С одной стороны, в ХХI веке окончательно стала понятна взаимосвязь между возрастающим использованием большинства традиционных энергоносителей (нефть, уголь, газ) и развитием глобального климатического кризиса. С другой — возрастает влияние и усиливается вмешательство внеэкономических, политических сил на мировые цены на многие виды сырьевого экспорта. На рис. 1 показано, как соотносятся рост потребления углеводородного топлива, увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, средняя глобальная температура и ежегодные экономические убытки от катастроф в течение последних 30 лет ХХ века [1].


Рис. 1. Изменение потребления органического топлива, глобальной температуры, концентрации углекислого газа и убытков от катастроф во второй половине XX века

Начиная с 1970-х годов количество углеводородного топлива (в нефтяном эквиваленте), использованного для нужд человечества, удвоилось. Концентрация CO2 в атмосфере возросла на 15%, а глобальная температура — на 0,6°C. Крупномасштабные природные катастрофы стали заметным явлением, начиная примерно с 1990 года, и ущерб от них достиг в 2000 году $100 млрд.

К категории учитываемых климатических катастроф относятся только те новые глобальные (таяние льдов на полюсах, изменение направления Гольфстрима и пр.) и региональные явления (засухи, наводнения, массовые пожары, торнадо, оползни), которые не отмечались ранее в таких масштабах, но к ней не относятся катастрофы чисто природного происхождения — землетрясения, извержения вулканов и цунами. Как обеспечить долгосрочное планирование экспорта, когда рост мирового потребления углеводородных энергоносителей влечёт за собой рост глобальных и национальных расходов на нейтрализацию природных катастроф, борьбу с усилением климатического кризиса и предотвращение роста заболеваемости населения из-за загрязнения окружающей среды, и одновременно возрастает влияние на мировые цены таких внерыночных факторов, как военные конфликты и санкции [2]?

Тезисы могущественных энергетических монополистов и связанных с ними политиков о том, как можно обеспечить энергетическую безопасность, противоречивы, в них принимаются во внимание только два «главных» фактора — прибыль и политическое влияние, и игнорируется истинная комплексность и многомерность проблемы. Рассмотрим вопрос о том, что есть энергетическая безопасность, применяя другие критерии.

Человеческая цивилизация — непрерывный творческий процесс

Возникновение и развитие человеческой цивилизации — уникальный пример постоянного стремления человека к созиданию, долгий путь от египетских пирамид до квантовых компьютеров. Энергетический уровень каждой упорядоченной структуры, как результата созидательной работы, всегда выше, а её энтропия ниже, чем у беспорядочного набора того же количества атомов, из которых эта структура состоит. Следовательно, можно сказать, что любой акт созидания, результат творчества есть не что иное, как эффект большего упорядочения, эффект локального уменьшения энтропии.

Этим развитие человеческой цивилизации, основанное на созидании, на многочисленных творческих достижениях, открытиях и изобретениях, препятствует процессу хаотизации мирового пространства, снижению энергетического уровня вселенной и росту её энтропии. К сожалению, тот же самый человек из великого творца в определённых ситуациях часто превращается в разрушителя. Прежде всего мы имеем в виду войны и конфликты разного уровня. Разрушение террористами древних статуй Будды, тотальное уничтожение Дрездена, показательное сожжение книг нацистами в Германии или Корана в Швеции — все эти варварские акты есть лишь частичное подтверждение того, что развитие нашей цивилизации представляет собой не плавный переход от «хорошего» к «лучшему», а постоянное противостояние сил созидания и разрушения.

Дополнительное подтверждение разрушительной силы некоторых факторов развития цивилизации дают мировые экономические потери от последствий климатического кризиса. Глобальный экономический ущерб от изменений климата в мире, по данным Агентства по охране окружающей среды США (United States Environmental Protection Agency, EPA), в 2019 году достиг $140 млрд, что оценивается потерями ВВП каждой страны в пределах 1,5–4,5% [3]. В России, по оценкам Росгидромета, только потери от снижения урожайности, вызываемого засухами, оценивается в 108 млрд руб. к 2020 году и 120 млрд руб. к 2050-му.

В целом климатические прогнозы для Российской Федерации до 2050 года весьма пессимистичны: изменение климата в нашей стране на сегодняшний день происходит гораздо быстрее и интенсивнее, чем за последние 100–150 лет.

Основную часть используемых человеком природных ресурсов составляют минералы, в том числе различные руды, которые образовались в течение миллиардов лет в результате магматических и сопутствующих реакций в земной коре и которые так же, как и мрамор, представляют собой энергетический концентрат этих реакций. Значительно позже, в эпоху пермского геологического периода палеозойской эры (250–300 млн лет назад), в результате возникновения массовой органической жизни и естественных процессов самовосстановления биологических организмов образовались колоссальные запасы органических ископаемых — «каустобиолитов» (угля, нефти, горючих сланцев, торфа и пр.) которые впоследствии стали основным источником тепловой энергии для человечества и для развития цивилизации [2].

Какова энергетическая эффективность использования топливных природных ресурсов для существования и развития нашей цивилизации? Существует понятие «агрегированной энергоэффективности» (АЭ) [4], которое определяет, какое количество энергии, затраченной вдоль всей цепочки процесса производства данного продукта, было реализовано в самом продукте. И, следовательно, какая часть энергии, использованной в течение всего цикла производства этого продукта, была потрачена эффективно, а какая потеряна. При этом надо говорить об энергоэффективности не отдельного процесса, а именно обо всём цикле, частью которого данный процесс является.

Естественно, что уровень агрегированной энергоэффективности на различных этапах технологического развития постепенно повышался.

В результате Первой мировой промышленной революции, произошедшей в конце XVIII-го — начале XIX веков и основанной на применении паровых двигателей и угля в качестве топлива, был достигнут уровень АЭ менее 5%. По завершении Второй промышленной революции (вторая половина XIX-го — начало XX веков), основанной на двигателях внутреннего сгорания и бензине, а также дизельном топливе, величина АЭ достигла 20% в наиболее развитых в этом отношении странах, таких как Япония. В Германии пока в качестве топлива применяется бурый уголь, и получена величина АЭ около 18%. Но в целом к концу XX века мировая агрегированная энергоэффективность стагнировала до уровня менее 20%, несмотря на огромное количество изобретений и открытий в технологической сфере [4]. Как соотнести этот факт с многочисленными заявлениями о высокой энергоэффективности современных технологических процессов?

Как делаются такие заявления, поясним на примере компании Barrick Gold, одной из ведущих в золотодобыче, которая утверждает в своих пресс-релизах для инвесторов, что её энергетическая эффективность достигла 80%. Это неверно. На самом деле такой высокий показатель достигнут путём подмены истинных энергозатрат компании и её поставщиков за счёт списания большей части энергетических расходов по статье «Материалы» [4]. Например, для доставки золотоносной руды из глубины карьера на поверхность применяются мощные карьерные самосвалы Komatsu грузоподъёмностью до 160 тонн каждый. Компания принимает в расчёт только затраты на топливо для самосвала, расход которого может составлять от 50 до 300 л/ч. Однако для изготовления каждой покрышки такого самосвала (рис. 2) требуется 4,5 тонны резины и одна тонна армирующей стали. Компания расходует более 4500 покрышек в год. Только для производства резины для такого количества покрышек поставщик должен использовать 45 тыс. тонн нефти в год! Не меньшие энергозатраты приходятся на изготовление армирующей стали для покрышек, производство покрышек, производство самих самосвалов и пр. Причём карьерная добыча руды — только часть всего технологического цикла производства золота. Истинная агрегированная энергоэффективность подобной компании составляет менее 20%.


Рис. 2. Стандартная крупногабаритная шина карьерного самосвала Komatsu грузоподъёмно- стью до 160 тонн имеет типоразмер 33.00 R51 (2702×737 мм) и массу более 1400 кг

В отличие от нашей «антропогенной» цивилизации, существенную роль в возникновении и развитии жизни на Земле играет химическая энергия биологических процессов. Как соотнести энергоэффективность биохимических процессов с типичными для нашей цивилизации методами получения энергии?

Такую возможность даёт нам изучение роли фосфора в жизни человека. По словам академика А. Е. Ферсмана (1883–1945), фосфор является «элементом жизни и мысли». Различные соединения фосфора с кальцием, кислородом, водородом и некоторыми металлами (фосфаты) входят в биологический строительный материал для образования и роста каждой клетки живых существ. На макроуровне организма различные фосфаты играют важную роль в росте костей, хрящей и сухожилий. Зубная эмаль состоит из одного из самых прочных материалов биологического происхождения — биоапатита [5].

Но особенно интересно проследить за ролью фосфора на клеточном уровне. На этом микроуровне фосфаты выполняют три функции: строительство клеточной мембраны, сохранение и использование генетической информации (молекулы ДНК и РНК представляют собой сложные спиралевидные полимерные структуры на базе более простых фосфатных соединений — нуклеотидов) и, наконец, энергоснабжение клеток с помощью непрерывной передачи энергии от мембраны к ядру каждой клетки. Это происходит в результате химической реакции между с участием двух молекул — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ, химическая формула C10H16N5O13P3) и аденозиндифосфата (АДФ, C10H15N5O10P2) — нуклеотида, состоящего из аденина, рибозы и двух остатков фосфорной кислоты. Из формул видно, что молекула АДФ содержит на один атом фосфора меньше.

С энергетической точки зрения этот процесс особенно интересен. Упрощённо он происходит так [6]: молекула АДФ подходит к внутреннему слою клеточной мембраны, где накапливаются молекулы, образовавшиеся из жиров и углеводов, получаемых организмом. Энергия каждой из этих молекул недостаточна, чтобы вызвать реакцию питания клеточного ядра. Поэтому молекула АДФ сквозь стенку мембраны сорбирует энергию многих таких молекул и обогащается одним атомом фосфора. Энергетический уровень образовавшей молекулы АТФ повышается, и она доставляет полученную энергию к ядру клетки. Там происходит реакция гидролиза АТФ с передачей ядру одного атома фосфора и кванта энергии (10–21 кал). Эта реакция обеспечивает энергоснабжение клетки.

Молекула АТФ понижает свою энергоёмкость и превращается в АДФ, которая возвращается назад к мембране за получением новой энергии (рис. 3). Таким образом, тандем АТФ/АДФ представляет собой уникальный энергетический «биоробот», курсирующий между внутренней стенкой клеточной мембраны и её ядром.


Рис. 3. Циклы зарядки-разрядки «энергоробота» АТФ/АДФ

В результате миллиардов таких реакций, происходящих одновременно в клетках человеческого тела, генерируется примерно 100–1200 ккал в день, покрывающих потребности организма человека в зависимости от интенсивности его труда или физической активности. Эффективность этих «биороботов» и срок их службы не имеют аналогов среди аналогичных устройств, созданных с помощью самых современных технологий.

Подобным же образом активность фосфатов обеспечивает передачу зарядов между клетками нервной системы — нейронами, а следовательно, функционирование нервной системы. На уровне обменных реакций АТФ/АДФ становится понятна роль биохимической энергии как незаменимого источника энергетического обеспечения жизни биосферы. Остальные вышеупомянутые способы получения энергии для планетарной биосферы не нужны. Поэтому до появления человеческой цивилизации тепловой баланс между поверхностью Земли и внеземным пространством был стабильным. Если он и менялся, то достаточно плавно, так что бóльшая часть особей, обитающих на нашей планете, успевала приспособиться к температурным изменениям.

Вследствие неэффективности применяемых человеком методов получения (извлечения) энергии, по сравнению с биоэнергетическими процессами, баланс между потоком энергии, поступающим на Землю от Солнца, и тепловым излучением земной поверхности в открытое пространство нарушился.

Ведь если только 20% используемого нами энергетического потенциала реализуется в конечных продуктах, необходимых для нашего развития, а 80% энергии тратится зря, эти затраты в основном вызывают атмосферное рассеяние неиспользованной энергии и способствуют парниковому эффекту, а также росту объёмов промышленных и бытовых отходов, загрязняющих биосферу.

Причина низкой АЭ термических циклов получения энергии для нашей цивилизации достаточно проста. Она вызвана вторым законом термодинамики, из которого следует, что всякий термический цикл в не полностью изолированной, то есть в любой реальной промышленной системе с неизбежностью вызывает потери энергии. Они выражаются в генерации разного вида отходов — газообразных и твёрдых. Поэтому пока основным источником энергии для промышленности, транспорта и городских нужд является термопереработка углеводородного сырья, энергопотери будут всегда снижать АЭ промышленных циклов. До конца ХХ века природные запасы казались неограниченными, а аккумулируемые объёмы газообразных и твёрдых промышленных и бытовых отходов не создавали глобальной угрозы качеству жизни человека, и экстенсивный путь развития современной цивилизации казался наиболее оптимальным.

Сверхпроизводство, составляющее одну из основ экстенсивного развития, породило социальный феномен — общество потребления. Роль человека в современном обществе была сведена к модели Homo economicus («человек экономический, потребительский»), в рамках которой чем больше товаров и услуг человек потребляет, тем выше качество его жизни, что в конечном итоге приводит к нерациональному и крайне эгоистичному его поведению. Людям объясняли, что чем выше ВВП страны, тем лучше будет жить её население. Однако опыт последних лет, социальные бунты, происходящие в самых развитых странах, показали, что потребности человека не исчерпываются материальными благами. Насыщение и стагнация, достигаемые на определённом уровне благосостояния, приводят к возникновению острых противоречий и столкновений между приверженцами разных взглядов на то, в чём состоят смысл и цель жизни.

Проблемы сырьевой экономики

На первый взгляд, модель сырьевой экономики кажется привлекательной для стран с большими запасами востребованных в мире природных ископаемых (от нефти, газа, угля, фосфатов до редких и радиоактивных металлов). Можно пойти дальше и сократить поддержку отраслям, не дающим быстрой отдачи, так называемым «непрофильным». А значит, бюджет не будет обременён затратами на подготовку специалистов для этих отраслей, а ранее подготовленный персонал можно использовать в добывающих компаниях. В такой, сугубо «монетарной» модели сырьевые отрасли получают стартовое преимущество в получении поддержки со стороны государства и банков, поскольку они дают более быстрый возврат на инвестиции. Далее наступает эффект «политико-экономического дарвинизма». Закрепив своё преимущество перед другими приоритетами государственного финансирования, сырьевые отрасли в критические моменты мировой экономики, когда возникает спад спроса на их экспорт, требуют от государства ещё большей поддержки, поскольку являются «профильными» и «системообразующими». Возникает зависимость бюджета государства от доходов двух-трёх сырьевых отраслей, которые, в свою очередь, зависят от конъюнктуры на мировых рынках. Но такая упрощённая модель развития перестаёт работать, когда политика начинает вмешиваться в ситуацию на мировых рынках, и они становятся волатильными и непредсказуемыми. Типичный пример волатильности — мировой рынок нефти.

Обратите внимание, как обваливались цены, например, после начала ирано-иракской войны в 1980 году, после так называемой «арабской весны» (2010 год), после начала добычи сланцевой нефти в США и, наконец, после начала пандемии коронавируса. Согласно классической модели, какова должна быть стоимость барреля нефти в условиях рыночной экономики и с учётом убывания (начиная с 1990 года) доступных запасов нефти [6], получается совсем другая картина.

Как следует из статистических данных, до момента достижения «пика нефти» (примерно в 2010 году) рост её мирового потребления мог покрываться ростом ежегодной добычи. Мировые цены могли меняться с появлением альтернативных источников энергии, но этот процесс должен был быть плавным. После 2010 года прогнозировался неуклонный рост цен из-за убывания доступных резервов. В реальности в 2010-х и 2020-х годах наблюдалось резкое обрушение мировых цен.

В условиях, когда доходы от продажи ископаемых ресурсов падают, государство вынуждено продолжать снижение поддержки тех отраслей науки и технологий, которые не участвуют в эксплуатации природных ресурсов. Следовательно, уменьшаются шансы для выживания создаваемых наукоёмких компаний, из которых могли бы вырасти такие гиганты высоких технологий, как Microsoft, Tesla, Applе, будущее которых зависит от существования механизма венчурного финансирования, финансирования рисков. Одновременно теряется возможность развития отраслей так называемой «мягкой силы» — образования, здравоохранения, культуры. Тут уже дело не в злой воле государства, просто его поведение на этой стадии диктуется законами выживания в условиях нерегулируемой рыночной экономики, требованиями сиюминутного принятия тактических решений. Вместо энергетической безопасности возникает энергетическая зависимость.

Соответственно, постепенно меняются приоритеты населения. Молодёжи становится невыгодно работать и учиться в «непрестижных» отраслях, в тех областях науки и технологий, которые могут иметь огромные перспективы в будущем, но требуют длительных сроков реализации. Естественный результат этого отмирания интересов к разнообразным, но не дающим твёрдой зарплаты в некой госкорпорации, отраслям науки и технологий может иметь печальные последствия.

Снижение инновационного потенциала общества

Вспомним составляющие каждого изобретения, новой технологии: энергия инновационного потенциала создателей нового продукта, энергия исходных материалов и энергия внешних источников, необходимая для получения продукта из исходного материала. Каждый технологический цикл развития нашей цивилизации за последние 400 лет (цикл Кондратьева) требовал привлечения всех трёх источников энергии. Но сравним основные технологии и промышленные структуры (и их продукцию) на последних четырёх укладах [8]. Третий уклад — чёрная металлургия, железные дороги, кораблестроение, производство взрывчатых веществ для мирного и военного применения, крупные централизованные компании. Четвёртый уклад — автомобилестроение, самолётостроение, нефтехимия, атомная энергетика, электронная промышленность, крупные международные конгломераты. Пятый уклад — электроника и вычислительная техника, волоконная оптика, роботостроение, получение и переработка газа, альтернативные источники энергии, горизонтальноинтегрированные сети компаний. Ни одна из стран мира пока не перешла полностью в пятый уклад, но разрабатываются стратегические планы по достижению этих целей до середины ХХI века. Шестой уклад — наноэлектроника, нанохимия, нанофотоника, наноматериалы, нанобиотехнологии, когнитивные науки, социогуманитарные технологии.

Легко видеть, что по мере перехода к более высоким этапам происходит снижение потребления сырьевых материалов и внешних источников энергии и растёт доля интеллектуальной энергии создателей и пользователей новых технологий. Чтобы это произошло, страна должна обладать собственными интеллектуальными ресурсами. Несмотря на то, что, в отличие от природного сырья и традиционных источников энергии, интеллектуальная энергия является возобновляемым ресурсом, она подчиняется строгим ограничениям, которые не позволяют волюнтаристских действий со стороны государства. Вспомним уроки 1980–2000-х годов в России.

После распада СССР был провозглашён курс на рыночную экономику, который ошибочно предполагал, что от многих коммерчески невыгодных отраслей следует отказаться, следуя монетарному принципу «что невыгодно, то является балластом». В течение последующих 10–15 лет произошёл распад большей части интеллектуального капитала, накопленного в вузах и различных НИИ. Началось усиленное обучение и переобучение экономике, менеджменту, юридическим наукам. И, разумеется, продолжалась подготовка специалистов для добывающих отраслей и энергетического сектора. Распад ресурсов интеллектуальной энергии имел разные формы — оттока в другие страны, дисквалификации специалистов из научных и технологических отраслей в результате перехода в торговлю, менеджмент и теневые структуры, и просто потери интереса к поиску нового.

Процессы распада и восстановления интеллектуального капитала — многофакторные и инерционные. Интеллектуальную энергию можно истратить в результате административных решений, но восстановить её можно только с помощью долгосрочных и продуманных мер. А пока это не достигнуто, роль энергии, интеллектуальной энергии в конечном продукте, а стало быть, и ВВП страны не может возрасти, и страна обречена пребывать на третьем или четвёртом циклах своего развития. Поэтому в первую очередь нужны не современные здания и импортная аппаратура, нужны люди-новаторы. Надо вернуться к источникам зарождения интеллектуального капитала: начать работать со студентами и аспирантами разных научно-технологических направлений, но работать на современной основе. В частности, объяснять, в чём состоит роль изобретателя и творца в современном обществе, какие риски и трудности ожидают его на тернистом пути от идеи до её воплощения. Не стоит ограничиваться разовыми историями успеха (Билл Гейтс, Илон Маск и пр.), надо говорить всю правду, а именно:

1. Что из ста новых идей только одна-две имеют шанс реального воплощения.

2. Что далеко не всегда инновационные идеи будут приняты обществом с распростёртыми руками.

3. Что в стране с сырьевой экономикой творцы — изобретатели часто вынуждены долго пробивать себе дорогу без государственной и финансовой поддержки, и им будет трудно.

4. Но главное, что только когда страна накопит 10–15% трудоспособного населения в свой интеллектуальный резерв, у неё будет шанс совершить технологический прорыв в пятый цикл. Если стране в результате целеустремлённых усилий удастся восстановить свой интеллектуальный потенциал, станет возможен переход в следующий уклад, после чего роль творчества уже не сможет быть забыта. И настоящая энергетическая безопасность будет обеспечена за счёт самовозобновляющихся ресурсов — интеллектуального потенциала, альтернативных источников энергии и методов её передачи и «зелёных» технологий, включая, например, эффективный рециклинг отходов.

Заключение

Возможно, что восстановление интеллектуального потенциала может привести ещё к одному результату. На стыках различных инновационных процессов начнут кристаллизоваться идеи о том, каким должно стать будущее страны. Образ уникального для каждой страны будущего будет создаваться в искрах дискуссий, а не формироваться в коридорах власти и «спускаться» вниз для исполнения. Процесс создания образа будущего будет естественным и напоминать природный феномен terra preta («терра прета») — эффект постепенного самовосстановления (с антропогенным фактором, то есть при участии человека) плодородности почв на берегах Амазонки от бесплодной до богатой и плодородной [9].