Текст книги "Изобретения Дедала"

Автор книги: Дэвид Джоунс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 22 страниц)

Гидрокостюм

Дедал увлекается подводным плаванием, но считает, что существующее снаряжение оставляет желать лучшего. Он предлагает противопоставить основным врагам подводника – холоду и отсутствию воздуха для дыхания – свое новое изобретение: гидрокостюм. Эту идею подсказали ему современные водоотталкивающие ткани, которые не смачиваются водой, но пропускают воздух. По расчетам Дедала, водоотталкивающая ткань с порами диаметром примерно в микрон останется водонепроницаемой даже при гидростатическом давлении в 1 атм. Поэтому он предлагает изготовить для гидрокостюма многослойную ткань из силиконовых волокон диаметром в 1 мкм. Такая ткань по внешнему виду и теплоизоляционным свойствам напоминает шерстяную, однако полностью непроницаема для воды (хотя пропускает воздух и водяной пар).

Костюм из такой ткани защищает тело подводника, а на голову надевается прозрачный круглый шлем, герметично соединенный с гидрокостюмом. Воздух поступает в шлем через множество тонких трубочек, соединяющих его с пористой поверхностью гидрокостюма. Как известно, тонкая пленка из силиконовой резины достаточно проницаема для газов и потому может служить «жабрами», впитывающими растворенный в воде кислород и выпускающими в воду углекислый газ. Дедал утверждает, что свободная поверхность воды в микроскопических порах ткани должна еще лучше пропускать эти газы, так что весь гидрокостюм за счет искривления поверхности жидкости в несмачиваемых порах (площадь поверхности жидкости в нем в несколько раз превышает площадь поверхности ткани) будет служить одной огромной «жаброй». Как лягушка, подводник будет дышать поверхностью всего тела; он будет чувствовать себя одинаково свободно в воде и на суше и сможет погружаться на глубину до 10 м, прежде чем водоотталкивающая ткань под действием гидростатического давления начнет пропитываться водой. Но даже и в этом случае миниатюрный баллон с кислородом, создающий избыточное давление в небольшом свободном объеме внутри гидрокостюма, позволит скомпенсировать действие внешнего давления воды и даст возможность погружаться на более значительную глубину. Впрочем, как и для других обитателей морских глубин, для подводника большую опасность будет представлять загрязнение воды поверхностно-активными веществами, которые ослабляют поверхностное натяжение воды. Вода станет проникать в поры гидрокостюма, и мокрый, продрогший подводник, хватая ртом воздух, постарается быстрее выскочить на поверхность.

New Scientist, November 25, 1976

Из записной книжки Дедала

Какой диаметр должны иметь поры, чтобы ткань не пропускала воду при избыточном давлении в 1 атм (Δр = 10⁵ Н/м²)? Величина поверхностного натяжения воды при 10° C равна у = 0,074 Н/м; таким образом, радиус отверстия в абсолютно несмачиваемой поверхности составляет r = 2y/Δр = 2 × 0,074/105 = 1,5 × 10⁶ м, т. е. диаметр равен 3 мкм. Ткань будет иметь примерно такие поры, если делать ее из волокна, имеющего 1 мкм в диаметре. Однако, вероятно, проще получить микропористую силиконовую пленку.

Какова должна быть площадь поверхности? Площадь поверхности наших легких составляет примерно 30 м². Вообще, легкие представляют собой просто влажную поверхность: кислород растворяется в воде, смачивающей эту поверхность, и диффундирует в кровь. (Когда наши далекие предки вышли из моря на сушу, они захватили с собой некоторое количество воды для дыхания. Мы по-прежнему получаем кислород из воды – просто эту воду мы носим в себе. Занятно!) Можно предположить, что для получения достаточного количества кислорода из воды нам понадобятся те же 30 м² смоченной поверхности. Заметим, однако, что температура легких равна 37° C; объемная растворимость кислорода в воде при этой температуре составляет всего 0,024, тогда как при 10° C она равна 0,038. Поэтому при более низкой температуре, когда концентрация кислорода в воде выше, можно обойтись меньшей дыхательной поверхностью: А = 30 × 0,024/0,038 = 19 м². Далее, кислород лучше растворяется в воде, чем азот, поэтому растворенный в воде воздух уже обогащен кислородом. Известный способ обогащения воздуха кислородом путем аэрации воды позволяет довести концентрацию кислорода до 35 % (в воздухе его содержание составляет 21 %). Поэтому поверхность может быть еще меньше: А = 19 × 21/35 = 11 м². Наконец, поскольку поверхность воды в порах имеет мениск, эффективная площадь поверхности практически удвоится, так что в конечном счете площадь поверхности гидрокостюма не должна превышать А = 5,5 м². На пошив обычного костюма идет, как правило, 2–2,5 м² ткани, – ясно, что не так уж трудно увеличить эту цифру вдвое за счет складок, сборок и рюшек.

Тепловой планер

Современная авиация находится в опасной зависимости от топливных ресурсов, но запасы природного топлива, как мы вынуждены признать, неумолимо истощаются. Даже возвращение к дирижаблям не устранит этой зависимости, а лишь несколько ослабит ее. В то же время, утверждает Дедал, атмосфера сама является источником даровой энергии, если только у нас достанет ума использовать ее. Дедал имеет в виду быстрое понижение температуры воздуха с увеличением высоты над поверхностью Земли: на высоте 7500 м температура падает до -33°C. Далее Дедал отмечает, что газообразный аммиак легче воздуха, но сжижается при -33°C. Можно было бы подумать, что заполненный аммиаком воздушный шар быстро поднимется до высоты 7500 м, а затем аммиак превратится в жидкость и шар потеряет подъемную силу. К сожалению, дело усложняется тем, что атмосферное давление уменьшается с высотой. В силу этого температура сжижения аммиака понижается, причем на любой высоте она оказывается чуть ниже, чем температура окружающего воздуха. Дедал предлагает решить эту проблему, заполнив аммиаком упругую оболочку, внутри которой постоянно будет поддерживаться избыточное давление в 0,1 атм. Это повысит температуру конденсации аммиака настолько, что он сконденсируется на высоте 10,4 км. Правильно рассчитанный воздушный шар будет бесконечно колебаться вверх-вниз: он быстро поднимется до высоты 10,4 км, потеряет подъемную силу из-за конденсации аммиака и будет опускаться в более теплые нижние слои воздуха до тех пор, пока не испарится достаточное количество аммиака, – тогда шар снова пойдет вверх.

Любая автоколебательная система должна обладать достаточной инерцией, чтобы не останавливаться в равновесном состоянии, а довольно быстро проскакивать его. Применительно к заполненному аммиаком воздушному шару это означает, что главной опасностью для него является зависание на некоторой высоте, когда часть аммиака сконденсируется и подъемная сила станет равна нулю. Поэтому Дедал хотел бы, чтобы эластичная оболочка воздушного шара вела себя так же, как резиновая оболочка детского шарика, которая сжимает находящийся внутри газ тем сильнее, чем меньше ее диаметр (именно поэтому приходится особенно сильно дуть, когда только начинаешь надувать шарик). В этом случае, как только аммиак начнет конденсироваться и диаметр оболочки шара станет уменьшаться, давление внутри оболочки увеличится, что приведет к повышению температуры конденсации аммиака. Таким образом, конденсация будет продолжаться и некоторое время после того, как шар войдет в более теплые слои воздуха. Обратная задача – задержка испарения аммиака до тех пор, пока шар не опустится почти до земли, – гораздо проще. Жидкий аммиак будет стекать в нижнюю часть оболочки и собираться в теплоизолированные емкости, в которых его испарение будет задерживаться настолько, насколько это необходимо.

Чтобы довести этот идеальный «вечный двигатель» до реальной конструкции, остается только превратить наш шар в планер. Тогда при движении вниз аппарат будет не падать, а планировать, – даже посредственный планер способен пролететь вперед 20 м на каждый метр потери высоты. Когда же в нижней точке траектории аммиак начнет испаряться, аппарат точно так же станет «планировать» вверх, к высшей точке полета, покрывая за полный цикл движения расстояние в 400 км. Управлять таким планером удобнее всего не с помощью отклоняемых элеронов и рулей, как обычным самолетом, а путем присборивания всего крыла целиком, – именно так братья Райт управляли своим первым аэропланом. Кроме того, управление планером можно осуществлять, изменяя его подъемную силу. В самой верхней точке каждого цикла сжиженный аммиак будет сливаться в герметические баллоны. На меньших высотах аммиак выпускается в оболочку, как только возникает потребность в увеличении подъемной силы. При посадке оболочка не пополняется аммиаком, и аппарат приземляется, как обычный планер. Когда же настанет время опять подниматься в воздух, клапаны открываются, аммиак заполняет оболочку и планер-дирижабль бесшумно отправляется в очередной полет.

Этот чудесный воздушный корабль станет основой новой авиации – бесшумной, экономичной, не загрязняющей атмосферу. Двигаясь вверх-вниз, он может покрывать любые расстояния. Гигантские и неторопливые, тепловые планеры Дедала будут перевозить между континентами грузы и пассажиров за ничтожно малую цену.

New Scientist, February 10, 1972

Из записной книжки Дедала

Температура атмосферы[20]20
  Речь идет о «стандартной атмосфере» – модели, широко используемой в различных расчетах. – Прим. перев.


[Закрыть] падает от 15°C на уровне моря до -57°C на высоте 11 000 м. Чтобы наш тепловой планер действовал, необходим газ легче воздуха, сжижающийся в диапазоне температур, скажем, от -10 до -50°C. Единственным подходящим газом является аммиак (М = 17), который при атмосферном давлении превращается в жидкость при температуре -33°C.

К несчастью, давление воздуха падает с увеличением высоты над земной поверхностью. С уменьшением давления температура конденсации газа понижается, все время оставаясь немного ниже температуры воздуха на данной высоте. (Жаль!) Но есть три способа выйти из этого затруднения:

а. Смешать аммиак с водяным паром или парами других растворителей, чтобы повысить точку конденсации смеси, или же ввести адсорбенты (хлористый кальций, активированный уголь и т. п.), на которых аммиак может конденсироваться при более высокой температуре, чем в их отсутствие. Но чтобы подобрать подходящую смесь, мне пришлось бы углубиться в дебри химии.

б. Создать избыточное давление внутри оболочки. (Внутри упругой оболочки давление всегда немного превышает наружное.) Температура конденсации газа при этом повысится; но, к сожалению, повысится также и его плотность. Однако, если повезет, мы можем подобрать такое избыточное давление, при котором аммнак сконденсируется на какой-то приемлемой высоте, и в то же время из-за увеличения плотности газа его подъемная сила упадет не слишком сильно.

в. Предусмотреть дополнительный источник подъемной силы, например баллон с гелием. Тогда подъемная сила сохранится даже в том случае, если плотность аммиака превысит плотность воздуха на данной высоте. В предельном случае представим себе гелиевый воздушный шар, соединенный с нерастяжимой оболочкой, заполненной аммиаком под давлением в 1 атм. Как видно из рисунка, на высоте 5000 м плотность аммиака сравняется с плотностью воздуха и аммиак вообще не будет создавать подъемной силы. Однако благодаря гелию подъем будет продолжаться до высоты 8000 м, на которой аммиак (к этому времени его давление из-за охлаждения понизится до 0,82 атм) превратится в жидкость. Оболочка с аммиаком резко сожмется, при этом подъемная сила уменьшится настолько, что вся конструкция резко пойдет вниз и будет опускаться до тех пор, пока не испарится достаточное количество аммиака.

Следует, применить комбинацию способов (б) и (в). Изучив имеющиеся данные (см. рис.), можно прийти к выводу, что оптимальное решение дает шар, заполненный аммиаком, в котором избыточное давление равно 0,1 атм.

Изменение плотности атмосферы и находящегося с ней в тепловом равновесии аммиака в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Горизонтальная ось проградуирована также в значениях температуры Т и давления р.

A. При давлении, равном давлению окружающей среды, плотность аммиака на всех высотах меньше плотности воздуха, но ниже плотности, необходимой для конденсации аммиака.

Б. При избыточном давлении 0,1 атм аммиак на всех высотах имеет плотность, меньшую, чем воздух, пока не конденсируется на высоте 10,5 км.

B. При избыточном давлении 0,2 атм плотность аммиака оказывается равной плотности воздуха на высоте 9 км (подъемная сила становится равной нулю), т. е. на высоте чуть ниже той, где аммиак превращается в жидкость.

Г. Шар постоянного объема, наполненный аммиаком под давлением 1 атм, будет подниматься до тех пор, пока на высоте 5 км плотность аммиака не сравняется с плотностью воздуха; если при помощи дополнительного гелиевого аэростата поднимать шар дальше, то аммиак сконденсируется на высоте 8 км.

Какой подъемной силой обладает такой воздушный шар? Для простоты будем считать избыточное давление в 0,1 атм постоянным и не станем вводить в рассмотрение гелиевый баллон. Тогда при температуре 15°C и нормальном давлении плотность аммиака равна 0,73 кг/м³, а при давлении 1,1 атм – 0,80 кг/м³. Плотность воздуха на уровне моря равна 1,23 кг/м³, так что подъемная сила на 1 м³ аммиака составит 12,3 – 8,0 = 4,3 Н, или 5,4 Н на 1 кг аммиака.

На высоте, где происходит конденсация аммиака (примерно 10500 м), плотность воздуха равна 0,39 кг/м³, а давление составляет 0,24 атм. Давление внутри шара равно соответственно 0,34 атм. Температура на этой высоте составляет -55°C, так что аммиак начнет конденсироваться в жидкость (при давлении 0,34 атм температура конденсации аммиака равна -53°C). Плотность газообразного аммиака при указанных условиях составляет 0,32 кг/м³; подъемная сила равна 3,9 – 3,2 = 0,7 Н на 1м³, или 2,2 Н на 1 кг аммиака: по сравнению с подъемной силой на уровне моря она уменьшилась почти вдвое. Таким образом, чтобы шар мог достигнуть высоты, на которой сконденсируется аммиак, масса оболочки и полезного груза в расчете на 1 кг аммиака не должна превышать 200 г. (Конечно, при использовании дополнительного баллона с гелием эти требования будут менее жесткими.)

Сможем ли мы изготовить упругую оболочку с требуемыми параметрами? Избыточное давление внутри упругой оболочки с поверхностным натяжением y определяется как р = 2у/r; если натяжение у пропорционально радиусу (идеальная упругость), то избыточное давление не зависит от радиуса, – для начала это неплохо. У детского воздушного шарика толщина оболочки увеличивается с уменьшением радиуса и поверхностное натяжение остается высоким – соответственно с уменьшением радиуса избыточное давление внутри повышается, что нам и нужно. Некоторые осложнения возникнут, конечно, из-за того, что эластичность оболочки зависит от температуры, но в целом идея выглядит реальной. Объем шара во время подъема увеличивается в 2,5 раза (плотность аммиака уменьшается от 0,80 до 0,32 кг/м³). Соответственно линейное растяжение оболочки составит всего лишь 2,5^1/3 = 1,36, или 36 %. Это не слишком много.

Конструкция теплового планера. Подъемную силу аммиака, конечно, нельзя даже сравнить с подъемной силой гелия. Поэтому в конструкции теплового планера придется абсолютно исключить жесткий каркас. В свое время фирма «Гудьир» изготовила надувной резиновый планер – это наиболее подходящая форма для нашего планера, в котором требуется поддерживать небольшое избыточное давление. Необходим также какой-то стабильный надувной остов, иначе после конденсации аммиака планер превратится в бесформенную груду мокрой резины. Идеальным решением, по-видимому, будет остов, заполненный гелием, на который натянута эластичная оболочка, заполненная аммиаком. Такая конструкция имеет дополнительное достоинство: можно так спрофилировать крылья планера, что в надутом состоянии они будут наилучшим образом отвечать условиям «планирования» вверх, а в спущенном (когда наружная оболочка плотно обтягивает остов) обеспечат плавное снижение. Это куда лучше, чем всякий раз переворачивать планер вверх ногами[21]21
  В принципе тепловой планер мог бы использовать разность температур у поверхности Земли и на высоте порядка 10000 м, однако передвижение его в заданном направлении было бы затруднительно, поскольку естественные движения воздуха обусловлены теми же разностями температур. – Прим. ред.


[Закрыть].

«Медные яблоки солнца»[22]22
  Намек на строку из стихотворения ирландского поэта У. Йитса (1865–1939), которая послужила названием рассказа Р. Брэдбери «Золотые яблоки Солнца» – Прим. перев.


[Закрыть]

Планы компании «Рио-Тинто цинк» начать карьерную добычу медной руды в Сноудонском национальном заповеднике вызвали множество протестов (New Scientist, 12, 1970, p. 317). Однако нам, по-видимому, предстоит все чаще сталкиваться с подобными явлениями по мере того, как наша добывающая промышленность будет все острее ощущать оскудение запасов и одновременно снижение качества природного сырья (сноудонская руда, к примеру, содержит всего 0,5 % меди). При таком положении дел мы скоро начнем лихорадочно перелопачивать тысячи гектаров земли в поисках жалких остатков руды. Но чтобы извлечь из почвы 0,5 % ее содержимого, совсем не обязательно разрушать ее плодородный слой. Дедал вспоминает, что во многих исследованиях миграции пестицидов и радиоактивных отходов отмечалась способность некоторых организмов накапливать эти вещества. Поэтому специалисты по сельскому хозяйству фирмы КОШМАР выводят новые сорта «металлоносных деревьев», которые должны со временем вытеснить карьерные разработки как способ добычи полезных ископаемых. Селекционеры подбирают подходящие растения (скажем, горох, который и сам по себе содержит значительное количество меди) и высаживают их в грунт, содержащий радиоактивные изотопы и высокий процент меди, надеясь таким образом получить мутантные сорта, обладающие повышенной способностью извлекать медь из почвы. Если повезет, то этот химический элемент может даже стать жизненно необходимым для растения, например, частично заменит магний в хлорофилле, что в свою очередь должно повысить эффективность фотосинтеза за счет использования дополнительных областей солнечного спектра.

Конечной целью Дедала является «металлическое дерево», которое своей развитой корневой системой пронизывает почву, извлекая из нее тот химический элемент, на который оно «настроено». Такое дерево будет приносить «тяжелые плоды», состоящие почти целиком из металла, очень удобные для сбора, но опасные для птичек и новоявленных Ньютонов. Плантация таких деревьев, созданная, например, на месте предполагаемых вырубок в Сноудонском национальном заповеднике, позволит получать 10⁵ меди на квадратную милю в год при росте корней в глубину всего на метр в год. Удобрение же почвы измельченным медным ломом (старыми телевизорами, патронными гильзами, медными спинками кроватей и т. п.) обеспечит эффективную переработку ценного цветного металлолома. При проектировании новых изделий это избавит от необходимости задумываться над вопросом, насколько они будут удобны для переработки, когда попадут в утиль[23]23
  Интересно отметить, что накопление металлов в растениях существенным образом зависит от микрофлоры почвы, которая переводит металлы в растворимую форму, пригодную для усвоения растениями. Микрофлора играет важную роль и в переработке горючих ископаемых. Еще академик Вернадский считал, что микроорганизмы являются мощными агентами преобразования горных пород. В настоящее время бактериальной переработке руд уделяется большое внимание, причем обычно стремятся получить металлы в растворимой форме. Нет сомнения, что извлечение металла (например, свинца) растениями может иметь большое значение и с экологической точки зрения (см. [16] – |18]). – Прим. ред.


[Закрыть].

New Scientist, December 17, 1970

Комментарий Дедала

Очень многие растения способны извлекать металлы из почвы. Нередко эти растительные «супераккумуляторы» растут там, где другие растения не выживают из-за высокого содержания металла в почве. Извлекая металл из почвы, такие растения превращают его в безвредные для себя химические соединения и накапливают их в тканях.

Один из замечательных примеров подобной способности растений был описан (Planta, 103, 1972, р. 91) примерно через год после появления моей заметки. Б. Северн и Р. Брукс из университета Мэсси в Новой Зеландии обнаружили в Западной Австралии разновидность кустарника Hybanthus Floribundus, в тканях которого накапливается до 10 % никеля (в расчете на сухой вес); в листьях же концентрация никеля достигает рекордной величины – 23 %! Учитывая, что руда, содержащая 3 % никеля, считается хорошей, сельскохозяйственный способ «добычи» выглядит весьма привлекательно. Нет сомнения, что именно так думает Элоиз Брумбалек, получивший в 1977 г. британский патент № 1 481 557. Он утверждает, что некоторые фруктовые деревья (в частности, бананы и цитрусовые), испытывая недостаток определенных химических элементов, способны заменять их другими элементами и восстанавливать таким образом равновесие в обмене веществ. Например, при нехватке калия эти растения начинают в первую очередь накапливать золото, а при его отсутствии – серебро и свинец. Недостаток магния заставляет их извлекать из почвы уран. Есть сведения, что заметные количества урана, тория и титана были обнаружены в бананах из Эквадора и Гондураса. В своем комментарии (22 декабря 1977 г.) по этому поводу журнал New Scientist писал: «Этот метод дает возможность извлекать ценные минералы из почвы, которая считается слишком бедной в качестве промышленного сырья. Достаточно просто засадить участок подходящими деревьями, чтобы затем собирать плоды и сжигать их в специальных печах». Вот еще одно свидетельство того, что фирма КОШМАР всегда идет впереди!

Многие растения способны извлекать редкие металлы из почвы и концентрировать их в определенных тканях.