Фармацевты из этой аптеки Игнасий Лукасевич и Иван Зех занялись перегонкой нефти, пытаясь получить спирт и фармацевтическую мазь. Спирта извлечь не удалось, но энтузиасты выяснили, что одна из фракций нефти при горении дает хорошее освещение. Впоследствии эту фракцию назвали керосином. Тогда они и сконструировали первую в мире керосиновую лампу, имевшую почти все компоненты теперешней - фитиль, резервуар для керосина, расположенный в отличие от существовавших тогда масляных ламп, ниже горелки, фонарь из слюды.
В 1853 году в городской больнице была проведена первая ночная операция при керосиновом освещении.
И. Зех продолжил работы по перегонке нефти. К сожалению, кончились они трагично: в 1858 году в его лаборатории произошел взрыв. В пламени огня погибли помогавшие И. Зеху жена и свояченица. Над их могилой на Лычаковском кладбище во Львове стоит памятник: две прижавшиеся друг к, другу женщины пытаются оторваться от объятого пламенем шара.
В 1873 году на Одесской улице в Петербурге зажглись электрические лампочки Лодыгина с угольным стержнем накаливания. Толпы петербуржцев стремились той ночью посмотреть на новое чудо. Известный изобретатель Т. Эдисон в то время еще и не думал о таком источнике света.
Двумя годами позже Яблочков предложил электродуговую лампу. Ее назвали "русским светом" на Всемирной выставке в Париже в 1879 году. А лампы накаливания приобрели современный вид, когда в 1890 году А. Н. Лодыгин применил нити из тугоплавких металлов - вольфрама и молибдена.
Но вот история делает крутой поврот; пожалуй, слово "история" звучит слишком громко, скорее это исторический курьез. Судите сами. Совсем недавно муниципалитет города Палермо заказал 500 газовых фонарей для замены в центре города электрического освещения газовым.
Причина возврата к этим фонарям не дань моде на старину, а дешевизна газа по сравнению с электричеством.
Решение это не перспективное. Нет сомнений, что разница в стоимости газа и электроэнергии будет со временем изменяться в пользу электроэнергии. Использование люминесцентных ламп с высоким КПД еще больше ухудшит шансы газового освещения. Нет, не дальновидны отцы города Палермо.
Воздавая должное искусственному дневному свету, нельзя забывать о естественном. Авторы цюрихского проекта "Интенсивное использование дневного света" утверждают, что в Швейцарии большинство предприятий используют искусственный свет даже днем. А ведь этого можно избежать.
Так, в некоторых школах Швейцарии (заметьте - новые виды освещения опять апробируются в школах) проходят испытания системы специальных рассеивателей, устанавливаемых на окнах снаружи, которые направляют потоки дневного света в верхнюю часть помещений.
А вот сообщение из Японии. С помощью девятнадцати объединенных в одно целое линз солнечный свет концентрируется и подается в светопроводящий кабель из стеклянных волокон. Он доставляет солнечный свет в туннели, на станции метро, во все темные помещения, которые приходится освещать днем искусственным светом.
Есть предложения о более широком использовании солнечного света не только днем, но и ночью и вечером. Родилось это предложение 50 лет назад и разрабатывается сейчас в нашей стране. В космосе размещается зеркало с регулируемой ориентацией. Солнечный "зайчик" может по вечерам осветить всю Москву. Световой день продлится практически настолько, насколько это необходимо. Ненужным станет искусственное освещение, удлинятся рабочие смены на стройках, облегчится работа транспорта, улучшится здоровье жителей. Согласно расчетам подобная "солнечная лампа" над городом экономически может быть очень эффективной.
Зеленая энергетика
Литр нефти за два литра молока
Ни в одной отрасли нет стольких технологических тайн, как в сельском хозяйстве. С точки зрения энергетика, здесь происходят интереснейшие преобразования различных видов энергии. Многочисленные биохимические и химические взаимодействия в конце концов приводят к созданию пищевых продуктов, дающих калории человеческому организму в виде белков (мясо), углеводов (крахмал, глюкоза), жиров (масло). Совокупность всех этих процессов очень сложна, и многие из них или не могут быть воспроизведены человеком без помощи живой природы, или полученный искусственный продукт энергетически еще очень дорог.
Казалось бы, довольно простое дело - вырастить растение. Почти каждый, даже не связанный с сельским хозяйством, или сажал деревья, или выращивал цветы, овощи. Но когда речь идет не об огороде, а об индустриальном растениеводстве или животноводстве, то возникает множество сложнейших проблем. В каждой тех-, нологической цепочке - свои секреты и тонкости, свои возможности по экономии энергии и повышению эффективности ее использования. Только после длительных лабораторных исследований и опытно-промышленных работ отыскивается оптимальный вариант получения какого-либо продукта. Непросто повысить коэффициент полезного действия сельскохозяйственного производства, обеспечить больше качественной продукции при наименьших затратах энергии и труда.
Справедливости ради нужно сказать, что, например, в химической промышленности не меньше потоков энергии и веществ, чем в сельском хозяйстве, причем все детали и элементы промышленных агрегатов человек здесь должен придумать и сотворить сам. В сельском же хозяйстве во многих звеньях основательно трудится природа, облегчая заботы человека. За миллионы лет она достигла такого совершенства, что улучшить что-нибудь существенно очень сложно. И тем не менее человек продолжает познавать ее секреты, открывать новое в давно, казалось бы, известном.
Например, общепринято, что растительные клетки ассимилируют двуокись углерода только через фотосинтез. Когда на растения воздействует солнечный свет, то фотоны поглощаются молекулой порфиринового кольца, состоящего из атомов углерода, водорода, азота, кислорода. В центре кольца находится атом магния. Так устроено хлорофилловое зерно. Кстати, кислород в гемоглобине крови переносится гемом, в котором в такое же порфириновое кольцо вставлен атом железа.
Продолжим путь по энергетической цепочке растения. Энергия поглощенного светового кванта передается электронам, находящимся на внешних электронных орбитах, на более высоких энергетических уровнях. Эта энергия хлорофиллового зерна запускает длинную цепочку биохимических реаций. На выходе цепочки синтезируется глюкоза, состоящая из шести молекул углерода и такого же количества молекул воды. Отсюда происходит название, данное глюкозе и некоторым другим "сладким" веществам, - углеводы. При данной реакции фотосинтеза выделяется и свободный кислород.
Итак, общепринято, что синтез глюкозы совершается в растениях лишь подобным образом. Однако недавно датским исследователем А. Миллером была высказана гипотеза, что синтез может осуществляться не только за счет солнечного света, а и благодаря тепловой энергии.
Сверху зеленый лист нагревается солнцем, снизу он охлаждается при испарении влаги. Возникает разность температур. Термоэлектрические преобразователи, которыми могут быть биологические мембраны, инициируют ток, вызывающий химические превращения. Если предположение А. Миллера оправдается, то можно и нужно будет разрабатывать новые пути интенсификации синтеза углеводов и повышения КПД этого процесса. Могут появиться, например, и новые направления тепличного растениеводства. С процессом фотосинтеза и его КПД связан более общий вопрос о производительности всего сельского хозяйства.
Действительно, чтобы повысить эффективность использования энергии в сельскохозяйственном производстве, нужно проследить, куда она направляется сейчас.
В сельском хозяйстве трудно определить, где кончается энергетика и начинается агрономия, селекция, борьба за урожайность. И все же попытаемся выделить энергетическую составляющую.
Сельское хозяйство забирает около одной десятой всех добываемых природных энергетических ресурсов - около 160 миллионов тонн условного топлива. С учетом косвенных затрат энергии на различную продукцию и машины для сельского хозяйства эта величина существенно больше. Только для производства аммиака, используемого непосредственно или при получении азотных удобрений, затрачивается около 20 миллионов тонн условного топлива. Так что общая величина энергии, отдаваемой производителям сельскохозяйственных продуктов, скорее близка к 250-300 миллионам тонн условного топлива.
Сколько же энергии получает страна взамен? Мы не ошиблись - именно энергии. Основные "кирпичики", из которых состоят продукты сельского хозяйства, - углеводы и жиры - это топливо организма. Правда, когда его не хватает, в организме в качестве топлива могут использоваться и белки. Поэтому ценность или объем сельскохозяйственной продукции можно выражать в энергетических единицах - килокалориях или даже тоннах условного топлива. Сделаем такую оценку двумя способами.
Первый способ - по потребностям. Человек потребляет в день в среднем 2 тысячи килокалорий, а в год - 700 тысяч. Значит, все население страны 270 миллионов человек - потребит за год 200 триллионов килокалорий пищи, то есть около 30 миллионов тонн условного топлива.
На самом деле, если оценивать объем пищевых продуктов по их производству, эта цифра явно занижена.
Двести миллионов тонн зерна с калорийностью 200 килокалорий на килограмм - это основная часть сельскохозяйственной продукции, дающая 500 триллионов килокалорий. Затем сто миллионов тонн картофеля добавляют еще 80 триллионов килокалорий. Мясо и молоко дают около 50 триллионов. А еще сахарная свекла, подсолнечник, овощи, фрукты. Всего получится около 700 триллионов килокалорий, или 100 миллионов тонн условного топлива.
Что же получается? Потребляется 30 миллионов тонн условного топлива, а производится 100 миллионов. Конечно, цифры приближенные. В подсчетах допущены п различные неточности. Ведь значительная часть зерна используется как корм в самом сельском хозяйстве для получения мяса, молока, птицы, япц. Так что часть зерна учтена как бы дважды. Но как бы то ни было, в стране производится сельскохозяйственной продукции по крайней мере в полтора раза больше, чем потребляется. Думаю, что действительная разница еще больше.
Причины две. Во-первых, часть продукции сельского хозяйства используется не для продовольственных, а для технических нужд, во-вторых, очень большая часть просто теряется при транспортировке, первичной переработке, хранении, продаже, потреблении.
О потерях мы поговорим позже, а сейчас подсчитаем энергетический коэффициент полезного действия всего сельского хозяйства. Вкладывается в него 300 миллионов тонн условного топлива, а производится в нем 100 миллионов. Значит, КПД - 30 процентов.
Правда, до потребителя доходит в два раза меньше - скажем, всего 50 миллионов. Тогда КПД равен 15 процентам. Это очень высокая величина. На самом деле мы пока не учли основной энергетической составляющей - цепочки "солнце - фотосинтез - углеводы".
Над атмосферой земного шара мощность светового потока на квадратный метр - 1,4 киловатта. Для района Москвы при учете длительности светового дня, потерь в атмосфере и облаках в зависимости от географической широты эта величина почти в 10 раз меньше - всего 0,15 киловатт на квадратный метр. Если принять эту величину как среднюю для всей территории СССР, то получим, что 200 миллионов гектаров пашни за вегетационный период получают количество тепла, равное 100 миллиардам тонн условного топлива. Напомним, что продукция сельского хозяйства эквивалентна 100 миллионам тонн, то есть в тысячу раз меньше. Таким образом, усредненный КПД преобразования солнечного излучения в продукцию сельского хозяйства равен всего 0,1 процента. Куда же исчезает живительная сила солнца?
Энергобаланс при выращивании растений выглядит приблизительно следующим образом:
- из всего потока солнечной энергии на листья попадает только 20-30 процентов; - КПД фотосинтеза в полевых условиях - 1,5 - 2 процента; - от трети до половины полученной энергии растение тратит на собственные нужды и благодаря дыханию обеспечивает нормальный ток воды через собственные органы, совершает работу по преодолению сопротивления почвы; - из полученной растительной массы богатые энергией семена или плоды составляют около половины; - еще 10-30 процентов урожая теряется из-за поражения насекомыми и болезнетворными микроорганизмами.
Учет перечисленных потерь объясняет обнаруженную тысячекратную разницу между количеством поступающей солнечной энергии и ее долей, утилизованной в сельскохозяйственной продукции. Задача сельскохозяйственного производства - уменьшить эти потери.
Подведем промежуточный итог. Сельское хозяйство получает от солнца 100 миллиардов тонн, условного топлива, от топливного комплекса - еще 300 миллионов тонн, а энергоемкость производимой им продукции эквивалентна всего 100 миллионам тонн. Мы разобрались, куда "исчезают" 100 миллиардов тонн солнечного топлива, теперь посмотрим, на какие цели тратятся 300 миллионов тонн прямых энергетических затрат.
Мы уже подсчитали биоэнергетический КПД. Без учета вклада солнечной энергии он оказался равным 10- 15 процентам, то есть на каждую пищевую килокалорию затрачивается 7-10 килокалорий первичного топлива.
Для производства 1 килограмма мяса необходимо истратить 12 килограммов условного топлива. Литр молока можно получить, израсходовав пол-литра нефти, а для производства килограмма наиболее ценной части молока протеина - потребуется 25-30 килограммов условного топлива.
Во многих развивающихся странах с хорошим климатом биоэнергетические коэффициенты полезного действия существенно больше. Для некоторых же культур растениеводства они превышают единицу. Например, в Судане при выращивании сорго на каждую затраченную калорию энергии получают 14 пищевых калорий, а в Заире при культивировании маниоки биоэнергетический КПД еще больше - 37. Ясно, почему достигаются такие большие величины? Все делает сама природа. Человеку только остается снять плоды. При использовании примитивных орудий труда затраты энергии на уборку урожая невелики. Может быть, имеет смысл повсеместно перестроить сельское хозяйство в духе минимизации энергозатрат?
Нет, делать так нельзя. Главный и решающий недостаток примитивных немеханизированных систем - очень низкий выход продукции с единицы площади земли и очень низкая производительность труда.
Как раз для достижения высокой урожайности и производительности труда и необходим значительный рост энерговооруженности, которая характерна для современных агропромышленных комплексов.
Вернулись мы к общеизвестной истине. Но вопросов остается много. Какой должна быть эта энерговооруженность? Должна ли она расти или нужно стремиться ее снижать, достигая необходимых результатов другими способами?
Увеличивать или уменьшать!
Агропромышленный комплекс страны потребляет около 160 миллионов тонн условного топлива, если не учитывать расход энергии на коммунально-бытовые нужды и косвенные энергетические затраты. Поскольку основные затраты энергии прямо или косвенно связаны с пашней, удобно анализировать удельную величину - затраты энергии, отнесенные на 1 гектар.
В СССР они равны 0,8 тонны условного топлива, а в Соединенных Штатах 0,4. Значит, в США энергопотребление на гектар в два раза меньше. Возможно, здесь сказывается неодинаковый подход к вычислению затрат.
Ведь среди специалистов идут споры, что включать в энергозатраты по сельскому хозяйству, а что нет? Но есть и объективные причины, обуславливающие превосходство США. Так, у американцев лучше, чем у нас, используются энергетические средства. У них создана разветвленная сеть качественных дорог. Сельское хозяйство США отличается более высокой загрузкой сельскохозяйственной техники, и ряд технологических процессов перенесен в город, где дешевле и экономнее обходится и ремонт сельскохозяйственных машин, и приготовление кормов, и заготовка строительных деталей и комплексов. Следует отметить, что по разным причинам энерговооруженность гектара пашни в одних странах мира побольше (Япония, Англия), в других - поменьше (Австралия).
Из 160 миллионов тонн условного топлива, которые потребляются непосредственно в агропромышленном комплексе нашей страны, более одной трети - 65 миллионов тонн - расходуется на машинах, ведущих полевые работы. Еще столько же расходуется на транспорте и в различных тепловых процессах типа сушки. Все это составляет 35 процентов от всего потребления жидкого топлива в народном хозяйстве.
Такова основная составляющая сельскохозяйственных энергозатрат. Увеличить ее в будущем, скажем, в два и даже в полтора раза практически невозможно. Значит, механизация сельского хозяйства имеет предел?
Некоторые специалисты, смешивая понятия энерговооруженности и энергозатрат, склоняются именно к такой точке зрения. Называются цифры оптимальной энерговооруженности, превышать которые, по их мнению, нельзя. Другие специалисты говорят о "биологическом земледелии" как о панацее для сельского хозяйства, отвергают применение химикатов, призывают использовать только "чистою" энергию - солнечною, ветряных мельниц, гидротурбин.
В 1982 году на Филиппинах в Маниле была проведена "Международная конференция по химии и снабжению человечества пищей: новые перспективы". По мнению ученых, курс на механизацию и химизацию сельского хозяйства продолжает оставаться эффективным.
Дело в том, что благодаря ему во многих развитых (заметьте, не развивающихся) капиталистических странах себестоимость сельскохозяйственной продукции снизилась за последние годы в полтора-два раза.
И все же какие пути дальнейшего развития сельского хозяйства оптимальны? Ведь проблема сложнейшая.
За 40-50 ближайших лет нужно увеличить мировое производство пищи вдвое - примерно на столько же, на сколько оно выросло за последние 10-12 тысяч лет.
Конечно, не беспочвенны рассуждения об отрицательном влиянии машин и химикатов на окружающую среду и даже на качество продуктов. Наконец, совершенно очевидно, что нужно в максимальной степени использовать биологические и энергетические возможности природы. Но отказываться от индустриализации сельского хозяйства, от превращения его в агропромышленное хозяйство - значило бы сделать серьезную ошибку.
На этом пути не обеспечить ни нужной производительности труда, ни необходимого объема производства. Ведь количество сельского населения падает. Например, по оценкам демографов, в городах в ближайшие годы будет жить три четверти населения СССР.
Несмотря на существенные успехи сельскохозяйственного машиностроения, мы еще значительно отстаем от США в энерговооруженности полей. Мощность всех видов машин у нас составляет лишь примерно 300 лошадиных сил на 100 гектаров. Поднять ее - важная задача. Причем существен не просто количественный, но качественный рост этой техники, внедрение ее новых видов.
Совершенствование сельскохозяйственных машин имеет прямое отношение к затратам энергии. Сроки службы сельскохозяйственной техники сейчас заметно меньше 10 лет - на треть ниже нормативных. В результате до 40 процентов выпускаемых машин идет на восполнение преждевременно выбывших. Соответственно возрастают косвенные энергозатраты. Они уже сравнимы с прямыми и основными.
А что делается с формально прямыми затратами чя?
с расходом жидкого топлива? Казалось бы, тут ситуация лучше - и претензии не к машиностроителям. Удельные расходы топлива на тракторах неплохие, вполне на уровне современной техники - 170-200 граммов на лошадиную силу в час. Примерно такие же показатели в США. Но ведь в среднем расход энергии на гектар пашни у нас в два раза больше. Одна из причин - худшее состояние техники и дорог. Кроме того, нет четкого технически обоснованного нормирования в расходе топлива, отсутствует сильная заинтересованность в его экономии.
Приведу один пример. В сельской местности функционировали до недавних пор различные организации - сельхозтехника, сельхозстрой, совхозы. Установленные нормы расхода бензина в них различались вдвое (!) - от 106 до 210 граммов на тонно-километр. А ведь каждое ведомство пользовалось одними и теми же дорогбми, марками машин, бензозаправочными станциями.
До каких пределов можно снизить расходы топливу на полевых работах? Идей и предложений по решению данной проблемы великое множество. Но прогресс осуществляется медленно. И причины в большинстве случаев как будто бы объективные. Давайте познакомимся с ними.
Ноль-обработка
Для уменьшения энергетических затрат при эксплуатации сельскохозяйственной техники выгодно поднимать ее единичную мощность. Но при этом наряду с выигрышами. Так, если двухсотсильный "Кировец" весил одиннадцать тонн, то, став трехсотсильным, он потяжелел на полторы тонны. И это не случайность - аналогичная история произошла и с минским трактором, и с плугом "Труженик". Короче, сельскохозяйственная техника утяжеляется при повышении ее единичной мощности. Соответственно повышается и расход материалов.
Экономия металла - задача решаемая. Металлоемкость некоторых тракторов, выпускаемых в мире, иногда почти в 1,5 раза ниже. Но беда даже не столько в большом расходе металла.
За каждый проход по полю тяжелого машинного агрегата слой почвы, попадающий под его колеса, уплотняется на глубину 70-90 сантиметров, и вместо нужных сельскохозяйственным культурам мелких комочков земли образуются крупные глыбы. По данным американской газеты "Еженедельник фермера", если по полю, засеянному яровым ячменем, пройдет сельскохозяйственная машина, то урожай снизится с 67 до 39 центнеров на гектар. Таким образом, сэкономив в потреблении топлива почвообрабатывающей техникой и, конечно, выиграв в производительности труда, мы проиграли в энергии, накопленной в урожае. Где же выход? Есть ли он?
Сразу же скажем - предлагаемые и применяемые решения еще не оптимальны. Нужно еще искать лучший вариант. Может быть, поставить машины не на две, а на три, пять осей? Или, оставив две оси, увеличить количество колес, как это сделано во французском тракторе "вандель"? А может быть, вернуться к опыту предков?
Пусть машины будут только косить, как косили наши деды-прадеды, и перевозить массу на тока, обмолачивать же урожай станут мощные молотилки, установленные на стационарном пункте. Некоторые специалисты считают, что в этом случае по сравнению с обычной комбайновой технологией затраты труда снижаются вдвое, а расход топлива - на 15-20 процентов.
Оппоненты возражают. Ведь таким жаткам придется перевозить не только зерно, как комбайну, но также колосья и стебли, и нагрузка на почву снова увеличится.
В ответ выдвигается проект передвижных трубопроводов со сжатым воздухом. Предлагается также растянуть на земле капроновую ленту, сложить на нее урожай, а потом подтянуть ее механизмами, стоящими на краю поля.
А обработка почвы? Может быть, попробовать применить реактивный роторный плуг? Мотыги на вращающемся валу поочередно врезаются в землю и помогают своей реакцией перемещаться трактору. Некоторые специалисты утверждают, что усилия при пахоте можно уменьшить с помощью самозатачивающихся лемехов.
Другие предлагают надевать на лемеха пластмассовые сменные накладки, уменьшающие трение. В конце концов можно сконструировать трактор на воздушной подушке.
А может быть, вообще не надо вспахивать? Пусть будет ноль-обработка! Только сеять и убирать, не трогая корнеобитаемый слой.
Разными путями движется конструкторская мысль.
Один из перспективных путей - шире сделать захват машин. За считанные проезды проводится культивация или сев. При широкозахватной технологии необходимо создать комбайны, способные за один проход выполнить ряд операций. Одна машина заменяет несколько идущих вслед друг за другом. Это улучшает положение, но не намного - ведь утяжеляется трактор, происходит дополнительное уплотнение почвы.
Проблема остается открытой, решенной частично.
Идет поиск новых будущих технологий.
Еще в 1931 году московский инженер Правоторов предложил новую оригинальную технологию обработки почвы, которая сейчас привлекает все большее внимание специалистов. Представим, по обе стороны большой и длинной "грядки" проложены дорожки или рельсы.
По ним движется П-образный мостовой кран, с которого и осуществляется обработка почвы, уход за растениями.
Механизмы приводятся в действие с помощью электроэнергии. Тем самым можно высвободить десятки миллионов тонн жидкого топлива.
На одном кубанском экспериментальном сельскохозяйственном поле применили подобный мост. Урожай увеличился в полтора раза, а при искусственном поливе - втрое. Но у метода Правоторова есть существенные недостатки - большая металлоемкость, привязка к колее.
Как и во многих других областях производства, вряд ли найдется одно-единственное решение, удовлетворяющее всем требованиям растениеводства. Затраты энергии на пахоту и времени на обработку почвы и полив составляют более половины всех затрат. Поэтому закономерен интерес к ноль-обработке почвы - только сеять и убирать. Неплох и промежуточный метод - безотвальная пахота.
В 1853 году в городской больнице была проведена первая ночная операция при керосиновом освещении.
И. Зех продолжил работы по перегонке нефти. К сожалению, кончились они трагично: в 1858 году в его лаборатории произошел взрыв. В пламени огня погибли помогавшие И. Зеху жена и свояченица. Над их могилой на Лычаковском кладбище во Львове стоит памятник: две прижавшиеся друг к, другу женщины пытаются оторваться от объятого пламенем шара.
В 1873 году на Одесской улице в Петербурге зажглись электрические лампочки Лодыгина с угольным стержнем накаливания. Толпы петербуржцев стремились той ночью посмотреть на новое чудо. Известный изобретатель Т. Эдисон в то время еще и не думал о таком источнике света.
Двумя годами позже Яблочков предложил электродуговую лампу. Ее назвали "русским светом" на Всемирной выставке в Париже в 1879 году. А лампы накаливания приобрели современный вид, когда в 1890 году А. Н. Лодыгин применил нити из тугоплавких металлов - вольфрама и молибдена.
Но вот история делает крутой поврот; пожалуй, слово "история" звучит слишком громко, скорее это исторический курьез. Судите сами. Совсем недавно муниципалитет города Палермо заказал 500 газовых фонарей для замены в центре города электрического освещения газовым.
Причина возврата к этим фонарям не дань моде на старину, а дешевизна газа по сравнению с электричеством.
Решение это не перспективное. Нет сомнений, что разница в стоимости газа и электроэнергии будет со временем изменяться в пользу электроэнергии. Использование люминесцентных ламп с высоким КПД еще больше ухудшит шансы газового освещения. Нет, не дальновидны отцы города Палермо.
Воздавая должное искусственному дневному свету, нельзя забывать о естественном. Авторы цюрихского проекта "Интенсивное использование дневного света" утверждают, что в Швейцарии большинство предприятий используют искусственный свет даже днем. А ведь этого можно избежать.
Так, в некоторых школах Швейцарии (заметьте - новые виды освещения опять апробируются в школах) проходят испытания системы специальных рассеивателей, устанавливаемых на окнах снаружи, которые направляют потоки дневного света в верхнюю часть помещений.
А вот сообщение из Японии. С помощью девятнадцати объединенных в одно целое линз солнечный свет концентрируется и подается в светопроводящий кабель из стеклянных волокон. Он доставляет солнечный свет в туннели, на станции метро, во все темные помещения, которые приходится освещать днем искусственным светом.
Есть предложения о более широком использовании солнечного света не только днем, но и ночью и вечером. Родилось это предложение 50 лет назад и разрабатывается сейчас в нашей стране. В космосе размещается зеркало с регулируемой ориентацией. Солнечный "зайчик" может по вечерам осветить всю Москву. Световой день продлится практически настолько, насколько это необходимо. Ненужным станет искусственное освещение, удлинятся рабочие смены на стройках, облегчится работа транспорта, улучшится здоровье жителей. Согласно расчетам подобная "солнечная лампа" над городом экономически может быть очень эффективной.
Зеленая энергетика
Литр нефти за два литра молока
Ни в одной отрасли нет стольких технологических тайн, как в сельском хозяйстве. С точки зрения энергетика, здесь происходят интереснейшие преобразования различных видов энергии. Многочисленные биохимические и химические взаимодействия в конце концов приводят к созданию пищевых продуктов, дающих калории человеческому организму в виде белков (мясо), углеводов (крахмал, глюкоза), жиров (масло). Совокупность всех этих процессов очень сложна, и многие из них или не могут быть воспроизведены человеком без помощи живой природы, или полученный искусственный продукт энергетически еще очень дорог.
Казалось бы, довольно простое дело - вырастить растение. Почти каждый, даже не связанный с сельским хозяйством, или сажал деревья, или выращивал цветы, овощи. Но когда речь идет не об огороде, а об индустриальном растениеводстве или животноводстве, то возникает множество сложнейших проблем. В каждой тех-, нологической цепочке - свои секреты и тонкости, свои возможности по экономии энергии и повышению эффективности ее использования. Только после длительных лабораторных исследований и опытно-промышленных работ отыскивается оптимальный вариант получения какого-либо продукта. Непросто повысить коэффициент полезного действия сельскохозяйственного производства, обеспечить больше качественной продукции при наименьших затратах энергии и труда.
Справедливости ради нужно сказать, что, например, в химической промышленности не меньше потоков энергии и веществ, чем в сельском хозяйстве, причем все детали и элементы промышленных агрегатов человек здесь должен придумать и сотворить сам. В сельском же хозяйстве во многих звеньях основательно трудится природа, облегчая заботы человека. За миллионы лет она достигла такого совершенства, что улучшить что-нибудь существенно очень сложно. И тем не менее человек продолжает познавать ее секреты, открывать новое в давно, казалось бы, известном.
Например, общепринято, что растительные клетки ассимилируют двуокись углерода только через фотосинтез. Когда на растения воздействует солнечный свет, то фотоны поглощаются молекулой порфиринового кольца, состоящего из атомов углерода, водорода, азота, кислорода. В центре кольца находится атом магния. Так устроено хлорофилловое зерно. Кстати, кислород в гемоглобине крови переносится гемом, в котором в такое же порфириновое кольцо вставлен атом железа.
Продолжим путь по энергетической цепочке растения. Энергия поглощенного светового кванта передается электронам, находящимся на внешних электронных орбитах, на более высоких энергетических уровнях. Эта энергия хлорофиллового зерна запускает длинную цепочку биохимических реаций. На выходе цепочки синтезируется глюкоза, состоящая из шести молекул углерода и такого же количества молекул воды. Отсюда происходит название, данное глюкозе и некоторым другим "сладким" веществам, - углеводы. При данной реакции фотосинтеза выделяется и свободный кислород.
Итак, общепринято, что синтез глюкозы совершается в растениях лишь подобным образом. Однако недавно датским исследователем А. Миллером была высказана гипотеза, что синтез может осуществляться не только за счет солнечного света, а и благодаря тепловой энергии.
Сверху зеленый лист нагревается солнцем, снизу он охлаждается при испарении влаги. Возникает разность температур. Термоэлектрические преобразователи, которыми могут быть биологические мембраны, инициируют ток, вызывающий химические превращения. Если предположение А. Миллера оправдается, то можно и нужно будет разрабатывать новые пути интенсификации синтеза углеводов и повышения КПД этого процесса. Могут появиться, например, и новые направления тепличного растениеводства. С процессом фотосинтеза и его КПД связан более общий вопрос о производительности всего сельского хозяйства.
Действительно, чтобы повысить эффективность использования энергии в сельскохозяйственном производстве, нужно проследить, куда она направляется сейчас.
В сельском хозяйстве трудно определить, где кончается энергетика и начинается агрономия, селекция, борьба за урожайность. И все же попытаемся выделить энергетическую составляющую.
Сельское хозяйство забирает около одной десятой всех добываемых природных энергетических ресурсов - около 160 миллионов тонн условного топлива. С учетом косвенных затрат энергии на различную продукцию и машины для сельского хозяйства эта величина существенно больше. Только для производства аммиака, используемого непосредственно или при получении азотных удобрений, затрачивается около 20 миллионов тонн условного топлива. Так что общая величина энергии, отдаваемой производителям сельскохозяйственных продуктов, скорее близка к 250-300 миллионам тонн условного топлива.
Сколько же энергии получает страна взамен? Мы не ошиблись - именно энергии. Основные "кирпичики", из которых состоят продукты сельского хозяйства, - углеводы и жиры - это топливо организма. Правда, когда его не хватает, в организме в качестве топлива могут использоваться и белки. Поэтому ценность или объем сельскохозяйственной продукции можно выражать в энергетических единицах - килокалориях или даже тоннах условного топлива. Сделаем такую оценку двумя способами.
Первый способ - по потребностям. Человек потребляет в день в среднем 2 тысячи килокалорий, а в год - 700 тысяч. Значит, все население страны 270 миллионов человек - потребит за год 200 триллионов килокалорий пищи, то есть около 30 миллионов тонн условного топлива.
На самом деле, если оценивать объем пищевых продуктов по их производству, эта цифра явно занижена.
Двести миллионов тонн зерна с калорийностью 200 килокалорий на килограмм - это основная часть сельскохозяйственной продукции, дающая 500 триллионов килокалорий. Затем сто миллионов тонн картофеля добавляют еще 80 триллионов килокалорий. Мясо и молоко дают около 50 триллионов. А еще сахарная свекла, подсолнечник, овощи, фрукты. Всего получится около 700 триллионов килокалорий, или 100 миллионов тонн условного топлива.
Что же получается? Потребляется 30 миллионов тонн условного топлива, а производится 100 миллионов. Конечно, цифры приближенные. В подсчетах допущены п различные неточности. Ведь значительная часть зерна используется как корм в самом сельском хозяйстве для получения мяса, молока, птицы, япц. Так что часть зерна учтена как бы дважды. Но как бы то ни было, в стране производится сельскохозяйственной продукции по крайней мере в полтора раза больше, чем потребляется. Думаю, что действительная разница еще больше.
Причины две. Во-первых, часть продукции сельского хозяйства используется не для продовольственных, а для технических нужд, во-вторых, очень большая часть просто теряется при транспортировке, первичной переработке, хранении, продаже, потреблении.
О потерях мы поговорим позже, а сейчас подсчитаем энергетический коэффициент полезного действия всего сельского хозяйства. Вкладывается в него 300 миллионов тонн условного топлива, а производится в нем 100 миллионов. Значит, КПД - 30 процентов.
Правда, до потребителя доходит в два раза меньше - скажем, всего 50 миллионов. Тогда КПД равен 15 процентам. Это очень высокая величина. На самом деле мы пока не учли основной энергетической составляющей - цепочки "солнце - фотосинтез - углеводы".
Над атмосферой земного шара мощность светового потока на квадратный метр - 1,4 киловатта. Для района Москвы при учете длительности светового дня, потерь в атмосфере и облаках в зависимости от географической широты эта величина почти в 10 раз меньше - всего 0,15 киловатт на квадратный метр. Если принять эту величину как среднюю для всей территории СССР, то получим, что 200 миллионов гектаров пашни за вегетационный период получают количество тепла, равное 100 миллиардам тонн условного топлива. Напомним, что продукция сельского хозяйства эквивалентна 100 миллионам тонн, то есть в тысячу раз меньше. Таким образом, усредненный КПД преобразования солнечного излучения в продукцию сельского хозяйства равен всего 0,1 процента. Куда же исчезает живительная сила солнца?
Энергобаланс при выращивании растений выглядит приблизительно следующим образом:
- из всего потока солнечной энергии на листья попадает только 20-30 процентов; - КПД фотосинтеза в полевых условиях - 1,5 - 2 процента; - от трети до половины полученной энергии растение тратит на собственные нужды и благодаря дыханию обеспечивает нормальный ток воды через собственные органы, совершает работу по преодолению сопротивления почвы; - из полученной растительной массы богатые энергией семена или плоды составляют около половины; - еще 10-30 процентов урожая теряется из-за поражения насекомыми и болезнетворными микроорганизмами.
Учет перечисленных потерь объясняет обнаруженную тысячекратную разницу между количеством поступающей солнечной энергии и ее долей, утилизованной в сельскохозяйственной продукции. Задача сельскохозяйственного производства - уменьшить эти потери.
Подведем промежуточный итог. Сельское хозяйство получает от солнца 100 миллиардов тонн, условного топлива, от топливного комплекса - еще 300 миллионов тонн, а энергоемкость производимой им продукции эквивалентна всего 100 миллионам тонн. Мы разобрались, куда "исчезают" 100 миллиардов тонн солнечного топлива, теперь посмотрим, на какие цели тратятся 300 миллионов тонн прямых энергетических затрат.
Мы уже подсчитали биоэнергетический КПД. Без учета вклада солнечной энергии он оказался равным 10- 15 процентам, то есть на каждую пищевую килокалорию затрачивается 7-10 килокалорий первичного топлива.
Для производства 1 килограмма мяса необходимо истратить 12 килограммов условного топлива. Литр молока можно получить, израсходовав пол-литра нефти, а для производства килограмма наиболее ценной части молока протеина - потребуется 25-30 килограммов условного топлива.
Во многих развивающихся странах с хорошим климатом биоэнергетические коэффициенты полезного действия существенно больше. Для некоторых же культур растениеводства они превышают единицу. Например, в Судане при выращивании сорго на каждую затраченную калорию энергии получают 14 пищевых калорий, а в Заире при культивировании маниоки биоэнергетический КПД еще больше - 37. Ясно, почему достигаются такие большие величины? Все делает сама природа. Человеку только остается снять плоды. При использовании примитивных орудий труда затраты энергии на уборку урожая невелики. Может быть, имеет смысл повсеместно перестроить сельское хозяйство в духе минимизации энергозатрат?
Нет, делать так нельзя. Главный и решающий недостаток примитивных немеханизированных систем - очень низкий выход продукции с единицы площади земли и очень низкая производительность труда.
Как раз для достижения высокой урожайности и производительности труда и необходим значительный рост энерговооруженности, которая характерна для современных агропромышленных комплексов.
Вернулись мы к общеизвестной истине. Но вопросов остается много. Какой должна быть эта энерговооруженность? Должна ли она расти или нужно стремиться ее снижать, достигая необходимых результатов другими способами?
Увеличивать или уменьшать!
Агропромышленный комплекс страны потребляет около 160 миллионов тонн условного топлива, если не учитывать расход энергии на коммунально-бытовые нужды и косвенные энергетические затраты. Поскольку основные затраты энергии прямо или косвенно связаны с пашней, удобно анализировать удельную величину - затраты энергии, отнесенные на 1 гектар.
В СССР они равны 0,8 тонны условного топлива, а в Соединенных Штатах 0,4. Значит, в США энергопотребление на гектар в два раза меньше. Возможно, здесь сказывается неодинаковый подход к вычислению затрат.
Ведь среди специалистов идут споры, что включать в энергозатраты по сельскому хозяйству, а что нет? Но есть и объективные причины, обуславливающие превосходство США. Так, у американцев лучше, чем у нас, используются энергетические средства. У них создана разветвленная сеть качественных дорог. Сельское хозяйство США отличается более высокой загрузкой сельскохозяйственной техники, и ряд технологических процессов перенесен в город, где дешевле и экономнее обходится и ремонт сельскохозяйственных машин, и приготовление кормов, и заготовка строительных деталей и комплексов. Следует отметить, что по разным причинам энерговооруженность гектара пашни в одних странах мира побольше (Япония, Англия), в других - поменьше (Австралия).
Из 160 миллионов тонн условного топлива, которые потребляются непосредственно в агропромышленном комплексе нашей страны, более одной трети - 65 миллионов тонн - расходуется на машинах, ведущих полевые работы. Еще столько же расходуется на транспорте и в различных тепловых процессах типа сушки. Все это составляет 35 процентов от всего потребления жидкого топлива в народном хозяйстве.
Такова основная составляющая сельскохозяйственных энергозатрат. Увеличить ее в будущем, скажем, в два и даже в полтора раза практически невозможно. Значит, механизация сельского хозяйства имеет предел?
Некоторые специалисты, смешивая понятия энерговооруженности и энергозатрат, склоняются именно к такой точке зрения. Называются цифры оптимальной энерговооруженности, превышать которые, по их мнению, нельзя. Другие специалисты говорят о "биологическом земледелии" как о панацее для сельского хозяйства, отвергают применение химикатов, призывают использовать только "чистою" энергию - солнечною, ветряных мельниц, гидротурбин.
В 1982 году на Филиппинах в Маниле была проведена "Международная конференция по химии и снабжению человечества пищей: новые перспективы". По мнению ученых, курс на механизацию и химизацию сельского хозяйства продолжает оставаться эффективным.
Дело в том, что благодаря ему во многих развитых (заметьте, не развивающихся) капиталистических странах себестоимость сельскохозяйственной продукции снизилась за последние годы в полтора-два раза.
И все же какие пути дальнейшего развития сельского хозяйства оптимальны? Ведь проблема сложнейшая.
За 40-50 ближайших лет нужно увеличить мировое производство пищи вдвое - примерно на столько же, на сколько оно выросло за последние 10-12 тысяч лет.
Конечно, не беспочвенны рассуждения об отрицательном влиянии машин и химикатов на окружающую среду и даже на качество продуктов. Наконец, совершенно очевидно, что нужно в максимальной степени использовать биологические и энергетические возможности природы. Но отказываться от индустриализации сельского хозяйства, от превращения его в агропромышленное хозяйство - значило бы сделать серьезную ошибку.
На этом пути не обеспечить ни нужной производительности труда, ни необходимого объема производства. Ведь количество сельского населения падает. Например, по оценкам демографов, в городах в ближайшие годы будет жить три четверти населения СССР.
Несмотря на существенные успехи сельскохозяйственного машиностроения, мы еще значительно отстаем от США в энерговооруженности полей. Мощность всех видов машин у нас составляет лишь примерно 300 лошадиных сил на 100 гектаров. Поднять ее - важная задача. Причем существен не просто количественный, но качественный рост этой техники, внедрение ее новых видов.
Совершенствование сельскохозяйственных машин имеет прямое отношение к затратам энергии. Сроки службы сельскохозяйственной техники сейчас заметно меньше 10 лет - на треть ниже нормативных. В результате до 40 процентов выпускаемых машин идет на восполнение преждевременно выбывших. Соответственно возрастают косвенные энергозатраты. Они уже сравнимы с прямыми и основными.
А что делается с формально прямыми затратами чя?
с расходом жидкого топлива? Казалось бы, тут ситуация лучше - и претензии не к машиностроителям. Удельные расходы топлива на тракторах неплохие, вполне на уровне современной техники - 170-200 граммов на лошадиную силу в час. Примерно такие же показатели в США. Но ведь в среднем расход энергии на гектар пашни у нас в два раза больше. Одна из причин - худшее состояние техники и дорог. Кроме того, нет четкого технически обоснованного нормирования в расходе топлива, отсутствует сильная заинтересованность в его экономии.
Приведу один пример. В сельской местности функционировали до недавних пор различные организации - сельхозтехника, сельхозстрой, совхозы. Установленные нормы расхода бензина в них различались вдвое (!) - от 106 до 210 граммов на тонно-километр. А ведь каждое ведомство пользовалось одними и теми же дорогбми, марками машин, бензозаправочными станциями.
До каких пределов можно снизить расходы топливу на полевых работах? Идей и предложений по решению данной проблемы великое множество. Но прогресс осуществляется медленно. И причины в большинстве случаев как будто бы объективные. Давайте познакомимся с ними.
Ноль-обработка
Для уменьшения энергетических затрат при эксплуатации сельскохозяйственной техники выгодно поднимать ее единичную мощность. Но при этом наряду с выигрышами. Так, если двухсотсильный "Кировец" весил одиннадцать тонн, то, став трехсотсильным, он потяжелел на полторы тонны. И это не случайность - аналогичная история произошла и с минским трактором, и с плугом "Труженик". Короче, сельскохозяйственная техника утяжеляется при повышении ее единичной мощности. Соответственно повышается и расход материалов.
Экономия металла - задача решаемая. Металлоемкость некоторых тракторов, выпускаемых в мире, иногда почти в 1,5 раза ниже. Но беда даже не столько в большом расходе металла.
За каждый проход по полю тяжелого машинного агрегата слой почвы, попадающий под его колеса, уплотняется на глубину 70-90 сантиметров, и вместо нужных сельскохозяйственным культурам мелких комочков земли образуются крупные глыбы. По данным американской газеты "Еженедельник фермера", если по полю, засеянному яровым ячменем, пройдет сельскохозяйственная машина, то урожай снизится с 67 до 39 центнеров на гектар. Таким образом, сэкономив в потреблении топлива почвообрабатывающей техникой и, конечно, выиграв в производительности труда, мы проиграли в энергии, накопленной в урожае. Где же выход? Есть ли он?
Сразу же скажем - предлагаемые и применяемые решения еще не оптимальны. Нужно еще искать лучший вариант. Может быть, поставить машины не на две, а на три, пять осей? Или, оставив две оси, увеличить количество колес, как это сделано во французском тракторе "вандель"? А может быть, вернуться к опыту предков?
Пусть машины будут только косить, как косили наши деды-прадеды, и перевозить массу на тока, обмолачивать же урожай станут мощные молотилки, установленные на стационарном пункте. Некоторые специалисты считают, что в этом случае по сравнению с обычной комбайновой технологией затраты труда снижаются вдвое, а расход топлива - на 15-20 процентов.
Оппоненты возражают. Ведь таким жаткам придется перевозить не только зерно, как комбайну, но также колосья и стебли, и нагрузка на почву снова увеличится.
В ответ выдвигается проект передвижных трубопроводов со сжатым воздухом. Предлагается также растянуть на земле капроновую ленту, сложить на нее урожай, а потом подтянуть ее механизмами, стоящими на краю поля.
А обработка почвы? Может быть, попробовать применить реактивный роторный плуг? Мотыги на вращающемся валу поочередно врезаются в землю и помогают своей реакцией перемещаться трактору. Некоторые специалисты утверждают, что усилия при пахоте можно уменьшить с помощью самозатачивающихся лемехов.
Другие предлагают надевать на лемеха пластмассовые сменные накладки, уменьшающие трение. В конце концов можно сконструировать трактор на воздушной подушке.
А может быть, вообще не надо вспахивать? Пусть будет ноль-обработка! Только сеять и убирать, не трогая корнеобитаемый слой.
Разными путями движется конструкторская мысль.
Один из перспективных путей - шире сделать захват машин. За считанные проезды проводится культивация или сев. При широкозахватной технологии необходимо создать комбайны, способные за один проход выполнить ряд операций. Одна машина заменяет несколько идущих вслед друг за другом. Это улучшает положение, но не намного - ведь утяжеляется трактор, происходит дополнительное уплотнение почвы.
Проблема остается открытой, решенной частично.
Идет поиск новых будущих технологий.
Еще в 1931 году московский инженер Правоторов предложил новую оригинальную технологию обработки почвы, которая сейчас привлекает все большее внимание специалистов. Представим, по обе стороны большой и длинной "грядки" проложены дорожки или рельсы.
По ним движется П-образный мостовой кран, с которого и осуществляется обработка почвы, уход за растениями.
Механизмы приводятся в действие с помощью электроэнергии. Тем самым можно высвободить десятки миллионов тонн жидкого топлива.
На одном кубанском экспериментальном сельскохозяйственном поле применили подобный мост. Урожай увеличился в полтора раза, а при искусственном поливе - втрое. Но у метода Правоторова есть существенные недостатки - большая металлоемкость, привязка к колее.
Как и во многих других областях производства, вряд ли найдется одно-единственное решение, удовлетворяющее всем требованиям растениеводства. Затраты энергии на пахоту и времени на обработку почвы и полив составляют более половины всех затрат. Поэтому закономерен интерес к ноль-обработке почвы - только сеять и убирать. Неплох и промежуточный метод - безотвальная пахота.