Помоги проекту - поделись книгой:
Даже если мы не облучаем атомы урана нейтронами, они естественным образом разрушаются сами в процессе, известном как радиоактивный распад. Этот распад может происходить разными способами. В одном из вариантов распада излучается альфа-частица, больше известная как ион He2+. В противоположность металлическому кальцию – мощному восстановителю, который охотно отдает свои электроны, – He2+ является сильным окислителем и крадет электроны у любого атома, встретившегося у него на пути, чтобы стать нормальным газообразным гелием. Весь имеющийся на Земле гелий, включая тот, которым заполнены воздушные шарики, купленные детям на прогулке в парке, когда-то был частью атома урана или тория (торий, Th, с зарядовым числом 90 – это еще один важный природный радиоактивный элемент). Воздушный шар с гелием, или, вернее, его отсутствие, станет одной из главных тем в главе 3.
3
Загадочное происшествие с собакой в дирижабле[39]
Йозефу Шпе нужно было покормить собаку; в этом не было ничего странного. Проблема заключалась в том, что его немецкая овчарка Улла находилась в грузовом отсеке, куда вход пассажирам был воспрещен. Если бы все шло по плану, то и это не было бы проблемой, если не считать сердитых замечаний от членов экипажа, которые не понимали потребностей его хвостатой подруги и коллеги по сценическим выступлениям[40].
Но этот полет пошел не по плану, и частые визиты в хвостовую часть дирижабля доставят Йозефу много неприятностей в последующие годы[41].
Департамент энергетики США и его аналоги в Европе и Японии тратят миллиарды на разработку будущих способов применения водорода в сфере энергетики – например, в качестве топлива для автомобилей и автобусов[42]. Главное преимущество такого топлива – его экологически чистое сгорание: две молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода и образуют две молекулы воды. Возможно, будущее за «водородной экономикой», но, к несчастью для его сторонников, история водорода в качестве топлива связана с трагедией дирижабля Hindenburg («Гинденбург»).
Мы вскоре вернемся к бедной собаке Йозефа Шпе, но пока поразмыслим над тем, что над головами собаки и всех пассажиров роскошного комфортабельного дирижабля находились огромные баллоны, наполненные водородом – это самый легкий из химических элементов: в его атомах лишь один протон и один электрон. У простого вещества водорода наименьшая плотность из всех газов, и он образуется из двух атомов водорода, соединенных одной-единственной химической связью, где два положительно заряженных ядра делят между собой два отрицательно заряженных электрона. Этот газ, Н2, нес из немецкого Франкфурта на авиабазу Лейкхерст в США самый большой в мире дирижабль, который за предыдущий год совершил множество успешных путешествий в разные точки земного шара.
Сейчас мы склонны удивляться тому, что людям вообще пришла в голову идея путешествовать по миру в том, что можно назвать летающей бомбой. Но мы забываем, что немецкие торговые дирижабли, которые производила немецкая компания Luftschiffbau Zeppelin GmbH, имели отличные показатели безопасности.[43] Например, дирижабль Graf Zeppelin («Граф Цеппелин») прослужил без единой аварии восемь лет, совершая регулярные рейсы главным образом между Германией и Бразилией, а большие дирижабли по всему миру (за некоторыми немногочисленными исключениями) использовали в качестве подъемной силы именно водород – и делали это на протяжении примерно 30 лет.
Итак, в обитой асбестом курительной комнате на борту дирижабля Hindenburg, совершавшего свой первый регулярный рейс Франкфурт – Нью-Йорк в 1937 году, Шпе и другие пассажиры на досуге наслаждались видом на Атлантический океан и совершенно не думали о водороде. На любительской съемке, сделанной Шпе и чудесным образом уцелевшей в катастрофе, видно, как они увлеченно указывают друг другу на проплывающие айсберги, пока дирижабль приближается к Американскому континенту на достойной уважения скорости 134 км/ч[44].
Как глупо, думаем мы сегодня; почему они не использовали вместо водорода гелий? А потом вспоминаем, что США наложили на нацистскую Германию торговое эмбарго, поэтому немцы не могли покупать гелий. Но при проверке деталей выясняется, что история сложнее и интереснее, чем этот простой, общеизвестный, но, как мы увидим дальше, неверный «факт»[45].
Разумеется, инженеры знали о гелии. Этот одноатомный газ с двумя протонами, двумя нейтронами и двумя электронами обладает большей плотностью, чем водород, и потому не имеет такой подъемной силы. Мы можем прийти к такому заключению, поскольку и H2, и He (а также почти все остальные газы) подчиняются чудесному закону химии, который называется
Однако у гелия есть и технические преимущества. То, что частицы простого вещества гелия в два раза тяжелее, означает, что гелий представляет собой лучший теплоизолятор, чем водород, – а этот фактор не стоит игнорировать в случае с дирижаблем, который весь день жарится на солнце. Проблема нагревания проистекает из того, что газ, подчиняющийся уравнению состояния идеального газа, при увеличении температуры на 10 % (по шкале Кельвина) также увеличится в объеме на 10 % (или, если газ заключен в сосуд постоянного объема, на 10 % увеличится его давление на стенки сосуда). Инженеры должны были тщательно просчитывать оба этих следствия, чтобы удостовериться, что и контейнеры с газом, и алюминиевый корпус дирижабля смогут выдержать такое механическое напряжение. Так почему же с гелием меньше проблем? Потому что гелий медленнее нагревается: поскольку средняя скорость молекул тем ниже, чем они тяжелее, это означает, что гелий медленнее проводит тепло. Этот вывод мы тоже можем сделать из уравнения состояния идеального газа (надеюсь, теперь понятнее, почему оно настолько чудесно), а в холодных частях света мы извлекаем из этого знания пользу, устанавливая в домах окна с двойным или тройным остеклением, наполненные аргоном – газом, молекулы которого имеют массу, превышающую массу азота – главного компонента воздуха.
Уравнение состояния идеального газа имело колоссальное значение не только для основателей современной химии, но и для инженеров, проектировавших дирижабли, которые могли выдерживать изменения в объеме и давлении газа, а также адаптировавших их конструкцию к разным подъемным газам – водороду и гелию.
Большим преимуществом гелия является то, что он наименее активный из всех простых веществ: не существует ни одного известного нам сложного вещества, в котором атомы гелия соединялись бы с атомами других элементов. Поэтому этот газ не может вступать в опасные реакции, в противоположность водороду, который с готовностью вступает в реакцию с кислородом, и в некоторых пропорциях эта реакция становится взрывной.
Большая трудность для Германии, а также для Британии и Франции заключалась в том, что в Европе гелия не было. Единственным в мире поставщиком гелия были США, а в 20-х годах он даже там был в дефиците.
Гелий получается в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов в недрах Земли, в особенности тория и урана. Гелий просачивается через отверстия и трещины в скальных породах и добывается как примесный компонент природного газа. Поскольку в 20-х годах бурение осуществлялось в основном для получения нефти, природный газ добывали в небольших количествах, поэтому и гелия получали мало. Говорят, что, когда флот США запустил USS Shenandoah («Шенандоа»; см. рис. 8) – первый из четырех гигантских дирижаблей на основе гелия, в его газовых баках находилась большая часть когда-либо произведенного гелия и что, когда в 1924 году на вооружение был принят дирижабль USS Los Angeles («Лос-Анджелес»), возникли трудности с использованием двух воздушных судов одновременно из-за нехватки гелия.
Рисунок 7. Универсальный газовый закон рассказывает нам, как ведет себя газ в нормальных условиях.
Поэтому гелий считался важнейшим стратегическим ресурсом, его производство подчинялось Горному бюро, а экспорт находился под контролем министра внутренних дел. Крупный национальный резервный запас (которым все еще пользовались в 2013 году) был создан в 1925-м. Однако со временем производство гелия выросло, запасы пополнились, и правительство стало выдавать лицензии на экспорт.
Надо сказать, что среди населения идея о запрете на экспорт американского гелия продержалась дольше, поскольку президент Герберт Гувер счел нужным прокомментировать этот вопрос на пресс-конференции в 1930 году: «…Представление о том, что Соединенные Штаты препятствуют использованию гелия в развитии аэронавтики, совершенно ошибочно». Далее он уточнил: причина того, что экспорт гелия не увеличивается, заключается в том, что он в четыре раза дороже водорода и что водород можно «получить немедленно», в то время как обслуживающих станций с гелием в мире крайне мало[47].
Возможно, вы задаетесь вопросом, где мы берем водород, поскольку президент Гувер считал, что его легкодоступность очевидна. Частично на этот вопрос можно ответить, что существует много способов получения водорода, и, поскольку сам Гувер был горным инженером, он, вероятно, хорошо это знал.
В качестве прелюдии еще к одной известной катастрофе – шведской арктической экспедиции 1897 года с участием Андре, Френкеля и Стриндберга (родственника писателя с той же фамилией, с которым мы познакомимся в главе 12) – пароход Virgo («Вирго») перевозил чугун и серную кислоту на Шпицберген, где кислоту вылили на чугун. Водород, образовавшийся в результате этой реакции, собрали и использовали для наполнения воздушного шара Örnen («Орел»), который вскоре поднялся и улетел на север, и больше его никто никогда не видел.
H2SO4 + Fe → Fe2+ + SO2–4 + H2.
Однако чаще всего водород производят в результате нескольких связанных между собой остроумных процессов, в которых используются вода и углерод, а исходными материалами служат газ и нефть[48]; водород также можно получить путем прямого электролиза воды под действием электричества – эта реакция обратна потенциально взрывоопасной реакции окисления.
Итак, из-за легкости производства и большого количества возможностей срочной «дозаправки» водород по-прежнему оставался приоритетным газом для немецких и британских дирижаблей, а утверждение Гувера, сделанное им 10 октября 1930 года, вполне могло быть прямой реакцией на несчастный случай с британским дирижаблем R101.
Этот дирижабль был одним из двух первых воздушных судов, созданных в соответствии с государственным планом по внедрению авиасообщения с использованием дирижаблей. R101 разбился во время своего первого полета в окрестностях города Бове в Северной Франции всего через несколько часов после того, как пересек Ла-Манш. Это было правительственное воздушное судно, перевозившее британских госслужащих в Карачи (территория современного Пакистана), и многие надеялись, что R101 и его конкурент R100, произведенный на заводе Vickers, станут коммерчески успешными проектами.
Насколько привлекательно выглядели полеты на дирижаблях, можно понять, если сравнить график движения по этому маршруту: перелет самолетами компании Imperial Airways занимал восемь дней с 21 остановкой; путешествие по морю длилось четыре недели. R101 обещал пройти этот маршрут за пять дней всего с одной остановкой (в египетском городе Исмаилия), и при этом с удобствами «роскошного летающего отеля».
Само крушение, произошедшее ранним утром 5 октября 1930 года, за пять дней до пресс-конференции Гувера, было не особо кровавым, и при других обстоятельствах дело обошлось бы лишь незначительными повреждениями. Однако последовавший за падением дирижабля пожар унес жизни 44 человек из 49 находившихся на борту пассажиров и членов экипажа. Очевидно, поражающим элементом здесь выступил горящий водород, но изначальными причинами катастрофы были фатальные административные, политические и технические решения, принятые лордом Томпсоном, государственным секретарем воздушного флота, и другими высокопоставленными чиновниками, большинство из которых лишились жизни в этом крушении. По крайней мере, именно так рассказывается в изданной 25 годами позже книге «Логарифмическая линейка» – автобиографии популярного британско-австралийского автора Невила Шюта[49]. Шют в то время был главным инженером дирижабля R100 конкурирующей компании Vickers (дирижабль в том же году уже благополучно совершил тестовый полет в Канаду и обратно) и обладал глубочайшими познаниями во всех аспектах дирижаблестроения. Этот несчастный случай поставил точку в государственной программе строительства дирижаблей и, похоже, на всю жизнь пробудил в Шюте антипатию к госчиновникам и идеалистические взгляды на частное предпринимательство.
Катастрофа с R101 и увеличившиеся поставки гелия из США, возможно, заставили инженеров, проектировавших цеппелины, пересмотреть свои идеи: когда в 1931 году разрабатывались планы двух однотипных дирижаблей, позже названных Hindenburg и Graf Zeppelin II («Граф Цеппелин II»), подъемной силой в них должен был стать гелий. Однако два политических изменения сделали это невозможным: приход к власти в Германии Адольфа Гитлера и национал-социалистической партии и избрание Франклина Д. Рузвельта на пост президента США.
Главным препятствием был не сам Рузвельт, а человек, которого он назначил на пост министра внутренних дел (и тем самым сделал его начальником над национальными запасами гелия), – это был крайне независимый чикагский политик, антифашист Гарольд Икес[50]. Икес отказался подписывать лицензии на экспорт гелия в Германию, и поэтому Hindenburg пришлось приспособить под водород. Однако важно отметить, что в целом США не бойкотировали нацистскую Германию и не накладывали на нее торговое эмбарго.
Большинство людей хоть раз видели съемку крушения дирижабля Hindenburg с аэродрома Лейкхерст. Многие, вероятно, также убеждены, как был убежден и я, что никто не мог выжить в этом крушении и пожаре. Все происходит очень быстро, и за считаные секунды огонь охватывает весь дирижабль. Я был приятно удивлен, узнав, что дело было совсем не так: спаслись больше половины пассажиров и членов экипажа, а некоторые – в том числе Йозеф Шпе – отделались лишь незначительными травмами (конечно же, многие были серьезно ранены, и из 97 находившихся на борту 35 человек погибли, а с ними еще один человек из наземного экипажа).
Катастрофа R101 в Бове по большей части забыта, хотя можно утверждать, что она была гораздо страшнее, а вот крушение дирижабля Hindenburg известно во всем мире благодаря совсем не чудесному «закону СМИ»: если событие не попало на пленку, его все равно что не было.
Похоже, не существует единого мнения относительно причины этой катастрофы. В Британской энциклопедии сказано: «Официальной причиной пожара считается разряд атмосферного электричества рядом с местом утечки водорода в обшивке, хотя допускают, что дирижабль стал жертвой саботажа со стороны антифашистов». Никаких доказательств преступных действий не было, но, поскольку пожар начался в хвостовой части, визиты Шпе к собаке, свидетелями которых стали многие члены экипажа, вызвали подозрения. После катастрофы ФБР тщательно навело о нем справки, и в конце концов с него сняли все подозрения.
Эта катастрофа потрясла мир, и Германия вновь послала запрос на гелий для использования в дирижабле Graf Zeppelin II. Против Икеса выступил весь кабинет министров и сам президент Рузвельт, и в конце концов он уступил[51]. Статья в газете New York Times за 17 января 1938 г. сообщала, что в Хьюстон скоро прибудет 3663-тонный немецкий грузовой корабль Dessau («Дессау»), на который погрузят первую партию гелия для Германии[52]. Однако нацистские политики вновь поставили под угрозу соглашение по гелию, поскольку в феврале Гитлер «пригласил» австрийского канцлера заключить сделку, подготавливавшую аншлюс – полную аннексию Австрии нацистской Германией месяц спустя.
В дневнике Икеса, опубликованном после его смерти, гелиевый вопрос постоянно возникает на протяжении весны и начала лета. Например, 17 апреля он пишет: «Я еще не подписал договор на гелий» – и описывает то и дело возникающие жаркие споры с президентом и с госсекретарем Корделлом Халлом как во время официальных совещаний, так и вне министерских стен. Ему даже нанес личный визит капитан цеппелина доктор Эккенер, откровенно высказывавшийся против нацистов, о котором Икес был «весьма высокого мнения», но встреча не принесла результатов. Икес упорствовал и победил: контракт так и не был подписан[53].
К сожалению, Улла – собака Йозефа Шпе – не спаслась, но Шпе продолжил выступать с акробатическими номерами под псевдонимом Бен Дова, пока не ушел на покой в начале 70-х.
Построенный по типу Hindenburg дирижабль Graf Zeppelin II сыграл незначительную роль в нацистской пропаганде в 30-е годы и совершил несколько разведывательных полетов накануне Второй мировой войны, однако вскоре был списан, и его алюминиевый каркас был использован для постройки истребителей компании Messerschmitt. Но я настоятельно рекомендую вам посетить чудесный мир интернета, посмотреть фильм о том, как «Гинденбург» во всем своем великолепии летит над Манхэттеном 1936 года, и помечтать о более благородном способе путешествовать.
Однако не мечтайте направиться к любимому месту отдыха на дирижабле, летящем за счет подъемной силы гелия. Сейчас, как и в 20-х годах прошлого века, мы испытываем нехватку гелия, и хуже того: гелий настолько легок, что способен покинуть гравитационное поле Земли. Это означает, что любой воздушный шарик, купленный в парке ребенку, представляет собой ценный ресурс, навечно растраченный без всякой пользы.
4
Шпион и сарацинский секрет
15 августа 1754 года оказалось неблагоприятным днем для шведского шпиона Рейнгольда Ангерштейна. После того как он якобы проявил живейший интерес к литейной Бенджамина Хантсмана, ему сразу предложили уехать из города в первой же карете. В своем дневнике он записал лишь кое-какую поверхностную информацию о том, как делаются карманные ножи, и в сравнении с тем, как много деталей он указал о других местах, недостаточность сведений о Шеффилде и в самом деле наводит на мысль о преждевременном и поспешном отъезде[54].
Однако, будучи человеком, обладавшим большими светскими талантами, а также отличавшимся благородным происхождением, он не отчаялся. По всей видимости, он нашел ночлег в Уэнтворт-Хаус – доме юного маркиза Рокингема, Чарльза Уотсона-Уэнтворта. Мимоходом, между техническими и деловыми заметками в его дневнике, мы узнаем, что маркиз женат на «дочери богатого джентльмена»[55]. Ангерштейн ничего не сообщает нам о ее привлекательности, но возможно, в те времена шпионы были сосредоточены исключительно на выполнении заданий. Он, разумеется, не читал Яна Флеминга и понятия не имел о том, какого поведения мы ожидаем от шпиона благородных кровей. Однако он рассказывает нам, что один из предков маркиза был обезглавлен за поддержку, которую оказывал Карлу I.
Сам Ангерштейн, по всей видимости, был недурен собой, если верить, что портрет на рисунке 9 точно передает сходство; он до сих пор висит в главном офисе Jernkontore («Железной конторы», Ассоциации шведских производителей стали[56]) в центре Стокгольма. В 1754 году ему было 36 лет, и, допуская художественную вольность, мы могли бы сказать, что он путешествовал по Англии и Уэльсу в попытках раскрыть сарацинский секрет. Он был промышленным шпионом, которого послало на задание шведское правительство, и в этом качестве использовал «все возможные средства, легальные или иные», чтобы суметь увидеть то, что ему было нужно[57].
В середине XVIII века шведское правительство и производители железа хотели знать все о том, как британцы производят сталь. Причина этого была не в том, что шведы хотели улучшить свои фабрики по производству оружия: все реальные мечты о шведской военной мощи в Европе закончились почти за 50 лет до того под маленьким украинским городом Полтавой. Нет, это был всего лишь бизнес. В то время большая доля железа, которое использовалось в британской сталелитейной промышленности, приходила из Швеции, и в некоторые годы эта доля составляла почти 60 % от всех доходов шведского экспорта[58]. Поэтому у шведов имелась веская причина пристально наблюдать за любыми связанными с железом разработками в Англии и соседних с ней странах.
Сейчас мне, конечно же, хотелось бы сказать, что причиной быстрого отъезда Ангерштейна из Шеффилда с его литейной стало то, что владелец литейной, бдительный мистер Хантсман, хранил от всех возможных конкурентов сарацинский секрет – древний способ производства стали, который он не так давно заново открыл[59]. Однако это не вполне соответствовало бы истине, поскольку то, что я решил назвать «сарацинским секретом», представляет собой довольно сложный процесс, который и сегодня не до конца понят, несмотря на утверждения обратного. Тем не менее я не слишком отклонился бы от истины, поскольку речь идет об изготовлении высококачественной стали из железа и углерода.
Чистое металлическое железо – не слишком полезный материал. Этот относительно мягкий металл быстро ржавеет. Но, смешав его с небольшим количеством углерода, вы получите сталь – материал, который физически изменил наш мир во многих отношениях: от небоскребов и мостов до скальпеля и бурильных установок[60]. Открытие стали – одно из чудесных природных совпадений. Для того чтобы получить железо из железной руды, первые металлурги использовали углеродсодержащие материалы в форме дров, а когда процесс был усовершенствован, дерево заменил уголь, и все это привело к тому, что небольшое количество углерода попадало в железо, в результате чего получалась эта волшебная смесь.
Углеродсодержащий материал не только дает необходимый для плавления железа жар, но является также и ключевым для реакции ингредиентом. Из главы 2 мы узнали, что металлы в природе существуют главным образом в виде положительных ионов, которым нужны электроны, чтобы стать металлами. Урану требуется мощный восстановитель – металлический кальций; но, для того чтобы сделать металлическое железо из ионов Fe2+ или Fe3+, мы можем использовать углерод:
3C + 2Fe2O3 → 3CO2 +4Fe.
Здесь мы вычисляем степень окисления, пользуясь правилом, согласно которому кислород всегда имеет заряд –2, за исключением состояния простого вещества или когда он соединяется с фтором, и видим, что железо вступает в реакцию со степенью окисления +3, а углерод в итоге получает степень +4.
Приведенная выше реакция упрощена: в пылающей литейной печи множество реакций происходит одновременно, и железо выплавляется при помощи оксида углерода (I), СО, который образуется, когда значительный избыток углерода частично окисляется кислородом воздуха. Вот с этой реакцией, тоже записанной в упрощенной форме, вы, возможно, встречались в школьной программе:
3CO + Fe2O3 → 3CO2 + 2Fe.
Когда железо плавится, оно растворяет некоторое количество углерода, а поскольку атомы углерода меньше, чем атомы железа (их размеры соотносятся примерно как бильярдный шар и мяч для гольфа[61]), они не полностью разрушают атомную структуру железа. Вместо этого, когда сплав железа с углеродом остывает и начинает твердеть, маленькие атомы углерода внедряются между атомами железа, в результате чего материал становится более жестким, но при этом более хрупким.
Можно представить это следующим образом. Без углерода у атомов железа больше свободы движения, что делает материал крепким, поскольку примененная к нему сила встречается с микроскопическими движениями атомов. Когда пустые места заняты атомами углерода, возникает гораздо большее количество взаимодействий между атомами, некоторые из которых находятся на грани обычных химических связей, и это делает материал гораздо более жестким, но в то же время более хрупким, поскольку у атомов остается меньше возможностей перемещаться так, чтобы противостоять внешнему воздействию. Или же вы можете представить себе, что в чистом металле атомы вставлены в плотное желе из электронов; когда мы добавляем туда атомы углерода, это желе частично замещается шаростержневыми соединениями между атомами углерода и железа – такие связи крепкие, но, если их разорвать, они не восстановятся.
Важную роль играет не только содержание углерода; ключевыми факторами являются также время, проведенное при различных температурах, скорость остывания и добавление других легирующих металлов. Все это превращает сталь, каким бы старинным материалом она ни казалась, в высокотехнологичный сплав, поскольку металлурги и материаловеды продолжают открывать инновационные способы производства новых ее видов.
На протяжении первых 4000 лет производства стали тогдашние химики и металлурги не слишком хорошо представляли себе, что именно они делают, и поэтому им было непросто оптимизировать процесс сталеварения. Добавьте к этому трудность, которую представляет собой огромный и весьма разнообразный спектр железных руд в природе – часто неприятностей добавляют содержащиеся в них атомы фосфора и кремния, – и вы сможете оценить сложность этой задачи. В результате копирования успешного метода можно и не получить хороший продукт, потому что использовалась руда из другой шахты. Во время своих путешествий по Англии Ангерштейн надлежащим образом записывал происхождение сырья, которое использовалось на различных металлургических заводах страны, и, без сомнения, с удовольствием отмечал, что лучшая сталь получалась из руды, добытой в шахте Даннемора к северу от Стокгольма.
Первым сталеварам не хватало хорошей карты и возможности рассмотреть детали своей продукции на атомном уровне. Простой вариант такой карты приведен на рисунке 10; ее более правильное название – фазовая диаграмма «железо – карбид железа».
На этой карте есть два вида координат. Двигаясь слева направо, вы идете от чистого железа к материалу, в котором на каждые четыре атома железа приходится по одному атому углерода (20 % углерода по числу атомов, а не по массе, что по-другому можно записать как «20 ат.% С»). Двигаясь снизу вверх, вы смотрите за температурой, которая увеличивается с 600 °C до 1600 °C, и в конце концов вы получаете жидкость (или, если угодно, расплав) – это темно-серая область. Области, расположенные сразу под ней, обозначают смеси «жидкость – твердое» (такие как лед и вода, сосуществующие при 0 °C), а под ними находятся твердые фазы (разные виды стали/чугуна), которые отличаются друг от друга деталями атомного строения.
В левой части диаграммы (до 9 ат.%) находятся различные виды стали, а правее этой цифры – чугун. В энциклопедии Кирка-Отмера по химической технологии объяснению этой диаграммы для подкованных инженеров-химиков отведено две страницы, так что я не буду вдаваться в дальнейшие подробности, упомяну лишь две вещи. Качество стали критически зависит от того, в какой части диаграммы вы находитесь, и, охлаждая сталь достаточно быстро, вы можете, к примеру, получить сталь, которая сохраняет свое высокотемпературное строение и никогда не превращается в тот вид, который вы теоретически должны получать в низкотемпературных областях. Также существует возможность получить сталь с различным расположением атомов на поверхности и внутри.
Рисунок 10. Железоуглеродная карта стали с содержанием углерода от 0 до 20 ат.% и температурой от 600 °C до 1600 °C (при температуре ниже 600 °C ничего не изменится), известная также как фазовая диаграмма «железо – карбид железа». При содержании углерода выше 9 ат. % получается чугун, ниже – сталь. Названия обозначают различные фазы с разным расположением атомов. Это упрощенная диаграмма.
Так что секрет, который хранил Бенджамин Хантсман из Шеффилда, представлял собой лучший способ контролировать и оптимизировать процентное содержание углерода в железе и различное расположение атомов, что делало производимую им сталь лучшей из существовавших в то время.
Однако за много веков до того (возможно, на территории нынешней Сирии) технологии, мастерство и сырье соединились таким особенно удачным образом, что в результате появилась легендарная сталь и легендарное оружие: дамасский клинок. Это смертоносное оружие привело к росту активности кузнецов, так как оружейники по всей Европе пытались его скопировать; Вальтер Скотт использовал его в романе «Талисман» в качестве метафоры, чтобы показать примитивную культуру Европы времен Третьего крестового похода (1189–1192) в сравнении с утонченным мусульманским миром[62]. В романе во время встречи Ричарда I (Львиное Сердце) и Саладина (Салах ад-Дина) английский король демонстрирует мощь своего меча, с силой разрубив надвое железный прут. После этого султан Египта и Сирии вынимает из ножен мерцающий голубой дамасский меч и легко, почти без усилий разрезает пополам мягкую подушку – мастерство, которое Ричард еще несколько мгновений назад счел бы невозможным для любого меча.
Утверждают, что дамасские мечи и доспехи долгое время оставались лучшими и что европейские имитации никогда не достигали их уровня. Насколько это правда, можно поспорить.
Разумеется, такие романтики, как я, не могут устоять перед образом превосходного мерцающего голубого меча с изящным узором на клинке, выкованного таинственными восточными кузнецами. В том, что касалось доспехов, Вальтер Скотт не был новичком. Его коллекцию и по сей день можно увидеть в его доме в Абботсфорде в округе Скоттиш-Бордерс (вместе с большим количеством чрезвычайно странных артефактов, на которые определенно стоит взглянуть). И уж во времена Третьего крестового похода исламский мир все еще превосходил остальные страны по части технологий, так почему бы им было не иметь лучшие мечи?
Эта идея казалась настолько убедительной, что заставила группу немецких ученых искать нанотехнологию сегодняшнего дня в старинном дамасском мече из Бернского исторического музея в Швейцарии. Как ни удивительно, но они нашли свидетельства тому, что сталь этого меча содержит так называемые углеродные нанотрубки – недавно открытый очень прочный материал[63]. Они также предположили, что ухудшение качества стали на протяжении XVIII века было связано с изменением сырья, поскольку поставлявшие железную руду древние индийские шахты истощились, а в пришедших им на смену новых рудах не было определенных примесей, игравших важную роль в процессе изготовления стали.
Однако одна-единственная находка в одном-единственном мече почти ничего не доказывает. Мы не знаем, действительно ли нанотрубки были характерной чертой всего дамасского оружия, а их отсутствие в европейских мечах того же периода не доказано[64]. Поэтому у Международного общества исследователей дамасской стали все еще есть множество тем для обсуждения, и сарацинский секрет, если такой действительно существовал, еще предстоит разгадать.
А что же наш шпион?.. Рейнгольд Ангерштейн с самого рождения был железным человеком, как и многие поколения его семьи до него. Он почти десять лет весьма искусно и успешно занимался промышленным шпионажем не только в Англии и Уэльсе, но и на территории нынешней Бельгии, Германии, Чехии[65], Австрии, Венгрии, Италии, Франции и Португалии. Однако на основе информации должны предприниматься какие-то действия, и неясно, какие из скрупулезно собранных им сведений фактически использовались в Швеции.[66]
Рисунок 11. Особняк маркиза Рокингема в Уэнтворте1, 1754 г. Рисунок инженера Орре, сделанный в 1760–1765 гг. с оригинала (ныне утерянного) из иллюстрированного путевого журнала Рейнгольда Ангерштейна, в котором тот сообщает, что «внутренняя отделка еще не полностью завершена». Фото автора с оригинальной копии (1765 г.), хранящейся в библиотеке Шведской Ассоциации производителей стали.
Несомненно, многое он сам применял на практике, поскольку купил небольшой металлургический завод в имении Вира к северу от Стокгольма – легендарных поставщиков мечей для шведской армии. Он строил грандиозные планы, однако умер три года спустя в возрасте 41 года, так и не завершив большинство из них[67]. По иронии судьбы его многовековое наследие больше всего ценится британцами: в путевых дневниках о путешествиях по Англии и Уэльсу, которые он вел с 1733 по 1755 год, есть множество интересных деталей не только о промышленности, но и многих других сферах жизни в Британии середины XVIII века[68].
И наконец, стало ли близкое общение со скандально известным шведским шпионом препятствием для дальнейшей карьеры молодого аристократа, который приютил его в своем доме после неудавшейся экспедиции в Шеффилд? По всей видимости, нет. Чарльз Уотсон-Уэнтворт дважды был британским премьер-министром, впервые заняв эту должность в возрасте 35 лет. Он тоже умер в середине своей активной жизни, во время второго пребывания на этом посту. Кажется, он был очень привязан к своей жене, Мэри Брайт[69], которая была его секретарем и политическим советником.
5
Биопиратство, или Проклятие мускатного ореха
Правительства и частные грантодатели часто пытаются контролировать исследования, проводимые за счет государственного бюджета, выдавая весьма специфические гранты и ожидая тесно связанных с ними результатов – таких как патенты, новые компании и изобретения в предписанных областях.
Исследователи, как правило, яростно противятся подобной политике, утверждая, что если их предоставить самим себе и позволить им самим решать, когда и как использовать шпатели, шприцы и микроскопы, то в результате появятся лучшие патенты, новые компании и изобретения. Заявки на гранты иногда пишутся послушным языком, придерживающимся той политики и формы, которые в данный момент в моде, но за этим языком более или менее хорошо скрыт план Б, содержащий настоящие научные вопросы, на которых, по нашему мнению, следует сконцентрироваться.
Это, конечно же, не новый феномен, и одно из самых чудовищных злоупотреблений грантом, должно быть, случилось в 1609 году. Капитан Генри Гудзон получил корабль, людей и провизию от Голландской Ост-Индской компании (VOC, Vereenigde Oost-Indische Compagnie); согласованный исследовательский план предполагал изучение пути в Индию через так называемый северо-восточный морской путь, пролегавший к северу от Скандинавии и России. Капитан попытался следовать этому плану, но где-то к востоку от самой северной точки Скандинавии, рядом с мысом Нордкап, ему пришла в голову идея получше, и он повернул корабль на запад. Он пересек Атлантику и, помимо прочего, исследовал реку, которая позже будет названа его именем – Гудзон. Это дало Республике Соединенных провинций возможность претендовать на большой остров, который местные жители называли Манна-хата; надо думать, английские соотечественники Гудзона очень об этом пожалели.
Необходимость отправиться на восток возникла отчасти из-за огромных прибылей, которые можно было получить от торговли специями, как по возвращении домой, так и при транспортировке гвоздики, перца и мускатного ореха в пределах Азии. В некотором смысле (если слегка побыть химическим шовинистом) торговлю специями можно рассматривать как торговлю химическими веществами, поскольку некоторое количество весьма занятных молекул лежит в основе нашего восприятия специй в отличие, скажем, от поедания риса – еще одного важного компонента ост-индской торговли.
В первом приближении рис представляет собой смесь очень больших молекул, таких как углеводы и белки. Такие факторы, как текстура и содержание воды, также важны для общего вкусового восприятия. Сравните его, например, с гвоздикой, характерный запах которой некогда повсеместно царил на Занзибаре и других островах соответствующего архипелага[70]. При экстракции масла из высушенных бутонов гвоздичного дерева оно будет состоять почти исключительно (до 95 %) из одного-единственного вещества – молекулы под названием эвгенол, и наши ощущения в тот момент, когда мы нюхаем или едим пищу с гвоздикой, возникают исключительно благодаря этому веществу и нескольким другим родственным ему молекулам.
Иногда это может вводить нас в заблуждение, как недавно показал выпуск научно-популярной программы на шведском государственном радио. Группа психологов хотела продемонстрировать мощную связь между запахами и нашими воспоминаниями о местах и событиях – обонятельную память, самый известный пример которой мы находим в начале книги Марселя Пруста «В поисках утраченного времени»[71], когда его альтер эго пробует приготовленное матерью печенье мадлен и мысленно переносится в забытые дни детства.
Но шведские психологи перемудрили. Они дали испытуемому понюхать химический препарат из зубоврачебного кабинета. «Рождество», – последовал немедленный ответ подопытного кролика, поскольку гвоздика – это один из ингредиентов шведских имбирных печений в виде человечков, которые готовят к празднику Йоль. «Ага! – сказали психологи. – А вот вы и ошиблись, потому что это ингредиент под названием эвгенол, который стоматологи используют в качестве мягкого обезболивающего и антисептика, и он не имеет к гвоздике никакого отношения!» И разумеется, на флаконе написано «Эвгенол», там не сказано, что это полученный методом паровой дистилляции экстракт гвоздики, так что откуда человеку знать? Уж конечно, химические препараты делаются на фабриках, а не растут на деревьях.
И в самом деле, на уроках химии в школе вам не расскажут о таких вещах, и, несмотря на беззлобные насмешки над магглами со стороны химиков, нам, возможно, стоит задаться вопросом, насколько сильно мы стараемся исправить эту ситуацию. Иногда я чувствую себя так, словно преподаю в Хогвартсе, раскрывая секреты древнего ремесла, о котором мало кто знает, если не считать его дурной репутации, как у колдовства, и что многих из нас, как ведьм и волшебников из «Гарри Поттера», такое положение дел вполне устраивает.
Следует, однако, добавить, что университетские учебные лаборатории, как правило, более приятное место, чем подземелье, в котором профессор Северус Снегг ведет уроки зельеварения. С другой стороны, есть и кое-что общее. Ученикам в Хогвартсе приходится изучать руны и другие графические изображения магических вещей; изучающим химию необходимо выучить ее графический язык, поскольку химики общаются картинками и рисунками почти так же часто, как словами.
Начнем с того, что у нас два языка. Первый – это язык условных обозначений для повседневного использования, в котором структуры и материалы имеют прозвища – или, как мы выражаемся,
Когда я учился на инженерном факультете, у нас были уроки черчения, на которых мы делали детальные чертежи реакторов с профилями в разрезе и всем прочим, осваивая таким образом весьма эффективный и очень стильный с эстетической точки зрения язык общения. Формально у нас не было занятий по изображению химических формул, но нам всегда давали понять, что небрежная картинка – это признак небрежного мышления.
Поэтому все углы шестиугольников на рисунке 12 должны составлять точно 120°, вторая линия, изображающая двойную связь, должна помещаться внутри цикла, а не снаружи, и самое важное: атомы углерода находятся во всех углах и точках соединений, но никогда и ни за что нельзя писать символ «С», и никогда нельзя рисовать атомы водорода, соединенные с углеродом.
Поделиться книгой: