Земля в иллюминаторе: как космические технологии помогают устойчивому развитию
С начала космической эры прошло всего 65 лет, а пилотируемые полеты на орбиту и запуск техники к дальним уголкам Солнечной системы воспринимаются наравне с земными событиями. Новости из космоса мелькают в нашей ленте каждый день: будь это Илон Маск, который выводит на орбиту спутники Starlink и сажает ступени ракет, Китай, строящий орбитальную станцию, или Россия с запуском новых модулей для МКС. Но эта обыденность лишь кажущаяся — освоение космоса, как и сохранение нашей планеты, задача важная и нетривиальная. Между этими вопросами есть прямая связь — космическая наука устремлена не только в будущее, но и помогает решать проблемы Земли здесь и сейчас. В частности — бороться с изменением климата и достигать целей устойчивого развития (ЦУР).
Спутник всем ЦУР голова
Около трети всех спутников, находящихся на орбите, используются для дистанционного зондирования Земли. Сегодня более чем у 80 государств есть свои аппараты в космосе — ими обзавелись даже такие небогатые страны как Бутан, Непал, Эфиопия и Судан. Те, кто имеет на орбите лишь один спутник, в первую очередь используют его для наблюдения за своей территорией.
Дистанционное зондирование — это как первый паровой двигатель для промышленности, только в сфере наук о планете: революция, перевернувшая понимание людей об устройстве Земли, ее происхождении и климате. Сегодня спутники выдают точнейшие метеорологические и геолокационные сведения, предупреждают о надвигающихся природных катаклизмах, помогают обнаружить экологические катастрофы (пожары, загрязнения, незаконные вырубки и пр.), поставляют данные для климатического моделирования и прогнозирования последствий глобального потепления. Но и это не все — каждая из целей устойчивого развития выигрывает от взаимодействия с космическими технологиями.
Согласно исследованию, опубликованному в научном издательстве BioMed Central, наибольший эффект космическая наука оказывает на Цели, ориентированные на технологии, — «Ликвидация голода», «Здоровье и благополучие» и «Индустриализация, инновации и инфраструктура». Меньше всего спутники помогают в достижении «Гендерного равенства», »Уменьшения неравенства» и «Мира, правосудия и эффективных институтов», поскольку они ориентированы на политический контекст.
Вклад космических наук в улучшение жизни настолько велик, что появилось предложение создать восемнадцатую ЦУР — «Космос для всех». Инициативу запустили студенты из Нидерландов, хотя концепцию поддерживают и крупные организации — управление по вопросам космического пространства ООН (UNOOSA) и американское Национальное космическое общество (NSS). Конечно, применение космических технологий для достижения устойчивого развития не панацея. Да и, как уже писала «Экосфера», непродуманное заселение орбит новыми девайсами угрожает появлением свалок в околоземном пространстве. Однако «дружить» с космосом нужно — задачи, включенные в ЦУР, становятся все более зависимы от орбитальной техники.
И пастухи, и санитары
Космические аппараты даже поддерживают продовольственную безопасность. Спутники позволяют оценить состояние посевов, характеристики почвы и спрогнозировать запас продовольствия в регионе. А еще помогают фермерам оптимизировать посадки, повысить урожайность сельскохозяйственных культур, наладить орошение, адаптироваться к изменению климата и ухаживать за скотом. Так, проект Европейского космического агентства (ЕКА) VGTropics, ориентированный на развивающиеся страны Африки, использует спутниковую связь для определения численности животных в стаде и раннего выявления вспышек зоонозных инфекций.
Еще один пример — картографирование выпаса крупного рогатого скота и овец в Нигере — одной из беднейших стран мира. С помощью спутниковых данных были созданы пастбищные коридоры — это поддержало местное сельское хозяйство и сократило конфликты, вспыхивающие между фермерами из-за борьбы за скудные водные ресурсы и землю. А Восточному Тимору спутники ЕКА помогают выращивать кофе в труднодоступных горных районах. 37% домохозяйств страны напрямую зависят от кофейных плантаций. Данные дистанционного наблюдения позволяют повысить урожайность, улучшить качество кофе, а значит, увеличить доходы людей.
Космические аппараты востребованы и в здравоохранении — они необходимы для телемедицины. К примеру, портативное устройство Tempus Pro по спутниковой связи передает медицинские данные пациентов из удаленных мест врачам, оказывающим дистанционную помощь. В чрезвычайных ситуациях это помогает принять правильные решения о лечении и транспортировке больных.
Также спутники позволяют моделировать распространение инфекций и оценивать риски возникновения эпидемий. Чтобы предугадать движение малярийных комаров, специалисты опираются на спутниковые данные о температуре и влажности. Так врачи понимают, где появятся вспышки заболевания, и размещают в этих местах медицинские центры. Кроме того спутники помогают оценивать целостность озонового слоя, УФ-излучение и уровень загрязнения воздуха, искать источники вредных выбросов и наблюдать за их распространением по регионам — эти показатели важны для поддержания здоровья населения и предупреждения серьезных заболеваний.
Еще одно направление — энергетика. Спутники оценивают ветровые и солнечные характеристики разных районов и находят наилучшие места для строительства альтернативных электростанций. Также спутниковые данные помогают сбалансировать нагрузку между возобновляемыми и традиционными источниками энергии — прогнозы о солнечном свете, облачности и скорости ветра позволят исключить перебои в электроснабжении.
Наконец, на космические аппараты можно положиться во всем, что касается устойчивого управления природными ресурсами. Например, проект OceanMind, использует искусственный интеллект и спутниковые данные для отслеживания незаконного рыболовства в океане. Похожая инициатива — ForestMind — определяет места вырубок и предоставляет информацию об устойчивости лесозаготовок. Спутники также помогают изучать и сохранять биоразнообразие. Подсчет животных — дело трудное, особенно в удаленных регионах. Спутники упрощают эту работу — с их помощью ученые собрали данные о популяциях самых разных видов, например, китов, слонов и пингвинов. По данным отчета о космических технологиях World Economic Forum, спутники пресекают незаконный рыбный промысел, нелегальные лесозаготовки и торговлю дикими животными на сумму более 73 млрд долларов в год.
Главные по климату
Без орбитальных технологий невозможно представить современную климатологию, спутниковые наблюдения без преувеличения позволили совершить настоящую революцию в этой науке. Благодаря данным из космоса, ученые могут делать достоверные выводы о последствиях потепления и выбросов парниковых газов. Спутниковые данные европейской службы мониторинга атмосферы «Коперник» (CAMS) позволили определить, что концентрации углекислого газа и метана ежегодно растут на 0.6% и 0.4% соответственно. В планах ученых — научить космические приборы с такой же точностью измерять еще один «опасный» парниковый газ — закись азота. Кстати, именно «Коперник» оценил влияние пандемии Covid-19 на качество воздуха.
Сегодня на службе у климата стоит более 160 спутников, каждый из которых отвечает за измерение особых показателей. Более того, 26 из 50 основных климатических параметров можно измерить только из космоса.
Первым в мире спутником, заточенным под мониторинг парниковых газов (СО2 и СН4), стал японский GOSAT — его запустили в 2009 году и он до сих пор трудится на орбите. В 2018-м к нему присоединился GOSAT-2 — его функционал позволяет оценивать концентрацию не только углерода и метана, но также водяного пара, озона и других газов. В 2016-м году Китай вывел аппарат TanSat для оценки потоков углекислого газа — спустя два года он составил первую глобальную карту СО2 в атмосфере Земли.
Технологии мониторинга парниковых газов активно развиваются — на смену отдельным аппаратам приходят целые созвездия спутников. Например, совместный проект США и Канады CarbonMapper уже вывел на орбиту три аппарата, а к 2025 году их должно стать 10. Большинство спутников справляются с зондированием больших площадей, но имеют ограничения при измерении выбросов от локальных объектов. То есть спутник понимает, сколько выбросов производит район, но ему сложно распознать от какой инфраструктуры они исходят. Дополнительные «помощники» должны решить проблему. В 2024 году NASA планирует запустить GeoCarb — геостационарную обсерваторию углеродного цикла. Она будет не только измерять основные парниковые газы, но и анализировать работу источников и поглотителей СО2.
В России мониторинг парниковых газов из космоса развит плохо. Сегодня специализированных аппаратов, измеряющих выбросы, в арсенале Роскосмоса нет, но есть несколько устройств дистанционного зондирования — спутники серий «Ресурс-П», «Канопус-В», «Метеор-М», «Электро-Л» и «Арктика-М». Они выполняют широкий спектр задач — от социального до экономического мониторинга. Под экологию заточены аппараты «Электро-Л» — они снабжают Росгидромет оперативной информацией о пожарах, загрязнениях, стихийных бедствиях, оценивают состояние атмосферы, водных ресурсов, снежного покрова и измеряют некоторые климатические параметры.
Недавно госкорпорация заявила, что в 2025-28 году на орбиту выведут 14 аппаратов серии «Сфера» — они будут поставлять информацию о мусорных свалках, отслеживать добычу полезных ископаемых, мониторить пожарную обстановку, наблюдать ледовый режим в районе Севморпути и контролировать выбросы парниковых газов. Для этой задачи в Институте им. Келдыша разработан фурье-спектрометр, способный распознавать СО, СО2 и СН4.
Планы на «климат-контроль» есть и у частного российского космоса — компания Success Rockets поставила амбициозную цель: создать глобальный мониторинговый комплекс, определяющий содержание парниковых газов в атмосфере, а также конкретные источники эмиссий и экосистемы, поглощающие углерод. В марте 2021 года «Успешные ракеты» объявили о запуске проекта, в ноябре — уже показывали модель спутника на климатическом саммите в Глазго. Пробный полет первого спутника состоится в конце этого года. В группировку войдут 60 космических аппаратов и 100 наземных станций — к 2030 году система должна заработать в полную мощь.
2030 год подведет итог Целям устойчивого развития. Каких результатов достигнут страны, что человечество приобретет, а что утратит к этому времени — зависит от сегодняшних решений, в том числе в области космических технологий.
Posted in Биоразнообразие, Взгляд, Климат, Наука, Обзор, Сознание, Технологии by Экосфера with comments disabled.
Почему экосистемам и видам нашей планеты необходим генетический ремонт
Климат нашей планеты стремительно меняется, а многим видам животных и растений угрожает вымирание. В то же время другие виды распространяются благодаря человеку, разрушительно воздействуя на экосистемы. Возможно, в будущем биотехнология позволит воскресить некоторые вымершие виды — например, мамонта. Появился даже специальный термин: de-extinction, или «отмена вымирания».
Правда, до воскрешения мамонта и других вымерших животных и растений пока еще далеко – возможно, так же, как пока далеко до терраформирования Марса. Но зато ученые предлагают использовать методы генной инженерии и синтетической биологии для сохранения биоразнообразия и борьбы с инвазивными видами. Работа над такими проектами уже ведется в лабораториях.
Синтезированное биоразнообразие
В 2016 году было опубликовано письмо, авторы которого — специалисты в области синтетической биологии — призвали специалистов по охране природы к сотрудничеству ради сохранения биоразнообразия. Они назвали свой подход синтезированным биоразнообразием и предложили несколько возможных способов применения биотехнологий для спасения видов. Что это за технологии и как они применяются на практике?
Коралловые рифы, устойчивые к потеплению
Коралловые рифы — это естественные очаги биоразнообразия, сравнимые с лесами.
Они поддерживают жизнь около миллиарда человек и служат естественной защитой от штормов и наводнений. При этом потепление климата угрожает самому существованию коралловых рифов. Риф — это своего рода сверхорганизм, состоящий из животного — полипа — и живущей с ним в симбиозе водоросли. Кораллы снабжают водоросли неорганическими веществами, а водоросли дают кораллам продукты фотосинтеза. Повышение температуры воды приводит к тепловому стрессу, убивающему водоросли и обесцвечивающему кораллы. Даже если потепление удастся удержать в рамках 1,5°C, к 2050 году может исчезнуть 90% коралловых рифов и связанных с ними экосистем.
Спасти кораллы способна генная инженерия и направленная эволюция. Ученые из Австралийского института морских наук выявили у кораллов ген HSF1, отвечающий за способность адаптироваться к повышению температуры. Затем они ввели компоненты CRISPR/Cas9 в оплодотворенные яйцеклетки кораллов Acropora millepora, «отключив» этот ген. Личинки с отключенными копиями HSF1 погибали при тепловом стрессе, когда температура воды повышалась с 27 до 34 градусов Цельсия. Напротив, личинки с работающим геном выживали в более теплой воде.
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, или короткие палиндромные кластерные повторы) — особые участки бактериальной ДНК, иммунная защита, которую археи и бактерии «используют» против вирусов. Между идентичными повторами последовательностей ДНК бактерий находятся отличающиеся друг от друга фрагменты — спейсеры, многие из которых соответствуют участкам геномов вирусов, паразитирующих на бактерии. Когда вирус проникает в бактериальную клетку он обнаруживается с помощью Cas-белков, связанных с CRISPR РНК. Если фрагмент вируса «записан» в спейсере CRISPR РНК, Cas-белки разрезают вирусную ДНК и уничтожают ее, защищая клетку от вируса. В редактировании геномов чаще всего используется система CRISPR/Cas9, то есть система с белком Cas9, но есть и другие Cas-белки. Так, сотни миллионов лет назад «изобретенная» бактериями система позволяет человеку точно и быстро редактировать геномы.
Ученые из этой команды говорят, что пока рано использовать метод редактирования генома для выведения более термостойких кораллов. Однако он может применяться для расширения знаний о биологии кораллов и их реакции на тепловой стресс. Это позволит точнее спрогнозировать будущее рифов в условиях глобального потепления, а также определить риски и преимущества использования биотехнологий для защиты кораллов.
Исследователи из Университета Мельбурна пошли другим путем — на основе собранных в 2010 году образцов симбиотических водорослей вывели культуру, а затем в серии экспериментов модифицировали ее, постепенно повышая температуру воды. Таким образом в лаборатории получилось вывести термостойкие штаммы водорослей, которые затем поместили в личинки кораллов. Три из десяти теплостойких штаммов смогли защитить коралл от обесцвечивания при недельном воздействии 31-градусной температуры. Предполагается, что в дальнейшем такие полипы будут привиты к существующим кораллам в живой природе — если ученым разрешат это сделать.
Апгрейд черноногого хорька
В Северной Америке живет черноногий хорек — родственник нашего степного и лесного хорьков. Этот вид находится на грани вымирания из-за сокращения кормовой базы. Более того, внутри популяции очень низкое генетическое разнообразие. Из 18 особей, спасенных почти 30 лет назад из прерий США, только семь передали свои гены последующим поколениям. «Каждый (ныне живущий) черноногий хорек происходит от семи особей», — говорит Кимберли Фрейзер, представитель Национального центра охраны черноногих хорьков.
Для решения этой проблемы было предложено ввести в популяцию ДНК, извлеченную из образцов, хранящихся в зоопарках и музеях. В прошлом году генетики секвенировали геномы двух живых хорьков, а также ДНК самца и самки, которые умерли в 1980-х годах и хранятся в криохранилище зоопарка Сан-Диего. Самку Уиллу ученые клонировали, используя замороженные клетки. Ее яйцеклетка была имплантирована в самку домашнего хорька, детеныш которой — самка по кличке Элизабет Энн — стала клоном не оставившей потомков Уиллы.
Черноногому хорьку также угрожает лесная чума, которой он заражается от своей добычи — луговых собачек. Поэтому выращенные в неволе хорьки вакцинируются перед выпуском в дикую природу. Ученые предложили ввести в геном резистентные аллели (варианты генов) домашнего хорька, для которого лесная чума не смертельна, чтобы сделать черноногого хорька более устойчивым к заболеванию. Другое решение — применить генную инженерию для активации врожденных аллелей. Второй подход — добавить устойчивые к чуме аллели домашнего хорька в геном черноногого хорька.
Защита каштанов от инвазивного грибка
Американский каштан зубчатый некогда был широко распространен на востоке США и Канады. Благодаря быстрому росту и устойчивой к гниению древесине американский каштан может помочь в запуске проектов связывания углерода, которые используют для сокращения выбросов. Проблема в том, что сто с лишним лет назад в США были интродуцированы японский каштан городчатый и китайский каштан мягчайший, а вместе с ними завезен паразитический грибок Cryphonectria parasitica. Азиатские каштаны к этому грибку устойчивы, а вот для американского каштана он оказался губителен, вызывая у него болезнь эндотиоз. К середине 20 века исчезло 90 процентов американских каштанов.
В 1990 году генетики Уильям Пауэлл и Чарльз Мейнард из Университета штата Нью-Йорк создали каштаны, устойчивые к болезни, с помощью старой доброй генной инженерии, а точнее трансгенеза. Они вставили в геном каштана ген пшеницы, кодирующий фермент оксалатоксидазу, который расщепляет щавелевую кислоту, выделяемую грибком.
В трансгенезе применяются вирусные векторы или векторы на основе плазмид бактерий, посредством которых в геном клетки вставляются нужные гены. Таким образом организм приобретает свойства, передающиеся его потомкам.
Продолжением экспериментов занимается команда ученых, возглавляемая Эндрю Ньюхаусом. Ими были выведены деревья, устойчивые к патогенному грибку и это качество наследуется. По словам Пауэлла, некоторые деревья оказались даже более устойчивы к грибку, чем их азиатские родственники. Длительные наблюдения показали, что плоды трансгенных каштанов не отличаются от обычных, а их пыльца, цветы и опавшие листья не наносят вреда насекомым, лягушкам и грибам. Тем не менее, модифицированные каштаны изолированы от окружающего мира двойной оградой и слоем специального пластика, чтобы не допустить разнесения пыльцы.
Борьба с инвазивными видами
Инвазивные виды разрушительны для сформировавшихся за миллионы лет экосистем. Избавление от них — сложная и малоприятная задача, ведь требуется уничтожить сотни тысяч, а то и миллионы особей. Например, таких, как инвазивные виды грызунов или бабочка-огневка на черноморском побережье России, уничтожившая местные самшиты.
Но благодаря генной инженерии появился сравнительно более гуманный способ — технология генного драйва, которая не убивает каждую отдельную особь, а уничтожает популяции инвазивных видов, делая их бесплодными. Генный драйв распространяет в популяции набор определенных генов, предотвращающих ее распространение. В отличие от обычного наследования признаков, наследование под влиянием генного драйва стопроцентное по отношению к заданному признаку.
Потенциально его можно использовать на любых организмах с половым размножением и непродолжительным временем жизни — от комаров до млекопитающих. На млекопитающих — лабораторных мышах — технология была испытана в 2019 году.
С помощью генного драйва можно уничтожить не только инвазивные виды, но и лишить способности переносить вирус таких переносчиков болезней как малярийный комар. Сейчас такие опыты проводятся в Италии. В контролируемом лабораторном помещении выпускаются особи комаров с отредактированным геномом, которые скрещиваются с обычными особями. Их потомство несет этот ген, снова скрещиваясь с другими особями — так ген, а значит, и кодируемый им признак, распространяется в популяции.
Риски
Экологи и некоторые исследователи опасаются, что такие усилия по исправлению ошибок прошлого могут больше навредить, чем помочь. Если генный драйв выйдет из под контроля, гены распространятся за пределы популяции-мишени, вызвав так называемое генетическое загрязнение. Воображение рисует апокалиптические картины крушения экосистем. На технологию даже предлагалось наложить мораторий.
Несколько известных биологов, среди которых Джейн Гудолл, знаменитая исследовательница шимпанзе, в 2016 году подписали открытое письмо в котором предостерегают, что использование генного драйва дает «возможность вмешиваться в эволюцию, определять судьбу целого вида, резко изменять экосистемы и вызывать крупномасштабные изменения окружающей среды способами, которые раньше считались невозможными».
Сторонники применения технологии утверждают, что такой вариант развития событий маловероятен. Как показывают некоторые исследования, генный драйв может встретиться в природе с резистентностью. В большой популяции могут быть особи, обладающие устойчивым к драйву генотипом. Размножаясь, они будут распространять устойчивость к генному драйву.
Кроме того, уже существует своего рода встроенный контроль этой технологии. Молекулярные биологи из Калифорнийского технологического института в Пасадене разработали метод, при котором «генный драйв» начинается только тогда, когда число модифицированных особей в популяции достигает определенного порога. Поэтому особи из других популяций не смогут запустить этот процесс. В популяции, в которой применен генный драйв, его можно будет остановить, добавив в нее не модифицированные особи.
В начале этой статьи была упомянута идея терраформинга Марса. Для терраформинга Красной планеты понадобилось бы создать целую новую биосферу с системой постоянного мониторинга и контроля. Виды в этой биосфере отличались бы от земных, даже если бы создавались на их основе — поскольку они должны быть адаптированы к марсианским условиям. При этом сами эти новые организмы в свою очередь помогали бы преобразовать Марс. Земля, какой мы ее знаем, это и есть ее биосфера. Истощение биосферы превращает Землю в некотором смысле в другую планету — в менее разнообразную и пригодную для жизни. Но пока до колонизации Марса далеко, а вот залатать бреши, пробитые в биосфере Земли человеческой деятельностью нужно уже сейчас. Возможно, со временем на основе биотехнологий будет создана целая система глобального ремонта видов, а значит, и экосистем.
Posted in Биоразнообразие, Взгляд, Климат, Наука, Обзор, Технологии by Экосфера with comments disabled.
Угольная зависимость. Почему странам сложно отказаться от самой грязной энергии
Угольная промышленность в России зародилась еще при Петре 1. Именным Указом от 7 декабря 1722 года было велено искать каменный уголь в южных регионах Российской империи. В 1771 году была заложена первая угольная шахта, а сейчас в стране более 170 добывающих предприятий (54 шахты и 117 разрезов).
Уголь до сих пор остается самым главным источником энергии в мире. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в 2021 году на угольных электростанциях выработали почти 37% электричества, на втором месте — природный газ (23,5%).
Все это несмотря на хорошо известные экологические минусы угля: от загрязнения воздуха угольной пылью до усугубления парникового эффекта. Чтобы понять, как именно уголь воздействует на окружающую среду, проследим весь его путь от шахты до потребителя.
Проблемы шахт и карьеров
Исследование американских ученых показало, что разработка угольных месторождений вредит планете гораздо сильнее, чем считалось ранее. Оказалось, что выбросы метана производят не только действующие шахты, но и заброшенные. Отработанные пласты продолжают «коптить» парниковые газы. Шахты с каждым годом становятся все глубже, что еще больше увеличивает концентрацию метана.
Продолжительность жизни людей в регионах добычи угля значительно ниже, а уровень профессиональной заболеваемости среди шахтеров превышает средний показатель по стране в 20 раз. Практически у каждого работника несколько хронических заболеваний. Чаще всего это происходит из-за ненормированного графика, использования устаревших технологий, тяжелейших условий труда, запыленности, облучения, неблагоприятного микроклимата.
Население шахтерских городов также страдает от превышающей нормы концентрации вредных веществ воздухе, воде, почве и высокого уровня шума. Опасны даже заброшенные шахты: из-за подтопления территорий в реки поступают грязные производственные воды, а в атмосферу выделяются токсичные газы.
Кроме того, на предприятиях угольной промышленности в пустотах среди пород скапливается метан. Это опасно не только с точки зрения влияния на климат (метан — парниковый газ, в 25 раз активнее углекислого), но и приводит к масштабным авариям из-за регулярных нарушений техники безопасности. Так, в конце прошлого года взрыв на шахте «Листвяжная» унес жизни 51 человека, 92 — пострадали. В 2014 году в Турции в результате взрыва на шахте в Соме погиб 301 человек. Такие аварии случаются регулярно.
Смертность от угольной промышленности в 2,5 раза больше, чем от нефтяной, в 25 раз, чем от газовой и в тысячу раз от ядерной энергетики: даже после включения в анализ катастроф в Чернобыле и Фукусиме. В среднем в результате аварий на предприятиях угольной отрасли ежегодно гибнет не менее 50 человек.
Последствия транспортировки
Перевозят уголь с помощью железнодорожных и автоперевозок, углепроводов и морским транспортом. Железные дороги — основной способ транспортировки угля. По данным ОАО «РЖД», в 2021 году погрузка составила 371,7 млн тонн (+5,2% к 2020 году).
Во время загрузки железнодорожных полувагонов несколько десятков тонн угля выпускается из бункера и ударяется о дно, а вытесняемый воздушный поток высвобождает огромное количество пыли. Площадь загрязнения увеличивают грузовики, курсирующие между районами добычи и железнодорожными терминалами перевалки угля: в результате угольная пыль распространяется на значительные расстояния вокруг карьера и вдоль дорог.
В портах, где производится перевалка, дробление и сортировка угля чаще всего продолжают использоваться устаревшие технологии. В результате пыль распространяется как в акватории портов, так и в окрестные населенные пункты. Например, жители Приморского края рассказывают, как угольная промышленность отравляет их жизнь: сажа оседает на окнах и мебели, залетает в двигатели машин и тракторов, выводя их из строя, выпадает черный снег, увеличивается количество респираторных и легочных заболеваний.
Чем же так опасна угольная пыль? По сути это мелкие минеральные частицы, образующиеся при добыче, переработке и транспортировке сырья. В ней могут находиться некоторые твердые токсические вещества, например, свинец, фосфор, мышьяк, сурьма, бор, а также их соединения. Загрязнение угольной пылью опасно для здоровья человека, потому что вызывает различные респираторные заболевания, например, пневмокониоз. Ее высокая концентрация также приводит к взрывам и пожарам. Окружающей среде угольная пыль наносит не меньший вред. Оседая на листья растений, она блокирует поры и затрудняет фотосинтез и дыхание. Ее проникновение в почву изменяет физико-химические свойства, что тоже ухудшает рост и развитие растительности.
Опасное потребление
В 2020 году Центр исследований энергетики и чистого воздуха (CREA) оценили глобальную стоимость загрязнения воздуха от ископаемого топлива — более $8 миллиардов в день или 3,3% от мирового ВВП. Из-за выбросов ежегодно умирает более 4,5 млн человек по всему миру. Кроме того сжигание одной тонны угля приводит к образованию 2,7 тонн CO2. С учетом мировой добычи угля отрасль ответственна за образование более 20,1 млрд тонн выбросов — столько же производят все отрасли Китая за два года.
В атмосферу также выбрасываются взвешенные частицы, диоксид серы, оксиды азота, угарный газ. Воздействие этих загрязнителей повышает риск возникновения онкологии, сердечно-сосудистых заболеваний и органов дыхательных путей. Наиболее уязвимые группы — дети, пожилые, беременные женщины и люди со слабым иммунитетом.
Однако уголь, биомасса и отходы сгорают не полностью. На тепловых электростанциях образуются зола и шлаки, которые содержат токсичные элементы: ртуть, мышьяк, торий и др. Их хранят в резервуарах или просто отправляют на свалки, где они попадают в почву, а летучие соединения переносятся по воздуху вместе с дымовыми газами.
Еще одна опасность, связанная с угольными шахтами и ТЭЦ, которой часто уделяется недостаточное внимание, это радиоактивность. Она вызвана естественными радионуклидами, содержащимися в угле. Радионуклиды поступают в воздух из дымовых труб и оседают в почве. Вблизи станций в несколько раз превышаются не только фоновые, но даже предельно допустимые значения урана и тория, что вызывает онкологические заболевания и опасные мутации у населения.
Котельные, особенно с устаревшим оборудованием, тоже наносят вред природе. Хотя относительно ТЭС они выбрасывают меньше вредных веществ, КПД полезного действия при сжигании угля в котельных значительно меньше. Это приводит к недожогу топлива и высвобождению более опасных веществ, например, бензпирена. Эффективность сжигания угля напрямую влияет на уровень загрязнений — чем она выше, тем меньше выбросов. Самая низкая — у печей и котлов в частном секторе, самая высокая – у современных ТЭЦ.
Старые котлы, работающие на угле, древесине и щепе выбрасывают большое количество вредных соединений в атмосферу. В частном секторе небольшая высота труб (10-15 метров), из-за этого зимой в таких районах можно наблюдать черный клубящийся дым. Решить такую проблему можно только подключением домов к общей системе теплоснабжения или ликвидацией старых котельных.
Европа, COP26 и уголь: что будет дальше
По итогам климатической конференции COP26 в Глазго, 40 стран, а также представители бизнеса и финансовых институтов подписали обязательство о поэтапном отказе от угольной энергетики. Более богатым странам рекомендовано выбрать дату окончания в 2030-х годах, более бедным — в 2040-х. Пакт призывает прекратить субсидии на ископаемое топливо, но сроки страны и компании должны устанавливать себе сами.
Генсек ООН Антониу Гутерриш считает, что миру необходимо решительно отказываться от угля. Делать это предполагается поэтапно по трем направлениям:
- отмена планируемых проектов по строительству угольных электростанций;
- прекращение международного финансирования угольных электростанций и переключение инвестиции на проекты возобновляемой энергии;
- создание новых рабочих мест за счет развития чистых источников энергии, чтобы компенсировать, потерянные в угольной промышленности.
Переход на «зеленую» энергию начался в Европе еще несколько лет назад. В 2016 году первой страной, отказавшейся от добычи угля стала Бельгия. За ней последовали Швеция и Австрия, закрывшие все свои угольные электростанции в 2020. Великобритания обязалась закрыть угольные предприятия к 2024 году. В 2020 страна провела 5 тыс. часов без угольной электроэнергии, а ранее в этом же году побила новый рекорд ветроэнергетики — она обеспечивает более трети территорий страны. В 2021 году Китай отказался от строительства новых угольных электростанций за рубежом и обязался помогать другим развивающимся странам осваивать чистую и низкоуглеродную энергетику.
Но полностью исключить уголь из энергобаланса не так просто по экономическим причинам. По итогам 2021 г. многие страны Европы нарастили импорт топлива — более 50 млн. тонн угля из России или около 46% совокупного импорта, хотя сегодняшние санкции в корне изменят картину уже к концу 2022 года. Германия также продолжает открывать собственные угольные шахты в деревнях, чтобы обеспечить свое население стабильной и недорогой электроэнергией. Польша сохраняет и расширяет свою главную угольную шахту «Туров» в Богатыне несмотря на ежедневный штраф в размере 500 тыс. евро за игнорирование решения Верховного суда Европы (CJEU). По мнению геологов, продолжение разработки рудника приведет к опасным изменениям в структуре пород: немецкие и чешские города могут буквально уйти под землю.
Угольная отрасль оказалась в неоднозначной ситуации. С одной стороны, в тренде зеленого перехода он является самым грязным источником электроэнергии, а с другой — остается надежным ресурсом по доступной цене, спрос на который растет. Тем не менее, согласно прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА), к 2050 году почти 90% электроэнергии будет производиться из возобновляемых источников.
Откажется ли от угля Россия?
Угольная промышленность обеспечивает 1,7 млн рабочих мест в пяти регионах России, где проживает 11 млн человек. Объем добычи растет: за последние 5 лет он увеличился в 1,3 раза, было введено 300 млн тонн новых добывающих мощностей. По данным на 2020 год, Россия занимает 6-е место как по добыче угля (5,2% от мирового производства), так и по его потреблению (3,27 эксаджоулей).
Полностью отказаться от угля в ближайшие годы страны не получится. Хотя и его потребление на внутреннем рынке не растет, экспорт будет продолжать увеличиваться. В 2021 году российский экспорт составил 215,1 млн тонн (49%), а на внутренний рынок было отгружено лишь 166,6 млн тонн (37%), всего же было добыто 438,4 млн тонн. По плану развития промышленности до 2035 года поставки практически полностью уйдут из Европы в Азиатско-Тихоокеанский регион: Индию, Таиланд и Малайзию.
Эксперты прогнозируют: добыча ископаемого топлива в России к 2035 году вырастет на 10-50% и составит от 485 до 668 млн тонн. Планируется развивать новые месторождения и строить терминалы по перевалке угля. При этом компании угольного сектора адаптируются к ESG-требованиям и вводят более экологичные технологии. В качестве примера можно привести АО «СУЭК», который построил в порту Мурманска экраны, защищающие город от угольной пыли. Помимо этого, предприятия отрасли вводят программы по разработке месторождений высококалорийного угля и обогащению угля, чтобы минимизировать выбросы пыли и углекислого газа.
Меры по экологизации отрасли поддерживает и правительство. В марте 2021 Виктория Абрамченко утвердила «дорожную карту» по сокращению негативного воздействия предприятий угольной промышленности на окружающую среду. Задача плана — внедрить современные и не причиняющие здоровью человека вреда технологий закрытой перевалки угля. Правительство также поддержало проект закона о повышении ответственности за санитарные и экологические нарушения при перевалке угля в портах.
Снижение спроса на уголь неизбежно вызовет экономические проблемы добывающих территорий. Например, среди регионов РФ по вовлеченности населения в малый бизнес Кемеровская область находится на 52-м месте, Республика Хакасия — на 75-м, Забайкальский край — на 77-м, Коми на — 82-м. Чтобы полностью прекратить добычу топлива, нужны четкие планы диверсификации экономики этих регионов.
В 2021 году такие планы были приняты для Кузбасса и Республики Коми. Общие инвестиции в новые проекты могут составить до 500 млрд. Только большая часть из них все равно будет связана с добычей и переработкой полезных ископаемых, производства аммиака и карбамида, что едва ли поможет восстановлению окружающей среды. Другие проекты будут направлены на производство извести, алюминия, на строительство аэропорта, а также логистического центра онлайн-ретейлера Wildberries.
Минэнерго России выступает за развитие в стране углехимии (т.е. производство синтетического топлива). Это должно помочь отрасли постепенно адаптироваться к снижению экспортного спроса на уголь. Однако для развития этой отрасли нужны собственные технологии, квалифицированные кадры, стратегия развития и конкуренции на внешнем и внутреннем рынках.
По мнению экспертов, лучший вариант — превращение угольных областей в точки роста возобновляемой энергетики: производство ветряков, генераторов, лопастей. Это бы сделало экономику регионов устойчивее. В России уже есть подобный пример: открытие ветроэлектростанции в бывшем шахтерском моногороде Гуково (Ростовская область).
***
Европа идет к низкоуглеродному будущему быстрее, чем Россия, Индия и другие развивающиеся страны. Использование угля в энергобалансе скорее всего сохранит сегодняшние позиции еще на 5-10 лет, ведь страны АТР, Африки, СНГ потребляют большое количество этой энергии. Тем не менее растущая популярность ESG ведет к переходу на устойчивые источники энергии в мировом масштабе.
Posted in Взгляд, Земля, Климат, Обзор, Экономика, Энергетика by Экосфера with comments disabled.
Опасный бетон. Почему главному строительному материалу нужна альтернатива
Бетон — самый широко используемый строительный материал планеты. Каждый день мы проходим среди бетонных зданий и гуляем по заасфальтированным дорогам. Человечество настолько привыкло к этому, что большинство даже не задумывается о количестве бетона, сопровождающего нас в повседневной жизни. Простой пример: если разделить массу этого материала, используемого каждый год в строительстве, на население планеты, то окажется, что на одного человека приходится около 3 тонн бетона. Таким образом, бетон — это второй по объему потребления ресурс после воды.
С точки зрения экологии, бетон представляет собой одну из самых больших угроз для планеты и климата на каждом шаге его производства, использования и даже на протяжении многих лет после строительства. Но обо всем по порядку.
Минус вода и песок
Основными компонентами бетона являются цемент, щебень, песок и вода. Казалось бы, всего этого на Земле в избытке. Но количество производимого бетона означает, что многие ресурсы оказываются под угрозой.
Дело в том, что для бетона не подойдет любой песок — необходим именно морской его вариант. Он обкатан водой, а не ветром, и такие песчинки лучше крепятся друг к другу. Тогда как пустынный песок более округлый и не подходит для производства бетона. Человечество использует морской песок гораздо быстрее, чем волны океанов успевают пополнить запасы — со временем это неизбежно приводит к его нехватке. Правда, в России в основном используется не морской, а карьерный песок, но эта оговорка не умаляет глобальную проблему.
С водой дела обстоят не лучше. В 2012 году 9% всей использованной человечеством воды ушло исключительно на производство бетона. Согласно прогнозам журнала Nature Sustainability к 2050 году 75% всей воды, необходимой для производства бетона, будет использоваться в развивающихся странах. Например, в Индии, где жителям мегаполисов воды уже сейчас не всегда хватает даже для питья.
Цемент значит CO2
Цемент для производства бетона создается путем измельчения клинкера и гипса. Для того чтобы из глины и известняка сделать клинкер, их необходимо нагреть до 1400°C. Такие температуры требуют больших затрат энергии, а это значит, что в атмосферу попадает огромное количество углекислого газа. За 2015 год 8% всего высвобожденного человечеством CO2 пришлось исключительно на производство клинкера. Если бы бетон был страной, он занимал бы третье место по уровню выбросов — после США и Китая.
Итак, с экологическими проблемами при производстве разобрались. Но что же происходит после того, как бетон уже залит, здания построены, и шоссе забетонированы? Казалось бы, худшее уже позади, но на самом деле проблемы только начинаются.
От потепления до наводнений: как бетон меняет климат городов
Дело в том, что наши бетонные города в жаркие дни нагреваются гораздо быстрее, чем деревни, где этот материал почти не используется. Этот феномен — городской остров тепла — хорошо изучен географами и урбанистами. В частности известно, что разница температур в городах с населением более миллиона человек и за их пределами может достигать 5°C. Это приводит к проблемам со здоровьем у жителей, ухудшению качества питьевой воды, а также повышает потребление электричества для вентиляторов и кондиционеров — т.е. возникают дополнительные выбросы CO2. Возникает петля обратной связи, хорошо известная климатологам: повышение температуры приводит к еще большему повышению температуры.
Одно из самых заметных следствий глобального потепления — увеличивающееся с каждым годом число природных катастроф: цунами, землетрясений, торнадо, наводнений… Список можно продолжать бесконечно, но, в случае с бетоном, больше всего нас должны волновать наводнения. Забетонированные дороги и шоссе не позволяют пришедшей воде быстро уходить в землю. Так, наводнения становятся более разрушительными. Они приносят с собой больший экономический ущерб, уносят большее количество человеческих жизней и затрудняют восстановление разрушенных городов.
В 2017 году американский мегаполис Хьюстон пережил самое мощное наводнение в своей истории. Оно унесло не менее 80 жизней, а экономический ущерб был оценен в 70 миллиардов долларов. Ученые сходятся во мнении, что основной причиной разрушений стал именно бетон, так как Хьюстон — один из самых забетонированных городов континента.
Экологичные альтернативы бетону
Бетонный кризис действительно существует. Но правда ли все настолько плохо? И да, и нет.
За последние 20 лет количество углекислого газа, попадающего в атмосферу из-за бетона, уменьшилось в среднем на 18% благодаря увеличению энергоемкости технологий производства. Более того, стали появляться компании, занимающиеся разработкой более экологичных альтернатив привычным строительным материалам.
Множество предприятий по всему миру сегодня работают над тем, чтобы сделать бетон более «зеленым». Правда, большинство из них останавливаются на вторичном использовании элементов бетона: это помогает экономить ресурсы и затраты на производство. Но есть и те, кто идет дальше.
Например, компания SolidiaTech разработала собственную технологию Solidia, которая позволяет снизить количество высвобождаемого CO2 до 60%, и не требует при этом установки нового оборудования. Также у них есть второй вариант производства цемента, при котором затвердевание происходит не с добавлением воды, а при использовании углекислого газа. Это существенно снижает стоимость и длительность процесса, и, самое главное, сокращает концентрацию CO2 в атмосфере.
(столько же, сколько 1 дерево поглощает за год). Фото: SolidiaTech
Кто-то идет еще дальше, и предлагает полностью отказаться от использования цемента в строительстве в пользу, например, дерева или железного камня Ferrock, созданного из отходов металлургической промышленности. Пока сложно сказать, чем конкретно человечество заменит бетон. Большинство существующих альтернатив не обладают таким же набором качеств (твердость, морозостойкость, теплопроводность и простота создания), или требуют значительно больших денежных затрат на этапе производства и ухода.
Мы еще очень далеки от решения проблемы бетона. По самым оптимистичным оценкам, при существующих темпах развития миру потребуется около 20 лет, чтобы новые материалы полностью заменили собой стандартный бетон. Также экологичных разработок может оказаться недостаточно — многие считают, что без строгого регулирования со стороны государства на уровне законодательства отказаться от бетона не получится.
Бетон предоставил нашей цивилизации возможность развиться до того уровня, на котором мы сейчас находимся. Его дешевизна, стойкость и простота производства позволили забыть о проблемах, преследующих человечество на протяжении всего хода истории — недостаток жилья и его недолговечность. Но настоящее ставит перед нами новые вызовы, и если мы предпочтем их игнорировать в угоду экономической выгоды, условия жизни на планете могут необратимо измениться.
Posted in Взгляд, Вода, Земля, Климат, Обзор, Технологии by Экосфера with comments disabled.