Текст книги "Изобретения Дедала"

Автор книги: Дэвид Джоунс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 22 страниц)

Гидравлическая добыча угля

Современные способы добычи угля настолько сложны и опасны, что Дедал по-настоящему счастлив сообщить о разработке принципиально нового метода добычи угля. Уголь – очень легкий минерал; его плотность ниже, чем плотность растворителя, применяемого для химической чистки одежды, или даже плотность крепкого раствора хлористого кальция. Достаточно заполнить шахту растворителем для химчистки, и уголь сам всплывет вверх по стволу. Нужно только заложить две шахты в разных местах угольного пласта и сквозь пласт пробурить между ними туннель. Жидкость, закачиваемая в одну из шахт, будет выносить через другую шахту куски угля на поверхность; здесь уголь отделяется от жидкости, а растворитель направляется на повторное использование. Понадобится, правда, каким-то образом размельчать угольный пласт. Известно, что угольный пласт весь пронизан трещинами, а уголь, как и любой органический полимер, легко поддается действию органических растворителей. Поэтому химики фирмы КОШМАР пытаются получить растворитель, сочетающий в себе такие качества, как высокая плотность, сильная растворяющая способность и способность хорошо проникать в узкие трещины; тогда при интенсивном прокачивании растворителя уголь будет легко отслаиваться из подземного пласта.

Для глубоких шахт, где уголь залегает более монолитным слоем, Дедал предлагает другой способ добычи. Дедал вспоминает, что свежесколотая поверхность угля спонтанно окисляется на воздухе (бывают даже случаи самопроизвольного возгорания угля в забое) и что при высокой температуре уголь размягчается. За счет реакции окисления угля растворитель, предварительно насыщенный кислородом, будет нагреваться, и чем выше становится его температура, тем быстрее идет реакция. Вследствие огромного гидростатического давления на дне шахты точка кипения растворителя поднимется не менее чем до 300°C, что приведет к значительному размягчению угля. Когда же растворитель, наконец, вскипит, начнется выброс жидкости из шахты, гидростатическое давление упадет, произойдет взрывоподобное закипание и извержение перегретой жидкости – как в природном гейзере. Вырвавшийся на поверхность столб кипящего растворителя будет содержать куски угля из разрушенного пласта. После этого в шахту заливают холодный растворитель, и процесс повторяется сначала. Угольные компании не только смогут снизить затраты на добычу угля, но и начнут получать доход от туристов, горящих желанием посмотреть на величественные угольные фонтаны.

New Scientist, November 2, 1978

Из записной книжки Дедала

Плотность угля составляет в среднем 1400 кг/м³. Это меньше плотности перхлорэтилена C₂Cl₄ (1620 кг/м³), используемого для химической чистки. Стало быть, уголь будет плавать в этой жидкости! Отсюда следует:

Добыча угля с помощью растворителя. Необходимо заложить две шахты – одну к нижнему горизонту угольного пласта, другую – к верхнему; соединить эти шахты туннелем, проходящим сквозь пласт, и закачивать тяжелый растворитель в более глубокую шахту. По мере разрушения угольного пласта куски угля будут всплывать на поверхность в другой шахте.

Угольный гейзер для глубинных шахт. Пусть шахта глубиной 1000 м заполнена перхлорэтиленом. Давление внизу составляет величину p = ρgh = 1620 × 9,81 × 1000 = 1,6 × 10⁷ Н/м² ~ 160 атм. Растворимость кислорода в перхлорэтилене при температуре 20°C и давлении 1 атм составляет 0,19 объемных долей, или 1,67 × 10⁴ массовых долей. При давлении в 160 атм растворимость, грубо говоря, возрастет в 160 раз и составит 0,03 массовой доли.

Как сильно нагреется растворитель, если весь кислород прореагирует с углем? Реакцию окисления угля можно записать в виде

С₇H₅О_0,3(0,1 кг) + 8,6 0₂ (0,275 кг) -> 7,5 СО₂ (0,ЗЗкг) + 2,5 Н₂O (0,045 кг); ΔH = -3,5 МДж.

При 160 атм 0,275 кг кислорода содержится в m = 0,275/0,03 = 9,2 кг перхлорэтилена. Принимая удельную теплоемкость перхлорэтилена постоянной во всем диапазоне температур и равной С = 1000 Дж/кг×град, а также пренебрегая тем, что растворитель содержит примерно 4% примесей (воды и углекислого газа), получим: ΔT = -ΔH/mC = 3,5 × 10⁶ / (9,2 X 1000) = 380°C. Иначе говоря, температура растворителя поднимется за счет реакции от 20°C до 400°C! Такой результат очень обнадеживает. При нормальном давлении перхлорэтилен кипит при 121°C, а его критическая температура равна всего лишь 340°C. Можно предположить поэтому, что, запустив в шахту насыщенный кислородом перхлорэтилен, мы превратим ее в потенциальный гейзер, на дне которого перегретый растворитель будет находиться под давлением в сверхкритическом состоянии. Растворитель в сверхкритическом состоянии обладает мощной разрушительной силой и проявляет исключительную реакционную способность по отношению к углю (на этом, в частности, основаны некоторые современные способы приготовления жидкого топлива из угля). Чтобы привести такой гейзер в действие, достаточно через отдельную скважину закачать дополнительное количество кислорода в зону реакции. Это ускорит процесс окисления, и температура в зоне реакции будет повыщаться до тех пор, пока локальное давление не превысит 160 атм и не произойдет мощный выброс растворителя, смешанного с углем. Затем оставшаяся в шахте жидкость устремится в зону реакции, разрушая угольный пласт. Теперь нужно только долить в шахту собранный и отфильтрованный растворитель и повторить весь цикл сначала[24]24
  Отметим, что нефть еще с 30-х годов добывается гидравлическим способом, так называемым законтуренным обводнением, – фактически по той же схеме, что и у Дедала. Окисление угля растворенным кислородом едва ли возможно из-за эффективного отвода тепла жидкостью – Прим. ред.


[Закрыть].

Сверление паром

Сверление отверстий представляет собой одну из самых несовершенных технологических операций. Обычным вращающимся сверлом бывает подчас очень сложно получить глубокие или тонкие отверстия, а также отверстия некруглой формы. Размышляя над усовершенствованием этой операции, Дедал вспомнил, что при попадании снаряда в броневую плиту с обратной стороны ее нередко откалывается кусок металла. Причину этого легко понять, проведя простой опыт. Выложим в ряд несколько одинаковых монет и «выстрелим» еще одной монетой в крайнюю монету ряда вдоль его направления. После удара монета, лежащая с противоположного конца, отделится от остальных: по ряду монет пробежала цепочка столкновений. Если выстрелить в торец ряда одновременно двумя монетами, то с другого конца отделятся две монеты; это значит, что по выложенным в ряд монетам пробежала двойная цепочка столкновений. Поскольку бропеплита состоит из атомов, удар снаряда с одной стороны плиты порождает в ее толще миллионы межатомных столкновений, которые, пробегая сквозь плиту, вызывают отделение миллионов атомов с обратной стороны плиты.

Теперь, предлагает Дедал, рассмотрим этот процесс на атомарном уровне. Если один атом железа ударится в железную пластину, он останется в ней, а цепочка межатомных столкновений, пробежав сквозь всю толщину пластины, приведет к отделению одного атома с обратной стороны. Межатомные столкновения можно считать идеально упругими, поэтому энергия внутри пластины не рассеивается, сколько бы атомов ни участвовало в этой серии столкновений. Более того, соударения в кристаллической решетке самоцентрируются, поэтому участвующие в столкновениях атомы расположены вдоль прямой. Атомное сверло, изобретенное Дедалом, представляет собой тугую «струю» металлического пара, направляемую на обрабатываемую поверхность. Скорость струи железного пара составляет примерно 800 м/с, что намного превышает скорость артиллерийского снаряда; еще лучше использовать пучок положительно заряженных ионов. Пучок ионов можно фокусировать и направлять в нужную точку, используя приемы, хорошо известные в масс-спектроскопии. Приложив к обрабатываемой детали отрицательный потенциал, ионы в пучке можно разгонять до значительных скоростей. Ударяющиеся о поверхность атомы будут наслаиваться на поверхности, постепенно образуя столбик «конденсата»; с обратной же стороны станет образовываться отверстие, углубляющееся по мере того, как оттуда выбиваются атомы. Наблюдая за работой «атомного сверла», оператор будет видеть, как из заготовки навстречу падающему пучку атомов постепенно «вытягивается» столбик металла, пока, наконец, этот столбик не вываливается из отверстия. Пучок атомов, «испаряющихся» с обратной стороны заготовки, будет, естественно, иметь те же направление, форму и энергию, что и первоначальный пучок, – соответственно его можно использовать для обработки другой детали, установленной позади первой. По сути, одним пучком можно одновременно сверлить отверстия в любом количестве заготовок, сложенных пакетом. Форма отверстия определяется просто формой сечения, которое мы придадим пучку атомов или ионов. Поэтому «атомное сверло» будет наиболее полезно при изготовлении некруглых отверстий, в особенности узких щелей, которые невозможно получить никаким другим способом. Не составит труда даже получить с его помощью отверстие диаметром всего в несколько атомов[25]25
  По-видимому, идея сверления паром навеяна автору электроэрозионным способом сверления отверстий, при котором металл испаряется в масляной среде под действием электрического заряда. Этот метод, разработанный в СССР, позволяет сверлить отверстия любой формы и глубины, пары металла оседают в масле и не создают «цепочки атомных столкновений». Эти методы были разработаны в СССР Н. И. Лазаренко и Б. Р. Лазаренко в 1943 г., а так называемый импульсный метод – М. М. Писаревским в 1948 г. (см. [19]). – Прим. ред.


[Закрыть].

New Scientist, September 18, 1969.

Из записной книжки Дедала

Распространение цепочки межатомных столкновений в твердом теле рассмотрено в статье Р. Силсби (Journal of Applied Physics, 28(11), 1957, p. 1246). Автор приходит к замечательному выводу: цепочка столкновений между шариками радиуса r, выложенными по прямой на расстоянии d один от другого, будет самоцентрирующейся, если d < 2r (это условие всегда выполняется для атомов в кристаллической решетке). Небольшое отклонение первоначального удара от центрального уменьшается от удара к удару, пока, наконец, столкновение не станет строго центрированным. Это подтверждается и опытом с монетками. Поэтому тепловые движения атомов, незначительные дефекты решетки и т. д. не препятствуют распространению цепочки соударений на большое расстояние. Несмотря на это, процесс, конечно, лучше вести при возможно более низкой температуре. Осуществить это не очень сложно, поскольку работу с атомными или ионными пучками все равно необходимо производить в условиях вакуума.

Водопровод-опреснитель

Во многих странах водопроводная питьевая вода – роскошь, доступная немногим; даже в Англии она обходится все дороже. Дедал вспоминает о предложении экономить пресную воду, прокладывая параллельно две трубы, по одной из которых подается морская вода для хозяйственных нужд. Теперь Дедал придумал более совершенную конструкцию, основанную иа известном свойстве габардиновых плащей задерживать воду, но пропускать водяные пары. Дедал предлагает разделить водопроводную трубу на два «этажа» горизонтальной габардиновой перегородкой и пустить по верхней половине морскую воду, а по нижней – пресную. Водонепроницаемая перегородка надежно отделит пресную воду от морской. Однако если температура морской воды выше, чем у пресной, хотя бы на 0,4°C, то давление ее паров превысит давление паров пресной воды и чистый водяной пар начнет просачиваться сквозь габардиновую перегородку в полость с пресной водой, пополняя ее запас. Разность температур в 0,4°C (и больше) между верхней и нижней частями трубы поддерживать нетрудно: надо проложить трубу так, чтобы нижняя ее половина находилась в грунте, а верхняя омывалась теплым приземным воздухом.

Водопровод-опреснитель

Многие тысячи километров таких труб, входящих в государственную систему водоснабжения, будут играть роль огромного рассредоточенного опреснителя, не требующего топлива. Соленая вода, поступающая в этот водопровод, по пути опресняется и доставляется потребителям. (Наряду с пресной водой потребители будут также в обязательном порядке получать крепкий рассол, который можно использовать для хозяйственных нужд, например в туалетах.) Дедал разрабатывает также проект аналогичного опреснителя для морских путешествий. Опреснитель представляет собой просто габардиновую байдарку, буксируемую в ночное время за кораблем. Небольшие объекты, находящиеся на открытом воздухе, испытывают в ночное время интенсивное радиационное охлаждение, тогда как температура моря вследствие огромной тепловой инерции днем и ночью отличается незначительно. Поэтому водяной пар будет проникать сквозь ткань и конденсироваться в байдарке в пресную воду, которую выкачивают оттуда на рассвете. Чрезмерно высокая эффективность подобной конструкции может, однако, привести к печальным последствиям: за ночь в лодку наберется так много воды, что она затонет.

New Scientist, August 9, 1979

Бытовой распределитель, обеспечивающий пропорциональный расход соленой воды

Из записной книжки Дедала

В морской воде содержится 3,6 % растворенных веществ, в основном поваренной соли. Допустим для простоты, что морская вода представляет собой чистый раствор поваренной соли. Тогда на 1 кг массы морской воды приходится 964 г воды (53,5 молей) и 36 г соли (0,615 молей). В растворе соль полностью диссоциирует на Na⁺ и Cl^-, так что в действительности раствор содержит 1,23 молей ионов, а молярная концентрация воды составляет χ_воды = 53,5 / (53,5 + 1,23) = 0,978. Согласно закону Рауля, давление паров морской воды должно тогда составлять 97,8 % от давления паров пресной воды при той же температуре.

Зависимость давления насыщающих паров жидкости от температуры дается уравнением Клапейрона – Клаузиуса dlnp/dT = ΔH/RT², где ΔH – скрытая теплота испарения жидкости, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура. Подставляя числовые значения параметров для воды при 20°C ΔH = 44200 Дж/моль и Т = 293 К, получим dlnp/dT ≈ σlnp/σr = 44200 / (8,314 × 2932) = 0,0619 К^-1, или σT = σlnp/0,0619 K.

Чтобы давление паров морской воды было равно давлению паров пресной воды, мы должны поднять температуру морской воды на величину σT, соответствующую увеличению давления паров в p₂/p₁ = 1/0,978 = 1,0225 раз. Тогда σlnp = lnp₂ – lnp₁ = ln1,0255 = 0,0255 и σT = 0,0225/0,0619 = 0,36 град.

Разность температур воздуха вблизи поверхности Земли и самой поверхности во много раз больше, так что наша конструкция вполне работоспособна. Уже при разности температур в два градуса из морской воды будет испаряться до 80 % влаги, так что в верхней половине трубы останется концентрированный 16 %-ный рассол. Таким образом, подобный опреснитель будет давать 4–5 л пресной воды на каждый литр рассола.

Существует, правда, неприятная деталь: ночью (особенно в ясные холодные ночи) разность температур меняет знак: верхняя половина трубы становится холоднее нижней и пресная вода начинает переходить в полость с соленой водой. Можно было бы, вероятно, придумать какой-то механизм, переворачивающий трубу так, чтобы ночью полость с пресной водой оказывалась сверху, но это слишком неуклюжее решение. Придется, по-видимому, соорудить нечто вроде парника – покрытие, которое пропускает к верхней половине трубы дневное излучение, но задерживает низкотемпературное излучение, препятствуя тем самым ночному радиационному охлаждению трубы[26]26
  Дедал очень точно рассчитал разность давлений паров соленой и пресной воды, но не учел общее давление в водопроводе, равное 2,5–3 атм. Морской опреснитель более реален. – Прим. ред.


[Закрыть].

Се айсберг грядет

Недавно американские гляциологи и геофизики выступили с проектом, вполне достойным Дедала. Они предлагают буксировать айсберги из Антарктиды в Австралию и использовать талую воду для орошения земель. Наиболее удобными для этой цели считаются айсберги с плоской вершиной длиной 10 км, шириной 2,5 км и высотой до 250 м; для буксировки потребуются сверхмощные (скорее всего, атомные) буксиры. Дедал считает, что в своем нынешнем виде этот проект попахивает техноманией, и предлагает устроить так, чтобы айсберги двигались своим ходом, причем совершенно бесплатно. В принципе энергию для работы двигателей можно получать за счет разности температур между айсбергом и окружающей водой. Разность температур эта невелика, так что максимально достижимый кпд в таком случае не превышает 4 %, но даже это позволяет получить полезную мощность 12 МВт при таянии 1 т льда в секунду. Для перемещения гигантского айсберга, по-видимому, потребуется мощность не менее 500 МВт, – таким образом, айсберг должен плавиться со скоростью 40 т/с. Это, однако, соответствует стаиванию льда всего на 2 мкм в секунду со всей погруженной поверхности, т. е. естественной скорости таяния. Поначалу Дедал хотел усеять айсберг термопарами и питать от них электромоторы, но вскоре он нашел гораздо более изящное решение. Пресная талая вода от айсберга легче, чем соленая вода океана, поэтому она поднимается вверх, обтекая айсберг. Если кормовую подводную часть айсберга стесать под углом, то талая вода будет подниматься вдоль наклонной плоскости и выходить на поверхность позади айсберга, сообщая ему при этом некоторое количество движения. Как только айсберг начнет двигаться вперед, талая вода из-под всей нижней поверхности потечет к корме, усиливая этот эффект и удлиняя и углубляя выемку в кормовой части, создающую направленную тягу. Специалисты по гидродинамике фирмы КОШМАР теоретически исследуют динамику таяния айсберга, движущегося в теплой соленой воде, чтобы определить оптимальный начальный профиль кормовой части, выяснить, не потребуется ли время от времени подправлять форму айсберга в процессе движения, а также подобрать наиболее эффективный способ управлять движением ледяной горы. Этот замечательный проект открывает новую эпоху в развитии морского транспорта. Большой айсберг, срок службы которого ограничен несколькими годами, но зато даровой, не загрязняющий среду, непотопляемый, не требующий топлива и способный перевозить 10 млн т груза, вполне может конкурировать с дорогостоящими грузовыми судами, которые, быть может, и служат в десять раз дольше, но обладают в тысячу раз меньшей грузоподъемностью. Вполне вероятно, что настанет время, когда самоходные айсберги возьмут на себя львиную долю морского грузооборога. Правда, это создаст дополнительную угрозу обычному судоходству и вызовет зубовный скрежет у работников страховой компании Ллойда.

New Scientist, July 12, 1973

Из записной книжки Дедала

Энергия, получаемая при таянии льда. Для получения полезной мощности в Р Вт от теплового двигателя с кпд η необходим приток тепла Q = Р/η. Пусть это тепло создается за счет таяния льда; тогда скорость таяния должна составлять m = Q/λ = Р/ηλ кг/с, где λ – скрытая теплота плавления льда. Если температура льда 0°C, а температура океана 10°C, то максимальный (теоретический) кпд η = (T_воды – T_айсб.)/T_воды = 10/283 = 0,035 = 3,5 %. Учитывая, что λ = 3,3 × 10⁵ Дж/кг, а требуемая полезная мощность составляет по предположению Р = 500 МВт, мы получим скорость таяния m' = Р/ηλ = 5 X 10⁸ / (0,035 × 3,3 × 10⁵) = 43000 кг/с = 43 т/с.

Айсберг размером 10 км × 2,5 км × 250 м имеет подводную поверхность A = 5,6 км² (боковые грани) + 25 км² (низ) = 30,6 км² ≈ 3×10⁷ м². Тогда, принимая плотность льда равной 920 кг/м³, получим, что ежесекундно должен стаивать слой толщиной x' = m'ρA = 43000/(920 × 3,0 × 10⁷) = 1,5 мкм/с, что более чем скромно.

Соответствующий тепловой поток на единицу площади подводной поверхности айсберга равен Q' = Q/A = Р/ηА = 5 × 10⁸ / (0,035 × 3,0 × 10⁷) = 480 Вт/м².

В теплообменниках с водяной рубашкой тепловой поток в несколько раз больше даже при разности температур, гораздо меньшей 10°C. Поэтому естественная скорость таяния, по всей вероятности, окажется много больше, чем 43 т/с, что позволит получать мощность в 500 МВт даже в том случае, если кпд будет гораздо ниже теоретического значения. Айсберг таких размеров обладает массой приблизительно в т = 6×10¹² кг, так что его время жизни при расчетной скорости таяния можно оценить в t = m'/m = 1,4×10⁸ с, или около 5 лет (!). По оценкам американских ученых время жизни айсберга составляет не менее одного года.

Техническая реализация «самоходного» айсберга. Существует два возможных пути:

а. Взрывом отколоть угол в кормовой части айсберга и дожидаться возникновения тяги за счет обтекания айсберга талой водой.

б. Поместить большой груз в носовую часть айсберга. Тогда вся нижняя поверхность айсберга наклонится и начнется ток пресной талой воды к корме. Как только айсберг начнет двигаться, оптимальная форма подводной части будет поддерживаться автоматически. Перемещая груз, можно управлять движением айсберга. К сожалению, для этого способа потребуется груз массой в миллионы тонн, а на его перемещение айсберг будет реагировать довольно медленно.

а–в. Изменение подводных очертаний айсберга и направление импульса, возникающего результате таяния подводной части при некотором начальном угле среза «кормы».

г. Нагружение «носовой части» айсберга, обеспечивающее возникновение тяги со всей нижней поверхности айсберга.

Комментарий Дедала

Этот проект возник под впечатлением от сообщения Н. Хоукса в газете The Observer от 3 июня 1973 г., где было дано краткое изложение статьи У. Уикса н У. Кэмпбелла о буксировке айсбергов из Антарктиды в Австралию или Южную Америку для орошения земель. С тех пор подобные идеи высказывались неоднократно. Так, в 1980 г. журнал Annals of Glaciology (vol. 1) опубликовал труды Кембриджской конференции по научно-техническим основам использования айсбергов. Сюда вошли даже работы по динамике таяния движущихся айсбергов – правда, авторы (X. Хупперт и Дж. Най) изучали возможность опрокидывания буксируемого айсберга, а не его способность самостоятельно перемещаться.

Я не могу расстаться с этой темой, не воздав должное ее истинному первооткрывателю, неутомимому изобретателю и грозе британского патентного ведомства Артуру Полу Педрику. Среди сотен эксцентрических изобретений, которые он обрушил на ошеломленных чиновников патентного бюро в 60–70-е годы, было изобретение, запатентованное под номером 1047 736 от 15 октября 1965 г. Это проект орошения Австралии с помощью гигантских «снежков», которые скатывают в Антарктиде, а затем переправляют в Австралию по трансконтинентальным трубопроводам, специально проложенным для этой цели. Мне остается только молча склонить голову.