Энергия и цивилизация - Вацлав Смил

Освоение все новых источников энергии и новых первичных движителей никогда не породило бы далеко идущих последствий без возникновения новых способов обуздания этих энергий, контроля их конверсии в поток необходимого ресурса (тепло, свет, движение), текущий с желаемой скоростью. Средства контроля или триггеры могут открывать ранее закрытые пути и освобождать новые потоки энергии; они также могут увеличивать валовую рабочую производительность уже существующих процессов, делать их более надежными или эффективными. Эти средства могут быть простыми механическими устройствами (водяные колеса) или сложными и высокотехнологичными, которые сами требуют значительного вложения энергии: микропроцессоры в современных автомобилях являются отличным примером. Средства контроля могут сводиться к улучшеному протоколу управления, новым рынкам, фундаментальным политическим или экономическим решениям.

Неважно, насколько лошадь сильная и умелая, она становится эффективным первичным движителем, только когда удила вставляются ей в рот и присоединяются поводьями к рукам наездника; она может тянуть боевую колесницу только при наличии хорошей легкой упряжи; лошадь можно использовать в рыцарской битве только при наличии седла и стремян; она может быть тягловым животным при наличии хомута и железных подков, а ходить в упряжке – только когда неравномерная тяга животных разного размера уравновешивается с помощью ваги.

Отсутствие должных средств контроля сильно снижало эффективность замечательных в иных отношениях первичных движителей. И возникшие проблемы порой устранялись очень медленно. Наверное, лучшим примером такой ситуации была невозможность вычислить долготу местности. К началу XVIII века корабли с парусной оснасткой были эффективными преобразователями энергии ветра и средством создания европейских империй, но их капитаны все еще не могли определять долготу. Как было написано в петиции, поданной английскими капитанами и торговцами в парламент в 1714 году, слишком много кораблей задерживалось в пути и слишком много терялось. Поскольку вращение Земли на экваторе составляет порядка 460 м/с, то определение долготы требует хронометров, которые отклонялись бы не более чем на долю секунды в неделю, чтобы позицию корабля можно было вычислить с ошибкой менее чем в пару километров после путешествия протяженностью два-три месяца. В 1714 году акт британского парламента установил награду в 20 тысяч фунтов тому, кто сможет решить задачу. Приз в конечном итоге получил Джон Харрисон (1693–1776) в 1773 году (Sobel 1995).

Если говорить только о топливе, то история пошла бы другим путем, если бы уголь использовался исключительно как заменитель дерева в открытых топках или если бы сырая нефть годилась лишь на керосин для освещения. В большинстве случаев вовсе не доступ к изобильным энергетическим ресурсам или к конкретным первичным движителям создавал долгосрочные различия. Определяющими факторами были стремление к инновациям, заинтересованность в освоении новых ресурсов и техник, в поиске новых способов их использования. Комбинация этих факторов определяла как энергетическую эффективность целых экономик или отдельных процессов, так и безопасность и приемлемость новых техник конверсии. Примеры этих иногда ошеломляющих, но часто едва заметных воздействий можно найти во всех энергетических эпохах, для всех видов топлива и первичных движителей.

В узком техническом смысле самый важный тип средств контроля включает устройства и системы обратной связи (Doyle, Francis and Tannenbaum 1990; Astrom and Murray 2009). Они передают информацию о конкретном процессе контролирующему механизму, чтобы можно было вносить поправки. Европа начала современной эпохи получила определенное лидерство в развитии подобных устройств. Первыми представителями средств контроля этого типа стали термостаты (например, изобретенный приблизительно в 1620 году голландским инженером Корнелиусом Дреббелем), автоматическое поворотное устройство для ветряных мельниц (запатентовано в 1745 году английским кузнецом Эдмундом Ли), поплавки в бытовых цистернах и паровых котлах (1746–1758) и знаменитый центробежный регулятор Джеймса Уатта, контролировавший мощность паровой машины (1789). Современный самый распространенный пример – микропроцессоры, следящие за тем, как работает двигатель автомобиля или самолета.

Незаменимый тип средств контроля включает инструкции, которые дают возможность копировать системы производства и управления, стандартизировать товары и услуги. Быстрое развитие печати в Европе внесло значительный вклад в развитие этой сферы. К 1500 году более 40 тысяч различных изданий было выпущено в Западной Европе тиражом более 15 миллионов экземпляров (Johnson 1973). Освоение технологии тонкого гравирования на меди в XVI веке и одновременное развитие картографии было другим важным достижением на заре современной эпохи. Еще одной выдающейся инновацией этого типа стало изобретение перфокарт, которым мы обязаны Жозефу Мари Жаккару (1752–1834): поначалу они использовались (с 1801 года) для контроля ткацких операций. До 1900 года перфокарты благодаря Герману Холлериту (1860–1929) стали применять для обработки данных переписей (Lubar 1992). После 1940 года ввод с помощью перфокарт использовали сначала в электромеханических, потом в электронных компьютерах; к настоящему времени они вышли из употребления.

До конца XIX века новые средства контроля оставались в основном механическими. На протяжении XX века прогресс в математике и физике, широкое распространение транзисторов, интегральных микросхем и микропроцессоров позволило создать обширное поле для возникновения все более сложных средств автоматического контроля на электрической и электронной основе. Важнейшие инновации варьируются от широкого распространения радара (для контроля воздушного пространства, наведения ракет, работы автопилота) до миллиардов средств контроля на микрочипах в домашней и промышленной электронике.

В более широком смысле фундаментальные соображения контроля касаются того, как общества обращаются со своими энергетическими источниками и первичными движителями. Как они распределяют их между различными областями потребления? Какого баланса они хотят (если вообще хотят) достичь между противоречивыми тенденциями к автаркии и к росту важности внешней торговли? Насколько открыты они к новым товарам и идеям? Какую цену они готовы платить за военные расходы? Какую форму централизованного контроля они в состоянии осуществить? Ответы на эти вопросы во многом зависят от культурных, религиозных, идеологических и политических ограничений, склонностей и предпочтений. И вновь многочисленные примеры можно обнаружить во всех энергетических эпохах. Особенно показательны два важных контраста: первый между западными и китайскими морскими экспедициями, и второй между русским и японским подходом к экономической модернизации.