Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

Нам гораздо интереснее, сколько будет стоить её эксплуатация. Железобетон десятилетиями стоит, а фосфор надо вносить каждый год.

Эксплуатация - естественно. Но и о капитальных затратах забывать не следует. Бетон стоит долго, но не вечно. Не знаю столько материала потребуется на эти вертикальные небоскрёбы-теплицы, но если ориентироваться на нормы расхода в жилищном строительстве (http://www.concrete-union.ru/articles/index.php?ELEMENT_ID=7110), то по самой экономной технологии на 1 м2 уйдёт 0.8 тонн строительного материала, в том числе около 22 кг стали. На гектар соответственно 8000 тонн материала и 220 тонн стали. Если взять срок службы в 150 лет, то за усреднённый год - 53 тонн стройматериала на гектар в год и 1,5 тонн стали на гектар в год. Уже по этим цифрам затраты получаются ужасающими, т.е. даже только на стройматериалы. Мысль переносить на поля по 15 тонн донных осадков на гектар ежегодно (это по-видимому достаточно для полной компенсации потерь фосфора) на этом фоне кажется не такой уж и плохой...

[AlexAV]

Запасы этих двух элементов можно считать неисчерпаемыми. Исчерпание запасов металла как такового человечеству, похоже, не грозит. Алюминий дороже, чем железо, и менее прочен. Но как конструкционный материал может использоваться.

Для большинства конструкционных сплавов алюминия требуется легирование цинком и/или медью (а для высококачественных сплавов и другими компонентами - никель, цирконий, кадмий, ванадий, в некоторых случаях даже бериллий). Без этого его механические свойства вообще никуда не годятся. Есть конечно сплавы системы Al-Mg и Al-Si без дополнительного легирования, но их прочностные свойства весьма ограничены и они пригодны для ограниченного круга задач.

Нет, в будущем железо так и останется основным металлом. Для него сплавы для самого широкого круга задач можно получить оставаясь в рамках системы железо-углерод. Определённую проблему представляют сплавы для корозионноактивных сред и ряда специальных задач, т.е. жаростойкие, криогенные, сверхтвёрдые и инструментальные (есть инструментальные и нелигированные стали, но свойства у них куда хуже легированных, ту же металлообработку отсутствие вольфрама (одной из важнейших лигатур для современных инструментальных сталей) может отбросить по ряду параметров буквально в 19-й век), где без легирования (обычно хром и никель, для специальных задач ванадий, молибден, вольфрам, ниобий) никак.

 

Пока много ископаемого топлива, это так. С его исчерпанием доля электричества в потребляемой энергии должна возрастать, а относительная цена по сравнению с топливом падать.

А абсолютная только вырастит. Цена же - это по сути EROEI, но в других единицах. И у неё есть предел, когда она становится несовместима с сохранением цивилизации.  Для того чтобы всё не развалилось нужна не просто энергия, а дешёвая энергия. Пусть меньше, чем сегодня, но обязательно дешёвая.

 

Также можно предположить электрификацию полей для тракторов и комбайнов - например, зарядные станции в поле и аккумуляторы на сельскохозяйственной технике.

Аккумуляторы для техники - требуют редких элементов (как минимум лития, но сейчас и других, скажем кобальта). А это плохо, с редкими элементами будут большие проблемы. Тянуть же провода к каждому полю - очень дорого. К счастью это не надо. Сельское хозяйство само по себе - источник топлива. Как минимум любые отходы сельского хозяйства можно переработать в метан (перестроить техники на метан не является особой проблемой), причём даже сельскохозяйственного мусора и никому не нужной соломы (т.е. даже если не занимать площади под дополнительные энергетические культуры) хватит чтобы обеспечить конкретно с/х технику топливом и ещё избыток для иных нужд останется.

Главная проблема с сельским хозяйством - это замыкание циклов биогенных элементов. Если бы не это - то его вообще можно было бы рассматривать как лучший источник возобновляемой энергии. И если с калием и азотом проблема еще как-то решается, то с фосфором все выглядит довольно уныло. Замкнуть можно, но с такими затратим, что с/х как базовый источник энергии рассматривать уже не получается, только как надстройку. Без ядерной энергии баланс уже не сходится (или нужны какие-то способы сильного снижения потерь фосфора с полей, причём способ дешёвый). Ну или как альтернатива - ничего не замыкать и соглашаться на средневековый уровень урожайности со всеми вытекающими.

Думаю, что наоборот - полностью электрифицированные железные дороги и трамваи - грузовые и пассажирские - в значительной мере вытеснят автотранспорт при исчерпании ископаемого топлива.

Очень не факт, точнее не везде. Электрификация железных дорог окупается при очень большой грузонапряжённости, порядка ста миллионов т км/ км. При очень большой сети малозагруженных железных дорог как бы паровоз на возобновляемом топливе (т.е. на дровах ) не оказался бы предпочтительнее. Тут надо учитывать не только прямые затраты энергии транспортом, но и стоимость инфраструктуры, которая вовсе не бесплатная.

А что вы думаете о композитной арматуре и применении базальтовой фибры для армирования бетона?
Композитная арматура.
Базальтовая фибра.

Вещь хорошая. Но её производство тоже достаточно затратно, при подорожание металла такие решения могут оказаться предпочтительными, но идею заменить поля небоскрёбами это маловероятно, что спасёт. Капиталоёмкость вертикальной фермы (не говоря уж о стоимости обслуживания) в любом случае по сравнению с полем непомерная, даже если в стоимость поля включить возвращение фосфора из океанических осадков при современных темпах потерь.

[AlexAV]

К примеру переводя фосфор в фосфин, используя нужные штаммы бактерий. Тем более что нечто подобное идет само собой.

Бактерии разлагаю до фосфина только фосфорорганические соединения (т.е. соединения содержащие связь С-P). А в донных осадках фосфор содержится преимущественно в форме неорганических фосфатов. Никакие бактерии неорганические фосфаты в фосфин не превращают (это попрасту энергетически невыгодно). Сначала кто-то должен должен превратить в фосфаты в фосфорорганический вещества (не эфиры фосфорной кислоты, такие как АТФ или ДНК, а именно фосфорорганические, которые в живых существах тоже конечно есть, но в них находится лишь малая часть общего количества фосфора в живых организмах). А затем эти фосфорорганические вещества могут биологически разлагаться для фосфина.

В глобальном цикле фосфора цикл ассимиляция фосфатов (с переходом небольшой доли фосфатов, порядка нескольких процентов в фосфорорганику, основная часть фосфора в живых организмах - эфиры фосфорной кислоты) - разложение фосфорорганики до фосфина - перенос летучего фосфина играет существенную роль. Но вот для промышленного процесса он явно слишком энергозатратен, да и медленен.

[AlexAV]

Думаю, это все же менее энергозатратно в сравнении с поднятием донных осадков океана, и их транспортировкой на сушу.

Больше и намного. Для того чтобы превратиться в фосфин - фосфаты сначала должны быть ассимилированы живыми организмами, причём интересна только та часть, чтопереходит в фосфорорганическую форму. Бактерии содержат около 30 г фосфора на 1 кг сухого вещества. Из него органического около 4% (остальное - эфиры фосфорной кислоты).  Итого для того чтобы перевести весь фосфор в органический (который может быть расщеплён в фосфин) надо нарастить порядка  800 кг органического сухого вещества на 1 кг фосфора. Коэффициент конверсии субстрата в собственную биомассу для грибов и бактерий может быть в благоприятных условиях порядка 30%. Итого для выделения 1 кг фосфора таким способом потребуется порядка 2700 кг усвояемого бактериями органического вещества (крахмала, глюкозы и т.д.). На одну тонну донных осадков соответственно (при содержание 0.7 кг/т) соответственно порядка 1.9 тонн крахмала или сахара (при весьма оптимистических предположениях). Это никуда не годится.

Хотя возможно имеются и более дешевая химия извлечения фосфора.

Способ вообще всего один (из осмысленных). Обработка сильной кислотой для перевода нерастворимых фосфатов, в растворимые гидрофосфаты. Но из-за очень высокого содержания карбонатов в донных осадках он едва ли пригоден в этом случае (непроизводительные расходы кислоты будут гигантскими).

[AlexAV]

Ну вот, Вы и ответили на мой вопрос.

Если иными словами, то уже России времён Петра I, ещё до индустриальной революции, болотной руды не хватало. И это - при условно неограниченных запасах топлива /дрова и древесный уголь/!

Физически - более чем хватало, причиной было лишь, то что болотная руда - сырьё низкокачественное и неудобное (это никак не связано с ограничениями на её количество, тем более что при уровне потребления 18-го века она в центральной России попросту неисчерпаема). На Урале же руда была куда лучше и удобнее в использование.


 

Сколько надо сжечь топлива, чтобы собрать эту кукурузу? При этом, топливо надо ещё произвести, затратив энергию!

Менее 75 кг топлива на гектар (эти затраты с избытком можно окупить даже сельскохозяйственным мусором с этих полей и ещё останется). Это все прямые затраты топлива. При этом с этого гектара можно получить до 10 тонн зерна, содержащего 7 тонн крахмала. Из них можно произвести скажем 2,4 тонны этилена или бутадиена (сырьё для синтеза полимеров).

Проблема растительного сырья не в прямых затратах топлива для сельхозтехники (они ничтожны на фоне количества получаемого сырья), а скорее в косвенных (прежде всего удобрений, т.е. компенсации геохимической не замкнутости полей). Впрочем даже с учётом этого растительное сырьё бесконечно выигрывает у синтеза органики из углекислого газа и воды обычными индустриальными методами (т.е. через получение водорода электролизом или в высокотемпературном цикле - с последующим синтезом по Тропшу-Фишеру или его модификации), там затраты энергии будут совсем невменяемыми, особенно если задача получить не горючую жидкость, а компонент чётко заданного состава для органического синтеза. 

[AlexAV]

Вопрос сложности весьма и весьма относителен. Вот, например, энергосистема Германии к 2050 г., какой её видят немецкие учёные:
https://astronomy.ru/forum/radikal/s017/i428/1504/67/99bfbf52d2cd.jpg
А это проект Десертек:

С трудом верится, что это будет реализовано. Как по экономическим, так и по политическим причинам. Гигантизм - это зло.

А я Вам скажу: пытаясь реализовать Вашу идиллию, Вы на одних стройматериалах разоритесь.

Да ничего подобного. Малоэтажное строительство дешевле многоэтажного в расчёте на 1 м2, не говоря уж о небоскрёбах (естественно без стоимости земли). Требования на прочность несравнимо ниже, материалы соотвественно попроще, да и нужно их никак не больше (хотя это конечно зависит от выбранной технологии строительства). Для низкоэтажного дома на 100 м2 достаточно 50 м3 древесины, т.е. усреднённо 0.5 м3/м2. А при многоэтажном в самых оптимистическом варианте - 0.8 тонн строительного материала и 22 кг стали. Ничего особо разорительного не видно.

Кроме того дерево - самый дешёвый и требующий меньше всего в цикле своего производства энергии  материал в рассматриваемой ситуации.

А деревянный дом не прослужит столько, сколько железобетонная конструкция.

Ничто не вечно. Исчерпает ресурс - снести и построить новый. Если даже заложить жилую площадь по 50 м2 на человека, а ресурс здания - 75 лет, то усреднённый расход на такие строительные нужды окажется около 0.3 м3/чел. в год. На фоне всего прочего - это не очень большая проблема.

А при рассредоточенном населении без личного автотранспорте не обойтись.

А как оно до 20-го века обходилось? Ведь жили тогда совсем не в мегаполисах. Естественно когда речь о рассредоточенном население имеется ввиду совсем не американский субурбан, а нечто совершенно иное. Естественно предполагается, что человек живёт и работает в одном населённом пункте и никуда далеко не ездит. А для малого города в 20 - 50 тыс. человек даже общественный транспорт не слишком критичен, и любой точки города в любую иную без проблем можно дойти пешком. Ну максимум пара автобусных маршрутов с несколькими автобусами. И естественно никаких джипов.

С учётом специфики индустриальной экономики в данном случае речь естественно не об расселение по удалённом хуторам (это другая крайность), а о сети достаточно автономных в хозяйственном плане малых городов по 20-50 тыс. населения равномерно распределённых по территории. Каждый город в этом случае должен вместе с пригородными с/х территориями должен образовывать хозяйственный комплекс в основном самообеспечивающийся наиболее массовыми продуктами - продуктами питания, стройматериалами, топливом (перечисленное - это большая часть грузоперевозок, если основная часть здесь будет замкнута на местном уровне, это позволит резко, в разы уменьшит количество дальних перевозок). Ну и какие-то технически сложные производства уже работающие не на локальном уровне, а в региональной системе разделения труда.

Ну вот опять возврат в доиндустриальную эпоху. При этом, если население живёт рассредоточенно, то от массового железнодорожного транспорта придётся отказаться: невозможно подвести рельсы и прорыть канал к каждому хутору. Значит - щебёночные дороги. Что по ним будет ездить? Паромобили? Но они громоздкие и капризные в эксплуатации. Значит - лошадь?

Грузонапряжённость между городами такой сети должно для железной дороги хватить.

Причём, заметьте, урбанизация началась задолго до индустриальной эры!

Очень ограниченная. Даже в Италии позднего средневековья (самый развитый регион планеты на тот момент) процентов 20 от силы, а в других местах значительно меньше. Люди живут там где есть ресурсы. А если ресурсы размазаны тонким слоем по территории (а так кроме последних двух столетий всегда и было) - концентрироваться в одной точке не очень получается.

 

Рим тот же пережил несколько эпох, включая цивилизацию, его породившую.

Рим был мегаполисом пока был центром гигантской империи. Как империя исчезла - город конечно остался, но мегаполисом быть перестал. Мегаполис - убыточен, может жить только на потоке ресурсов из вне.

Неправильное у Вас ощущение. Поинтересуйтесь экономическим вкладом, допустим, Нью-Йорка в экономику США. Или Лондона - в британскую.

Это очень странный вклад. Что конкретно там производится физически? Подавляющая часть этого вклада - циркуляция денежных знаков и проедание ресурсов поступающих из вне без создание чего-то полезного. Масса людей занимающихся неизвестно чем и неизвестно для чего. С точки зрения физической экономики - это по сути чёрные дыры, поглощающие людей и ресурсы без всякой отдачи. Реальная основа нашей цивилизации (промышленность) в своей массе находится совсем не в мегаполисах.

Ну, например, невозможно производить трудоёмкую и высокотехнологичную продукцию: для них просто не хватит рабочих рук

Дубна, Снежинск, Саров. Более сложные производства и виды деятельности, чем те, которые имеют место там представить сложно. И все перечисленные - вовсе не мегаполисы.

Например, резко возрастают расходы на транспорт, длинные производственные цепочки, и вслед за ними, высокотехнологичные производства станут невыгодными.

Наиболее сложные изделия промышленности кстати к подражанию транспорта, как ни странно, наименее чувствительны. Килограмм микросхем стоит дороже килограмма золота. Их будет рентабельно возить даже на осле. А вот транспортировка массовых грузов с невысокой удельной стоимостью - проблема. Поэтому куда важнее цена транспорта для зерна, кирпича, цемента, удобрений, а не высокотехнологичной продукции. Для высокотехнологичной существеннее население и полный объём рынка. Но  если не решить проблему логистики этих массовых дешёвых продуктов - не будет ни населения, ни рынка, ни хайтека. А её решение при удорожание транспорта - приближение людей к источнику ресурсов, а не концентрация их в удалённой от них точке.

Дальше. Коммуникации. Термин "уплотнительная застройка" Вам не знаком? Так вот, строители в России предпочитают лепить свои халупы где угодно, но лишь бы в городе, даже во дворах, где они уже есть или где их можно провести с минимальными затратами. Именно потому, что прокладка труб и кабелей влетает в копеечку. А в Вашем случае коммуникации надо подводить к каждому дому. Да в том мире просто металла не хватит. А полностью автономный дом, с солнечными батареями и аккумуляторами/как часто надо будет их менять?/, тепловыми насосами и массой сложных инженерных систем будет просто не по карману подавляющему большинству населения. Он и сейчас то мало кому по карману.

И тем не менее инфраструктура малого города в расчёте на человека обходится неизмеримо дешевле, чем мегаполиса. В этом легко убедиться,сравнив бюджеты того и другого. Возьмём г. Бобров с населением 20500 человек (есть такой город в Воронежской области) в нём преобладает низко этажная застройка. Расходная часть бюджета города (http://muob.ru/aktualno/npa/postanovleniya/397758.html) в 2015 - 224.9 млн. руб. Итого 10971 руб./чел. Город для жизни вполне пригоден, т.е. как минимум для решения инфраструктурных проблем хотя бы в минимальном варианте этого хватает.

Теперь посмотрим на мегаполис Москву. Население - 12.3 млн. человек. Расходная часть бюджета (http://budget.mos.ru/exp_fkr) в 2015 -  1633 млрд. руб. Т.е. 132764 руб./чел.

Различие в 12 раз! И на самом деле такой разрыв вполне закономерен, при повышение концентрации людей начинают возникать проблемы, которых при малой плотности просто нет вообще. И их решение обходится очень не дёшево. Ну не нужен при малой плотности ни подземный метрополитен, ни многоэтажные развязки, дороги могут быть поуже и попроще и т.д. А в сумме это и приводит к таким чудовищным разрывам в стоимости обслуживания инфраструктуры.

[AlexAV]

Я не предлагаю заменять поля небоскрёбами без обладания достаточным количеством дешёвой энергии.
Я предлагаю заменить поля - теплицами - фитотронами и климатронами, где контролируется климат поступление удобрений, состав воздуха, влажность. Где всё выращивается на гидропонике и аэропонике, на искусственных субстратах и совсем без почвы, где рециркулируется вода и солевые растворы, где все канализационные стоки и остатки растений перерабатываются в удобрения и топливо.

Гидропоника, как ни странно,  замыкание сельского хозяйства по биогенам не облегчит, а наоборот затруднит. Вынос биогенов происходит по двум каналам - эрозия почв и вынос с продуктами растениеводства (зерно содержит фосфор, калий, азот, микроэлементы и когда мы это зерно вывозим, вмести с ним мигрируют и они).  Далее они неизбежно окажутся в канализационном стоке. В случае обычных агроценозов возврат биогенов из канализационного стока проблемой не являетсяю Осадки канализационного стока можно просто вывести в поля и запахать (ну может быть предварительно обеззараживая, что обычно делается добавкой извести и стоит тоже не слишком дорого). В какой форме там находятся эти биогенные элементы - неважно, растения прекрасно рассеянные элементы могут извлекать. Единственная сложность - транспортные плечи. Когда пища потребляется в Москве, а выращивается под Урюпинском, то таким образом биогены будут мигрировать  из почв Урюпинска (где они нужны)  в сточные коллекторы Москвы (где для них никакого применения нет). Транспортировка же больших объёмов такого низкоконцентрированного удобрения на большие расстояния на экономику процесса может повлиять весьма негативно (кстати это одна из причин почему это сейчас делается лишь в очень ограниченном масштабе). Но это уже о вреде чрезмерной концентрации населения при рассеянных ресурсах.

С гидропоникой хуже. Там вам нужна не тонна непонятно чего с несколькими килограммами фосфора, азота и т.д., а чистый фосфыты, нитраты или соли аммония и т.д. для составления рецептурных смесей. Выделение чистого фосфата из канализационных осадков - совсем не тоже самое, что вывезти эти осадки в поле и запахать. Это куда более затратная процедура. Но это половина проблемы. Растением нужен не только азот, фосфор, калий, но и микроэлементы - цинк, медь, молибден, даже такие редкости как селен. В агроценозах с микроэлементами проблемы возникают редко и как правило из-за их низкой подвижности, а не недостатка в почве. Потребность растений в элементах обычно хорошо согласована с их кларками и их дефицит редок (исключение кстати фосфор, который будучи элементом сравнительно редким, требуется живым организмам в очень больших количествах, вообще фосфор - самый странный элемент биосферы). И это всё придётся добавлять в рецептурные растворы в форме чистых соединений. А потом регенерировать из стока (или ещё откуда то брать). Как выделять молибден в чистом виде из канализационных осадков - совершенная загадка. Даже медь с цинком - огромная проблема. Вывезти их в поле - куда легче.  

Вообще если и существует способ решения этих геохимических проблем в сельском хозяйстве, то тут я полностью согласен с Nucleosome - он лежит в детальном понимании геохимических циклов и в конструирование агроценозов в природоподобной форме с естественным замыканием по биогенам (за счёт подбора видов, ландшафтов и т.д., а не за счёт грубых индустриальных методов). В конце концов естественная наземная же биота с проблемой биогенных элементов как-то справляется уже сотни миллионов лет и демонстрирует ведь при этом гигантскую продуктивность.

[AlexAV]

к сожалению нет там про средиземное море отдельно, но на стр 10, есть диаграмма по аквакультуре - и она очень сильно пошла вверх - прям революция почти как неолетическая  (шутка)

Помимо основной функции (т.е. производства продуктов питания) морская аквакультура (по крайней мере водорослей и фильтраторов) - ведь ещё и геохимический канал переноса фосфора из океана на сушу. Полностью проблему в современном объёме он скорее всего не закроет, но хоть что-то. Т.е. её значение может быть даже глубже и фундаментальнее ещё одного источника пищи.

[AlexAV]

Я уже говорил, что в стационарной цивилизации добыча металлов имеет целью компенсацию потерь элементов, выпадающих из технологических циклов. Много их не надо.

Хорошо рециклятся только элементы использующиеся в виде массивных деталей, вроде электродов свинцовых аккумуляторов, ювелирных изделий и т.д.  А когда речь о тонких плёнках и малых примесях в сплавах - то регенерация становится гигантской проблемой, чрезвычайно затратной и во многих случаях сложно разрешимой. Проблема в том, что большинство редких элементов так и применяются. Даже по рению (мягко говоря не самый дешёвый элемент) рециклингом удаётся покрыть только 50% потребностей (http://idc-met.com/analitika/poleznaya-informatsiya/pi/renij-tekhnologicheskaya-i-kon-yunkturnaya-informatsiya.html). А его применяют не в ширпотребе, а в военных и промышленных приложениях, где сбор и рециклинг организовать проще всего.

Тотальный рециклинг позволит сократить потребность в добычи редких элементов в несколько раз от современного уровня, но не более. Далее только даунгрейд техники останется.

Вообще масштаб бедствия с редкими элементами сильно недооценивается. Чтобы оценить насколько всё печально, можно посмотреть на такой элемент как галлий. Галлий в силу особенностей геохимии собственных месторадений практически не образует и уже сейчас мы его вынуждены добывать из бокситов с кларковым по сути его содержанием (попутно с алюминием). Галлий - сам по себе элемент сравнительно распространённый. В земной коре его в 1.3 раза больше, чем свинца, в 8 раз чем олова, в 18 - чем молибдена, в 260 - чем серебра, и всего в 2.8 раз меньше, чем меди.

И что мы имеем для такого не особо экстремально редкого элемента, к тому же в силу химических свойств довольно легко извлекаемом попутно с алюминием? Мы едва-едва можем наковырять чуть менее 200 тонн галлия в год (http://www.metaltorg.ru/analytics/publication/index.php?id=3785). Низкая доступность галлия и его высокие цены являются существенным ограничивающим фактором для его технического применения (в тех же солнечных батареях соединения галлия как полупроводники куда интереснее кремния, но дефицитность галлия не позволяет им стать массовым продуктом). А в каком количестве будет доступен какой-нибудь вольфрам с его распространённостью в 18 раз ниже? В количестве единиц тонн? А ведь современная потребность в вольфраме около 75 тыс. тонн. Здесь уже никакой рециклинг не спасёт. Практически невозможно его осуществить на 99.9999%. Про какое-нибудь серебро с селеном лучше вообще не вспоминать. Даже цинк, медь, никель, если ориентироваться на галлий и их кларки, будут доступны в количестве в лучшем случае порядка одной тысячи тонн. А потребляются в количествах 13.6 млн.т, 16.5 млн.т и 1.8 млн.т. соответственно. Никакой рециклинг потребность в первичной добычи в 10 тыс. раз не уменьшит, это совершенно нереально.

Но перечисленное - ещё половина проблемы. Вторая половина - что реально все эти редкие металлы извлекать не самостоятельно, а лишь попутно с чем-то. А алюминий и сталь потенциально рециклить проще,чем большинство редких элементов. Собрать старую алюминиевую проволоку несравненно более проста задача, чем собирать стружку инструментальной стали и пытаться оттуда вернуть вольфрам. А значит при увеличение рециклинга проблема дефицита редких элементов будет в определённом смысле даже усиливаться, т.к. сокращение потребности в первичном железе и алюминии будет идти быстрее (а все редкости придётся извлекать только попутно с ними, то что попутно извлечь не получится - будет вообще практически недоступно), чем сокращение  потребности в редких элементах.

Даунгрейд совершенно неизбежен, попросту невозможно потреблять столько редких элементов, сколько потребляем мы сейчас. Причём разрыв между нашими текущими потребностями и тем, что потенциально можно извлекать из пород с кларковым содержанием, столь гигантский, что никакой рециклинг здесь не спасёт.

[AlexAV]

EROI кукрурузы, только в определенных мместах США (в кукурузном поясе) достигает 1,3

Не кукурузы, а спирта из кукурузы.

И это полный, с учётом в всех косвенных затрат, причём для современного американского способа ведения сельского хозяйства, который больше похож на гидропонику под открытым небом, с гигантским объёмом вовлекаемых удобрений. Плюс конечно для спирта экономику сильно портит очень энергоёмкий процесс его ректификации.

Вот только получение этилена из воды и углекислого газа очень хорошо если будет иметь EROEI хотя бы 0.5 (даже по прямым затратам энергии, а с учётом дорогостоящего оборудования скорее ещё в разы ниже) и он в любом случае в разы проигрывает этилену из кукурузного этилового спирта.

[AlexAV]

По ночам мощность ядерного реактора можно использовать для освещения вертикальных ферм и улиц - большой город никогда не спит.

Это и есть неэффективное использование энергии. Уран тоже не безлимитный.

Ресурсов полно /земная кора/. Вопрос - как их взять. Надо много дешёвой энергии. ЗЯТЦ и УТС, в принципе, это позволяют. С ещё кое-какими ухищрениями. Итак: уран + тория + литий + ГЭС и прочие возобновляемые источники, где это выгодно + максимальная замкнутость и вообще ресурсосбережение. Как то так.

Литий - под большим вопросом. Чистая термоядерная энергетика не выглядит не только дешёвой, на даже просто приемлемой по себестоимости (в гибридном реакторе источник энергии - то торий или уран, а не литий, термоядерный компонент только нейтроны даёт, а его вклад в общее выделение энергии незначителен).

Что касается тория и урана. Для урана возобновляемым источником является морская вода. Однако брать от туда уран условно вечно можно лишь в том случае, если оставаться в пределах тех лимитов в рамках которых океан пополняется им через речной сток, это около 15 тыс. т . в год. Торий (несмотря на то, что его в земной коре больше, чем урана) - элемент куда более рассеянный и имеющий значительно меньшую склонность концентрироваться в количествах пригодных для извлечения, и его доступные количества вероятно будут меньше чем урана. Его возобновляемый источник - тяжёлая фракция песков, прежде всего монациты и цирконы.  Точные объёмы их образования не встречал, но с учётом довольно скромных  объёмов месторождений тория, около 1.4 млн. т. (которые как раз в основном этими песками и представлены), - не очень много. Возможно сотни тонн в год (они всё же формировались минимум несколько тысяч лет). Т.е. при равновесном уровне потребления в долгосрочной перспективе реально можно рассчитывать на 7 - 8 тысяч тонн ядерного топлива в год (весь сток полностью не возьмёшь). Для семи миллиардов человек приблизительно по 1 грамму урана на человека в год. По энергосодержанию это приблизительно 2 т.н.э. на человека. Прибавка солидная, но вовсе не такая большая, чтобы энергией можно было бы разбрасываться на всё, что угодно. Это кстати меньше, чем потребляется сейчас в большинстве развитых стран (скажем в Германии - 4 т.н.э на человека, США - 7 т.н.э. на человека), впритык даже для базовой индустрии, выщелачивать редкие элементы из горных пород лишней энергии точно нет (а уж освещать вертикальные фермы - тем более ).

[AlexAV]

Литий - под большим вопросом.

Наденем розовые очки, и посмотрим, что у нас с литием. Возобновляемый источник лития - морская вода. Сток лития в океан приблизительно 114 тыс. т. в год, всего в сумме. Из него лития-6 - 8,6 тыс. т/ год. Вот он возобновляемый потенциал для тритиевой термоядерной энергетики. Пусть мы берём половину, т.е 4.3 тыс. т/ год, при население в 7 млрд. - 0,6 грамм на человека. Получается приблизительно 5 т.н.э. на человека. Больше чем с урана, но тоже совсем не бесконечность.

[AlexAV]

Мегаполисы всё равно будут. Чтобы их не было нужно условие что государство отсутствует. Просто управляющий аппарат, плюс более сильная экономика - за счёт того что налоги концентрируются в столице, торговый центр. Обслуга для всего этого и тд. Тем самым утопии разумеется не выйдет.

Само собой. Такого вида мегаполисы за счёт внешнего притока ресурсов существовали и в классических обществах - Рим периода Империи, Константинополь, Багдад (в период халифата), Пекин (периода Минь скажем), Теночтитлан. Но доля проживающего в них населения от общего была невелика, точно так же они не были основой экономики, скорее её проблемой.

[AlexAV]

Дерево не простоит 500-1000 лет. Даже деревянных строений в 200-300 лет очень мало.

Так для большинства зданий и сооружений такая долговечность и не нужна (жилых домов, торговых помещений и т.д.). Есть конечно сооружения, где это может быть существенно, но их не так много в общей массе (ну и понятно, что их и будут строить из иного материала).

[AlexAV]

В мегаполисе можно перемещаться на трамваях, метро, велосипедах и просто пешком. А при рассредоточенном населении без личного автотранспорте не обойтись. Причём для жителей сельской местности - не обойтись без джипов и пикапов с мощными двигателями. Да и горожанам, как показывает опыт Америки, без автотранспорта никак. Который один будет потреблять энергии больше, чем все небоскрёбы.

Можно посмотреть на какой-нибудь реальный мегаполис и посмотреть насколько это на самом деле энергоэффективно с учётом всех затрат. Наиболее близко к описанному Вами подходит город-государство Сингапур. По статистике BP там потребляется 80.2 млн. т.н.э., а население составляет 5.535 млн. человек. Т.е. в итоге 14.5 т.н.э. на человека в год.

Куда там расточительным американцам с их субурбаном и потреблением около 7 т.н.э. первичной энергии на человека, или нам в холодном климате и мощной химической промышленностью и металлургией (в России их вклад в общее промышленное производство очень велик, а это самые энергоёмкие отрасли промышленности) с потреблением 4.7 т.н.э. первичной энергии на человека до настоящего высокотехнологичного и "энергоэффективного" мегаполиса.

И это ещё никто вертикальных ферм не строит и индий из суглинка не добывает. Мегаполис - по факту самая расточительная форма организации человеческого населения. Если у нас дефицит энергии - то это совсем не то, что нужно. Собственно в нормы потребления Сингапура даже с ЗЯТЦ вписаться будет практичеки невозможно при современном население земли.

[AlexAV]

По урану в океанической воде неправильные прикидки. Извлекать его можно из морской воды сотнями тысяч и миллионами тонн в год, и содержание не будет существенно меняться с течением времени. Потому что основной поставщик урана в океаническую воду - это НЕ сток с континентов. А в первую очередь, гидротермальная активность срединно-океанических хребтов, прокачивающая через верхнюю мантию земли сотни кубокилометров воды в год. Отсюда, поступление урана в океаническую воду может быть, в случае нарушение равновесного содержания урана в воде, сотни тысяч тонн в год.

Нет. Приведённая оценка из геохимического времени пребывания урана в морской воде (300 тыс. лет) и его общего количества там. И определяется оно по скорости потери урана из морской воды в донные осадки. Т.к. уран в морской воде находится в равновесии - сток равен притоку из всех источников (не важно реки это или гидротермы). И величина этого притока - около 15 тыс .т. Если брать больше - концентрация урана в морской воде будет падать практически до нуля (если меньше - тоже падать, но ограниченно, до нового равновесного значения ниже современного).

Кстати реки приносят в океан элементов всё же больше, чем гидротермы, к тому же породы дна океана ураном чрезвычайно бедны, намного беднее континентальных пород, там этим гидротермам его вообще брать практически неоткуда.

Не надо как шаман повторять фразу "полный рециклинг невозможен". Элемент-то ведь с Земли никуда не деваются. Значит, нужно всего лишь пересмотреть методы пользования редкими элементами.

С увеличением глубины извлечения затраты начинают катастрофически увеличиваться. Имея бесконечное количество энергии можно обеспечить конечно и полный рециклинг, вот только нет этого бесконечного количества бесплатной энергии. И реальные экономические ограничения делают глубину рециклинга всегда конечной.

[AlexAV]

Кстати реки приносят в океан элементов всё же больше, чем гидротермы, к тому же породы дна океана ураном чрезвычайно бедны, намного беднее континентальных пород, там этим гидротермам его вообще брать практически неоткуда.

Отсюда (http://portal.tpu.ru:7777/departments/otdel/publish/izdaniya_razrabotanye_v_ramkah_IOP/Tab/geohimiya_radioaktivnyh_elementov_zac.pdf):

Основная масса урана и органического вещества, как и основная масса терригенного материала, осаждается в переферийных зонах морей и океанов, в пределах шельфов и океанических склонов. По этой причине в конечных бассейнах стока происходит преимущественно регенерация фоновых концентраций урана, характерных для для пород площадей водосбора и земной коры в целом. Среднее его содержание в морских и океанических осадках составляет 3 г/т. Это показывает, что в современных условиях основным источником урана в Мировом океане является терригенный сток.

[AlexAV]

Как то обсуждал с одним товарищем репликатор, начали с минимально необходимого количества химических элементов. Сошлись на 25.

Ну биологический организм (единственный известный нам работающий саморепликатор ) видимо потенциально может обойтись углеродом, водородом, кислородом, азотом, серой, фосфором, натрием, калием (хотя возможно уже не обязательно, некоторые микроорганизмы вместо него вроде как аммоний могут использовать), магнием (необходимый компонент ферментов синтеза нуклеиновых кислот) и, возможно, железом. Т.е. 8-10 элементами. Но по факту использует половину таблицы Менделеева, включая весьма редкие элементы как селен, иод, молибден, олово (правда в очень малых количествах, хорошо согласованных с кларками). Видимо разнообразие всё же даёт заметные преимущества.

[AlexAV]

Учитывая, что запасы сульфидов (включая мантию и ядро Земли) составляют около 2,9 % от массы планеты, данная технология может представлять собой практически неисчерпаемый источник энергии

Э... Ну в ядре планеты серы конечно полно, вот только польза от этого какая? Ну хоть потенциально? Всё что ниже литосферы вообще фактически недоступно. А в литосфере серы мало и она в основном сульфатная, а не сульфидная (о сероводороде и говорить нечего).

Попутно советую погуглить содержание сероводорода и сернистого газа в вулканической лаве, и сколько этих газов выделяет среднестатистический вулкан за 1 минуту извержения.

Выделение всех видов серосодержащих газов при вулканизме эквивалентно около 14 млн.т. серы в год (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/96JD03265/pdf), причём сероводорода среди них лишь очень небольшая часть, в основная - диоксид серы. Эта цифра в масштабах индустриального потребления серы сама по себе не очень большая, к тому же взять все 14 млн. тонн (и даже проценты от него) технически невозможно. Они размазаны по сотням тысяч квадратных километров вулканических районов.  Как значимый индустриальный источник серы вулканические газы не годятся.

Вот в  глобальном цикле серы они действительно играют ключевую роль,  если бы не вулканические выбросы, то с серой была бы столь же печальная история, что и с фосфором. 

[AlexAV]

Читать рекомендованную в википедии статью Алекс то ли не хочет, то ли забанен в вики

Википедия - источник очень низкокачественный, там регулярно попадается откровенный бред. Утверждения оттуда надо всегда проверять по первоисточникам.

Вот кстати в той ссылке, которую вы указали утверждение

данная технология может представлять собой практически неисчерпаемый источник энергии

и есть пример откровенного бреда. Наглядная иллюстрация, так сказать. Если Вы это имеете ввиду.