Про Землю, Солнце и пределы роста

В пятницу познакомился вот с этой заметкой. Насколько понял, приведен отрывок из некоей работы «Пределы роста и рост пределов» за авторством М. Н. Якимова. Со всей работой я не знаком. Хотел бы обсудить именно тот отрывок, который приведен в заметке.

В числе прочего в этом отрывке сделаны следующие суждения.

Замена ископаемого топлива «возобновляемыми» источниками энергии (практически: концентрации энергии Солнца) – технически возможна, но вероятно приведёт к снижению уровня жизни, который у среднего землянина и так невысок. Попытки резкого увеличения производства ветряной и гидроэнергии наверняка приведут к дальнейшему ухудшению общего состояния биосферы («хаотичный терраформинг»). 

Если не предпринимать терраформинг, реальная доступная для биосферы Земли мощность, исключая энергетические полезные ископаемые, – 2250 ТВт. Точность оценки ±20%.

При расчёте потребления солнечной энергии человеком следует учитывать реальные КПД. Нередко цитируемые значения полезной солнечной энергии более 20'000 ТВт можно достичь только терраформингом, за счёт полного уничтожения биосферы.

И вот такой вывод

Дальнейший рост населения планеты – абсолютно неприемлем.

На мой взгляд, с данным выводом нельзя согласиться.

Попробуем рассмотреть исключительно прикладную сторону вопроса. С колокольни человека и его интересов.

Для более выпуклого и простого понимания вопроса рассмотрим процесс схематически.

Есть планета Земля. Сложная машина по преобразованию материи (энергии) из одних форм в другие. В машину загружен определенный запас веществ. Он немножко меняется (диссипация атмосферы, поступление веществ из падающих/сгорающих небесных тел), но в целом остается неизменным.

В машину непрерывно поступает внешний относительно стабильный поток энергии (Солнце). В машине есть и внутренний источник энергии (ядро и радиоактивные элементы), но для простоты описания пренебрежем им.

Машина находится в окружающей среде – околоземное космическое пространство, взаимодействует с ней.

При существующих настройках (при сложившемся термодинамическом равновесии) и в режиме по умолчанию, т.е. без вмешательства какого-либо пользователя, машина имеет конкретные параметры преобразования веществ/энергии, а также потерь этих веществ/энергии в окружающее среду. Из закона сохранения энергии следует, что какие бы превращения материи (энергии) не происходили в ходе эксплуатации машины, общее количество не меняется.

Есть человек. Пользователь машины. У него есть конкретные прикладные потребности, для удовлетворения которых он пользуется машиной. Одной из таких потребностей является максимальный рост численности. Это в его интересах. Для удовлетворения этих потребностей человек может использовать машину в двух режимах: режим по умолчанию либо управляемый режим.

Прелесть режима по умолчанию заключается в том, что машина функционирует сама собой, ничего не надо делать, все едет само. Однако режим по умолчанию позволяет человеку удовлетворять свои потребности лишь до какого-то периода времени. В частности, однажды рост численности упирается в естественные возможности машины (т.е. в ее настройки по умолчанию). После этого у пользователя есть два варианта: либо ограничить свои потребности (т.е. привести численность в соответствие с естественными настройками), либо отказаться от естественных настроек машины, начав ими управлять.

Второй вариант возможен, т.к. в режиме естественных настроек машина работает не то что не на пределе своей теоретической мощности, но даже и просто не в оптимальном режиме, если рассматривать вопрос исключительно под углом потребностей человека.

В частности, в режиме естественных настроек машина осуществляет много лишних, не нужных человеку преобразований вещества/энергии, которые не несут для него никакой пользы. Но отнимают на себя входящий поток энергии, сопровождаются потерями этой энергии в окружающую среду. Какие-то из этих преобразований просто бесполезны, а какие-то и прямо вредны для пользователя.

Таким образом, режим по умолчанию характеризуется весьма низким КПД с точки зрения полезного для пользователя выхлопа. Т.н. пределы роста численности являются таковыми лишь при настройках по умолчанию, но не являются таковыми с точки зрения максимальных возможностей машины.

Для того, чтобы пользователю перейти от режима по умолчанию к режиму управляемому, ему надо обладать двумя вещами:

- в принципе иметь возможность вмешиваться в настройки, т.е. обладать достаточными способностями, чтобы просто продавить нужные клавиши. Машина большая, а человек маленький, нужна определенная сила, чтобы влиять на настройки машины.

- понимать, что именно в настройках надо менять, чтобы машина стала работать лучше, а не хуже, или вообще не сломалась. Машина сложная, в ней много деталей, надо понимать, куда именно прилагать силу, чтобы выхлоп повышался, а не снижался.

Таким образом, нужны определенные количественные (сколько) и качественные (как и куда) параметры приложения силы для того, чтобы управлять настройками машины в сторону повышения ее КПД.

При условии выполнения обоих условий нет никаких препятствий для того, чтобы перейти от работы машины в режиме по умолчанию к управляемому режиму.

Любое целенаправленное приложение пользователем силы (совершение работы) к машине называется трудом. В ходе труда могут быть получены нужные количественные и качественные параметры воздействия на машину, т.е. ответы на вопросы "как, куда и сколько".

Какие конкретно настройки по умолчанию могут быть изменены для повышения полезной отдачи? То есть в каких местах есть резерв для повышения КПД?

Например, в сфере получения питательных веществ.

Пользователю для своего существования нужны определенные питательные вещества: белки, углеводы, жиры, витамины и т.д. В основном для их создания нужны 6 базовых химических элементов: водород, кислород, углерод, сера, азот, фосфор. Кроме того, пользователю нужна тепловая энергия.

При настройках по умолчанию машина может предоставлять пользователю требуемые соединения вышеуказанных химических элементов лишь с гигантскими затратами энергии и исходных веществ. КПД превращения исходных элементов в нужные соединения весьма низок.

Так, общая эффективность фотосинтеза на планете находится между 0,84 % и 1,26 % от потребляемой солнечной энергии.

Правило Линдемана гласит, что с одного трофического уровня пирамиды на следующий уровень через пищевые цепи переходит не более 10 % изначально поступившей на этот уровень энергии. То есть на каждом этаже пищевой цепи организмы теряют около 90 % энергии.

Наблюдаются многочисленные дублирования процессов, т.е. вначале имеет место процесс, а потом контрпроцесс, а затем повторение ситуации на новом уровне. На все это уходит энергия и лишнее вещество.

Кратко рассмотрим процесс попадания нужных элементов в организм человека.

Растения и грибы (продуценты) выступают естественной машиной по преобразованию исходных химических элементов и солнечной энергии в нужные соединения. Без вмешательства человека процесс максимально неупорядочен и характеризуется наименьшим КПД, т.к. машины преследуют какие-то свои цели, а не цели пользователя.

Можно попытаться как-то упорядочить процесс, организовать его, использовать строго определенные растительные машины для повышения отдачи. Такая работа называется сельским хозяйством, растениеводством. КПД повышается, но все равно остается крайне низким из-за технического устройства самих машин. Требуются гигантские усилия для организации процесса: подготовленные площади, удобрения, полив, техника, труд, специальные семена, борьба с вредителями, сбор, транспортировка и хранение полученного, его приготовление и т.д. Куча материи и энергии.

На выходе получается органическая растительная масса, которую человек потребляет в пищу. В ходе потребления внутри нас эта масса раскладывается обратно в нужные соединения, часть теряется на продукты жизнедеятельности. Мы сами, как органическая машина, тоже не очень-то эффективны. То есть вначале идет сборка органических соединений путем гигантских затрат, а потом их разборка внутри нас. Всю дорогу тратится (теряется) энергия и вещество.

Возможен следующий уровень: животноводство. С не менее гигантскими затратами материи (энергии). Тут появляется уже минимум два таких цикла «сборка органики-ее разборка». КПД еще делится. И так далее.

А ведь все делается лишь для того, чтобы внутри человека появились нужные элементы и тепловая энергия. Неужели никак по-другому нельзя? Без задействования крайне неэффективных естественных машин: растений и животных. Конечно, можно.

Запасов 6 базовых химических элементов в машине более чем достаточно. Это не редкие элементы. Энергия, требуемая для их химического соединения в нужные питательные вещества, стабильно поступает в машину. Весь вопрос, как одно соединить с другим таким образом, чтобы получить нужное. То есть, вспоминаем, нужны ответы на вопросы "сколько, как и куда". На выходе получаем прямое синтезирование пищи.

Оно не противоречит никаким физическим законам, это управляемое, контролируемое соединение нужных химических элементов и только. Химическая реакция.

КПД процесса гораздо выше, чем КПД использования естественных машин: растений и животных. Так как мы делаем сразу то, что нужно, а не берем то, что дают, чтобы потом как-то это использовать в собственных интересах. Без пустых промежуточных трат энергии и вещества. Нужно лишь научиться делать это. А до этого придется, вынужденно, довольствоваться естественными машинами, т.е. режимом по умолчанию.

Таким образом, режим по умолчанию это не предел, а лишь отправная точка. Минимальная данность, автоматический режим функционирования машины.

И такое состояние можно отметить практически в любой сфере действия машины.

Климат. Не оптимален для человека. Масса входящей энергии тратится на бесполезные и даже вредные для человека явления, на устранение их последствий. Сужается жизненное пространство из-за наличия неблагоприятных климатических условий.

Круговорот воды. Не оптимален для человека, сопровождается неблагоприятными явлениями и потерей энергии.

Углеводороды. Мертвые запасы ранее саккумулированной солнечной энергии, выведенные из оборота. Добывая их и применяя, человек так-то делает благое дело, повышая оборачиваемость энергии/вещества и снижая энтропию во Вселенной)

Кстати, слышал недавно выступление одного биолога из МГУ. Он предложил следующую версию, зачем природе нужен человек. Итак, смысл жизни человека в том… чтобы высвобождать углерод) Довольно существенные количества энергии были похоронены в виде углеводородов, т.е. выведены из всепланетного круговорота энергий. Кроме того, углерод, как важный строительный элемент, кирпичик жизни, должен постоянно циркулировать, а не лежать мертвым грузом. Вот и пришлось матушке-природе создать людей, чтобы они, так сказать, вернули потерянное в колесо круговорота. Повышение концентрации СО2 в атмосфере в результате деятельности людей благостно влияет на показатели урожайности) Так что растениям один профит от сжигания углеводородицы. А значит по цепочке и остальная биомасса будет благодарна… Так что что-то в этом есть.

И так далее. Обладая нужной силушкой и зная «сколько, куда и как», человек может управлять вышеуказанными процессами, т.е. вместо режима по умолчанию применять в машине управляемый режим. В своих собственных целях.

Доступного в машине вещества и входящего в нее потока энергии достаточно не только для текущей численности пользователя, но для гораздо-гораздо большей.

Но для этого придется выходить из режима по умолчанию в управляемый режим. А для этого пользователю надо:  

- повзрослеть, т.к. детям спички машина не игрушка, а взрослого, который починит, если что, может и не быть,

- научиться управлять машиной нужным образом, т.е. ответить на вопросы «сколько, куда и как».

Труд может дать нужные ответы. Надо только перестать отвлекаться и разобраться с вшами, которые все время чешутся отвлекают, уводят не туда, тормозят… Сконцентрироваться на труде.

Какие-то элементы перехода к управляемому режиму мы наблюдаем уже сейчас. Но до полной реализации потенциала, конечно, еще далеко. Отвлекаемся часто и много.

Какой потенциал роста имеется исходя из известных данных?

Из материального единства мира следует, что любая форма материи может быть преобразована в любую другую форму. Нужна лишь соответствующая работа и сообщаемая посредством нее энергия.

Это означает, что при условии доступа к достаточному источнику энергии труд как целенаправленно совершаемая работа сможет обеспечить преобразование любой исходной формы материи в любую другую требуемую форму материи. Физических ограничений для этого нет.

Из известной из рекламы пива формулы E = mc² следует, что энергетический потенциал 1 г вещества составляет 25 Гвт*ч. Вот это максимум, теоретический потолок выхлопа. Выше него не прыгнуть исходя из известной на сегодня картины мира.

Прикинем на коленке, сколько это. Если научиться выжимать 100 %, с текущим уровнем потребления первичной энергии человечеству в год надо примерно 6 т вещества (если правильно посчитал). Один средний грузовик. Масса земной коры оценивается в 2,8·10¹⁹ тонн. Это на сколько должно хватить значит?) Думаю, порядок цифр понятен.

Ну а вообще не надо зацикливаться на родной машине. Кроме нее к услугам пользователя целый автопарк. Труд – вот универсальный ключ к любой из них.