Текст книги "Знание - сила, 2003 № 09 (915)"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 14 страниц)

Знание – сила, 2003 № 09 (915)

Ежемесячный научно-популярный и научно-художественный журнал

Издается с 1926 года

«ЗНАНИЕ – СИЛА» ЖУРНАЛ. КОТОРЫЙ УМНЫЕ ЛЮДИ ЧИТАЮТ УЖЕ 77 ЛЕТ!

Заметки обозревателя

Александр Волков

Гончарных дел завтра

Эпоха мчится за эпохой, век сменяет век, и в доме своем, не отрываясь от стола, можно стать археологом – отправиться к памятным вершинам человеческого прошлого. Вот простая бутылочка с минеральной водой, неприметная тара – несколько десятков Граммов пластика, и, лишь взглянув на нее, я переношусь в двадцатое столетие, в пору грандиозного переворота, когда из научных лабораторий стали появляться один за другим невиданные материалы: пластмассы. Это время уже сравнивают с другими переворотами в материальной культуре – освоением бронзы и железа.

Фиолетовый узор на рукаве рубашки внезапно напоминает о «химической революции» 1850 – 1860 годов, эпохе появления искусственных красителей. Тогда один за другим ученые синтезировали все новые красители; мовеин, фуксин, анилиновый розовый, анилиновый желтый, метиленовый голубой...

Если двигаться вдоль узора, то не пройдет и пары секунд, как перенесешься в далекое китайское прошлое. Увидишь бумажный лист, а он, как ковер-самолет, перемчит через половину мира, с запада на восток. Испанцы переняли бумагу у арабов, арабы у китайцев. Древесная кора, тростник, бамбук, старые рыболовные сети, отходы шелкового производства... Когда б вы знали, из какого сора мастерили материал для записи стихов Ли Бо и Ван Вэя! А вот и стихи нетленны, и бумага все так же почти две тысячи лет лежит на столе.

«Как этот мир велик в лучах настольной лампы!» (LU. Бодлер) Можно, даже не глядя в сторону, махнуть еще на две тысячи лет назад – во времена Хеттской державы, в век железа. Что там у меня металлического на столе лежит? Неловкое движение – и на пол слетает непримеченная чашка. Неужели она разбилась? Вот памятник из памятников, реликт из реликтов – простая керамическая чашка. Архиархаика, каменный век на вашем столе! И тут я переношусь в такую «седую древность», что она... смыкается с самой передовой современностью.

Давно прошли те времена, когда керамика годилась только на чашки для застольных бесед или облицовочную плитку для скрашивания кухонных хлопот. Современные технологии способны превратить ту же керамическую плитку – «камень в руке» – в подобие гуттаперчи, которой – прочной и гибкой! – всюду найдется место. Области ее применения, предрекают специалисты, перечислить нетрудно, называй все подряд отрасли промышленности – пригодится везде. Авиация, автомобилестроение, железнодорожный транспорт, компьютерные технологии, космонавтика, машиностроение, медицина, производство бытовых товаров, экология, электротехника... Парадокс, но керамика – самый древний материал, созданный человеком, – оказалась еще и очень современным материалом. Не все торжествовать пластмассе!

История керамики начинается более 20 тысяч лет назад, когда люди случайно открыли, что из мокрой глины можно вылепливать любые предметы, а после обжига на огне эти поделки становятся твердыми, как камень. Отныне керамические сосуды и фигурки людей и животных – последние использовались в религиозных культах – становятся неизменными спутниками человека.

Было время, и наши предки мастерили кувшины из меха животных, выдалбливали посуду из дерева или высушенных тыкв; теперь на смену подобной утвари пришли глиняные горшки и миски. В них гораздо легче было хранить пищу и особенно воду. Обзаведясь новехонькой посудой, люди начали создавать запасы продуктов и торговать ими и, конечно, керамикой. Последняя становилась все прочнее; в нее добавляли кварц и полевой шпат, ее обжигали при более высокой температуре. Наконец, был изобретен гончарный круг.

Техника изготовления керамики в Европе почти не менялась на протяжении тысячелетий. Тем удивительнее было видеть в багаже средневековых купцов или путешественников, возвращавшихся из Китая, тончайшие белые чашечки, часто еще и затейливо украшенные. Так европейцы узнали о фарфоре – керамике королей и императоров. Выведать секрет его изготовления никому не удавалось, пока случайность не помогла.

Триста лет назад алхимик Иоганн Фридрих Беттгер по поручению саксонского курфюрста Августа Сильного попытался изготовить золото и после множества неудачных попыток получил... «белое золото» – фарфор. Его секрет оказался в более высокой температуре обжига, ином соотношении полевого шпата и кварца и добавлении каолина – минерала, который встречается, например, в районе саксонского города Мейсен.

Лишь в наше время с помощью электронного микроскопа удалось увидеть, что происходит при обжиге фарфора. Кварц и полевой шпат превращаются в стекловидное вешество. Оно связует фарфор, и в то же время тот становится полупрозрачным. При высокой температуре меняется и каолин: в нем образуются игольчатые кристаллы, придающие фарфору прочность.

В XIX веке начинается техническое применение керамики. Так, без фарфоровых изоляторов немыслима была электрификация. Со временем из керамики стали изготавливать свечи зажигания и кислотостойкие насосы, элементы для микропроцессоров и шарики для подшипников.

Не только назначение керамики стало иным, но и ее состав. Теперь слово «керамика» – это собирательное понятие, охватывающее неметаллические неорганические материалы, полученные спеканием при высоких температурах. Свойства керамики варьируются самым широким образом, что открывает перед ней неожиданные возможности применения.

Вот один из примеров: раньше в фаворе у авиастроителей был алюминий – металл очень легкий и гибкий. Теперь керамика может потеснить даже его. Если подмешать в расплав магния полые керамические шарики, то при застывании они встраиваются в его структуру. Возникает прочный и дешевый композиционный материал, имеющий целлюлярную структуру. Во многих отношениях он напоминает дерево и кость – легкие натуральные материалы, способные выдержать очень большую нагрузку. Именно такую керамику было бы идеально использовать для обшивки авиалайнеров следующего поколения. Это заметно уменьшит вес самолета, а значит, снизит расход топлива.

Дерево, кость – природа... Учиться у нее и учиться! В правоте этих слов исследователи убедились лишний раз, пытаясь повысить прочность керамики. Взяв за образец структуру алмаза, они создали так называемую высокопрочную керамику – материал, наделенный самыми выгодными свойствами. Он тверд, как алмаз, не подвержен износу и коррозии, выдерживает высокие температуры и вдобавок очень легок. Его можно использовать в авиастроении и машиностроении, в энергетике, теплотехнике и медицине.

Впрочем, у подобной керамики выявился тот же недостаток, что у обычной, например, у чашки, слетевшей с моего стола, – хрупкость. По мере повышения механической нагрузки керамика не деформируется, как металл или пластмасса, а ломается, как дерево. Однако и с этой проблемой начали понемногу справляться. Так, японские исследователи изготовили оксидную керамику, состоящую из циркониевого, алюминиевого и магниево-алюминиевого оксидов, взятых в равном количестве. Получился материал с поликристаллической структурой, где размер отдельных кристаллов достигал всего 0,0002 миллиметра. После нагревания до 1650 градусов материал начал вести себя необычно: он растягивался, как резина, но не ломался. Теперь длина стержня, изготовленного из этой керамики, могла увеличиться под действием нагрузки раз в десять.

В различных странах мира ведутся эксперименты в этом направлении. Так, керамика на основе титаната стронция оказалась такой же пластичной, как алюминий. Отлично зарекомендовала себя керамика на основе жидкого кремния. Ее можно использовать при строительстве турбин для авиационных двигателей или электростанций. Обычно их изготавливают из металлических сплавов, чья рабочая температура не превышает тысячи градусов. Если бы удалось повысить ее, возросла бы и мощность двигателя. Однако пока эксперименты проводились лишь с металлическими турбинами, все попытки превысить этот температурный предел терпели неудачи. Возможно, что проблему решит высокопрочная керамика. Опыты показали, что она может выдерживать температуру до полутора тысяч градусов.

Женщина в молитвенной позе (майя 450-650 гг.)

Индские печати (культура Мсхенджо-Даро)

Расписной кувшин из Феста (Крит)

Керамика меняет облик автомобиля. Так, инженер Роланд Мартин из фирмы «Порше» изготовил из нее автомобильные тормоза. Чтобы обезопасить их от искрашивания, он спекал керамику с углеродным волокном при температуре 1700 градусов. Для чего все эти хлопоты? Вот что говорит изобретатель: «У керамики выше коэффициент трения; она легче; она не ржавеет и к тому же, сколько ни тормози, материал почти не устает». Перехоля на язык цифр, скажем, что керамический тормоз рассчитан на 300 тысяч километров пробега, то есть на весь срок службы автомобиля. Сейчас подобными тормозами будут оборудованы две новые модели «Порше». Правда, эта керамическая «безделица» и стоит дорого – около 8 тысяч евро.

Антропоморфный сосуд (майя, 800-100 гг. до н. з.)

Сосуд в форме рыбы (Киргизия, XI-ХII вв.)

Колоколовидный кубок из Вест-Кеннета (Британия, неолит)

В XVIII веке фарфор научились изготавливать в Европе

Пример оказался заразителен. Новый спортивный автомобиль фирмы «Даймлер – Крайслер» тоже оборудован углеродокерамическими тормозами. Здесь иены несколько ниже. Можно полагать, что конкуренция между различными фирмами приведет к тому, что скоро на рынке появится вполне доступная по цене машина, оснащенная керамическими тормозами.

А если пофантазировать еще? Почему бы не оборудовать машину керамическим двигателем? Недавно одна немецкая фирма продемонстрировала миниатюрный двигатель, работа которого основана на пьезоэффекте. Этот феномен давно известен науке. Речь в данном случае идет о способности керамических материалов деформироваться под действием электрического напряжения. Подобные деформации можно использовать. Указанный двигатель был устроен так, что при подаче электрического тока он начинал вибрировать, и эти вибрации приводили в движение колесо модели.

Пьезодвигатель, мечтают энтузиасты, со временем мог бы потеснить обычный двигатель. Он занимает гораздо меньше места, оснащен самой простой электроникой, работает бесшумно, да еще и с невиданной прежде точностью. Эксперт немецкого журнала «Р. М.» полагает, что в перспективе подобный двигатель будет стоить не более пяти (!) евро, а значит, ему найдется применение в самых разных машинах: в автомобилях и кондиционерах, сканерах и экскаваторах, компьютерах и детских игрушках.

Эффект от использования пьезокерамики может быть и противоположным. Так, она способна не только порождать вибрации, но и вовремя гасить их. Пьезокерамические панели в салоне автомобиля будут навевать на пассажиров, мчашихся вдаль, ощущение полной неподвижности.

Физические возможности многих традиционных материалов исчерпаны, в то время как перед керамикой открываются все новые области применения.

Очень широко она используется сейчас в медицине. Вот некоторые примеры.

Искусственные протезы тазобедренного сустава, созданные из керамики па основе оксида алюминия, позволят пациентам не то что ходить, а даже безболезненно бегать.

На концевые части протеза можно наслаивать специальную костеобразную керамику, и тогда кости начнут сращиваться с протезом. Ткань тела крепко соединится с материалом имплантата.

Специальная керамика, смешанная со стволовыми клетками, извлеченными из костного мозга пациента, может служить материалом для искусственной кости.

Зубные протезы из металлокерамики знакомы многим из нас. На смену им постепенно придут протезы из одной лишь керамики (подобные уже появились). Они прочны и эстетичны.

Разумеется, и военные не останутся в стороне от этого материала. Защитные жилеты для спецназа, обшивка танков и пуленепробиваемые кабины вертолетов – вот куда будет призвана керамика нового поколения.

Из нее можно изготавливать даже одежду. Подобное «искусство кройки и шитья» выглядит весьма необычно. Сперва синтетическое волокно покрывают тончайшим слоем керамики. При обжиге до 1200°С искусственные волокна выгорают, и остается легкая керамическая ткань.

Одна из новых технологий применения керамики представляет собой «хорошо забытое старое». Пять тысяч лет назад шумеры начали процарапывать свои угловатые значки на сырых глиняных табличках. Теперь и у нас появится нечто подобное – керамическая «бумага». Речь идет о сегнетоэлектрической керамике, из которой можно изготавливать смарт-карты. На этих картах – размером не больше кредитной карточки – уместятся персональное удостоверение, водительские права, банковский счет и медицинская страховка. Сведения на керамической карте, по заверениям ее создателей, можно переписывать бессчетное число раз; информацию, содержащуюся в ней, нельзя будет размагнитить; к ней не сумеет получить доступ посторонний.

Отмечу попутно, что традиция издания книг на глине, то бишь керамике (от греческого «keramos» – глина), как ни покажется это странным, не вполне утрачена по сей день. Так, российское издательство «Редкая книга» выпустило недавно серию сувенирных керамических книг. Каждая из них имеет форму человеческого торса и содержит один из шумерских гимнов.

Таким образом, этот древнейший искусственный материал, созданный человеком, по-прежнему востребован нами и даже готов играть ту же роль, что на заре цивилизации, – хранить знания и передавать их другим.

Что там? Чашка разбилась? Пустяки. Зато быть керамике вечной!

Адрес в Интернете: ww.keramverband.de/

Новости Науки

Ал Бухбиндер

Человечество и его зловещий «экослед»

В. Любаров, «Яйца курицу не учат»

Растем вниз?

Демографический отчет ООН констатирует неожиданную тенденцию: население земного шара обнаруживает склонность к уменьшению.

Всего лишь поколение назад демографы предсказывали, что человечеству угрожает перенаселение со всеми трагическими последствиями этого факта. Всего лишь поколение назад они с мечтательной тоской говорили о заветной цифре «два и одна десятая ребенка на семью», которая позволила бы численности людей на земном шаре стабилизоваться хотя бы в отдаленном будущем. Теперь упомянутый отчет показывает, что число детей на семью в развитых странах уже упало ниже заветной цифры, а в слаборазвитых – быстро приближается к ней. Если полвека назад это число составляло в слаборазвитых странах шесть детей на женщину, то сегодня оно уже упало до трех и продолжает снижаться. В обоих случаях главными причинами являются постепенное повышение уровня жизни и эмансипация женщин.

Есть, однако, и другая причина снижения прироста в слаборазвитых странах, и причина этого – СПИД. По оценкам специалистов ООН, в 53 странах, по которым особенно чувствительно ударила эпидемия этой болезни, число жителей к 2050 году будет на полмиллиарда (!) меньше, чем по прежним оценкам. Другая малоприятная сторона обнаружившейся демографической тенденции касается развитых стран. В результате дальнейшего снижения рождаемости им угрожает превращение в гигантский дом престарелых. К примеру, средний возраст жителей Японии и Италии к середине века составит 50 лет. Это старение населения ляжет тяжелым грузом на плечи трудоспособных граждан. Хотя их будет все меньше, им придется содержать все большее количество стариков, платя за их пенсии и медицинскую помощь.

В отчете есть несколько весьма любопытных нетривиальных цифр. Например, население Европы к 2050 году должно снизиться с нынешних 728 миллионов до 632. Напротив, в Соединенных Штатах, где в силу разных культурных и политических причин идет усиленная борьба с абортами, а также пропаганда семейных и религиозных ценностей, в том числе повышенной рождаемости, и где действуют сравнительно либеральные иммиграционные законы, население вырастет с нынешних 285 миллионов до 409. Значительно возрастет также население Индии, Пакистана, Нигерии, Китая, Бангладеш, Эфиопии и Конго. Эти восемь стран, вместе взятые, обеспечат половину всего прироста населения земного шара к 2050 году. Однако абсолютную цифру этого населения эксперты ООН вынуждены были теперь снизить с 9,3 миллиарда человек до 8,9 миллиарда (сегодня она составляет 6,3 миллиарда).

Эти последние цифры дают понять, что даже наметившееся снижение рождаемости не меняет того факта, что в ближайшие десятилетия численность человечества в абсолютных цифрах будет расти, особенно в слаборазвитых странах, и это потребует все больших экологических и пищевых ресурсов. Поэтому помощь слаборазвитым странам остается первостепенной задачей всего мира. С другой стороны, этот факт означает, что будет неизбежно расти и миграция населения из слаборазвитых стран в промышленно развитые, из Африки и Азии в Европу и США, тем более что старение тамошнего населения будет требовать все новых и новых рабочих рук. Не исключено, что под давлением этой реальности западные страны вынуждены будут пересмотреть наметившуюся в них ныне тенденцию к ужесточению законов об иммиграции. А это может привести к дальнейшему росту «чуждого» населения, которое уже и сегодня составляет около 10 процентов жителей Европы.

Так или этак, демография мира в 2050 году будет выглядеть радикально иначе.

Тем не менее абсолютный рост численности человечества заставляет нас обратиться к важнейшему вопросу —

Сколько человеку земли нужно?

В экологической науке существует концепция «экологической емкости региона». Согласно ей, число особей любого данного вида ограничено территорией, на которой этот вид проживает. К сожалению, мы, люди, давно уже не осознаем себя биологическим видом. Мы не склонны задумываться, хватит ли нам, попросту говоря, земли и воды, чтобы выжить. Правда, этот бездумный оптимизм изредка нарушается тревожными напоминаниями, например, о приближающейся нехватке пресной воды в том или ином регионе. Но мы тут же говорим себе, что наука и технология как-нибудь решат эту проблему, как они решали все предыдущие, и снова впадаем в утешительную спячку. Многие экономисты полагают, что глобализация с ее всемирным обменом, а также непрерывный рост продуктивности технологических процессов, основанный на новых достижениях науки и технологии, отменяют понятие экологической емкости применительно к человечеству. Но есть и другие ученые, которые утверждают, что дело обстоит совершенно иначе.

В недавней статье «Клочок земли», опубликованной в журнале «Nature», канадский эколог Уильям Рииз указывает, что сфера человеческой жизни во многом напоминает экосферу нашего существования, то есть окружающую нас экологическую среду. И та, и другая являются самоорганизующимися и «диссипативными» системами, далекими от термодинамического равновесия со своим окружением. Неравновесность в данном случае означает, что обе эти системы растут и сохраняют свой внутренний порядок благодаря «импорту» необходимой энергии извне, из своего окружения, и выбрасыванию (диссипации) отходов своей жизнедеятельности в это же окружение. Но в то время как экосфера черпает свою энергию из космоса (от Солнца), система, именуемая «человечеством», черпает свою энергию роста из экосферы и свои отходы выбрасывает в нее. В этом отношении человечество нисколько не отличается от всех прочих биологических видов и ничуть, вопреки всему своему самомнению, не преодолело зависимости от природы. Напротив, человечество является сегодня самым крупным «экопотребителем» из всех, существующих на Земле. Оно быстро осваивает все новые и новые земельные и водные ресурсы экосферы.

Понятно, что эти ресурсы небеспредельны. Теория «экологической емкости», развиваемая Уильямом Риизом, убедительно иллюстрирует это очевидное утверждение. Эта теория задается чисто «толстовским» вопросом: какое количество земли нужно одному человеку, чтобы обеспечить его жизненные потребности и впитать отходы его жизнедеятельности и при этом успевать самовосстанавливать свои ресурсы? Необходимо учесть также все факторы, которые позволят экосфере восстанавливать свои ресурсы, ведь в противном случае ее «емкость» будет непрерывно уменьшаться. Исходя из данных опубликованного в минувшем году Всемирным фондом природы «Отчета о живой планете», Рииз подсчитал эту плошадь (он называет ее «экослед») для различных стран земного шара. Результаты оказались весьма любопытными. Оказывается, население развитых стран живет на такую широкую ногу, то есть потребляет и выбрасывает в окружающую среду такие количества, что здесь «экологическая емкость», необходимая одному человеку с учетом регенерации экосферы, составляет в пересчете на площадь от 5 до 10 гектаров в зависимости от конкретной страны. В то же время в неразвитых странах площадь «экоследа» куда скромнее – она составляет всего 0,5 гектара.

А сколько же всего «экологической емкости» имеет в своем распоряжении человечество в целом? Согласно расчетам Рииза, эта «емкость» такова, что сегодня на душу населения приходится 1,9 гектара. Если бы люди потребляли и загрязняли экосферу в таком объеме, который не превышал бы эху площадь, экосфера Земли успевала бы восстанавливать свои ресурсы и обеспечивать ими все нынешнее человечество. В действительности же, согласно тем же расчетам, потребление и загрязнение уже сегодня таковы, что для восстановления ресурсов нужно в среднем по 2,3 гектара на душу. Понятно, что виновниками такого положения являются жители развитых стран.

Но что же означает тот факт, что в целом человечество потребляет больше «экологической емкости», чем ее есть на самом деле? Ответ: экосфера как целое попросту не успевает восстанавливаться до прежнего уровня. И с каждым годом по мере роста потребления во всех странах и роста населения в целом доступная людям для безопасного использования экосфера сокращается. Мы «съедаем» то, что должны оставлять в экосфере для своих потомков. Так что сегодня нет нужды спрашивать вслед за классиком, сколько человеку земли нужно. Ответ известен: больше, чем позволяет ему природа. Иллюстрацией этого является хотя бы проблема пресной воды: за истекшие 20 лет ее запасы уменьшились в мире на треть и в следующие 20 лет должны уменьшиться еще на столько же. Люди научились опреснять соленую воду, но опять же за счет выброса отходов этого опреснения в экосферу.

Все это, заключает профессор Рииз, ставит перед наукой и технологией XXI века насущную проблему путей восстановления и увеличения жизненно необходимых ресурсов экосферы и притом более быстрыми темпами, чем растет человечество. История знает случаи, когда быстрый рост населения приводил к исчерпанию главных экоресурсов того или иного региона. Результатом всегда был кризис и обвал целых культур. Если же нечто такое произойдет сейчас, человечество окажется перед угрозой экологического кризиса небывалого, всепланетного масштаба. Он может начаться, например, с войн за воду или нефть, но чем он кончится, не может предсказать никто.

Репортаж номера

Анатолий Цирульников