Серия «Изобретение и инновация»

9

Изобретение и инновация (10)

Заканчиваем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Техно-оптимизм, преувеличения и реальные ожидания

Как видим, наука и техника не дают нам гарантий успеха. Но мы не хотим учиться на неудачах, а пресса регулярно кормит нас всё новыми обещаниями. Автор называет сложившееся положение дел «обществом постфактум». Нас кормили сказками про колонизацию Марса с 2022 года, чудеса слияния мозга и компьютера, вездесущие самодвижущиеся автомобили к 2020 году, полную замену бензиновых и дизельных авто к 2025, повсеместную медицинскую диагностику с помощью искусственного интеллекта. Ничего из этого не сбылось. А как насчёт жизни в Метавселенной, генной инженерии человека или выращивания одежды на заказ? Этот список несбывшихся мечтаний можно долго продолжать.

Автор посвятил несколько абзацев трём важным категориям. Первая из них – разработка новых лекарств. Исследования научных статей показали, что 40% сообщений содержали преувеличения, а в их продолжениях преувеличений уже 60%. По факту резкого роста в получении одобрений новых препаратов не было, начиная с пятидесятых годов. Недавний скромный рост можно объяснить прогрессом выделения веществ из природного сырья (BLA). У химиков с их NME ускорение плохо заметно.

Изобретение и инновация (10) Книги, Обзор книг, Научпоп, Прогресс, Наука, Нон-фикшн, Длиннопост

Одобрения новых лекарств FDA

Авиация тоже не радует нас обещанными прорывами. А обещали массы малых электрических самолётов на региональных линиях к 2022 году. Ни одного испытательного полёта на момент выхода книжки. Гибридный самолёт обещали произвести в Embraer, но кроме картинок, от них пока ничего не видно. Две калифорнийские компании обещали самолёт на водородных ячейках к 2023 году, который будет мощнее традиционных. Автор ехидно спрашивает: неужели Боинг с Эйрбасом сами не дошли до сей блестящей идеи?

Но, конечно, самый хайп собрала тема искусственного интеллекта. Способности и цели этих технологий часто понимаются неправильно даже людьми, связанными с разработкой, в чём признаются ведущие исследователи в области. Что на данный момент действительно удалось – это внедрить рудиментарные аналитические техники в распознавании образов и способов, которые не бросаются в глаза простому смертному. Именно таким образом компьютер обыграл Каспарова в шахматы. Прогресс нейронных сетей был осложнён рядом неудач, продемонстрировавших хрупкость, предвзятость и забывчивость подобных систем. Они лишены здравого смысла и совершают элементарные арифметические ошибки. А ещё обучение этих систем требует очень большого расхода энергии. Будет очевидным прийти к выводу: наше стремление к ИИ является очень сложным процессом, успех которого видится через десятилетия и поколения, а блестящие достижения в решении некоторых несложных задач всё ещё омрачаются проблемами в гораздо большей области интеллекта, которая всё ещё не по силам компьютерной программе. Если взглянуть шире – то внушительный прогресс в микроэлектронике пока не сопровождается ускорением инновации в других отраслях.

Ускорение научно-технического прогресса – миф. Укрепить его помог закон Мура и рост электронной коммерции. У нас хватает пророков сияющего технобудущего. Фанат ускорения Джоэль Мокир предсказывает новые поколения антибиотиков, новый симбиоз растения и бактерии по фиксации азота и избавление от ожирения через манипуляцию обменом веществ. Но он ещё довольно сдержан. Адепт датаизма Юваль Харари вещает про будущее безграничных изобретений, в котором всё будет познано и объяснено. Азим Ажар предрекает эру изобилия с дешёвыми энергией, едой, расчётами и прочим. Но эти хоть сроков не называют. Рэймонд Курцвейл вообще не имеет сомнений. По его данным, к 2045 году машинный интеллект обгонит человека, они сольются в единый организм и станут вечными, сделав колонизацию Вселенной посильной задачей. Знание распространится по ней со скоростью света.

Как бы не так. В наши дни под угрозой старый добрый закон Мура. Ощутимо замедлился рост максимальной вычислительной способности процессоров. Если в прошлом веке прибавляли 52% ежегодно, то потом скатились до 23%, а с 2015 по 2018 годы вообще до 4%. Экспонента остаётся в прошлом, добро пожаловать S-кривая. То же самое следует сказать и о других областях: компьютеризации, продовольственном обеспечении и экономическом росте вообще. С начала прошлого века энергетическая плотность батарей выросла в 12 раз. Это примерно по 2% в год. И даже если мы с сегодня на завтра поднимем её на порядок, то всё равно она останется вчетверо хуже, чем у керосина. Короче, не дождаться нам реактивных лайнеров на батарейках. Многие указывают на удешевление солнечных батарей, но если учесть не только батарею, но всю её обвязку, а также вывод её из эксплуатации, картина станет не столь радужной. Если бы всё было так хорошо, как представляется, страны-лидеры в генерации из возобновляемых источников (Дания, Ирландия и Германия) не имели бы самую дорогую электроэнергию в Евросоюзе. Но кого это волнует...

Если оглядеться, самым продуктивным в плане полезной инновации десятилетием были 1880-е годы с их новаторскими материалами, процессами и машинами. Велосипед, кассовый аппарат, шариковая ручка и антиперспирант служат демонстрацией далеко не самых важных изобретений того времени. Ведь есть электростанции, двигатели, трансформаторы, трамваи, лампочки, наконец. Есть двигатель внутреннего сгорания, есть радио. Вот когда было ускорение!

Прогресс шагает малыми шажками, и микропроцессоры – редкое исключение. Ещё в 1971 году президент США Ричард Никсон объявил войну раку. Полвека прошло – а конца не видно, тем более, что болезнь имеет более сотни различных видов. В 2003 году директор Национального института рака призвал избавиться от рака к 2015 году, а уже Обама говорил о лекарстве «в наше время». Проблема здесь не в деньгах, а в научном понимании развития, наследования и прогресса болезни. А это долгое дело, хоть и настраивающее нас на осторожный оптимизм. Мы продвинулись в понимании онкогенеза, получили вакцины против вируса папилломы, мобилизуем иммунитет человека для ограничения роста метастазов, а также имеем моноклональные антитела для борьбы с меланомой и другими видами рака. Мы расширили раннюю диагностику. Но, несмотря на утроение процента выживания у больных раком поджелудочной железы, он составляет всего 9% за пять лет. Байден не остался вне рядов воинов, провозгласив в 2022 году новый «лунный выстрел». Его администрация ставит целью уполовинить смертность в ближайшую четверть века. В то же время смертность от передоза выросла более, чем вдвое, за шесть лет, достигнув 98 тысяч в год. А от всех видов рака – 320 тысяч. Где найдёшь, где потеряешь...

Последняя тема, которой коснулся автор – декарбонизация в целях борьбы с изменением климата. Все громкие цели, провозглашаемые политиками на глобальных встречах – пустые декларации. Невозможно снизить сжигание углерода на 45% до 2030 года, как нельзя достичь углеродной нейтральности к 2050 году.

Это же элементарно считается. В 2000 году ископаемое сырьё давало 87% первичной энергии в мире, в 2020 году цифра упала до 83%. Это по 0,2% в год. Уйти в ноль за три десятка лет – это снимать по 2,75% ежегодно или в 14 раз быстрее. В ноябре 2021 года была поставлена смелая цель по снижению эмиссии углекислого газа наполовину к 2030 году. В течение девяти лет, начиная с 2022, мы должны снижать на полтора миллиарда тонн ежегодно. Давайте предположим, что все сектора промышленности будут снижать пропорционально. В 2019 году в мире выплавлялось 1,28 миллиарда тонн чугуна, из которого получалось 72% мировой стали. К 2022 году не было построено ни одного коммерческого завода по выплавке на водороде, а не на угле. Этот весь водород ещё надо произвести с помощью не существующего на данное время электролиза в рамках «зелёной» электроэнергии. И как построить это всё это, чтобы произвести полмиллиарда тонн чугуна к 2030 году? Как произведём 520 миллионов новых электроавто? По 63 миллиона в год, что ли? Да это больше глобального автопроизводства 2019 года! Или возьмём авиацию. Как можно снизить расход керосина на 40% за девять лет, если батареи вмещают в 40 раз меньше энергии, чем керосин, а в воздухе нет ни одного водородного самолёта (и вряд ли увидим до 2040 года)? А ведь нужно до 2030 года кровь из носу посадить 10 тысяч керосиновых лайнеров.

Можно просто нарисовать предполагаемый график, чтобы убедиться в нереальности этой цели. Что, кстати, и сделал наш автор:

Изобретение и инновация (10) Книги, Обзор книг, Научпоп, Прогресс, Наука, Нон-фикшн, Длиннопост

Глобальная декарбонизация к 2030 году

Совершенно неизбежно они, эти цели, не будут достигнуты. Развитые страны смогут пройти дальше по этому пути, но всё равно недостаточно далеко. Более того, всё стремление к декарбонизации будет частично обесценено тем, что вся эта новая техника должна быть построена с опорой на ископаемый углерод, будь то топливо, сырьё или смазка. Полная декарбонизация потребует много десятилетий постепенного прогресса, в течение которых мы обречены на сжигание угля, нефти и газа.

Нет, ребята, всё не так просто. В мире есть достойные цели, достичь которые будет легче. Например, снизить неравенство. Давайте накормим голодных до того, как поднимем в воздух новый сверхзвуковой лайнер. Для этого понадобится дешёвое и эффективное водоснабжение, установки опреснения воды. Нужны высокие урожаи. Нужно улучшение энергоснабжения беднейших стран. И главное, для этого не столько нужны изобретения, сколько инновация, которая бы расширила географию их полезности и снизила издержки. Мы прекрасно знаем, что можно сделать для этого с тем, что уже имеем в своём распоряжении.

Автор считает себя реалистом и знает, что ресурсы для изобретений и инноваций всегда распределяются не по балансу сравнительной полезности. Новые материалы, продукты, процессы будут непременно изобретаться. И непременно мы снова будем совершать ошибки, тянуть одеяло на себя и обманываться в своих надеждах. Ничто не ново под солнцем.

Хороший автор Смил, жаль только что лет ему много. Его здравомыслия очень не хватает в наше время. Могу полностью подписаться под его критикой планов по декарбонизации, но на практике сегодня его мало кто слушает. Что касается ускорения научно-технического процесса, то, боюсь, нам нужно сегодня стараться избежать его замедления. Особенно это будет становиться заметным в процессе сворачивания глобализации, что неизбежно приведёт к росту издержек и снижению окупаемости проектов.

Показать полностью 2
16

Изобретение и инновация (9)

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Управляемый термояд

О возможности поставить водородную бомбу на мирную службу задумывались уже её создатели. Решение Эдвардом Теллером конструкторской проблемы привело к первому испытанию бомбы, которая по факту была никакая не бомба, а стационарное устройство весом в 72 тонны в 1952 году. Последовала гонка вооружений, которая закончилась демонстрацией Советским Союзом Царь-бомбы мощностью в 58 мегатонн в 1961 году. Однако, в отличие от атомной бомбы, энергия водородной не могла быть использована в мирных целях. Не хватало устройства, которое бы могло сдерживать плазму для инициации термоядерного синтеза.

При этом синтезе слияние атомов трития и дейтерия производит атомы гелия и высокоэнергичный нейтрон, абсорбировав который можно произвести тепло, с помощью которого можно выработать электроэнергию. Вообще, для этого необходимо три условия: поддержание очень высокой температуры, достижение необходимой плотности плазмы и поддержание плазмы в этом состоянии для генерации тепла. Тогда, в самом начале, физики считали эти проблемы вполне преодолимыми и называли горизонт в два десятилетия. Поначалу советскими физиками был достигнут ощутимый прогресс. Они сдерживали плазму магнитным полем в ТОроидальной КАмере с МАгнитными Катушками, которая стала известна миру как Токамак.

Изобретение и инновация (9) Книги, Обзор книг, Научпоп, Изобретения, История изобретений, Термоядерный синтез, Нон-фикшн

Первый работающий Токамак Т-3

Есть и другие устройства, такие, как стелларатор или Z-машина, но бублик токамака остаётся доминантным дизайном и в наши дни.

На протяжении всего цикла исследования сопровождаются вниманием прессы, которая заявляет о «прорывах» с каждым мало-мальским успехом. Неудивительно: неистощимый устойчивый и безуглеродный источник энергии ужасно притягателен. Вот только эти «прорывы» имеют лишь демонстрационную, но не коммерческую ценность. Реальный же прогресс довольно скромен. Крупнейший в мире экспериментальный токамак ITER находится в процессе строительства. Первую плазму предполагается получить в 2025 году, тритий – в 2032. Расход энергии будет 300 мегаватт, взамен токамак произведёт 500 мегаватт, 40% из этой энергии удастся преобразовать в электрический ток. В сухом остатке имеем минус 100 мегаватт.

Запуск первой демонстрационной электростанции планируется на 2054 год. Примерно в такой же временной диапазон ложатся планы других стран. По факту у исследователей с самого начала наблюдается скользящий горизонт в три десятилетия. Термояд остаётся миражом, и главная причина этого – проблемы при удержании нейтронов и высокий расход энергии на холодильники, насосы и прочее оборудование, необходимое для формирования магнитного поля. Ну и деньги, конечно. Каждый из трёх предполагаемых демонстрационных реакторов влетит в 20 миллиардов как минимум. За всё время исследований набежит порядка 200 миллиардов. Много это или мало? Эта примерно соответствует ВВП такой страны, как Греция. Или одна десятая расходов Соединённых Штатов на двадцатилетнюю войну в Афганистане.

Это всё не волнует оптимистов термояда, радующих публику всё новыми сообщениями и прожектами. Одним из недавних является так называемый холодный синтез, который по сей день остаётся лишь теорией. Убедительного доказательства как не было, так и нет.

Помню, ещё в девяностых читал интервью академика Велихова о перспективах энергетики, в котором он говорил, что в двадцатых годах своё веское слово скажет термояд. Увы, все слова остаются лишь на страницах прессы. Фата-моргана отходит от нас с каждым нашим шагом вперёд.

Показать полностью 1
15

Изобретение и инновация (8)

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Фиксирующие азот злаки

Название «азот», которое можно перевести как «безжизненный», вводит в заблуждение. На самом деле это совершенно необходимый элемент для флоры и фауны. Если бы удалось заставить пшеницу связывать азот, как это делают бобовые, нам не надо было бы сыпать столько удобрений, и урожаи были бы такие же высокие. Уже в девятнадцатом веке по мере истощения естественных месторождений гуано пришли к идее добывать азот прямо из воздуха. И в 1909 году немцы Габер и Бош разработали свой знаменитый процесс по синтезированию аммиака из воздуха, угля и воды. Поначалу весь синтезированный аммиак шёл на производство взрывчатки во время Первой мировой, а после её окончания он стал ключевой составляющей Зелёной революции, драматически увеличившей урожаи и накормившей полмира.

Сегодня в мире в почву вносится 120 миллионов тонн азота в год, и пользу его трудно переоценить. Но эта практика имеет свои недостатки. Начать с того, что половина удобрений не попадает по назначению, а ускользает разными путями в окружающую среду и причиняет ей вред. Самым наглядным подтверждением этого являются мёртвые зоны в прибрежных водах, где удобрения вызывают разрастание водорослей. Их разлагающиеся остатки на дне забирают из воды кислород. Как следствие, морские обитатели задыхаются. Далее, по вине азотных удобрений случаются кислотные дожди. Также бактериальное разложение нитратов добавляет в атмосферу вредные оксиды азота. Вследствие массивного внесения удобрений ухудшается и качество почв, которые теряют органический углерод. В навозе этот углерод есть, а в синтезированных азотных удобрениях – нет.

Если мы посмотрим на бобовые, то увидим, что они мало того, что не требуют азотных удобрений, но и добавляют азот в почву. Эта особенность известна ещё с античных времён и используется для улучшения качества почв в процессе севооборота. Азот бобовым дают бактерии рода Rhizobium, живущие с растением в симбиозе на его корнях. Им не нужны гигантские давления и температуры процесса Габера. Хватает своего энзима нитрогеназы, с помощью которого и фиксируется атмосферный азот.

Изобретение и инновация (8) Книги, Обзор книг, Научпоп, Изобретения, Сельское хозяйство, Биология, Нон-фикшн, Наука

Симбиоз ризобия и бобового

Открытие этого механизма сразу натолкнуло на мысль побудить ризобий жить на корнях зерновых. Десятилетиями эта идея оставалась без должного внимания, и лишь в конце прошлого века, во многом усилиями того самого Нормана Борлоуга, который выступал против ДДТ, темой заинтересовались широкие круги научной общественности.

Есть три стратегии, первой из которых является воспроизведение привычной среды обитания ризобия на корнях злаков. Однако является загадкой, почему эти бактерии в процессе эволюции прижились лишь у бобовых. Что-то здесь не так. Кроме того, ризобий потребляет до 20% энергии растения, которое оно компенсирует улучшением фотосинтеза вследствие избытка азота. С зерновыми такой фокус может не сработать.

Вторым путём является придание симбионтам, живущим на корнях злаков, способности фиксации азота. Здесь есть определённый прогресс с бактериями, открытыми на корнях тростника. Британская компания Azotic Technologies предлагает патентованную обработку семян с помощью Gluconoacetobacter diazotrophicus. Полевые эксперименты компании показали увеличение урожая кукурузы на приличных 5-13%. Однако независимые тесты подтвердили лишь совсем небольшой рост, а то и вовсе его отсутствие.

Третий способ: создать новое растение со способностью фиксировать азот без посторонней помощи. Генная инженерия нам в помощь. Однако нитрогеназа – очень сложный белок. Более того, она очень чувствительна к кислороду. Есть некоторый прогресс в переносе генов ризобия на табак, но всего лишь некоторый. Не стоит забывать и недоверие к ГМО в Европе и Азии, тем более, что речь идёт о базовых продуктах питания западной цивилизации.

По факту со времени начала агитации Борлоуга прошло уже полвека. Несмотря на многочисленные обещания, реального прорыва всё нет, а есть всё те же обещания и хайп в СМИ. Кембриджские биологи честно признаются:

На это нет ответа. Мы работаем в неизвестности.

Как-то не довелось услышать про это раньше. В свете прогресса генной инженерии очень хотелось бы верить в скорый успех. Но как оно сложится – бог знает.

Показать полностью 1
13

Изобретение и инновация (7)

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Вакуумный поезд

Ну вот мы и добрались до техники будущего, которая пока ещё не появилась, и вряд ли скоро появится. Список открывает не рождённое пока детище Илона нашего Маска под названием Hyperloop Alpha, о котором он возвестил миру в 2013 году. Принципиально это вагон на магнитной или воздушной подушке, гоняющий в трубе с очень низким давлением. До сих пор нет ни трассы, ни вагона, воплощённых в материале.

Идея, конечно, не нова. Ещё в XIX веке были задумки пустить подобный «вжух» между Лондоном и Эдинбургом. «Вакуумная туннельная компания» собиралась продавать акции по сто фунтов штука. Вакуум бы создавался котлами, расположенными каждые две мили вдоль трассы. Создавая вакуум, они бы всасывали вагон на себя. По узкой трубе должны были бы ездить только грузы, а пассажиров предполагалось примагнитить к капсуле сверху в отдельном вагоне, бегающем по специальным рельсам над трубой. Этот чудо-транспорт должен был пробегать 800 километров за пять минут.

Это чудо будущего привлекло внимание сатириков, которые изобразили его на цветной гравюре. Мы можем увидеть репродукцию на обложке книги. Там вакуумный экспресс отправлялся из Гринвича прямо в Бенгалию.

Изобретение и инновация (7) Книги, Обзор книг, Научпоп, Изобретения, История изобретений, Вакуум, Транспорт, Нон-фикшн, Длиннопост

Grand Vacuum Tube Company прямо в Бенгалию

Скоро выяснилось, что даже стали для производства трубы нужного качества в стране просто не было, не говоря уже о машинах.

Спустя десятилетия последовали новые проекты безлокомотивного транспорта с воздушным приводом. Была построена короткая испытательная трасса, где повозка, двигаясь в пятидесятипроцентном вакууме, разгонялась до 48 километров в час. И даже какое-то время в сороковых годах работала коммерческая линия в Ирландии. Была линия и в Англии, но после ряда поломок и финансовых убытков её пришлось закрыть в 1848 году. Следующей идеей была магнитная подушка, которую первым описал будущий известный ракетчик Роберт Годдард. Похожую идею двигал Эмиль Башеле, запантентовавший свой летающий поезд. Третьим в компании изобретателей был Борис Петрович Вейнберг, который построил у себя в Томске работающую модель вакуумного поезда, состоящую из десятикилограммового снаряда, двигавшегося по медной трубе длиной двадцать метров. Практической реализации этих проектов мир не дождался, но предложением Годдарда заинтересовались, хотя и сильно позже, аж после Второй мировой. Он запатентовал свою идею, но всё-таки эра реактивных самолётов и огромных легковушек перетянула пассажиропоток из железных дорог. И, несмотря на новые идеи Роберта Салтера по сверхскоростной транзитной системе, у рельсового наземного транспорта в США перспективы из десятилетия в десятилетие только ухудшались.

А вот в Японии и Франции быстрые поезда вошли в моду. В 1964 году стал курсировать экспресс между Токио и Киото, а в 1981 году из Парижа в Лион пошёл первый TGV. Пошли эксперименты и с магнитной подушкой. Немцы построили у себя экспериментальную трассу, которую пришлось закрыть после 28 лет работы в результате несчастного случая. Они стали сотрудничать с Китаем, который запустил первую линию в аэропорт Шанхая по немецкому проекту в 2004 году. Сегодня есть ещё линии в Японии и Южной Корее. Продолжается строительство длинной линии между Токио и Осакой.

Кроме масковского Гиперлупа, есть ещё подобный проект от Virgin Ричарда Брэнсона. Уже построили полукилометровую трассу, на которой двое пассажиров разгонялись до скорости 175 километров в час. Тестовая трасса в 320 метров есть у французской Hyperloop TT. Они обещали запустить коммерческую линию в 2017, затем в 2019, затем в 2020 году. Но так и не запустили до сих пор. Недавние прогнозы указывают уже на конец двадцатых.

Причины несбывшихся прогнозов всё те же, что и в девятнадцатом веке: недостаток подходящего материала для труб и опор, технические проблемы с достижением и поддержанием сверхнизкого давления в трубе, а также с приведением в движение капсулы. Маск слишком многое упрощает, между тем, как только на выбор маршрута и получение разрешений почти гарантированно уйдут долгие годы. И всё же в 2017 году Илон разродился твитом, в котором хвастался получением устного разрешения построить трассу из Нью-Йорка в Вашингтон, по которой можно будет промчаться всего за 20 минут. То есть некто в столице поднял трубку телефона и разрешил компании без опыта построить шестисоткилометровый туннель для поезда со скоростью 1000 км/ч. Ну да, ну да. Охотно верится, особенно в стране, которая не была способна отремонтировать старую железнодорожную линию между этими городами для того, чтобы поднять скорость поездов хоть немного выше текущих 125 км/ч.

Несмотря на то, что мы сегодня имеем и новые материалы, и новые двигатели, и мощные системы проектирования, всё ещё остаётся достаточно вызовов. Начиная с психологии пассажиров, запертых внутри тесной капсулы, и заканчивая решением большого количества инженерных проблем, самой очевидной из которых является разница в давлении. 100 Паскалей – это в 200 раз меньше, чем в стратосфере, где летают реактивные самолёты. Не хочется даже думать о последствиях возможной декомпрессии. Или температурное расширение, требующее специальных компенсаторов, в которых тоже нужно держать вакуум. Можно зарыть трубу в землю, но это поднимет и без того высокие издержки ещё выше. А какая это будет удобная цель для террористов! Короче, транспортные эксперты настроены довольно пессимистично: всё ещё слишком сложно и дорого это всё. Тем, кто хочет дождаться первой поездки, автор советует вести здоровый образ жизни, чтобы прожить подольше. Мир уже ждёт её больше двух сотен лет.

Полностью согласен с автором. Физику не обманешь. Слишком капризная вещь – вакуум, чтобы использовать её для пассажирских перевозок. Но мечтать, конечно, не вредно.

Показать полностью 1
7

Изобретение и инновация (6)

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Сверхзвуковые полёты

Первый полёт братьев Райт в декабре 1903 года длился всего 12 секунд. Можно ли было подумать, что всего четыре десятилетия спустя конструкторы займутся разработкой сверхзвуковых самолётов? В 1952 году полетел первый коммерческий реактивный лайнер. Боинг-747 начал летать в 1958. Его скорость – 0,83 Маха. В пятидесятых же британцы и французы стали делать коммерческий сверхзвуковой самолёт, объединив усилия в 1962 году в программе по строительству Конкорда. Скорость его была ограничена М=2,2, чтобы иметь возможность делать корпус из обычных алюминиевых сплавов. В 1969 году преодолели звуковой барьер, а ещё через год перекрыли его вдвое. Коммерческая эксплуатация началась в 1976 году. Конкорд летал из Лондона и Парижа в Бахрейн, Рио, Нью-Йорк, на Багамы. А иногда – в Сингапур, Даллас, Майами и бог ещё весть куда. В конце концов, последним пунктом назначения остался Нью-Йорк, куда из Парижа отправлялся плановый рейс 25 июля 2000 года. Кусок металла, потерянный предыдущим самолётом на взлётно-посадочной полосе, стал смертным приговором для экипажа и всех пассажиров. Свой вклад сделал и перегруз, и попытка взлететь по ветру. Это стало приговором для Конкорда, которого вывели из эксплуатации 23 октября 2003 года.

Изобретение и инновация (6) Книги, Обзор книг, История (наука), Изобретения, История изобретений, Сверхзвуковой самолет, Авиация, Нон-фикшн, Научпоп, Длиннопост

Почтовый блок в честь Ту-144

Советский Ту-144, будучи очевидным производным Конкорда, имел ещё более незавидную судьбу. Самолёт задумывался как демонстрация технических достижений Советского Союза в одном ряду со Спутником и Гагариным. Первый прототип взлетел в 1968 году, раньше Конкорда. В 1971 году Ту взлетел на авиашоу в Ле-Бурже, прежде чем как развалиться в воздухе на глазах у публики вследствие ошибки пилота. Производство самолёта прекратилось в 1982 году, после чего лайнер перевозил в основном авиапочту. В 1984 году Ту-144 перестал летать.

Соединённые Штаты не построили своего сверхзвукового лайнера, несмотря на публичное обещание Кеннеди через два года после обещания высадиться на Луне. Они, конечно, пытались. Программа разработки финансировалась на 90% государством. Уже в своём выступлении Кеннеди обрисовал проблемы, которые послужили причиной неудачи программы: техническая сложность, неэкономичность и неприятный для публики звуковой удар. 340-тонной махине Боинга не суждено было подняться в воздух. В 1971 году сенат проголосовал против продолжения финансирования разработки на фоне удорожания проекта и публичных протестов. Американцам, в отличие от европейцев, не хватило кооперации правительства, авиакомпаний и авиастроителей. Эта кооперация в Европе вылилась в основание компании Airbus в 1970 году, которая из года в год теперь опережает Боинг в качестве крупнейшего мирового производителя.

Два летавших сверхзвуковых лайнера нельзя назвать успехом. Их проблемы предсказывались задолго до готовности. Автор приводит четыре фундаментальных ограничения, повлиявших на судьбу коммерческого сверхзвука. Это сжатый дизайн вследствие необходимости преодоления сверхзвукового сопротивления, достаточно сильный двигатель для достижения М=2, высокий расход топлива и влияние на экологию. Да, Конкорд перелетал океан всего за четыре часа, обгоняя солнце. Но это было его единственным преимуществом. Главным недостатком было соотношение подъёмной силы и лобового сопротивления, которое было почти вдвое хуже, чем у Боинга-707. Потому-то Конкорд никогда не мог перелететь Тихий океан, в отличие от Боинга, летавшего на 14 тысяч километров. Потому-то его диаметр фюзеляжа был всего 2,9 метров. Он мог брать на борт нагрузку всего в 10% собственного веса, вдвое ниже, чем у Боинга. И сжигал втрое больше керосина в пересчёте на пассажира. На это нельзя уже было закрывать глаза после нефтяных шоков семидесятых. Если учесть все расходы на разработку (изначальную смету превысили в 12 раз), то шансов выйти в плюс не было никогда. Неудивительно, что их сделали всего два десятка, в отличие от тысяч обыкновенных реактивных лайнеров.

Это был политический проект без надежды на прибыль с самого начала. Но это не мешает современным мечтателям пытаться оживить коммерческий сверхзвук. Проектированием нового самолёта с М=1,6 занимается российский ЦАГИ. Туполевское КБ тоже не остаётся в стороне. На эти начинания автор смотрит со скептицизмом, оправданным неуспехом самого обыкновенного SSJ. Европа с её строгим законодательством остаётся в стороне от процесса, но четыре американские компании имеют планы сверхзвука. Правда, пока лишь только планы. Не полетели ни Aerion (обещали к 2023 году), ни Spike Aerospace (2018), ни Локхид, который поостерёгся обещать что-то конкретное, ни Boom, основатель которой Блейк Шолл хвастается, что будет первым. Он говорил, что окончательной целью является возможность залететь куда угодно в течение четырёх часов всего за сотню грина. Куда угодно – это в земных условиях на 20 тысяч километров. За четыре часа – это со скоростью 5 тысяч километров час. Всего каких-то M=4,7. Too good to be true, как говорят американцы. Слишком хорошо, чтобы быть правдой.

По факту сверхзвуковая мечта не сбылась. Рынок её не выдержал в силу непреодолимых недостатков. Ничто не говорит о том, что существующее положение вещей быстро изменится.

Автор полностью умалчивает о военной сверхзвуковой авиации, которая явно является успешным проектом. В этой связи списывать в убыток расходы на разработку гражданских сверхзвуковых машин совершенно нельзя. Многочисленные новаторские технические решения были использованы в других машинах. Отдавая должное Вацлаву в том, что он упомянул о том, что Ту полетел первым, не могу согласиться с ним в том, что этот самолёт был калькой с Конкорда. Общей была лишь компоновка, а вот в деталях самолёты сильно различались. Другое дело, что экономичность у Ту явно была хуже, так что летал он не так далеко. Это была коммерческая неудача, но технический успех. Напомню, что обещание Кеннеди американцы не сдержали, хоть и старались.

Показать полностью 1
16

Изобретение и инновация (5)

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Атомная энергетика

От первой теоретической концепции до практического воплощения АЭС прошло всего 60 лет – весьма мало, если учесть сложность объекта. Ещё во время Второй мировой физики, работавшие в Манхэттенском проекте обсуждали возможность использования атомных реакторов для генерации электроэнергии. Они пришли к выводу, что это не окупится. Почему же Соединённые Штаты решили построить свою первую АЭС? Кого-то мучило чувство вины за Хиросиму. Были и опасения, что русские побьют Америку в мирном атоме. Смелую атомную программу приняла и Великобритания. Эйзенхауэр отказался плестись в стороне. Так что потребность в атомной энергетике была продиктована не экономикой, а политикой.

Проще всего это было сделать, взяв уже готовые реакторы для подводных лодок. Что и было сделано. 18 декабря 1957 года была запущена первая американская АЭС в Пенсильвании. После этого последовало ещё одно политическое решение: была снижена частная ответственность в случае аварии. Но лишь после того, как для строительства новой АЭС в Нью-Джерси посчитали, что урановый киловатт получится дешевле угольного, а также после массивного блэкаута на востоке США в конце 1965 года, дело пошло поживее. Помогли ограничения эмиссий от Конгресса в 1970 году, но ещё больше – нефтяной шок. В 1973 году было заказано 42 новых реактора. Рос консенсус, что не за горами эра реакторов на быстрых нейтронах. Дженерал Электрик прогнозировала, что к 1990 году будет остановлена вся тепловая энергетика, а к рубежу тысячелетий лишь малый процент электроэнергии будет вырабатываться не на быстрых нейтронах.

В том, что так не получилось, можно винить ряд обстоятельств, главными из которых являются выравнивание спроса на электроэнергию, более строгие требования к строительству новых объектов, трудности в проектировании реакторов, а также рост недоверия публики вследствие аварий на атомных электростанциях. Первый фактор – самый важный. Если до конца семидесятых спрос удваивался каждое десятилетие, то с 2010 по 2019 годы он не вырос вообще. Уже в тех же семидесятых отдельные заказы стали отменяться, а уж после инцидентов на Три Майл и в Чернобыле в Соединённых Штатах не заказали ни одного нового реактора. То, что достраивалось, значительно превышало первоначальные сметы. Впечатляющей иллюстрацией послужил коллапс Вашингтонской публичной системы энергоснабжения, где после почти пятикратного превышения сметы все строительные работы пришлось прекратить, что привело к крупнейшему муниципальному дефолту в истории страны. А реакторный бизнес фирмы Вестингхаус недавно обанкротился уже во второй раз.

В 1999 году подсчитали, что невыполненные обещания американской атомной индустрии влетели американскому налогоплательщику в полторы сотни миллиардов. С альтернативными расходами будет уже в районе триллиона. И это ещё без учёта расходов на вывод из эксплуатации реакторов и хранение радиоактивных отходов.

В мировом масштабе тоже можно наблюдать долгую стагнацию на фоне отсутствия новых заказов из развитых стран Запада и вывода из эксплуатации отработавших своё реакторов во всём мире. В 2020 году мы имеем 443 работающих реактора, которые вырабатывают всего на 6% энергии больше, чем 30 лет назад. Согласно самым оптимистическим прогнозам, ввод новых реакторов в строй всего лишь компенсирует остановку старых.

Изобретение и инновация (5) Книги, Обзор книг, Изобретения, История изобретений, Атомная энергетика, АЭС, Нон-фикшн, Длиннопост

Атомная генерация по регионам

Нормой стало снижение атомной генерации. Особенно это касается Европы, где ряд стран вообще не построили ни одной станции, а Германия и Швеция остановили то, что было. Самой продвинутой страной является Франция, но и там последний реактор был заказан в далёком 1991 году. Советская атомная программа продолжала воплощаться в России, но к 2020 году мирный атом давал лишь 21% электроэнергии страны. Бедная энергоресурсами Япония получала 30%, но после Фукусимы свалилась до 5%.

А что же быстрые нейтроны? Этот проект базировался на нескольких ошибочных предположениях. На деле в мире оказалось достаточно урана-235, плюс технические проблемы, плюс тупо дорого. Особенно дорого выделять плутоний из отработанного топлива. Американцы бросили свой проект в 1983 году после того, как истратили 8 миллиардов. Французы закрыли свой реактор в 1998 году. Японцы отказались в 1995 году после утечки 650 килограммов жидкого натрия. И всюду – убытки, сумма которых для всего мира потянет на добрую сотню миллиардов.

К концу восьмидесятых стало также ясно, что вторая ядерная эра с маленькими недорогими и безопасными реакторами так скоро не наступит. Даже в свете грядущей декарбонизации мало кто связывает надежды со старым добрым мирным атомом настолько, чтобы иметь твёрдые намерения ускорить построение АЭС. С начала текущего десятилетия нас непрестанно бомбардируют планами построения всё новых маленьких модульных установок мощностью до 300 мегаватт. Некоторые проекты возвращаются к использованию расплавленных солей. Есть стартапы, занимающиеся микрореакторами мощностью всего в полтора мегаватта. На основании опыта с прошлыми подобными обещаниями автор сохраняет свой скептицизм на этот счёт. Работающих прототипов будет явно меньше, чем проектов, а до коммерческого применения дойдёт ещё меньше, если дойдёт вообще. В любом случае, на данный момент ни одна страна не имеет проработанной программы на этот счёт.

В истории невыполненных обещаний ядерки мы не можем ссылаться на изначальное неведение. Большинство проблем, начиная с плохой окупаемости и заканчивая рисками, было известно с самого начала. Если бы мирным атомом занимались более осмотрительно, наломали бы меньше дров и потеряли бы меньше средств. Судьбу атомной энергетики автор описывает оксюмороном «успешная неудача». Новую эпоху пришлось долго ждать, удовольствовавшись лишь скромным продвижением. 10% глобальной генерации – это много или мало? Кто-то, особенно развитые страны, получил большую пользу от своих высоко нагруженных реакторов, работающих безопасно и без парниковых выхлопов. В наше время в пользу мирного атома работают два мощных стимула: необходимость декарбонизации и снижение зависимости Европы от российских энергоносителей. Франция собирается построить 14 новых реакторов к 2050 году, а Германия... остановила всё, что имеет. В стране не хватает энергии после отказа от российского газа, но зелёные фанатики в правительстве предпочли снова запустить остановленные угольные ТЭС. В США и Японии тоже не спешат разворачивать многочисленные модульные реакторы. Реальность снова разочаровывает нас на фоне больших обещаний.

Вацлав давно является скептиком мирного атома, наверное, поэтому он предпочитает не рассказывать о прогрессе России и других стран БРИКС в теме быстрых нейтронов. Я согласен с ним, что атомная энергия сравнительно дорога, но где альтернативы при декарбонизации? Их нет. Пусть мирному атому пока не быть лидером на рынке, тем не менее, его вклад в электрогенерацию превосходит суммарный от солнца и ветра . Есть страны, которые отказываются от АЭС, но есть и те, кто строит их вновь. Поэтому я бы не стал писать в этой связи о неоправданных надеждах.

Показать полностью 1
14

Изобретение и инновация (4)

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Дирижабль

Дирижаблем открывается глава, посвящённая изобретениям, от которых хоть и не отказались полностью, но которые не достигли того потенциала, который в них вкладывали. Прорывным событием в развитии этого вида транспорта послужило изобретение двигателя внутреннего сгорания. Немецкий отставной генерал граф Фердинанд фон Цеппелин в 1899 году добавил жёсткий каркас из алюминия и гондолу к тому, что наработали его предшественники – и вуаля! До начала Первой мировой было перевезено уже свыше полутора тысяч пассажиров. Хорошую службу сослужило и недавно изобретённое радио.

Война снизила пассажиропоток, но добавила важнейшего клиента – военных. Германская армия приобрела 140 аппаратов, с которых уже 6 августа 1914 года бомбили Льеж. Спасения от них сначала не было, но потом противник организовался и стал шарить в небе прожекторами и отвечать артиллерией и истребительной авиацией. 77 из 115 боевых дирижаблей было потеряно. После войны немцам запретили строительство дирижаблей, и их будущее было туманным. В 1925 году ограничения были сняты, строительство воздушных судов возобновилось. Был построен новый внушительный аппарат, который назвали в честь почившего в 1917 году графа. Граф Цеппелин поставил несколько впечатляющих рекордов и облетел всю планету. На тот момент аэропланы не могли ему составить конкуренцию в дальних перелётах.

Изобретение и инновация (4) Обзор книг, Книги, Изобретения, История изобретений, Дирижабль, Нон-фикшн, Воздухоплавание, Видео, YouTube, Длиннопост

«Граф Цеппелин» над Рейхстагом 1 октября 1928 года

4 марта 1936 года был запущен Гинденбург со свастиками на стабилизаторах. Это было внушительное судно длиной 245 метров, которое четыре даймлеровских мотора разгоняли до крейсерской скорости 122 км/ч. «Гинденбург» успел засветить нацистский флаг в обоих Америках, прежде чем отправился в первый трансокеанический коммерческий рейс 3 мая 1937 года. Этот рейс оказался и последним: три дня спустя дирижабль взорвался и сгорел в процессе приземления в американском Нью-Джерси. Конечно, десятки жертв катастрофы не были первыми. Но «Гинденбург» был первым сгоревшим гражданским судном, да ещё на глазах многочисленной публики. Катастрофу сняли минимум пять новостных агентств. Её причиной стало стечение целого комплекса маловероятных событий. Но, конечно, риски, которые представляли сотни тысяч кубометров водорода на борту, были серьёзным аргументов против возобновления полётов. Следующая модель фирмы Цеппелин совершила лишь несколько разведывательных полётов для военных.

Вторая мировая стала временем недолгого возрождения дирижаблестроительства, но по-настоящему массовым оно было лишь в США. Их ВМС использовали небольшие машины, способные держаться в воздухе до 60 часов, для постановки мин, поиско-спасательных работ, разведки и, главное, сопровождения транспортных конвоев. При этом лишь одно судно оказалось сбито с борта немецкой подлодки. Их продолжали использовать для воздушной разведки и после войны, пока это занятие окончательно не взяли на себя спутники.

Катастрофа "Гинденбурга"

Военно-промышленный комплекс, однако, не сдаётся и выдвигает проект за проектом. Было построено несколько новых прототипов, которые, однако, всё ещё не пользуются успехом. Но лобби не сдаётся, и мы ещё узнаем немало нового.

Другое дело коммерция. Там перспективы потеряны практически окончательно, и произошло это не по причине катастрофы «Гинденбурга», а из-за прогресса самолётов, которые летали всё дальше, набирая на борт всё больше груза. «Гинденбург» был уже анахронизмом, получив конкурента: гидросамолёт Боинга Clipper, который возил до 68 пассажиров со скоростью свыше 300 километров в час из Сан-Франциско в Гонконг. Потом появились реактивные двигатели, и будущее пассажирских дирижаблей было окончательно утрачено. Что касается грузовых машин, то время от времени появляются проекты, самым значительным из которых был немецкий CargoLifter, для которого построили внушительный ангар, переоборудованный впоследствии в парк развлечений. Дирижабли продвигают в целях применения их в Арктике, для транспортировки южных фруктов и для туризма. Возрождённая фирма Цеппелин произвела на свет Zeppelin NT, но непохоже, что у них много новых заказов. Американцы построили Dragon Dream на которого обвалилась крыша ангара. Шведы собираются летать на Северный полюс. В компании прожектёров – и Сергей Брин, и российская компания Aerosmena, и испанская Air Nostrum.

Все они обращают слишком мало внимания на недостаточный запас гелия для большого парка воздушных судов. Ежегодного производства гелия такой страны, как США, хватит лишь для того, чтобы заполнить всего пару сотен крупных структур. Фундаментальные проблемы конструирования и управления таких сложных судов, как дирижабли, тоже никуда не денутся. Очень непросто управлять судном, в котором запряжены лебедь и рак. Не хватает только лишь щуки. Дирижабли превратились из подающего надежды гегемона дальних перевозок в маргинала на обочине глобального воздухоплавания. Вряд ли что-то фундаментально изменится в будущем.

Уже десятилетия Zeppelin NT кружится над Боденским озером. На этот полёт надо записываться задолго, хоть нужно выложить как минимум полтысячи евро. Так что я не могу согласиться с автором по поводу недостатка спроса. 9 мая 2024 года полетела третья машина в Германии, в США летают ещё три. Но в целом Вацлав прав. Из лидера рынка дирижабль быстро деградировал в нишевой продукт. Возлагавшихся надежд он явно не оправдал.

Показать полностью 1 1
18

Изобретение и инновация (3)1

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Фреон и компания

Трудно назвать более вездесущей вещи в быту, чем холодильник или кондиционер. Конструкцию из компрессора, конденсатора, расширительного клапана и испарителя Якоб Перкинс придумал ещё в далёком 1834 году, а вот с поиском подходящего хладагента не заладилось. Первое поколение включало в себя всё, что попадало изобретателям под руку. В него вошли разнообразные газы, начиная с метана и заканчивая диоксидом серы. Но им всем было далеко до идеала, который должен быть негорюч, неядовит и достаточно инертен. Это особенно было важно для бытовых холодильников, производителем которых примерно век назад стала всё та же Дженерал Моторс. Поиском хладагента занялись всё те же Кеттеринг с Миджли. И они нашли фреон, который Миджли представил на заседании Американского Химического общества оригинальным образом: он вдыхал порцию газа, после чего гасил выдохом пламя свечи.

Изобретение и инновация (3) Книги, Обзор книг, Научпоп, Фреон, Холодильник, Озоновый слой, Нон-фикшн, История изобретений, Изобретения, Длиннопост

Патентованный аппарат конструкции Томпсона

Бытовые холодильники начали свою победную поступь по планете. В 1929 году GM произвели свой миллионный холодильник, через три года их число утроилось, несмотря на Великую Депрессию. Успех повторился в послевоенных Европе и Азии, и к началу семидесятых во всех развитых странах было больше холодильников, чем цветных телевизоров. А ещё кондиционеры! И все они работали на фреонах, производство которых в 1974 году превысило 800 тысяч тонн.

Примерно к этому же времени Джеймс Лавлок занялся измерением концентрации фреонов в атмосфере. Оказалось, она постоянно росла. Очевидно, эти газы слишком медленно разрушались. И примерно тогда же последовали первые предположения о том, что оксиды хлора могут разрушать озоновый слой нашей планеты. Был предложен механизм этого разрушения, за который его авторы впоследствии получили Нобелевскую премию по химии. Молекулы фреонов теряют свой хлор под влиянием солнечной радиации. Этот атом забирает один атом кислорода у озона, превращая его в кислород, а впоследствии теряет этот атом, становясь готовым к новому циклу. Такое каталитическое действие приводит к тому, что один-единственный атом хлора может разрушить порядка 100 тысяч молекул озона.

Очень плохо жить без стратосферного озона. Он защищает нас от губительного солнечного ультрафиолета. Озоновый слой дал развиться современной жизни. Особенно страдают от ультрафиолета морские флора и фауна, но и нам пришлось бы несладко. Поэтому запреты и ограничения начались практически сразу после высказывания учёными своих опасений, в середине семидесятых. Ведущими стали страны Запада. В марте 1985 года была подписана Венская конвенция об охране озонового слоя. Она пришлась как нельзя вовремя, поскольку примерно тогда же было экспериментально подтверждено истощение озонового слоя над Антарктикой, приводящее к образованию озоновых дыр. В 1986 году с помощью воздушных шаров было доказано протекание реакций хлора на краях полярных стратосферных облаков. Промышленность охотно согласилась предоставить замену фреонам, тем более, что альтернативы стоили в 5-10 раз дороже.

К 2010 году все страны должны были отказаться от хлорфторуглеродов. Снижение их производства привело к постепенному снижению концентрации вредоносных хладагентов в стратосфере. Озоновый слой тоже потихоньку стал восстанавливаться. По оценкам ООН, к 2060 году мы вернёмся к уровням семидесятых годов прошлого века. Надо, однако, сказать, что площадь озоновой дыры, а также её контуры, постоянно меняются.

Изобретение и инновация (3) Книги, Обзор книг, Научпоп, Фреон, Холодильник, Озоновый слой, Нон-фикшн, История изобретений, Изобретения, Длиннопост

Уровни озона в южном полушарии в октябре 2021 года

Расчёты показывают, что при отсутствии запрета рост производства фреонов привёл бы в худшем случае к разрушению 17 процентов озонового слоя уже к 2020 году, а к 2065 году от озона осталась бы всего лишь треть, а ультрафиолет удвоил бы раздражения кожи у жителей умеренных широт. Короче, оно стоило того.

Тема закрыта? Как бы не так. Снова появились проблемы, откуда их не ждали. Современные хладагенты, будучи хлорфторуглеродами, оказались сильнейшими парниковыми газами. Снова нам нужна альтернатива, ведь отказаться от холодильников и кондиционеров мы не в состоянии. Выбор из того, что осталось, увы, невелик. Так что исследователи возвращаются к «старым добрым» хладагентам первого поколения, включая углекислый газ, аммиак и углеводороды.

Эта история, в отличие от истории тетраэтилсвинца, о вреде которого было известно с самого начала, послужила иллюстрацией по-настоящему непредвиденной неудачи изобретения. По этой причине автор не разделяет воплей в сторону «самого вредного изобретателя в истории» Миджли. В мире есть достаточно полезных вещей, которые обратили во вред. Никто ведь не обвиняет Даймлера, Бенца и Майбаха за то, что под колёсами их изобретения погибает 1,2 миллиона человек ежегодно.

Я где-то читал, что вся эта история вокруг запрета фреонов послужила средством для обогащения производителей холодильной техники. Есть скептики, отрицающие истощение озонового слоя или разрушительное влияние фреонов. Однако наука собрала достаточно доказательств, как и в более общем случае антропогенного влияния на климат. Наша вина бесспорна, и если мы можем сделать что-то для восстановления – должны делать. А если не можем – пытаться жить с этим.

Показать полностью 2
Отличная работа, все прочитано!