Текст книги "Чудеса техники"

Возможен ли перпетуум мобиле?

А можно ли изобрести такой источник энергии, такой двигатель, который действовал бы «вечно» и вовсе не имел никаких недостатков? Не загрязнял окружающую среду, не нарушал тепловой баланс планеты, вообще не производил бы ничего, кроме «чистой» энергии. Иными словами, представлял бы собой этакое идеальное устройство, избавляющее нас от всех энергетических проблем.

Сотни лет насчитывает история создания подобной установки, и название у нее соответствующее – перпетуум мобиле, вечный двигатель. Кто только не брался за его разработку! Среди них были и великие ученые, и выдающиеся инженеры, и ловкие шарлатаны. Очень заманчива идея изобрести такой мотор. Иногда казалось, вот оно, решение, но потом выяснялось, что либо совершена какая-то ошибка в расчетах, либо демонстрируемое устройство имеет хитро скрытый обычный источник энергии.

Эта навязчивая идея, до конца не осуществленная никем, в конце концов так всем надоела, что еще более 200 лет назад Парижская академия наук раз и навсегда отказалась рассматривать любые проекты «вечных двигателей». А задолго до этого решения изучавший проблему их изготовления великий Леонардо да Винчи говорил: «О, исследователи вечного движения, сколько суетных планов создали вы при подобных исканиях. Станьте лучше алхимиками!»

Интересно, что творческое воображение писателей-фантастов, которое никогда не сдерживалось рамками реальности, словно бы обходило эту щекотливую тему. Какой только немыслимо сложной, хитроумной и безотказной техники нет на страницах их романов! Однако вечному движению, даровому способу получения энергии места там не нашлось.

Почему же этот двигатель невозможен? Только к середине прошлого века был ясно сформулирован закон сохранения энергии. Ее невозможно получить из ничего. Вспомните наш разговор в самом начале этой главы. Энергию можно лишь преобразовать из одного вида в другой, при этом никогда ее «преображение» не будет полным, неминуемы потери. Они происходят из-за трения друг о друга движущихся частей механизмов, из-за нагрева корпусов и деталей машин.

Поэтому главная задача всех, кто создает новые двигатели и источники энергии, заключена в том, чтобы эти потери сделать минимальными. И когда мы говорим, что коэффициент полезного действия какого-либо устройства 60 %, то это значит, что остальные 40 % «вылетели в трубу», иначе говоря, потеряны для нас.

Есть ли способы дальнейшего уменьшения этих потерь?

Нельзя ли передавать энергию без потерь?

Вы, разумеется, слышали о том, что ток бывает постоянным и переменным. Вот на батарейках и аккумуляторах изображены значки «плюс» и «минус». Это указывает на то, что перед вами источник постоянного тока. Иными словами, если вы подсоедините к нему лампочку или прибор, то по цепочке побегут заряженные частички, образуя электрический ток, причем в одном направлении.

А на розетках, с помощью которых мы подключаем к сети все электроприборы в нашем доме, таких значков нет. То есть в проводах, подводимых к ней, при замыкании цепи возникает ток переменный, при котором образующие его заряды «трясутся» на месте.

И в том и в другом случае движение этих зарядов приводит к выделению энергии в нужном нам месте: в телевизоре, приемнике, пылесосе, электроплите. Но по пути к потребляющим энергию приборам электрический ток испытывает сопротивление в подводящих проводах. Они незаметно для нас, но нагреваются, а в каких-то случаях излучают волны. Все это приводит к заметным потерям, и они тем больше, чем дальше нужно тянуть провода.

Выяснилось, однако, что подобных потерь значительно меньше, если электроэнергию передавать на расстояние при высоком напряжении – в сотни тысяч, а то и миллионы вольт. Но генераторы электроэнергии не дают сразу такого напряжения. Как быть?

Более ста лет назад был изобретен прибор под названием трансформатор. С его помощью удалось многократно повысить напряжение, чтобы передать энергию потребителю переменным током, а на конце линии, опять же благодаря ему, напряжение снизить.

Появление мощных приборов на основе полупроводников в ряде случаев позволяет передавать энергию и в виде постоянного тока при высоком напряжении. Но и здесь, уменьшая потери, полностью избавиться от них не удается.

Около десяти лет назад, как уже рассказывалось ранее, был обнаружен новый класс веществ, способных не оказывать электрическому току сопротивление при относительно высокой температуре. Это звучит забавно, поскольку на Земле до таких температур не опускается термометр даже в Антарктиде. Но если сравнить подобную сверхпроводимость – а так назвали это явление – с проводимостью обычных металлов, то можно говорить о рекордах. Ведь металлы теряют способность сопротивляться электрическому току лишь вблизи абсолютного нуля температур, а это минус 273 градуса по Цельсию! Новые же вещества сохраняют такое свойство при температуре на 100 градусов выше.

Хоть это и дорого, но из них уже научились делать какие-то детали приборов и, главное, провода. Если же удастся поднять температуру сверхпроводящего состояния хотя бы на несколько десятков градусов, а еще лучше – довести ее до комнатной, то произойдет настоящая революция в электроэнергетике. Прикиньте: не будет впустую расходоваться до одной четверти передаваемой энергии, можно будет избежать вредного нагрева, скажем, в вычислительных машинах, быстрее будет решена проблема быстроходного транспорта на магнитной подушке.

Вот что может дать практике подробное изучение свойств вещества. Подобное уже случалось в истории энергетики…

Почему опасна атомная энергетика?

Исследования мельчайшего строения вещества привели людей к открытию атомной энергии. Как ни печально, сперва это выдающееся достижение использовали для производства оружия. Но люди нашли способ не только мгновенного, взрывного выделения атомной энергии, но смогли и обуздать ее, то есть заставить ядерные реакции протекать медленнее, так сказать, под контролем. Тогда огромная энергия, скрытая в самых мельчайших частичках, составляющих вещество, выделяется такими порциями, которые мы способны использовать так же, как и другие ее виды.

Бурный рост атомной энергетики определялся угрозой истощения обычных источников топлива. Но атомные электростанции (АЭС) не безвредны. Они нарушают тепловой баланс атмосферы, отходы их деятельности радиоактивны и требуют захоронения. А после нескольких аварий, особенно на Чернобыльской АЭС, в мире стали настороженно относиться к возможности дальнейшего развития атомной энергетики.

Что же делать? Ведь в некоторых странах закрыть атомные станции – значит очутиться на грани энергетического кризиса. Так произошло, например, в Армении. Может быть, все-таки усилить меры защиты и поискать новые способы безопасной утилизации отходов?

Ум человека, вооруженного знаниями, способен на многое. Родился проект, в котором предложено объединить атомный реактор с ускорителем заряженных частиц – прибором, на котором физики изучают структуру материи. Оказалось, что с помощью ускорителя можно не только безопасно управлять ядерной реакцией, не позволяя ей выйти на взрывной режим, но и организовать «сжигание» радиоактивных отходов, причем из уже накопленных на Земле.

На реализацию этого перспективного метода производства энергии, названного электроядерным, брошены сегодня немалые силы, строится опытная установка. Вы наверняка о нем еще услышите, ведь он обещает решить так много накопившихся проблем.

Правда, многое обещал и термоядерный синтез – попытка приручить реакции, протекающие при взрыве водородной бомбы и подобные тем, что идут на Солнце. Увы, несмотря на огромные вложения, пока успеха нет.

Но стоит ли вообще пробовать воспроизвести «кусочек» солнечного вещества на Земле? Ведь не исчерпаны еще возможности использования энергии Солнца на расстоянии…

Как овладеть чистой энергией солнца?

Стоя под солнечными лучами, мы непосредственно ощущаем, сколько они несут с собой энергии. Но запасать ее так, как это делают растения, мы пока не можем. Однако проектов, изобретений и идей в этой области немало.

Вот, например, полупроводниковые батареи, которые позволяют энергию солнечного излучения преобразовывать непосредственно в электричество. Эти источники питания устанавливают на панелях солнечных батарей космических аппаратов. Правда, использовать их на Земле не позволяет достаточно высокая стоимость, хотя известны и солнечные автомобили, и даже дома, на крышах которых укладывают подобные батареи, обеспечивающие их необходимой энергией.

Дело в том, что, в отличие от зеленого листа, такие устройства не эффективны, когда небо покрыто облаками, то есть не улавливают рассеянное излучение. Существуют, однако, способы переработки зеленой биомассы, естественным образом накопившей энергию Солнца, в химические продукты и топливо, в том числе и в водород, не дающий при сгорании загрязняющих природу отходов.

Не забыты и попытки просто сконцентрировать солнечное излучение. Все-таки на Земле достаточно много территорий, где солнышко светит большую часть года. В таких районах сегодня уже действуют солнечные печи гигантских размеров. Они представляют собой большие цельные или составленные из множества отражающих свет кусочков зеркало. Солнечные лучи, собранные в фокусе такой оптической системы, позволяют получить температуру свыше трех тысяч градусов. Этого достаточно, чтобы плавить металлы или построить солнечную паросиловую станцию для производства электроэнергии.

Есть проекты передачи солнечной энергии с космической орбиты на приемники, расположенные на Земле. Ведь в космосе нет облаков. Однако, как и во многих других случаях, надо тщательно взвесить, не принесет ли подобное устройство вреда, ведь способы транспортировки с помощью электромагнитного излучения еще не достаточно хорошо изучены.

Тем не менее одно то, что люди думают об использовании нетрадиционных источников энергии, вселяет надежду, что мы не окажемся в тисках энергетического голода. Взгляните на диаграмму. На ней можно увидеть, как в ближайшее время человечество собирается распорядиться своими энергетическими возможностями.

Уверенно можно сказать, что маленький сектор, в который входят альтернативные нынешним источники энергии, неминуемо будет расширяться в будущем.

Здесь огромное поле работы, в том числе и вашей. Не откладывайте ее в долгий ящик, а поскорее приступайте к ней, как это сделал недавно школьник из Астрахани. Его работа, посвященная изобретению новых покрытий для поглощения солнечной энергии, позволила ему стать лауреатом Международного соревнования юных интеллектуалов.

Мозаика изобретательства

• Археологи установили, что самый древний накопитель энергии – маховик – был изготовлен пять с половиной тысяч лет назад. Это был гончарный круг из обожженной глины, довольно долго вращавшийся после раскрутки, постепенно расходуя запасенную энергию.

• Проведенные в Арктике исследования привели недавно к выводу, что белая шерсть северных животных, особенно медведей, обладает свойством улавливать до 95 % солнечного тепла. Происходит это благодаря особому устройству шерстинок, что навело на мысль использовать их искусственное подобие для производства солнечных батарей.

• Первым задумался о преобразовании солнечной энергии непосредственно в электрическую гениальный Ломоносов. Об этом свидетельствует фраза из его дневника: «Отведать в фокусе зажигательного стекла или зеркала электрической силы».

• Идею получения электроэнергии за счет разности температур на поверхности и в глубине океана впервые высказал еще Жюль Верн. Именно на нее опирался другой француз – Клод, построивший в 1929 году первую установку, работающую на этом принципе.

• На Всемирной выставке 1878 года в Париже демонстрировались крупные солнечные зеркала-концентраторы. Одно из них собирало лучи на котле, пар из которого приводил в движение типографский станок, печатавший в час по 500 экземпляров газеты под названием «Солнце».

• Величайшее изобретение в области освещения – электрическая лампа накаливания, которую до сих пор не могут вытеснить из обихода иные источники света. В поисках лучшего материала для ее нити Эдисон провел 6000 опытов, но самым подходящим оказался применяемый и сегодня вольфрам, предложенный русским изобретателем А. Н. Лодыгиным.

• Хорошо знакомая всем плоская или цилиндрическая батарейка была изобретена в 1865 году французским химиком Ж. Лекланше. И более чем через сто лет популярность ее не убывала – на каждые 10 миллиардов выпускаемых в мире сухих батарей на долю элементов Лекланше приходилось 9 миллиардов!

• Правительство США потратило миллион долларов на разработку плана по взрыву двух атомных бомб в гигантской подземной пустоте в штате Техас. По проекту, который, к счастью, не был осуществлен, взрывы должны были создать напор очень горячего пара, приводившего в действие огромную турбину для производства электроэнергии.

• Первый в мире космический преобразователь солнечной энергии в электрическую был установлен на третьем искусственном спутнике Земли, запущенном в 1958 году в Советском Союзе.

• Патент на оригинальный способ производства дешевой электроэнергии получил один швейцарский гидрогеолог. Он предложил использовать… ледники, собирая по мелким каналам образующуюся летом на их поверхности воду, и направлять ее на турбину.

• Энергию приливов впервые в заметных количествах стали использовать во второй половине XVI века. Когда жители Лондона испытывали острую нехватку воды, ими были построены водяные колеса на реке Темзе. Вращаемые то в одну, то в другую сторону приливами, они заставляли работать насосы, закачивающие воду в трубы, по которым она текла в город.

• Разработан проект заоблачной ветроэлектростанции. Огромный аэростат, соединенный с землей прочнейшими тросами, должен подняться на высоту 8–10 километров, где почти непрерывно возникают струйные течения со скоростью до 360 километров в час. Производимая на нем генератором электроэнергия будет передаваться вниз по кабелю.

• Топливные элементы на основе водорода и кислорода служили в качестве главного источника электроэнергии на космических кораблях «Аполлон», доставлявших на Луну астронавтов. Элемент, обеспечивающий энергией одиннадцать суток полета, весил около 250 килограммов, а заменял обычный электрогенератор массой в несколько тонн.

• Около десяти лет назад мир облетело взбудоражившее всех сообщение о возможности проведения ядерного синтеза не при огромных, в миллионы градусов, температурах, а в… холодной комнате и буквально в стакане. До сих пор, несмотря на тысячи экспериментов, этот эффект не подтвержден, но его поиски, обещающие практически неистощимый источник энергии, не прекращаются.

• Недавно после тщательной проверки Министерство энергетики США дало «добро» на массовый выпуск новых источников света. В колбы, заполненные серой и аргоном, встраивается микроволновый генератор, заставляющий газы светиться под действием высокочастотных импульсов. Яркость новых ламп вчетверо выше, а потребление энергии – на две трети меньше, чем у обычных ламп.

• К началу 90-х годов в США с помощью таких возобновляемых источников, как солнце, ветер и вода, вырабатывалось уже 9 % всей потребляемой энергии.

• Огромные турбины геотермальных электростанций приводятся в движение природным паром, подведенным к ним из-под земли по трубам. В Исландии, например, таким образом производится столько энергии, что ее излишки намерены транспортировать по подводному кабелю в Европу.

• Аэрогели – необычные прозрачные материалы, почти весь объем которых приходится на воздушные поры, – предложено использовать в строительстве. Прослойки из них пропускают солнечный свет, нагревающий стены зданий, но препятствуют утечкам тепла, что позволяет поддерживать разность температур в доме и снаружи более 30 градусов без дополнительных источников тепла.

• Самый маленький электрогенератор изготовлен в Китае, в Шанхайском университете. Диаметр его 2 миллиметра, а предназначен он для обеспечения энергией микророботов.

• Высочайшая в мире плотина гидростанции будет возведена в Гималайских горах на территории Непала: ее гребень поднимется на 315 метров! Введение этой ГЭС в строй увеличит выработку электроэнергии в стране в 10 раз.

• Солнечные батареи для обеспечения энергией жилых домов предложено делать в виде черепицы, благодаря чему крыши зданий станут выглядеть эстетичнее. А в Тибетском районе Китая действует уже более 50 тысяч гелиопечей, созданы гелиотеплицы общей площадью миллион квадратных метров.

• В США организована ферма, на которой выращивают гибридную иву, предназначенную для топок теплоэлектростанций. За год она производит в 5–10 раз больше древесины, чем любой природный лес, а дым от ивовых дров гораздо менее токсичен, чем от угля.

• Несмотря на технологические трудности, американцы приступают к реализации проекта сверхпроводящей линии электропередачи длиной в 1000 километров, рассчитывая полностью исключить в ней потери энергии.

• Из шутливого прогноза: через четверть века будет введена в строй новая электростанция, отличающаяся исключительной экологической чистотой. Ее генератор станет использовать в качестве источника энергии… движение континентальных плит земной коры.

Электронная связь

 
Как глаз на расползающийся
мир
Свободно налагает
перспективу
Воздушных далей.
Облачных кулис
И к горизонту сводит
параллели.
Внося в картину логику
и строй, –
Так разум среди хаоса явлений
Распределяет их по ступеням
Причинной связи, времени,
пространства
И укрепляет сводами числа.
 

М. Волошин

Что за странное сооружение поставлено на крышу башни, изображенной на рисунке в начале главы? Нет, это не флюгер и не антенна, как могло показаться, а оптический телеграф, которым пользовались лет двести назад. Но каким образом он и передаваемые им сообщения связаны с «числом», оканчивающим собой стихотворный эпиграф?

Вот об этом и пойдет разговор в главе, посвященной тому, как человек устанавливает связь, в том числе и для пересылки срочных сообщений. Иными словами, как он обрабатывает и передает информацию и какую роль в такой передаче сыграли цифры и числа.

Потребность и необходимость обмена сведениями возникает не только у людей. Вы, наверное, замечали, как подзывают друг друга птицы, если находят пищу, как кошка предупреждает об опасности своих котят мяуканьем, как собаки, даже не видя собеседника, немало сообщают ему своим лаем, как «разговаривают» аквариумные рыбки, совершая замысловатые танцы.

Но вот найти способ фиксировать, хранить информацию, а не только передавать ее здесь и теперь с помощью звуков и жестов, научился лишь человек. Наскальные рисунки, глиняные таблички, истлевшие папирусы – свидетельство того, что издревле люди пытались запечатлеть виденное и слышанное и адресовать это сородичам.

Письменность, возникшая уже в пору зрелости человеческого сознания, позволила намного эффективнее передавать и хранить информацию. То есть она способствовала налаживанию связи между людьми и на удалении их друг от друга, и через значительные промежутки времени.

Казалось бы, развитие умения считать впрямую не было связано с проблемой передачи сообщений – ну, разве что в письме приводились какие-то расчеты или указывались даты. Говоря по-другому, с помощью чисел передавали информацию, используя их в том же качестве, что и буквы. И кто бы мог тогда подумать, что через века именно число возьмет на себя всю основную работу по сбору, обработке и хранению информации.

Однако именно так и произошло. Вчитайтесь, например, в такую фразу: «С помощью электронно-вычислительной машины на Землю было передано изображение только что открытого спутника планеты Уран». Наверняка вы сразу представите себе, пусть без деталей, какой огромный объем информации пришлось переработать технике. Можно ли обойтись тут без такого помощника, как компьютер?

Попробуем хотя бы схематично проследить, каким образом влияли друг на друга средства связи и вычислительная техника.

Что дало человеку книгопечатание?

Предположим, вы хотите сообщить своему другу что-то важное, не используя современных способов связи. Ну, если друг недалеко, можно ему крикнуть. Если же он находится на значительном удалении, но может хотя бы разглядеть вас, помашете руками. А если он в другом городе?

Придется перебрать те виды связи, которыми пользовались наши предки. Давайте попробуем: направить гонца с устным сообщением, вручить курьеру пакет с письмом, воспользоваться услугами почты… В конце концов голубя можно с запиской послать, да не простого, а специально обученного, почтового. Разве не начинаешь понимать, насколько это было непростой задачей – передать информацию?

Возникновение письменности позволило, пусть поначалу и не скоро, доносить вести до адресата с помощью, так сказать, неодушевленного, но отнюдь не компактного носителя: бересты, глиняных табличек и т. п. И только с изобретением в Древнем Китае бумаги – смеси волокон, в основном древесных, с проклеивающим их веществом – сообщения удалось заключить в малые формы. Правда, нужно было уметь писать. Грамотные люди пользовались огромным уважением, но число их было невелико. Так, в Древнем Египте существовала специальная каста писцов.

С появлением книгопечатания масштабы грамотности заметно возросли. Все больше людей овладевало навыками чтения и письма, то есть способностью обмениваться информацией и получать доступ к знаниям, накопленным в книгах.

Когда умение производить бумагу и отпечатывать на ней знаки дошло из Китая через арабский Восток в Европу, это произвело поистине революционные перемены. Примерно в середине XV века И. Гутенберг начал печатать первые книги. К концу века книгопечатание проникло уже в 12 европейских стран, и было издано 40 тысяч экземпляров книг! Разве сравнить это с масштабами распространения рукописных свитков?

Сейчас, при доступе к самым разным источникам информации, трудно представить, как можно было находиться в «информационном вакууме», каким выглядит возможность обращения только к книгам. Но ведь именно благодаря им последние пятьсот лет собиралась, хранилась и передавалась от поколения к поколению информация.

С изобретением в XIX веке валиков, с которых можно было быстро делать многократные отпечатки, и ротационных машин количество оттисков неизмеримо выросло. Их стали производить сначала тысячами, а потом уже и сотнями тысяч, миллионами экземпляров. Этим было положено начало многотиражным периодическим изданиям, которые, в отличие от долго изготавливаемой книги, можно было «тиснуть» за одну ночь. Информация стала достоянием каждого грамотного человека.

Неудивительно, что среди мудрых изречений знаменитого Козьмы Пруткова есть и такое: «Человек ведет переписку со всем земным шаром, а через печать сносится даже с отдаленным потомством».