"Деревянный" огонь
У прекрасной древнегреческой легенды о Прометее, принесшем людям огонь с Олимпа, есть аналоги в мифах многих других народов, что неудивительно. Ведь первый огонь появился у человечества, так сказать, в готовом виде - от удара, например, молнии в сухое дерево, или от вулканической лавы, или, скажем, от самовозгоревшегося торфа. И лишь существенно позже люди научились добывать огонь сами.
Каким именно способом они это поначалу делали - высеканием искр при ударе камня о камень или трением одна о другую сухих деревяшек, - достоверно не известно, но в любом случае первый огонь наверняка был "деревянным". Горела и несла тепло людям древесина, и именно дрова положили начало будущему техническому прогрессу.
Перекочевав впоследствии в простейший, сложенный из камней очаг, а затем в печь - сначала в глинобитную, а затем в кирпичную, дрова на протяжении многих тысячелетий оставались единственным источником тепловой энергии. Не обходились без них ни скромные деревенские бани, ни грандиозные купальные сооружения Древнего Рима, в том числе знаменитые термы Каракаллы, где одновременно могли принимать водные процедуры 2300 человек. Дровами топились и камины, и украшенные изразцами голландские печи, и "мастерицы на все руки" - знаменитые русские печи, которые и дом обогревали, и хлеб выпекали, и одежду сушили. А при необходимости служили даже домашней банькой: в ней, хоть и сгибаясь в три погибели и рискуя замазаться сажей от стенок, все же можно было помыться.
Но не только для бытовых нужд использовались дрова - они играли важнейшую роль во многих технологических процессах. Прежде всего - в металлургии, поскольку выплавка металла без них была так же невозможна, как без руды. Примечателен в этом отношении факт из весьма древней истории. Археологи установили, что около трех тысяч лет назад в Древнем Египте внезапно прекратилась выплавка меди. Заинтересовавшись причиной такого явления, они обнаружили, что примерно к этому времени в окрестностях крупного месторождения меди были полностью вырублены все пальмовые леса, в результате чего исчез получаемый из пальм древесный уголь. Из-за нехватки топлива плавильные печи гасли одна за другой, и в конце концов производство необходимого населению металла совсем заглохло.
Обратная этому ситуация сложилась в России в XVIII веке, когда она вышла на первое место в мире по выплавке чугуна, обогнав лидировавших до этого Англию и Швецию. К концу века производство чугуна в России выросло, по сравнению с началом, более чем в 60 раз. Причиной тому были отнюдь не только богатства горных месторождений Урала и мастерство отечественных металлургов, но и неисчерпаемое количество древесного угля, производимого из древесины окрестных лесов. Ведь для выплавки одного пуда чугуна требовалось сжечь от трех до пяти пудов древесного угля, то есть 0,3-0,5 кубометра дров.
Крупными потребителями древесины были и солеварни: кубическая сажень, то есть почти 10 кубометров дров, требовалась для производства 30 пудов соли. Не могли работать без дров и гончарные мастерские, кирпичные, стекольные, сахарные и мыловаренные заводы, печи для выжигания известняка и т.п.
В XVIII веке на Западе появился в использовании каменный уголь, но и после этого пароходы и паровозы еще долго работали на древесном топливе. И только в начале ХХ века транспорт в значительной мере перешел на нефтепродукты, однако в России - во время гражданской войны - он все же работал в основном на дровах. На древесное топливо была переведена тогда и вся действовавшая в то время промышленность, а жилые дома отапливались только дровами. Аналогичное положение сложилось в нашей стране и во время Великой Отечественной войны, а в какой-то мере и после нее: на древесных чурках работали даже автомобили.
Древесное топливо - не только дрова
И все же в основном дрова утратили свое монопольное положение на топливном рынке еще в прошлом столетии, а в последнее время они вытесняются с него совсем, и не только каменным углем, но прежде всего нефтью и природным газом. Сегодня в мировом энергетическом балансе доля дров не превышает 3,5%, а в России - даже 1%. Это тем более примечательно, что еще в 1950 году она составляла 9%, а в 1913 году - и вовсе 21%.
Есть, впрочем, и теперь государства, в которых дрова поныне - основной вид топлива. В странах Африки, например, на дрова идет 88% всей заготовленной древесины, в Южной Америке - 68%, а в Индии и Индонезии - 91 и 80% соответственно.
Вполне естественно, что и в этих странах, по мере развития в них газификации и электрификации, доля потребления дров будет сокращаться, а со временем достигнет обычного для индустриальных стран уровня в 3-5%. Но это вовсе не означает, что роль древесины в энергетике будет сведена к минимуму. Напротив: она может резко возрасти, хотя совсем в ином качестве.
Дело в том, что древесина, уступающая своим конкурентам в теплотворной способности, имеет перед ними весьма серьезное преимущество. Она - единственный на Земле возобновляемый источник энергии, тогда как ресурсы всех прочих видов топлива - нефти, газа, каменного угля - постоянно и неизбежно сокращаются.
Разведанные запасы нефти, например, могут быть, по оценкам экспертов, израсходованы еще до конца следующего столетия, природный газ - в течение 150 лет, а каменный уголь - в течение 350. И хотя в будущем могут быть открыты другие - пока неизвестные - месторождения, но рано или поздно будут исчерпаны и они. Тем более, что нефть широко используется не только как топливо, но и как технологическое сырье для получения многих ценных химических продуктов и что именно о ней еще в начале века Д.И.Менделеев сказал: "Нефть - не топливо. Топить можно и ассигнациями..."
Неудивительно, что сегодня крупнейшие нефтяные компании мира выделяют значительные средства для исследования альтернативных нефти и газу энергоносителей - прежде всего, солнечной энергии, а также древесной и растительной биомассы. Эксперты Мирового энергетического союза не предвидят технологического прорыва в этой области по крайней мере в ближайшие 10-15 лет, но по мере сокращения запасов нефти ситуация, безусловно, будет меняться.
Количество же древесины на Земле, как это ни удивительно, растет: общий годовой прирост в лесах планеты составляет в среднем 5,5 миллиарда кубометров, то есть примерно в 1,5 раза больше годового объема лесозаготовок. Это, однако, вовсе не означает безграничных возможностей при использовании древесины как топлива, поскольку спрос на пиломатериалы, древесные плиты, фанеру, целлюлозу и бумагу тоже увеличивается. И в перспективе, видимо, источником тепловой энергии станут уже не дрова, а разного рода отходы, образующиеся при заготовке и переработке древесины: сучья, ветки, верхушки деревьев, кора, опилки, куски дерева, горбыль, рейки и т.п.
Для их сжигания уже разработаны конструкции специальных топок, и в Швеции, например, на таком топливе сегодня работает более 200 районных теплоцентралей. А в США, по прогнозам специалистов, количество используемых в энергетике древесных отходов увеличится в ближайшие 30 лет не меньше чем в 2,5 раза.
Для удобства употребления таких отходов из них в ряде стран прессуют топливные брикеты, а с некоторых пор подобное производство стали налаживать и в России. Брикеты эти удобны по форме, хорошо горят, их плотность гораздо выше, чем у исходной биомассы, да и тепла они выделяют в 1,5 раза больше.
И все же основные перспективы применения древесины в качестве топлива связаны не с брикетами и не с дровами, а с переработкой древесной биомассы в жидкое и газообразное топливо. Накопленный в этой области опыт важен для этих перспектив ничуть не меньше, чем сам фактор восстановления лесных массивов.
Возвращение газогенератора
Еще в двадцатые годы в нашей стране появились первые автомобили, топливом для которых служили деревянные чурочки. В то время это было более чем актуально, поскольку с бензином дела обстояли из рук вон плохо, а лесов у нас было предостаточно. А уже в 30-х годах был налажен серийный выпуск таких автомашин и организовано несколько их автопробегов из Москвы: в Ленинград, Среднюю Азию и на Дальний Восток. Тем самым была убедительно доказана возможность успешной эксплуатации газогенераторных автомобилей как в летних, так и в зимних условиях (см. "Наука и жизнь" № 8, 1994 г.).
В 1940 году в леспромхозах работало более 4000 газогенераторных автомобилей и тракторов, а во время Великой Отечественной войны к этому парку добавилась значительная часть машин, переведенных с жидкого топлива на древесное. Это позволило экономить бензин для нужд военной техники.
На древесных чурках работал и созданный в 1949 году первый в мире трелевочный трактор КТ-12. Мощность его была невелика - в два раза меньше, чем у современных "Жигулей", но, обладая очень неплохой проходимостью, он вполне успешно справлялся со своими обязанностями. В 1955 году на лесозаготовках работало более 20000 газогенераторных тракторов.
Однако эксплуатация и особенно техническое обслуживание газогенераторных машин были очень трудоемкими и весьма сложными. Узлы часто выходили из строя, а сам генератор довольно скоро требовал капитального ремонта. Да и чурочки для него годились не всякие: надо было подбирать и тип древесины, и ее влажность, и размеры чурочек. Куда проще было иметь дело с бензиновым или дизельным двигателем: заправил бак горючим - и никаких проблем. Поэтому в дальнейшем газогенераторные автомобили и тракторы распространения не получили, и их выпуск был прекращен.
Но самими газогенераторами специалисты занимаются до сих пор - как у нас, так и за рубежом. Правда, не теми, что устанавливаются на транспортных средствах, а другими - предназначенными главным образом для отопления помещений. Особенно нужны такие установки в сельских районах, расположенных вдали от магистральных газопроводов. В Бельгии, например, создана малогабаритная газогенераторная установка, способная обогревать помещение объемом до 200 кубометров, то есть площадью около 80 квадратных метров.
Разрабатываются конструкции газогенераторов и для промышленных целей, и в перспективе, по мнению американских специалистов, подобные установки станут широко использоваться в топочных устройствах производственных предприятий. И прежде всего тех, что связаны с переработкой древесины, а следовательно, с появлением большого количества древесных отходов.
Автомобиль на алкоголе
И все же генераторный газ - не самое выгодное топливо из древесины. Его теплотворная способность гораздо меньше, чем у каменного угля, природного газа и тем более нефти. И с этой точки зрения куда более эффективна переработка древесины не в газовое, а в жидкое топливо - этанол (этиловый спирт) и метанол (метиловый спирт). Теплотворная способность первого из них в 6 раз больше, чем у генераторного газа, а второго - в 4,5 раза. Есть у жидкого топлива и другие преимущества. Его, например, можно возить любым видом транспорта, тогда как генераторный газ приходится использовать там, где его производят , - на лесозаготовительном или лесоперерабатывающем предприятии.
И наконец, жидкое топливо из древесины существенно менее вредно с точки зрения экологии: содержание в выхлопе токсичных веществ снижается при его применении на 25%. А это особенно актуально сегодня, когда на дорогах нашей планеты курсирует более 6 миллиардов автомашин, выбрасывающих в атмосферу за час езды от 3 (легковые) до 7 (грузовые) килограммов окиси углерода и помимо того массу иных токсичных веществ: сернистый газ, окись азота, соединения свинца и т.п. Между тем мировой ежегодный выпуск автомобилей уже достиг 40 миллионов. Непрерывно растет и парк сельскохозяйственных и всякого рода дорожных машин, тоже работающих на двигателях внутреннего сгорания. Угроза задохнуться выхлопными газами становится для человечества все более реальной. И переход на топливо, при котором токсичность выхлопа снижается хотя бы на четверть, был бы весьма целесообразен. По мнению многих специалистов, спирты - сравнительно недорогие и экологически более безвредные - заменят со временем хоть частично горючее, получаемое из нефти.
Метанол, который имеет еще одно название - древесный спирт, производят сухой перегонкой древесины с последующей ректификацией (очисткой), а этанол - при помощи гидролиза. Из тонны дерева можно при этом получить до 180 литров спирта и попутно ряд ценных продуктов: кормовые дрожжи, фурфурол, жидкую углекислоту, топливный лигнин и пр. В последние годы этанол широко применяется в Бразилии, где на нем работает уже несколько миллионов автомобилей. Производят его там из отходов сахарного тростника, бамбука, сорняковых кустарников и т.д. В нашей стране тоже разработаны интересные технологии получения жидкого горючего из древесины. Особенно значительной представляется разработка специалистов НПО "Энергомаш", которая позволяет получать из отходов лесозаготовок и лесопереработки диметиловый эфир. Теплотворная способность этого эффективного топлива на 48% выше, чем у метанола, и на 15% выше, чем у этанола, а по экологической безопасности он и вовсе превосходит все традиционные виды моторного топлива, полностью отвечая требованиям европейских стандартов. При разработке технологии его получения использован ряд новейших отечественных достижений науки и техники, в том числе в области ракетостроения.
"Энергетические" плантации
Особый интерес к древесине как к источнику энергии возник в конце 70-х годов в результате очередного энергетического кризиса. Именно тогда начали всерьез изучать альтернативные нефти энергоносите ли, а в ряде стран занялись поиском эффективных технологий энергетического использования древесины. Но для внедрения этих технологий потребовалась бы мощная сырьевая база, и в США, например, в 1979 году была для этой цели разработана специальная программа. Она предусматривала создание так называемых "энергетических" плантаций с применением густой посадки быстрорастущих лиственных деревьев: тополя, эвкалипта, ольхи и т.п. По расчетам, предполагалось занять под эти плантации до 10% территории всей страны.
От традиционных лесонасаждений "энергетические" отличаются даже с виду: ведь обычно деревья отстоят одно от другого довольно далеко и вырастают до необходимых размеров в течение 30 - 80 лет. Размеры же деревьев, растущих на "энергетических" плантациях, никакой роли не играют, и потому их можно на одной и той же площади выращивать в гораздо большем количестве, а оборот вырубки сократить до 20 лет. Продуктивность биомассы растущих в таких условиях деревьев оказывается, по подсчетам американских лесоводов, в несколько раз больше, чем у обычных.
Первый опыт создания "энергетических" плантаций получен в Швеции, где для этих целей выделены переувлажненные и иные неудобные участки, непригодные для выращивания товарной древесины. Исследования показали, что при загущенной посадке, например, ольхи, ивы или березы можно всего лишь через три года снимать вполне сносный урожай древесины - до 10-15 тонн сухой биомассы с гектара. Такое количество позволяет сэкономить 4-5 кубометров нефти. Подсчитано, что, засадив такими плантациями примерно 7% территории Швеции, можно обеспечить 2/3 ее годовой потребности в энергии.
В России проблема "энергетических" плантаций пока не стоит. Образующиеся в процессе лесозаготовки и лесопереработки древесные отходы уже составляют достаточно мощную сырьевую базу для потребностей нашего энергетического хозяйства. Вот только наладить бы их тщательный сбор и утилизацию!
У камина в третьем тысячелетии
Экономический и технологический аспекты использования древесины не исчерпывают, однако, ее будущего. Ведь существует еще аспект сугубо психологический. И вряд ли наши потомки откажут себе в удовольствии погреться у костра на лесной опушке, приготовить на тлеющих древесных углях шашлык или просто посидеть у печки или камина, наблюдая за игрой огня и слушая веселое потрескивание дров. Не зря же в самых благоустроенных и дорогих коттеджах, оснащенных всякого рода автоматикой для поддержания постоянного уровня температуры и влажности, непременно находится место для традиционного камина.
Древесина и энергетика - эти понятия неразрывно связаны как в прошлом, так и в настоящем. И есть серьезные основания полагать, что в следующем тысячелетии древесина тоже будет играть в мировой энергетике весьма заметную роль.
ЛЕГКО ЛИ ДОБЫТЬ ОГОНЬ БЕЗ СПИЧЕК
Робинзону Крузо, как известно, во многом повезло. В частности, в получении огня: в первую же ночь гроза подожгла на его острове одно из деревьев.
Куда больше трудностей с добыванием огня оказалось у героев "Таинственного острова" Ж. Верна. Гроза им в этом не помогла, и они поначалу пытались использовать наиболее древний из известных способов - трение одного куска сухого дерева о другой. Но поскольку имели они об этом процессе самое смутное представление, то "результат получился отрицательным: куски дерева едва нагрелись - меньше, чем сами исполнители опыта".
Ничего удивительного в этом нет: первобытные люди добывали огонь не трением палки о палку, а сверлением одного куска дерева концом другого. В этом случае площадь трущихся поверхностей столь мала, что они действительно разогреваются быстрее, чем успевают остыть, и получаемая от сверления древесная пыль в какой-то момент воспламеняется.
Само сверление первобытные люди производили заостренной палочкой, которую вращали при помощи нехитрого приспособления, например лука (см. рисунки), причем самому опытному "сверлильщику" удавалось получить огонь в течение нескольких секунд.
С древнейших времен добывали огонь и высеканием, что, впрочем, тоже не особенно просто и требует определенной сноровки, а также определенного набора средств: железного или стального кресала, кремня, из которого высекаются искры, и трута - либо природного (из растущего на березе гриба трутовика), либо высушенной, а еще лучше пропитанной специальным составом ветоши.
Но уже в XIII веке люди стали применять для получения огня зажигательные стекла (лупы), и именно таким способом получили его в конце концов герои "Таинственного острова". Они изготовили лупу из двух часовых стекол, скрепив их края глиной и предварительно заполнив водой.
Еще более любопытным образом добыли огонь персонажи другого романа Жюля Верна - "Путешествие капитана Гаттераса", которые изготовили линзу в Арктике из прозрачного куска льда, вытесанного из огромной льдины. Есть в таком способе серьезные трудности: лед должен быть действительно совершенно прозрачным и не должен содержать воздушных пузырьков. Но если изготовить ледяную линзу в домашних условиях, залив в миску воду и выставив ее на мороз, а затем эту линзу отполировать, то с ее помощью можно и в самом деле получить огонь.
