alex_odessa (alex_odessa) wrote in i_future,
alex_odessa
alex_odessa
i_future

2014: когда наступит технологический тупик?

Перепост: http://slon.ru/biz/1038030/

Slon выбрал четыре важные отрасли, от авиации до строительства, где человечество подобралось к пределу технологических возможностей. Что дальше – угасание или новый взлет?

Начало второго десятилетия XXI века ознаменовалось колоссальными достижениями в области ИТ. Больших успехов добилась молекулярная биология, мы стали гораздо лучше понимать природу живого. Есть несомненные успехи в энергетике, появляются новые решения, которые могут здорово изменить мир. Но есть и области, в которых прогресс практически остановился либо внутренние проблемы грозят его затормозить в самое ближайшее время. Это рассказ о четырех технологических тупиках и о поле для новых решений и революционных идей. 

Межпланетные полеты

Хотя уже тысячи человек желают отправиться на Марс даже с билетом в «одну сторону», а еще больше готовы хотя бы пролететь мимо Красной планеты, скептики уверяют, что это пока невозможно. Причины – длительность полета, более 500 суток туда и обратно, и сильное радиоактивное поражение людей за столь длительный полет. То есть даже при полете «туда» на Марс высадятся весьма больные люди, получившие изрядную дозу радиации.

Ни о каких полетах к астероидам или еще дальше и речи не может идти. При той скорости, которую наши ракеты способны развить, мы ограничены в своих устремлениях одной Луной, куда можем добраться за несколько суток. Наши ракеты, использующие химическое топливо, достигли предела своего развития.

Ракета летит за счет выброса так называемого рабочего тела из сопла. Следуя заветной школьной формуле расчета кинетической энергии Ek = mv2/2, видим, что увеличение скорости ракетного выхлопа вдвое увеличит энергию в четыре раза, а вот удвоение массы выхлопа при сохранении той же скорости даст только удвоение. Отсюда мы приходим к важному выводу: если нас устраивает уровень кинетической энергии, то, увеличив вдвое скорость выхлопа, мы можем сэкономить на массе выбрасываемого «рабочего тела», то есть сделать ракету легче (и дешевле). К сожалению, лучшее на данный момент топливо – водород, горящий в чистом кислороде, – может дать скорость истечения из сопла ракеты чуть больше 4 км/с. Этого слишком мало: чтобы выйти на околоземную орбиту, нужно разогнаться до скорости 8 км/с.

Всем хорош водородно-кислородный двигатель: он и мощен и экологичен, ведь продукт сгорания – чистая вода. Он может быстро разгонять ракету, отправляющуюся к Марсу. Но вот беда: очень скоро закончится топливо. К сожалению, согласно формуле Циолковского, для достижения так называемой второй космической скорости 11,2 км/с космическим кораблем массой 10 тонн потребуется около 500 тонн топлива и окислителя. Это, конечно, меньше стартовой массы ракет-носителей «Сатурн-5» (почти 3000 тонн, США) или «Энергия» (2400 тонн, СССР): такие более легкие ракеты в теории (только в теории) могли бы разогнать до межпланетной скорости полезную нагрузку около 55 тонн, но ни о каких быстрых космических полетах речи и быть не может. Например, чтобы долететь до Марса за 30 дней со скоростью 90 км/с, космическому кораблю массой те же 10 тонн на водородно-кислородном двигателе потребовалось бы более 10 млрд (!) тонн топлива.

Эти рокочущие гиганты не увезут нас дальше Луны

Существуют электрические ионные двигатели, которые имеют очень высокую скорость истечения рабочего тела, в десять-двадцать раз выше, чем у химических ракет. Лидером такой технологии (так называемых холловских ионных двигателей) был СССР, еще в 1972 году она была испытана на борту космического зонда «Метеор». Сейчас такие двигатели активно использует Европейское космическое агентство, приглядывается к ним и NASA. Но и тут есть ограничения: тяга у этих двигателей крайне мала, она едва бы разогнала легковой автомобиль до 100 км/ч за двое суток. Хотя в результате ракета способна разогнаться до 100 км/с! Но на это опять-таки уйдут годы, и поэтому этот двигатель хорош для дальних автоматических миссий.

Таким образом, в зоне досягаемости человека остается только наша Луна, которая может представлять практический интерес – и как место размещения опасных производств, и как гигантская электростанция, и как удивительный туристический объект. Ученые могут построить там уникальные обсерватории, которые заглянут в самые глубины Вселенной.

Резюме. У нас нет ракетного двигателя с нужной скоростью выхлопа. И физика химических двигателей не позволяет нам надеяться на то, что такой двигатель будет создан.

Возможные выходы. Решения могут быть связаны с двумя идеями. Первая – это использование двигателей, работающих на другом физическом принципе. Ключевое слово – «физическом». Забудем про химию! Нужны атомные двигатели, разогревающие рабочее тело не до 3000 градусов, как в водородно-кислородном двигателе, а до сотен тысяч и миллионов. Тогда и скорость будет. А возможно, есть смысл сразу разрабатывать термоядерные двигатели, как предлагают американские инженеры. Они позволят долететь до Марса космическому кораблю массой 150 тонн за 30 суток. Это совсем другие сроки. Возможно, есть и другие решения. 

Вторая идея – это освоение Луны. До Луны вполне можно долететь на имеющихся ракетах. А вот с нее можно стартовать уже на атомной ракете или импульсно-термоядерной. Там можно проводить разнообразные тестовые испытания, сделав Луну нашим главным космическим полигоном. Может быть, кто-нибудь придумает и другие применения для нашего спутника.

Гражданская авиация

Посмотрите на фотографии самолетов начала ХХ века и середины 1960-х годов. Впечатляющий разрыв, торжество прогресса. А теперь – на фото лайнеров 1960-х и 2000-х. Даже самых новых. Ничего удивительного, великий «Джамбо», B-747 совершил свой первый полет в 1969 году. И выпускается в различных модификациях до сих пор. Лишь спустя 36 лет, в 2005-м, поднялся А-380, превосходящий В-747 по своим размерам.

«Илья Муромец», Boeing 747, A-380. Их разделяют десятилетия

В гражданском небе блеснули и ушли сверхзвуковые Ту-144 и «Конкорд». Новые самолеты самых разных производителей стали похожи друг на друга как капли воды. Одинаковая вместимость, одинаковая компоновка, близкая скорость, высота полета. Законы аэродинамики, термодинамики, физика и химия топлива диктуют инженерам примерно одинаковые решения.

Тупик вырисовывается не только в форме, но и в размерах самолетов. Европейские инженеры, создавая А-380, столкнулись с конфликтом коммерческой эффективности своего самолета и его летных характеристик. Проще говоря, самолет нужно было сделать достаточной прочности, но при этом не превращать его в шестимоторный гигант вроде Ан-225 «Мрия». Облегчение самолета достигалось применением углепластиков (около 25% от всех конструкционных элементов), а также особых технологий металлообработки силовых элементов.

Но похоже, что рост размеров самолетов надолго остановится – экономистам представляются более выгодными самолеты меньшей вместимости, но большей дальности беспосадочного перелета, способные садиться на самых разных аэропортах, даже с небольшими взлетно-посадочными полосами. Примерами такого решения являются Boeing-787 Dreamliner и A-350, рассчитанные на перевозку 250–350 пассажиров на расстояние более 15 тысяч км. Инженеры видят будущее авиации как раз в изменении используемых материалов, включая «самозалечивающиеся», основанные на достижениях нанотехнологий, микропористые материалы, пузырьки в которых заполнены быстротвердеющим веществом. В случае образования микротрещин это вещество заклеит трещину, не позволяя ей расширяться.

Уже довольно скоро самолеты будут оснащаться системами микродатчиков, которые позволят бортовому компьютеру еще лучше оценивать состояние воздушного потока вокруг самолета. Таким образом, авиация станет более надежной и безопасной. Но вот экономическая и прочая эффективность полетов улучшится незначительно. Поскольку замены авиационному керосину не предвидится, а рост цен, судя по всему, сохранится, все будет происходить согласно знаменитому правилу из «Алисы в Стране чудес»: «Чтобы оставаться на месте, надо бежать»

Резюме проблемы. Прорывов в структуре транспортных потоков пока нет. Авиация станет чуть лучше, немного безопаснее, но в целом останется такой же, как и 50 лет назад.

Возможные выходы. Принципиально новым продуктом может стать полет от дверей до дверей. Летательные аппараты нового типа вроде немецкого 18-винтового вертолета обладают высокой устойчивостью и надежностью даже в случае отказа части винтов или столкновения с преградой. Такие аппараты могут стать реальными воздушными такси и в городе, и в сельской местности. Вообще, появление легких в эксплуатации и управлении летательных аппаратов на несколько пассажиров, своего рода «летающих телег», позволило бы обойти проблему с дорогами в тех странах, где она стоит особенно остро.

Ипотечная петля

Есть старая литовская присказка: кирпичный дом стоит 300 лет, а каменный – вечность. Столетиями старый каменный дом был символом хорошего, добротного жилья, в котором проходила жизнь поколений. Но в ХХ веке обнаружилось, что старый каменный дом не столько решает, сколько создает проблемы. Точнее, изменившийся стиль жизни поставил перед жильем новые требования и привычный каменный дом перестал им отвечать.

С одной стороны, старые дома стали пронизывать новые коммуникации. 100 лет назад в обиход повсеместно стало входить паровое и водяное отопление, стали тянуть электрические провода и телефонные сети. В конце ХХ  – начале XXI века пришла очередь оптико-волоконных кабелей. Потребовалось усиливать электропроводку, а с другой стороны, появились новые требования к теплосбережению зданий.

Но и люди в домах стали меняться. Резко увеличилась мобильность людей, стали меняться их потребности. Например, еще 25 лет назад не только в СССР, но и во многих развитых странах мира дети после совершеннолетия и даже после брака оставались жить в родительском доме (чаще всего там, где жили родители мужа). Была и другая тенденция – строительство своего дома, – которая, однако, по прошествии лет приводила к тому, что стареющее поколение оказывалось в доме одно, теряя способность ухаживать за собой. Внуки, которые эти дома наследовали, зачастую обнаруживали жилище, которое совсем не соответствовало их вкусам и нуждалось в серьезном ремонте или перестройке.

Рост потребности в жилище в развитых странах привел к ситуации, когда обычная средняя семья становится заложником ипотеки (это еще более ярко выражено на постсоветском пространстве). С одной стороны, это логично: больше спрос на жилье – выше цены. Но возникает проблема: высокие расходы на ипотеку мешают людям активно приобретать другие товары, что может тормозить экономику в целом; это заметно даже в таких процветающих странах, как Швейцария. А вот полвека назад такой проблемы просто не было. В тех же США квалифицированный рабочий мог заработать на типовой индивидуальный дом за три года. Все остальное время он тратил деньги на обычное потребление, вкладывая их в экономику родной страны.

Старые «хрущевки» проще снести, чем трансформировать. Это тоже стоит денег.

«Ипотечные ножницы», выражающиеся в постоянном росте цен на жилье, опережающем рост доходов, проистекают в том числе и из-за торможения технологии строительства. Мы по-прежнему стремимся жить в каменных домах. Наши многоэтажки – все те же бетонные коробки (монолитного или панельного типа), и даже загородное жилье строится по этому же принципу. А опустевающее старое жилье не находит жильцов, его требуется сносить и все строить заново.

Если не найти решения в области строительства, то ипотечная удавка будет висеть камнем на шее среднего класса, который в потребительском смысле рискует превратиться в низший класс, работающий только для того, чтобы оплатить себе крышу над головой. Что остается? Вернуться к старой модели «одна квартира – три поколения»?

Резюме проблемыСтремление населения к комфорту и индивидуальному жилью приводит к росту цен на жилье (в том числе ипотеку), но ввергает многих в пожизненную финансовую яму, лишает их возможности наслаждаться комфортной и разнообразной жизнью.

Возможные выходы. Чтобы дом был приемлем и для старого поколения, и для молодого, необходимо использование таких конструкционных материалов, которые позволяют произвести перестройку здания с наименьшими потерями. В Финляндии все большей популярностью пользуются конструкции из стали и стекла. Они могут быть на 100% утилизированы и легко трансформированы. В США таким же путем пошли в области индивидуального домостроения. 

Вообще, в индивидуальном строительстве речь идет о зданиях, в которых легко возможна трансформация пространства – например, общее помещение легко может быть трансформировано в парный дом с двумя отдельными входами, кухнями, банями и пр. Такие дома уже разрабатывают латвийские инженеры-домостроители. Дом должен быть гибким, способным к радикальному изменению своих свойств. Тогда одно и то же здание можно было бы трансформировать для нужд новых жильцов с сравнительно невысокими затратами. Это в том числе облегчит обретение собственного жилья для новых поколений.

Еда или мусор?

Голод был непременным спутником человечества на протяжении всей его истории. И до сих пор в той же Африке или Азии голодают миллионы человек. Но в развитых странах голод вроде бы отступил. Мало того, возникла совершенно удивительная проблема – еда стала напрямую превращаться в мусор.

Массово производить пищу экономически эффективнее, именно массовое производство позволило во второй половине ХХ века отодвинуть угрозу голода. И речь не только об увеличении урожаев, но и об увеличении выхода готовой продукции. Промышленное производство – это и широкая дистрибуция. Но так же и изменение рецептуры, необходимость добавлять в продукт стабилизаторы и консерванты.

Массовое производство и доступность дешевой еды рождает другую проблему – это растущее количество еды, выбрасываемой в мусорное ведро. По данным Министерства сельского хозяйства США, жители США выбрасывают в мусорку около 27% пищевых продуктов, приобретенных в магазинах. Огромное количество продуктов выбрасывается даже в тех странах, где существует культ экономии, таких как Финляндия. Всего в финских домохозяйствах выбрасывается до 160 тысяч тонн еды в год, каждый житель в среднем выбрасывает 23 кг абсолютно съедобных продуктов. Эти гниющие продукты, кстати, выделяют в атмосферу такое же количество парниковых газов, что и 100 тысяч легковых машин.

Но есть еще одна беда. Чтобы сократить количество отходов и заодно повысить рентабельность, производители предпочитают все более мелкую упаковку. Потребители выбирают мелкую упаковку из-за удобства использования и доступной цены единицы товара, но при этом в пересчете на вес стоимость товара может вырасти в 5–10 раз, что крайне выгодно производителю продуктов.

Проблема в том, что упаковка должна отвечать определенным требованиям. Она должна быть непроницаема для влаги, жиров, воздуха, ароматических веществ (это особо важно для упаковки чая, кофе, специй), пыли. Поэтому в упаковке активно используются комбинации бумаги с полиэтиленом, полиэтилентерефталатом, полипропиленом или алюминиевой фольгой, а то и все вместе. Эти материалы обладают исключительной устойчивостью к внешним воздействиям, то есть просто не разлагаются.

Количество мусора в виде упаковки растет фантастическими темпами – до 12% в год и колеблется в диапазоне от 120 до 650 кг на каждого жителя Земли в год. В мире производится каждый год более 100 млн тонн пластиковой упаковки, из которой 10 млн тонн минимум попадает в океан. В тихоокеанской зоне циркуляции образовались гигантские острова из плавающего мусора, площадь которых в несколько раз превышает Британию.

Зачем нужны шикарные яхты, если ходить на них приходится по океану вонючего мусора?

Эта беда не только Тихого океана, в котором есть две таких зоны, но и Атлантического и Индийского. Мусор убивает планктон, рыб, морских животных, служит рассадником бактерий, влияние которых мы даже не можем предсказать. Мы живем, окруженные мусором, и убиваем им все вокруг.

Резюме проблемы. Замкнутый круг: стремление обеспечить потребителя дешевой едой приводит к тому, что потребитель покупает больше, чем нужно, и еда оказывается на свалке. Чтобы помочь ему питаться удобнее, еду пакуют в мелкую упаковку, которая засоряет окружающую среду и ведет к уменьшению пищевых запасов.

Возможные выходы. Простейший рецепт – покупать еду на развес и очень мало – зачастую неисполним в современных условиях. Поэтому стоит, с одной стороны, задача создания быстроразлагающейся упаковки, а с другой – доставки пищи в строго ограниченном объеме. Возможно, стоит всерьез задуматься о новых разновидностях пищи, которую можно производить прямо дома. Нужно что-то придумать и с утилизацией уже плавающего и валяющегося на земле полимерного мусора. И кстати, его огромные объемы уже позволяют считать его месторождениями сырья, которое можно с толком использовать – например, как материалы для 3D-печати.

Tags: аналитика, перспективы
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 45 comments