Нанотехнологии и защита окружающей среды

Проблема охраны окружающей среды во второй половине XX в. приобрела глобальный масштаб и международный характер. Предотвращение крупных негативных антропогенных воздействий возможно лишь в условиях прочного мира и сотрудничества всех государств. Все вопросы, относящиеся к рациональному природопользованию, можно свести в несколько групп:

• • рациональное использование невозобновляемых (энергетических, сырьевых) и возобновляемых (вода, воздух, биологические источники) ресурсов;
• • борьба с загрязнениями и другими нарушениями окружающей среды;
• • планетарные климатические изменения и техногенные катастрофы.

Взаимосвязь этих вопросов довольно очевидна. Например, комплексное использование сырья, снижение материалоемкости и энергоемкости производства приводят к меньшему потреблению природных ресурсов и оздоровлению окружающей среды. Утилизация и применение «отходов» дает схожие результаты.

Очевидно, в первую очередь необходимо обратить внимание на наиболее вредные для природы сферы деятельности человека, которые интенсивно развивались в XX в. По размеру совокупного ущерба, наносимого окружающей среде, их можно ранжировать следующим образом.

Сельское хозяйство (как это ни неожиданно на первый взгляд). Глубокая вспашка, ветровая и водная эрозии почвы, засоление и подтапливание в районах ирригации, использование больших количеств химических удобрений и ядохимикатов, засорение ими и выветриваемыми почвами водоемов, сбросы отходов животноводства и т.д. наносят природе урон не в такой концентрированной форме как промышленность, но зато на огромных площадях. Это и обусловливает лидирующее положение сельского хозяйства в черном списке природоразрушающих видов деятельности человека.

Большая энергетика. Добыча и транспортировка на большие расстояния всех видов органического топлива (отчуждение земель под транспортные магистрали, засорение их аварийными выбросами, разливами, распылением), образование больших количеств разнообразных оксидов: СО2, СО, NO2, SO2 (табл. 7.2), частиц копоти с канцерогенными свойствами, тепловое «загрязнение» окружающей среды и многое другое выводит энергетику на второе место в этом списке, а в урбанизированных регионах - на первое место среди вредоносных производств.

Промышленность (особенно горнодобывающая, цветная и черная металлургия, химическая и коксохимическая, резинотехническая).

Таблица 7.2. Сопоставление интенсивности выработки газообразных загрязнителей атмосферы с мощностью природных источников

Транспорт (рассечение дорожным полотном естественных ареалов обитания животных, выбросы ядовитых и канцерогенных выхлопов в атмосферу, разливы нефтепродуктов, гибель насекомых, птиц, животных в столкновениях с быстро движущимся транспортом и т.д.).

Наукой давно разработаны рекомендации и конкретные меры по рациональному природопользованию: традиционная энергетика должна вытесняться ядерной и основанной на возобновляемых источниках; сырье должно использоваться комплексно (т.е. с целью получения нескольких полезных продуктов, а не одного-двух), технологии должны быть безотходными и энергосберегающими, а применяемые материалы - высокоэффективными; потребление воды в технологических целях должно быть сведено к минимуму за счет внедрения замкнутых водооборотных циклов. Принципиально новые технологии (электротехнологии, биотехнологии, лазерные, генно-инженерные, ядерные и др.) позволяют обеспечить высокую эффективность производства с малым количеством отходов, а получающиеся отходы утилизировать и превращать в полезные продукты. Однако все эти меры и средства требуют больших капиталовложений, что неизбежно увеличит себестоимость продукции и уменьшит ее конкурентоспособность и привлекательность в глазах потенциальных покупателей. Следовательно, вторым важнейшим аспектом решения экологических проблем (после экономического) является социальный и общекультурный.

Все - от разработчика новой технологии или нового продукта до производителя, продавца, простого потребителя - должны понимать, что мы находимся в одном замкнутом мире, в большом, но не безмерном космическом корабле по имени «Земля». Он обладает ограниченными природными ресурсами и способностями восстанавливать баланс в биосфере, частью которой мы сами являемся. Конечно, неразумно не пользоваться этими ресурсами совсем и под лозунгом «назад на дерево» отказаться от всех благ цивилизации. Но трезво оценивать и рационально использовать эти ресурсы человек должен научиться обязательно, хотя бы в целях выживания и продолжения существования как биологического вида.

В отличие от перечисленных выше проблемы экологии не имеют пока ясного научного разрешения. Так, концентрация ССЬ в атмосфере за последние 100 лет возросла примерно на четверть (по-видимому, не без влияния нараставших мощностей традиционной углеродной энергетики, хотя это никем и не доказано, строго говоря). Многие специалисты считают, что этот рост может быть обусловлен долговременными колебаниями количества и состава растительного покрова суши, водорослей в мировом океане или другими причинами неантропогенного свойства). Из табл. 7.2 ясно видно, что ни по одному из крупнотоннажных выбросов (кроме SO2) мощности антропогенных и природных источников несопоставимы.

В настоящее время концентрация С0₂ в воздухе составляет около 0,035 %. Углекислый газ обладает свойством пропускать «высокотемпературное» солнечное излучение к Земле и напротив, не пропускать в окружающее космическое пространство «низкотемпературное» тепловое излучение Земли. В результате Земля оказывается «одетой» в как будто все время утолщающееся одеяло и возникает «парниковый эффект» (как под полиэтиленовой пленкой, натягиваемой над почвой в теплицах). В итоге среднегодовая температура на Земле за последние 100 лет неуклонно растет. Одни регионы (биологические виды, популяции) могут получить преимущества от потепления климата, в то время как другие - новые проблемы. Вследствие этого нельзя судить однозначно о вреде или пользе глобального потепления.

Развитие нанотехнологий обостряет интерес к комплексной экологической, медицинской и физической проблеме - так называемой «проблеме малых доз» (рис. 7.9). Она в общих словах заключается в том, что результаты воздействия малых ко-

Рис. 7.9. Схема, иллюстрирующая «проблему малых дот». В области умеренных и больших доз (радиации, химического, лекарственного, магнитного и другого вида взаимодействий) обычно наблюдается растущий с дозой эффект, постепенно приходящий к насыщению. В области малых доз может наблюдаться пороговое поведение (/), пропорциональный отклик (2) или наличие так называемых окон чувствительности (3) и инверсии знака отклика (4)

личеств химических веществ (например, лекарственных или ядовитых), малых доз радиации (порядка естественного фона Земли), слабых постоянных и переменных электрических и магнитных полей до сих пор изучены слабо и трудно поддаются предсказанию. Вместе с тем все это - естественные условия существования человека, всей биосферы и окружающей нас неживой природы. Последние данные, полученные разными коллективами и независимыми методами, свидетельствуют, о том что, казалось бы, пренебрежимо малые воздействия могут вызвать непропорционально большие эффекты в самых различных объектах, в частности биологических. Однако эти исследования только начали проводиться, и их результаты вызывают оживленные дискуссии в среде ученых.

Совершенно очевидно, что многие особенности нанотехнологий могут радикально изменить антропогенную нагрузку на природу. Резкое уменьшение материалоемкости и энергоемкости промышленного производства, более эффективные источники энергии и технологические процессы, снижение выбросов в атмосферу транспортными средствами, новые методы очистки промышленных стоков и многие другие инновации, связанные с внедрением нанотехнологий, помогут в борьбе за сохранение окружающей природы. Вместе с тем появляются неопределенности и новые риски, касающиеся как состояния окружающей среды, так и здоровья людей. На эти темы проводятся регулярные конференции, написаны обзоры и книги.

Необходимо сразу отметить, что как нанотехнологии, так и окружающая среда - сложнейшие системы, соприкасающиеся друг с другом и взаимодействующие во многих точках. Поэтому для рассмотрения их взаимовлияния необходим системный анализ. Некоторые связи видны невооруженным глазом. Снижение габаритов и массы выпускаемых изделий приведет к падению потребности в сырье и энергии. Овладение высокими технологиями в индустрии, энергетике, на транспорте, в сельском хозяйстве однозначно приведет к уменьшению давления на окружающую среду. Большое количество скопившихся отходов и загрязнителей возможно будет использовать для переработки или, в крайнем случае, обезвреживать с помощью нанотехнологий. Можно будет также наладить более плотный и тщательный мониторинг за состоянием природы, контроль за выбросами, улучшить технику безопасности на рабочих местах. Вместе с тем необходимо принять дополнительные, превентивные меры предосторожности при разработке, производстве и эксплуатации изделий, содержащих продукты НТ, особенно нанобиотехнологических.

Какие вопросы обсуждаются наиболее интенсивно сейчас? Это можно оценить по названию секций и ключевых докладов, представленных на последних конференциях по указанным проблемам. Например, основные направления дискуссий на конференциях следующие.

• • Какие нанотехнологии наиболее перспективны для предотвращения загрязнения окружающей среды и ее очистки (если эти загрязнения возникли в результате предшествовавшей деятельности)?
• • Какие из нанотехнологий удовлетворяют требованиям экономики и рынка?
• • Какие дополнительные исследования необходимо провести, чтобы увеличить возможности нанотехнологий для поддержания и восстановления окружающей среды?
• • Что можно внедрить уже сейчас?
• • Какие потенциальные риски выявлены уже сегодня, а какие могут возникнуть в будущем?
• • Нужны ли специальная инфраструктура и отдельные ассигнования для проведения соответствующих работ?
• • Какие возможности существуют для международного сотрудничества в этой сфере и как его расширить?

Более конкретные вопросы (аппаратура и средства контроля за загрязнением воздуха, воды и почвы; фильтры и очистители воды и воздуха, проектирование новой нанотехнологической продукции с учетом всего ее жизненного цикла и необходимости утилизации по его окончании и т.п.) весьма похожи на те, что обсуждались в гл. 4, 5 и 6.