Текст книги "Солнечное вещество (сборник)"

Автор книги: Матвей Бронштейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 12 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

Гелий на войне

Осенью 1914 года в северной Франции шли ожесточённые бои. Французы, англичане и бельгийцы медленно отступали под напором германских армий.

Однажды на рассвете английские сторожевые самолёты заметили в небе германский цеппелин[13]13
  Тип жёстких дирижаблей немецкой фирмы «Люфтшиффбау Цеппелин ГмбХ». (Прим. изд.)


[Закрыть], который плыл прямо на них, очевидно, направляясь к Парижу. О появлении цеппелина лётчики немедленно донесли в штаб, и английская зенитная артиллерия встретила неприятельский воздушный корабль зажигательными снарядами.

Зажигательные снаряды – это самое верное средство истребления дирижаблей. Как только такой снаряд попадает в оболочку дирижабля, водород, которым наполнена оболочка, мгновенно вспыхивает, и дирижабль сгорает, как солома. Из ста двадцати трёх цеппелинов, построенных в Германии во время мировой войны, сорок погибло от зажигательных снарядов.

Но на этот раз цеппелин не сгорел. Снаряд пробил прорезиненную ткань оболочки, и раненый дирижабль, медленно истекая газом, поплыл обратно.

Англичане недоумевали. Водород – горючий газ, водород воспламеняется от малейшей искры. Что же произошло? Отчего водород не вспыхнул? Военные специалисты долго обсуждали удивительное происшествие, но никто не мог догадаться, в чём дело.

Загадка оставалась загадкой.

Наконец британское адмиралтейство получило письмо от химика Ричарда Трелфолла, которому удалось найти решение этой головоломки.

«Я полагаю, – писал Трелфолл, – что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий, и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием. Гелий очень лёгкий газ, всего лишь в два раза тяжелее водорода. Значит, дирижабль, наполненный гелием, мало чем уступит в подъёмной силе дирижаблю, наполненному водородом[14]14
  Многие читатели, вероятно, сочтут это рассуждение неправильным. Может ли быть, что подъёмная сила гелия всего на несколько процентов меньше подъёмной силы водорода? Ведь гелий тяжелее водорода в два раза.
  Но проделаем математический расчёт.
  Известно, что водород в четырнадцать с половиной раз легче воздуха. Предположим, что мы наполнили оболочку дирижабля водородом такого же давления и такой же температуры, как окружающий воздух. Примем вес этого количества водорода за единицу. Это значит, что тяжесть тянет водород к земле с силой, которая равна 1. А окружающий воздух, по закону Архимеда, будет выталкивать тот же самый водород вверх с силой, равной 14,5 (весу вытесненного воздуха). Останется в результате подъёмная сила 14,5−1=13,5.
  Если же наполнить эту оболочку не водородом, а гелием, то вес его будет равен не 1, а 2. А сила, с которой окружающий воздух стремится вытолкнуть дирижабль вверх, по-прежнему равна 14,5. Значит, подъёмная сила будет равна 14,5−2 = 12,5, т. е. на 1 меньше, чем 13,5. А единица составляет всего только 8 % от 13,5. Поэтому и подъёмная сила гелия как раз на 8 % меньше подъёмной силы водорода.


[Закрыть]. А в других отношениях гелий имеет огромные преимущества перед водородом. Ведь водород охотно присоединяет в себе кислород; потому-то он и воспламеняется так легко. Гелий же не соединяется ни с чем. Невозможно заставить его соединиться с кислородом, – на то он и ленивый газ. Если немецкий цеппелин в самом деле был наполнен гелием, то нет ничего удивительного в том, что зажигательные снаряды не причинили ему большого вреда».

Доводы Трелфолла звучали убедительно. Но у всех, кто прочёл его письмо, оставалось одно сомнение. Гелий – очень редкий газ, а на цеппелин требуется его не меньше чем пять-шесть тысяч кубических метров. Откуда же немецкие инженеры достали его так много? Может быть, они извлекли гелий из минералов, как когда-то извлёк его Рэмзэй? Но минералы, содержащие гелий, не дёшевы. Неужели же немцы раздобыли десятки тысяч тонн монацита или торианита? Да в Германии и нет таких минералов. Монацитовый песок им пришлось бы ввозить из Бразилии, торианит с Цейлона, а время военное. Не нагружать же броненосцы бразильским песком!

Правда, существует другой источник гелия: воздух. Воздух, разумеется, есть и в Германии, его не надо привозить из чужих краёв. Но зато в воздухе гелия очень мало. Холодильная машина системы Линде может в течение одного часа превратить несколько сот кубических метров воздуха в жидкость. Из этого жидкого воздуха можно извлечь два-три литра гелия. Два-три литра гелия в час, – сколько же это составит в год? Не очень много: кубометров двадцать – двадцать пять. Чтобы наполнить небольшой цеппелин, холодильная машина Линде должна была бы работать несколько сот лет без перерыва. Можно, конечно, построить несколько сот холодильных машин и заставить их работать всего только год. Но и это не очень выгодно. Ведь машины дорого стоят; не дёшево обойдётся и топливо, которое нужно затратить, чтобы приводить в движение насосы, качающие в машину воздух. Добыча гелия для одного цеппелина обошлась бы в огромную сумму денег. Вряд ли во время войны, когда на счету каждая копейка, немцы могли решиться на такой большой расход.

Ясно, что немцы добыли гелий как-то иначе. Значит, в природе существуют какие-то другие источники гелия, более богатые, чем воздух и минералы. Что же это за источники?

Опять ищут гелий

Британское адмиралтейство созвало совещание специалистов. Были тут и химики, и физики, и геологи. Долго обсуждали они вопрос о том, какие существуют в природе источники гелия. Наконец кто-то из них вспомнил об одной статье, которую написали в 1907 году американские химики Кэди и Макфарланд.

Кэди и Макфарланд произвели химический анализ «природных газов», которые были найдены искателями нефти вблизи городка Декстер в штате Канзас.

«Природными газами» называются газы, бьющие из трещин земной коры. Газовые фонтаны – явление довольно обычное в тех местах, где в земле есть нефть. Большею частью это горючие газы: их можно употреблять на освещение и отопление, а можно и добывать из них разные ценные вещества – фенол, бензол, нафталин, антрацен и другие.

Кэди и Макфарланд изучили присланный им из Декстера газ. Опыты показали, что полтора процента в нём – гелий.

С тех пор и во многих других местах, богатых нефтью, химики не раз находили гелий в бьющих из-под земли «природных газах».

Долгие годы никому не приходило в голову использовать гелий для практических надобностей, и потому люди не уделяли достаточного внимания газам, содержащим гелий. Но в 1914 году английские химики указали адмиралтейству, что из таких газов извлекать гелий дешевле и проще, чем из монацитовых песков и из воздуха.

Быть может, немцы добыли гелий для своего цеппелина не из природных газов, а как-нибудь иначе, – установить это с полной достоверностью было нельзя, – но самая мысль о возможности добывать гелий из природных газов заинтересовала английское командование.

Адмиралтейство обратилось к химикам и геологам Англии и английских владений – Канады, Австралии, Новой Зеландии – с предложением немедленно приступить к самым тщательным поискам гелия в природных газах. Гелий приобрёл неожиданную ценность. За гелием стали охотиться. Наконец канадскому физику Мак Леннану, исследовавшему различные нефтяные газы в Канаде, посчастливилось найти в них гелий. В 1918 году по поручению британского адмиралтейства он построил небольшой опытный завод вблизи города Гамильтон (Онтарио, Канада) для добычи гелия из природных газов. Несколько тысяч кубических метров гелия уже были готовы к отправке в Европу, когда война неожиданно прекратилась и весь этот добытый гелий оказался ненужным.

Лучший газ для дирижаблей

Только в 1930 году англичане впервые наполнили дирижабль гелием. Это был огромный дирижабль «R-100».

Он вылетел из Англии в Канаду наполненный водородом, а вернулся оттуда наполненный гелием.

Канада и до сего времени[15]15
  По данным на время написания книги. (Прим. изд.)


[Закрыть] остаётся единственным источником гелия для английского воздушного флота. Сколько именно гелия добывается в Канаде, англичане тщательно скрывают. Известно только, что большинство английских дирижаблей до сих пор наполнено водородом, – значит, гелия в Канаде не очень много.

А много ли гелия в других странах?

В большинстве государств гелия нет совсем. Особенно озабочены отсутствием гелия немцы и японцы. Японцы пробовали было добывать гелий из монацитовых песков в провинциях Секидамеи и Исикава, но скоро оставили эту невыгодную затею. В японском монацитовом песке очень мало гелия, – так мало, что для наполнения гелием большого современного дирижабля надо переработать больше миллиона тонн этого песка.[16]16
  Японские профессора химии Танака и Нагаи, отчаявшись в возможности достать для японских дирижаблей гелий, пошли по совершенно другому пути. Они стали думать, нельзя ли прибавить к водороду такую примесь, чтобы он сделался невоспламеняемым. С помощью примесей им действительно удалось сфабриковать несгораемый водород. Но оказалось, что подъёмная сила несгораемого водорода на несколько процентов меньше, чем подъёмная сила гелия. Поэтому такой несгораемый водород (химики называют его «флегматизованным» водородом) мало пригоден для дирижаблей.


[Закрыть]

Немцы во время войны, как об этом правильно догадался английский химик, в самом деле добывали гелий. Но не из природных газов, – газов, богатых гелием, в Германии нет.

Чтобы достать гелий, немцы пустились на хитрость: в течение нескольких лет перед войной все немецкие пароходы, возившие товары в Индию и в Бразилию, возвращались оттуда, гружёные вместо обычного балласта монацитовым песком. В Германии скопилось 5 тысяч тонн монацитового песка. Из этого песка немецкие химики добыли несколько тысяч кубометров гелия. Кроме того, они нашли гелий в воде минерального источника в курорте Наухейм. Из этого источника немцы ежедневно добывали 70 кубических метров гелия. Это составляет всего 25 тысяч кубометров в год. А на большой современный дирижабль требуется не меньше 100 тысяч кубометров.

Гелия для военных дирижаблей не хватало. А к концу войны и наухеймский источник иссяк. С тех пор у немцев нет больше своего гелия.

Не испытывают недостатка в гелии только Соединённые Штаты Америки. Это единственное в мире государство, обильное природными источниками гелия. Но добывать этот гелий для наполнения дирижаблей американцы принялись лишь после того, как вступили в войну с Германией. Ещё в 1916 году во всех американских лабораториях, вместе взятых, не было даже и одной десятой части кубического метра гелия. Гелий можно было купить только в самых ничтожных количествах, да и то по баснословной цене: двести тысяч золотых рублей за кубический метр.

Только в 1917 году, после вступления Америки в войну, был построен завод для добычи гелия в городе Форт-Уорс в штате Канзас. Но война очень скоро прекратилась. Американцы, как и англичане, не успели воспользоваться гелием для военных целей. И всё-таки они продолжали добывать его. А в сентябре 1923 года им наконец удалось накопить несколько десятков тысяч кубометров гелия. Этим гелием американцы наполнили дирижабль «Шенандоа».

Дирижабль «Шенандоа» некоторое время был единственным в мире гелиевым воздушным судном. Но он просуществовал недолго. В сентябре 1925 года, всего лишь через два года после того, как его впервые наполнили гелием, дирижабль «Шенандоа» был уничтожен бурей. И вместе с ним погиб весь накопленный гелий. 55 тысяч кубических метров драгоценного газа бесследно растеклись по воздуху.

Дирижабль «Шенандоа»

Почти весь запас гелия, добытый к этому времени людьми на всём земном шаре, погиб во время бури, продолжавшейся полчаса.

Гибель «Шенандоа» – второго по величине дирижабля в то время – не остановила американцев. Они продолжали строить большие дирижабли, продолжали наполнять их гелием. Завод в Форт-Уорсе был расширен, и вскоре добыча гелия дошла до нескольких десятков тысяч кубометров в месяц. А в 1929 году в штате Тексас[17]17
  Техас. (Прим. изд.)


[Закрыть], в окрестностях городка Амарильо, были найдены новые бьющие из-под земли природные газы, ещё более богатые гелием, чем в Канзасе. И конгресс США постановил устроить в Амарильо второй правительственный гелиевый завод.

Химики, геологи, инженеры съехались в Амарильо, чтобы изловить гелий, растекающийся по воздуху, собрать его, не позволить ему пропадать зря. Они проложили в земле газопровод длиною в 18 километров и через эту стальную трубу начали выкачивать насосами газовые струи, бьющие из-под земли. Они построили заводские здания и поставили в них сложные аппараты, которые очищали гелий от примесей, сжимали его до давления в полтораста атмосфер и загоняли в прочные стальные баллоны специальных вагонов-цистерн.

Через несколько месяцев в огромный воздушный порт Лейкхерст в штате Нью-Джерзи[18]18
  Нью-Джерси. (Прим. изд.)


[Закрыть] стали прибывать транспорты гелия, добытые на Дальнем Западе, в новой «гелиевой столице мира» – Амарильо. К высокой причальной мачте лейкхерстского эллинга[19]19
  В воздухоплавании – сооружение, предназначенное для постройки, хранения, технического обслуживания и ремонта дирижаблей и аэростатов. (Прим. изд.)


[Закрыть] слетаются воздушные суда. В теле мачты проложен трубопровод, по которому снизу подаётся гелий. Дирижабли жёсткой системы, дирижабли мягкой системы, мелкие и крупные, военные и коммерческие, отяжелев после долгого плавания по воздуху, летят к лейкхерстской мачте, чтобы набрать гелия и стать лёгкими и подвижными, как раньше. Даже «Акрона» и «Мэкон», самые большие дирижабли в мире[20]20
  Этих дирижаблей теперь уже нет: оба они погибли во время бури. Построенная в 1932 году «Акрона» (ZRS-4) была уничтожена бурей в апреле 1933 года. Построенный в 1933 году «Мэкон» (ZRS-5) утонул в море в феврале 1935 года.


[Закрыть], вместимостью в 185 тысяч кубических метров, не раз вынуждены были восстанавливать свои силы гелием из лейкхерстской мачты. Не наполнять же оболочки гигантских дирижаблей старомодным газом водородом! Водород ненадёжен: он может вспыхнуть от случайного удара молнии. Никакая страховая компания не согласилась бы застраховать такой дирижабль, как «Акрона» или «Мэкон», если бы он был наполнен водородом. Да и пассажиров нельзя было бы уговорить полететь на таком дирижабле. Не очень-то приятно путешествовать, когда над головой висят сотни пудов легковоспламеняющегося газа. Другое дело – гелий. Он безопасен, он не хочет соединяться с кислородом, а потому не взрывается, не горит и даже не тлеет.

Дирижабль «Акрона»

Гелий – самый лучший газ для пассажирских дирижаблей. О военных дирижаблях и говорить нечего. Стоит одной маленькой зажигательной пуле пробить оболочку водородного дирижабля – и дирижабль погиб. А гелиевый дирижабль не погибнет, даже если его оболочка будет насквозь пробита снарядом. Он выйдет из боя и благополучно доберётся до воздушной базы, прежде чем гелий успеет вытечь из пробоины.

Есть из-за чего отправлять геологические экспедиции, строить машины для добычи благородного газа!

Теперь в Соединённых Штатах Америки построено уже несколько гелиевых заводов; из них часть принадлежит государству, а другая часть фирме «Компания гелия».

Кубический метр гелия в Соединённых Штатах можно теперь купить всего лишь за два-три рубля золотом (кубический метр водорода стоит 18 копеек)[21]21
  По данным на время написания книги. (Прим. изд.)


[Закрыть].

Гелием наполнен большой пассажирский дирижабль «Лос-Анджелес» (70 тысяч кубических метров) и все мелкие военные дирижабли. Соединённые Штаты добывают гелия гораздо больше, чем требуется его для американского воздушного флота. Но хотя у Соединённых Штатов гелий имеется в избытке, американское правительство до самого последнего времени строго запрещало вывозить его в другие страны – оно боялось, что гелием будут наполнять чужие военные дирижабли. Только в редких, исключительных случаях американское правительство разрешало отпускать небольшое количество гелия иностранным учёным для лабораторных работ. Впрочем, не так давно американское правительство разрешило «Компании гелия» продать Германии значительное количество несгораемого газа (полтораста тысяч кубических метров) для наполнения огромного цеппелина «LZ-129», постройка которого была закончена в 1935 году. Однако и теперь ещё для вывоза гелия из Соединённых Штатов каждый раз требуется специальное разрешение правительства.

Судьба солнечного вещества

У гелия была судьба необыкновенная, непохожая на судьбу других веществ.

Другие вещества люди находили у себя на планете – в горных породах, в рудах, в минералах, в почве, в воде, в воздухе. Химики очищали добытые вещества от примесей, взвешивали на весах, запирали в свои реторты и колбы. Всякое новое вещество, попавшее к ним в руки, химики тщательно исследовали, чтобы убедиться, в самом ли деле оно отличается от других, прежде известных веществ.

И только у гелия была судьба иная. Гелий открыли и начали изучать задолго до того, как химикам удалось залучить его к себе в лабораторию, подержать в руках, подвергнуть опытам.

Гелий был открыт не на Земле, а на Солнце.

Пассажиры большого удобного дирижабля, наполненного безопасным газом гелием, вряд ли вспоминают теперь человека, который когда-то отправился на корабле в далёкую Индию и был так счастлив, когда впервые разглядел гелий в трубу спектроскопа на расстоянии 150 000 000 километров от Земли.

Этому человеку поверили не сразу. На свете есть много людей, для которых существует только то, что можно потрогать руками, взвесить на весах, оценить в рублях и в копейках.

А может быть, никакого гелия вовсе и нет на свете? – говорили скептики. Может быть, спектроскоп ошибся, и новое вещество – это только выдумка фантазёра-астронома?

Прошли годы. Гелий оказался не выдумкой. Великий химик Рэмзэй нашёл его и на Земле – в минерале клевеите и в атмосферном воздухе. Гелий уже стало возможно держать в руках, испытывать и взвешивать.

Кто же открыл гелий и его замечательные свойства? Астрономы Жансен и Локайер, химик Рэмзэй, физик Крукс или, может быть, Кирхгоф и Бунзен, построившие первый прибор для изучения состава небесных светил? Или, может быть, великий физик Ньютон, впервые разложивший солнечный луч на семь цветов радуги? Или Генри Кэвендиш, обнаруживший в азоте таинственный пузырёк – ещё не разгаданную смесь аргона, неона, криптона и гелия?

Да, все они вместе, помогая друг другу, завоевали солнечное вещество. И не они одни: разве возможно было бы завоевание гелия без инженеров и физиков, которые изобрели машину для превращения воздуха в жидкость? Без геологов, которые научились добывать солнечное вещество из недр земли? И, наконец, без тех многочисленных механиков и оптиков, которые вооружили физику точнейшими измерительными приборами?

Открытие гелия – это победа четырёх наук: физики, астрономии, химии, геологии.

Приложения

Открытие солнечных выступов

Учёные убедились в существовании солнечных выступов – протуберанцев – только во время испанского затмения 1860 года. Правда, и раньше, до 1860 года, некоторые наблюдатели утверждали, что на поверхности Солнца существуют огненные выступы. Но их показаниям не доверяли.

Первым астрономом, обратившим внимание на солнечные выступы, был англичанин Бэйли. Он наблюдал полное солнечное затмение в 1842 году в итальянском городе Павии. В описании затмения, которое составил Бэйли, говорится:

«Лучистая корона, окружавшая диск Луны, была прорезана тремя огромными огненными выступами пурпурного цвета. Выступы казались неподвижными. Они были похожи на снежные вершины Альп, озарённые кроваво-красными лучами заходящего Солнца. Что это за выступы? Огненные горы? Или облака?»

Когда статья Бэйли была опубликована, мнения астрономов разделились. Одни полагали, что огненные выступы – это высокие горы на Луне, освещённые косыми солнечными лучами, другие – что это горы на Солнце, третьи – что это огненные облака в солнечной атмосфере. Но большинство астрономов было твёрдо уверено в том, что огненные выступы – не что иное, как оптический обман, ошибка утомлённого зрения.

В 1851 году в Европе снова происходило солнечное затмение. Астроном Шмидт наблюдал его в городке Растенбург в Восточной Пруссии. Шмидт, как и его предшественник Бэйли, увидел огненные выступы. При этом ему даже удалось разглядеть, что во время затмения очертания выступов не оставались неподвижными, а постепенно менялись. Отсюда Шмидт сделал важные выводы:

«Протуберанцы, – писал он, – это не горы, потому что во время затмения их форма меняется. Они принадлежат не Луне, а Солнцу, потому что диск Луны, сползая с солнечного диска, не тянет их за собою, а надвигается на них и заслоняет их. Вернее всего, протуберанцы – это раскалённые газовые облака, плавающие в атмосфере Солнца».

Шмидт был опытным наблюдателем. Не было оснований не верить его утверждениям. И всё-таки большинство астрономов и после Шмидта по-прежнему продолжало считать огненные выступы обманом зрения. В подлинное существование выступов учёные поверили, наконец, только во время затмения, которое происходило 18 июля 1860 года. В этот день многие астрономы – Темпль, Оом, Румкер, Льюис, Плантамур и другие – увидели своими глазами солнечные выступы и зарисовали их. А двум астрономам – Деларю и Секки – удалось не только зарисовать выступы, но и сфотографировать их. Разумеется, после этого ни у кого уже не оставалось сомнения в том, что солнечные выступы действительно существуют.

Спектр солнечных выступов

Во время затмения 1860 года, когда Деларю и Секки фотографировали солнечные выступы, спектроскоп уже был изобретён.

Но никому тогда и в голову не пришло воспользоваться этим изобретением, чтобы рассмотреть спектр солнечных выступов. И только после того, как затмение кончилось, астрономы спохватились. Но было уже поздно. Случай был упущен. Аследующее солнечное затмение ожидалось только через восемь лет, 18 августа 1868 года. Не удивительно, что астрономы всего мира деятельно готовились к этому дню. В Индию, где должно было происходить затмение, отправились три экспедиции: английская (астрономы Гершель и Теннант), американская (астроном Погсон) и французская (астрономы Райе и Жансен). На этот раз астрономы захватили с собой спектроскопы.

Все они увидели в спектре одно и то же: несколько линий водорода и какую-то жёлтую линию. Астрономы, наблюдавшие затмение, приняли её за линию натрия. Один только Жансен установил, что это не натрий, а новое, ещё не известное вещество. Да и он понял это не во время затмения, а только на следующий день, когда имел возможность спокойно, не спеша, измерить положение спектральных линий.

Дело в том, что изо всех астрономов один только Жансен сообразил, что торопиться незачем, потому что солнечные выступы можно будет рассмотреть в спектроскоп и на другой день, при полном блеске Солнца. Пускай сами эти выступы и не будут тогда видны, оттого что их затмит блеск небесного свода, как затмевает он в дневное время звёзды, но спектроскоп и при полном блеске Солнца уловит и разложит лучи солнечных выступов на цветные линии. Только для этого понадобится спектроскоп с очень большой дисперсией, то есть такой спектроскоп, в котором спектр растягивается на очень большую длину.

Растяжение спектра достигается тем, что на пути световых лучей в спектроскопе поставлена не одна, а много призм. Проходя сквозь ряд призм, веер лучей разворачивается всё больше и больше.

В таком спектроскопе спектральные линии солнечных выступов должны быть отчётливо видны, потому что затмевающие их лучи небесного свода окажутся ослабленными во много раз.

Когда лучи небесного свода попадают в спектроскоп с большой дисперсией, их сплошной, многоцветный спектр растягивается на такую большую длину, что становится бледным, еле видимым. На этом ослабленном, как бы размытом фоне ясно выступают тонкие разрозненные спектральные линии солнечных выступов.

Жансен рассмотрел эти линии, измерил их положение в спектре и обнаружил, что жёлтая линия принадлежит новому, ещё неизвестному веществу.