Цивилизация с нуля: Что нужно знать и уметь, чтобы выжить после всемирной катастрофы

Удобная замена бензиновому транспорту — этиловый спирт (который, как мы видели в главе 4, производится путем ферментации). Мировой лидер по применению алкомобилей — Бразилия: там все машины работают либо на смеси бензина со спиртом (20 %), либо на чистом спирте. Даже во многих штатах США закон требует, чтобы бензин содержал определенную долю спирта (обычно до 10 %), при которой не требуется переделка двигателя. Не все знают, что конструкция знаменитого автомобиля Ford Model T позволяла заправлять его либо дистиллированным из нефти бензином, либо спиртом, и несколько спиртзаводов в США перерабатывали зерно на автомобильное топливо, пока введение сухого закона не положило конец спиртовым заправкам.

Промышленное производство этанола для заправки машин сдерживается необходимостью получать достаточно сахара для микробной ферментации. Культуры типа сахарного тростника, на котором основана бразильская экономика возобновляемого биотоплива, можно возделывать только в тропиках. И хотя сахара присутствуют в любых растительных организмах, составляя волокна целлюлозы, обеспечивающие растению скелет и опору, целлюлоза настолько прочна и химически стабильна, что сахар в ней крепко «заперт» и неизвлекаем. Куда удобнее и проще не пытаться выгнать из такой биомассы чистое топливо, годное для моторного транспорта, а дать ей перегнить в биореакторе и получить метан или просто отправить в топку котлов на электростанции.

Но и рокот дизелей в постапокалиптическом мире, скорее всего, не смолкнет. Дизельный двигатель довольно неприхотлив, он может работать на растительном масле, переработанном в биотопливо: делается это путем соединения масла с простейшим спиртом, метанолом, в щелочной среде (добавляется щелок — едкий натр или едкое кали — см. главу 5). Метанол, также называемый древесным спиртом, можно получить сухой перегонкой дерева, но для реакции с маслом подойдет и полученный путем ферментации. Все остатки метанола или щелока, как и ненужные побочно получаемые глицерин и мыло, можно удалить, растворив в воде, барботированной сквозь готовое топливо, которое после этого тщательно просушивают нагревом, чтобы удалить воду.

Растительное масло годится практически любое. Для Британии хорошо подходит рапс: он дает с гектара большой объем масла (больше, чем другие культуры, в том числе подсолнечник и соевые бобы), которое легко отжимается из семени, а ботва служит питательным кормом для скота. При необходимости можно использовать и животные жиры. Технический жир получают, проваривая в воде мясную обрезь и кости: жир вытапливается, а затем всплывает на поверхность воды, откуда его после охлаждения собирают. Технический жир превращают в биотопливо точно так же, как и растительные масла, но присутствие длинномолекулярных углеводородов означает, что на холоде он может застыть прямо в баке.

Проблема биотоплива в том, что оно вырабатывается из сельскохозяйственных культур, и даже небольшому автомобилю, чтобы заправляться, понадобится поле площадью не меньше чем 0,2 га. Сценарий восстановления после апокалипсиса может оказаться таким, что продовольствие будет в дефиците. В таком случае следует подумать, нельзя ли заправлять машины топливом из несъедобного сырья.

Любой двигатель внутреннего сгорания работает, по сути, на газе, а не на жидком горючем. Из бензина или дизтоплива создается капельно-воздушная смесь, которая перед воспламенением в цилиндре испаряется. Поэтому другой способ сохранить моторный транспорт на ходу состоит в том, чтобы подавать горючий газ в двигатель прямо из баллона. Именно так работают современные газовые автомобили на сжатом природном газе (метане) или сжиженном нефтяном газе (смеси пропана и бутана).

Для постапокалиптического сценария, вероятно, лучше подойдет нетехнологичный вариант: если закачивание газа в емкости под давлением в сотни атмосфер окажется слишком сложным делом, можно оборудовать машины газовыми подушками. Эти подушки, бывшие в ходу в Первую и во Вторую мировые войны при дефиците топлива, представляли собой мешки из прорезиненной ткани, наполненные метаном или угольным газом, а 2–3 куб. м газа эквивалентны литру бензина.

Чуть менее громоздкий вариант — производить газ прямо на ходу, то есть построить автомобиль на дровяной топке.

Его конструкция основана на принципе газификации. Чтобы понять его, зажгите спичку и присмотритесь внимательнее к ее пламени. Вы заметите, что светящееся желтым пламя танцует не прямо на обугливающейся спичке, а как бы на расстоянии. Дело в том, что пламя питается в первую очередь не древесиной спички, а горючим газом, возникающим при тепловом разложении сложных органических молекул древесины, которые ярко загораются, только соединившись с атмосферным кислородом. Это тот же самый процесс пиролиза, который мы исследовали в контексте сухой дистилляции древесины и конденсации паров в различные полезные жидкости, но для производства моторного топлива нужен максимальный выход горючего «генераторного» газа, и необходимо отнести дерево от пламени гораздо дальше, чем на спичке. Газ не должен вспыхнуть, пока он не поступит в двигатель, где он может наконец смешаться с кислородом, чтобы, взорвавшись в цилиндрах, совершить полезную работу.

Во время Второй мировой войны для осуществления необходимых гражданских перевозок по европейским дорогам курсировал почти миллион газогенераторных автомобилей. В Германии разработали версию «Фольксвагена»-«жука», где все газогенераторное оборудование было спрятано внутри кузова, и только люк для загрузки дров в капоте указывал на необычный источник энергии, а в 1944 г. в войска вермахта поступило более 50 танков «Тигр» на дровяных генераторах.

Газогенератор — это, по сути, герметичный цилиндр с крышкой, и его можно изготовить из подручных материалов — например, оцинкованной урны, стального барабана и бытовой сантехнической арматуры. Дрова подкладываются сверху. Постепенно проваливаясь, они сначала высушиваются, а затем пиролизуются при высокой температуре в замкнутой камере и частично сгорают в ограниченном объеме кислорода, чтобы поддерживать необходимую для процесса температуру. Важно, что внизу колонны образуется слой раскаленного древесного угля и он реагирует с парами и газами, выделяющимися при пиролизе, чем и завершается их химическое превращение. После этого через отвод у дна колонны выходит готовый продукт — генераторный газ, богатый горючим водородом, метаном и угарным газом (последний ядовит, так что работайте только в хорошо проветриваемом месте) плюс инертный азот, составляющий до 60 % смеси. Охладите газ, чтобы конденсировались все примеси, иначе они могут засорить двигатель, а затем подавайте его в цилиндры.

Литр бензина заменяют примерно 3 кг древесины (зависит от ее плотности и влажности), и поэтому расход топлива у газогенераторных автомобилей измеряется не в литрах, а в килограммах на километр — генераторы времен войны позволяли проехать на килограмме дров примерно 2,4 км.

Топливо не единственный расходный материал, необходимый для автомобильного движения. Нужна еще резина, чтобы отливать шины, постоянно изнашивающиеся при езде, и камеры — баллоны в форме бублика, которые накачивают воздухом, чтобы смягчить тряску в пути.

Для практического применения свойства сырого каучука приходится корректировать с помощью вулканизации: его плавят с добавлением серы, а затем отливают в форму. В процессе вулканизации свернутые молекулярные цепочки сцепляются в тугую, упругую массу. Так получается практически неразрушимое вещество, более эластичное, чем природный каучук, но не плавящееся при нагреве и не трескающееся на холоде.

Проблема в том, что после вулканизации резину уже нельзя снова расплавить и отлить в новую форму. Постапокалиптическое сообщество не сможет утилизировать старую резину, чтобы иметь достаточный запас шин с четким протектором, а также, например, ниппелей и камер. Придется найти новый источник сырья.

Исторически каучук получали из млечного сока (латекса) дерева гевеи, которое растет только во влажном жарком климате, в узком поясе вдоль экватора. Альтернативный источник латекса — стебли, ветви и корни гваюлы. В отличие от гевеи этот невысокий кустарник обитает на полупустынных нагорьях Мексики и Техаса. Гваюла прославилась в годы Второй мировой, когда союзники после вторжения Японии в Юго-Восточную Азию потеряли 90 % каучуковых плантаций. На ранних стадиях постапокалиптического восстановления химические процессы, необходимые для производства синтетического каучука, будут человеку недоступны, поэтому к моменту истощения имевшихся запасов одной из главных задач станет налаживание дальних торговых связей — если вы не живете поблизости от источников природного латекса.

Даже если вы сумеете обеспечить машины топливом и резиной, все равно они не могут работать вечно. Сохранившийся парк неизбежно износится и разрушится, и, хотя какое-то время у вас будет возможность снимать запчасти с других машин, рано или поздно придется осваивать их производство. Изготовление деталей современных двигателей потребует сложных знаний и технологий, а также станков, позволяющих обрабатывать заготовки с нужной точностью, — мы говорили об этом в главе 6. И если эти условия не будут выполнены к моменту остановки последнего мотора, общество демеханизируется и деградирует еще на одну ступень. Какие запасные возможности останутся у вас в этой ситуации для поддержки жизненно важных областей: транспорта и сельского хозяйства?

Что делать, если вы лишились моторов?

Если общество лишилось моторов, придется вернуться к животной тяге. Первыми в истории животными, примененными для тягла, таскавшими телеги, кареты, плуги, бороны и сеялки, были волы — холощеные быки, и их можно использовать вновь, когда замрут последние трактора. Тягловые лошади, такие как шайрские тяжеловозы, происходят от коней, носивших по полям сражений средневековой Европы закованных в броню рыцарей, эти лошади быстрее, сильнее и выносливее волов. Но если вы решите заменить волов лошадьми, сначала придется вновь изобрести подходящую упряжь — важнейший инструмент, до которого не додумались древнейшие и античные цивилизации.

Волов можно запрячь при помощи деревянного бруса. Его кладут на загривок животного, а перекладины слева и справа не дают брусу съезжать, Можно запрячь вола и с помощью лобного ярма, укрепляемого перед рогами. А вот анатомия лошади требует упряжи в виде системы ремней. Простейший образец — постромочная упряжь, когда по плечам и вокруг шеи накладывается один ремень, под животом протягивается другой, и на середине спины находится точка прикрепления постромок. Эту упряжь широко применяли в Древнем мире, так веками впрягали лошадей в колесницы ассирийцев, египтян, греков и римлян. И все же она не подходит к строению лошади и не годится для тяжелой тягловой работы, например пахоты. Дело в том, что нагрудный ремень передавливает лошади яремную вену и трахею, так что она, если тянет слишком усердно, задыхается. Выход — переделать упряжь и перенести точку, к которой лошадь прилагает силу.

Хомут — это металлическое или деревянное кольцо в толстой мягкой обивке, плотно облегающее шею лошади. Точки приложения силы при использовании хомутной упряжи расположены не на загривке, а низко на боках лошади, так чтобы нагрузка равномерно распределялась по ее груди и плечам. Этот анатомически комфортный ворот — один из первых опытов эргономичного дизайна — придумали в Китае в V в., но в Европе он получил распространение лишь в 1100-х гг. Хомутная упряжь позволяет лошади тянуть во всю силу: развиваемое тяговое усилие выходит в три раза больше, чем в прежней, неудобной запряжке — а именно конный плуг стал основой средневековой аграрной революции.

Странные сцены мы увидим при соединении конной тяги и остатков автомобильного парка. Исправный задний мост от мертвой легковушки или грузовика можно приспособить как шасси для деревянной телеги. А еще проще будет разрезать авто поперек, выбросить переднюю часть с бесполезным мотором, а заднее сиденье и колеса применять как двуколку. Пара оглобель из тонких труб, приделанных по бокам, позволит запрячь осла или быка вместо энергетической установки.

В то же время откат к животной тяге потребует часть урожая полей и огородов пускать на корм скоту, забрав ее у людей. На пике использования тягловых животных в сельском хозяйстве Великобритании и Соединенных Штатов, который удивительным образом пришелся примерно на 1915 г. (хотя к тому моменту целых полвека существовали самоходные механизмы с паровой машиной и уже появились бензиновые трактора), на трети всех возделываемых земель выращивали корма для лошадей[35].

Первоочередной задачей, наряду с поиском тягловой силы для сельскохозяйственных орудий и сухопутных перевозок, будет покорение морей и возобновление рыболовства и торговли, и, если ваше общество утратит способность производить сложные механизмы, в море придется положиться на парусный флот.

Простейший тип паруса интуитивно понятен любому, кто хоть раз видел, как вывешенные сушиться простыни развеваются под порывами ветра. Укрепите в середине своего судна столб — мачту, на макушке горизонтально подвесьте брус перпендикулярно продольной оси судна: это будет рея. На рее закрепите верхний край большой холстины, снизу привяжите холстину веревками, и у вас получится простой квадратный парус, многажды в истории человечества изобретенный самыми разными народами. Парус действует как ловушка, захватывающая попутный ветер, при котором даже примитивные суда могут идти довольно быстро. Но с такой оснасткой двигаться веред можно, только если угол к ветру не меньше 60°, и потому мореход оказывается полностью во власти стихий.

Более сложный вариант — косой парус. Он не натягивается перпендикулярно поперек палубы, но ориентируется вдоль линии борта и висит диагонально благодаря наклонной рее или веревке, одним концом закрепленной на мачте. Суда, оснащенные косыми парусами, гораздо более маневренны и могут идти галсами много круче к ветру, чем суда с прямыми парусами: у современных яхт угол к ветру доходит до 20°, но большинство крупных парусников используют оба типа парусов. Косой парус восходит еще к римлянам, бороздившим воды Средиземноморья, но окончательную форму обрел в эпоху Великих географических открытий, которая началась в XV столетии: под косым парусом корабли испанских и португальских мореплавателей проходили через океаны, чтобы открыть далекие земли и проложить дальние торговые пути.

Если вы ставите косой парус под углом к ветру, возникает совершенно новый эффект. Наполняя парус, ветер отдувает его в сторону и превращает в своего рода крыло: поток воздуха, обтекая выгнутую поверхность, отражается и создает перед парусом область низкого давления. Корабль с прямым парусом ветер толкает по воде, корабль с косым парусом тянет спереди аэродинамическая подъемная сила. В 1552 г., не понимая до конца физику этого процесса, Фернан Магеллан с командой первым в истории обогнул Землю, применив те же принципы аэродинамики, которые используются в самолетном крыле и реактивной турбине.

Однако, если мы ставим косой парус на боковом ветру, судно теряет устойчивость и возникает риск опрокинуться и перевернуться. Чтобы этого не произошло, ближе к днищу судна для устойчивости помещают балласт, а под днищем приделывают киль, часто напоминающий по форме перевернутый акулий плавник, — он противодействует опрокидывающей силе парусов. Если вы умеете управиться с этими противоборствующими силами и точно наладить снасти для управления косыми парусами и установки наилучшего угла к ветру, то физика, лежащая в основе аэродинамического эффекта, удивительным образом позволит кораблю идти даже быстрее скорости дующего в паруса ветра.

Если не удастся найти пригодных для использования судовых корпусов, придется строить их своими руками. По традиционной технологии доски обшивки кладут вдоль и крепят на каркас, а стыки герметизируют, затыкая паклей и замазывая смолой. Если найдется достаточно собранного или выплавленного железа либо листовой стали, можно скрепить доски заклепками. Паруса же, по сути, просто большие куски полотна, продукт ткацкой технологии, описанной в главе 4. Для паруса нужно использовать гладкое переплетение и помнить, что ткань всегда труднее рвется вдоль утка, поскольку уточные нити прямее, чем нити основы, и легко растягивается и рвется по диагонали (попробуйте на небольшом участке собственной рубашки). Похожим образом веревки, связывающие снасти воедино, делаются путем сучения из волокна нитей, которые затем сплетаются в пучки, а те — в веревку. Далее, если нужно, из веревок плетется канат. Блоки и тали, применяемые для управления парусами, не отличаются от тех, с помощью которых строители поднимают тяжелые грузы.

Будем надеяться, что довольно скоро возрождающаяся цивилизация заново освоит обработку металлов и изготовление станков. Одним из видов простого механического транспорта для передвижения людей в мире, где смолкли моторы, мог бы стать велосипед. Сердце педальной машины — это кривошип, превращающий взмахи ваших ног во вращение, которое можно передать на колеса. Однако есть непростая инженерная задача: нельзя вращать педалями колесо напрямую, как на детском велосипедике, потому что в таком случае, чтобы развить сколько-нибудь приличную скорость, седоку придется сучить ногами как сумасшедшему.

Простейшее решение — сделать переднее колесо большим. Значительная длина окружности даже при несильном вращении обеспечит неплохую скорость, именно по этому принципу сконструированы старинные «пенни-фартинги» карикатурных пропорций, с полутораметровым колесом. Но есть выход гораздо лучше — очевидный нам сегодня, но до 1885 г. не приходивший в голову производителям велосипедов: применить шестерни, механизм из Древнего мира, соединенные цепью. Две звездочки разного диаметра, позволяющие колесу вращаться значительно быстрее, чем оси педалей, соединяются роликовой цепью (ее устройство весьма схоже с тем, что нарисовал в XVI в. Леонардо да Винчи). Еще одна важная техническая особенность — передняя стойка, соединяющая ступицу колеса с рулем, должна быть слегка отклонена назад, чтобы переднее колесо само собой поворачивалось в сторону, куда клонится велосипед, придавая машине естественное равновесие[36].

Изобретаем заново моторный транспорт

Настанет день, когда возрождающаяся цивилизация достигнет того уровня развития металлургии и технического конструирования, при котором возможно производство двигателей. Если сообщество откатилось к тягловым животным и парусам, как ему заново создать двигатель внутреннего сгорания, не располагая образцами, пережившими апокалипсис? Как устроено сердце, бьющееся под капотами наших машин?

Двигатель внутреннего сгорания — отличная иллюстрация того, что сложный механизм — это не более чем совокупность простых узлов самого разного происхождения, организованных неким новым образом для решения той или иной насущной задачи. Если бы можно было содрать с семейного авто металлическую шкуру и рассечь его, как живой организм, то внутри обнаружилось бы множество устройств и агрегатов, взаимодействующих, как органы и ткани в человеческом организме.

Каковы же главные принципы работы автомобиля и как собрать машину с нуля?

В главе 8 мы разобрали принцип работы двигателя внешнего сгорания: паровая машина движется за счет нагнетания в цилиндры пара из котла, который нагревается сожжением топлива. Гораздо более эффективный способ высвобождения химической энергии, заключенной в топливе, — это исключить посредника и заставить толкать части машины сам горячий газ, образующийся при сожжении. Если малое количество топлива перед воспламенением поместить в замкнутый объем цилиндра, взрывным расширением высвободившегося горячего газа можно будет вытолкнуть поршень и совершить полезную работу. Повторяя такой цикл по нескольку раз в секунду, получаем надежный и точный процесс развития мощности. Чтобы подготовить цилиндр к следующему взрыву, открывается клапан, и цилиндр вдавливается обратно, вытесняя, как шприц, отработанный газ, а затем вновь оттягивается, чтобы в цилиндр через другой клапан всосалась новая порция топлива. Перед воспламенением ее еще нужно немного сжать, чтобы она стала плотнее и нагрелась. Этот четырехтактный цикл и есть быстро пульсирующее сердце абсолютного большинства двигателей внутреннего сгорания.

Есть два способа поджечь топливо, поданное в цилиндр, и в этом состоит разница между современным бензиновым и дизельным двигателями. Летучие жидкости типа этанола (или бензина) можно превратить в газ, перед впрыском смешав их с воздухом в карбюраторе, а затем воспламенить электрической искрой пусковой свечи. Смеси более тяжелых углеводородных молекул, например дизельное топливо, можно вдувать в цилиндр в состоянии тонкой капельной взвеси в конце такта сжатия, чтобы испарить и воспламенить одновременно путем резкого подъема температуры в цилиндре за счет резкого сжатия воздуха. (Всякий, кто трогал патрубок ножного насоса после накачки колеса, замечал, как он нагревается от нагнетаемого воздуха.) Или же, как мы видели в начале этой главы, можно питать двигатель непосредственно газом, нагнетаемым в цилиндры.

Но чтобы машина двигалась вперед, нужно преобразовать возвратно-поступательное движение поршней в равномерное вращение, которое можно передать на колеса или пропеллер. Осуществляет это необходимое преобразование кривошип, как и в велосипеде. Кривошип в механизмах часто используется в паре с поворотным шатуном, соединяя элемент, совершающий возвратно-поступательное движение, с вращающимся валом (у велосипеда роль шатуна, соединенного с кривошипом педалей, исполняют ноги седока). Самое ранее известное нам применение этого полезнейшего механизма — римское водяное колесо (III в.), где кривошип преобразовывал вращение толкаемого рекой колеса в возвратно-поступательный ход пил на пилораме.

В современных моторах, объединяющих работу множества поршней, этот механизм слегка модифицирован — там есть коленчатый вал, состоящий из нескольких гнутых звеньев, составленных так, чтобы ход поршней вращал вал. Но несколько цилиндров, даже если они выполняют рабочий цикл в заданной последовательности, вращают вал не равномерно, а толчками, и поэтому нужно как-то стабилизировать его вращение. Здесь техническое решение заимствовано из античной гончарной технологии. На конце коленчатого вала крепится маховик, выполняющий точно ту же функцию, что и тяжелый каменный диск гончарного колеса, — он должен сохранять импульс и сглаживать рывки при вращении.

Другой древний механизм применяется для упорядоченного открывания и закрывания клапанов, чтобы впускать топливную смесь и выбрасывать отработанный газ в течение рабочего цикла. Кулачок имеет вытянутую, смещенную от центра форму, чтобы, вращаясь на распределительном валу, он в установленном ритме поднимал рычажок-коромысло или отбрасывал стержень-толкатель. В прошлом кулачковый механизм использовался в свайных молотах: энергия водяного колеса раз за разом поднимает молот, а падает он, нанося удар, спущенный вертящимся кулачком. Кулачковый механизм был известен древним грекам и появляется вновь в средневековых машинах XIV в. В современном двигателе внутреннего сгорания набор кулачков, вращаемых распределительным валом, обеспечивает точную синхронизацию работы впускных и выпускных клапанов с рабочим циклом цилиндров.

Если вы намерены установить двигатель на сухопутное транспортное средство, а не просто вращать им гребной винт судна, придется решить еще несколько технических задач. Разобравшись с устройством двигателя, придется перейти к следующему этапу — передаче вращения на колеса. Трансмиссия — одна из самых простых для понимания частей автомобиля; в сущности, это не более чем коробка, позволяющая выбрать, какие шестерни сцепить между собой, и работающая по тому же принципу, что и зубчатые передачи, восходящие к III в. до н. э. Двигатель внутреннего сгорания вращается с огромной частотой, и поэтому низкие передачи, когда вал трансмиссии сцепляется с шестерней, меньшей, чем на валу двигателя, используются, чтобы «обменять» частоту вращения на вращающее усилие. Оно нужно для ускорения или движения на подъем.

Смену шестерен облегчает еще один сопутствующий агрегат — диск сцепления. Во многих машинах вращение двигателя передается через диск с рельефной поверхностью, сцепленный с маховиком, — как ни странно, именно трение обеспечивает равномерность вращения. Специальный механизм позволяет разъединить маховик и диск сцепления, отцепив двигатель от карданного вала. Подобная система применялась в ранних деревообрабатывающих станках, например токарных, — так механизм станка отсоединялся от источника энергии.

Первые автомобили заимствовали трансмиссию у велосипедов и передавали вращение на заднюю ось посредством цепи и звезд. Более эффективный способ — карданный вал, но, чтобы он не сломался от сотрясений и толчков при езде, ему необходима некоторая степень гибкости. Как же придать жесткому стержню способность сгибаться в любом направлении, при этом передавая усилие? Решение в том, чтобы разместить в двух местах на валу универсальные шарниры. Такой шарнир состоит из пары соединенных муфт, его принцип был описан еще в 1545 г.

После того как ваша моторная колесница покатила, нужно изобрести средство для управления поворотными колесами прямо с водительского места. На первых автомобилях применялся румпель — тяж, посредством которого на судах управляли положением рулевого пера. Однако позже было найдено более удобное решение — тут пригодилась технология, восходящая к античным водяным часам, появившимся около 270 г. до н. э. Реечная передача — механизм, состоящий из зубчатого колеса и длинной планки с такими же зубцами. Рулевое колесо в кабине связано валом с зубчатым колесом, которое двигает рейку вправо и влево, поворачивая передние колеса.

Наконец, последняя техническая проблема возникает, если два колеса держатся на одной оси. Когда машина поворачивает, внешнее колесо должно вращаться чуть быстрее внутреннего, если же оба вращаются одной осью, они могут скользить и буксовать, снижая управляемость машины и изнашивая покрышки. Механизм, называемый дифференциалом и представляющий собой систему не более чем из четырех шестерен, позволяет передавать мощность на оба колеса, но вращать их с разной скоростью. Эта изящная конструкция в европейских механизмах появляется с 1720 г., но не исключено, что возникла еще в 1000 г. до н. э. в Китае.

Одним словом, заглянув в нутро новенького спортивного авто, соединяющего в себе новейшие технические достижения, вы обнаружите винегрет компонентов, заимствованных из механизмов, восходящих к далеким этапам человеческой истории: гончарного круга, римских лесопилок, свайного молота, токарного станка и водяных часов.

Двигатель внутреннего сгорания — чудесный аппарат, умеющий превращать химическую энергию топлива в равномерное движение и применяющийся сегодня на абсолютном большинстве транспортных машин (наряду с реактивным двигателем скоростных самолетов и паровой турбиной больших кораблей). Мы рассмотрели способы производства жидкого или газообразного топлива для таких двигателей, а полный топливный бак — это восхитительно емкий резервуар энергии, позволяющий покрывать без дозаправки большие расстояния, так что внутреннее сгорание непременно сыграет свою роль в организации наземного и водного транспорта в постапокалиптическом обществе, вышедшем на продвинутый этап восстановления. Есть, впрочем, своя трудность: без легкодоступных источников сырой нефти цивилизации, последующие за нашей, столкнутся с дефицитом топлива. Активный рост моторного транспорта, наблюдаемый с 1920-х гг. и поныне, обеспечен наличием дешевого бензина, подвозимого с нефтеперерабатывающих заводов. Каким же может быть альтернативный путь восстановления транспортной структуры в обществе, поднимающемся из пепла?

Возможно, вместо того чтобы пускать на отжим для дизельного биотоплива или в ферментацию на этанол лишь часть выращенного растения, проще будет сжечь весь урожай целиком. Вскипятить котлы под паровыми турбинами и произвести электричество — гораздо более рациональное использование солнечной энергии, запасенной вырубленным лесом или быстрорастущими энергетическими культурами типа проса или мисканта. Электричество, произведенное на возобновляемом биотопливе, а также энергией воды и ветра, потечет по проводам, чтобы оживить поезда и трамваи на рельсовых путях и зарядить батареи небольших автомобилей. Электромобиль на биомассе, полученной с гектара земли, пройдет больше, чем авто с двигателем внутреннего сгорания на топливе, выжатом из той же биомассы, и что важнее, котел, вертящий паротурбину, можно топить разными и грубыми растительными материалами, а для производства биотоплива их нужно отбирать. Если же электричество вы производите на теплоэлектростанции (ТЭС), то попутным теплом можно отапливать ближайшие здания. Обществу, стесненному в энергетических ресурсах, лучше решать проблемы комплексно, извлекая максимум пользы из потребляемого топлива, поэтому есть вероятность, что городской транспорт постапокалиптической цивилизации будет преимущественно электрическим.

Строго говоря, в свое время электромобили были довольно обычным делом. В начале ХХ в. на равных конкурировали три фундаментально различных направления в автомобилестроении, и электрокары успешно соперничали с паровыми и бензиновыми машинами, поскольку механически они значительно проще, не шумят и не дымят. В Чикаго они даже преобладали. В 1912 г., на который пришелся пик производства электромобилей, по дорогам Америки катались 30 000 бесшумных экипажей и еще 4000 ездили по Европе; в 1918 г. пятая часть берлинских такси была оснащена электромоторами.

Недостаток электромобиля, несущего собственный аккумулятор (не в пример трамваям и поездам, имеющим постоянный источник питания в виде контактного провода, протянутого над рельсами), в том, что даже объемная и массивная батарея хранит не так уж много энергии, а перезарядка отнимает много времени. Максимальный запас хода тех первых электромобилей составлял около 150 км[37], это больше, чем у конного экипажа, и вполне достаточно для внутригородских сообщений. А вместо того чтобы дожидаться восстановления заряда в батарее, можно просто заменить на специальной станции разряженный аккумулятор на полный: еще в 1900 г. на Манхэттене успешно работал парк электрических такси, располагавший центральной станцией, где севшие батареи моментально меняли на свежие.

Таким образом, сочетая двигатели внутреннего сгорания на биотопливе и электромобили, восстанавливающееся постапокалиптическое общество сможет удовлетворить свои транспортные нужды даже при дефиците нефти, которого не знала в свое время наша цивилизация. Теперь настало время перейти от транспортировки людей и грузов к трансляции идей: в следующей главе мы рассмотрим технологии связи.

Глава 10

Коммуникации

Я встретил путника; он шел из стран далеких

И мне сказал: вдали, где вечность сторожит

Пустыни тишину, среди песков глубоких

Обломок статуи распавшейся лежит.

Из полустертых черт сквозит надменный пламень,

Желанье заставлять весь мир себе служить;

Ваятель опытный вложил в бездушный камень

Те страсти, что могли столетья пережить.

И сохранил слова обломок изваянья: —

«Я — Озимандия, я — мощный царь царей!

Взгляните на мои великие деянья,

Владыки всех времeн, всех стран и всех морей!»

Кругом нет ничего… Глубокое молчанье…

Пустыня мeртвая… И небеса над ней…

П. Б. Шелли. Озимандия[38]

Сегодня интернет, повсеместные беспроводные сети и смартфоны, которые мы не выпускаем из рук, позволяют связаться с любой точкой мира моментально и без труда. Мы обмениваемся электронной почтой, беседуем в Skype, переписываемся в Twitter, веб-сайты распространяют новости и иную информацию, сокровищница человеческого знания открывается прямо у нас на ладони. Но в постапокалиптическом мире придется вернуться к более ранним технологиям коммуникации.

Письмо

До изобретения письменности знания хранились в головах живущих и распространялись только устно. Но устная традиция вмещает лишь небольшой объем данных, и со смертью людей многие идеи могут исчезнуть навсегда. Если же мысли записываются на физическом носителе, они могут надежно храниться; к ним можно возвращаться через годы, накапливать знания и пр. Цивилизация, которая изобрела письменность, способна собрать гораздо больший объем знаний, чем когда-либо сможет удержать коллективная память населения.

Письменность — одна из важнейших технологий прогресса, это концептуальный скачок, трансформация звучащей речи в последовательность графических символов: либо произвольных знаков-букв, передающих звуки языка (фонемы английского, например), либо иероглифов, изображающих предметы и идеи (как в китайском). На первичном уровне это дает возможность навечно зафиксировать оговоренные условия сделки, границы земельных участков и своды законов. Но именно накопление знаний дает человечеству возможность прогрессировать в науке, культуре и технике.

Мы привыкли, что в современном мире такие орудия цивилизации, как бумага и перо, всегда под рукой. Насколько они важны, мы понимаем, лишь когда не находим старого конверта, чтобы накорябать на обороте список покупок, или когда горестно недоумеваем, куда исчезла ручка, две минуты назад положенная на стол. Хотя бумаги после гибели нашей цивилизации, должно быть, останется море, материал этот весьма тленный: бумага погибает в огне пожаров, которые заполыхают в обезлюдевших городах, она плесневеет от воды и сырости. Можно ли наладить массовое производство бумаги, пропустив исторические предшествующие этапы и не тратя времени на освоение материалов типа папируса и пергамента?

Бумагу изобрели в Китае около 100 г. н. э., но до Европы она добиралась более 1000 лет.

Вместе с тем бумага из древесной пульпы — это удивительно недавнее усовершенствование. До конца XIX в. бумагу делали в основном из льняной ветоши. Лен — это ткань, выделанная из волокон одноименного растения (см. главу 4), и, в сущности, бумагу можно сделать из любого волокнистого растения — конопли, крапивы, тростника или иной грубой травы. Но с ростом спроса, который, как мы увидим, стимулируется изобилием книг и газет, извергаемых печатным станком, человек все старательнее искал другие подходящие волокна. Дерево — замечательный источник добротного бумажного волокна, но как превратить плотный и твердый древесный ствол в жидкую кашицу из коротких мягких волокон и при этом не надорваться?

Волокна, благодаря которым бумага так легка, но притом прочна, — это целлюлоза. С точки зрения химии это длинная сложная цепь, которая у всех растений служит главной строительной молекулой, связывающей воедино клетки организма, особенно в стволе и ветках, — именно жилистые волокна целлюлозы застревают в зубах, когда вы жуете сельдерей. В прочных древесных стволах, однако, волокна целлюлозы усилены другим структурным компонентом — молекулой лигнина, которая, скрепляя целлюлозные пучки, образует древесину. Лигнин обеспечивает дерево идеальным материалом для строительства крепкой несущей центральной «колонны» и широко расходящихся сучьев и ветвей, на которых листья «вывешиваются» на солнце, но из-за него волокно целлюлозы остается досадно недоступным для человека.

Традиционно для получения растительного волокна стебли разминали, замачивали на несколько недель в стоячей воде, чтобы микроорганизмы принялись разрушать структуру материала, а затем интенсивно толкли, высвобождая целлюлозу грубой силой. Но не все так плохо: можно сберечь много времени и сил и перейти сразу к более эффективной схеме.

Связи, удерживающие вместе в ткани дерева целлюлозу и лигнин, легко разрушает химический процесс под названием гидролиз. При нем происходят те же самые молекулярные превращения, что и при сапонификации мыльного сырья, и добиваемся мы этого ровно теми же мерами: призываем на помощь щелочь. Лучшая для наших целей часть дерева или иного растения — ствол или стебель и ветви, поскольку корни и листья не богаты целлюлозным волокном. Растительную ткань крошат на мелкие кусочки, чтобы максимально увеличить площадь поверхности, контактирующей с агентом, и опускают на несколько часов в чан с кипящим щелочным раствором. Это разрушает химические связи, скрепляющие молекулы полимеров, так что растительная ткань размягчается и распадается. Щелочной раствор действует и на лигнин, и на целлюлозу, но гидролиз лигнина происходит быстрее, так что у нас остается возможность, пока лигнин разрушается и растворяется, собрать драгоценные бумажные целлюлозные волокна. Мягкие белые волокна всплывут на поверхность мутно-бурого окрашенного лигнином варева.

Подходит любая из щелочей, которые мы описали в главе 5, — поташ, едкий натр, известь, — но исторически чаще всего применялась гашеная известь (гидроксид кальция), поскольку ее легко получать в больших объемах, обжигая известняк, тогда как поташ производится вымачиванием древесной золы, что весьма трудозатратно. Однако, если вы наладили искусственный синтез едкого натра (об этом пойдет речь в главе 11), он подойдет для варки целлюлозы гораздо лучше любого другого агента, способствуя интенсивному гидролизу. И вы получаете его прямо в варочном чане, смешивая гашеную известь и соду.

Собрав на сите отделившиеся волокна целлюлозы, их несколько раз промывают, пока не отмоют от грязноватого лигнинового налета. Затем, если нужно, чтобы готовая бумага вышла чисто-белой, пульпу замачивают в отбеливателе. Хорошими отбеливателями служат хлорная известь и хлорноватистый натр: их получают, соединяя газообразный хлор (добываемый путем электролиза соленой воды) с гашеной известью или едким натром соответственно. Химическая природа такого отбеливания — окисление: распадаются молекулярные связи в окрашенных веществах, и молекулы распадаются или преображаются, так что вещество утрачивает цвет. Отбеливание необходимо не только при производстве бумаги, но и в текстильной промышленности, так что в дни перезагрузки потребность в нем, вероятно, станет главным стимулом развития химической индустрии.

Вылейте добрую порцию этого густого целлюлозного супа на частое сито или полотняный экран с деревянной рамой-бортиком, чтобы, когда вода стечет, волокна улеглись в виде как попало сплетенного коврика. Отпрессуйте его, чтобы выжать оставшуюся воду и получить ровные гладкие листы, и оставьте сушить.

Небольшое бумажное производство будет значительно легче организовать, если вам удастся кое-что найти в руинах погибшей цивилизации. Щеподробилка или даже большой кухонный блендер, подключенный к генератору, облегчит «разжевывание» растительной массы в густой целлюлозный суп; но можно применить ветряк или водяное колесо, которые создадут усилие, необходимое для подъема свайных молотов, измельчающих массу.

Впрочем, получение чистой гладкой бумаги — только половина дороги к организации письменной коммуникации и постоянных запасов знания. Когда высохнут или затеряются все оставшиеся от доапокалиптических времен авторучки, понадобится изготовить яркие и долговечные чернила, которыми можно писать по бумаге.

В принципе, в качестве чернил на первый случай можно использовать все, что оставляет досадные пятна, если капнет вам на рубашку. Можно взять, к примеру, горсть спелых ягод насыщенного цвета, растолочь, чтобы дали сок, процедить его и растворить в нем немного соли для консервации. Но с растительными экстрактами чаще всего связана проблема недолговечности. Чтобы сохранить собственную речь и заново собранный возрождающимся человечеством запас знаний навсегда, нужны чернила, которые плохо смываются со страницы и не выцветают на солнце. Средневековая Европа пришла к такому решению, как железистые (железо-галловые) чернила. Можно сказать, что ими написана сама история западной цивилизации. Ими делал записи Леонардо да Винчи. Записывал свои концерты и сюиты Бах. Делали наброски Ван Гог и Рембрандт. Не без участия железистых чернил дошла до потомков Конституция Соединенных Штатов. Состав, весьма похожий на оригинальные железистые чернила, поныне широко употребляется в Великобритании: канцелярские чернила, которыми должны заполняться такие документы, как свидетельства о рождении, смерти и браке, готовят по той же средневековой формуле.

Как явствует из названия, главных компонентов у этих чернил два: соединение железа и экстракт галла — чернильного орешка. Галлы образуются на листьях и ветках деревьев, например дубов, когда оса-паразит откладывает яйца в почки и, раздражая дерево, заставляет его образовать вокруг кладки нарост. Эти орешки богаты галловой и дубильной кислотами, они обе реагируют с сульфатом железа, полученным растворением железа в серной кислоте. Железистые чернила в чистом виде практически бесцветны, и трудно видеть, что ты ими выводишь, если не добавить в смесь еще какой-то растительный краситель. Но на воздухе железная составляющая чернил окисляется, и линия приобретает густую и устойчивую черную окраску.

Простейшее перо также можно изготовить по освященному веками патенту. Подержите птичье перо (использовались в основном гусиные и утиные) в горячей воде и удалите материал, заполняющий его стержень. Обрежьте кончик стержня, подрезав с двух сторон, чтобы получилось острое жало, а затем придайте острию плавный округлый изгиб, классическую форму стального пера. Если острие надсечь вдоль посередине, перо будет удерживать в себе небольшой запас чернил, и макать его в чернильницу придется не так часто.

Печать

Появление письменности было историческим шагом, обеспечившим сохранение и накопление идей, изобретение же книгопечатания подарило нам машину для их размножения и быстрого распространения. Сегодня развитые страны могут похвастать практически поголовной грамотностью населения, и ежегодно в них отпечатывают приблизительно 45 млрд страниц текста: книги, газеты, журналы, брошюры.

Если бы не было печати, копирование текста требовало бы нескольких недель кропотливого труда целой группы переписчиков. Заказывать такие работы могли бы лишь влиятельные и богатые люди, а значит, в обращение выходили бы только отобранные и одобренные ими тексты. Изобретение печатного пресса демократизировало знание. Печать дает каждому возможность не только учиться, но и распространять собственные идеи: от новых научных теорий до радикальных политических воззрений, стимулируя широкое обсуждение и перемены в общественном устройстве.

Главный принцип печати — замена рукописной страницы набором литер: рядами уложенных в деревянную раму небольших кубиков, у каждого из которых на верхней грани выточена рельефная буква. Набор смазывается чернилами и прижимается к странице. После того как рамка наполнена литерами, одну страницу текста можно быстро напечатать еще, и еще, и еще раз, а когда нужное число копий отпечатано, из тех же литер составляется следующая страница. Даже на примитивном печатном прессе текст репродуцируется в сотни раз быстрее, чем от руки.

Есть три главные проблемы, которые вам предстоит решить, чтобы возродить печатный станок с подвижными литерами, изобретенный в XV в. в Германии Иоганном Гутенбергом[39]. Во-первых, нужно придумать способ массово изготавливать литеры точного размера. Затем понадобится механизм, равномерно и плотно прижимающий набор к странице. Наконец, придется изобрести новый вид чернил — не таких, что свободно стекают с кончика пера, а таких, которые хорошо держатся на металлических деталях сложной конфигурации.

Первый вопрос: из какого материала делать литеры? Дерево легко резать, но потребуется долгая кропотливая работа искусного резчика, который должен будет вырезать вручную каждую отдельную литеру: около 80 букв (считая прописные и строчные), цифры, знаки препинания и другие употребительные символы — и впоследствии множество точных копий каждой из них. И это лишь для одного шрифта в одном размере и одном начертании.

Выходит, чтобы массово печатать книги, вам нужно сначала научиться массово производить орудия для этого. Здесь может помочь литье — отлив одинаковых блоков-литер из расплавленного металла. Гутенберг понял: чтобы блоки-литеры имели ровные и гладкие грани и абсолютно прямые углы и плотно укладывались в ряды-строки, их нужно отливать в форму в виде пустого куба. Четкое очертание буквы можно без лишних усилий получить на нижнем торце блока, если на дно формы установить сменную матрицу. Матрицы можно делать из мягкого металла вроде меди, а точный оттиск буквы на них легко получить, впечатав его так называемым пуансоном из твердой стали. Остается один раз вырезать каждую букву, цифру и знак на пуансоне, и можно спокойно отливать без счета литеры одного шрифта.

Здесь есть еще одна трудность, возникающая из природы европейских букв: они сильно разнятся по ширине, от изящной i или стройной l до круглобокой O или плечистой W. Чтобы текст легко читался, буквы должны стоять рядом тесно, и вокруг узких символов не должна зиять пустота. Таким образом, нужно научиться отливать кубики-литеры одинаковой высоты, чтобы они составлялись в строку, но разной ширины.

Это тоже предусмотрел Гутенберг, озаренный идеей массового и удобного изготовления кирпичиков печатного текста. Форму нужно сделать из двух зеркальных половин — L-образных створок, которые, складываясь, образуют внутри кубическую полость. Стенки такой камеры легко сдвигаются и раздвигаются, плавно регулируя ширину литеры, но не меняя ни глубины, ни высоты (сложите рамку, растопырив большие и указательные пальцы, и вы наглядно увидите остроумный принцип этого изобретения). Чтобы отлить идеально подогнанную литеру, остается положить на дно формы нужную матрицу, задать ширину камеры, залить расплав, а когда он застынет, извлечь готовую литеру, просто разняв L-образные половинки.

Когда страница текста набрана, набор смазывают чернилами и получают тонко детализированный оттиск на чистом листе. Есть целый ряд механических устройств, позволяющих приложить интенсивное давление, в том числе простой рычаг или система блоков: и то и другое в истории бумагоделания применяли для удаления избытков жидкости. Но Гутенберг вырос в немецком винодельческом краю и для своего революционного изобретения применил другой старинный патент. Винтовой пресс — это древнеримская технология, восходящая к I в.: такими прессами повсеместно отжимали оливковое масло и виноградный сок. Пресс оказался идеальным механизмом для жесткого, но равномерного давления на две пластины, прижимающие смоченный краской набор к книжной странице. Память об этом важнейшем инструменте печатного процесса дожила до наших дней в коллективном названии всех печатных изданий, да и работающих там журналистов — «пресса»[40].

Для печати вовсе не обязательно налаживать производство бумаги: станок Гутенберга отлично печатает на пергаменте, выделанном из телячьей кожи (но не на ломком папирусе). Однако без ее массового производства невозможно сделать книги доступными широкому покупателю, так что их революционный в аспекте социального развития потенциал останется под спудом. Если бы книга, которую вы сейчас держите в руках, была напечатана на пергаменте и в том же формате, что и первая Гутенбергова Библия, на каждый экземпляр ушло бы около 48 телячьих шкур.

Но успех печати зависит еще от качества чернил. Разработанные для письма от руки текучие составы на водной основе, вроде железистых чернил, здесь совершенно не годятся. Чтобы четко оттиснуть тонкие буквы, нужны вязкие чернила, они должны крепко пристать к металлическим поверхностям сложной формы, а потом оставить четкий оттиск на бумаге, не размазываясь, не растекаясь и не расплываясь. Гутенберг эту задачу решил, обратившись к новинке, которая тогда только входила в обиход художников Возрождения, — масляным краскам.

Черную краску на основе сажи древние египтяне и китайцы придумали примерно в одно время, около 4500 лет назад. Углеродные крупицы сажи служат идеально черным пигментом, если смешать ее с водой и специальным загустителем типа древесной смолы или желатина (костный клей: см. главу 5). Так готовят китайскую тушь, изобретенную в Китае, распространившуюся тогда же в Индии и поныне широко применяемую художниками. В сущности, суспензия частичек угольно-черного красителя представляет собой тонер для ксерокса и лазерного принтера. Сажу можно собрать из дымного пламени горящих масел (так называемая ламповая копоть) или сжигая различные органические материалы — древесину, кость или деготь.

Хотя угольные черные пигменты имеют почтенную историю, для печатного пресса загущенная смолой или клеем тушь не годится, здесь нужен состав совсем иной вязкости и с иным порядком высыхания. И Гутенберг нашел решение в только-только зарождавшейся ренессансной живописи. Ламповая копоть в смеси с льняным или ореховым маслом быстро сохнет и держится на металлических литерах значительно лучше, чем жидкая тушь на водной основе (хотя льняное масло перед применением нужно обработать: вскипятить и снять поднявшийся слой густой слизи). Нужную вязкость чернилам можно сообщить с помощью двух дополнительных ингредиентов — скипидара и камеди. Скипидар — это растворитель, им разводят масляные краски, а получают его перегонкой смолы хвойных деревьев, в частности сосновой. А вот твердая густая смола, остающаяся при перегонке после отделения летучих компонентов, напротив, сгущает краску. Добившись нужного баланса двух ингредиентов-антагонистов, вы придадите чернилам оптимальную вязкость, а скорость высыхания можете варьировать, изменяя пропорцию льняного и орехового масел.

Итак, книгопечатание позволит быстро распространять знание среди возрождающегося человечества, а письменные сообщения дадут возможность поддерживать связь между людьми, живущими в разных местах. Но ведь, наверное, можно не затрудняться доставкой бумажных писем и на большом расстоянии вести общение с помощью электрических сигналов?

Электрическая связь

Электричество — удивительная материя: ток летит по проводу практически моментально и производит заметную нам работу вдали от места, где его включили, например зажигает свет в другой комнате. Но чтобы передать сигнал между зданиями, городами и даже странами, мало просто размотать провода с лампочками и мигать друг другу. Вам будет мешать электрическое сопротивление, гасящее энергию сигнала, и, для того чтобы зажечь лампочку на сколько-нибудь значительном удалении, просто не хватит напряжения. Однако подходящий электромагнит, снаряженный, как описано в главе 8, создаст заметное магнитное поле даже от слабого тока. Расположите над его концом неустойчиво сбалансированный металлический рычажок, и он послужит исключительно чувствительным переключателем, который при возникновении тока в магните будет замыкать цепь и активировать звонок. Релейный зуммер по разные концы длинной телеграфной линии помогает телеграфисту услышать электрический сигнал, посланный издалека.