цинка на самом деле требуется достаточно много. Меди обычно на уровне 3-6%, цинка где-то также (конечно не значит что оба одновременно в одном и том же сплаве).

Вот для примера состав высокопрочного сплава с повышенной жаростойкостью ВАЛ10:

Медь - 5%
Титан - 0,15-0,3%
Марганец - 0,35 - 0,8%
Кадмий - 0,07 - 0,3%
Остальное алюминий.

Или высокопрочный сплав В93:
Медь - 1%
Цинк - 7%
Магний - 2%
Железо - 0,2 - 0,45%
Остальное - алюминий.

Кстати кларковые числа меди не очень велики. По исчерпанию месторождений из рядовой породы её если и можно будет извлечь, то только в незначительных количествах и по запредельным ценам. Она устойчиво перейдёт в разряд благородных металлов (в части цены).

P.S. Кадмий, висмут, олово тоже достаточно распространённые присадки к алюминию. Служат они правда не столько для повышения механических свойств конечного продукта, сколько для улучшения обрабатываемости сплава.

[AlexAV]

Не надо завозить никакие реактивы, достаточно плавки подручного материала и разделение более тяжелой металлической фазы от легкой силикатной.

В получаемой субстанции никеля будет процентов 10. Т.е. если её доставлять без разделения это само по себе увеличит стоимость обратной доставки на порядок (железо - ничего не стоящий балласт). А ХС из пояса астероидов вообще говоря достаточно большой. Даже по гоману и без учёта разницы в наклонениях около 4,5 км/с.