כלכלה וכימיה
כלכלה וכימיה נוגעת ליחסי הגומלין בין חקר הכלכלה לבין כימיה.
כלכלה נאו-קלאסית נוהגת להציג משוואות דמויות מכניקה ניוטונית, שיש בהן מעט חוקים, הומוגניות של רכיבים, הופכיות בזמן והן מגיעות לשיווי משקל סטטי. היא מניחה בדרך כלל כי לבני האדם רצונות וגחמות שנתונים מחוץ למודל הכלכלי (העדפות אקסוגניות) ולכאורה גם לכוח הייצור של האדם אין גבול - הכל תלוי בכוח הדמיון האנושי. כנגד זה, כלכלה-כימית מתייחסת למודל כלכלה מבוססת מדע שמניח שבמדעי-הטבע (פיזיקה, כימיה, ביולוגיה, אקולוגיה) ובמדעי החברה הבסיסיים יותר (כמו פסיכולוגיה, וענפים של סוציולוגיה) מצויים מגבלות שחייבות לבוא לידי ביטוי גם בשאלות כלכליות.
נדירות של יסודות
אחת השאלות הקלאסיות בכלכלה היא מדוע זהב יותר יקר ממים. מים הם חיוניים לחיים ואילו זהב, לפחות עד להמצאת האלקטרוניקה היה שימושי בעיקר לשם הפגנת עושר ומעמד חברתי - ללא שימוש מעשי. התשובה הכלכלית היא שזהב יקר יותר ממים בגלל שהוא נדיר יותר. אם נדמיין מקום שבו מים הם מצרך נדיר לדוגמה אמצע המדבר או על פני מאדים ייתכן כי מחיר המים יהיה גבוה יותר ממחיר הזהב.
לפי התאוריות הכימיות המודרניות העולם בנוי מיסודות - מימן, חמצן, זרחן, ברזל, זהב וכו'. כל החומרים בעולם מבוססים על יסודות אלה או על תרכובות שמורכבים מהיסודות הבסיסיים - לדוגמה מים הם שילוב של חמצן ומימן. אחת ההשלכות הנובעות מכך היא שנדירות של תרכובות תלויה בין היתר בנדירות של היסודות הבונים את התרכובת. אם יש לנו תרכובת שמכילה יסוד נדיר כלשהו, נניח 30 אחוז זהב, והיתר יסודות נפוצים יותר נניח ברזל - הגורם המגביל את כמות התרכבות הזו יהיה כמות הזהב שנוכל להשיג. ניתן להתייחס לדבר זה כאל ביטוי לחוק החבית של ליביג. לפיה הגורם המגביל ליצרית תרכובת מסויימת הוא היסוד המצוי בכמות הנמוכה ביותר.
נדירות היסודות בכלכלה נתונה תלוי במספר היבטים - היבטים הנוגעים לכלל היקום ולדרך שבה נוצרים היסודות השונים בליבות כוכבים, פיזור היסודות בכוכב הלכת בו שוכנת הכלכלה, קלות היציאה מכוכב לכת זה (במונחים של טכנולוגיה, אנרגיה), כמו גם הנגישות אל ריכוזים גבוהים של יסוד מסויים בקליפת הכוכב. בכלכלה עתידית, שבה אולי יהיו מושבות חלל וקל להגיע ליסודות שונים כמו זהב באסטרואידים, המגבלות של יסודות שונים על הכלכלה יהיו שונים בחלק מהמובנים (קלות השגה של יסודות) לעומת כלכלה ארצית המוגבלת לכדור הארץ בלבד. ייתכן לדוגמה שמחיר הזהב יצנח עקב קלות השגה שלו באסטרואידים.
בעתיד הרחוק, ככל שאוכלוסייה אנושית נפוצה יותר במרחב הכוכבי וגדלה האוכלוסייה מתגלות מגבלות חדשות על קלות השגה של יסודות חדשים עקב כך שפיזור היסודות ביקום מציית לחוקים של יצירת היסודות בכוכבי לכת. מימן והליום לעולם יהיו נפוצים יותר (לפחות במיליארדי השנים הקרובות) לעומת יסודות כבדים יותר. יסודות כבדים נוצרים בליבות שמשות יותר ויותר גדולות, עד ליצירת ברזל. מקורם של יסודות כבדים יותר הוא בתהליכים המתרחשים בסופר-נובות - לכן ברזל או פחמן הם הרבה יותר לעומת מתכות כבדות יותר כמו אורניום או עופרת. בעקרון ניתן לעקוף מגבלה זו על ידי היתוך גרעיני אולם דבר זה דורש השקעת אנרגיה גדולה.
בכלכלה ארצית, אם נניח שהשגת יסודות מחוץ לכדור הארץ היא מסובכת וקשה, קיימות כמה מגבלות על השגה ושימוש ביסודות. חלק מהמגבלות נוגעות לקושי להשיג יסודות כימיים בכמות ובאיכות הרצויה. - ריכוז היסודות בקליפת כדור הארץ (בעיקר זו הקרובה לפני השטח) ובביוספרה, - קיום ריכוז של יסודות או תרכובות בצורה מרוכזת. - הקושי לזקק יסודות מתוך תרכובות אחרות.
סוג נוסף מגבלות על שימוש ביסודות נוגע לקושי אנושי להיות בקרבת חלק מהיסודות (עקב רעילות או רדיואקטיביות), וכן בעיות של הגדלת הריכוז של יסודות שונים בביוספרה, באדמה, במים ובאוויר עקב מגבלות אקולוגיות בריאותיות או ביו-פיזיות. בעיות המכונות בדרך כלל זיהום. מגבלות של עודף יסודות או תרכובות בריכוז לא רצוי בסביבות שונות, קיימת גם אם מניחים כי קל להשיג יסודות מהכוכבים אחרים.
היבטים אלה נוגעים בעיקר לטווח הארוך של ייצור וצריכת מוצרים - על הכלכלה האנושית להשיג יסודות ובהמשך גם לדאוג לזרימת היסודות בתוך הכלכלה האנושית, כאשר דבר זה יכול להימצא בקונפליקט או לא עם זרימת היסודות בטבע.
זרימת חומרים במערכות אקולוגיות וכלכליות
יסודות ותרכובות מקיימים מחזורים מרובים במערכות הגאופיזיות, האקולוגיות והכלכליות שלנו. לרוב מתעלמים מהזרימות האלה בכלכלה, אלה אם הן יוצרות בעיות מיוחדות - לדוגמה התחממות עולמית, מחסור במים, מחסור במתכת נדירה או עודף של תרכובת מסויימת בתווך מסויים - זיהום.
אחת השאלות שניתן לשאול בכלכלה כימית היא - כיצד נראה מחזור הזרימה של יסוד כלשהו - נניח כלור או זרחן בתוך המערכת האקולוגית, ביופיזית ואנושית? מה הממשקים שבהם זרמי חומרים עוברים נניח ממוצרי תעשייה שונים אל הקרקע והמים, ומהם אל צמחים, מזון, בעלי חיים ובני האדם. האם יש ריכוזי מאגרים של זרחן שהולכים ומתכלים? מה קצב הכילוי? האם יש מזהמים אורגניים עמידים שהולכים ומצטברים בתוך המערכת האקולוגית?
דוגמאות לניתוח כזה ניתן לראות בצורה גסה לגבי מחזור הפחמן - מחזור הפחמן בטבע הוא אדיר - מילוני טונות של פחמן שזורמים אל ומתוך המערכת האקולוגית תוך עירוב תהליכים של פוטוסינתזה, נשימה, אכילת צמחים, טריפה, רקבון וקומפוסטציה, התפרצות הרי געש ועוד. במאות השנים האחרונות הלכו והתגברו השפעות האדם על מחזור הפחמן אל במערכת - הן על ידי כריתת יערות, התערבות במערכות אקולוגיות בדמות חקלאות ובהמשך על ידי שריפה גוברת של עצים ופחם. בעקבות המהפכה התעשייתית גדלה מאד פליטת הפחם של בני האדם אל האטמוספרה, ועודפי פחמן מתוך האטמוספרה זורמים אל האוקיינוסים. זאת בעקבות שריפה של מאות מיליונים של תהליכי רקבון של פחם נפט וגז שהיו במעמקי האדמה חזרה אל האטמוספרה תוך כ-150 שנה. דבר זה יצר מספר בעיות בולטות ביניהן זיהום אוויר (לדוגמה בפחמן חד חמצני), התחממות עולמית והחמצת אוקיינוסים.
ניתוח לגבי מחזור פלואור מעלה לדוגמה שהיסוד מגיע למקומות לא צפויים - לדוגמה חלק מתרכובות הכלור מצטברות בדמות תרכובות PFAS במערכות הטבעיות הן בגופים של בעלי חיים והן בקרב בני האדם. את חלקן פוגשים לדוגמה ככימיקלים בחלב אם. עוד קודם לכן, תרכובות של כלור ופלואור קיימו אינטראקציה עם החלק העליון של האטמוספרה - גרמו לתהליכי שרשרת של פירוק תרכובות אוזון ובכך לדלדול שכבת האוזון.
הניתוח הכלכלי הקלאסי שם את הדגש על ניתוח נקודתי של פעולות האדם - נניח כיצד עובד מפעל תאורטי כלשהי. לאחר ניתוח כזה, עוברים לניתוח מאקרו כלכלה תאורטי של צרוף מיליוני מפעלים שונים לבחינה של זרימת דברים כמו כסף, הון ועבודה בתוך המערכת הכלכלית. ניתוח כזה מוביל כלכלנים במהירות להרגלי חשיבה לפיהם הטבע הוא בגדר משאבי טבע פאסיביים שאין להם דינמיקה משל עצמם. לא כזרימה של חומרים בתוך מערכות טבעיות מחזור ביוגאוכימי ולא זרימה של החומרים אל המערכות האקולוגיות מתוך המערכת הכלכלית (לדוגמה זיהום) או השפעות על בריאות הציבור על חקלאות או על האקלים בגלל השפעות של שינויים בריכוזים של חומרים בתוך מערכות אלה. זו דרך שבה "הפתעות" מסיגים שונים מגיעות אל המערכת הכלכלית פוליטית וחברתית שלנו, וגם דרך לשמירת הכלכלנים בורים ביחס למגמות ארוכות טווח בתחומים של אקולוגיה, וקיימות.
כדי לשמור על ריכוזים מתאימים של כלור פלואור או של פחמן במערכות שונות, מניעת הצטברות של פחמן דו חמצני באטמוספרה לדוגמה או מניעת כניסת תרכובות פלואור מסוכנות לתוך הגוף האנושי - נדרשים מספר שינויים. שינוי ראשון הוא מודעות ומעקב אחר זרימת החומרים, שינוי התרכובות ותהליכים שמתרחשים כדי שניתן יהיה לגלות דברים כמו דלדול שכבת האוזון או שינוי אקלים בשלב מוקדם ולא לאחר התפשטות הבעיה. היבט נוסף הוא ששמירה על ריכוזים מתאימים - נניח הבטחת זרימה של יסודות לתוך תעשיות שנדרשות להן, בצד מניעת כניסה של יסודות למקומות שבני האדם לא רוצים שיכסנו אליהם -דורשת השקעת אנרגיה, זמן, הון וכסף כדי להימנע מהשפעות שונות ומשונות. ומובן שכספים אלה עלולים לגדול אם מזניחים בעיות שונות בגלל בורות וחוסר התייחסות. כמו כן הדבר מערב ניתוח של מוצרים ציבוריים והשפעות חיצוניות שכן יצירת זיהום כתוצר לוואי היא דבר רווחי לבעל המפעל או למשתמשים בטכנולוגיה מסויימת אבל שיבוש מחזורים ביוגאוכימיים או השפעות על בריאות הציבור או על החקלאות הן השפעות המשפיעות על אוכלוסיה רחבה ומפוזרת.
חוק שימור חומר-אנרגיה בכלכלה האנושית
כלכלנים נוטים לא להתייחס לחוקי התרמודינמיקה, וכלכלנים אקולוגיים הצביעו על הצורך לכלול התייחסות אליהם - הן בהקשר של ניתוח מאקרו כלכלי וסוגיות ארוכות טווח- מודל זרמים ומאגרים. התייחסות אחרת היא להסתכל על היבטים אלה ביחס למפעל בהקשר של מיקרו כלכלה.
חוק שימור חומר-אנרגיה פירושו שבתקופה נתונה כמות החומר-אנרגיה שנכנסת למפעל מסויים תהיה זהה לכמות החומר-אנרגיה שיוצאת מהמפעל בתוספת כמות החומר-אנרגיה, מתוך הנחה שכמות המלאים שיש במפעל לא משתנה באופן מהותי לניתוח. היות וברוב המפעלים אין המרה של חומר-לאנרגיה ואין גם המרה של יסודות שונים זה לזה, ניתן לגזור מטריצת יסודות שונים שנכנסים ויוצאים מהמפעל - כמות אטומי הכלור, פחמן, ברזל ושאר היסודות שנכנסים אל תוך המפעל בחודש מסויים יהיו זהים לכמות האטומים שיוצאים ממנו. התשומות שנכנסות למפעל הן זרם של תרכובות ושל אנרגיה, בדמות חומרי גלם או מוצרי- ביניים וכן אנרגיה לתפעול המפעל, הזרמים היוצאים מהמפעל מורכבים ממוצרים שיוצאים ממנו, זרמי פסולת וזרם של אנרגיית חום-שיורית.
תיאור זה שונה למדי מתיאור נאו-קלאסי של מפעלים שבו ממהרים להתמקד בשאלות של תפוקה שולית פוחתת. ניתוח כזה מנסה לתאר את התרומה ואת התגמול הכספי הניתנים ל"הון" (כלומר מכונות, שמתרגם מהר לתגמול ללקיחת הלוואות - ריבית) ולעבודה. לפי משוואת קוב-דאגלאס - יש רק שני גורמי ייצור - עובדים ומכונות. דבר המתעלם לגמרי מהצורך בחומרי גלם ואנרגיה, כמו גם בצורך באפיקים של שיווק התוצרת והיפטרות בטוחה מפסולת או חומרי לוואי של המפעל.
הניתוח של שימור חומר אנרגיה, מעלה בראש משוואה כימית או תהליך זרימה. בתהליך כזה תמיד יהיה לנו לפחות משתנה אחד שהוא בעודף - הוא "מובטל" מעבודה ומחכה לגורמים האחרים שהם "צוואר בקבוק" עבור תהליך הייצור. לדוגמה אם אנחנו בתגובה של ייצור מים מ-מימן וחמצן, בדרך כלל אחד מן המגיבים יהיה בעודף, או במילים אחרות - אחד מהגורמים יהיה הגורם המגביל. אם נניח שאנו במאדים ורוצים לייצר מים, יש לנו כמות גדולה של מימן אבל מחסור בחמצן אזי חמצן יהיה הגורם המגביל. היבט זה מביא שוב את "חוק החבית" של לייביג. אם יש לנו 3 יסודות, סביר שלפחות אחד מהם יהיה הגורם המגביל ואילו שני האחרים יהיו בעודף.
צורת מחשבה זו מראה שבתהליך זרימה המשוואה תהיה מסוג "min-max" ולא משוואה מסוג כפל מרכיבים כמו שהיא בקוב-דאגלס, דבר זה מראה גם על צורות שונות של מפעלים או תהליכי זרימה: מפעלים המוגבלים בגלל זרם אנרגיה, כאלה המוגבלים על ידי גישה לחומרי-גלם, מפעלים או חנויות המוגבלים בגלל זרם של קונים, מגבלות בגלל גישה להון או מכונות או בגלל מחסור בעובדים. בדרך כלל מפעלים או פירמות ישמרו את שאר הגורמים בעודף, בניסיון להקל על הגורם המגביל, כך שאם "צוואר הבקבוק" ישתחרר, לא יהיה צוואר בקבוק בגלל גורם מגביל אחר.
לדוגמה בשדות חקלאיים, בציד, בדייג ובמכרות גורם מקביל הוא גישה לחומרי-גלם או למשאבים טבעיים. אם אין דגי מקרל בים או אם אין לווייתנים - אי אפשר לצוד אותם לא משנה כמה סירות דיג, מכמורות ועובדים יש לכם. אם מצד שני יש עודף גדול של דגי מקרל- תוכלו לתפוס יותר דגים ביום אם יהיו לכם יותר סירות דייג ויותר דייגים. בכלכלה קלאסית המצב היה של "עולם מלא" במשאבי טבע מתכלים ומתחדשים - המון דגי מקרל ומעט אנשים וסירות דיג. בכלכלה אקולוגית מצביעים על מצבים שבהם דבר זה משתנה - לדוגמה מחסור בחלק מהדגים בים בגלל דייג יתר.
אם יש לכם פרדס שבו יש 20 טונות תפוזים, המשימה שלכם היא להגיע לאותם 20 טונות תפוזים לא משנה כמה עובדים וסולמות יהיו לכם (עבודה והון תעשייתי) לא תוכלו לקטוף יותר תפוזים ממה שמגדלים העצים. מצד שני השאלה מי מחכה למי -מי הגורם המגביל לקצב העבודה היא שבמקרה כזה התפוזים הם הגורם שנמצא בעודף - הם יחכו על העצים עד שיגיעו אליהם העובדים ויקטפו אותם.
במכרה - תוכלו להגיע לעורקים שבהם עופרות שבהן ריכוז גבוה של המתכת או המינרל שתרצו לכרות. ניתן להגדיל את קצב הכרייה או קצב הקטיף לפי מספר מכונות, טכנולוגיה מתקדמת יותר או יותר עובדים, אבל הדבר מתייקר ומסתבך במהירות. בטכנולוגיה נתונה של כרייה, יהיו עובדים ומכונות מובטלים מעבודה בגלל שיבושים שונים בתהליך - מעלית שלא עובדת, מכונת כריה שהתקלקלה, בעיות באיוורור, או סכנת קריסה של מנהרה. אם אין עובדים או מכונות מובטלים מעבודה, הרי שהגורם שנמצא מובטל מעבודה או בעודף הוא עורקים שעדיין לא נכרו ו"מחכים" לעובדים שיגיעו אליהם.
בחנות, הגורם המגביל בדרך כלל הוא גישה אל לקוחות חדשים. קל יחסית לשכור עובדים חדשים, אבל יש מגבלה של קונים שנכנסים לחנות, פירמות רבות מנסות להתמודד עם דבר זה על ידי פרסום ושיווק - משיכה של עוד קונים אל החנות. קצב המכירות של המוצרים תלוי בקצב כניסת הקונים לחנות. אם יכנסו 100 קונים לחנות או 20 הדבר ישפיע מאד על כמות המכירות. הגורמים המרכזיים שעומדים עם "עודף כושר ייצור" לא מנוצל הם ההון התעשייתי (החנות, העיצוב המושך שלה) וכן אנשי המכירות. אם יכנסו 20 לקוחות בלבד הם יחכו ללא מעש במשך זמן רב יותר.
בבית חולים הגורם המגביל יכול להיות זרם החולים הנכנס, אבל בדרך כלל זרם זה יהיה בעודף - הגורם המגביל ברוב המקרים יהיה הרופאים שהכשרתם יקרה מאד ולפעמים גם ציוד רפואי יקר כמו מכונות MRI. במקרים כאלה מי שנכנס למשטר של "סרט נע" הוא החולים עצמם שמחכים בתור לראות רופא.
במפעלים מורכבים כמו מפעלים מודרניים לייצור מכוניות או בתי חולים אין גורם מגביל אחד, ואין זרם אחד של זרימה בתוך המפעל, אלא מספר רב ככל האפשר של תהליכי זרימה שונים וכן צווארי בקבוק שונים בתהליכי זרימה אלה. חלק מהחולים בבית החולים יחכו בתור לרופא מומחה לעיניים וחולים אחרים יחכו בתור ל-MRI, לעומת זאת ייתכן ובאותו יום אין חולים עם בעיות בכבד כך שמומחה לבעיות כבד ישב ללא מעש ויחכה לחולים.