Источники и производство энергии

Когда в 1800 г. истек срок основного патента Уатта, в Вели­кобритании работало немногим более 500 его двигателей, а на континенте — всего несколько дюжин. Несмотря на всю фунда­ментальность своего вклада в развитие паровой техники, двигате­ли Уатта имели множество ограничений в качестве источника ме­ханической энергии. Прежде всего, их коэффициент полезного действия был довольно низким, обычно менее 5% (т.е. они совер­шали менее 5% теоретически возможного объема работы при дан­ном объеме потребленной тепловой энергии). В среднем их мощ­ность не превышала 15 лошадиных сил, что было лишь немногим больше мощности хорошей ветряной или водяной мельницы. Они были тяжелыми, громоздкими и часто ломались. Наконец, они ра­ботали на относительно низком давлении, которое ненамного пре­вышало атмосферное, что в значительной степени ограничивало их эффективность. В качестве причин подобного положения можно указать на несовершенство научного знания, недостаточ­ную прочность металлов, использовавшихся при их изготовлении, и недостаток точных инструментов.

Следующие пятьдесят лет были свидетелями множества важ­ных усовершенствований в технологии парового двигателя. Свой вклад в ее развитие внесло использование более легких и проч­ных металлов, более точных механических инструментов, а также развитие научного знания, включая механику, металлографию, термостатику и теорию газов, а также зачатки термодинамики. Хотя возможно, что ученые больше «учились» у парового двига­теля — кульминацией чего явилось формулирование Гельмголь-цем в 1847 г. первого закона термодинамики — чем внесли вклад в его развитие, их достижения нельзя не принимать в расчет. Од­нако авторами первых усовершенствований были практики — ме­ханики и инженеры, такие как корнуолец Тревизик и американец Оливер Эванс, которые сконструировали и опробовали двигатели на высоком давлении, которые Уатт считал небезопасными и не­практичными. Эти и другие эксперименты привели к началу ис­пользования силы пара для приведения в движение пароходов и паровозов, что имело фундаментальные последствия для развития транспорта. Множество двигателей использовалось и в промыш­ленности. К 1850 г. во Франции было более 5000 стационарных паровых двигателей, в Бельгии — около 2000, в Германии —

242 почти 2000 и в Австрийской империи — примерно 1200. Хотя точ­ные цифры отсутствуют, возможно, что Великобритания имела больше паровых двигателей, чем все континентальные страны вместе взятые. Еще в 1838 г. только текстильная промышленность (которая, однако, была самым крупным их потребителем) исполь­зовала более 3000 двигателей. Для сравнения, Соединенные Штаты в 1838 г. имели менее 2000 стационарных паровых двига­телей во всех отраслях экономики.

Мощь и эффективность паровых двигателей также в огромной степени выросли. Двигатели мощностью от 40 до 50 л.с. были обычным явлением, а мощность некоторых превышала 250 л.с. Коэффициент полезного действия был в три раза выше, чем у лучших двигателей Уатта. Были разработаны компаунды, двига­тели двойного и тройного действия. К I860 г. большие морские компаунды могли развивать мощность в более чем 1000 л.с.

Технологический прогресс имел место и в развитии главного соперника парового двигателя на первом этапе его использова­ния — водяного колеса. С 1760-х гг., в то время как Уатт экспе­риментировал с паровым двигателем и совершенствовал его, дру­гие инженеры и изобретатели обратили свои усилия на усовер­шенствование водяного колеса. Они ввели новую, более эффек­тивную его конструкцию, а в результате падения цен на железо в употребление вошли большие цельнометаллические колеса. В на­чале XIX в. некоторые большие водяные колеса могли развивать мощность свыше 250 л.с. Более того, в 1820 — 1830 гг. француз­ские ученые и инженеры изобрели и усовершенствовали гидравли­ческую турбину, высокоэффективное устройство для превращения силы падающей воды в механическую энергию. Хотя этот факт часто не получает адекватного осмысления, но использование силы воды достигло своего пика в третьей четверти XIX в. (если не рассматривать использование гидроэлектрогенераторов, кото­рое началось позже). Только примерно после 1850 г., а в более выраженной форме после 1870 г., энергия пара окончательно по­бедила своего конкурента.

К концу XIX в. были достигнуты пределы мощности возврат­но-поступательного парового двигателя; некоторые морские ком­паунды тройного действия достигали мощности в 5000 л.с. Одна­ко даже эти громадные машины были неадекватны новейшему применению силы пара — выработке электроэнергии. Прежде всего, максимальная скорость вращения коленчатого вала, кото­рой мог достичь возвратно-поступательный двигатель, была слиш­ком низкой и не соответствовала значительно более высоким ско­ростям, которых требовала динамо-машина, или электрический ге­нератор. Кроме того, эффективной выработке электричества пре­пятствовала вибрация такого двигателя. Решение этих проблем было найдено в паровой турбине, изобретенной в 1880-х гг. бри­танским инженером Чарльзом Парсонсом и шведским изобретате-

леи Густавом де Лавалем. Новое устройство быстро совершенство-алось, и к началу XX в. стало возможным вырабатывать более 100 тыс. киловатт на одной установке.

Явление электричества было известно еще в древности, но даже в XVIII в. к нему относились как к курьезу. К концу столе­тия исследования Бенджамина Франклина в Америке и итальян­цев Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, изобретшего гальва­ническую батарею, подняли статус электричества от салонного развлечения до предмета лабораторных исследований. В 1807 г. сэр Хэмфри Дэви открыл электролиз, т.е. способность электри­ческого тока разлагать химические соединения в водных раство­рах, что дало толчок развитию гальванотехники. Следующий этап в изучении электричества связан с именами ученика Дэви Майкла Фарадея, датского физика Ханса Эрстеда и французского матема­тика Андре Ампера. В 1820 г. Эрстед обнаружил, что электричес­кий ток создает магнитное поле вокруг проводника, что привело Ампера к формулированию количественной взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В период 1820—1831 гг. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (выработки электри­ческого тока при вращении магнита внутри катушки металличес­кой проволоки) и изобрел примитивный ручной генератор. Осно­вываясь на этих открытиях, в период 1832 — 1844 гг. Сэмюэль Морзе в США создал электрический телеграф. Однако промыш­ленное использование электричества сдерживалось отсутствием экономически эффективного генератора.

Ученые и инженеры экспериментировали со множеством уст­ройств для выработки электричества, и в 1873 г. один владелец бумажной фабрики в южной Франции подсоединил свою гидрав­лическую турбину, стоявшую на реке, текущей с Альп, к динамо-машине. Это на первый взгляд простое усовершенствование имело важнейшие долговременные последствия, поскольку оно дало воз­можность регионам, не имевшим запасов угля, но богатым водны­ми ресурсами, удовлетворить свои потребности в энергии. Изобре­тение паровой турбины в последующее десятилетие ликвидирова­ло зависимость производства электричества от водных ресурсов и сдвинуло энергетический баланс вновь в пользу угля и пара. Тем не менее, развитие гидроэнергетики стало событием огромной важности для бедных углем стран, находившихся ранее в арьер­гарде промышленного развития.

Одновременно развивалось множество направлений практичес­кого применения электроэнергии. С 1840-х гг. электричество стало использоваться в гальванотехнике и в телеграфной связи. В 1850-х гг. в маяках стали применяться дуговые лампы, и к 1870-м гг. они уже использовались на множестве фабрик и складов, в театрах и в об­щественных зданиях. Совершенствование электрической лампы на­каливания, созданной почти одновременно в 1878 — 1880 гг. Джозе­фом Сваном в Англии и Томасом Эдисоном в Соединенных Шта­тах, сделало дуговые лампы устаревшими и произвело бум в элект-

рической промышленности. В течение нескольких последующих десятилетий электричество ожесточенно конкурировало с двумя другими, незадолго до этого усовершенствованными осветителя­ми — угольным газом и керосином.

Электричество имело множество иных применений, помимо ос­вещения. Оно является одной из наиболее универсальных форм энергии. В 1879 г., в том же году, когда Эдисон запатентовал свою электрическую лампу, Вернер фон Сименс в Германии изобрел электрический трамвай, имевший революционные последствия для развития общественного транспорта в бурно растущих мегаполисах того времени. В течение нескольких лет электромоторы нашли ши­рочайшее применение в промышленности, и изобретатели даже на­чинали задумываться о создании домашних электроприборов. Электричество также можно использовать для выработки тепла, в связи с чем оно нашло применение при выплавке различных метал­лов, особенно открытого незадолго до того алюминия.

Нефть является еще одним основным источником энергии, ко­торый вошел в употребление во второй половине XIX в. Хотя она была известна и спорадически использовалась и ранее, ее коммер­ческая эксплуатация началась с бурения скважины Дрейка в Ти­ту свилле, Пенсильвания, в 1859 г. Как и электричество, жидкая нефть и побочный продукт ее добычи, природный газ, использо­вались первоначально для освещения. Сырая нефть состоит из не­скольких компонентов, или «фракций». Среди них керосин счи­тался сначала наиболее ценным из-за возможности его примене­ния в осветительных лампах. Другие фракции использовались как смазочные материалы, спрос на которые быстро рос по мере рас­пространения машин с движущимися частями, а также для меди­цинских целей. Более тяжелые фракции, первоначально рассмат­риваемые как отходы, со временем стали использоваться в домаш­нем и промышленном отоплении наравне с углем и другими тра­диционными источниками энергии. Самые легкие и летучие фрак­ции, лигроин и бензин, долгое время рассматривались как опас­ные побочные продукты. Однако в это время ряд изобретателей и инженеров, особенно немцы Николас Отто, Карл Бенц и Готфрид Даймлер, проводили эксперименты с двигателями внутреннего сгорания. К 1900 г. появилось несколько вариантов таких двига­телей, большинство из которых использовало в качестве топлива один из продуктов перегонки нефти, таких как бензин и дизель­ное топливо. Самой важной областью применения двигателей внутреннего сгорания стали транспортные средства — легковые автомобили, грузовики и автобусы. В руках таких предпринима­телей, как французы Арман Пежо, Луи Рено и Андре Ситроэн, англичанин Уильям Моррис и американец Генри Форд, автомоби­лестроение превратилось в одну из самых важных отраслей про­мышленности XX в. Двигатель внутреннего сгорания имел также

245 и промышленное применение, а в XX в. он сделал возможным развитие самолетостроения.

Дешевая сталь

245 К началу XIX в. коксовая плавка и пудлингование для произ­водства чугуна и передела его в сварочное железо были распро­странены в Великобритании фактически повсеместно, что давало британским металлургам существенное преимущество перед ино­странными конкурентами. В конце XVIII в. во Франции и прус­ской Силезии под королевским покровительством были предпри­няты попытки ввести коксовую плавку, но ни одна из этих попы­ток не оказалась успешной в экономическом отношении, а в не­разберихе революции и наполеоновских войн никаких дальней­ших экспериментов в этой области не проводилось. С наступлени­ем мира после 1815 г. металлурги континента стали активно внед­рять пудлингование и прокатный метод для передела чугуна в сварочное железо, но из-за относительной разницы цен на древес­ный и коксующийся уголь на континенте и в Великобритании переход к коксовой плавке происходил медленнее. Первые эф­фективные коксовые доменные печи на континенте были постро­ены в Бельгии (в то время входившей в королевство Объединен­ных Нидерландов) в конце 1820-х гг. Несколько французских ме­таллургов стали применять кокс в 1830 — 1840 гг., но этот процесс не стал доминирующим вплоть до 1850-х гг. В Германии коксовая плавка вводилась еще медленнее, и прорыв произошел только в 1850-х гг. В Соединенных Штатах, с их огромными запасами леса для производства древесного угля и альтернативой коксу в виде антрацита восточной Пенсильвании, коксовая плавка не получила широкого распространения вплоть до окончания Гражданской войны. В других странах Европы — в Швеции, Австро-Венгрии, Италии и частично в России — продолжали работать небольшие предприятия, использовавшие древесный уголь.

Единственной крупной технологической инновацией в метал­лургической промышленности первой половины XIX в. была го­рячая домна, запатентованная шотландским инженером Джеймсом Б. Нельсоном в 1828 г. Путем использования отводных газов для предварительного нагревания воздуха, используемого в доменной печи, горячая домна обеспечила более полное использование топ­лива, снизила его потребление и ускорила процесс плавки. Она вскоре стала применяться металлургами в Шотландии, на конти­ненте и даже в Соединенных Штатах, но в Англии и Уэльсе она распространялась медленнее.

Наиболее значительные технологические нововведения, повли­явшие на развитие черной металлургии, произошли во второй по­ловине столетия и касались производства стали. Сталь фактичес­ки является особой разновидностью железа: она содержит меньше

246 углерода, чем чугун, но больше, чем сварочное железо. Из-за этого она отличается меньшей хрупкостью, чем первый, но тверже и прочнее, чем второе. Она производилась на протяжении многих столетий, но в небольших количествах ввиду высокой стоимости, так что ее применение было ограничено такими высококачествен­ными изделиями, как напильники, часовые пружины, хирургичес­кие инструменты, клинки и точные режущие инструменты. В 1856 г. Генри Бессемер, английский изобретатель, запатентовал новый метод производства стали напрямую из расплавленного же­леза, минуя процесс пудлингования, в результате чего получался более качественный продукт. Выпуск бессемеровской стали бы­стро возрастал и вскоре она заменила обычное железо в различ­ных областях применения. Однако бессемеровский процесс не обеспечивал одинаково высокое качество стали и не мог быть ис­пользован для выплавки фосфорсодержащих руд. Для исправле­ния первого недостатка в 1860-х гг. французские металлурги, отец и сын Пьер и Эмиль Мартены, а также братья Сименсы, Фрид­рих в Германии и Вильгельм в Англии, разработали модель печи, получившей название мартеновской. Она работала медленнее и при более высоком уровне издержек, чем бессемеровская, но вы­рабатывала высококачественную сталь. В 1878 г. английские ме­таллурги — двоюродные братья Сидней Д. Томас и Перси К. Гилкрист запатентовали «основной» процесс (названный так ввиду использования известняка или других «основных» — в хи­мическом смысле термина — материалов для облицовки бессеме­ровского конвертера или печи с открытой топкой для нейтрализа­ции окиси фосфора в руде), что позволило использовать значи­тельные запасы фосфорсодержащей железной руды. В результате этих и других инноваций ежегодное мировое производство стали выросло с менее полумиллиона тонн в 1865 г. до более 50 млн тонн накануне Первой мировой войны.

Рост сталелитейной промышленности оказал огромное влияние на другие отрасли, как на те, что снабжали ее сырьем (например, угольную), так и на те, которые использовали сталь. Стальные рельсы для железных дорог служили дольше и были безопаснее, чем железные. Использование стальных листов в судостроении привело к появлению больших, более легких и быстрых судов, а также обеспечило возможность изготовления тяжелой брони для военных кораблей. Использование стальных балок сделало воз­можным строительство небоскребов и множества других сооруже­ний. Сталь вскоре заменила железо и дерево в производстве ин­струментов, игрушек и сотен других изделий, начиная от паровых двигателей и кончая шпильками для волос.