В 1856 году Наполеон III заказал погремушку для своего новорожденного сына, используя один из самых драгоценных на тот момент металлов: легкий, серебристый и устойчивый к коррозии алюминий. Несмотря на его распространенность — это третий по чистоте элемент земной коры — металл был выделен только в 1824 году, и сложность и стоимость процесса сделали эту погремушку подарком, достойным принца. И только в 1886 году двое молодых исследователей, по разные стороны Атлантики, разработали метод, который до сих пор используется для коммерческой очистки алюминия. Процесс Холла-Эру забирает огромное количество энергии: химически модифицированная руда растворяется в высокотемпературной ванне из расплавленных минералов, через которую пропускают электрический ток для отделения металлического алюминия. Он также по своей сути энергоемкий: одна из причин, по которой алюминий был выделен так поздно, заключается в том, что атомы алюминия чрезвычайно прочно связываются с кислородом. Никакие изощренные инженерные решения не изменят эту физическую реальность. Астрономический рост мирового производства алюминия за последнее столетие стал возможен благодаря развитию энергетической инфраструктуры, необходимой для питания коммерческих перерабатывающих заводов на экономически жизнеспособной основе. В США этому способствовали масштабные проекты гидроэлектростанций, построенные федеральным правительством в рамках «Нового курса» Франклина Д. Рузвельта, за которыми последовала Вторая мировая война и колоссальная мобилизация ресурсов: алюминий стал материалом выбора для тысяч самолетов, сходивших с военных конвейеров так же быстро, как их сбивали.
Всего за столетие этот металл прошел путь от редкого и драгоценного до вездесущего и буквально одноразового.
В той же мере, что и технологические прорывы, именно доступность энергии сформировала наш материальный мир. Экспоненциальный рост использования ископаемого топлива за последние полтора века питал новые, энергоемкие способы добычи, переработки и потребления материи в беспрецедентных масштабах. Но теперь кумулятивные экологические, медицинские и социальные последствия — то, что в экономике называют отрицательными внешними эффектами — этого подхода стали неоспоримыми. Мы видим их почти везде: от последствий для здоровья жителей вблизи автомагистралей или нефтеперерабатывающих заводов до растущей проблемы пластиковых, текстильных и электронных отходов.
Мы привыкли рассматривать энергетический переход как способ решения экологической проблемы изменения климата. Энергия нужна для удовлетворения базовых человеческих потребностей — для защиты от стихий (будь то обогрев или охлаждение), топлива для приготовления пищи, искусственного освещения, социальных нужд, таких как мобильность и связь, и многого другого. Декарбонизация наших энергетических систем означает удовлетворение этих потребностей без сжигания ископаемого топлива и выброса парниковых газов в атмосферу. Во многом благодаря государственным инвестициям в исследования и разработки в области чистой энергетики мир, работающий на электричестве из изобильных, возобновляемых и не загрязняющих источников, теперь достижим.
В той же мере, что и технологические прорывы, именно доступность энергии сформировала наш материальный мир
Что гораздо меньше ценится, так это то, что этот сдвиг также потенциально может повлечь за собой трансформацию наших отношений с материей и материалами, позволяя нам решить экологическую проблему загрязнения и отходов. Это не произойдет случайно, так же как рост этих отраслей в XX веке не был случайностью. Чтобы достичь этого будущего, нам необходимо его понять, исследовать, инвестировать в него и строить. Каждый джоуль электричества, полученный из ископаемого топлива, означает, что мы платим за то, что было сожжено для его производства. Фактически из-за неэффективности тепловой генерации это означает оплату за многие дополнительные джоули тепла.
Генерация энергии из возобновляемых источников, разумеется, имеет капитальные и операционные расходы, но они минимальны и инкрементальны. Это потому, что входная энергия поступает в виде ветра или солнечного света, а не в виде вагонов с углем. В широкой перспективе это означает, что в полностью декарбонизированном мире вся энергия будет экономически ближе к гидроэнергетике: хотя она, возможно, никогда не станет «слишком дешевой, чтобы ее учитывать», она может стать слишком дешевой, чтобы на ней надежно получать прибыль на открытом энергетическом рынке. Это проблема для энергетической инфраструктуры, принадлежащей инвесторам, но потенциально преобразующая для систем, принадлежащих сообществам (включая государственные коммунальные предприятия, некоммерческие электрокооперативы или местные микросети), где более дешевая и обильная энергия может обеспечить справедливый переход и новую экономику.
Инвестиции в энергетическую инфраструктуру XX века, такие как Закон о сельской электрификации 1936 года в рамках «Нового курса» и его аналоги по всему миру, заложили основу для глобальной индустриальной экономики. Если мы сможем добиться аналогичного масштаба приверженности возобновляемой энергетике — ставя во главу угла изобилие и доступность, а не прибыль, — это приведет к еще одному скачку в возможностях материального мира, где то, что ранее было немыслимо дорогим, станет обыденной реальностью. Например, подобно очистке алюминия, опреснение морской воды является неотъемлемо энергоемким процессом. Но в мире с дешевым чистым электричеством жители прибрежных городов могли бы получать надежное водоснабжение из прибрежных водоочистных сооружений, а не из оспариваемых источников пресной воды.
Опреснение — не единственный энергоемкий процесс, который станет жизнеспособным. Алюминий, стекло и сталь являются одними из наиболее перерабатываемых материалов отчасти потому, что для их производства из исходного сырья требуется так много энергии, что их восстановление экономически оправдано. Пластики, напротив, с их почти бесконечным разнообразием, поддаются механической переработке лишь в немногих случаях. Эффективная переработка пластика означает его разложение на химические строительные блоки, готовые для сборки в новые формы. И поскольку большинство пластмасс при сжигании выделяют тепло, движение в противоположном направлении — воссоединение этих атомов углерода в новые пластмассы — требует значительного вливания энергии. Всегда было проще, дешевле и прибыльнее просто сбрасывать отходы на свалки и производить новые пластмассы из свежедобытой нефти и газа. Но если бы энергия поступала из недорогих возобновляемых источников, все экономическое уравнение производства пластмасс могло бы измениться. Углекислый газ можно было бы извлекать из воздуха и преобразовывать в полезные полимеры с использованием энергии солнца, а отработанный пластик разлагать на сырье, чтобы процесс мог начаться снова.
Если это звучит знакомо, то потому, что так работают растения. Но, как и прорыв Холла и Эру в области алюминия, новые процессы потребуют как энергии, так и технологических инноваций. Десятилетия исследований были посвящены созданию новых видов пластика из ископаемого топлива, и лишь непропорционально малая часть — тому, что происходит с этими пластмассами в конце их жизненного цикла. Но сейчас многие компании, в том числе Twelve, опираются на новые исследования, чтобы осуществить именно такую трансформацию, используя энергию из возобновляемых источников для превращения воды и атмосферного углекислого газа обратно в углеводороды, в виде топлива и материалов.
Приоритет изобилия и доступа над прибылью приведет к новому скачку в возможностях.
Наконец, дело не только в пластике. Если мы добьемся создания мира с еще более дешевой и обильной энергией, но снова используем ее для усиления добычи, потребления и утилизации, мы можем «решить» острую энергетическую проблему, усугубив при этом многочисленные экологические проблемы, вызванные загрязнением. Вместо этого мы можем рассматривать инвестиции в энергетическую инфраструктуру, управляемые сообществами, как запуск новой промышленной системы, в которой чистая, недорогая возобновляемая энергия делает возможным восстановление широкого спектра материалов. Это исключило бы огромные затраты на первичную добычу и утилизацию, включая экологическое разрушение и геополитические конфликты.
Наращивание темпов как можно быстрее поможет сократить материальные затраты на масштабные изменения, которые повлечет за собой декарбонизация, например, замена транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания их электрическими аналогами. Это уже происходит в таких компаниях, как Ascend Elements, которая в настоящее время строит предприятие в Хопкинсвилле, штат Кентукки, для производства материалов для новых аккумуляторов из переработанных литиевых батарей. Проект финансируется более чем полумиллиардом долларов недавних частных инвестиций, опирающихся на гранты Министерства энергетики в размере 480 миллионов долларов, а сама работа основана на фундаментальных исследованиях, поддержанных Национальным научным фондом. По мере того как все больше чистой возобновляемой энергии вводится в строй, мы должны продолжать проводить политику, поддерживающую исследования и разработки новых технологий, необходимых для восстановления всех видов материалов, — наряду с нормативными актами, учитывающими реальные затраты на добычу и утилизацию. Это будет способствовать не только энергетическому переходу, но и материальному переходу, гарантируя, что промышленный сектор будет соответствовать здоровью нашей планеты.
Деб Чакра — профессор инженерии в Olin College of Engineering в Нидхэме, штат Массачусетс, и автор книги «How Infrastructure Works: Inside the Systems That Shape Our World» (Riverhead, 2023).
