Энергия и цивилизация

Латунь была другим важным с исторической точки зрения сплавом меди (ее в латуни содержалось от менее 50 % до около 85 %), на этот раз с цинком. Как и в случае с бронзой, ее производство требовало меньше энергии, чем плавка чистой меди (точка плавления цинка всего лишь 419 °C). Более высокое содержание цинка увеличивало разрывную прочность сплава и его твердость. Для типичного олова они были примерно в 1,7 раза выше, чем у меди, но при этом не снижались пластичность сплава и его стойкость к коррозии. Начало использования олова датируется I столетием до н. э. Сплав стал распространяться в Европе в XI веке, а общее признание он завоевал только после 1500 года.

Железо и сталь

Замещение меди и бронзы сталью происходило медленно. Предметы из железа делали в Месопотамии в первой половине 3-го тысячелетия до н. э., но украшения и церемониальное оружие из него распространились только после 1900 года до н. э. Масштабное использование железа началось лишь после 1400 года до н. э., диковинкой металл перестал быть после 1000 года до н. э. Эра железа в Египте началась с VII века до н. э., в Китае – с шестого. Изготовление железа в Африке также имеет почтенный возраст, но ни одно общество Нового Света не выплавляло этот металл. Обработка железа была связана с крупномасштабным производством древесного угля. Железо плавится при 1535 °C, обычное пламя от древесного угля дает лишь 900 °C, но поддув воздуха позволяет приблизить температуру к 2000 °C. По этой причине древесный уголь давал возможность плавить железо в любом традиционном обществе, кроме Китая (где каменный уголь использовали со времен династии Хань), эффективность производства и применения этого топлива в металлургии постоянно повышалась.

Изготовление железа начиналось с разведения огня в неглубокой, часто выложенной глиной или камнем яме, где дробленая железная руда плавилась с каменным углем. Такие примитивные горны обычно размещали на вершинах холмов, чтобы максимизировать естественную тягу. Позже стали делать несколько узких глиняных труб (фурм), чтобы обеспечивать поддув горна, сначала к ним прикрепляли маленькие ручные мехи из кожи, затем в ход пошли большие мехи, приводимые в движение вращающимся рычагом, и в конечном итоге в Европе эту работу взяли на себя водяные мельницы. Простые глиняные стенки возводили, чтобы ограничивать плавку: они были от нескольких дециметров до более метра в высоту, но в некоторых частях Старого Света (включая Центральную Африку) в конечном итоге превысили 2 м (van Noten and Raymaekers 1988).

Археологи раскопали тысячи таких временных сооружений по всему Старому Свету, от Иберийского полуострова до Кореи и от Северной Европы до Центральной Африки (Haaland and Shinnie 1985; Olsson 2007; Juleff 2009; Park and Rehren 2011; Sasada and Chunag 2014). Температура внутри маленьких топок на древесном угле не поднималась выше 1100–1200 °C, достаточно, чтобы отжечь оксид железа, но много ниже точки плавления железа (чистое железо становится жидким при 1535 °C). Продуктом этого процесса была крица (типичный вес в Средние века 5-15 кг, позже 30–50 кг или даже более 100 кг), чушка из пористого железа, и богатый железом шлак, полный неметаллическими загрязнениями (Bayley, Dungwirth and Paynter 2001).

Кричное железо содержало 0,3–0,6 % углерода, и его нужно было много раз нагревать и обрабатывать молотом, чтобы получить глыбу упругого и податливого ковкого железа с содержанием углерода менее 0,1 %. Этот материал использовали для изготовления объектов и инструментов, от гвоздей до топоров. Европейские потребности в кричном железе начали расти в XI веке благодаря широкому распространению железных кольчуг и растущему производству ручного оружия и шлемов, а также бытовых предметов вроде серпов и обручей для бочек или лошадиных подков. Полосы металла также использовали при строительстве соборов, и при возведении нового папского дворца в Авиньоне, начатом в 1252 году, потратили 12 тонн металла (Caron 2013).