Энергия и цивилизация

Замещение древесного угля металлургическим коксом при выплавке чугуна принадлежит, без сомнения, к величайшим техническим инновациям современности, поскольку оно привело к двум фундаментальным изменениям. Прекратилась зависимость индустрии от дерева (следовательно, отпала необходимость размещать производство в лесистых регионах) и появилась возможность использовать домны большего размера (тем самым, увеличилась производительность). Кроме того, это был переход к куда более качественному металлургическому топливу.

Пиролиз (деструктивная дистилляция) каменного угля – нагревание битуминозного угля (с низким содержанием пепла и серы) в отсутствие кислорода – позволяет получить почти чистую углеродную матрицу с низкой условной плотностью (0,8–1 г/см³), но высокой плотностью энергии (31–32 МДж/кг), которая также куда лучше сопротивляется сжатию, чем древесный уголь, и поэтому может выдерживать больший вес железной руды и известняка в более высоких домнах (Smil 2016).

Кокс применяли в Англии уже в начале 1640-х годов для сушки солода (уголь не годился, поскольку при его сгорании выделяются сажа и оксиды серы), но его металлургическое использование началось только в 1709 году, когда Абрахам Дерби (1678–1717) ввел эту практику в Колбрукдейле. Коксование могло обеспечить практически неограниченный объем прекрасного металлургического топлива, но процесс был затратным и дорогим, и его широкое применение началось только после 1750 года (Harris 1988; King 2011). Английские металлурги первой половины XVIII века не последовали примеру Дэрби немедленно в основном потому, что приходилось держать низкую цену на металл в чушках, чтобы конкурировать со шведским импортом. Как только рыночная ситуация улучшилась в середине 1750-х годов, англичане тут же начали строить новые домны на коксе, и к 1770 году с помощью кокса изготавливалось 46 % британского железа (King 2005). Это эпохальное изменение прекратило невыносимое давление на древесные ресурсы, ощущавшееся как в Великобритании (см. примечание 4.22), так и на континенте: например, в 1820 году 52 % лесных территорий Бельгии использовались для производства металлургического древесного угля (Madureira 2012).

В Америке в первой половине XIX века ситуация не была столь суровой (см. примечание 4.23), и к 1840 году весь чугун в США все еще выплавлялся на древесном угле, но последующее развитие индустрии привело к быстрому переходу сначала на антрацит, затем на кокс, который стал доминирующим к 1875 году. Поколениями кокс производили очень затратным способом в круглых ульевых печах (Sexton 1897; Washalski 2008). Радикальное улучшение наступило только с внедрением коксохимических печей: они позволяли забирать богатые СО на топливо, химикалии (деготь, бензол, толуол) – для использования в качестве материалов, и сульфат аммония – в качестве удобрения. Использование таких устройств началось в Европе в 1881 году, в США – в 1895-м; их модернизированные версии до сих пор остаются главной опорой современного коксования (Hoffmann 1953; Mussatti 1998).

Первые коксовые домны были такой же высоты (около 8 м) и такого же объема (менее 17 м³), как их современницы на древесном угле, но к 1810 году домны на коксе уже достигали в среднем около 14 м высоты и объема более 70 кубометров). После 1840 года Лотиан Белл (1816–1904), ведущий британский металлург, предложил новую конструкцию, и к концу XIX века домны были почти 25 м высотой и имели внутренний объем в 300 м³

(Bell 1884; Smil 2016). Крупные домны, способные на большую производительность (менее 10 т/день для лучшей домны на древесном угле против более 250 т/день для коксовой домны к 1900 году), обеспечили резкий рост производства чугуна с всего лишь 800 тысяч тонн в 1750 году до около 30 Мт в 1900-м. Этот рост заложил основу для развития после 1860-х годов современной стальной промышленности и предоставил ключевой материал для индустриализации (Smil 2016).

Паровые двигатели

Паровой двигатель стал первым новым первичным движителем, освоенным после внедрения ветряных мельниц, которое произошло на 800 лет ранее. Он был первым практичным, экономичным и надежным преобразователем химической энергии угля в механическую энергию, первым неодушевленным первичным движителем, работающим на ископаемом топливе, а не на почти мгновенной трансформации солнечного излучения. Первые двигатели начала XVIII века обеспечивали только возвратно-поступательное движение, подходящее для откачки жидкости, но уже до 1800 года появились новые конструкции, позволившие получать более практичное вращательное движение (Dickinson 1939; Jones 1973). Несомненно, освоение таких устройств имело большое значение для глобальной индустриализации, урбанизации и развития транспортной системы, и о воздействии паровой машины на все эти процессы не раз писали (von Tunzelmann 1978; Hunter 1979; Rosen 2012).