Техника и человек в 2000 году

Рис. 5. Гигантские резервуары аммиака на Баденской анилиновой и содовой фабрике.

29 июля 1912 г. проект этого института впервые был предложен вниманию общества по почину проф. Эмиля Фишера; 29 июля 1914 г., когда уже сгущались тучи войны на горизонте народов, институт был открыт. Эмиль Фишер тогда указал в первую очередь на коксование угля и на возможность усовершенствования этого процесса грубого разрушения органических соединений, заключающихся в угле. Согласно его указаниям, институт не должен был ограничиться односторонним исследованием каменного угля, но вовлечь в круг своих работ также бурый уголь и торф. В качестве проблемы, успешное разрешение которой вызвало бы революцию в области энергетики, Эмиль Фишер тогда уже наметил непосредственное получение электрической энергии из угля с помощью элементов с горючим материалом, на что указывалось уже в начале этой главы. Несмотря на тяжелые времена, в течение последних лет в этом, единственном в своем роде, институте были достигнуты колоссальные результаты. Что касается отношения теоретического изучения угля к технике, то научное исследование в этом институте должно было указать новые пути и выяснить, что вообще возможно сделать в этом направлении и, с другой стороны, что с самого начала обречено на неуспех. Главная задача института заключалась в том, чтобы вообще способствовать пониманию ценности угля, находить новые пути и методы лучшего его использования. Институт таким образом способствовал облагораживанию побочных продуктов угля и поднятию ценности изготовляемых из него продуктов, тем самым все более выдвигая на первый план экономической жизни значение и хозяйственную необходимость облагораживания угля.

Главными областями работы института явились — изучение возникновения угля и изучение его химической структуры, исчерпывающая химическая переработка угля, получение химических побочных продуктов до сжигания угля и электрохимическое сжигание его, сопровождаемое получением электрического тока, но уже после извлечения побочных продуктов угля. После того как стало известно, что уголь состоит из остатков растений, выдвинули предположение, что главной составной частью угля является целлюлоза. Опыты Мюльгеймского института привели к воззрению, согласно которому уголь образовался из составной части растений, на которую до сих пор в этом отношении не обращали внимания, а именно из так называемого лигнина. Более старые и в частности деревянистые части растений состоят в сущности не только из целлюлозы, воска и смолы, но и из лигнина или лигниноподобных веществ. Дубовое дерево содержит, например, 30 % лигнина, скорлупа грецкого ореха — даже 50 %. Различные исследователи высказывали предположение, что часть молекулы этого лигнина обладает структурой бензола. В дополнение к этому Мюльгеймский институт открыл, что лигнин и естественная гуминовая кислота, далее бурый и каменный уголь, лишенные битумов, при окислении дают бензойную кислоту, тогда как целлюлоза не обладает этим свойством.

Рис. 6. Устаревшая установка для производства бензола, добываемого при коксовании угля.

Для химической переработки угля, — иначе говоря, для превращения угля без остатка в другие химические продукты, — существуют три пути: озонирование, окисление под давлением и гидрирование. При первых двух методах пользуются кислородом, при последнем — водородом. В первых методах при участии воды добиваются того, чтобы не могло произойти сжигание углерода, но чтобы соединения, из которых состоит уголь, путем химического разложения были превращены в иные и именно ценные вещества.

Путем метода озонирования институту удалось все виды угля превратить в органические, растворяющиеся в воде соединения.

Вторым путем, избранным институтом в целях переработки угля, явилось окисление под давлением. В отвесной стальной трубе находится водный раствор углекислого натрия и измельченного в порошок угля. При температуре около 200° Ц сжатый воздух нагнетается чрез жидкое содержимое трубы. Путем действия кислорода атмосферного воздуха удается таким образом все виды угля полностью перевести в растворимые органические соединения.

Третий путь — гидрирование, — обработка угля водородом. Этот метод, который был усовершенствован за последние годы проф. Бергиусом, будет подробно освещен в другом месте.

Помимо всех этих методов разработан был технически более простой метод разложения угля исключительно под влиянием теплоты. И здесь также можно отметить самые разнообразные методы.

Рис. 7. Перегонные кубы для выделения аммиака при газификации угля.

Простейшим методом воздействия тепла является сушка угля. Как известно, не только каменный уголь, но, главным образом, бурый уголь в необработанном состоянии весьма сильно насыщен водой. Содержание воды, например, в торфе достигает свыше 50 %, в буром угле — 40 % и в длиннопламенном угле — 5 %. Рука об руку с сушкой бурого угля идет брикетирование, как с прибавлением песка, так и без такового, вследствие пластичности и битуминозности угля.

Наиболее целесообразным способом извлечения из угля ценных веществ, особенно масел, являлся способ разложения угля при сухой перегонке. Если при нагревании угля медленно повышать температуру, необходимую для сушки, то при этом процессе имеют место следующие явления: при 100° появляется водяной пар, при 330° — углекислота и сернистый водород, при 500° — сырой газ и деготь, при 800° — аммиак и водород и при 1 000° — водород. При этом методе, разумеется, самое главное в том, чтобы располагать соответствующим высокоценным углем, который обеспечивает получение соответственно ценных побочных продуктов.

Рис. 8. Коксование и гидрирование угля. Диаграмма иллюстрирует крупное значение гидрирования угля: налево — результат коксования; направо — результат современных методов.

Для угольного хозяйства до сих пор важное значение имел процесс, совершавшийся между 350° и 500°. Этот метод называется коксованием при низкой температуре, причем, как сказано, получается деготь и сырой газ. В качестве твердого остатка получается так называемый полукокс, содержащий еще соединения азота и 10 % летучих составных частей угля. При дальнейшей обработке этого полукокса с помощью более высокой температуры при 800° выделяется аммиак и водород, а при 1000°— только водород.

Чтобы исследовать уголь в отношении содержания побочных продуктов, Мюльгеймский институт, как и вообще в технике, пользуется так называемым перегонным аппаратом, состоящим из алюминиевой реторты, в которой равномерно нагревается наполняющий ее уголь. В этот аппарат вводятся небольшие количества угля, последний нагревается и получающийся деготь собирается в стеклянный сосуд и взвешивается. В целях еще более точного исследования дегтя пользуются вращающимся барабаном или вращающейся печью.

В первую очередь для извлечения высокоценных побочных продуктов обращаются к каменноугольному дегтю. Самыми главными составными частями его являются искусственная нефть и фенолы. Использование добываемой при этом искусственной нефти будет полным лишь в том случае, если перегонка будет осуществляться по методам, применяемым и в нефтяной промышленности. Труднее было проникнуть в сущность фенолов. Посредством открытого в Мюльгеймском институте метода фенолы путем нагревания с водородом до 750° в вылуженном изнутри железном аппарате при обыкновенном давлении могут быть превращены в бензол и толуол, давая весьма значительный выход этих веществ. По методу, применяемому обществом «Тетралин», возможно с помощью катализатора, в данном случае тонко измельченного никеля с водородом, превращать фенолы при незначительном давлении в моторное топливо, так называемый циклагексаноль.

Полукокс, продукт первичного коксования, также содержит еще все азотистые вещества угля, которые поддаются превращению как в газ, так и в масла.

Здесь уместно дать краткий обзор применения побочных продуктов, согласно таблице, составленной Эмилем Фишером:

Применение побочных продуктов.

1. Сера: сельское хозяйство и химическая промышленность.

2. Аммиак: сельское хозяйство.

3. Составные части дегтя: получение энергии в нефтяных моторах или в нефтяных турбинах.

4. Сырой газ: для химической переработки.

Применение основных продуктов.

1. Полукокс: а) топливо; б) для брикетирования; в) для сжигания в форме угольной пыли.

2. Генераторн. газ, получ. при газификации полукокса: а) для отопления, б) для газовых машин, в) для электрических элементов с горючим материалом, г) для термоэлементов, д) превращение газов в масла или химические продукты, напр., с помощью электрического разряда.

Из числа упомянутых здесь методов получения нефти из угля, описание которых заимствовано из статьи проф. Фишера в «Прусских ежегодниках» (185-й т.), огромное значение приобрела за последние годы бергинизация[4]. В 1913 г. проф. Бергиус в Гейдельберге занялся проблемой извлечения из угля его высокоценных элементов— различных масел. Он исходил из того факта, что минеральные масла (нефть, бензин) представляют собою соединение углерода и водорода. Из химии же известно, что синтез этих двух химических элементов представляет большие трудности. После неустанных попыток проф. Бергиус добился своей цели, и в настоящее время европейское угольное хозяйство стоит перед крупным переворотом, вызванным превращением угля в нефть. В Маннгейме-Рейнау были достигнуты путем упорной неустанной работы первые успехи. Проф. Бергиус пытался обрабатывать уголь при 150 атм. давления и 450° Ц. Таким путем он открыл возможность добывания масла из угля. Одновременно ученый открыл также, что получающийся в результате его процесса остаточный уголь способен не только выделять водород, как при коксовании, но при соответствующих условиях и поглощать его. Его задача теперь заключалась в том, чтобы сделать возможным химическое расщепление угля путем связывания водорода, одновременно избегая процесса коксования. После долгих усилий ему удалось химически связать углерод с водородом. Преимущество этого нового метода заключается главным образом в том, что для превращения угля в жидкое состояние могут применяться и малоценные сорта угля, что можно только приветствовать, принимая во внимание перепроизводство бурого угля в европейских угольных шахтах.

Химическая основа разжижения угля по методу Бергиуса заключается в следующем: известно, что уголь является смесью углеводорода с распыленным углеродом. Если теперь заставить водород вступить в подобную смесь, то происходят два явления: 1) тяжелые углеводороды угля ложатся как бы пластами на водород, превращаясь при этом в более легкие, насыщенные углеводороды; 2) углерод угля соединяется при высокой температуре с вводимым водородом в новые углеводороды, представляющие собою маслянистую смесь, что и означает разжижение угля.

Рис. 9. Превращение угля в нефть (гидрирование). Схематическое изображение установки для гидрирования угля по методу Бергиуса: а) пресс, Ь) нагнетательный сосуд, с) реакционный сосуд, в котором происходит разжижение угля, g) водородный насос, через который газ нагнетается в сосуд. Получаемые продукты направляются затем через трубопровод d) в холодильник, е) в приемник, ft) газ отделяется от жидкости. В газометре, i) собираются отпадающие углеводороды. Полученная нефть вытекает из приемника f).

Технически процесс бергинизации проводится, приблизительно, следующим образом: сосуд, в котором происходит реакция, представляет собою толстостенный котел, испытанный на давление в несколько сот атмосфер. В этом котле находится второй котел с тонкими стенками. Промежуточное пространство между внешним и внутренним котлами служит для нагревания до температуры в 400–500° Ц. С этой целью в промежуточное пространство нагнетаются под большим давлением сильно нагретые газы, причем указанное давление должно быть равно давлению внутри тонкостенного котла. Перегретые газы, отдав часть своего тепла, выходят из котла, конденсируются и снова, будучи нагреты, нагнетаются в промежуточное пространство между котлами. В разжижатель вдавливается паста из масла (продукта угля) и углерода, а также водород под давлением в 150 атм., и вся смесь равномерно размешивается. При этом процессе происходят упомянутые химические реакции, причем уголь превращается в кашеобразную маслянистую жидкость, которая затем покидает аппарат через вентиль вместе со смесью газообразных углеводородов.

Рис. 10. Реакционный сосуд длиной в восемь метров, в котором доктору Бергиусу удалось добиться разжижения угля.

Основную трудность при этом методе представляло получение водорода. Первоначально Бергиус добывал последний путем нагревания под высоким давлением воды и железных стружек в железных трубах. Но этот способ отличался кропотливостью и требовал больших издержек. В настоящее время — и это очень важно для экономичности всего метода — пользуются газообразными углеводородами, которые, как уже сказано, после процесса улетучиваются из разжижателя, т. е., иными словами, выделяющийся при превращении угля в нефть ценный водород улавливается и затем снова поступает в работу. Кроме того пользуются водородом из коксовальных газов, который, не требуя дополнительной очистки, довольно быстро вступает в реакцию с углем. Итак, весь необходимый для гидрирования водород добывается из самого угля.

Свыше 80 % германского каменного угля, а также большинство сортов бурого угля является пригодным материалом для этого метода. Обычно неохотно применяемые мелкий уголь и угольная пыль как раз здесь встречаются с распростертыми объятиями. Как известно, в рудниках скопляются сплошь и рядом огромные количества малоценных углей, которые не находят себе сбыта. При 400–500 атм. давления в течение одного часа в котле, емкостью, примерно, в 1 000 л, перерабатывается до 800 кг угля.

Об экономическом значении нового метода высказался сам проф. Бергиус в 1926 г. в Берлине в докладе на тему: «Какое влияние может оказать добывание искусственной нефти на нефтяное хозяйство». Бергиус исходил из современного состояния нефтяного хозяйства, которое характеризуется неслыханным расцветом автомобильного транспорта и беспрерывным ростом применения нефти в морском транспорте. Те опасные свойства нефти, благодаря которым она является хорошим источником энергии нестационарных (подвижных) машин, сообщают ей также характер военного материала первостепенной важности. Это обстоятельство в сочетании с тем фактом, что Европа весьма обделена этим важным ископаемым, логически толкает Англию к определенной нефтяной политике, налагающей на нее различные финансовые жертвы. Нефтяное хозяйство Англии пользуется государственной поддержкой, но все же только крупнейшие чрезвычайно сильные предприятия в состоянии взять на себя риск, сопряженный с промышленным добыванием нефти. Поэтому подлинными представителями нефтяного хозяйства являются крупные концерны; но положение может измениться, если наступит предсказываемое геологами истощение нефтяных залежей, и усложнение условий добычи повысит цену на нефть. Время поэтому подумать об открытии новой сырьевой базы для будущего добывания нефти. Если рассмотреть распределение топливных ресурсов на земном шаре, то единственным, с точки зрения химии, мыслимым исходным сырьем для получения нефти является уголь. Применявшиеся до сего времени методы коксования и перегонки не удовлетворяют задаче разрешения вопроса о нефти во всем ее объеме; ибо добывание нефти, обремененное добыванием кокса или полукокса, экономически совершенно нежизнеспособно. Уголь поэтому необходимо превращать в нефть в максимальном размере — задача, которую способен разрешить лишь метод гидрирования. Первые лабораторные опыты над гидрированием угля начались уже 13 лет тому назад. Процесс гидрирования основан на легко понятном и для неспециалиста явлении, заключающемся в том, что минеральный уголь, который нагревают приблизительно до 400° Ц под высоким давлением на него водорода, жадно поглощает этот водород, так что из твердого угля получаются жидкие углеводороды. Удалось также найти способ дешево получать необходимый водород из газа самой реакции. Эти газы — так называемые низшие углеводороды — при высокой температуре расщепляются, и путем введения водяного пара получается газовая смесь, которая после надлежащей очистки обладает достаточно высокой концентрацией водорода. Преимуществом способа Бергиуса является то, что он не нуждается, как это имеет место при получении синтетического аммиака, в химически чистом водороде.

На вопрос о себестоимости искусственной нефти можно уже в настоящее время дать приблизительный ответ. Сооружение завода, изготовляющего ежегодно 50 000 т искусственной нефти, стоит 8 млн марок (марка = 45 или 46 коп.). Себестоимость нефти составляет 92 марки за тонну или, при собственном производстве необходимой электрической энергии, 78 марок. Эта крупная разница в цене понятна, если учесть, что расходование энергии производится совершенно равномерно. Продажная цена готовых продуктов колеблется между 140 и 190 марками за тонну в зависимости от процента автомобильного топлива и смазочного масла в общей продукции, так что неизбежно падение нынешней цены нефти на 65–40 марок.

После упорных усилий в 1926 г. на территории предприятий Лейна под Мерзебургом был сооружен первый в мире завод для бергинизации угля, за которым последовал второй — в Рурской области. Новый завод в Мерзебурге занимает 23 огромных здания. В 10 зданиях производится разжижение угля, в особенности бурого угля, залежи которого расположены в Средней Германии. При этом применяется водород, добываемый на собственных заводах по методу Бергиуса. Продукция производства хранится в 15 крупных резервуарах до рассылки потребителям. Рассчитывают, что в этих гигантских предприятиях будет добываться ежегодно 120 млн т бензина.

Америка также занялась изготовлением из угля искусственных масел, однако не в таких размерах, как Германия, которая, как известно, до сих пор находится в большой зависимости от заграничного нефтяного рынка.

Согласно изложенному, мы различаем, таким образом, четыре возможности использования энергии, заключающейся в угле. Наиболее примитивным является сжигание угля в печи, затем следует производство светильного газа с его побочными продуктами, более рационально поставленное коксование и, наконец, как высшая ступень, разжижение угля. При коксовании получается, например, из 100 кг каменного угля 66 кг кокса, 7 кг каменноугольной смолы, 17 кг газа и 10 кг аммиачной воды. При разжижении из 100 кг верхнесилезского пламенного угля получается 22 кг легко кипящего масла, 17 кг масла, кипящего при более высокой температуре, 16 кг дегтя, 15 кг газа. Далее получается 9 кг воды, 6 кг золы, 14,5 кг менее измененной угольной субстанции, 0,5 кг аммиака.

Кроме упомянутых методов, в конце 1926 г. стал известен еще один — голландский способ. Институту по технологии в Донгене удалось получить чистый молекулярный чрезвычайно активный углерод, которому изобретатель Аарц, известный специалист в области теплотехники, дал имя карбон-альфа. Этот продукт может изготовляться в трех различных формах, а именно: 1) как сухой альфа-углерод, который может найти применение в каучуковой, красочной, сахарной и жировой промышленности; 2) как легкий углеводород, в жидком состоянии служащий автомобильным топливом; 3) как углеводород высокой тепловой ценности в форме газа. По сообщениям, этот метод гораздо проще, нежели метод Бергиуса и Фишера, так как при нем не нужны ни катализаторы, ни отдельное производство водорода.

Чтобы еще более полно уяснить себе экономическое значение реализации наших угольных сокровищ, необходимо представить себе угольное хозяйство прежнего времени и изменения, происшедшие в самой энергетической проблеме. Добыча каменного угля 1924 г. в Германии упала по сравнению с 1913 г. приблизительно на 13 млн т, в то время как потребление снизилось на 24 млн т; 1925 г. дает еще более неблагоприятные цифры. Причины этого уменьшения потребления угля следует видеть в отмечающемся за последние годы неуклонном улучшении теплового хозяйства и соответственно лучшем использовании угля. Далее сюда нужно добавить использование новых источников энергии, в особенности воды, которая в некоторых областях, например в Баварии, почти совершенно вытеснила уголь. Еще большее значение имеет рост потребления естественной нефти, увеличивающийся с каждым годом. Потребляемое в Германии количество нефти соответствует в настоящее время 100 млн т угля, тогда как в 1913 г. оно достигало едва трети этого количества. Отсюда ясно, что в настоящее время, несмотря на крупные промышленные кризисы и недостаток сбыта, при включении в итог потребления нефти, расходуется значительно больше энергии, чем в лучшие годы довоенного хозяйства.

Наиболее ярко обнаруживается это явление в Соединенных штатах, где добыча нефти за последние годы приняла огромные размеры, оказывая сильное влияние на потребление угля, так что в настоящее время в Америке излишек добываемого угля исчисляется в 45 %. Потребление нефти в Англии также повысилось в 4 раза по сравнению с потреблением угля. В мелкой промышленности, в судоходстве, даже в локомотивах с двигателями внутреннего сгорания— применение нефти приобретает все большее и большее значение. Удобство обращения с нефтью, экономия в отношении пространства и времени, экономичность в потреблении, лучшее использование тепла — вот достоинства, которые оправдывают даже более высокую цену на нефть.

Добывание нефти из угля является безусловной необходимостью для всего человечества и его экономического благополучия. Серьезная опасность угрожает человечеству из-за снижения добычи нефти из естественных источников при неизменно возрастающем спросе на нефть со стороны энергетического хозяйства. Интересные соображения по этому поводу высказал возвратившись из научной поездки по нефтяному району Каспийского моря норвежский геолог проф. Xель. Ученый держится того мнения, что существует опасность окончательного истощения известных нам нефтяных запасов земли приблизительно через 20 лет, при том предположении, что нынешний рост потребления, исчисляющийся в 10 % ежегодно, будет продолжаться в том же темпе. По сообщению проф. Хеля все наличные запасы нефти на земле исчисляются в настоящее время приблизительно в 8 млрд т. Из этой цифры на Северную Америку и Аляску приходится приблизительно 900 млн, на Советский союз приблизительно столько же, на Персию и Месопотамию немного меньше. Общая мировая добыча нефти в 1924 г. достигла 140 млн Из этого количества приблизительно 40 % пришлось на Соединенные штаты, 13 % — на Мексику, 4,5 % — на СССР и 3 % — на Персию. Если теперешнее потребление не будет расти дальше, запасов может хватить на 60 лет. Запасы в Америке будут исчерпаны при таких условиях через 15 лет. Что касается значения различных источников энергии, то проф. Хель утверждает, что уголь все еще занимает первое место: он снабжает мир мощностью в 235 млн л. с., в то время как нефть дает лишь 50 млн л. с. На последнем месте стоит гидроэнергия, с мощностью всего лишь в 14 млн л. с.

И в Америке поднялась тревога по поводу упадка добычи нефти. Перспективы на возможную продолжительность нефтедобывания не особенно благоприятны. Американский нефтепромышленник Догерти, снабжающий нефтью 1 400 городов и общин в Америке, в августе 1926 г. прочел в Вильямстоуне доклад, в котором он предсказывал вероятность сильного падения добычи нефти. Около двух лет тому назад президент К у л и д ж организовал комиссию, которая должна была заняться изучением вопроса о запасах нефти. Отчет этой комиссии носил очень неутешительный характер. Вероятные запасы Америки оценивались в 5,5 млрд бочек, что при годовой добыче в 750 млн бочек означало бы истощение запасов в 1935 г. Геологический департамент в Вашингтоне исчисляет нефтяные запасы Америки в 9 млрд бочек, в то время как Американский нефтяной институт исчисляет их в 26 млрд бочек. Прежний руководитель горным отделом в королевской английской комиссии ожидает истощения всех существующих нефтяных источников мира в 2 000 г., если тем временем не будут открыты новые крупные источники добычи нефти. Опасность истощения для Америки наиболее явствует из того обстоятельства, что 30 % американской добычи нефти ежегодно получается из вновь открываемых нефтяных источников. Поэтому вполне понятна лихорадочная погоня за новыми источниками нефти, а также и ожесточенная политическая борьба, которая ведется из-за нефти на Востоке, в Мексике, Северной Америке и на Балканах.

Огромный спрос на нефть предъявляется наряду с автомобильной промышленностью главным образом со стороны водного транспорта. Уже до войны в 1914 г. число судов, потреблявших нефть, составляло 3,1 % мирового тоннажа. В 1925 г. этот процент вырос уже до 31,6 %. Англия, которая сама владеет очень небольшим количеством месторождений нефти, сумела в течение последних лет обеспечить за собой, вместо угольных станций, 350 нефтяных станций, резко конкурируя в этом отношении с Соединенными штатами. Согласно регистру Ллойда, из заложенных в 1918/1919 г. новых английских судов около 33 % имеют нефтяные топки. За строительный сезон 1922/1923 г. процент нефтяных установок на английских судах вырос до 59, а процент угольных топок сократился до 41. Это развитие судоходства на основе пользования нефтью отмечается во всех странах, а в особенности в Америке. Соединенные штаты обязаны своим мощным расцветом, в особенности в автомобильной промышленности, исключительно огромному притоку нефти. Число автомобилей в Соединенных штатах за последние годы достигло 36 млн, т. е. за 8 лет оно удесятерилось, так что в настоящее время в Америке на каждые 6 человек приходится один автомобиль. Огромный рост авиационного сообщения также был бы совершенно невозможен без нефти. Если мы вспомним, что годовое потребление нефти на душу в Америке достигает 860 л, в Англии — 100 л, во Франции — 60 л и в Германии — только 11 л, и далее, что лихорадочные поиски новых источников нефти продолжаются с той же настойчивостью, то будет совершенно ясно, что нефть стала хлебом насущным современного энергетического хозяйства.

Зеленый уголь

Изучение вопроса о происхождении угля так же старо, как и использование входящих в его состав веществ для потребностей современного хозяйства. Немало создавалось гипотез и теорий, пытавшихся осветить таинственный мрак, окружающий вопрос о возникновении угля. В итоге всех этих теорий приходится сказать, что в настоящее время мы почти не знаем тайн в области химического состава угля, но покров, простирающийся над темными глубинами, откуда мы добываем черный алмаз, еще не окончательно поднят. В настоящее время в лабораториях, в глубинах самих шахт или за письменными столами тысячи людей ломают себе головы над сущностью черного алмаза, и эта загадка, по нашему мнению, останется такой же навсегда[5].

Не мало делалось попыток создания искусственного угля, чтобы таким образом, во-первых, получить доказательства происхождения угля и, во-вторых, получить суррогат продукта, который впоследствии будет расточаться землей уже не с такой щедростью, как теперь. Среди этих опытов следует указать на те, которые направлены на создание из растительных веществ продуктов для получения из них энергии.

Попытки использовать в энергетических целях растительные вещества столь многообразны, что они заслуживают известного упоминания. В настоящее время известно несколько способов получения жиров из растительных продуктов, причем существенным является их назначение, т. е. должны ли жиры и масла применяться для человеческого питания или для технических и топливных целей. В прежнее время масличные семена выжимались в маслобойнях посредством толчейных машин, в настоящее время они размалываются на плющильных станках между гладкими чугунными валами и бегунами. Затем сырье выжимается между сукнами из овечьей или верблюжьей шерсти посредством воды и гидравлического давления. Жмыхи, получаемые в виде отброса при этом процессе, в 1913 г. в Германии оценивались в сумме свыше 80 млн марок.

Другим способом извлечения жиров и масел из растений является метод экстрагирования. Он основан на том, что растительные жиры легко поглощаются определенными жидкостями, а затем освобождаются от них. Основанная на этом принципе в 1885 г. отрасль промышленности работала первоначально с сернистым углеродом. Впоследствии, по мере того как все более расширялась разработка угля и нефти, перешли к бензину, бензолу и тетрахлористому углероду. Все эти вещества обладают, правда, тем преимуществом, что они полностью извлекают из растений масла, но зато жиры и масла обычно сохраняют запах экстрагирующих веществ. Поэтому обычно добываемые этим путем масла и жиры идут на изготовление свечей и мыла.

Добывание жиров и масел из растений в будущем может иметь лишь небольшое значение в качестве подсобного источника энергии. Кроме того, эти методы слишком дороги для того, чтобы иметь возможность соперничать с углем или другими горючими материалами.

Большое значение в топливном хозяйстве будущего будет иметь, как предполагают, алкоголь. На мировой энергетической конференции в Лондоне в 1924 г., между прочим, обсуждался вопрос о топливе для двигателей внутреннего сгорания; К. Г. Бедфорд прочел очень интересный доклад на эту тему. Известно, что огромный приток нефти в американскую промышленность, давший столь мощный толчок развитию американской автомобильной индустрии, иссякнет приблизительно через 20 лет. Необходимо будет найти замену. В том случае, если до тех пор не будут открыты другие источники энергии, алкоголь приобретет в качестве горючего чрезвычайно большое значение. Уже в настоящее время во многих странах алкоголь употребляют для топливных целей или в чистом виде, или в смеси с нефтью, эфиром или бензолом. Разумеется, моторы внутреннего сгорания для сжигания чистого алкоголя требуют совершенно особой конструкции.

Количество веществ, из которых можно добывать алкоголь, чрезвычайно велико. Назовем хотя бы меляссу, побочный продукт сахарного производства, сахарный тростник, маис, картофель, различные злаки, мучнистые корни, содержащие крахмал, солому, опилки, стружки, некоторые травы и другие целлюлозные вещества. Делались опыты превращения растительных веществ с помощью кислот в сахар, из которого при дальнейшей обработке получался чрезвычайно высокий выход алкоголя.

Далее заслуживают внимания попытки использовать действие микроорганизмов на целлюлозу; впрочем, этот метод оказался нерентабельным. Очень многое зависит от выбора подходящих мест для устройства перегонных заводов, причем необходимо учитывать зависимость от сырья и транспортные условия. Тропические местности, например Индия, где имеется очень много рисовой соломы и слоновых трав для производства алкоголя, чрезвычайно удобны для этого. В Австралии, Новой Зеландии, Южной Африке, Родезии, в стране Ниасса, на Золотом Берегу, в малайских государствах и в Западной Индии уже с давних пор из имеющегося здесь сырья добывается алкоголь для энергетических целей. Еще совсем недавно техническое потребление алкоголя в Германии ограничивалось лишь немногими небольшими стационарными машинами, — за последние же десять лет все более и более расширяется потребление его автомобилями. Существует целый ряд запатентованных алкогольных смесей, как алкогаз, дискол и наталит. Последний почти вполне заменяет нефть. Смешанный с малоценной нефтью, он дает превосходное горючее, причем в машине, в связи с его применением, не требуется производить никаких изменений. Расходуется этого горючего, правда, несколько больше, но получаемая энергия также больше на 4–5 %. В Америке уже несколько лет тому назад появились опытные заводы, на которых имелось в виду организовать массовое производство алкоголя для двигателей. Во время войны однако они опять закрылись под давлением государственной нефтяной монополии.

Ганс Гюнтер в своей книге «Мечтания техники» обращает внимание на то, что в микроскопических зернах хлорофилла, наполняющих каждую клетку листка растения, пока светит солнце, беспрерывно происходит химический процесс превращения неорганических веществ в органические. При этом газообразная двуокись углерода, выдыхаемая животными и людьми, а также выделяемая гниющими органическими веществами и нашими топками, начисто разлагается на углерод и кислород, вслед за чем растение превращает отщепленный и поглощенный углерод сначала в сахар, а затем в крахмал. Необходимую для этого энергию растения получают от солнечных лучей. Искусственное воспроизведение этого процесса ассимиляции углекислоты до сих пор не удавалось.

Разумеется, можно использовать растения в качестве готового материала для топливных целей. Технические предпосылки этого изложил уже несколько лет тому назад итальянский химик Чиамичиан. Он вычислил, что земля в год производит 32 млрд т растительных сухих веществ, соответствующих 18 млрд т угля, что в свою очередь в 12 раз превышает количество угля, ежегодно потребляемого в настоящее время человечеством. Согласно А. Мейеру, возможно было бы ежегодную растительную продукцию увеличить в 4 раза, в тропиках же в еще большем размере. Итак, не представляло бы никаких трудностей полностью заменить уголь ежегодным приростом растительности.

В заключение назовем область, несколько далекую от нашей темы. Солнечные лучи, как известно, выполняют процессы, находящиеся в тесном родстве с теми, в которых значительную роль играет уголь. Упомянутый Чиамичиан указывает на то, что солнце может служить для выполнения известных химических процессов, которые в будущем могли бы быть использованы для получения энергии.

Как известно, в настоящее время это возможно только в фототехнике. Ассимиляционный процесс, совершающийся в растениях, может быть воспроизведен и искусственным путем. «Этот процесс, — пишет Чиамичиан, — является обратным обычному процессу горения. Всегда считали вероятным предположение, что первым продуктом ассимиляции является формальдегид». И в действительности, недавно Курциусу удалось доказать присутствие формальдегида в листьях бука. Искусственное воспроизведение этого процесса с помощью ультрафиолетовых лучей удалось Даниелю Вертело. Почему невозможно было бы с некоторыми изменениями рациональным образом использовать подобные лучи, которые, пронизывая всю атмосферу, достигают поверхности земли? Доказательством того, что это возможно, служат растения. С помощью подходящих катализаторов могло бы удаться также превращение смеси воды и двуокиси углерода в кислород и метан или проведение других, так называемых эндоэнергетических процессов.

Помимо этого процесса, при котором использованы были бы неутилизируемые до сих пор продукты сгорания, существуют еще другие, вызываемые ультрафиолетовыми лучами, которые однако, в зависимости от обстановки, могут происходить и под влиянием обычных световых лучей, при условии, если будут открыты подходящие чувствительные — реагирующие на эти лучи — вещества. Синтез озона, тройной окиси серы, аммиака, окисей азота и много других синтезов могут таким образом стать предметом промышленных фотохимических процессов.

Не приходится сомневаться в том, что непосредственный солнечный свет может быть применен и для производства красок, которые мы в настоящее время получаем из угля, как указывает в статье, помещенной в «Технише Рундшау» (1914 г.), Г. Дур. Он пишет следующее: «Фотохимия доказала, что фотохимическими свойствами обладают лишь лучи с волнами определенной длины, которые селективно поглощаются соответствующими веществами. Хлор и водород, которые в свете длинных волн, следовательно в желтом и зеленом свете, соединяются в соляную кислоту, в коротковолновом ультрафиолетовом свете снова распадаются. Химическая деятельность света усиливается в общем, начиная от красной части спектра в сторону синей и фиолетовой, и достигает высшей силы в ультрафиолетовых лучах. Уже в в настоящее время мы можем с помощью лучей с волнами определенной длины вызывать определенные химические действия. В будущем, по-видимому, возможно будет значительно расширить нашу власть над этими свойствами света. Нам удастся с помощью света различных волн производить органические вещества, изготовлять краски и т. д. на заранее точно рассчитанном месте, иначе говоря, так сказать, дирижировать работою света».

Чиамичиан приходит к следующему— правда, несколько фантастическому — выводу: «Там, где растительность отличается пышностью, фотохимическая работа будет возложена на растения, и, таким образом, путем рациональной культуры почвы, солнечная энергия будет эксплоатироваться в промышленных целях. В пустынях же, недоступных сельскохозяйственной обработке, чистая фотохимия в первую очередь будет служить для практического использования солнечной энергии. На бесплодных равнинах возникнут промышленные колонии, не знающие дыма и дымовых труб. В стеклянных зданиях и трубах будут протекать фотохимические процессы, которые до сих пор были достоянием одних растений и которые теперь будут использовываться человечеством в своих целях. Если в отдаленном будущем когда-нибудь истощатся угольные залежи, культура из-за этого не погибнет, ибо жизнь и культура никогда не замрут, пока светит солнце!»

Химическая техника стоит еще перед разрешением многих проблем, в первую очередь проблемы конструирования световых аккумуляторов. Как упомянуто, химикам известен уже давно ряд веществ, у которых под влиянием световых лучей изменяется не только цвет, но и химический состав, причем в темноте они восстанавливаются в прежнее состояние. Риголо изобрел уже в 1897 г. фотогальванический элемент, который имеет предшественника в виде элемента Бекереля, изобретенного еще в 1839 г. Вильдерман в последние годы изобрел светоэлектрический элемент, состоящий из двух покрытых хлористым серебром серебряных пластинок, погруженных в раствор хлористого натрия. В 1912 г. Винтер изобрел световой аккумулятор. Изобретатель исходил из того факта, что в одном растворе смесь хлористого железа и хлорной ртути (сулемы) под влиянием ультрафиолетовых лучей превращается в смесь хлорного железа и хлористой ртути (каломеля) и что этот процесс в темноте идет обратным путем. Изобретатель смог с помощью своего элемента получить электрическое напряжение в 0,1 вольт, а для того, чтобы получить напряжение свинцового аккумулятора, необходимо было бы соединить последовательно 20 подобных элементов.

Как видим, имеются зачатки совершенно новой науки фотодинамики, новой промышленности фотомеханики и нового хозяйства, современного светового хозяйства, все это при условии, что когда-нибудь удастся подслушать у природы ее тайны.

Производство угля непосредственно из дерева и растений стало возможно лишь в последние годы. Пользующийся широкой известностью в кругах исследователей угля профессор Венского университета Штрахе не так давно сделал открытие, имеющее, крупнейшее значение для мирового хозяйства. Он открыл способ изготовления угля из древесных отбросов, который нисколько не уступает нашему каменному углю. Ему удалось воспроизвести далеко еще не окончательно выясненный процесс разложения растительных веществ внутри земли, которому мы обязаны нашим, нынешним каменным и бурым углем; таким образом, при применении дерева возникает продукт, равноценный чистому каменному углю, и отныне химик в состоянии в любое время заменить естественный уголь — искусственным. Само собою понятно, что это изобретение еще не дает возможности окончательно вытеснить из оборота каменный уголь. Это и не входило в намерения ученого, как он сообщил автору этих строк. Проф. Штрахе между прочим пишет следующее: «Само собой разумеется, не может быть и речи об устранении монополии каменного угля уже по той простой причине, что запасы дерева, в частности в Европе, и в отдаленной степени не достаточны для того, чтобы хоть сколько-нибудь заменить потребление угля. Нами при этом изобретении руководило стремление использовать древесные отбросы для производства высокоценного топлива, а также придать процессу обугливания дерева такой характер, чтобы просто и без крупных затрат на сложные установки можно было получать и побочные продукты. Поэтому наш метод представляет нечто среднее между прежним методом угольных куч, пользование которым в настоящее время еще неизбежно в виду его простоты, но не дает побочных продуктов, и крупными установками для добывания древесного угля, в которых полностью получаются побочные продукты. Для крупных установок требуется однако колоссальный основной капитал, и они нерентабельны в случае необходимости доставки дерева из отдаленных местностей. С методом Бергиуса, который получал массу, аналогичную каменному углю, из целлюлозы, а также из дегтя, мой метод имеет очень мало общего. По теории Фишера и Шрадера, каменный уголь возникает не из целлюлозы, но из содержащегося в дереве лигнина. Если даже наш метод имеет некоторое сходство с этим преобразованием лигнина, то этим ни в коем случае не имелось в виду стремление подражать процессу естественного образования угля. Новое топливо, которое похоже на древесный уголь, но не совсем тождественно с ним, и которому мы дали имя „лигницит“, может добываться трех различных видов, аналогично возрасту различных сортов каменного угля — от пламенного угля до антрацита. Сорт, соответствующий антрациту, может в сущности при изготовлении получить более высокую калорийность, чем древесный уголь, и отличается от него также большей твердостью, в частности если в качестве сырья берется мягкое дерево. Все продукты из дерева имеют большое преимущество перед каменным углем, благодаря тому, что они свободны от серы, что для определенных промышленных целей имеет колоссальное значение. Наш метод имеет особое значение для лесистых местностей, в которых подвоз угля представляет трудности, а в особенности для работы генераторных печей, вследствие того, что наш материал, почти не дающий золы, весьма удобен для обслуживания генераторов. Стоимость производства определяется главным образом стоимостью доставки дерева, но не в столь большой степени, как в современных крупных заводах древесного угля, так как аппарат применим с успехом и в мелком производстве, благодаря чему возможна децентрализация производства древесного угля».

Вряд ли нужно доказывать экономическое значение этого нового изобретения, если только оно в будущем оправдает возлагаемые на него надежды, и из дерева и его отбросов в любое время и в любом месте можно будет изготовлять уголь, по химическому составу равноценный каменному углю. Таким образом устранялась бы зависимость промышленности при размещении ее предприятий от близости каменноугольных копей и одновременно исчезала бы тревога по поводу упадка угольной добычи в некоторых районах. В виду того, что уголь, как известно, в настоящее время, в конечном счете, является показателем экономического благополучия современных промышленных стран и стоимость всех предметов потребления современного человека, в конечном итоге, определяется стоимостью угля, это изобретение Штрахе несомненно имеет большое значение для экономической жизни. Однако натуральному каменному углю не приходится пока опасаться конкуренции со стороны искусственного прежде всего уже потому, что уголь, получаемый из земли, все-таки является более ценным, дешевым и выгодным, нежели искусственный уголь, изготовляемый в реторте химика. Как бы то ни было, производство зеленого угля представляет чрезвычайные выгоды, если не непосредственно для угольного хозяйства, то для хозяйственной жизни, уже по одному тому, что этот метод открывает новую отрасль применения лесного хозяйства, о котором мы уже говорили в первой главе нашей книги.

Синий уголь

Огромная нужда в энергии, которая ощущалась в Германии и во всей Европе и будет ощущаться и в дальнейшем, заставила начать поиски новых источников энергии, и в частности там, откуда человечество получало ее уже с первобытных времен, а именно в атмосфере, использование которой в настоящее время сплошь и рядом носит еще совершенно примитивный характер. Речь идет здесь в первую очередь о ветре, который человек уже с незапамятных времен знает как брата воды и солнца.

Ветер, как известно, является процессом, возникающим при движении воздуха. Причиною ветров является также и теплота. В связи с вращением земли воздух приходит в движение. Если бы земля была неподвижна, то атмосфера также неподвижно покоилась бы над поверхностью земли. Но и помимо этого, движения ветра неравномерны: зимою изменения ветра слабее, нежели летом. Сила ветра также меняется в зависимости от времени дня. На материке обычно различают восемь направлений ветра, при анемометрических наблюдениях — 16 направлений, а на море — даже 32 направления. Быстрота ветра поддается измерению и равняется от 0 до 50 мв секунду, причем ветры со скоростью около 50 м называются ураганами. Далее наблюдениями, установлено, что быстрота ветра в более высоких слоях атмосферы больше, чем в низших, так например, быстрота ветра при измерениях, произведенных на Эйфелевой башне в Париже на высоте 305 м, достигала 8,7 м в секунду, тогда как на высоте 21 м над землею измерения показали скорость всего в 2,1 м. Колебания по временам года и по часам дня также различны. Ночью сила ветра больше, нежели днем.

Использование ветров для получения энергии было известно человечеству уже тысячи лет тому назад в форме ветряных мельниц или ветряных двигателей.

Невозможно с точностью установить, когда впервые вошли в употребление ветряные мельницы. Сообщают, что впервые ветряные мельницы были занесены в Германию крестоносцами. Но это указание основано на заблуждении. Ни в Египте, ни в Малой Азии — нигде не встречаются ветряные мельницы. Родиной ветряных мельниц скорее всего была Персия, на что между прочим указывают и арабские историки.

В Европе первые ветряные мельницы появились уже в начале 2-го тысячелетия нашей эры. В 1105 г. одному монастырю во Франции было разрешено устроить ветряную мельницу.

Образцом для европейских ветряных мельниц послужили голландские и немецкие мельницы, несколько различные однако по своей конструкции.

Главное затруднение как в немецких, так и в голландских мельницах представляло решение вопроса о регулировании работы мельниц. В целях сообразования хода ветряного колеса с силой ветра и поддержания таким путем по возможности постоянной скорости вращения колеса, стали применять тормоз, что, конечно, вызывало большой износ материала вращающихся частей. Часто прибегали к изменению быстроты вращения путем изменения площади крыльев.

Впоследствии удалось сконструировать автоматическое приспособление для регулирования подверженной действию ветров площади крыльев при помощи поворачивания всего колеса по направлению ветра. Разнообразные усовершенствования в этом направлении отошли однако на задний план с распространением применения пара и электричества. В пятидесятых годах прошлого столетия в Америке появились новые конструкции ветряных колес, которые нашли применение при работе насосов. Новые ветряные колеса отличались главным образом тем, что их движение автоматически регулировалось в зависимости от направления и силы ветра. Известное распространение получили системы эклипса, халлада и ультра, детальное рассмотрение которых выходит из рамок нашей работы.

Многообразнейшее применение нашли ветряные моторы: ими приводят в движение насосы для выкачивания воды, орошения полей и осушения почвы. Инженер Гамель в своей небольшой интересной работе «Использование сил ветра» дает точные вычисления по вопросу применения ветряных моторов для коммунального водоснабжения, для орошения и осушения полей, для искусственного питания водой рыбных садков и приходит к выводу, что применение ветра отличается большей дешевизной по сравнению с другими источниками энергии.

Электротехника также уже несколько лет работает над подчинением ветра своим целям. Первая успешная попытка использовать силу ветра для получения электричества была предпринята Лякуром. Он создал схему ветроэлектрической станции, в которой даже большие колебания числа оборотов ветряного двигателя, приводившего в движение динамомашину, совершенно уравнивались с помощью аккумуляторной батареи. Конечно, электрическая установка вырабатывала постоянный ток (в виду необходимости пользования аккумулятором). Лякур стремился главным образом к тому, чтобы при сильном ветре накоплять энергию, переводя ее в форму электрической и собирая в аккумуляторе, а при слабом ветре избегать потери накопленной энергии. С этой целью Лякур сконструировал автоматические замыкатель и прерыватель тока. В результате электротехнические фирмы, которые до сих пор мало интересовались силой ветра, занялись постройкой динамомашин, нечувствительных к нерегулярной работе, каковая имеет место при пользовании ветряными двигателями. Понятно, что динамомашины для ветряных моторов должны быть так построены, чтобы их легко было пустить в ход и получить от них ток при сравнительно небольшом ветре. Упомянутый инженер Гамель в своей книге дает подробное объяснение по этому пункту, весьма важному в связи с увеличивающимся значением ветросиловых установок.

Поскольку наша промышленность располагает еще запасами угля и энергией воды, энергия ветра имеет для нее лишь второстепенное значение. Использование силы ветра в промышленных целях в настоящее время зависит еще в значительной мере от индивидуальных желаний, особенно в тех случаях, когда данной отрасли промышленности не приходится считаться с работой других отраслей промышленности. Иначе обстоит дело в мелкой промышленности, в сельском хозяйстве в особенности, в сельскохозяйственных промыслах, в отдаленных от города фермах и таких человеческих поселениях, которые очень далеки от угля и воды. Преимущества ветряного мотора при таких условиях огромны, в особенности в связи с беспрестанным усовершенствованием ветряных моторов и соответствующих динамо-машин.

Давно уже выяснилось, что для устройства ветряных двигателей и ветросиловых станций отнюдь не требуются непременно определенный рельеф местности или морские берега, но что подобные установки могут быть устроены повсюду. Разумеется, при установке подобных силовых станций необходимо тщательно ознакомиться с метеорологическими условиями данной местности. В Германии обычно приходится иметь дело с ветрами силой в 4–5 м. Эта средняя величина однако еще не может служить базой для систематической эксплуатации силы ветра. Сила ветра одна — на равнине, другая — в горах, третья — на морском берегу.

До войны в Германии было уже 13 392 предприятия, главным образом мукомольных мельниц, на которых применялась сила ветра; их можно распределить следующим образом:

Мельницы, работающие исключительно ветром — 11 366.

Мельницы, работающие ветром и в случае необходимости водой — 49.

Мельницы, работающие паром — 852.

Мельницы, работающие электричеством — 61.

Мельницы, работающие мотором — 954.

Мельницы, работающие ветряной силой в качестве вспомогательной — 110.

Итого — 13 392.

Общее число мукомольных мельниц достигало 45 376, так что круглым счетом 25 % всех мельниц приводилось в движение ветром.

В различных других странах Европы значение ветра для хозяйства давно уже осознано. Франция много лет уже проектирует использование силы ветра в большем масштабе, чем это проводилось до сих пор. И уже давно организованы тщательные опыты на Эйфелевой башне в Париже, и в соответствии с этим создаются новые типы ветряных мельниц, которые по вычислениям Ляпреля должны обладать гораздо большей производительностью, чем применяемые в настоящее время. Последние имеют в поперечнике 3–6 м с 18 или более лопастями, французские же будут иметь 30–40 м в поперечнике и всего лишь две лопасти. Руководитель Общества инженеров для изучения использования силы ветра, Константен, недавно предложил выстроить на Мон-Венту, на высоте 16 м над уровнем моря, ряд 40-метровых ветряных мельниц. Он высчитал, что каждая мельница в среднем за год работала бы с мощностью в 700 л. с. Ветряное колесо соединено с динамомашиной, которая сконструирована в форме рыбы, чтобы представлять минимальное сопротивление ветру. Колесо и динамо поворачиваются вокруг общей оси, как только ветер меняет направление. Токи от 12 или более таких ветряных мельниц сходятся в одной центральной электрической станции.

На ряду с использованием ветра на суше большое значение принадлежит попыткам найти возможность использования его на кораблях несколько иначе, нежели до сих пор. Тысячелетний опыт дал поразительные достижения в области использования ветра на парусных судах. Но пытливый ум человека не довольствуется старым, как доказало в последние годы изобретенное Флетнером роторное судно.