Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого - Вацлав Смил

Уильям Крукс, связаны с комфортом, удобством, роскошью, богатством или производительностью, спасают нас от преждевременной смерти или хронических болезней, но без синтеза аммиака мы не могли бы обеспечить само существование большей части сегодняшнего и будущего населения планеты[191].

Спешу заметить, что 50 % населения, зависящего от аммиака, — это не постоянная величина. При нынешнем рационе и сельскохозяйственных методах синтетический азот кормит половину человечества — то есть при прочих равных условиях половина населения мира не выжила бы без синтетических азотных удобрений. Но эта доля могла бы уменьшиться, если бы богатые страны перешли преимущественно на растительную индийскую диету, или увеличиться, если бы весь мир питался так хорошо, как сегодня китайцы, не говоря уже о копировании пищевых привычек американцев[192]. Мы также можем уменьшить свою зависимость от азотных удобрений, сократив количество пищевых отходов (как было показано выше) и повысив эффективность применения удобрений.

Приблизительно 80 % мирового производства аммиака используется для выпуска удобрений; остальная часть служит сырьем для производства азотной кислоты, взрывчатых веществ, ракетного топлива, красок, синтетических волокон, моющих средств для окон и пола[193]. При соблюдении должных мер предосторожности и использовании специального оборудования аммиак можно вносить непосредственно в почву[194], однако это соединение используют в основном для производства твердых и жидких азотных удобрений. Среди них преобладает мочевина, твердое удобрение с наивысшим содержанием азота (46 %)[195]. В последнее время на нее приходилось около 55 % азота, вносимого на поля во всем мире, и она широко применяется для повышения урожая риса и пшеницы в Китае и Индии — двух странах с самым многочисленным населением, — а также гарантирует хорошие урожаи в пяти других странах Азии с общим населением более 100 миллионов человек[196].

В меньших количествах применяются такие азотные удобрения, как нитрат аммония, сульфат аммония, известково-аммиачная селитра, а также разные жидкие растворы. После того как азотные удобрения внесены в почву, практически невозможно проконтролировать их потери вследствие испарения (из соединений аммиака), вымывания (нитраты хорошо растворяются в воде) и денитрификации (биохимический процесс с участием бактерий, в результате которого азот возвращается в атмосферу в виде нейтральных молекул)[197].

В настоящее время известны только два эффективных способа уменьшить потери азота на полях: распылять дорогостоящие удобрения с медленным высвобождением азота и вносить удобрения только при необходимости, на основе анализа почвы[198]. Как уже отмечалось выше, косвенные меры — в том числе повышение цен на продовольствие и сокращение потребления мяса — достаточно эффективны, но не слишком популярны. В результате маловероятно, что любое реалистичное сочетание этих методов может привести к радикальным изменениям в мировом потреблении азотных удобрений. В настоящее время ежегодно вырабатывается около 150 мегатонн аммиака, и приблизительно 80 % из них используется как удобрение. Почти 60 % этих удобрений вносятся в Азии, примерно четверть в Европе и Северной Америке, меньше 5 % в Африке[199]. Большинство богатых стран, вне всякого сомнения, могут и должны уменьшить количество вносимых удобрений (у них среднее потребление продуктов питания на человека и так слишком велико), а Китай и Индия — два главных потребителя азотных удобрений — имеют много возможностей исключить их чрезмерное применение.

Но Африка, континент с быстро растущим населением, по-прежнему испытывает недостаток в продуктах питания и является их крупным импортером. Любая надежда на самообеспечение продовольствием может быть основана только на интенсивном использовании азота: как бы то ни было, а уровень использования аммиака на этом континенте в три раза ниже, чем в среднем по Европе[200]. Лучшим (и долгожданным) решением была бы модификация зерновых культур, чтобы они приобрели свойство связывать азот, как это умеют делать бобовые, но этих рубежей генная инженерия еще не достигла. Есть и менее радикальный вариант — инокуляция (предпосевная обработка) семен бактериями, способными связывать азот; это инновация с еще неясными коммерческими перспективами.

Пластик: разнообразный, полезный и проблемный

Пластик — это большая группа синтетических (или полусинтетических) органических материалов, обладающих общим свойством: они пригодны для литья и штамповки. Синтез пластика начинается с мономеров, простых молекул, которые могут соединяться в длинные цепочки или разветвленные структуры, образуя полимеры. Два самых распространенных мономера, этилен и пропилен, получаются с помощью парового крекинга (нагревания до 750–950 °C) углеводородного сырья; углеводороды также дают энергию для последующего синтеза[201]. Пластичность этих материалов позволяет использовать при их обработке самые разные методы: литье, штамповку или экструзию, и им можно придать самую разную форму, от тонкой пленки до толстостенных труб и от легких как перышко бутылок до массивных и прочных контейнеров для мусора.

Больше всего в мире производят термопластов — полимеров, которые размягчаются при нагревании и снова становятся твердыми при охлаждении. На полиэтилен (ПЭ) низкой и высокой плотности приходится более 20 % мирового производства полимеров, на полипропилен (ПП) — около 15 %, а на поливинилхлорид (ПВХ) — более 10 %[202]. В отличие от них, реактопласты (в частности, полиуретан, полиимид, меламин и мочевинный формальдегид) не размягчаются при нагревании.

Некоторые термопластичные соединения сочетают низкий удельный вес с относительно высокой прочностью (износостойкостью). Прочные алюминиевые сплавы в три раза легче углеродистой стали, но удельная плотность ПВХ составляет лишь 20 % удельной плотности стали, а ПП — всего 12 %. Предел прочности на разрыв конструкционной стали составляет 400 мегапаскалей, а полистирола — 100 мегапаскалей, в два раза больше, чем у дерева или стекла, и всего на 10 % меньше, чем у алюминия[203].

Это сочетание низкого веса и высокой прочности сделало термопластик превосходным материалом, например, для толстостенных труб и фланцев, противоскользящих поверхностей и химических резервуаров. Термопластичные полимеры нашли широкое применение в автомобильной промышленности, как для отделки салонов, так и для внешних деталей (бамперы из ПП, приборные панели из ПВХ, фары из поликарбоната); легкие высокотемпературные, или огнестойкие, термопласты (поликарбонат, смеси из ПВХ и акрила) используются для отделки салонов современных самолетов; армированные углеродным волокном пластмассы (композитные материалы) применяются для изготовления корпусов летательных аппаратов[204].

Первые пластмассы, в частности целлулоид, получаемый из нитрата целлюлозы и камфоры (легковоспламеняемая основа киноиндустрии, замененная только в 1950-х гг.), производились в небольших количествах еще в последние три десятилетия XIX в., но первые термореактивные пластмассы (с температурой плавления 150–160 °C) были получены в 1907 г. Лео Хендриком Бакеландом, бельгийским химиком, работавшим в Нью-Йорке[205]. Его фирма, General Bakelite Company, основанная в 1910 г., начала первой производить пластик в промышленных масштабах, формуя из него самые разные изделия, от электрических изоляторов до черных телефонов с вращающимся диском, а во время Второй мировой войны