Человечество растёт быстро
Грядёт эра
альтерматериалов
Пропустить
Поделиться:

Манифест карбонового века

2010 год:
почему за 20 лет человечество изменит все материалы, материальную основу своего существования

Технологии. Предыстория

Человек перешел от собирательства к производству и земледелию в постоянных поселениях 13 000 лет назад.

Неолитическая революция помогла нашему виду сохраниться, конкурировать и выжить в условиях дикой природы. В течение многих тысяч лет, век за веком, человечество производило лишь минимум для выживания и делало это исключительно ручным трудом.

250 лет назад произошла Промышленная революция.

Переход к машинному производству позволил кратно поднять производительность, выйдя за пределы физических возможностей человека.

В цивилизации был запущен процесс лавинообразного роста
производства.

Цивилизационный взрыв

Совсем недавно, лишь во второй половине ХХ века началась Научно-техническая революция. В этот крохотный, по меркам истории, период счет открытий и изобретений в науке и технике пошел на миллионы.

Всего несколько десятилетий изменили облик Цивилизации и жизнь людей просто невероятно.

Были решены фундаментальные проблемы, над преодолением которых человечество билось тысячи лет.

Победа над детской смертностью и инфекционными заболеваниями увеличила срок жизни человека вдвое (в Англии 1900 года - 38 лет, в 2011 - 81).
Развитие современного транспорта сделало перевозку грузов более доступной, а путешествия - массовыми. Мир объединился физически.
Проблему голода и недостатка продовольствия (ещё в 1845-1849 годах в Ирландии умерло 350 000 человек только от неурожая картошки) решило применение удобрений и пестицидов, выведение высокоурожайных сортов растений и высокопроизводительных пород в сельском хозяйстве ("Зеленая революция").
Наконец, компьютерная революция последних десятилетий окончательно решила проблему коммуникации. Обмен информацией стал всеобщим и мгновенным. Мир окончательно стал глобальным, единым.
Все это случилось совсем недавно.
По историческим меркам - только что.

Рост населения

Достижения постиндустриальной революции, улучшили условия жизни настолько, что привели к лавинообразному росту и населения планеты.

Если со времен первых поселений народонаселение Земли медленно увеличивалось в течение долгих 13 тысяч лет и достигло 1,0 миллиарда человек только к 1804 году, то такой же количественный прирост в 1,0 миллиард человек с семи миллиардов до восьми произойдет уже с 2011 по 2025 год.

Численность населения,
млн человек
  1. 1500
    446
  2. 1600
    486
  3. 1750
    791
  4. 1850
    1262
  5. 1950
    1490
  6. 1960
    2480
  7. 1970
    3000
  8. 1980
    3750
  9. 1990
    4480
  10. 2000
    5280
  11. 2010
    6090
  12. 2030
    8360
  13. 2050
    9010
Прирост в 1,0 миллиард человек с семи миллиардов до восьми
произойдет уже с 2011 по 2025 год. Он займет всего 14 лет
и произойдет раньше, чем сегодняшний младенец закончит
школу!

Рост производства и энергии

За последние 15 лет производство материалов удвоилось

Столь стремительный численный рост населения и стремление населения развивающихся стран улучшить свою жизнь привели человечество к драматическому наращиванию производства базовых материалов.

За последние 15 лет производство материалов удвоилось и следующее удвоение, даже по самым консервативным прогнозам, произойдет в ближайшие 25 лет. Уже к 2040 году мир будет производить 30 миллиардов тонн материалов ежегодно.

1980
3 000 000 000
тонн материалов
2000
7 500 000 000
тонн материалов
2020
15 000 000 000
тонн материалов
2040
30 000 000 000
тонн материалов
Кроме материалов человечеству жизненно необходима
и Энергия.
Мы берем из биосферы
  • 20 млрд
    тонн
    Кислорода
  • 8 млрд
    тонн
    Угля
  • 1 млрд
    тонн
    Нефти
  • 1 млрд
    тонн
    Дров
  • 1 млрд
    тонн
    Газа
Мы выбрасываем в атмосферу
  • 28 млрд
    тонн
    CO2
  • 3 млрд
    тонн
    Пепла
4 тонны
CO2
400 кг
Золы
на одного человека в год

Фундаментальное противоречие

Потребность в материалах
Потребность в энергии
Разрушение Биосферы
Нехватка энергии

Сегодня, впервые в своей истории, человеческая Цивилизация стала внутренне противоречивой. Главная потребность в материалах и энергии породилa и главные угрозы — необратимого разрушения Биосферы и изменения климата Планеты.

Ресурсов планеты недостаточно, чтобы обеспечить всех жителей Земли благами современной цивилизации.

Возможно ли за следующие 30 лет создать новую
Техносферу 2.0 таким образом, чтобы обеспечить
9 миллиардов людей жилищем, транспортом, коммуникациями
и другими благами современной цивилизации,
уменьшив производство Материалов и Энергии... в два раза?!
Да
Но для этого нужны лишь более высокие удельные свойства всех основных материалов в 4 раза (т.е. свойствами, отнесенными к весу материалов, "свойство/масса").
20%
Полезная нагрузка машины
10%
Полезная нагрузка самолета
2%
Полезная нагрузка моста
0.3%
Полезная нагрузка здания

Технологический выход — суперкомпозиты

Создать инфраструктуру для нового производства в миллиарды тонн в сравнительно короткий срок просто не возможно, для этого нет времени и попросту доступных ресурсов, включая политическую волю, знания и деньги. Поэтому переосмысленная инфраструктура производства материалов 2.0 должна использовать все мощности и производственные фонды, накопленные человечеством.

Возможно ли в принципе создать такую технологию?
Да, через создание суперкомпозитов.
Композит материал, созданный минимум из двух компонентов с существенно разными, дополняющими друг друга, свойствами
Железобетон
Бетон +
Стальная арматура
Резина
Каучук +
Технический углерод
Стеклопластик
Стекловолокно +
Смола
Углепластик
Углеволокно +
Смола

И если компоненты идеально сопряжены, то свойство конечного композита является средним между свойствами его компонентов пропорционально их массовой доле.

1% может увеличить прочность остальных 99% в 4 раза!

Если вы намерены заменить материал в 4 раза более прочным композитом, то в его состав должна войти такая же масса упрочняющего компонента с показателями прочности выше в 8 раз.

А если вы хотите усилить исходный материал в 4 раза упрочняющей добавкой всего в 1 %, то прочность этой добавки должна быть прочнее исходного материала в 400 раз.

Концептуально такой подход верен для всех свойств - прочности, теплопроводности, электропроводности, etc.

Возможно ли таким образом радикально усилить ключевые свойства всех базовых материалов (металлы, цемент, керамика, полимеры, электродные материалы аккумуляторов и солнечных батарей, покрытия, стекло и пр.) чрезвычайно маленькой добавкой, превратив их в подобные суперкомпозиты? И Какими свойствами должна тогда обладать эта супердобавка? Сможет ли она быть универсальной?

Универсальный аддитив. Свойства

Из всех известных человечеству сущностей на роль подобного универсального аддитива подходят только две - углеродные нанотрубки и открытый недавно графен.

Суперматериал
экстремальная
прочность
низкий удельный вес
рекордная электро- и теплопроводность
огромная удельная площадь поверхности
химическая
стойкость
термическая
стабильность
способность образовывать соеденения с огромным количеством веществ
Возможность массового производства
нетоксичность компонентов
масштабируемость технологий
нетоксичность
отходов
минимальная энергоемкость
экономическая и физическая доступность сырья
безопасность технологического процесса

SWCNT. Углеродные одностенные нанотрубки

Сегодня, когда за открытие графена, наверняка, будет вручена Нобелевская премия, его эра только начинается. В то же время с эффективностью и знаниями о внедрении одностенных углеродных нанотрубок науке стало все окончательно ясно за прошедшие 20 лет. Проведены сотни тысяч экспериментов. За последние десять лет зарегистрировано более 10 000 патентов. Сотни тысяч научных публикаций подтвердили, что нанотрубки:

В 100 раз
прочнее стали
Один из лучших в мире проводников (в 5 раз легче меди)
Температурная стабильность (1000 °С)
Рекордное соотношение длины к диаметру (1 000 000 раз)
Развитая поверхность (площадь поверхности 1 грамма трубок равна двум баскетбольным площадкам)


И просто огромное количество R&D исследований подтвердили самое главное для цивилизации: SWCNT — поистине универсальный аддитив

Отчего же эти возможности до сих пор не используются цивилизацией на полную силу?
Высокая стоимость
$100 000 за 1 килограмм одностенных трубок — за пределами экономической применимости (аллюминий - $2/кг), это реально очень дорого.
Немасштабируемая технология
Мировой объем производства 1 тонна — это слишком мало.
Но скоро все изменится.

Углеродные нанотрубки станут реально доступными, будет создана промышленная технология их производства и они изменят большинство материалов в мире.

Цивилизация сможет справиться с вызовами.
Мир материалов изменится неузнаваемо.
Добро пожаловать в Карбоновый Век!