С начала существования цивилизации, и по настоящее время, основную часть энергии люди получают за счёт химических реакций окисления (горения) топлива. Собственно, такими реакциями поддерживает свою жизнедеятельность большинство организмов Земли: съедаемая нами пища окисляется кислородом воздуха, которым мы дышим.
Реакции окисления органических веществ - вторая из основ существования биосферы. Они ведут к выделению энергии, расходованию кислорода из земной атмосферы и насыщению её углекислым газом.
А первая основа - реакции фотосинтеза в зеленых клетках растений: благодаря им углекислый газ из атмосферы используется как "строительный материал" для синтеза всей земной биомассы. Необходимую для этого синтеза энергию растения добывают, поглощая солнечное излучение.
То есть налицо динамический баланс энергии, химических реакций, состава атмосферы и биосферы Земли.
Начав использовать огонь, люди нашли способ получать энергию, проводя окислительные реакции вне своих организмов. Пока дело ограничивалась сжиганием древесины, с точки зрения экологии деятельность человечества выглядела как крупномасштабная экспансия колонии организмов, уничтожающих деревья. По мнению некоторых современных исследователей, этот процесс ещё до начала промышленной революции привел к заметному изменению климата Земли. Но воздействие такого рода могло вызвать лишь некоторое смещение баланса: недостаток древесного топлива служил естественным ограничителем экспансии человечества, а чтобы сжечь новое дерево, нужно было его вначале вырастить.
Однако, когда в процессе промышленной революции мы начали массово использовать ископаемое топливо, это в корне изменило "формат" нашего участия в упомянутом балансе.
В ископаемом органическом топливе, таком как нефть, газ и уголь, "законсервирована" солнечная энергия, полученная за счёт фотосинтеза в предшествующие геологические эпохи, задолго до появления человечества. Но в нём же связан и углерод, извлеченный первобытными растениями из атмосферы. Согласно современным представлениям, в ранние времена существования жизни на Земле атмосфера содержала намного больше углекислого газа , чем кислорода. Именно за счёт разложения растениями этого углекислого газа на кислород и углерод, и последующего связывания углерода в осадочных горных породах, произошло насыщение атмосферы кислородом до современного уровня.
Каждый раз, сжигая ископаемое топливо в двигателе автомобиля или в тепловой электростанции, мы запускаем процесс, обратный тому, что проделали первобытные растения сотни миллионов лет назад: возвращаем в атмосферу древний углерод, превращая имевшийся там свободный кислород в углекислый газ. В глобальном масштабе, мы делаем это очень быстро; слишком быстро. И тем быстрее, чем больше нам нужно энергии; в том числе и для того, чтобы работала вся эта добывающая, перерабатывающая и транспортирующая топливо инфраструктура.
Сжигание ископаемого топлива - фактор, внешний по отношению к ныне действующему биосферному балансу, при котором сформировался и развился, как биологический вид, не только сам человек, но и большинство млекопитающих. Ближайшими аналогами, по воздействию на биосферу, можно считать такие природные явления, как вулканизм и тектоническая активность. Как и они, сжигание топлива имеет, во временных масштабах существования человеческой цивилизации, необратимый характер. Но на фоне этих природных факторов, воздействующих на биосферу сравнительно равномерно на протяжении сотен миллионов лет, мощное краткосрочное воздействие нашей цивилизации на кислородно-углеродный баланс потенциально чревато быстрыми изменениями условий нашего же существования, несущими вызов дальнейшему развитию человечества.
Будем исходить из того, что наша цивилизация собирается продолжать свою экспансию, например, летать в космос. Или, хотя бы, продолжать использовать автомобили и авиацию. Для этого нам нужно много энергии; намного больше, чем дает простое воспроизводство растительной биомассы. Поэтому "биотопливо" исключим из рассмотрения. Выращивать на полях растения и делать из них аналог бензина - это примерно то же самое, что выращивать лес на дрова. Человечество прошло этот этап несколько столетий назад.
С точки зрения кислородно-углеродного баланса, "чистым" источником энергии может считаться тот, который не использует реакции окисления. Выбор, из технически осуществимых , невелик; вот список:
Ядерная энергетика. Используется энергия распада ядер тяжелых элементов, в процессе которого образуются неуничтожимые радиоактивные отходы, опасные для человека и биосферы и потому требующие надежной изоляции. Перспективы ограничиваются непредсказуемыми, в долгосрочном плане, рисками, связанными с возможностью рассеяния отходов из мест их изоляции.
"Солнечная энергетика". В современных реалиях, под этим подразумевается захват части солнечной энергии, падающей на земную поверхность, и преобразование, например, в электричество. С точки зрения упомянутого баланса - мы крадём эту энергию у растений, а стало быть, лишаемся производимой ими биомассы и кислорода. Это не слишком перспективная идея. Рано или поздно, чтобы разместить достаточное количество солнечных панелей, нам придется сводить парки и леса...
Термоядерная энергетика. Используются реакции ядерного синтеза легких элементов, аналогичные протекающим на Солнце и звёздах, которые, теоретически, могут идти без образования радиоактивных отходов. По окончании доступного сырья для такого синтеза на Земле, его можно брать в космосе, так что ресурсная база не ограничена. Промышленных термоядерных установок пока не создано, и перспективы здесь весьма отдаленные. Скорее всего, для их создания потребуется концентрация очень больших ресурсов, трудно достижимая при современном политическом и экономическом устройстве. С учётом значительной минимальной мощности установок и сверхвысокой плотности энергии в них, вызовом при использовании "термояда" в энергетике может быть риск техногенных катастроф.
Использование энергии геологических процессов. Глобально, их источники - либо внутренняя тепловая энергия Земли, либо кинетическая энергия вращения Земли и пары "Земля-Луна". Технические средства извлечения такой энергии доступны и при современном уровне технологий, но имеют очень низкий КПД, поэтому создание мощной энергосистемы на их основе потребует огромных капитальных и энергозатрат; по сути - сжигания того же ископаемого топлива. Ресурсы энергии огромны, но всё же конечны: ускоренно охлаждать Землю или снижать орбиту Луны - не слишком хорошая идея, в долгосрочном плане...
Захват энергии солнечного излучения в космосе и транспортировка её на Землю. Идея очень заманчивая, но конкретные пути её реализации пока не проработаны. В любом случае, для этого потребуется экономическая интеграция глобального масштаба и огромные начальные энергозатраты, а технически - высокая концентрация энергии при транспортировке. Это создает вызовы, аналогичные термоядерной энергетике.
Похоже, чтобы заполучить источники "чистой" энергии, необходимые для дальнейшей экспансии, человечеству требуются, в первую очередь, политические и экономические изменения, результатом которых стала бы возможность ответственной реализации глобальных технологических проектов...