УкрРус

Да здравствует третья промышленная революция!

"Есть только два способа прожить жизнь: первый — будто чудес

не существует, второй — будто кругом одни чудеса"

А. Эйнштейн

Первая промышленная революция на базе угля (18-й век) и Вторая промышленная революция на базе нефти (2-я половина 19-го века) и газа (позднее, в начале 20-го века) фундаментально изменили жизнь и труд человека и преобразили облик планеты. Однако эти две революции привели человечество к пределу развития. Впервые в истории сдвинулись со стационарных уровней важнейшие показатели состояния биосферы, а именно: резкое ухудшение качества воздуха, воды, продуктов питания, здоровья населения и защиты его от инфекций; глобальное потепление; уменьшение биоразнообразия (вымирание многих видов растений и животных); достижение предела водных, пищевых, сырьевых и энергетических возможностей биосферы; утрату нравственных ориентиров значительной частью человеческого сообщества (так называемый "феномен аморального большинства"). Памятник нашему поколению будет выглядеть, видимо, так: посреди огромного шламового отвала стоит величественная бронзовая фигура в противогазе, а внизу на гранитном постаменте надпись: "Мы победили природу!". И на эти вызовы человечество отвечает Третьей промышленной революцией.

Третья промышленная революция (Third Industrial Revolution — TIR) — это концепт развития человечества, авторами которого являются американцы: учёный-экономист и эколог Джереми Рифкин (Jeremy Rifkin) и футуролог Рэймонд Курцвейл (Raymond Kurzweil) – ныне вице-президент Google. Также автор данной статьи позволил себе несколько дополнить и расширить данный концепт, состоящий из 13 пунктов.

1)Переход на возобновляемые источники энергии — солнце (в т.ч. гигантские солнечные электростанции, развернутые на орбите в космосе), ветер, естественные водные потоки (эти три "зелёных" ресурса часто именуют "WWS" — wind, water, sunlight), электромагнитное поле Земли; высокоэнергетический ядерный синтез (реакция дейтерия и трития при 100 миллионах градусов) - сейчас такие эксперименты успешно ведут в Германии (Институт Макса Планка) на термоядерном реакторе – стеллараторе Wendelstein-7-X. Например, 10 г дейтерия, которые можно получить из 1000 л воды, и 15 г трития, которые могут быть получены из лития-6, достаточны, чтобы, будучи задействоваными в термоядерном синтезе, обеспечить потребности в энергии одного человека на всю его жизнь - т.е. 1 г дейтерия может заменить 25-30 тыс. тонн угля! У Китая к концу 2016 г. будет 250 Гигаватт установленной мощности по солнечной и ветровой энергии - это примерно 25% суммарной годовой электрогенерации США! Уже сегодня 15% потребляемой в Германии электроэнергии поступает из возобновляемых источников (в основном, ветер и вода), а к 2025 году их доля увеличится до 35%. Доля электроэнергии, выработанной ветряными турбинами в США, составила рекордные 5%; к 2035 г. "WWS" будут покрывать 35% потребности США с электроэнергии. Американский "технологический миллиардер" Элон Маск и его компания SolarCity осваивает производство революционного продукта — это компактный источник "альтернативной" энергии (т. е. там есть высокоэффективная солнечная панель, литий-ионный аккумулятор и управляющий блок); один миллиард таких аккумуляторов решит проблему "тёплой" половины мира по полному переходу на солнечную энергию. Сегодняшняя стоимость "солнечного киловатта" — 7,5¢ скоро сравняется с угольным (6,6¢) и позже - с газовым (6,1¢), а "ветряной киловатт" стоит уже 6,5¢. На очереди – "перовскитовая революция" в солнечной энергетике – т.е. отказ от кремния в пользу перовскита. Промышленное изготовление фотоэлементов на перовскитах может иметь цену примерно $100 за киловатт, против нынешних $700 у кремниевых – в 7 раз меньше (при тех же 25% кпд)! Промышленные солнечные батареи на основе перовскита (т.е. "бескремниевые") сделают солнечную энергетику по-настоящему дешевой и массовой.

2) Превращение существующих и новых зданий (как промышленных, так и жилых) в мини-заводы по производству энергии (за счёт оборудования их солнечными батареями, мини-ветряками, теплонасосами, утилизаторами тепла и т. д.). Такие дома не будут нуждаться во "внешней" энергии (так называемый "нулевой дом" — "zero house"). Например, в Евросоюзе имеется около 200 млн зданий. Каждое из них может стать маленькой электростанцией, черпающей энергию из крыш, стен, тепла выходящих вентиляционных и канализационных потоков, мусора. Так, исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали новое поколение люминесцентных солнечных концентраторов (LSC) большой площади на основе синтеза сверхсовременных квантовых точек, которые они смогли внедрить в прозрачный полимер для захвата энергии солнца. LSC особенно привлекательны тем, что в дополнение к повышению эффективности они могут интегрироваться в новые интересные концепты — такие, например, как фотоэлектрические окна, которые могут превратить фасады домов в большой местный генератор солнечной энергии. Третья промреволюция для жилых и промышленных помещений — это мириады малых источников энергии от ветра, солнца, воды, геотермии, тепловых насосов, биомассы и т. д. В нескольких странах — Китае, США, ОАЭ — уже спроектировали и начали строить даже "нулевые небоскрёбы".

3)Развитие и внедрение технологий энерго-ресурсо-сбережения (как производственного, так и жилого секторов) — полная утилизация остаточных потоков и потерь электроэнергии, пара, газа, воды, любого тепла, пищевых потоков, полная утилизация промышленных и бытовых отходов и др. Так, потери электричества в сетях США составляют в среднем 6,5% (это около 250 млрд кВт/час ежегодно!). Полный переход всего освещения на светодиоды ("blue", LED-light-emitting diode, SSL-solid-state lighting) — 10 млн таких ламп вместо "ламп накаливания" — позволяет заменить один энергоблок АЭС или ГРЭС мощностью 1 МегаВт. Исследование Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (Food and Agriculture Organization of the United Nations) показало, что каждый год в мире выбрасывается или теряется 1,3 млрд тонн (!) или треть всех производимых для потребления продуктов питания. В развитых странах более 40% потерь приходится на этапы розничной продажи и потребления (т. е. их в буквальном смысле выбрасывают в мусор либо магазины из-за истекшего срока годности, либо потребители из-за того, что попросту не успели их съесть). Например, в США попадают в мусорные баки около 25% всех производимых пищевых продуктов. В размерах страны их экономическая цена составляет свыше 100 миллиардов долл./год, и на их производство расходуется около 300 млн баррелей нефти в год. (Но в развивающихся странах более 50% потерь в пищепроме происходит в результате перевозки, хранения и последующей переработки.) Главное, нужно понимать, что затраты на экономию одного мегаватта энергии или одной тонны продуктов питания — в десятки раз меньше, чем для их нового производства и транспортировки!

4)Перевод всего автотранспорта (легкового и грузового) на электротягу (топливные элементы на "связанном" водороде или мощный блок сверхъёмких электроаккумуляторов с быстрой перезарядкой; при этом электродвигатель будет встроен прямо в автомобильное колесо). В настоящее время в мире эксплуатируется свыше одного миллиарда ДВС — двигателей внутреннего сгорания. При этом кпд ДВС невысок — в среднем 25%, т. е. при сжигании 10 л бензина используется "по прямому назначению" только 2,5 л. А вот средний кпд электропривода — 75%, втрое выше ДВС, а термодинамический кпд топливного элемента — и вовсе около 90%. В США разработаны "ячеистые" аккумуляторы с анодами из кремний-углеродных нанокомпозитов; их ёмкость выше в 10—15 раз, и они могут выдержать несколько тысяч зарядных циклов. Недавно "водородомобиль" Ливерморской национальной лаборатории Министерства энергетики США прошёл свыше 1000 километров на одной "водородной заправке" (5 кг). Практически все ведущие мировые автомобильные фирмы имеют хотя бы одну модель электромобиля: Toyota Rav4-EV, BMW-i3, Ford Focus Electric, Mercedes-Benz Electric Drive, Nissan Leaf, Chevrolet Volt, Renault Zoe, Citroën Berlingo и др.

Другие инновации: Перевод авиа- и особенно космического транспорта на "бестопливную" - "магнетронную тягу" (двигатель "EmDrive"): до Луны за четыре часа, до Марса за 70 дней! Развитие скоростного и сверхскоростного (св. 1000 км/час — в "вакуумной трубе") общественного пассажирского транспорта. Развитие новых экономичных видов грузового транспорта, таких как большие дирижабли (до 200 тонн полезного груза), которым не нужны аэродромы, и др.

5)Переход от промышленного к локальному и даже "домашнему" производству большинства бытовых товаров благодаря развитию технологии 3D-принтеров. В отличие от обычных принтеров, 3D-принтеры печатают не фотографии и тексты, а "вещи" — промышленные товары. Т. е. 3D-принтеры позволяют создавать по введенной в память цифровой трехмерной модели практически всё, что угодно. У 3D-принтера тоже есть картриджи, но не с чернилами, а с заменяющими их рабочими материалами — пластмассовыми гранулами, сухим цементом или гипсом, металлическими порошками и др. По расчётам экономистов из Мичиганского университета, "домашний" 3D-принтер обеспечивает возврат инвестиций от 40% до 200% за год — так что производство бытовых товаров ожидает "3D-революция" (Good bye, "made in China"?). Датская компания DUS Architects планирует возвести полноразмерный дом, печатая его компоненты на огромном 3D-принтере "KamerMaker" прямо на стройплощадке (3D-принтер "KamerMaker" отличается внушительными размерами — его высота равна 3,5 метра). Так, недавно в Китае напечатали двухэтажный дом на 3D-принтере всего за 3 часа. Видимо, стройиндустрию также ждет "3D-революция". Бытовые и несложные технические товары будут отправлять покупателю по емейлу — т. е. покупаться будет "программная матрица для 3D-печати" гаечного ключа, керамической вазы или кожаных перчаток, а сам товар будет производить на домашнем 3D-принтере из закупаемых порошковых материалов. (Кстати, именно производство этих самых "программных матриц для 3D-печати" и станет гигантским бизнесом будущего и колыбелью новых IT-миллиардеров!).

6)Замена традиционного машиностроения технологиями 3D-печати на основе "послойных" методов: селективной лазерной плавки (SLM — Selective Laser Melting) или метода прямого металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering — DMLS) – (сырьё — металлические порошки), а также "обЪёмного" метода - Continuous Liquid Interface Production technology (CLIP); эти технологии обеспечивают высокую точность изготовления — до 20 микрон и не требуют дальнейшей обработки изделий, а изготовление сложнейших деталей по 3D-технологиям сокращает длительность и стоимость процесса в десятки раз. Среди основных преимуществ 3D-печати можно выделить создание сложных внутренних структур объекта, возможность совмещать различные материалы, точность и безотходность производства. Эти технологии уже осваивает NASA и др.

7)Переход от металлургии к композитным материалам (особенно нано-материалам) на основе углерода. Так, новейший американский "Boeing-787-Dreamliner" изготовлен на 50% из композитных материалов на основе углерода (включая фюзеляж и крылья). Ученым из технологического университета Сиднея (UTS) удалось аккуратно отделить от графита одноатомные слои, очистить их и выложить как "бутерброд" в идеально выровненную структуру из гексагональных решёток атомов углерода — "графеновую бумагу" (graphene paper — GP). Хотя удельная масса GP в пять-шесть раз ниже, чем у стали, испытания показали, что новый материал в два раза твёрже и в десять раз прочнее при растяжении, нежели углеродистая сталь, а его модуль упругости при изгибе оказался выше стали в 13 раз. Американо-израильская компания ApNano создала наноматериалы — "неорганические фуллерены" (inorganic fullerene — IF), которые многократно прочнее и легче стали (их ещё называют "нано-броня"). Образцы IF на основе сульфида вольфрама (точнее, смеси MoS2 и SiO2) останавливали стальные снаряды, летящие на скорости 1,5 км/сек, а также выдерживали статическую нагрузку в 350 тонн/кв. см. Ученые из New York University (NYU) создали необычный композитный материал на базе наносфер из соединения углерода и кремния, заполненного атомами Mg или Al, который имеет с чрезвычайно низкую плотность (0,9 т/м3) — т. е. легче воды! Несмотря на столь малый вес, конструкции из нового материала могут выдерживать давление более чем в полторы тысячи атмосфер. Новый материал не расширяется при нагреве и хорошо переносит сжатия и растягивания, чем не могут похвастаться многие другие композиты. Упомянутые и подобные им материалы могут быть использованы для создания корпусов ракет, самолетов, морских судов, автомобилей, бронемашин, каркасов высотных зданий, а также в других целях.

8)Отказ от животноводства, переход к производству "искусственного мяса" из мышечных клеток домашнего скота с помощью 3D-биопринтеров. Для выращивания мяса "в пробирке" энергии потребуется впятеро меньше, воды — в 10 раз меньше (а выбросы парниковых газов снижаются в 20 раз), чем при выращивании скота на убой (ведь для производства 15 г животного белка нужно скормить корове 100 г растительного белка, таким образом, кпд традиционного метода получения мяса составляет лишь 15%). Искусственный "мясозавод" требует намного меньше площади (займет всего 1% земли по сравнению с обычной фермой той же производительности по мясу). Кроме того, в стерильных искусственных условиях можно получить экологически чистый продукт, без всяких токсичных металлов, глистов, лямблий и прочих "прелестей", часто присутствующих в сыром мясе. К тому же, искусственно выращенное мясо не нарушает этических норм: не надо будет длительно выращивать животных, а затем безжалостно их умерщвлять. Американская компания Modern Meadow уже разработала технологию промышленного изготовления мяса животных и натуральной кожи из клеток животных-доноров (это может быть как домашний скот, так и экзотические виды, которых часто убивают только ради их шкуры). Кроме того, в 2014 году молодой стартап "Muufri" из Сан-Франциско получил от инвесторов $2 млн на разработку собственного молока без коров. Технология основана на использовании "изготовленных на заказ" участков ДНК, в которых заложена информация о том, как синтезировать молочные протеины. На первых порах искусственное молоко должно стоить примерно в 2—3 раза дороже обычного, потом, надеются создатели, стоимость удастся снизить. Кстати, компания Natural Machines готова начать производство первого "продовольственного" принтера "Foodini", который ориентирован на коренное реформирование кухонной индустрии. Он возьмет на себя трудоёмкую и сложную работу повара и сможет печатать (из натуральных ингридиентов!) практически все твёрдые продукты: от тортиков и шоколадок причудливой формы до пиццы, равиоли и прочего.

9)Перевод значительной части сельского хозяйства в города на базе технологии "вертикальных ферм" ("Farmskyscraper" или "Vertical Farm") — одну такую уже строят в ОАЭ. Это такой технологический "сельхоз-небоскрёб" в 20—30 этажей без окон, расположенный в черте города и покрытый — если это юг — солнечными панелями, на каждом этаже которого размещены многоярусные стеллажи с гидропонными контейнерами, где и произрастают злаки или др. сельхозкультуры; урожай собирается автоматически — ручной труд отсутствует; поскольку "сельхоз-небоскрёб" изолирован от внешней среды и там поддерживаются постоянные температура, влажность и освещенность, можно снимать урожай 3—4 раза в год в любом климате; отсутствие паразитов позволит полностью отказаться от любых пестицидов. (Но проблема тут – резкое сокращение числа сельхозработников).

10)Переход к "Биомиметике" — т. е. к копированию уникальных функций и производственных процессов живых организмов. Так, немецкие ученые создали сверхпрочный и крайне легкий композитный материал, способный выдерживать очень высокие давления, опираясь на данные по структуре и свойствам костей человека. Инженеры Stanford University создали нескольких миниатюрных роботов, получивших имя MicroTugs, которые способны тащить и поднимать объекты, превышающие их собственный вес в сотни раз. Секрет силы новых роботов заключается в технике, позаимствованной у мира живой природы. Самый сильный из них весит 12 грамм, однако способен тянуть предметы в 2000 раз тяжелее его самого. Другой робот весит всего 9 грамм, однако способен забираться по вертикальным стенам, неся на себе более килограмма груза — это эквивалентно подъёму человеком слона по стене здания!

11) Роботизация. Изучив более 600 специальностей, аналитики Оксфордского университета пришли к выводу, что к 2035 г. почти половина из всех рабочих мест может быть вполне заменена роботами с искусственным интелектом. Такие вакансии, как рабочие заводов, шахтеры, фермеры, фармацевты, водители, продавцы, официанты, уборщики и др. обслуживающий персонал, , а также солдаты (на "боевые роботы") - вполне могут быть заменены роботами и искусственным интеллектом в ближайшие 20 лет. Менее бесспорно, что могут быть замещены роботами учителя и врачи. Однако, в Южной Корее правительство уже одобрило программу внедрения роботов-учителей в образовательный процесс. Машина по имени Engkey уже обучает детей азам математики, естествознания, грамматики и других наук. Также, в недалёком будущем любые хирургические операции будут выполняться роботами (или вообще будут заменены генной инженерией). Однако, опять же, эта тенденция имеет "оборотную сторону" - потеря сотен тысяч привычных рабочих мест для старшего и даже среднего поколения.

12) Реижиниринг человеческого тела. Переход от традиционной "химико-таблеточной" терапии и хирургии к генетическому перепрограммированию клеток и тканей, т.е. к генной терапии (например, к "редактированию" геномов человека методом "CRISPR" - Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), а также к замене больных человеческих органов новыми, выращенными из стволовых клеток с помощью 3D-биопринтеров. Создаётся искусственная кровь - также из стволовых клеток (ее производство в промышленных масштабах позволит полностью отказаться от донорской крови). В случае необходимости лекарственной терапии – лекарство к пораженному участку тела будут доставлять молекулярные нанороботы по кровеносным артериям. Есть высокая вероятность, что в течение следующих 20-30 лет 90% ныне существующих смеpтельных заболеваний станут излечимы с помощью новейших биотехнологий, а средняя продолжительность жизни во второй половине этого века приблизится к 100 годам (т.е. долгожителям будет лет 150!).

13)Создание супер-компьютеров. Речь, прежде всего, идет о квантовых компьютерах, которые повысят скорость и объём вычислений в десятки миллионов (!) раз. Квантовый компьютер использует для для передачи и обработки данных не обычные (классические) алгоритмы, а так называемые квантовые алгоритмы — такие как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность, а базовая единица измерения количества информации у них не "бит" (один разряд в двоичной системе счисления), а "кубит" (двухуровневый квантовый элемент). Также такой компьютер будет когнитивным (т.е. способным слышать, видеть, обонять, осязать, чувствовать вкус, как человек). Исследователи из Гарвардского университета заявили о создании способа управления светом на наноуровне, который может привести к созданию фотонных телекоммуникаций (вместо современных электронных). Кроме того, интенсивно идут исследования ДНК-компьютеров. Функционирование ДНК-компьютера сходно с функционированием теоретического устройства, известного в математике как машина Тьюринга. Так, ученые Гарварда разработали и собрали крохотное наноэлектронное управляющее устройство "nanoFSM", с самой плотной компоновкой из когда-либо созданных процессоров. Новое устройство, названное nanoFSM, имеет очень низкое энергопотребление и по размеру меньше, чем человеческая нервная клетка. Группа исследователей из Калифорнийского университета продемонстрировала, что электрической проводимостью молекул ДНК можно управлять, вызывая изменения структуры молекулы. И это свойство позволило использовать молекулу ДНК в качестве рабочего элемента крошечного электромеханического выключателя, который, в свою очередь, можно использовать для создания наноразмерных вычислительных устройств. Т.е. открытие даёт возможность создания сложных ДНК-молекулярных электронных схем из этих устройств. А команда биоинженеров Стэнфорда недавно изобрела генетические транзисторы, из которых можно собрать компьютер в рамках одной живой клетки; основу его составляет "биотранскриптор", который контролирует поток ключевого белка, "бегущего" по цепи ДНК - нетрудно представить, каким объемом информации сможет управлять такой биокомпьютер, если всего одна молекула ДНК хранит в себе 700 терабайт информации!

Также будет создан гибрид биологического (человек) и электронного (компьютер) типов мышления, тесно сопряженных друг с другом. Человечество вскоре научится подключать мозг к компьютеру, а затем - к интернету, после чего интернет превратится в "сеть мозгов" -brain-net, и мы сможем делиться в сети не только новостями и фотками – но мыслями и эмоциями.

*****

Откуда взять на всё это деньги, коль скоро и Европа, и Америка, и Азия тонут в долгах? Но ведь везде ежегодно закладывается бюджет развития — каждая страна планирует его. Важно делать капиталовложения в то, у чего есть будущее, а не в поддержание жизни таких инфраструктур, технологий, отраслей или систем, которые обречены на вымирание.

Увы, промышленные революции — это не только "путь в светлое будущее". Они становятся причиной исчезновения привычных рабочих мест, обесценивания производственных активов, знаний и опыта людей и даже банкротства целых государств. Люди и страны, которые были уверены в своем будущем, вдруг обнаруживают, что виды деятельности и продукты, составлявшие важную часть их экономики, оказываются никому не нужными. Это влечет за собой такие печальные явления, как финансовые кризисы, банкротства, безработица, а чтобы этого избежать - получать новые знания и умения.

Но как бы то ни было, TIR не остановить, и "продвинутая часть" человечества последнее время уже активно движется по пути TIR. Хочется выразить надежду, что "всемирная TIR" случится гораздо раньше того момента, когда человечество исчерпает все имеющиеся в природе запасы угля, нефти, газа и урана, а заодно окончательно загубит окружающую природную среду. В конце концов, каменный век закончился вовсе не потому, что на Земле закончились камни...

Присоединяйтесь к группам "Обозреватель Блоги" на Facebook и VKontakte, следите за обновлениями!

Наши блоги