Тут проницательный читатель наверняка укажет на то, что мы, конечно же, не можем пять раз в день подниматься по лестнице, не спускаясь по ней. Когда вы идете вниз, 35 тысяч джоулей будут высвобождаться в виде тепла в ваших мышцах, обуви и в полу. Если бы вам пришлось прыгать вниз с третьего этажа, вся накопленная во время подъема по лестнице гравитационная потенциальная энергия преобразовалась бы в кинетическую энергию вашего тела, и вы, скорее всего, сломали бы пару-другую костей. Так что, хотя вам и придется затратить 35 тысяч джоулей, чтобы забраться наверх, спускаясь вниз, вы не получите их обратно в удобной форме, если только не придумаете хитроумного устройства, которое будет принимать вашу кинетическую энергию и преобразовывать ее, скажем, в электричество, то есть делать именно то, что делают гибридные автомобили.
А теперь посмотрим на это с другой стороны. Представьте, что вы распределили хождение по лестнице более чем на десять часов, скажем один-два раза в первой половине дня, два раза – во второй и последний раз ранним вечером. За эти десять часов, или 36 тысяч секунд, вы тратите около 35 тысяч джоулей. Это, честно говоря, абсурдно мало – в среднем около одного ватта. Сравните данный результат со своим телом, излучающим в среднем около 100 джоулей в секунду, или 100 ватт. Как видите, энергия, сжигаемая благодаря хождению по лестнице, очень мала и вряд ли поможет сделать тоньше вашу талию.
Предположим, вы поднимаетесь не по лестнице, а на гору километра полтора высотой. Для этого вам придется генерировать и использовать миллион джоулей – в дополнение к обычной «выработке». А миллион по сравнению с 10 миллионами – величина уже вовсе не такая жалкая и незначительная. После восхождения вы точно почувствуете себя голодным, и теперь вам действительно понадобится больше калорий и, соответственно, пищи. Если вы поднялись на гору за четыре часа, средняя мощность, которую вы выработали (мощность – это количество джоулей в секунду), будет весьма существенной, около 70 ватт (понятно, в течение этих четырех часов). И вот теперь тело посылает мозгу настойчивое сообщение: «Мне нужно хорошенько подкрепиться».
Вы можете подумать, что поскольку использовали на 10 процентов больше энергии по сравнению с вашими обычными 10 миллионами джоулей, то вам надо съесть всего на 10 процентов больше (то есть на 240 калорий), чем вы обычно едите, так как миллион – это 10 процентов от 10 миллионов. Но это не совсем верно, что вы, вероятно, и сами интуитивно понимаете. В этом случае вам нужно съесть намного больше, чем обычно, потому что с точки зрения физики система преобразования пищи в энергию тела не слишком эффективна. Наилучший результат человеческого организма в среднем составляет всего 40 процентов – иными словами, мы превращаем в полезную энергию не более 40 процентов потребленных калорий. Все остальное теряется в виде тепла. И оно должно на что-то расходоваться, поскольку, как мы уже знаем, вся энергия сохраняется. Таким образом, чтобы генерировать дополнительный миллион джоулей энергии и «прокормить» свою страсть к альпинизму, вам нужно потребить около 600 дополнительных калорий, приблизительно один дополнительный прием пищи в день.
Где получить необходимое?
Меня не перестает удивлять, как мало энергии нужно человеку для поддержания жизнедеятельности. Предположим, я решил принять ванну и хочу вычислить, сколько энергии потребуется для нагрева воды. Уравнение очень простое: количество требуемой энергии в килокалориях – это масса воды в килограммах, умноженная на изменение температуры в градусах Цельсия. Таким образом, если моя ванна вмещает около 100 килограммов воды, а температура должна повыситься примерно на 50 °С, значит, чтобы нагреть воду, мне потребуется примерно 5000 килокалорий, или 20 миллионов джоулей энергии. Так что горячая ванна, конечно, дело хорошее, но чтобы ее принять, придется затратить немало энергии. Замечательно, что энергия в США все еще стоит дешево: горячая ванна вам обойдется примерно в полтора доллара. Двести лет назад воду для ванн грели дровами. В килограмме дров содержится около 15 миллионов джоулей, так что для нагрева одной ванны воды нужно сжечь килограмм дров. Но это современные дровяные печи работают с относительно высокой 70-процентной эффективностью, а открытый огонь или печи, которые люди использовали 200 лет назад, преобразовывали древесину в тепло гораздо менее эффективно, и занимало это гораздо больше времени. Для подогрева стокилограммовой ванны требовалось от 5 до 10 килограммов древесины. Неудивительно, что наши предки мылись намного реже, чем мы, и часто вся семья мылась в одной и той же воде.
Приведу еще некоторые цифры, чтобы вы имели лучшее представление об использовании энергии в быту. Обогреватель потребляет примерно 1000 ватт, значит, за один час вы расходуете около 3,6 миллиона джоулей, или, в общепринятых показателях потребления электроэнергии, 1 киловатт-час. Электрическая печь в холодном климате потребляет примерно 2500 ватт, оконный кондиционер – 1500 ватт, а центральная система кондиционирования воздуха – от 5 до 20 киловатт. При температуре 180 °C электрический духовой шкаф использует 2 киловатта, а посудомоечная машина – около 3,5 киловатта. А теперь любопытный факт для сравнения. Настольный компьютер с 17-дюймовым монитором с электронно-лучевой трубкой потребляет 150–350 ватт, а компьютер и монитор в спящем режиме всего 20 ватт, а то и меньше. Самый экономный – радиоприемник, всего 4 ватта. Поскольку в девятивольтовой батарейке около 18 тысяч джоулей, или около 5 ватт-часов, она будет питать ваш радиоприемник в течение немногим более часа.
Идем дальше. На Земле живет более 6,5 миллиарда [23] человек, которые потребляют около 5 × 1020 джоулей энергии в год. Даже сегодня, через сорок лет после введения ОПЕК нефтяного эмбарго, 85 процентов наших энергетических потребностей по-прежнему обеспечиваются за счет ископаемых видов топлива: угля, нефти и природного газа. На США, где проживает немногим более 300 миллионов человек, или двадцатая часть населения планеты, приходится пятая часть мирового потребления энергии. И это, к сожалению, чистая правда: мы самые настоящие энергетические мародеры. Кстати, по этой причине я был невероятно рад, когда узнал, что президент Обама назначил министром энергетики лауреата Нобелевской премии по физике Стивена Чу. Если мы хотим решить свои энергетические проблемы, нам действительно необходимо обратить самое пристальное внимание на физику энергии.
Сегодня большие надежды возлагаются на потенциал солнечной энергии, и я обеими руками за активные разработки в данной области. Но мы должны помнить об ограничениях, с которыми непременно при этом столкнемся. Солнце, несомненно, на редкость эффективный источник энергии. Оно вырабатывает 4 × 1026 ватт (4 × 1026 джоулей в секунду), и большая часть этих мощностей представляет собой видимый и инфракрасный свет. Поскольку нам известно расстояние между Землей и Солнцем (150 миллионов километров), мы можем вычислить, какая доля этой энергии достигает нашей планеты. Около 1,7 × 1017 ватт, или около 5 × 1024 джоулей в год. Если направить солнечную батарею площадью в один квадратный метр прямо на Солнце (в безоблачный день!), до нее дойдет примерно 1200 ватт (я исхожу из того, что около 15 процентов передаваемой мощности отражается и поглощается атмосферой Земли). Ради простоты округляем до 1000 ватт (1 киловатт) на квадратный метр при условии направленности панели прямо на Солнце и полного отсутствия облаков.
Потенциал солнечной энергии поистине огромен. Чтобы собрать количество солнечной энергии, достаточное для общемирового потребления, хватит батареи площадью 2 × 1010 квадратных метра. Это примерно в пять раз больше площади моей родной страны – Нидерландов, отнюдь не самой большой в мире.
Однако не все так просто. Во-первых, сутки делятся на день и ночь, что мы пока не учитывали, так как исходили из того, что Солнце светит всегда. И облака тоже никуда не денешь. И если наши солнечные панели нельзя двигать, они не могут быть все время направлены прямо на Солнце. Имеет значение и то, где именно на Земле вы находитесь. Страны, расположенные на экваторе, получают больше энергии (в них же не зря жарче), чем более северные (расположенные в Северном полушарии) или более южные (в Южном полушарии) страны.