Текст книги "Изобретения Дедала"

Автор книги: Дэвид Джоунс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 22 страниц)

Для дома, для семьи

Как считает Дедал, до сих пор научно-техническая революция лишь поверхностно сказывалась на облегчении домашних хлопот. По своей сути труд домохозяйки остается прежним, несмотря на появление все новых сверкающих никелем и хромом приспособлений. Дедал хочет представить на суд читателя некоторые результаты, полученные на основе радикального пересмотра подхода к домашнему труду. Все, что связано с приготовлением пищи, едой, посудой, можно существенно упростить. Для начала неэкономичную и требующую постоянного ухода духовку следовало бы заменить простым стержневым электронагревателем, который прогревает пирог, цыпленка и т. п. изнутри, а не снаружи. Чтобы избежать утечки тепла и пара, продукт можно завернуть в фольгу. Более того, почему бы не начать изготовление порционных полуфабрикатов? Один из возможных вариантов – универсальный пищевой модуль в виде фаршированного цилиндра с собственным электронагревателем, что-то вроде штепсельной сосиски. Всю столовую посуду может заменить стол-конвейер, представляющий собой медленно движущийся транспортер, в ленте которого имеются углубления, служащие кастрюлями, тарелками и т. п. Жидкая пища (суп, каша) готовится в этих углублениях у одного конца стола-конвейера, а съедается в его средней части. Далее лента транспортера очищается от остатков пищи вращающейся щеткой и, проходя под нижней поверхностью стола, моется и сушится.

От пыли, которая (в силу законов энтропии) обычно равномерно рассеивается по всему помещению, нетрудно избавиться, создав «потенциальную яму» для пылинок. Если, к примеру, установить в комнате лоток с глицерином или патокой, а пыль с помощью мощного вентилятора поддерживать в интенсивном движении, то рано или поздно все пылинки завязнут в жидкости. Пол же можно сделать слегка наклонным и время от времени заставлять его вибрировать – тогда весь мусор будет скапливаться в самом низком углу, откуда его легко убирать. Можно также покрыть пол ковром в виде ленты транспортера, которая, медленно двигаясь, очищается от пыли, проходя под полом. Правда, придется принять меры, чтобы мебель оставалась на месте: например, установить ее на ролики и привязать веревочками.

New Scientist, January 5, 1967

Комментарий Дедала

Приятно отметить, что вслед за моим выступлением электрическая сосиска была, наконец, изобретена. New Scientist (Sept. 9, 1971, p. 577) цитирует английский патент № 228 914, выданный фирме Anstalt Euroresearch: «…твердое пищевое изделие, например сосиска, помещается в аппарат таким образом, что каждый конец попадает в отсек с электролитом; электрический ток пропускается по цепи, образованной электродами, электролитом и сосиской». Для нагрева сосиски используется ее электропроводность – я выдвинул эту идею в журнале New Scientist 17 апреля 1969 г. Не следует только тыкать в сосиску, пока она варится, металлической вилкой.

Некоторое время назад Дедал начал испытывать новый способ уборки помещений от пыли, в котором использовались противень с патокой и мощный вентилятор. Пыль, поднятая вентилятором, циркулирует в воздушных потоках, и рано или поздно каждая пылинка попадает на противень с патокой и остается там. После нескольких уборок патока загустевает от пыли; пропустив ее через отжимные вальцы, вы получите вновь жидкую патоку и удобный фетровый коврик впридачу. Этот способ представляет собой пример реализации «демона Максвелла», сортирующего физические объекты (скажем, в зависимости от их температуры). На молекулярном уровне, как первоначально и предполагал Максвелл, такой демон неосуществим, однако с более крупными объектами он справляется прекрасно, и сейчас Дедал разрабатывает ряд таких «демонических устройств». Таков, например, «гуманный демон» для удаления мух из помещения, который устанавливается на окне или форточке. Как только муха в своих беспорядочных блужданиях приближается к «демону», чувствительные датчики открывают дверцу устройства и выпускают муху на улицу. Мухи с улицы, однако, лишены возможности влететь в комнату, так что в конце концов в помещении не останется ни одного насекомого. Еще лучше будет работать такой «демон» с бескрылыми тварями вроде мышей или тараканов. Рано или поздно любопытство или случай приведут их к дверце устройства, которое любезно выпроводит их наружу.

В конструкции, обладающей более высокой избирательностью, должны использоваться сложные оптические, акустические, электронные датчики, подключенные к самообучающемуся микрокомпьютеру. Такой прибор можно научить пропускать существа только одного определенного вида, вырабатывая у него «рефлекс» на открывание дверцы при предъявлении определенного «пропуска». Ящик, в стенке которого установлен подобный прибор, будет гуманно и эффективно отлавливать особей заданного вида, отвергая посторонних. На этом принципе может быть основано «демоническое рыболовство». Для этого с берега в море опускается труба, на конце которой установлен «демон», запрограммированный на пропускание трески, селедки и т. д. И рыба нужного сорта из подходящих к берегу косяков непрерывным потоком пойдет по трубе на береговую рыбообрабатывающую фабрику.

New Scientist, October 1, 1970

Подземные кладовые электричества

Гомополярная теория земного магнетизма утверждает, что в конвекционных потоках расплавленного железа, движущихся в ядре Земли под действием магнитного поля планеты, возникает электрический ток, который в свою очередь поддерживает это поле. Дедал видит в существовании этих токов ключ к решению энергетической проблемы – нужно только опустить электроды настолько глубоко, чтобы подключиться к глубинным токам. Глубина обычного бурения ограничена несколькими километрами. Дедал, однако, вспоминает, что скальные породы в действительности пластичны и земной шар пребывает в гидростатическом равновесии. Именно поэтому подземные месторождения нефти находятся под давлением, и чтобы скомпенсировать его, нефтедобытчикам приходится закачивать в скважины тяжелый глинистый раствор. Допустим, говорит Дедал, мы заполним десятикилометровую скважину не глинистым раствором, а гораздо более плотной жидкостью, скажем, ртутью. Гидростатическое давление на дне скважины составит около 13000 атм, т.е. намного превысит давление в окружающей породе. Порода начнет понемногу – а возможно, и довольно быстро – поддаваться, поскольку температура на такой глубине может превышать 400°С. Ртуть станет пробиваться вниз, и если ее непрерывно подливать сверху, то процесс пойдет со все возрастающей скоростью.

Любое твердое тело при достаточно высокой температуре становится проводником электричества (за счет теплового возбуждения электронов). Это дает Дедалу основания надеяться, что ртутный «бур-электрод» уже через несколько десятков километров достигнет «динамотоков» и не понадобится бурить на 1000 км в глубь Земли, чтобы достичь собственно жидкого ядра. Кроме того, по мере углубления во все более горячие слои ртуть можно заменить менее дорогостоящими и более тугоплавкими сплавами – от сплава Вуда до расплавленного железа. Чтобы создать наибольшую возможную разность потенциалов, Дедал намерен подключиться к подземным токам в нескольких точках, имеющих разную полярность. Вполне вероятно, что разность потенциалов не превысит 100 В, однако внутреннее сопротивление Земли, по-видимому, настолько мало, что можно будет отбирать токи в миллиарды ампер, не опасаясь замкнуть Землю накоротко. Новый источник энергии разрешит все энергетические проблемы, стоящие перед человечеством, не создавая угрозы окружающей среде. Но одобрят ли этот проект члены Общества друзей природы?

New Scientist, July 14, 1977

На прошлой неделе Дедал обнародовал свой проект бурения на глубину, где протекают электрические токи, поддерживающие магнитное поле Земли. Это позволит, как считает Дедал, получать дешевое электричество через токосъемники из расплавленного металла. Теперь Дедал замечает, что отводимый от подземной «динамомашины» ток может раскалить металлические колонны-электроды до очень высоких температур. Когда же они раскалятся настолько, что окружающая расплавленная порода сама станет хорошим проводником электричества, надобность в электродах отпадет. Саморазогревающаяся токонесущая колонна, раскаленная добела, подобно свече Нернста, соединит земные недра с поверхностью – получится что-то вроде укрощенного электрического вулкана, или, как называет его Дедал, «электран». Через него к поверхности будет поступать огромное количество тепла – как за счет электрического нагревания токопроводящей колонны, так и за счет конвекции раскаленной магмы к поверхности Земли.

1. Чтобы извлечь из лавы тяжелые металлы, на ее выходящий из недр поток набрызгивается расплавленный металл (например, железо).

2. Электрод из расплавленного железа служит токосъемником, а также используется для извлечения ионов металлов из лавы.

3. Мусор сбрасывается в нисходящий поток лавы.

4. Газоотвод. В лаве могут содержаться полезные газы (например, метан).

Выходящие на поверхность глубинные породы окажутся чрезвычайно интересными для геологов, а также будут иметь огромное значение для экономики (поскольку Дедал предполагает, что за прошедшие геологические эпохи более тяжелые элементы – такие, как золото, платина, палладий и т. д., – опустились глубоко в земные недра). Нисходящие конвективные потоки расплавленной породы могут использоваться для захоронения всевозможных отходов, включая радиоактивные и канцерогенные вещества. Электраны сослужат также хорошую службу науке. Благодаря действию пьезоэлектрических эффектов в перенапряженных раскаленных породах сейсмические «скрипы» и «стоны» планеты должны передаваться в проводящие слои. Возникающий при этом электрический ток будет усиливаться – под воздействием того же гомополярного механизма, который поддерживает глобальные электрические токи и геомагнитное поле. Анализ электрических шумов, прослушиваемых с помощью электрана, даст важную геофизическую информацию. Можно будет, к примеру, предсказывать или даже предотвращать землетрясения, подавая на электран напряжение на резонансной частоте, которое, будучи усилено действием гомополярного механизма, вызовет резонансное электрострикционное разрушение перенапряженных пород. Аналогично телеграфные сигналы, поданные на один электран, будут приняты другими по всему земному шару. Более того, возможно, они вызовут модуляцию магнитного поля Земли, так что для их приема понадобится всего-навсего обычный компас! Во что только превратят эти фантазии Дедала нашу несчастную планету?

New Scientist, July 21, 1977

Электрическая чистка

С точки зрения химической технологии мытье посуды представляет собой чересчур неэкономичный процесс: чтобы смыть немного грязи, расходуется огромное количество воды. Еще более вопиющие примеры расточительности дают нам стирка и баня, а многие промышленные процессы и того хуже. Каждая частица грязи обволакивается слоем молекул моющего средства (детергента), который удерживает ее во взвешенном состоянии в жидкости, так что этот дорогостоящий продукт в конечном счете тоже идет в сливную трубу. В поисках мер экономии Дедал вспомнил о гальваностегии – методе нанесения металлических покрытий посредством электролитического осаждения металла на поверхность изделия. Точно так же, рассуждает Дедал, грязь из моющего раствора может осаждаться на соответствующем электроде. По мере того как электрод покрывается пленкой грязи, молекулы детергента станут освобождаться – таким образом, мы получим чистый пенистый раствор моющего средства, пригодный для повторного использования. На этом принципе Дедал создает «вечные» тазы для мытья посуды, «вечные» стиральные корыта и ванны. Грязь, попавшая в моющий раствор, удаляется методом гальваностегии, и одной зарядки стиральным порошком и чистой водой хватит навечно!

Более того, осаждение грязи на одном электроде может сопровождаться противоположным процессом – ее удалением с другого электрода. Вероятно, такой бесшумный электролитический процесс позволит удалить грязь с ложки и засаленной рубашки не хуже, чем ручная или механическая мойка и стирка. Дедал проектирует гигиеническую электрическую баню, где посетитель (выступающий в роли одного из электродов!) подвергается анодной очистке: грязь собирается на другом электроде, расположенном рядом со сливным отверстием. Электрическое удаление поверхностного загрязнения станет самым чистым из когда-либо существовавших способов мытья. Оно будет оставлять восхитительное ощущение искрящейся чистоты, особенно если придется применить высокое напряжение или облучение ультразвуком. Но что делать с теми электродами, на которые грязь откладывается? Густое, жирное, волокнистое отложение пристанет к ним не хуже любой краски. Быть может, это вещество и следует использовать как краску, закрепляя полученное таким образом покрытие горячей сушкой? Пожалуй, мысль о совмещении общественной бани с цехом окраски автомобильных кузовов, где продукт коллективной помывки будет использован в качестве краски, нужно оставить: слишком бедна окажется цветовая гамма автомобилей. Скорее всего осажденную на электродах грязь придется соскребать и продавать на плантации шампиньонов[3]3
  Следует заметить, что отмывание грязи – не только физический, но и химический процесс, связанный, например, с омылением эфиров и превращением детергента из соли в свободную кислоту или соль кальция или магния, плохо растворимую в воде, так что детергент может быть сам подвергнут электролизу и частичному растворению. Поэтому метод, предложенный Дедалом, вряд ли поможет нам добиться «сверкающей чистоты». – Прим. ред.


[Закрыть].

New Scientist, July 20, 1978

Электрофорная детская ванна КОШМАР безукоризненно отмывает младенца. Его нежную кожу не нужно тереть мочалкой.

Из записной книжки Дедала

На положительном электроде – грязь, которую предстоит удалить. Поверхностному натяжению пленки, уже ослабленному за счет адсорбции молекул детергента (а), противодействуют силы отталкивания, создаваемые поверхностным положительным зарядом; в конце концов положительно заряженные частицы грязи (б) покидают электрод и движутся в суспензии (в) к отрицательному электроду. На отрицательном электроде (г) положительный заряд нейтрализуется. Капелька сливается с пленкой грязи (д), вследствие уменьшения площади поверхности молекулы детергента выталкиваются из пленки и мигрируют к положительному электроду.

Тепловые насосы и штаны с обогревом

Дедал размышляет над проблемой теплой одежды. Нынешняя мода, судя по всему, предлагает решения, менее всего рассчитанные на сохранение тепла тела: минимальное количество тонкой, плотно облегающей одежды, что вряд ли пригодно для холодной погоды. Дедал нашел совершенно новый и термодинамически совершенный выход из положения: одежду с тепловым насосом. Если бы, к примеру, наши тонкие джинсы забирали тепло от окружающего воздуха, допустим при 10°С, и подводили его к телу при температуре 36°С, то эти джинсы были бы теплее любых самых экстравагантных меховых штанов. В то же время при такой скромной разности температур тепловой насос может перекачивать в виде тепла по меньшей мере в десять раз больше энергии, чем потребуется для его приведения в действие. Предлагаемое Дедалом устройство в значительной мере основывается на современных принципах капиллярно-волоконных теплообменников. Химики-технологи фирмы КОШМАР пытаются получить капиллярные волокна методом вибрирующей фильеры, добиваясь регулярного чередования перетяжек и сужений. Особый интерес представляют асимметричные перетяжки, которые могли бы играть роль клапанов одностороннего действия. Как только удастся получить капиллярное волокно с чередующимися сужениями и односторонними клапанами, его начнут производить в атмосфере паров фтористоуглеродных соединений. Внутри капилляра фтористоуглеродное соединение (которое, как рабочее тело теплового насоса, будет иметь оптимальную летучесть) частично сконденсируется.

Заполненное летучей жидкостью капиллярное волокно необходимо соткать в махровую ткань типа полотенечной. При достаточно аккуратном переплетении чередующиеся сужения и клапаны окажутся в плоскости основы, а петельки трубчатого волокна будут выступать по обе стороны ткани. Представьте теперь, что из этой ткани сшиты штаны. При малейшем движении их владельца волокна ткани будут изгибаться, изменяя тем самым внутренний объем каждой петельки наподобие манометрической трубки Бурдона. Соответственно каждая петелька станет действовать как крошечный перистальтический насос. Пары фтористоуглеродного соединения, содержащиеся внутри петельки на лицевой стороне, будут сжиматься и проходить через односторонний клапан в изнаночные петли, где произойдет их конденсация в жидкость, а тепло, соответствующее скрытой теплоте конденсации, перейдет на кожу человека. При обратном движении объем и лицевых петельках увеличится и жидкость из изнаночных петель станет перетекать через сужения в лицевые петли, где она вновь испарится, отбирая тепло от окружающей среды. Таким образом, любое движение хозяина этих необыкновенных брюк должно приводить в действие тепловой насос. На каждую калорию энергии механического движения тепловой насос может перекачивать до десяти калорий тепла. Штаны компании КОШМАР блестяще разрешат противоречие между удобством и модой. Самые обычные движении – ходьба или даже просто дыхание – будут прекрасно согревать человека, что позволит сэкономить много киловатт дорогостоящего центрального отопления. Более того, использование одежды с тепловым насосом может привести к совершенно неожиданным результатам, поскольку в этом случае при каждом движении тело человека получает больше энергии, чем расходует. К примеру, любители бега трусцой, нарядившись в новую одежду, рискуют набрать лишний вес!

New Scientist, February 28, 1980

Из записной книжки Дедала

Термодинамические принципы одежды с тепловым насосом. Производительность теплового насоса (отношение количества теплоты, переданной телу, к затраченной работе) в идеальном случае равна а=Т_вых/(Т_вых-Т_вх), где Т_вых и Т_вх – температуры соответственно на выходе и на входе насоса. Принимая Т_вых = 36°С = 309°К, Т_вх = 10°С = 283°К, получим а = 12,3 Дж/Дж. На практике это значение недостижимо, но даже и 10 Дж тепла на 1 Дж механической работы – это очень неплохо. В качестве рабочего тела, по-видимому, лучше всего использовать фреон-114 (дихлортетрафторэтан), который кипит при 4°С. Для полярной одежды, однако, больше подойдет хлортрифторэтилен (Т_кип = –28°С).

Изготовление волокна. В технологии химических волокон, как правило, единственным надежным советчиком может быть только опыт. Но, если повезет, резкий отброс фильеры назад даст на волокне сужение:

а при резком движении вперед получится односторонний клапан:

При помощи пьезоэлектрических вибраторов можно добиться любого заданного движения фильер, так что желаемого результата наверняка удастся достичь.

Действие теплового насоса. Насколько эффективными окажутся «петельчатые» тепловые насосы? Боюсь, что эффективность их невелика – только резкое изгибание основы (на складках, крупных суставах и т. д.) приведет к существенному изменению объема лицевых петель. Лучше, пожалуй, ткать петельчатую ткань таким образом, чтобы каждая петелька имела излом; тогда при малейшем изгибе основы ткани излом будет перемещаться по петельке, превращая ее в настоящий перистальтический насос. Еще эффективнее может оказаться косое перемещение волокна, вызываемое трением ткани о кожу. Поскольку такие движения охватывают большую площадь, общее количество перекачиваемого тепла будет гораздо больше и к тому же распределится более равномерно. Неважно, что изломы будут перемещаться, открываться и закрываться совершенно произвольным образом: односторонние клапаны обеспечат перекачивание жидкости в требуемом направлении.

Еще одно достоинство. Мы инстинктивно потираем те участки тела, которые мерзнут. При этом лицевые петли ткани разглаживаются и действие теплового насоса становится особенно интенсивным. Соответственно это будет эффективно согревать обладателя такой одежды даже в сильный мороз[4]4
  К сожалению, проблема кпд теплового насоса до сих пор вызывает горячие споры (см., например, книгу [2], с. 268–275), кроме того, пережать капилляры простым трением руки, как предлагает Дедал, вряд ли возможно [3]. Инстинктивно потирая мерзнущие участки тела, едва ли можно пережать капилляр. – Прим. ред.


[Закрыть]. Нужно отметить, что для экспериментальной проверки рассмотренной здесь идеи больше подойдут не брюки, а носки и перчатки, поскольку они защищают конечности, которые замерзают особенно быстро и вместе с тем наиболее подвижны.

Усмирение кильватерной струи

Дедал размышляет над тем печальным фактом, что коэффициент полезного действия любого средства передвижения равен нулю. Действительно, на перемещение автомобиля, самолета, корабля затрачивается энергия, однако в пункте назначения энергия транспортного средства ни на йоту не больше, чем там, откуда мы начали путь. Вся затрачиваемая энергия превратилась в пути в бесполезное тепло. Основная причина потерь энергии кроется в сопротивлении среды, где движущийся транспорт оставляет за собой след в виде воздушных или водяных вихрей. Дедалу пришло в голову, что, создав впереди траспортного средства дополнительные вихри, равные по силе существующим, но противоположно направленные, можно полностью успокоить среду. К сожалению, рассчитать заранее такие искусственные возмущения, которые необходимо создать перед движущимся транспортным средством, было бы слишком трудно. Придется установить позади транспортного средства датчики, регистрирующие остаточную турбулентность и управляющие действием генераторов вихрей, установленных впереди. При помощи соответствующей самообучающейся системы можно было бы добиться такого положения, когда показания датчиков близки к нулю. Такую задачу нетрудно решить, используя обратную связь с временной задержкой (поскольку пройдет какое-то время, прежде чем транспортное средство догонит и уничтожит возникающие перед ним вихри).

Поначалу Дедал был ошеломлен: подобный проект приводил к удивительным результатам. С одной стороны, антитурбулентный корабль (или любое другое транспортное средство) расходует дополнительную энергию на приведение в действие генераторов вихрей. С другой стороны, рассеяние энергии в среду отсутствует, так как за кораблем не остается никаких возмущений. Куда же девается энергия? Дедал пришел к выводу, что генераторы вихрей ускоряют судно: искусственно созданные волны и вихри, которые гасят турбулентные потоки позади судна, неизбежно должны сообщать ему ускорение, направленное вперед. Более того, отсутствие кильватерной турбулентности означает, что такой способ передвижения практически не требует энергетических затрат: мощность, затрачиваемая на создание вихрей впереди судна, идет на его ускорение[5]5
  Рассуждения Дедала полностью справедливы. Следует отметить, что именно строгая оценка потерь, связанных с образованием волн и вихрей, в значительной степени обусловила появление судов на подводных крыльях. Приоритет советских ученых в создании «безвихревых» судов бесспорен. – Прим. ред.


[Закрыть]. Открываются огромные резервы экономии. Флот Дедала, движимый вынесенными вперед ластами и плавниками, будет легко скользить по воде, оставляя за собой ровную гладь. Спутный след самолета, кильватерная струя корабля, возмущения воздуха, производимые автомобилем, будут специально создаваться перед ними и тут же превращаться в полезную работу. Даже шум можно будет обратить на пользу.

New Scientist, August 15, 1968

Комментарий Дедала

 
У вихрей-гигантов есть вихри-нахлебники,
У вихрей-нахлебников – вихрики-детки,
И так продолжается это вращение,
Пока не поглотит все вязкое трение.
 

Это стихотворение Л. Ф. Ричардсона, в котором подведен итог его классической работы 1920 г. по атмосферным вихрям, должно рассеять наше печальное заблуждение, будто все механические потери неизбежно и необратимо обращаются в тепло. Переход упорядоченного механического движения в тепловой (молекулярный) хаос обычно происходит поэтапно, причем на каждом этапе масштабы упорядоченных подсистем становятся все меньше. Второе начало термодинамики позволяет, однако, получать полезную механическую работу на любом этапе, исключая самый последний, когда вся энергия переходит в беспорядочное тепловое движение молекул. В настоящем проекте я предлагаю использовать механическую энергию на нескольких первых стадиях ее рассеяния в вязкой среде, а именно энергию больших волн и макроскопических турбулентностей. Представьте, что мы отсняли с воздуха на кинопленку корабль, идущий по морю, а затем прокрутили фильм в обратном направлении. Мы увидим, что носовая волна и кильватерная струя движутся к судну, а дойдя до него, полностью гасятся. Корабль как бы движется по неспокойному морю, используя энергию волн для продвижения вперед. Если оставить в стороне процессы, происходящие на молекулярном уровне, то можно считать, что любое механическое движение обратимо во времени, так что наш «фильм» изображает вполне реальное событие. Генераторы вихрей, установленные впереди антитурбулентного корабля, должны создавать именно такую картину сходящихся волн и вихрей, какую мы видим при обратном движении пленки. Нам не удастся вернуть лишь энергию, израсходованную на вязкое трение и трение скольжения. Поэтому антитурбулентный корабль – в полном согласии со вторым началом термодинамики! – оставит за собой спокойную воду при чуть-чуть более высокой температуре.