Помоги проекту - поделись книгой:
Я не сомневаюсь, что в дальнейшем их будет найдено еще много, столь же неожиданных и не менее многообещающих. Но не надо ждать, что их будет давать сам исследователь. Эти идеи должны быть и будут появляться как результат сотрудничества и интереса к взаимной работе людей с творческим воображением, работающих над развитием самых разнообразных отраслей нашей жизни. Поднять интерес к науке и сделать ее достоянием, более доступным для большего круга работников нашей страны, — необходимое условие для наиболее быстрого использования новых завоеваний науки. Наука для своего внедрения тоже требует пропаганды. У нас в стране с этой задачей лучше всего должна была бы справиться Академия наук.
КИСЛОРОД
Я думаю, что вы оцените ту трудность, которая стояла передо мной при выборе темы моего доклада. Я знаю, что вас учат общественным наукам, экономике, истории. Но вас не учат технике и ее основе — физике. Вполне понятно, что вы даже подзабыли ту физику, которую учили в средней школе. Поэтому я выбрал для своей сегодняшней лекции не научную тему, а более общую — о кислороде, и предполагаю вам рассказать о том, как в лаборатории у ученых родилась одна интересная научная проблема и как постепенно из небольших лабораторных опытов она перешла в технику и промышленность и как, наконец, начала оказывать большое влияние на экономику всего народного хозяйства. На этом примере мне хотелось наглядно показать, как наука влияет на рост культуры страны.
Иллюстрацией аналогичного процесса может служить следующий уже хорошо известный пример, когда маленькое, ничтожное, на первый взгляд, наблюдение ученого привело к большим практическим последствиям. Не так уж давно, не многим больше столетия прошло с того дня, когда итальянский врач Гальвани, подвешивая к металлическим перилам своего балкона лапки лягушки, над которой он экспериментировал, заметил, как мышцы лягушачьей лапки пришли в судорожное движение без всякого постороннего воздействия электризации, но просто от прикосновения к мышцам двух разных металлов.
Подобное сокращение, но под действием электрических разрядов было уже известно и неоднократно наблюдалось. Более проницательный, чем Гальвани, Вольта первым понял, что итальянский медик открыл новый источник электричества — электрохимический элемент. Правильно истолковав наблюдения Гальвани и продолжая его работы, Вольта в 1799 г. создал свой знаменитый «вольтов столб», состоящий из ряда медных и цинковых дисков, разделенных пропитанными кислотой кусками фланели, и дающий уже значительную электродвижущую силу. Таким образом был создан источник постоянного электрического тока, что дало возможность изучать его физические свойства.
Рядом ученых только за один XIX в. были открыты все основные электромагнитные явления, вызываемые электрическим током, и создана их теория. Как вы, вероятно, знаете, это открыло путь к созданию мощных источников электрической энергии и ее широкому использованию в технике и народном хозяйстве.
Сейчас для всех ясно, что мы не можем мыслить нашу жизнь без использования электрического тока. С исторической точки зрения современная электротехника молода, она в основном развивалась за одно столетие, при ее зарождении присутствовали наши деды. История использования кислорода, о которой я буду рассказывать, происходит на наших глазах и еще не завершена. Здесь тоже наглядно видно, как научное открытие, родившееся в лаборатории, начинает оказывать все возрастающее влияние в технике и в народном хозяйстве. Я выбрал эту проблему как тему для доклада, так как сам активно принимал участие во внедрении кислорода в промышленность.
Газ кислород как составная часть воздуха был открыт давно. Во второй половине XVIII в. почти одновременно в Швеции — Шееле, в Англии — Пристли и во Франции — Лавуазье установили, что кислород поддерживает горение, и назвали его первоначально «огненным» или «жизненным» воздухом. Впоследствии Лавуазье изменил его название на «кислород» в знак того, что он образует кислоты со многими горючими веществами (фосфорную кислоту с фосфором, углекислоту с углем и т. д.). Вскоре было выяснена в больших подробностях значение кислорода для жизни человека и стало известно, что когда человек заболевает и ему трудно дышать, ему помогает кислород. Во времена Лавуазье химики добывали кислород из перекиси марганца, которая находится в природе. Несколько позднее кислород добывали из содержащих его в большом количестве кислот и солей. Пристли и Шееле получали кислород для лечебных целей из хлорновато-калиевой соли, которой было присвоено название по имени открывшего ее французского химика Бертолле — «бертоллетова соль».
Эта соль, сходная по физическим свойствам с обыкновенной поваренной солью и имеющая вид бесцветных прозрачных пластин, при нагревании плавится и, расплавившись, начинает разлагаться, выделяя кислород. Сто граммов бертоллетовой соли дают около 29 литров кислорода. Таким образом полученным кислородом наполняют подушки, с помощью которых поддерживают дыхание тяжелобольных. Это было давно. Получаемый с трудом и в небольших количествах кислород не находил широкого применения. Развитие физики показало, что к получению кислорода следует подойти другим путем.
Самым обильным источником кислорода, несомненно, должен быть воздух, но долгое время он был недоступным человечеству, пока ученые не нашли способ повысить его естественную концентрацию (21%). История того, как это произошло, началась примерно 70 лет тому назад, когда швейцарским физиком Пикте и одновременно с ним французским физиком Кальете удалось ожижить воздух. К тому времени многие газы уже удавалось ожижать, но были и такие, которые еще Фарадей назвал «постоянными», потому что ошибочно считалось, что их вообще нельзя перевести в жидкое состояние. К числу этих «постоянных» газов относился и воздух, поскольку даже при сильном сжатии он не ожижался.
Тогда было выяснено, что для ожижения газа нужно не только достаточно высокое давление, но и достаточно низкая температура — названная критической. Как мы теперь знаем, эта температура для воздуха —141° С при давлении в 32 атмосферы. После ряда попыток найти метод для получения таких низких температур это удалось, наконец, Пикте. В восьмидесятых годах прошлого века, он получил жидкий воздух и наполнил им небольшой сосуд. Это считалось тогда большим научным открытием; Пикте был избран почетным членом разных научных обществ, получил медаль и пр.
Основной помехой при исследованиях было то, что жидкий воздух в то время никак не удавалось сохранить в жидком состоянии. Как только его наливали в сосуд, он быстро испарялся. Никому и в голову не приходило, что эта жидкость, которую нельзя было сохранять, может иметь промышленное значение. Жидкий воздух оставался курьезной новинкой, получение которой было доступно только одной — двум хорошо оборудованным лабораториям в мире. Так продолжалось лет двадцать, пока не было сделано другое открытие, которое сразу изменило положение. Английский ученый Дьюар на основании теоретических соображений пришел к выводу, что вакуум, т. е. пустоту, можно применить для тепловой изоляции.
Теплота передается движением молекул при их столкновении друг с другом. Если молекул мало, то передача тепла затрудняется. Дьюар показал, что если сделать сосуд с полой оболочкой и выкачать из нее воздух и если в такой сосуд положить, например, лед, он долго не будет таять, так как приток тепла через стенки будет очень мал. Такой сосуд по имени Дьюара часто называют «дьюаровским». Эти сосуды теперь вошли в обиход, ими широко пользуются для хранения пищи при высокой или низкой температуре. В обиходе их называют «термосами». В то время установление принципа, на котором основан термос, было большим научным открытием. Благодаря появлению дьюаровских сосудов стало возможным сохранять жидкий воздух, что позволило более подробно изучать его физические свойства.
Примерно в девяностых годах прошлого века англичанин Бейли и немец Линде, изучая жидкий воздух как смесь двух жидких газов — азота и кислорода, — одновременно нашли, что жидкий воздух, когда частично испаряется, обогащается кислородом, и это объясняется тем, что жидкий азот кипит при несколько более низкой температуре, чем жидкий кислород. Исследования показали, что при атмосферном давлении разница в температуре кипения этих двух жидкостей довольно значительна и составляет около 13°. Линде первым понял, что это явление открывает возможность дешевого получения кислорода и может иметь большое практическое значение. Это произошло спустя 25 лет после получения жидкого воздуха.
С незапамятных времен человечеством были использованы процессы разгонки смесей жидкостей, основанные на разнице температур кипения компонентов. Подобный процесс, например, находит себе применение для получения спирта, даже используется в деревне при перегонке самогона. Как известно, этот процесс разгонки также широко используется в нефтяной промышленности.
Линде пришла мысль применить способ разгонки к жидкому воздуху, чтобы отогнать более легко кипящий азот от кислорода. Таким путем в первых же опытах он легко получил довольно чистый кислород. Это открывало возможность получения кислорода не только гораздо более дешевым путем, чем прежний, химический, который использовался для наполнения кислородных подушек для тяжелобольных, но и в больших объемах, определяемых уже не десятками литров, а сотнями и тысячами кубометров. А если так, то, значит, с помощью кислорода можно интенсифицировать не только процесс человеческого дыхания, но и процессы большего масштаба, как например — горение.
Естественно, возникла мысль, что если заставить горючий газ, например, ацетилен, гореть в присутствии одного кислорода без азота, который не принимает участия в реакции горения и является вредной примесью, уносящей тепло, то можно получить значительно более горячее пламя. Опыт показал, что таким высокотемпературным пламенем можно локально плавить любой металл, что дало возможность сплавлять два куска металла без помощи какого бы то ни было легкоплавкого припоя, например, сваривать железо с железом. Так появилась и стала успешно применяться автогенная сварка.
Вскоре после этого был найден и способ автогенной резки металлов. По всей вероятности, вам известно, каких масштабов в промышленности теперь достигли автогенные методы обработки металлов: ни самолет, ни морское судно не могут быть построены без автогенной сварки. И стало это возможным только благодаря тому, что открылась возможность дешево получать кислород, добывая его в больших масштабах непосредственно из воздуха.
Методы разделения жидкого воздуха, впервые предложенные Линде, уже разрабатываются лет пятьдесят. Все время масштабы кислородной промышленности увеличиваются. Например, сейчас в Америке ежегодно потребляется 250 миллионов кубометров кислорода. Это после тех десятков и сотен литров, которые еще в начале века с трудом добывались из бертоллетовой соли...
Естественно, стал возникать следующий вопрос. Мы с пользой интенсифицируем горение, получаем горячее пламя за счет чистого кислорода, подаваемого в рожок автогенной горелки. Но поскольку окислительных процессов в природе очень много, не будет ли полезным их также интенсифицировать?
Почти вся энергетика в природе во всем многообразии ее форм так или иначе связана с окислительными процессами. Дыхание сводится к окислению. За счет получаемой при этом процессе энергии мы работаем и двигаемся, за счет нее поддерживается теплота нашего тела. Так происходит и со всем живым вплоть до большинства простейших бактерий. Но этого мало: 90% нашей техники основано на использовании кислорода. Сжигание бензиновых паров в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, сжигание угля в топках котлов теплоцентралей, в жерле доменной печи, сгорание серного колчедана и еще множество других важнейших технических процессов основано на окислении. Представьте себе, что вслед за интенсификацией дыхания, вслед за интенсификацией пламени горелки сварочного аппарата мы начнем интенсифицировать все процессы в технике, в которых применяется кислород. Какую выгоду это может нам дать для народного хозяйства?
Для ответа на этот вопрос надо провести экономический расчет, для которого нужно знать, во-первых, что в каждом отдельном случае дает интенсификация кислородом и, во-вторых, будут ли при этом оправданы расходы на получение кислорода.
Таким образом, перед нами возникает вопрос: как наиболее дешево можно получать кислород? Наука может на это ответить. Поскольку основная стоимость кислорода определяется энергетическими затратами, то нужно определить, какую минимальную мощность, скажем, какое количество киловатт, необходимо затратить для получения из воздуха 1 м3 кислорода в час. Оказывается, что эта величина очень невелика — это составляет 0,08 квтч. Можно доказать, что меньше этого нельзя затратить, получая кислород из воздуха. Сколько же мы тратим на самом деле? В тех установках, которые сейчас существуют, мы затрачиваем мощность в 15 раз большую, чем теоретически минимальная. Это происходит потому, что существующие методы получения кислорода еще далеко не совершенны. Можем ли мы их сделать более совершенными? Да, можем.
Я не имею возможности здесь подробно говорить об источниках потерь при получении кислорода. Замечу лишь, что когда инженеры знают величину потерь и их причины, они обычно находят пути с ними бороться. Определив стоимость получения кислорода, мы можем определить рентабельность применения кислорода в различных областях техники в данное время. Имея эти данные, мы можем предсказать, что в различных областях нашей промышленности произойдет, когда там станут применять кислород.
Ввиду важности этой проблемы для развития нашей промышленности, создано при СНК СССР специальное учреждение — Главкислород, которым я руковожу. При Главкислороде есть Технический совет, куда привлечены видные специалисты тех отраслей промышленности, где предполагается в первую очередь применить кислород. Руководителем одного из отделов Главка по внедрению кислорода в металлургию является академик И. П. Бардин. Вы все хорошо знаете, что это очень знающий и весьма опытный инженер. В «Бюллетене» Главкислорода помещена его статья на тему применения кислорода в металлургии. Поскольку это область, в которой предполагается начать осваивать применение кислорода, то я остановлюсь на ней более подробно и приведу ряд данных из статьи Бардина.
Например, что дает перевод домны на кислородное дутье? Две домны уже работали на кислороде: одна — в Черноречье, другая около Днепропетровска на ДЗМО. Последняя — это крупная домна, она проработала уже 5—6 месяцев. Но, к сожалению, на самом интересном месте опыты с ней были прерваны из-за эвакуации, связанной с войной. Но уже полученные результаты достаточно интересны. И. П. Бардин с уверенностью приходит к выводу, что если добавлять достаточно кислорода в доменное дутье (пока еще не оказалось возможным перейти на чисто кислородное дутье), за одно и то же время домна станет давать в 3,5—4 раза больше чугуна. Это происходит благодаря тому, что процесс восстановления руды в домне в присутствии кислорода интенсифицируется и поэтому проходит гораздо скорее.
Экспериментаторы, проводившие эти опыты, показали, что обогащение воздуха на 1 % кислородом поднимает производительность домны на 10%. В дальнейшем полученный чугун уже в конверторах или мартенах можно перевести в сталь, тоже применяя кислород. При этом процесс не только значительно интенсифицируется, но в отсутствие азота сталь получается лучшего качества. В будущем это тоже сулит большую экономию.
Положим, говорит Бардин, что наша металлургия будет доведена до уровня американской, т. е. до выплавки 90—100 млн. тонн стали в год. Если мы это сделаем, то экономия по капиталовложениям при условии перевода металлургии на кислород составит 10 миллиардов рублей. Экономия в стоимости чугуна будет примерно 16—17%. При этом, конечно, учитывается, что количество перерабатываемой руды возрастет пропорционально количеству выпускаемой продукции, так как при этом процесс только интенсифицируется, но не изменяется.
Но здесь следует учесть и другой факт, который вас, как экономистов, может заинтересовать. Оказывается, что при интенсификации производства не все решается одной стоимостью продукции, но следует учитывать и трудозатраты.
Приведу вам такой упрощенный пример. Предположим, нам нужно выработать 1 тонну какого-то продукта. Чтобы его произвести, двум рабочим платят по 300 рублей каждому. Таким образом, тонна продукта обходится вам в 600 рублей. Но вот мы механизировали и интенсифицировали процесс производства. Теперь, чтобы произвести то же количество продукта, нужно участие уже не двух, а одного рабочего, но более квалифицированного, чем прежние. Он затратит на это столько же времени, сколько каждый из прежних двух рабочих. Но ему придется платить уже 700 рублей, т. е. больше, чем прежним двум вместе взятым, и поэтому продукт будет стоить на 100 рублей дороже, хотя человеко-часов затрачено в два раза меньше. Спрашивается: выгодно это или нет?
В масштабе всей страны это выгодно. Рабочему, который освободится от участия в этом процессе, это даст возможность начать учиться. Образование человека стоит меньше по сравнению с тем, что приносит государству его более квалифицированный труд. Затраты на образование составляют незначительную часть стоимости продукта, получаемого от труда человека. Поэтому судить о выгодности или невыгодности интенсификации производственного процесса нужно не только по рублям, но также по трудочасам, учитывая рост производительности труда и экономию в рабочей силе.
Кроме того, очевидно, что если рабочий с менее квалифицированной работы переходит на более квалифицированную работу, то в стране поднимается уровень квалификации трудящихся и повышается их жизненный уровень. Поэтому сейчас, когда производят предварительные расчеты рентабельности интенсификации кислородом различных производств, даже в том случае, когда это оказывается убыточным в копейках, но, подымая производительность труда, дает выигрыш в затрате рабочей силы, освобождая из производства наименее квалифицированную часть рабочих, ее в общем следует оценить положительно. Как подсчитал Бардин, в металлургии применение кислорода обещает дать 40% экономии
в рабочей силе.
Я привел пример с черной металлургией, потому что он у нас
наиболее хорошо изучен и в этой области уже имеются надежные экспериментальные данные, на которых основано все, только что мною сказанное. Расчеты показывают, что с этой точки зрения применение кислорода и в ряде других областей народного хозяйства оказывается весьма эффективным.
Я мог бы вам рассказать также о применении кислорода в азотно-туковой промышленности, при получении целлюлозы, для извлечения золота из руд, для изготовления дешевых взрывчатых веществ, так называемых оксиликвитов и т. д. Подробно об этих вопросах можно почитать в «Бюллетене» Главкислорода. Но и этого перечня достаточно, чтобы оценить масштабы тех производств в промышленности, которые возможны с интенсификацией кислородом технологических процессов.
В последние годы как инженер и физик, я со своими сотрудниками в Институте физических проблем занимался задачей разработки более совершенных методов получения кислорода. Я вам уже говорил, что в существующих установках для получения кислорода затрачивается во много раз больше энергии, чем это предельно возможно. Поэтому перед учеными стоит вопрос: как усовершенствовать процесс извлечения кислорода из воздуха так, чтобы затрачивая меньше мощности, удешевить кислород?
Но это еще не вся проблема. Нам нужно получать не только дешевый кислород, но надо получать еще очень много кислорода. В данном случае это не так просто — оказывается, здесь количество переходит в качество. Первая же большая домна, переведенная на кислород, будет потреблять столько кислорода, сколько вся наша автогенная промышленность во всем Союзе.
Если мы станем осуществлять необходимое для этих масштабов производство кислорода существующими методами, то возникает принципиальное затруднение. В технике, когда растут мощности, есть одна особенность, которую инженеры больше чувствуют, чем осознают, хотя ее можно достаточно строго обосновать теоретически.
Поясню ее на примере: если увеличивать размеры какой-либо поршневой машины, например, двигателя, рассчитывая получить от нее большую мощность, то окажется, что после определенного размера вес ее на единицу мощности будет не уменьшаться, а увеличиваться. Так, если паровая машина мощностью в 100 лошадиных сил (я беру совершенно условные цифры для характеристики относительных пропорций) весит 1 тонну, то машина мощностью в десять раз большей — в 1000 лошадиных сил, — будет весить не десять тонн, а больше. С увеличением габаритов поршневой машины после некоторого размера мощность ее на единицу веса убывает. Поэтому на практике, если мы хотим построить более мощную поршневую машину, оказывается выгодным не увеличивать размеры цилиндров, а увеличивать их число.
Это можно наблюдать на примере современного авиационного моторостроения. Подымая мощность моторов, сейчас, из соображений веса, приходится увеличивать не размер цилиндров, а их число; оно у нас достигает 24, а новейшие американские моторы имеют до 48 цилиндров[ 6 ]. Вес мотора — это основная трудность при увеличении размеров аэропланов.
Если бы основывать получение кислорода в больших масштабах производства на использовании для получения холода поршневых детандеров и компрессоров, то мы также скоро подошли бы к пределу допустимых размеров кислородных установок и дальнейшее увеличение производства кислорода пришлось бы осуществлять увеличением числа поршневых машин, но не их размеров.
Здесь имеет место полная аналогия с тем, что происходит при росте мощности теплоэлектроцентралей. Если бы сейчас современные мощные ТЭЦ стали оборудовать уаттовскими поршневыми машинами, которые изредка еще встречаются на старых волжских пароходах или на маленьких электростанциях, то эти машины должны были бы приобрести такие размеры, которые можно считать неосуществимыми. Как хорошо известно, решение проблемы увеличения мощности осуществляется паровой турбиной, изобретенной Лавалем и Парсонсом, которая замечательна тем, что может дать на единицу веса во много раз большую мощность, чем поршневая паровая машина. Поэтому теперь крупные электростанции строят только на турбинах.
Первоначально ожижение воздуха производилось методом, в котором использовался так называемый эффект Джоуля—Томпсона. Это явление заключается в том, что при свободном расширении газа он охлаждается тем больше, чем выше давление сжатого газа. Обычно оно было около 200 атмосфер. В дальнейшем во Франции Клод, а в Германии Гейланд охлаждение производили тем, что сжатый компрессором воздух заставляли расширяться в специальной поршневой машине, называемой детандером, которая действует весьма похоже на паровую. Как известно, паровая машина работает за счет расширения горячего пара, который, после того, как совершит работу, покидает машину в значительно более холодном состоянии. Сходство заключается в том, что сжатый воздух при расширении также будет производить работу и охлаждаться. Этим и пользуются в холодильной поршневой машине, которую называют детандером. Сжатый воздух, поступив в ее цилиндр, расширяясь, производит работу и охлаждается. Расчеты показали, что, переходя к получению жидкого воздуха в больших масштабах, чтобы из него разгонкой отделять кислород, следует, как и при получении больших мощностей, отказаться от поршневых компрессоров и детандеров и перейти к турбинам.
Возможность применения холодильных турбин была высказана учеными еще давно. По-видимому, первым был известный английский физик Рэлей. Еще 40 лет тому назад он предложил применять турбину при ожижении воздуха. Обоснование этого предложения было несколько иное, не связанное с необходимостью ожижать воздух в больших масштабах. Оно было вызвано трудностями смазки поршневых детандеров. При низких температурах все смазочные жидкости замерзают. Турбина же при работе не требует смазки. С тех пор был сделан ряд попыток применить турбины как детандеры, но добиться значительного успеха не удавалось.
Тут мне придется рассказать и о наших работах в этой области, поскольку как раз в нашем институте, применяя в качестве детандера турбину, удалось впервые получить жидкий воздух и при этом с достаточно хорошими показателями. Та новая идея, которой мы руководствовались, настолько проста, что даже не понятно, почему до сих пор на нее не обратили внимания.
Общий ход рассуждений (конечно, схематизируя) до наших работ был следующим: для того, чтобы получать холод, строили поршневые детандеры и, чтобы поднять их к.п.д., прибегали к высоким давлениям точно так же, как в энергетике стремились пользоваться поршневыми машинами высокого давления пара. Потом, для получения еще больших мощностей, в энергетике стали поршневые машины заменять турбинами. Следовательно, для получения жидкого воздуха в больших количествах нужно сделать то же самое. И. следуя этой аналогии, инженеры стали применять для холодильной техники в качестве детандеров общепринятые типы паровых турбин. На практике оказалось, что холод они, конечно, давали, но с плохим к.п.д.
Этот случай лишний раз показывает нам, как осторожно надо пользоваться аналогией. Инженеры, загипнотизированные аналогией тепловых процессов в холодильных и паровых машинах, просмотрели очень важный фактор. Они упустили то, что воздух, благодаря своей большой сжимаемости при низких температурах, становится настолько плотным, что по своим физическим свойствам гораздо больше напоминает воду, чем пар. Это приводит к тому, что холодильные турбины надо строить не по образцу паровых, а по образцу водяных, т. е. применяя несколько измененные, хорошо всем известные реактивные турбины типа Жонваля. Когда я обратил внимание конструкторов наших кислородных установок, что они применяют не тот тип турбины, мое замечание не было серьезно воспринято. Мне ответили примерно так: все за границей идут по пути паровых турбин; то, что вы предлагаете, идет в противоречие с тем, что делают там фирмы. Это отвлеченная теория ученого.
Тогда было решено сконструировать и построить у нас в институте холодильную турбину, подобную гидротурбине, и проверить на опыте, будет ли она иметь такой же высокий к.п.д., какой характерен для водяных турбин. Эти работы заняли 2—3 года и окончились успешно. Теперь наша турбина уже получила общее признание как у нас, так и за рубежом, и была в конечном итоге отмечена правительством премией.
Этот пример является хорошей иллюстрацией того, как люди не обращают внимание на совершенно очевидное — при понижении температуры воздух приобретает новое качество, присущее жидкости, хотя и остается при этом газообразным телом. Загипнотизированные общепринятым решением проблемы конструкторы с трудом воспринимают новое, даже когда решение проблемы является более простым.
Когда при конструировании турбины эта особенность воздуха при низких температурах была учтена, открылась возможность получения кислорода в больших масштабах. В военное время не рекомендуется широко распространять цифровые данные. Но я могу вам сказать, что есть завод, который успешно работает на наших турбинах уже в продолжение нескольких тысяч часов. Третья часть всего кислорода в Москве делается сейчас таким путем. (Один из первых экспериментальных образцов ротора радиального турбодетантера изображен на рисунке.)
Это направление в получении кислорода сейчас расширяется. Но в жизни при развитии всего нового неизбежны трудности. Хотя сама по себе идея и проста, но при ее выполнении встречается ряд новых технических трудностей. Например, при осуществлении высокооборотной турбины, работающей в плотной среде холодного газа, возникает неустойчивость ротора. Пришлось разработать новый тип стабилизаторов. Приходится преодолевать и трудности психологической природы. Как всегда в отношении к новому, люди тяжелы на подъем, и в нашей промышленности немало консерватизма. Преодолев эти обычные жизненные явления, мы начинаем в области техники глубокого холода и применения кислорода опережать Запад. И здесь начинает выявляться одна очень интересная особенность, связанная с решением в народном хозяйстве такого рода проблем.
Оказывается, что в некотором отношении комплексные нововведения большого масштаба у нас в стране проходят легче, чем в капиталистических странах. Какое-нибудь маленькое изобретение у нас часто бывает продвинуть в жизнь труднее, но большое новое направление в технике, которое влечет за собой крупный сдвиг в ряде областей промышленности, у нас оказывается осуществить легче. Причина этого, по-видимому, в следующем. Чтобы быть конкретным, разберу пример, близкий к действительности.
Предположим, что для осуществления большого нововведения нужно участие двух — трех отраслей промышленности. Например, использование горения отходящих газов мартеновского производства при использовании кислорода обещает быть рентабельным для энергетического хозяйства. У нас в этом заинтересованы три наркомата: Наркомат электростанций, который может воспользоваться отходящим газом для теплоэлектроцентралей, Наркомат черной металлургии, который подымает производительность мартеновских печей при переводе плавки на кислород, и Главкислород, который должен обеспечить мартены кислородом. Все три наркомата являются органами единого социалистического хозяйства, в то время как при капиталистическом хозяйстве эти области промышленности обычно принадлежат не зависимым друг от друга в финансовом отношении фирмам. Одна из них может получить от этой комбинации большую прибыль, другая меньшую, а третья может даже понести убыток.
Хотя в сумме народное хозяйство страны выиграет, но сочетать интересы трех частных предпринимателей оказывается делом сложным в юридическом и финансовом отношении, в то время как у нас, когда расчет основывается на общегосударственной выгоде, одно постановление правительства является в равной мере обязательным для всех трех наркоматов, и можно просто обеспечить успешное развитие такого рода комплексных технических проблем. Таких примеров можно привести много. Мы имеем еще одно огромное преимущество в развитии нового в комплексном хозяйстве, которое мы пока еще плохо используем. Нетрудно видеть, что мы располагаем возможностью, не боясь риска, ставить опыты в технике в очень больших масштабах. А в новом деле нельзя избежать риска. Никогда ничто новое не делается наверняка, поскольку всегда могут появиться трудности, которые нельзя было заранее предвидеть. Если в масштабе всего государства открывается перспектива миллиардной экономии, то риск в несколько десятков миллионов, очевидно, будет оправдан и не разорит государство. В капиталистической стране даже очень крупная фирма не может позволить себе рисковать такой значительной суммой и на большой эксперимент не дерзнет. Как известно, пока главное, что нас тормозит, — это консерватизм и привычка к рутине отдельных бюрократических работников.
Делая этот доклад, я имел в виду, что вы — ответственные партийные работники, ведущие общественные деятели, пропагандисты, — поэтому должны быть главными борцами с консерватизмом, с косностью наших работников хозяйственного аппарата. Я надеюсь, что когда вы разъедетесь по стране, каждый из вас будет вспоминать мой доклад и будет бороться за все новое и прогрессивное в нашей социалистической стране.
О ПРИРОДЕ ШАРОВОЙ МОЛНИИ
Природа шаровой молнии пока остается неразгаданной. Это надо объяснить тем, что шаровая молния — редкое явление, а поскольку до сих пор нет указаний на то, что явление шаровой молнии удалось убедительно воспроизвести в лабораторных условиях, она не поддается систематическому изучению. Было высказано много гипотетических предположений о природе шаровой молнии [1, 2], но то, о котором пойдет речь в этой заметке, по-видимому, еще не высказывалось. Главное, почему на него следует обратить внимание, это то, что его проверка приводит к вполне определенному направлению экспериментальных исследований.
Нам думается, что ранее высказанные гипотезы о природе шаровой молнии неприемлемы, так как они противоречат закону сохранения энергии. Это происходит потому, что свечение шаровой молнии обычно относят за счет энергии, выделяемой при каком-либо молекулярном или химическом превращении, и таким образом, предполагают, что источник энергии, за счет которого светится шаровая молния, находится в ней самой. Это встречает следующее принципиальное затруднение.
Из основных представлений современной физики следует, что потенциальная энергия молекул газа в любом химическом или активном состоянии меньше той, которую нужно затратить на диссоциацию и ионизацию молекул. Это дает возможность количественно установить верхний предел энергии, которая может быть запасена в газовом шаре, заполненном воздухом и размерами с шаровую молнию.
С другой стороны, можно количественно оценить интенсивность излучения с ее поверхности. Такого рода прикидочные вычисления показывают, что верхний предел времени высвечивания получается много меньше действительно наблюдаемого у шаровых молний. Этот вывод теперь также подтверждается опытным путем из опубликованных данных [3] о времени высвечивания облака после ядерного взрыва. Такое облако сразу после взрыва, несомненно, является полностью ионизованной массой газа, и поэтому его можно рассматривать как заключающее в себе предельный запас потенциальной энергии. Поэтому, казалось бы, оно должно высвечиваться за время большее, чем наиболее длительно существующая шаровая молния подобного размера, но на самом деле этого нет.
Поскольку запасенная энергия облака пропорциональна объему (d3), а испускание поверхности ~ d2, то время высвечивания энергии из шара будет пропорционально d, его линейному размеру. Полностью облако ядерного взрыва при диаметре d, равном 150 м, высвечивается за время меньшее, чем 10 сек [3], так что шар диаметром в 10 см высветится за время меньшее, чем 0,01 сек. Но на самом деле, как указывается в литературе, шаровая молния таких размеров чаще всего существует несколько секунд, а иногда даже минуту [1, 2].
Таким образом, если в природе не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии. Поскольку шаровая молния обычно наблюдается «висящей» в воздухе, непосредственно не соприкасаясь с проводником, то наиболее естественный, и, по-видимому, единственный способ подвода энергии — это поглощение ею приходящих извне интенсивных радиоволн.
Примем такое предположение за рабочую гипотезу и посмотрим, как согласуются с ней наиболее характерные из описанных явлений, сопровождающих шаровую молнию [1, 2, 4].
Если сравнить поведение шаровой молнии со светящимся облаком, оставшимся после ядерного взрыва, то бросается в глаза следующая существенная разница. После своего возникновения облако ядерного взрыва непрерывно растет и бесшумно тухнет. Шаровая молния в продолжение всего времени свечения остается постоянных размеров и часто пропадает со взрывом. Облако ядерного взрыва, будучи наполнено горячими газами с малой плотностью, всплывает в воздух и поэтому двигается только вверх. Шаровая молния иногда стоит неподвижно, иногда движется, но это движение не имеет предпочтительного направления по отношению к земле и не определяется направлением ветра. Теперь покажем, что эта характерная разница хорошо объясняется выдвинутой гипотезой.
Известно, что эффективное поглощение электромагнитных колебаний ионизованного газового облака — плазмы — может происходить только при резонансе, когда собственный период электромагнитных колебаний плазмы совпадает с периодом поглощаемого излучения. При тех интенсивностях ионизации, которые ответственны за яркое свечение шара молнии, резонансные условия всецело определяются его наружными размерами.
Если считать, что поглощаемая частота соответствует собственным колебаниям сферы, то нужно, чтобы длина К поглощаемой волны была приблизительно равна четырем диаметрам шаровой молнии (точнее, λ = 3,65 d). Если в том же объеме ионизация газа слаба, то, как известно, тогда период колебаний плазмы в основном определяется степенью ионизации, причем соответствующая резонансная длина волны всегда будет больше, чем та, которая определяется размерами ионизованного объема и, как мы указали, равна 3,65 d.
При возникновении шаровой молнии механизм поглощения можно себе представить так: сперва имеется небольшой по сравнению с (π/6) d3 объем плазмы, но если ионизация его будет слаба, то все же резонанс с волной длины λ = 3,65 d будет возможен и произойдет эффективное поглощение радиоволн. Благодаря этому ионизация будет расти, а с ней и начальный объем сферы, пока она не достигнет диаметра d. Тогда резонансный характер процесса поглощения будет определяться только формой, и это приведет к тому, что размер сферы шаровой молнии станет устойчивым.
Действительно, предположим, что интенсивность поглощаемых колебаний увеличивается, тогда температура ионизованного газа несколько повысится и сфера раздуется, но такое увеличение выведет ее из резонанса и поглощение электромагнитных колебаний уменьшится, сфера остынет и вернется к размерам, близким к резонансным. Таким образом можно объяснить, почему наблюдаемый диаметр шаровой молнии в процессе свечения остается постоянным.
Размеры наблюдаемых шаровых молний лежат в интервале от 1 до 27 см [4]. Согласно нашей гипотезе, эти величины, помноженные на четыре, дадут тот диапазон волн, который ответствен в природе за создание шаровых молний. Наиболее часто наблюдаемым диаметрам шаровых молний от 10 и 20 см [1] соответствуют длины волн от 35 до 70 см.
Местами, наиболее благоприятными для образования шаровых молний, очевидно, будут области, где радиоволны достигают наибольшей интенсивности. Такие места будут соответствовать пучностям напряжения, которые получаются при разнообразных возможных интерференционных явлениях. Благодаря повышенному напряжению электрического поля в пучностях, их положение будет фиксировать возможные места шаровой молнии. Такой механизм приводит к тому, что шаровая молния будет передвигаться с передвижением пучности, независимо от направления ветра или конвекционных потоков воздуха [1, 2].
Как возможный пример такого фиксированного положения шаровой молнии рассмотрим случай, когда радиоволны падают на проводящую поверхность земли и отражаются. Тогда благодаря интерференции образуются стоячие волны и на расстояниях, равных К, длине волны, помноженной на 0,25; 0,75; 1,25; 1,75 и т. д., будут образовываться неподвижные в пространстве пучности, в которых напряжение электрического поля удваивается по сравнению с падающей волной. Вблизи этих поверхностей благодаря повышенному напряжению будут благоприятные условия как для создания начального пробоя, так и для дальнейшего развития и поддержания ионизации в облаке, образующем шаровую молнию. Таким образом, поглощение электромагнитных колебаний ионизованным газом может происходить только в определенных поверхностях, параллельных рельефу земли. Это и будет фиксировать в пространстве положение шаровой молнии.
Такой механизм объясняет, почему шаровая молния обычно создается на небольшом расстоянии от земли и часто передвигается в горизонтальных плоскостях. При этом наименьшее расстояние центра шаровой молнии до проводящей поверхности будет равно 1/4 длины волны и, следовательно, зазор между отражающей поверхностью и краем шара должен быть примерно равен его радиусу.
При интенсивных колебаниях вполне возможно, чтобы в ряде пучностей образовывались отдельные шаровые молнии, на расстоянии полудлины волны друг от друга. Такие цепочки из шаровых молний наблюдаются, они носят название «четочных» молний и даже были засняты [2].
Наша гипотеза также может объяснить, почему иногда шаровая молния пропадает со взрывом, который не причиняет разрушений [1, 2]. Когда подвод мощности внезапно прекращается, то при малых размерах остывание шара произойдет так быстро, что образуется сфера разреженного воздуха, при быстром заполнении которой возникает ударная волна небольшой силы. Когда же энергия медленно высвечивается, гашение будет процессом спокойным и бесшумным.
Выдвинутая нами гипотеза может дать удовлетворительное объяснение, пожалуй, наиболее непонятному из свойств шаровой молнии — ее проникновению в помещение через окна, щели и чаще через печные трубы. Попав в помещение, светящийся шар в продолжение нескольких секунд либо парит, либо бегает по проводам [1, 2, 4]. Таких случаев описано столько, что их реальность не вызывает сомнения.
С нашей точки зрения, весьма интересен случай [5], когда в аэроплан, пересекающий грозовую тучу на высоте 2800 м, влетела шаровая молния. Нашей гипотезой все эти явления объясняются тем, что проникновение в замкнутые помещения шаровых молний происходит благодаря тому, что они следуют по пути коротковолновых электромагнитных колебаний, распространяющихся либо через отверстия, либо по печным трубам или проводам как по волноводам. Обычно размер печной трубы как раз соответствует тому критическому сечению волновода, в котором могут свободно распространяться волны длиною до 30—40 см, что и находится в соответствии с наблюдаемыми размерами шаровых молний, проникающих в помещение [1].Таким образом, гипотеза о происхождении шаровой молнии за счет коротковолновых электромагнитных колебаний не только может объяснить ряд других известных и непонятных явлений, связанных с явлением шаровой молнии, как то: ее фиксированные размеры, малоподвижное положение, существование цепочек, взрывная волна при исчезновении, — а также ее проникновение в помещение.
Тут следует поставить вопрос, не происходит ли давно наблюдаемое в природе явление тлеющего кистеобразного свечения, называемого «огни св. Эльма», также за счет электромагнитных колебаний, но более слабых мощностей. До сих пор [6] это свечение объяснялось стеканием зарядов с острия, происходящим благодаря постоянному напряжению, возникающему при больших разностях потенциалов между землей и тучей. Такое объяснение было вполне естественно до тех пор, пока это свечение наблюдалось на земле, где можно указать замкнутый путь постоянного тока, но теперь описаны случаи, когда «огни св. Эльма» продолжительное время наблюдаются на фюзеляжах летящих самолетов [7]. Поэтому возможно, что и тут выдвинутая нами гипотеза может помочь решению трудности.
Хотя выдвинутая гипотеза успешно разрешает ряд основных трудностей понимания процесса шаровой молнии, все же следует указать, что этим еще вопрос до конца не решается, так как нужно еще показать существование в природе электромагнитных колебаний, питающих шаровую молнию. Тут в первую очередь нужно ответить на естественно возникающий вопрос: почему во время грозы излучения электромагнитных колебаний в области той длины волны, которая нужна для создания шаровой молнии, до сих пор не описаны в литературе?
Пока еще не было направлено внимание на обнаружение во время грозы этих волн, нам думается, можно предположить следующее. Поскольку шаровая молния — редкое явление, то естественно считать, что возникновение соответствующих радиоволн тоже редко происходит, кроме того, еще реже можно ожидать, чтобы они попадали на приемные аппараты в той коротковолновой области радиоволн от 35 до 70 см, которая пока еще сравнительно мало используется. Поэтому как следующий шаг проверки выдвинутых предположений следует выработать соответствующий экспериментальный метод наблюдения, попытаться обнаружить во время грозы радиоизлучения в указанном коротковолновом диапазоне волн.
Что касается источника этих радиоволн, то, по-видимому, есть два факта в наблюдениях над шаровыми молниями, которые могут помочь пролить свет на механизм их возникновения. Один из них — то, что шаровая молния наиболее часто возникает к концу грозы; второй — то, что шаровой молнии непосредственно предшествует обычная.
Первый факт указывает, что наличие ионизованного воздуха помогает созданию радиоволн, а второй — что возбудителем этих колебаний является грозовой разряд. Это ведет к естественному предположению, что источником радиоволн является колебательный процесс, происходящий в ионизованной атмосфере либо у тучи, либо у земли. В последнем случае, если источник находится у земли, то район, захваченный интенсивным радиоизлучением, будет ограничен и будет непосредственно прилегать к месту, где находится шаровая молния. Интенсивность радиоколебаний может быстро падать при удалении от этого места, и поэтому на значительных расстояниях для наблюдения будет нужна чувствительная аппаратура. Если радиоволны излучаются самой грозовой тучей, то они будут захватывать большие районы и их обнаружение даже малочувствительным приемником не представит труда.
Наконец, как второе возможное направление для экспериментальной проверки выдвинутой гипотезы надо указать на возможность создания разряда, подобного шаровой молнии, в лабораторных условиях. Для этого, очевидно, нужно располагать мощным источником радиоволн непрерывной интенсивности в дециметровом диапазоне и уметь их фокусировать в небольшом объеме. При достаточном напряжении электрического поля должны возникнуть условия для безэлектродного пробоя, который путем ионизационного резонансного поглощения плазмой должен развиться в светящийся шар с диаметром, равным примерно четверти длины волны.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. W. Brand, Der Kugelblitz, Hamburg, 1923.
2. И. С. Стекольников, Физика молнии и грозозащита, Изд-во АН СССР, 1943, стр. 145.
3. The Effects of Atomic Weapons, London, 1950, § 2.15.
4. F. Rossmann, Ober den Kugelblitz, Wetter und Klima, Marz — April 1949, S. 75.
5. J. Durward, Nature, April 1952, p. 563.
6. Г. Бенндорф, Атмосферное электричество (перевод с нем.), ГИТТЛ, 1934, стр. 51.
7. В. F, J. Schonland, The Flight of Thunderbolts, Oxford, 1950, p. 47.II
ОРГАНИЗАЦИЯ НАУЧНОЙ РАБОТЫ В ИНСТИТУТЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ
Поделиться книгой: