Текст книги "Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия"

Глава 39

Пластмасса и искусственные материалы

Человек использует природные пластичные материалы с незапамятных времён. Один из древнейших – янтарь, ископаемая отвердевшая смола хвойных деревьев, добываемая обычно на морских береговых отмелях. Из янтаря изготавливали ювелирные украшения и мелкие бытовые предметы – расчески, шкатулки. Из шеллака, смолы, выделяемой тропическими насекомыми семейства лаковых червецов, изготавливали спиртовые лаки и политуры для обработки предметов из дерева (а после изобретения граммофона из шеллака стали производить граммофонные пластинки). Полученная перегонкой смолы хвойных деревьев канифоль применялась в качестве обезжиривающего вещества – флюса – при пайке, для изготовления лаков, а позже для натирания конского волоса скрипичных смычков для получения чистого звука. Наконец, нефтяные битумы использовались для изготовления асфальта, пластичного, но в то же время прочного материала для покрытия крыш и дорог.

Открытие Колумбом Америки подарило европейцам новые сельскохозяйственные растения и новые материалы. В их числе – натуральный каучук. Он изготовляется из сока каучуконосных растений, в основном бразильской гевеи – латекса, в котором каучук содержится в виде водной взвеси мелких частиц. Сформованные из натурального каучука изделия подвергали вулканизации, нагреву до высокой температуры, в результате чего изделие становилось прочным и упругим. Из натурального каучука делали шины для гужевых повозок, а затем для велосипедов и первых автомобилей. В 1823 году шотландский химик Макинтош пропитал каучуком грубую ткань, из которой был сшит непромокаемый плащ, названный по имени изобретателя «макинтошем». Поворотным событием стало изобретение резины, обладавшей большей прочностью и износостойкостью по сравнению с натуральным каучуком. Для получения резины каучуковую массу смешивали с сажей, а затем подвергали вулканизации. В смеси же с большим количеством серы натуральный каучук после вулканизации превращался в твердый материал эбонит, из которого изготавливали изоляторы первых электроприборов. Сегодня натуральный каучук составляет основу всеми любимой жевательной резинки, а для изготовления резины используется синтетический каучук.

Первым искусственным материалом стал ксилонит. Этот полимер был получен в 50-е годы XIX века английским химиком Паркесом из смеси нитроцеллюлозы (обработанной нитрирующим раствором клетчатки растений), спирта, камфоры и касторового масла. В 1870 году американец Хайетт усовершенствовал состав ксилонита и получил целлулоид – пластичный искусственный материал, который с 1872 года начал производится промышленным способом. Целлулоид быстро распространился по всему миру и использовался для производства расчесок, игрушек, жестких воротничков, первого полимерного (так называемого «пластического») стекла. Целлулоидная пленка использовалась в фотографии, а затем и в кинематографии – в качестве прозрачной подложки для светочувствительных материалов. В XX веке горючий целлулоид, который к тому же был подвержен старению, в производстве светочувствительных материалов заменили лавсаном. Кстати, целлулоид стал первым искусственным материалом, получившим обобщающее название «пластическая масса», сокращенно – пластмасса или пластик. С его изобретением началась эпоха промышленного производства полимеров.

В 1885 году появился искусственный заменитель кости, рога, янтаря и коралла – полимер галалит. Об был изготовлен на основе казеина, сложного белка, выделяемого при створаживании молока. Галалит получил не меньшую популярность, чем целлулоид. В 1908 году был преодолен следующий этап – синтезирована искусственная смола, ставшая основой для различного рода лаков. Эта смола была получена путем химической реакции (поликонденсации) фенола с формальдегидом. Автор изобретения американский химик Бакеланд (он же, кстати, изобрел фотобумагу). По его имени синтетическая смола получила название «бакелит». Бакелитовым лаком пропитывали тканевое покрытие крыльев первых самолетов. Искусственный лак придавал ткани прочность, и плоскости самолетов превращались в подобие упругих перепонок. Пропитанная бакелитом фанера использовалась в самолётостроении, для производства кузовов легковых автомобилей и для строительства лодок.

В 1912—1913 годах русский химик и математик Григорий Семенович Петров (годы жизни 1886—1957) изобрел технологию изготовления карболита – первой пластмассы российского производства. Новый материал начал серийно выпускаться на заводе «Карболит» в Орехово-Зуево. В 30-е годы прошлого века из карболита производились корпуса первых отечественных фотоаппаратов, электротехнических приборов, предметы бытового назначения. Григорий Семенович Петров известен еще и как изобретатель универсальных синтетических клеев серии БФ. А установленный на Новодевичьем кладбище в Москве памятник академику Петрову выполнен именно из карболита.

Дальнейшие исследования в области искусственных материалов привели к созданию в 1934 году удивительного по своим потребительским качествам и универсальности применения материала нейлона. Нейлон – фирменное название волокна, получаемого из полиамидной смолы, синтезированной американским химиком Хьюмом Карозерсом. Нейлон разрабатывался, как замена натуральному шелку. Но оказалось, что нейлон превосходит шелк и по прочности, и по эластичности, и по устойчивости к воздействию влаги, высокой и низкой температур. 24 октября 1939 года в магазинах американского города Уилмингтон появились первые женские чулки из нейлона. Позже полиамидное волокно стали использовать в качестве добавки при изготовлении тканей из натурального волокна. На основе полиамидного волокна были выпущены искусственные ткани, известные под торговыми названиями капрон, перлон, дедерон, амилан, стилон, дакрон.

Синтетические ткани выпускаются и в наши дни. Полиамидные волокна добавляют в ткань из естественных материалов, придавая одежде свойства износостойкости и эластичности. Из искусственных тканей делают парашюты и укрытия (мягкие крыши), используют для обивки салонов автомобилей и самолётов, кораблей и железнодорожных вагонов. Все применения синтетических тканей невозможно перечислить… Но первое место по масштабам производства занимает другой искусственный материал – полиэтилен. Это очень дешёвый синтетический полимер, получаемый путем полимеризации газа этилена, выделяемого из нефти. Полиэтилен представляет собой твердое вещество белого цвета. Благодаря прочности и эластичности, полиэтилен применяется для производства труб, емкостей, материалов для изоляции электрических кабелей. Из полиэтилена изготавливают пленки самого разного назначения. Полиэтиленовой пленкой укрывают теплицы. Полиэтиленовая пленка используется для производства преформ, которые затем превращаются в бутылки с прохладительными напитками и в упаковки для продуктов питания. Полиэтилен используется для производства предметов быта, игрушек и других необходимых нам вещей.

Повсеместное распространение искусственных материалов в полный рост встала проблема их утилизации. Мы уже говорили о том, что пластмассы не разлагаются в естественных условиях. А разнородность мусора крайне усложняет его вторичную переработку (перед тем, как превратить использованные полиэтиленовые пакеты, бутылки и пластиковую упаковку в расплавленную массу, их надо рассортировать), поэтому его, как правило, сжигают. Но сжигание пластмассового мусора не самый лучший способ от него избавиться. При горении искусственные материалы выделяют в атмосферу большое количество вредных веществ. Поэтому учёные ведущих мировых лабораторий работают над изобретением таких пластмасс, которые бы перерабатывались бактериями или сгорали бы без выделения ядовитых веществ. И, следует признать, на этом пути уже есть первые успехи. Сегодня, покупая новый компьютер, телевизор или другую сложную технику, мы можем увидеть на их упаковке знак соответствия «Европейским Ограничениям на использование опасных веществ» (RoHS). Это значит, что отслужившая своё вещь при утилизации никого не отравит.

Глава 40

Реактивная авиация

К началу Второй мировой войны и особенно в разгар сражений конструкторы военной техники столкнулись с одной трудноразрешимой проблемой. Эта война была во многом войной моторов, в котором победу одерживал не только умелый, но и хорошо вооружённый солдат. В воздушных схватках преимущество было за более скоростным самолётом, а маневренность отходила на второй план. Высокие скорости позволяли лётчику легко отрываться от преследования и, развернувшись, атаковать самому. Кроме того, высокая скорость набора высоты обеспечивала наилучшую защиту от зенитных орудий врага. На большой высоте зенитные снаряды не представляли большой угрозы скоростным самолётам, а быстрое изменение высоты практически исключало прицельную стрельбу наземных орудий.

Но высокая скорость требует большой мощности двигателя. Закономерность здесь следующая – чтобы повысить скорость самолёта вдвое, мощность двигателя надо увеличить в восемь раз. Но рост мощности поршневого мотора неизбежно связан с увеличением его размеров и веса. На практике для удвоения скорости самолёта с двигателем внутреннего сгорания требуется увеличить мощность мотора в 15—20 раз, чтобы компенсировать возросший вес и размеры двигателя. Ясно, что в реальности подобная задача невыполнима. Конструкторы угодили в технологический тупик. У лучших истребителей Второй мировой войны мощность двигателя составляла 2500—3000 лошадиных сил, а максимальная скорость – около 800 километров в час. Дальнейшее увеличение скорости без принципиальных изменений конструкции самолёта было попросту невозможно. Единственный выход – применение реактивного двигателя.

Одним из первых идею применения реактивного двигателя на самолёте в 1920 году высказал Фридрих Артурович Цандер, впоследствии создатель первых советских ракет. В 1933 году, 13 августа, Цандер и его сотрудники группы испытали ракетоплан «ГИРД Р-1» с жидкостным реактивным двигателем ОР-2. Как мы уже знаем, испытания были провалены – на 5 секунде испытаний двигатель прогорел.

Более успешными оказались эксперименты с реактивными двигателями в Германии, где это проблемой занималась целая группа конструкторов – Валье, Зенгер, Опель и Штаммер. Пороховые реактивные двигатели устанавливались на автомобиль, велосипед, дрезину и самолет. В 1928 году были установлены и первые рекорды. Реактивный автомобиль немцев достиг скорости в 100 километров в час, а железнодорожная дрезина разогналась до 300 километров в час. В июне 1928 года в воздух поднялся первый мире самолёт с реактивным двигателем. Простой пороховой двигатель поднял самолёт на высоту в 30 метров. Полёт длился всего минуту, за которую самолёт пролетел полтора километра. В 1929 году немецкие конструкторы повторили эксперимент. На этот раз самолёт разогнался до скорости в 150 километров в час, более чем вдвое увеличив первый результат.

Сделаем небольшое отступление, чтобы вспомнить, как устроены реактивные двигатели. Самым простым и самым древним по времени изобретения является пороховой двигатель. В нём твёрдое топливо располагается в самой камере сгорания и при горении выделяет кислород, который и расходует. В авиации этот тип двигателя применялся довольно широко в качестве ускорителя. Пороховые двигатели устанавливались под крыльями. В нужный момент лётчик включал зажигание пороховых ракет и увеличивал скорость самолёта примерно на 50 километров в час, что давало преимущество при уходе от врага или, наоборот, в погоне за вражеским самолётом. Простейшим жидкостным реактивным двигателем является прямоточный реактивный мотор. В камеру сгорания впрыскивается топливо – керосин или спирт, а окислителем служит атмосферный воздух, захватываемый соплом двигателя. Этот тип реактивного двигателя позволяет достичь высоких скоростей, но у него есть целый ряд недостатков. Во-первых, он работает только на скорости, поскольку ему нужен набегающий поток воздуха. Значит, стартовать с земли самолёт с прямоточным двигателем неспособен. Нужна либо вспомогательная силовая установка (например, поршневой двигатель с винтом), либо транспортировка самолёта за другим самолётом. Второй недостаток – очень низкая экономичность. На скоростях меньше 2000 километров в час коэффициент полезного действия прямоточного двигателя очень мал, топливо буквально выбрасывается в атмосферу, не совершая полезной работы. И лишь при достижении порогового значения коэффициент полезного действия возрастает и приближается к кпд поршневого двигателя с винтовым движителем. Самым же совершенным авиационным реактивным двигателем является турбореактивный двигатель. Это разновидность прямоточного мотора, в сопле которого перед камерой сгорания установлен лопастной компрессор, создающий давления воздуха, а позади камеры сгорания – лопатки турбины, приводящей в действие этот компрессор. Разновидность турбореактивного двигателя – турбовинтовой мотор. Здесь турбина не только приводит во вращение лопатки компрессора, но и вращает воздушный винт, который и создаёт тягу. Но серийный турбореактивный двигатель появился на самолётах только в самом конце Второй мировой войны.

В 1939 году в СССР прошли первые испытания прямоточных реактивных двигателей, которые были установлены на истребителе «И-15» конструкции Николая Николаевича Поликарпова (годы жизни 1892—1944). Реактивные двигатели работали, как вспомогательные ускорители. Но 25 января 1940 года этот же самолёт совершил второй полёт. Поднявшись на небольшую высоту, лётчик-испытатель Логинов включил реактивные двигатели и в несколько кругов совершил облёт аэродрома. Летом того же года эти двигатели были установлены на биплане «И-153», увеличив максимальную скорость на 50 километров в час.

В марте 1940 года в воздух поднялся реактивный самолёт конструкции Королёва и Душкина (создатель двигателя). Это был планер, который отбуксировали самолётом на высоту в 2 километра, а затем лётчик-испытатель Фёдоров отцепил буксир и включил жидкостный реактивный двигатель (ЖРД). Этот двигатель был сконструирован по ракетному принципу, в его камеру сгорания впрыскивалось жидкое топливо и окислитель. Испытания закончились благополучно. Израсходовав запас топлива, лётчик спланировал на полосу аэродрома и приземлился. В истории этот полёт остался, как первое успешное испытание жидкостного реактивного двигателя, который позже станет главным двигателем в области космонавтики.

Но жидкостный реактивный двигатель использовался и в авиации. Уже во время войны 15 мая 1942 года прошли успешные испытания небольшого реактивного самолёта с ЖРД. Это был прототип истребителя, вооружённый двумя пушками и оснащённый радиосвязью. Конструкторское бюро Поликарпова в те же годы спроектировало реактивный самолёт «Малютка» с РЖД, а КБ Михаила Клавдиевича Тихонравова (годы жизни 1900—1974), в будущем создателя космической техники, выпустило военный реактивный самолёт марки «302».

В Германии с 1944 года серийно выпускался истребитель с РЖД – «МЕ-163». В боевых действиях эта машина впервые приняла участие в о время высадки союзников во Франции в 1944 году. Для своего времени «МЕ-163» был очень необычной машиной. Стреловидное крыло, отсутствие горизонтального хвостового оперения – рули высоты располагались на крыльях и выполняли функции элеронов. Самолёт не имел шасси. Было только убирающееся хвостовое колесо, а под фюзеляж при взлёте устанавливалась колёсная тележка. После взлёта тележка оставалась на земле, а самолёт приземлялся на стальной лыже длиной около 1,8 метра и шириной 16 см. Фюзеляж «МЕ-163» отличался очень хорошим аэродинамическим качеством, он был очень гладким, «зализанным». Горючее заполняло внутренние полости крыльев, а баки с окислителем устанавливались в фюзеляже. Максимальная скорость достигала 825 километров в час у земли и 900 километров в час на высоте в 4012 километров, а продолжительность полёта при непрерывной работе двигателя не превышала 8 минут (расход топлива за это время составлял 2 тонны – половину веса самого самолёта). Лётчики старались выключать мотор, используя планирующий полёт, и, таким образом, увеличивали продолжительность полёта до 20 минут. Любопытная подробность – этот самолёт всё же имел в передней части фюзеляжа небольшой пропеллер. Это был ветряк, соединённый с генератором, питающим электрооборудование самолёта.

Первый полёт самолёта с турбореактивным двигателем состоялся в Англии в мае 1941 года. Это был «Глостер Е-28/39». А самым удачным серийным самолётом с турбореактивным двигателем можно считать двухмоторный немецкий истребитель «МЕ-262», который, как и «МЕ-163», хода войны изменить уже не мог…

Качественный скачок в области реактивной авиации был совершён уже после Второй мировой войны, когда на вооружении ведущих мировых держав поступили новейшие реактивные самолёты. Одним из лучших военных реактивных самолётов начала 50-х годов был наш «МиГ-15»…

Глава 41

Атомная бомба

Начало самому страшному в истории человечества оружию было положено теорией относительности Альберта Эйнштейна (что, кстати, не давало ему до конца жизни), в частности, выведенной им в 1905 году формулой соотношения энергии и массы – E=mc² (где E – количество энергии, m – масса, а с – скорость света). То есть в любом веществе содержится огромное количество энергии. Популярно такое сравнение: если высвободить энергию, содержащуюся в 1 кг вещества, то её количество равнялось бы энергии взрыва 22 миллионов тонн тротила.

Эта теоретическая максима так и осталась бы на бумаге, но… Но в 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман (лауреаты Нобелевской премии 1944 года) разбили атом урана на две равные части путём бомбардировки его нейронами, зафиксировав при этом выделение энергии. Их английский коллега Отто Роберт Фриш объяснил природу этого явления. В начале следующего 1939 года французский физик Фредерик Жолио-Кюри открыл механизм цепной реакции. Согласно теории Жолио-Кюри деление ядра атома урана сопровождается выбросом энергии, которая воздействует на соседние ядра. Начинается цепная реакция, которая приводит к распаду соседних ядер атомов урана и сопровождается выбросом огромного количества энергии. То есть действие цепной реакции подобно действию взрывчатого вещества. Собственно, это открытие и стало толчком к разработке ядерного оружия.

В 1939 году Эйнштейн обращается с письмом к президенту США Рузвельту. Эйштейн располагает сведениями, что в Германии ведутся работы по очистке урана-235, что по мнению учёного свидетельствует о работах по созданию ядерного оружия. Допустить этого нельзя – в руках безумца Гитлера атомная бомба похоронит всю цивилизацию… Если интуиция гениального физика не подвела, то в фактах он несколько ошибся. Немцы в 1939 году были очень далеки от создания нового оружия. Их целью была «грязная бомба», то есть обычная бомба, в результате взрыва которой местность заражается радиоактивностью. Но этих подробностей ни Эйнштейн, ни американцы не знали. И Рузвельт даёт команду развернуть широкомасштабный и очень дорогостоящий план исследований и практических работ по созданию ядерной бомбы, получивший название «Манхэттенский проект». Во главе проекта встал генерал Лесли Гроувс, команду учёных возглавил физик Роберт Оппенгеймер (годы жизни 1904—1967).

Специально для «Манхэттенского проекта» в сентябре 1940 года в Бельгии было тайно закуплено большое количество урановой руды – дефицитнейшего ископаемого, являющегося источником радиоактивного урана. В штате Теннеси в городе Ок-Ридже были построены завод по очистке этой руды и газовая центрифуга по отделению лёгкого урана-235 от тяжёлого урана-238. Наконец, в 1942 году в пустынной местности штата Нью-Мексико, в Лос-Аламосе, был создан американский исследовательский ядерный центр. Американцам удалось собрать коллектив выдающихся учёных современности. Достаточно сказать, что под началом Роберта Оппенгеймера трудились 12 лауреатов Нобелевской премии. Мощным толчком были разработки английской ядерной программы, которые Великобритания добровольно передала США, опасаясь, что немецкие бомбардировщики уничтожат исследовательский центр, а экономика Англии не выдержит огромных затрат на эти изыскания. Следует заметить, что и США, чья экономика в меньшей степени пострадала от Второй мировой войны, а территория, за исключением Гавайских островов, не подвергалась вторжениям и бомбардировкам, ядерный проект дался ценой огромным затрат. С 1939 по 1945 год на создание атомной бомбы было потрачено около 2 миллиардов долларов – невообразимые по тому времени деньги, сравнимые с бюджетом огромной страны. Впрочем, в самом начале, в 1942 году, на проект было выделено всего… 6 тысяч долларов. Никто и представить не мог, сколько средств потребуется для выполнения столь грандиозной задачи.

16 июля 1945 года на плато в горах Джемеза, что на севере штата Нью-Мексико, на полигоне Аламогордо была установлена вышка, на которой закрепили первую в мире атомную бомбу. Рано утром, на восходе солнца, был отслужен молебен во спасение. Никто из учёных не знал, не приведёт ли взрыв атомной бомбы к всеобщей цепной реакции, в результате которой распадётся всё вещество Вселенной или, во всяком случае, наша планета. Первый взрыв мог бы стать и последним взрывом, настоящим «концом света». Но ни опровергнуть, ни подтвердить эти предположения тогда никто не мог.

В 5 часов 29 минут и 45 секунд по местному времени над вышкой вспыхнуло рукотворное солнце. Затем над землёй поднялся гриб дыма высотой около 9 километров. Над землёй пронеслась чудовищной силы ударная волна. Все строения на месте взрыва испарились. Песок расплавился и превратился в зелёное радиоактивное стекло. Присутствующие при испытаниях учёные и военные были потрясены…

Дальнейшие события требуют пояснений. 12 апреля 1945 года, незадолго до победы над немецким фашизмом 32-й президент США Франклин Делано Рузвельт, по распоряжению которого и были начаты работы в рамках «Манхэттенского проекта», скончался. Его пост занял бывший вице-президент Гарри Трумэн, человек не обладавший качествами своего предшественника – осторожностью, дальновидностью и, возможно, мудростью. К августу 1945 года Вторая мировая война подошла к концу. Сопротивление Японии было сломлено, но Трумэн решил убить двух зайцев – поставить в конце войны с Японией эффектную точку и заодно продемонстрировать миру чудовищную силу атомной бомбы. И 33-й президент Соединённых Штатов Америки принял решение сбросить атомные бомбы на японские города. Одновременно американские вооружённые силы должны были нанести удар на море и земле. Наступление было намечено на 10 августа.

Ещё в 1944 году, незадолго до завершения работ над атомной бомбой, в Америке был создан специальный полк тяжёлых высотных бомбардировщиков Б-29 («летающих крепостей»). Лётчики полка под командованием полковника Тиббетса приступили к тренировочным полётам, проходившим на максимальной для этих самолётов высоте в 10—13 километров.

Для атомной бомбардировки были выбраны города, которые не подвергались обычным налётам – Хиросима, Нагасаки, Конкура и Ниигата. При этом учитывалась и заселённость городов, и рельеф местности.

5 августа 1945 года одна из двух готовых атомных бомб – 2722-килограммовый «Малыш», заряженный обогащённым ураном-235 – была загружена в бомбовый отсек Б-29, на борту которого было написано «Энола Гей» (имя матери командира самолёта). «Энола Гей» поднялась в воздух и в сопровождении второго бомбардировщика направились в сторону Хиросимы. Утром 6 августа самолёты достигли города. Они летели на огромной высоте и потому не вызвали у жителей города особого беспокойства – американцы к этому времени часто барражировали над японскими городами, не нанося ударов. К тому же в Хиросиме не было военных объектов, которые могли бы подвергнуться жестоким бомбардировкам.

Вскоре «Энола Гей» сбросила некий груз, плавно спускавшийся на парашюте. После этого оба самолёта повернули назад… На высоте 600 метров над городом вспыхнул ослепительный огненный шар, а затем поднялся многокилометровый ядерный гриб. В одно мгновенье было уничтожено 140 тысяч человек. Температура в эпицентре взрыва достигала 5 тысяч градусов по Цельсию – этой температуры неспособен выдержать ни одно живое существо. В радиусе 12 километров от эпицентра взрыва не осталось вообще ничего. Во всём городе зз 90 тысяч зданий было уничтожено 62 тысячи домов.

9 августа 1945 года вторая бомба – 3175-килограммовый «Толстяк», заряженный 20 килограммами плутония-239 – была сброшена на Нагасаки. Количество человеческих жертв от этих двух взрывов достигло 300 тысяч человек. Ещё 200 тысяч пострадали от лучевого ожога и были травмированы ударной волной… Так состоялся самый бесчеловечный, самый чудовищный и самый позорный эксперимент над живыми людьми…

Что ощущали учёные, усилиями которых эти бомбы были сделаны? Альберт Эйнштейн считал виноватым, прежде всего, себя и, как мы уже говорили, до самой смерти испытывал муки совести. Роберт Оппенгеймер в 1953 году выступил против создания ещё более разрушительной водородной бомбы, был обвинён в нелояльности и навсегда отстранён от атомных разработок. Академик Андрей Дмитриевич Сахаров, «отец» советской водородной бомбы (и самой мощной бомбы, когда-либо взорванной на нашей планете) стал правозащитником, убеждённым противником насилия и совестью нашей нации.

Так кто же на самом деле виноват – учёные, чья цель докопаться до истины и открыть человечеству тайны мироздания, или политики, использующие их открытия в качестве смертоносного оружия?