Класс!ная физика



Изобретения Дедала (часть2)

15.01.2017

Предыдущая страница (часть1) - смотри здесь



Долой рост!

В свое время сельскохозяйственное отделение фирмы КОШМАР занималось выращиванием вьющихся бобов на дугообразных подпорках, надеясь выяснить, станут ли побеги загибаться вниз, к земле. Бобы, однако, упрямо стремились вверх, хотя и испытывали некоторое «замешательство» в высшей точке дуги. Как же растения узнают, где верх, а где низ? Принято считать, что в особых клетках растения имеются твердые частицы (статолиты), которые, оседая под действием силы тяжести, указывают направление вертикали. Дедал проводит опыты по поливу растений тяжелой водой, пытаясь поднять плотность внутриклеточной жидкости настолько, чтобы твердые частицы не оседали вниз, а всплывали. Тогда, полагает Дедал, растение начнет расти вниз, из чего можно извлечь немалую выгоду. Вначале Дедал видел в этом просто новый способ уничтожать сорняки, загоняя их в землю. Позднее, однако, он осознал возможности, которые открывает применение этого принципа на более поздних стадиях роста.

Это откроет путь к созданию совершенно новых растений. К примеру, поливая время от времени фасоль или горох тяжелой водой, можно выращивать их на коротких колышках, которые они станут оплетать то снизу вверх, то сверху вниз. Более того, выращивая деревья соответствующей величины и формы, мы можем сразу же получать деревянные детали, скажем, для изготовления мебели на гнутых ножках.

Периодически подкармливая растения удобрением фирмы КОШМАР, можно ограничить высоту травы, не ограничивая ее роста. Такая лужайка меньше страдает от птиц, поскольку пернатые запутываются в извивах травы.


Сельскохозяйстненные специалисты фирмы КОШМАР также проводят опыты по строго дозированному применению для полива тяжелой воды, чтобы заставить растения принимать наклонное положение под любым заданным углом к горизонту или даже расти на крутом склоне строго горизонтально. Дедал предвидит создание оранжерей нового типа, в которых растения, культивируемые на полу, стенах и потолке, будут тянуться к источнику света, расположенному в центре. А для тесных квартир, в которых не хватает места даже для кактусов, фирма КОШМАР предлагает предмет особого шика — зеленый газон на потолке!

New Scientist, January 28, 1971

Устройство для выращивания и сбора пшеницы на вертикальной стене.


Лазер против облаков

Как это ни прискорбно, погодные явления (в частности, дождь) до сих пор не подвластны человеку. Даже самые современные методы активных воздействий (например, засев облаков йодистым серебром) не позволяют вызвать дождь точно в заданном районе. Дедал намерен коренным образом исправить существующее положение дел. Он рассуждает так: если выбить электрон из капельки воды, находящейся в облаке, то эта капля приобретет положительный заряд. Выбитый электрон тут же попадет на какую-нибудь соседнюю каплю, которая таким образом получит отрицательный заряд. Под действием сил электростатического притяжения эти две капли сблизятся и сольются в одну. Многократно повторяя этот процесс внутри облака, можно постепенно вырастить капли до такого размера, что они выпадут в виде дождя. Для выбивания электронов из капель естественно было бы использовать фотоэлектрический эффект; по расчетам Дедала, для осуществления этого процесса подойдет ультрафиолетовое излучение с длиной волны 100 нм и короче. Нужно заметить, что число капелек в облаке несравнимо меньше числа фотонов в пучке света, так что необходимая мощность излучения не превышает нескольких ватт. Соответственно высокоэффективный «генератор погоды» фирмы КОШМАР представляет собой небольшой лазер ультрафиолетового диапазона, установленный на поворотной турели, что позволит легко направлять его в любую часть неба.

Лазерный генератор погоды в действии.


Наконец-то унылый британский климат будет укрощен. Любой фермер сможет выкроить из тучи порцию дождя по размерам своего поля. При организации на открытом воздухе какой-либо церемонии ее устроители загодя смогут очистить небо от облаков над местом ее проведения, направляя выпадающий дождь в ближайший канал или водоем. Еще один лазер вырежет в облаках просвет, сквозь который солнечные лучи прольются на площадь, где происходит собрание. Конечно, дыры в облаках будут производить довольно странное впечатление, но они достаточно быстро затянутся. Этот же метод можно использовать для того, чтобы писать на облаках различные объявления, рекламы и т. д., хотя эффект такого зрелища будет сильно «подмочен», когда на собравшихся внизу зевак из облаков неожиданно хлынет ливень.

В своих рассуждениях Дедал исходит из ошибочного предположения о нейтральности (незаряженности) капель в облаке. В настоящее время лазеры широко используются для определения атмосферных загрязнений, но при этом не обнаруживается влияния лазерного луча на крупномасштабную конденсацию атмосферной влаги. Водность, т. е. количество граммов сконденсировавшейся воды, обычно меньше, чем получается по расчетам Дедала, и составляет 0,003–0,004 г/м3. — Прим. ред.

New Scientist, December 4, 1980


Из записной книжки Дедала

Согласно теории фотоэффекта, один фотон может выбить из капли один электрон. Это утверждение проверено на практике — вспомним классический опыт Милликена по определению заряда электрона с помощью капелек жидкости, заряженных под действием излучения. Первый ионизационный потенциал молекулы воды равен I = 12,56 эВ = 2,0 × 10-18Дж; соответственно для выбивания электрона из молекулы воды необходим фотон с частотой выше v = I/h = 3×1015 Гц (h = 6,626×10-34 Дж•с — постоянная Планка), что соответствует ультрафиолетовой области спектра: λ = c/v = 100 нм.

Какая интенсивность излучения необходима для конденсации паров воды в облаке? Допустим, облако образовалось за счет охлаждения насыщенного водяными парами воздуха от 20°С (плотность насыщающих паров равна 0,017 кг/м3) до 10°С (плотность насыщающих паров равна 0,009 кг/м3). Тогда количество воды, сконденсировавшейся в капли тумана, составит (в расчете на 1 м3 объема) М = 0,017 - 0,009 = 0,008 кг/м3. Если предположить, что каждая капелька имеет диаметр 3 мкм (т.е. r = 1,5 × 10-6) и плотность ее составляет 1000 кг/м3, то масса капли равна m = 4πr3ρ/3, а число капель в 1 м3 облака n = М/m = 3М/4πr3ρ = 3 × 0,008/4 × 3,14 × (1,5 × 10-6)3 × 1000 = 5 × 1011.

Каждый фотон излучения, выбивающий электрон из капли, заставляет две капли сливаться в одну, уменьшая общее число капель на единицу. Таким образом, чтобы вызвать слияние всех капель, требуется n фотонов на 1 м3. Иначе говоря, для превращения в дождь C м3 облака в секунду, необходим поток излучения, равный Vn фотонов в секунду. Если энергия фотона равна I, а С принять равным 105 м3/с, то требуемая мощность излучения составит

P = СnI = 105 × 5 × 1011 × 2 × 10-18 = 0,1 Вт!

Даже с учетом низкой эффективности процесса мощности в несколько ватт заведомо достаточно для обработки огромного объема облака.

Какое количество осадков выпадет в результате воздействия лазера? Предположим, что мы направим плоский пучок излучения шириной 100 м на облако толщиной 100 м и будем перемещать его со скоростью 10 м/с. В таком случае за 1 с луч вызывает конденсацию паров в объеме облака, равном С=105 м3/с (что как раз совпадает с допущением, сделанным выше), и искусственный дождь выпадает, допустим, на площади А = 100 × 1 = 100 м2. Секундный объем осадков равен V= CM/ρ, что соответствует слою толщиной x = V/A = CM/ρA = 105 × 0,008/(1000 × 100) = 0,008 м/с = 288 см/ч.

[Для сравнения укажем, что на широте Москвы ежегодно выпадает осадков примерно 60 см в год. — Перев.]

Нетрудно видеть, что подобный искусственный дождь как нельзя лучше подходит для заполнения водой прудов, каналов и т. д. А обеспечив высокую прицельность искусственного дождя, мы значительно облегчим работу пожарных.


Ржавые доспехи

Размышляя о нейтронной бомбе, которая убивает людей, не уничтожая танки и другую боевую технику, Дедал задумался над возможностью создания оружия противоположного вида, которое бы уничтожало бронированные машины, оставляя людей невредимыми. В связи с этим Дедал вспомнил, что механические напряжения существенно понижают коррозионную устойчивость многих материалов. Молекулы, вызывающие коррозию, проникают в микротрещииы на поверхности материала и вступают в реакцию на дне трещины, где механические напряжения наиболее значительны, и поэтому материал наименее стоек к коррозии. Совместное действие коррозии и механического напряжения наиболее значительны, и поэтому материал наименее стоек к коррозии. Совместное действие коррозии и механического напряжения углубляет трещину. Заметим теперь, что многие молекулы, вступая в химическую реакцию, заметно изменяются в объеме. Например, диаметр атома кислорода, вступившего в химическую связь с металлом, увеличивается почти вдвое. Химики фирмы КОШМАР заняты поисками газообразных веществ, молекулы которых при вступлении в реакцию увеличиваются в объеме особенно сильно. Попадая в поверхностную микротрещину и вступая на ее дне в реакцию, эти молекулы станут раздвигать края трещины — ведь нет такого материала, который мог бы противостоять силам молекулярного расширения. Это приведет к значительному усилению механических напряжений и, как следствие, к ускорению коррозии — так что подобные чрезмерно агрессивные вещества уничтожат материал, едва успев попасть на его поверхность. Каждое из боевых химических веществ класса «вдребезггаз» (торговая марка фирмы КОШМАР) вступает в реакцию только с определенным материалом (пластмассой или металлом) и совершенно безвредно для человека.

Это гуманное антиоружие коренным образом изменит характер военных действий. Будет интересно наблюдать действие «вдребезггаза», поражающего стальную броню и превращающего танки в груду ржавых обломков. Более экономичным, однако, скажется применение газа, избирательно поражающего, допустим, медные сплавы (большинство из которых, кстати, особенно подвержено коррозии под действием механических напряжений). Лишившись электронной начинки, военная техника замрет; латунные гильзы патронов и снарядов рассыплются в прах; исчезнут и знаки различия, и медные пуговицы, и пряжки ремней. Так битва прекратится сама собой.

New Scientist, June 15, 1978


Из записной книжки Дедала

Распространяясь в глубь твердого тела, трещина увеличивает его поверхность, но чтобы трещина распространялась дальше, необходимо поступление энергии. Если в твердом теле существуют механические напряжения, энергия поступает за счет ослабления структурных напряжений вблизи образующейся трещины. При небольших трещинах и умеренных напряжениях эта энергия, однако, недостаточна для распространения трещины; поэтому большинство конструкционных материалов в процессе нормальной эксплуатации не склонно к самопроизвольному растрескиванию. Предположим теперь, что мы привлекли дополнительный источник энергии, а именно энергию, выделяющуюся в процессе коррозии. Молекулярный слой (монослой), допустим слой окисла, образуется на поверхности почти мгновенно. Достаточна ли выделяющаяся при этом энергия для разрушения материала?

Величина поверхностной энергии Eпов для большинства металлов имеет порядок 1 Дж/м2, например, для железа Eпов = 1,7 Дж/м2. Плотность железа ρ = 7900 кг/м3, молярная масса А = 0,056 кг/моль. Тогда 1 м3 железа содержит ρ/A молей вещества, или N = ρL/A атомов, а в 1 м2 поверхности содержится N2/3 атомов, т. е.

Mпов = N2/3/L = (ρ/A)2/3/L-1/3 = (7900/0,056) 2/3 × (6,022 × 1023)1/3 = 3,2 × 10-5 моль/м2.

Теплота, выделяющаяся в процессе коррозии железа (т. е. превращения Fe в Fe2O3+nH2O, составляет ΔH = -2,7 × 10-5 Дж/моль (знак «минус» указывает на выделение энергии). Тогда количество теплоты, выделившейся при образовании монослоя ржавчины на 1 м2 поверхности, равно Hпов = ΔHМпов = 2,7 × 10-5 × 3,2 × 10-5 = 8,6 Дж/м2, что в пять раз больше, чем необходимо для образования 1 м2 свободной поверхности. Таким образом, если хотя бы пятую часть этой энергии удастся направить на образование трещины, то эта трещина будет самопроизвольно распространяться даже в ненагруженном металле. Если же быстрая коррозия захватывает металл глубже, чем на один атом (как это, скорее всего, и происходит), то с 1 м2 поверхности выделится еще больше энергии и на образование трещины придется отвести еще меньшую ее долю.

Плотность ржавчины Fe2O3+nН2О равна 3000 кг/м3, тогда как плотность железа составляет 7900 кг/м3; при n = 1 объем за счет коррозии увеличивается более чем в четыре раза. Увеличение объема можно сделать еще более значительным, если кристаллизационную воду (nН2О) заменить какой-то более крупной молекулой. Слои ржавчины на стенках трещины будут расти, пока не соприкоснутся; дальнейшая коррозия приведет к расклиниванию трещины. Если ржавчина образует k молекулярных слоев на поверхности, то для расширения трещины таким способом потребуется всего лишь 1/5k доли энергии, выделившейся при коррозии. Таким образом, «вдребезггазом» для железа и подобных ему материалов могут служить пары вещества, способного заменить кристаллизационную воду в ржавчине и значительно увеличить ее объем.

«Вдребезггаз» является вполне реальным средством понижения поверхностной прочности; этот эффект в 1928 г. открыл советский ученый, академик П. А. Ребиндер (1898—1972): см. [10].— Прим. ред.

Комментарий Дедала

Эта идея возникла у меня под впечатлением письма, полученного от фрау Маккланаган из ФРГ. Ее идея состояла в применении инфразвука для уничтожения металлического оружия. Вот что она пишет:

Дорогой Дедал

Пока еще не поздно, пожалуйста, придумай что-нибудь в противовес нейтронной бомбе. Быть может, тебе удастся создать «антибомбу», которая превращает металлы в прах, но оставляет людей невредимыми. Нельзя ли воспользоваться для этой цели результатами работ француза Гавро в области акустики — допустим, настроить звук в резонанс с колебаниями молекул в кристаллической решетке металла?


Я пришел к выводу, что инфразвук не годится для этих целей: во-первых, его частоты лежат совсем в другом диапазоне, а, во-вторых, настроиться на нужную частоту крайне трудно. Но врожденная галантность не позволила мне уклониться от просьбы дамы, и я попытался как можно точнее исполнить ее.

Новый взгляд на кометы

Дедал выдвинул теорию происхождения комет, этих загадочных объектов, которые так интересуют астрономов. Кометы движутся по очень вытянутым орбитам (многие из них выходят за пределы Солнечной системы); значительная часть вещества, составляющего хвост кометы, испаряется, когда комета проходит близко к Солнцу, — многие кометы просто исчезают, приблизившись к Солнцу, и тем не менее их число не уменьшается. Откуда же они берутся? Дедал отмечает, что межзвездный газ — разреженная среда, в которой движутся звезды и планеты, — составляет основную часть массы Вселенной. Астероид, движущийся по сильно вытянутой орбите, большую часть времени находится вдали от Солнца, в жутком космическом холоде. Стало быть, заключает Дедал, такой астероид играет роль ядра конденсации и постепенно обрастает слоем межзвездного вещества: воды, аммиака, метана и даже водорода. После долгих десятилетий блуждания в глубинах космоса астероид возвращается к Солнцу: вследствие довольно резкого повышения температуры его вещество испаряется и образует хвост кометы, развевающийся в потоке солнечного ветра. Необходимо заметить, что из-за медленного накопления и быстрого уноса массы орбита такого астероида испытывает сильные возмущения. Если астроном, рассчитывая орбиту такого объекта, полагает его массу постоянной, то он непременно ошибется. Когда же объект в расчетное время не появляется в поле зрения, астрономы считают его исчезнувшим, а обнаружив позднее, принимают за новую комету, движущуюся по другой орбите. Таким образом, проблема исчезновения и возникновения комет целиком надуманна. Новые кометы, считает Дедал, — это не что иное, как старые кометы, нарастившие новые хвосты и возвращающиеся по неожиданным траекториям. Более того, заявляет Дедал, не исключено, что существует всего-навсего одна комета. Иногда ее заносит в области, где газ более плотен, — и тогда она возвращается во всем своем «хвостатом великолепии)», если же она собирает по пути мало вещества, то по возвращении едва заметна. А астрономы заносят ее в каталоги под новыми и новыми именами…

Из этой теории вытекают замечательные следствия. Если кометы действительно выполняют роль космических «веников», подметающих межзвездное пространство и приносящих затем вещество в нашу планетную систему, то с помощью спектроскопического анализа можно узнать, чем наполнены глубины космоса. Значительные размеры и сложный состав комет уже сейчас позволяют предположить, что межзвездный газ существенно плотнее, чем представлялось ранее, и содержит немало любопытных молекул (что подтверждается данными радиоастрономических наблюдений). Дедал горит желанием заполучить образцы межзвездного вещества и с этой целью на основании своей кометной теории разрабатывает проект космического зонда. Любой объект, защищенный в космосе от солнечных лучей, должен охладиться до очень низкой температуры — порядка нескольких градусов выше абсолютного нуля. Космический зонд, сконструированный Дедалом, снабжен гигантским «зонтиком» из металлизированной полимерной пленки диаметром в несколько километров. В тени этого «зонтика» помещен большой надувной цилиндр из полиэтиленовой пленки, заполненный водородом или гелием под очень низким давлением. На поверхности цилиндра происходит криогенная конденсация межзвездного вещества. Благодаря условиям невесомости создание подобных легких, гигантских надувных конструкций не представляет сложности. Конденсат на поверхности цилиндра образует тончайшую пленку, однако за счет огромной площади поверхности общая масса конденсата станет накапливаться довольно быстро. Медленно вращаясь, надувной цилиндр проходит мимо удерживаемого магнитом вала, который вызывает испарение накопившегося конденсата — последний осаждается на бесконечную ленту транспортера, доставляющего его в накопительные емкости. Судя по имеющимся спектроскопическим данным, основную долю вещества должны составлять молекулы воды, аммиака, метана. На основе этих компонентов можно создать ракетное топливо, так что Дедал собирается использовать часть своей добычи для питания небольших двигателей, осуществляющих пространственную ориентацию космического зонда. В отдаленном будущем космический конденсат, быть может, заменит нефть как сырье для химической промышленности. Для начала, однако, Дедал намерен использовать свой зонд для проверки теории образования комет. Он собирается покрыть космическим конденсатом какой-нибудь астероид и запустить его на соответствующую орбиту, с тем чтобы сравнить поведение искусственной кометы с поведением ее космической сестры.

New Scientist, September 2 and 9, 1976

Комментарий Дедала

Приятно отметить, что не один я обратил внимание на возмущающее влияние испарения вещества кометы на ее орбиту. Пол Вейссман из Лаборатории реактивного движения НАСА разработал (Astronomical Journal, 84, 1979, p. 580) чрезвычайно изящную теорию, учитывающую направление вращения ядра кометы. За счет испарения кометного вещества протяженность проходящего вблизи Солнца участка орбиты либо укорачивается, либо удлиняется — в зависимости от направления вращения ядра. До сих пор, однако, никто не предложил аналогичной теории, которая описывала бы движение кометы вдали от Солнца с учетом увеличения ее массы.


Водяная горка

Насколько удобнее стали бы каналы, если бы нам удалось избавиться от шлюзов, обеспечивающих требуемый перепад уровней! Дедал вспоминает опыт с сообщающимися сосудами: если наполнить сосуды жидкостями с различной плотностью, то уровень более плотной жидкости установится ниже уровня менее плотной. Используя жидкости различной плотности, в системе из нескольких сообщающихся сосудов можно получить ступенчатый перепад уровней. В пределе, утверждает Дедал, добившись каким-то образом непрерывного увеличения плотности жидкости, можно получить наклонную поверхность жидкости.

 Вначале Дедал рассчитывал просто подогревать воду с одной стороны, чтобы за счет теплового расширения уменьшать ее плотность. Однако этот эффект слишком слаб и вдобавок осложнен наличием конвекции. Поэтому Дедал предлагает теперь стабилизировать наклонную поверхность воды, насыщая ее плотными магнитными частицами. Мощные постоянные магниты, установленные у нижнего уровня шлюза, создают требуемый градиент плотности. (Помещая жидкости в магнитное поле, действительно удается наблюдать изменение уровня.) Новые шлюзы обеспечат беспрепятственный проход судов вверх и вниз по каналу, — правда, при входе в такой шлюз судно резко изменит свою плавучесть. Гибкая перегородка будет отделять магнитную жидкость от остальной воды в канале.

Для «водяной горки», придуманной Дедалом, можно найти множество полезных применений. Полезная емкость резервуаров, например, существенно увеличится, если наливать в них жидкость «с верхом». Это избавит нас от необходимости строить новые дорогостоящие водохранилища. Возникнут новые виды спорта — скажем, катание с гор на водных лыжах. Неизвестно только, как отнесутся к «магнитным водоемам» водоплавающие птицы.

New Scientist, September1, 1966


Из записной книжки Дедала

Колебания уровня магнитной жидкости под действием вертикального магнитного поля сложной структуры. (С разрешения Дж. Поплуэлла и С. Чарльза.)


Сонное царство

Дедал — «поздняя птица». Сознательно воспринимать окружающую действительность он начинает лишь часов с десяти утра, хотя «внутренний автопилот» (своего рода особый отдел спинного мозга) позволяет Дедалу создавать видимость деятельности и в более ранние часы. Зависть Дедала к «жаворонкам», способным заниматься полезной деятельностью уже в первой половине дня, может сравниться только с тем чувством жалости, которое Дедал испытывает ко всем, кто вынужден приноравливаться к жесткому режиму службы от звонка до звонка. Дедала интересует, какой механизм обеспечивает связь внутреннего ритма организма с официально принятым гражданским временем. Он подозревает, что его собственный жизненный ритм синхронизирован по радиопередачам последних известий, и пытается проверить это, соединив будильник с магнитофоном, так чтобы эта система записывала передачи новостей и затем воспроизводила их во внеурочные часы. Однако смена дня и ночи или передачи Би-Би-Си не единственные факторы, которые могут управлять чередованием бодрствования и сна. Вполне возможно, что суточные биоритмы чувствительны к изменениям температуры, переменным электромагнитным полям, наличию или отсутствию различных характерных звуковых шумов и т. п. — эти и другие факторы могут играть роль «времязадающих параметров». В этой связи Дедал вспоминает о недавних экспериментах, в которых суточными биоритмами мышей, обычно подчиняющимися смене дня и ночи, стали управлять при помощи электрического поля, которое изменялось (включалось и выключалось) с периодом 12 ч. При постоянном освещении мыши начинали различать «день» и «ночь» по наличию или отсутствию электрического поля. Дедал надеется, что если аналогичный рефлекс выработать у человека, то он станет идеальным средством для перестройки нашего жизненного ритма. Придуманная Дедалом электрическая кровать оснащена датчиками, которые определяют, лежит ли человек на кровати и спит ли он. Во время сна всегда включается электрическое поле, так что через некоторое время пациент начинает связывать наличие поля со сном. Тем временем небольшой компьютер составляет график сна и рассчитывает суточный ритм пациента. Накопив достаточную статистику, электрическая кровать автоматически начинает сдвигать период наличия электрического поля в нужном направлении (например, поле остается включенным с 11 ч вечера до 7 ч утра), и постепенно режим сна пациента приводится к общепринятой норме. Это позволит избавить от страданий недосыпающих служащих. Электрическая кровать может быть запрограммирована таким, образом, чтобы помочь сменным рабочим приспособиться к меняющемуся режиму сна. В портативном варианте (в виде «электрической подушки») таким устройством могут с успехом пользоваться экипажи авиалайнеров, обслуживающие дальние рейсы, и командированные, перелетающие из одного часового пояса в другой ([11], [12]).

New Scientist, March 15, 1973


Комментарий Дедала

Опыты над мышами, о которых я упоминаю, проводились на биологическом факультете Нью-Йоркского университета (Nature, 222, May 10, 1969, p. 564). Со свойственной биологам наивностью авторы подвергали мышей действию электрического поля, повышая с периодом в 24 ч потенциал клетки до 500 В. Находясь внутри металлической клетки, мыши почти не испытывали действия электрического поля, которое существовало лишь между прутьями клетки и вдоль стенок. Высокое напряжение на клетке представляло бы смертельную опасность скорее для любителей мышей, если бы им захотелось просунуть в клетку лакомый кусочек для своих подопечных. Тем не менее включение и выключение электрического поля одновременно со светом по суточному циклу выработало у мышей условный рефлекс. Когда свет переставали выключать и клетка постоянно освещалась круглые сутки, мыши начинали определять смену дня и ночи по наличию или отсутствию электрического поля. В течение всего эксперимента режим сна и активности оставался в фазе с внешним электрическим полем. Любопытно отметить, что не все подопытные мыши подчинялись общему ритму — у некоторых из них был заметно выражен сдвиг режима активности по отношению к изменению поля. Так что электрическую кровать, вероятно, придется оснастить каким-то автоматическим устройством, которое учитывало бы индивидуальные особенности пациентов.

Развлекательные телепрограммы и математика

Дедал серьезно обеспокоен растущей потребностью в новых телевизионных каналах. Едва ли эта потребность продиктована разнообразием вкусов телезрителей — большинство из них смотрят телевизор точно так же, как смотрели бы в окно вагона или в стеклянную дверцу стиральной машины на кувыркающееся в барабане белье. Дедал предлагает простой способ сэкономить огромные средства, идущие на строительство новых телевизионных передатчиков и ретрансляторов, и облегчить участь несчастных сценаристов, вынужденных придумывать все новые и новые сюжеты. В этой связи он вспоминает о работе, в которой был проведен статистический анализ поэм Гомера. В этом исследовании полностью игнорировались и сюжет, и общая композиция произведений. Предполагалось, что каждый эпизод в поэмах выбирался автором исключительно произвольно. Похоже, что многие телепередачи в наши дни строятся именно по такому нехитрому принципу: средний, не слишком внимательный зритель все равно не стремится уследить за развитием сюжета.

Дедал приступил к статистическому анализу большого числа телевизионных передач, определяя вероятности переходов от одной сцены к другой. Полученные значения вероятностей вместе с обширной подборкой различных эпизодов вводятся в память ЭВМ. Изобретенный Дедалом «стохастический генератор развлекательных телепрограмм» (СГРТ) на основе этого материала составляет бесконечную последовательность типичных телевизионных шоу по следующему принципу: выбирается сцена из класса «завязок», затем, с учетом статистического веса, происходит переход к случайно выбранной следующей сцене и т. д., пока, опять же случайным образом, не выбирается финал (например, «хэппи энд»). Таким образом, программа, составленная Дедалом, мало будет отличаться от средних убаюкивающих телевизионных передач — неожиданные повороты сюжета и драматические коллизии будут встречаться в ней не слишком часто, поскольку их вероятности малы. Правда, чтобы придать программе внутреннюю логику, придется предусмотреть дополнительные ограничения. Например, движущиеся элементы в каждом эпизоде (люди, автомобили и т. д.) следует выбирать из ограниченного состава реквизита, который если и не постоянен на протяжении всего сюжета, то меняется довольно медленно. Потребуется и некоторое минимальное общее планирование сюжета. СГРТ, имеющий в памяти несколько тысяч эпизодов (каждый из которых допускает как можно больше незначительных вариаций), будет вполне удовлетворительно имитировать обычный телеканал, и его можно выпускать в виде компактной приставки к телевизору. Такие приставки полностью удовлетворят основную массу невзыскательных телезрителей, а телевизионные центры получат возможность лучше позаботиться о тех немногочисленных ценителях, которые действительно желают смотреть что-то стоящее.

New Scientist, May 20, 1976


Комментарий Дедала

Упомянутый статистический анализ поэм Гомера был проведен в диссертации выпускника Лондонского королевского колледжа П. В. Джоунса «Тематическая структура «Одиссеи» Гомера». Композиция поэмы рассматривается как случайный процесс первого порядка; другими словами, предполагается, что Гомер не учитывал предшествующего развития событий, а выбирал каждый следующий эпизод только на основании возможностей, существующих на данном этапе повествования. Такая модель устного предания не является слишком грубой, и в то же время ее легко рассчитать с помощью ЭВМ. Полученные результаты подтвердили обоснованность подобного подхода. (Нужно отметить, что Гомер все же учитывал предшествующее развитие событий — насколько это было необходимо, — чтобы избежать повторов; компьютер в этом смысле иногда ошибался.)

Статистический анализ и моделирование телевизионных программ не представляют особых принципиальных трудностей. При современных возможностях вычислительной и телевизионной техники реализовать эту задачу значительно проще, чем десять лет назад. Каждый кадр телевизионного изображения хранится в памяти ЭВМ в цифровой форме, и компоновка телевизионного сюжета может вестись в реальном масштабе времени, причем каждый кадр сюжета монтируется из отдельных блоков, соответствующих основному и побочным планам изображения. Кроме того, существует возможность изменения масштаба кадра, зеркального и негативного преобразования изображения и т. д. Все это позволяет современному СГРТ составить из ограниченного набора отдельных эпизодов такое количество сцен и образов, что даже внимательный зритель не скоро заметит ограниченность «репертуара» генератора.

Невероятная популярность появившихся в последнее время телевизионных игр позволяет заключить, что даже самый примитивный сюжет может очень долго сохранять свою привлекательность, если зритель имеет возможность вмешиваться в него. Таким образом, позволив телезрителю управлять развитием сюжета (например, регулировать вероятность перехода от одной сцены к другой), мы создадим СГРТ, служащий неиссякаемым источником развлечения даже при весьма ограниченном выборе основных сцен и персонажей.

Всевозможные телевизионные сюжеты могут быть распределены в многомерном пространстве изображений. Выбрав подходящую размерность этого пространства, сюжеты можно разместить так, что вероятность перехода от одного к другому будет обратно пропорциональна расстоянию между ними в пространстве. Наиболее «ходовые» сюжеты (спортивные, детективные и т. п.) образуют плотные скопления в пространстве изображений; редкие и нетипичные сюжеты представляются изолированными точками. Любая телевизионная программа может быть представлена переходами в пространстве изображений. СГРТ монтирует телевизионную программу, переходя от одной сцены к другой с учетом статистического веса вероятностей перехода: короткие прыжки более вероятны, чем длинные.


Карусель для толстяков

Человеческий организм — это совершеннейшая система обратной связи. Он способен поддерживать постоянными температуру и другие параметры при изменении внешних условий в самых широких пределах. Известно, что высокую температуру тела сбивают не охлаждением пациента, а, наоборот, согревая его одеялами и горячим питьем, — точно так же, как залипший термостат можно переключить на охлаждение, поднеся зажженную спичку к его датчику. Этот же принцип можно применить и для регулирования других параметров — например, чтобы помочь тем несчастным, которые, несмотря на самые строгие диеты, не могут избавиться от лишнего веса. Дедал рассматривает ожирение как нарушение нормальной функции какого-то внутреннего «весостата» и пытается понять, каким образом человеческий организм измеряет собственный вес. Вначале Дедал ратовал за поиски анатомических «датчиков веса» в пятках и ягодицах, определяющих весовую нагрузку у стоящего и сидящего человека, однако теперь он пришел к выводу, что здесь действует более общий механизм обратной связи. Поэтому любая искусственная перегрузка, увеличивающая ощущение тяжести, должна переключить «весостат», вызывая тем самым тенденцию к похудению.

Естественно было бы применить для этих целей центробежную силу. В технике уже хорошо отработаны конструкции больших центрифуг и вращающихся ресторанов, так что нет серьезных препятствий к созданию вращающихся санаториев, в которых за счет центробежной силы вес пациента будет увеличиваться, скажем, в полтора раза. Нет сомнения, что такая перегрузка, действующая достаточно долгое время, приведет к желаемым результатам. Для создания соответствующего ускорения на расстоянии 50 м от оси вращения конструкция должна совершать всего-навсего четыре оборота в минуту; чтобы сила тяжести при вращении всегда была перпендикулярна полу, каждую палату можно установить на качающемся подвесе. Для тех, кто предпочитает худеть, не прибегая к услугам санатория, Дедал разрабатывает вращающееся обеденное кресло, в критические моменты уменьшающее аппетит.

Из этих рассуждений вытекает неожиданное следствие, касающееся опасности, которая может угрожать космонавтам, длительное время находящимся в условиях невесомости. Их внутренние весостаты переключатся на «повышение», так что за время полета, скажем, к Марсу они успеют изрядно поправиться.

New Scientist, February 15, 1968


Из записной книжки Дедала

Медики утверждают, что любой человек, вес которого превышает норму на 10% и больше, должен лечиться. Таким образом, чтобы организм автоматически начал избавляться от лишнего веса, кажущийся вес придется увеличить не менее чем на 10%; иначе говоря, ускорение «силы тяжести» в центробежной клинике должно составлять по меньшей мере 1,1g. Человек с трудом переносит ускорение в 2g, поэтому разумно ограничиться величиной 1,5g. По обычному правилу сложения векторов нетрудно определить, что горизонтально направленная центробежная сила должна создавать в таком случае ускорение в 1,12g; при этом результирующий вектор ускорения, равный 1,5g, будет направлен под углом 48,2° к вертикали.

Центробежное ускорение равно а = rω2 = 1,12g = 11 м/с2, отсюда получаем, что при радиусе r = 50м конструкция должна вращаться с угловой скоростью ω = (11/50)½ = 0,47 рад/с = 4,5 об/мин. Не так уж быстро!

Удобнее всего спроектировать санаторий в виде длинного параболического коридора — так, чтобы в любой точке «сила тяжести» была направлена перпендикулярно к полу и возрастала по мере удаления от оси вращения. Тогда мы сможем перемещать пациентов в области с различной силой тяжести, исследуя возникающие при этом терапевтические эффекты. Вход в санаторий можно устроить внутри пустотелой центральной оси, чтобы обслуживающий персонал мог свободно входить и выходить, не останавливая вращения конструкции (вспомним, как осуществляется подача боеприпасов во вращающуюся орудийную башню). Строительство такого санатория обойдется недешево, но, учитывая, что сотни миллионов долларов ежегодно расходуются впустую желающими похудеть, новый эффективный способ лечения должен окупиться очень быстро.


Комментарий Дедала

Идеи, выдвинутые в этой заметке, вскоре получили реальное подтверждение. Меньше чем через месяц после публикации американский журнал Time (March 8, 1968, p. 52) сообщил о проводимых экспериментах над крысами, которые при длительном пребывании во вращающейся центрифуге начинали терять в весе. Упоминалось также, что после продолжительного космического полета у космонавтов заметно увеличивается вес.

Позднее я узнал, что еще до меня физиологи выступали с аналогичными предложениями. Д-р Р. Пассмор описывает (Penguin Science Survey В, 1964, p. 144) опыты, которые проводил Чарлз Доддс, позднее ставший ректором Королевского медицинского колледжа. Доддс пытался увеличивать вес животных и людей свинцовыми грузами, а затем понижать вес, поднимая своих пациентов на воздушных шарах и наблюдая, как это влияет на потребность в пище и на собственный вес тела. Он сообщает, что единственным результатом подобных экспериментов было то, что коллеги-медики усомнились в его психической полноценности. К счастью, я уже не опасаюсь этого…


Автомат-поддакиватель

Любой разговор между людьми обычно сопровождается мимическими движениями. Именно посредством мимики говорящий показывает, что он закончил свою реплику или что он ожидает ответа. В разговоре по телефону аналогичные знаки подаются голосом: «ммм», «угу» и т. д. В важности этих звуков нетрудно убедиться — стоит лишь перестать произносить их. Уже через несколько секунд ваш собеседник забеспокоится: «Алло, ты слышишь меня?» Только человек с сильной волей или большой себялюбец может говорить в немую трубку на протяжении целой минуты, прежде чем заподозрит неладное. Дедал часто оказывается жертвой бесконечно утомительных телефонных монологов. Поэтому он поставил перед психологами фирмы КОШМАР задачу расшифровать код телефонных междометий, чтобы получить возможность имитировать его с помощью ЭВМ. Электронное устройство будет улавливать вербальные сигналы (например, восходящую интонацию в конце вопросительного предложения) и откликаться соответствующими репликами («да-да», «конечно», «неужели?» и пр.), чтобы не вызывать беспокойства у собеседника, который тем самым получает возможность говорить, сколько ему вздумается, не отрывая людей от дела. В тех случаях, когда компьютер не в состоянии дать подходящий ответ, он обращается за помощью к человеку или включает запись громкого шипения, скрежета и прочих телефонных сюрпризов, заглушая нечленораздельный ответ. Дедал предвидит огромный спрос на это устройство. Единственный его недостаток — это опасность того, что два таких устройства, подключенные на обоих концах телефонного канала, окажутся втянутыми в бесконечные, бессмысленные и дорогостоящие переговоры.

В «поддакивательном автомате» скрыты также немалые творческие возможности. Подавая ободрительные звуки в наушники, он будет способствовать внутреннему раскрепощению дикторов радио и тех, кто работает с диктофоном, — пока что им приходится говорить в бесстрастный микрофон. Большинство гениальных идей рождается у Дедала, когда он разговаривает с друзьями, ничего не понимающими в его проблемах: благожелательная аудитория помогает развивать концепции, которые в иных условиях остались бы задавленными. Несколько поддакивательных автоматов будут установлены в лабораториях фирмы КОШМАР для сотрудников, желающих обсудить свои проблемы, высказать блестящие, но сомнительные идеи, не разглашая их, и даже поворчать на начальство. Нет сомнения, что участливые автоматы заметно улучшат моральный климат в отделах фирмы.

New Scientist, March 14, 1974


Комментарий Дедала

Очень многое может зависеть от слушателей. В интервью с Энтони Кэртисом Эрик Лейтуэйт [18] заметил:

Все свои запатентованные изобретения, кроме одного, я сделал, с кем-то беседуя, как сейчас с вами. Встречаясь с заинтересованным собеседником, я как бы высасываю из него информацию — он этого не замечает, но мне приходится излагать для него все свои соображения более подробно, чем я делал бы это для себя, и в этих попытках внести ясность и возникает открытие.

(New Scientist, Sept. 20, 1973)

Такую беседу, стимулирующую развитие идеи, Лейтуэйт называет «разговором в согласованную нагрузку».

Для создания подобного эффекта требуется не так уж много. С тех пор как я описал свой поддакивательный автомат, игры с компьютером стали очень популярным развлечением. Причина очевидна: ЭВМ как бы обладает «характером» — неуступчивым, упрямым, ограниченным, но сильным. И в случае, если машина запрограммирована хотя бы на самое простейшее подражание человеку, эффект получается неотразимый. Когда Джо Уайзенбаум из Массачусетского технологического института составил свою программу ЭЛИЗА, которая пародировала роль психотерапевта, он с ужасом обнаружил, что многие из жертв розыгрыша принимали его затею всерьез и требовали, чтобы их оставили с компьютером наедине, желая излить ему свои печали. Они не верили, что машина просто жонглирует словами, не понимая их смысла.

Нет сомнения, что говорящий электронный собеседник, лишь ненамного более сложный, чем поддакивательный автомат, завоюет огромную популярность не только у изобретателей, нуждающихся в благожелательной поддержке, но и у всех, кто ищет сочувствия, участия и внимания, но, к сожалению, находит это пока лишь у кошек и собак. В сочетании с усовершенствованным вариантом «фейкодера» (см. Фейкодер), изображающего понимание и интерес, такой аппарат станет идеальным техническим средством против одиночества, невроза, отчужденности и мировой скорби.

Ороситель для пустыни

Дедал предлагает новый способ выделения водяных паров из воздуха в пустыне, в основе которого лежит тот факт, что серная кислота или кукурузный сироп, оставленные в открытом сосуде, активно поглощают влагу из воздуха. Вообще, любой раствор, давление паров которого ниже, чем давление водяных паров в окружающем воздухе, должен поглощать влагу из воздуха. Но как выделить эту влагу из раствора? Наиболее естественно было бы применить для этого «обратный осмос», т. е. просто «выжимать» воду из раствора через полупроницаемую мембрану.

Появление пленок, избирательно пропускающих воду, действительно дает возможность «выжимать» воду из раствора. Однако для полной очистки воды требуется многократно пропускать раствор через мембрану. — Прим. ред.

Дедал начал разрабатывать водяной пресс для путешественников по пустыням, который позволяет «выжимать» воду из серной кислоты через полупроницаемую мембрану, а после снятия внешнего давления серная кислота вновь впитывает влагу из воздуха. Но затем Дедал пришел к мысли, что роль пресса вполне может играть гидростатическое давление. Высокий столб серной кислоты будет непрерывно собирать влагу из воздуха в верхней своей части, в результате диффузии вода равномерно распределяется по всему столбу и в нижней его части под действием огромного гидростатического давления выдавливается через полупроницаемую мембрану. Дедалу, правда, не по душе вся эта возня с серной кислотой — к счастью, благодаря своему большому молекулярному весу кукурузный сироп еще лучше подходит для этих целей. Если для выделения влаги из воздуха с относительной влажностью 20% потребуется столб серной кислоты высотой 2,4 км, то при тех же условиях столб кукурузного сиропа должен иметь высоту только (!) 720 м. Из жидкостей, смешивающихся с водой, наибольшую молекулярную массу имеет, по всей видимости, жидкий полиэтиленоксид; требуемая для наших целей высота столба этой жидкости равна всего лишь 50 м. Энергию, необходимую для разделения жидкостей, в конечном счете дают сами опускающиеся вниз молекулы воды, так что весь процесс идет непрерывно и не требует вмешательства человека. В окончательном варианте установка представляет собой высокую колонну, заполненную кукурузным сиропом или полиэтиленоксидом, прикрепленную к буровой вышке или к мачте ретранслятора, — в общем, к тому сооружению, работа на котором и загнала вас в пустыню. Более транспортабельный вариант конструкции, удерживаемый в вертикальном положении при помощи оттяжек или аэростата, могут использовать и бедуины-кочевники; одновременно кукурузный сироп (а может быть, и полиэтиленоксид) будет полезен в качестве продовольственного НЗ. Правда, попытка обводнить пустыню, построив целый лес оросителей, обойдется слишком дорого.

New Scientist, May 25, 1978


Из записной книжки Дедала

Предположим, что раствор содержит N молей воды с молярной массой М (общая масса NM) и n молей растворенного вещества с молярной массой m (общая масса nm). Масса раствора в таком случае равна W=NM+nm, а его объем V=W/ρ, где ρ — плотность раствора.

Осмотическое давление, под действием которого раствор всасывает чистую воду, находящуюся по другую сторону полупроницаемой мембраны, равно Π = nRT/V = nRTρ/W.

Если раствор залит в сосуд высотой h, то гидростатическое давление у дна сосуда равно ρgh. Чтобы чистая вода вытеснялась из раствора через полупроницаемую мембрану, гидростатическое давление должно превышать осмотическое давление:

ρgh > nRTρ/W,

h > nRT/gW = RT/g×n/(NM+nm).

Нам необходимо, чтобы на вершине столба раствор поглощал влагу из воздуха, относительная влажность которого может составлять всего 20%. Раствор поэтому должен быть довольно насыщенным: в соответствии с законом Рауля давление его паров должно быть меньше р в уравнении

ρ/ρ0 = 20/100 = N/(N+n).

Это условие выполняется начиная с n = 4N, откуда минимальная высота столба жидкости

h = RT/g × 4N(NM+4Nm) = 4RT/(M+4m)g

Примем T = 300 К и найдем h для трех вышеназванных составов. Молекулярная масса воды равна 18, т. е. М = 0,018 кг/моль. Для серной кислоты m = 0,098 кг/моль, для сахарного сиропа m = 0,342 кг/моль, для жидкого полиэтиленоксида m = 5 кг/моль. Соответственно высота столба жидкости равна: 2430 м (серная кислота); 720 м (сахарный сироп); 50 м (полиэтиленоксид). Ясно, что выбор должен пасть на полиэтиленоксид.


Экодирижабль

Для современного общества характерно стремление людей хотя бы на время скрыться от повседневной суеты и обрести покой в уединении. Эти фантазии подогреваются множеством печатных брошюрок, авторы которых рассказывают, как построить, скажем, ветряной двигатель, солнечный водонагреватель или генератор метана, хотя, конечно, никто никогда не воспользовался этими проектами. Проект Дедала, задуманный в духе тех же фантазий, представляет собой воплощение заветной мечты современного отшельника: экологический дирижабль.

Экодирижабль — пример фантастического переосмысления очень важной земной проблемы сохранения окружающей среды. К сожалению, еще не найден способ полностью утилизировать отходы (получать горючие газы и использовать тепло, выделяемое микрофлорой), хотя такие эксперименты широко ведутся на полях орошения. — Прим. ред. 

В основе его лежит тот факт, что метан легче воздуха. При ферментативном разложении растительной клетчатки образуются метан и углекислый газ, которые легко поддаются разделению. Если реактор, где происходит процесс разложения («ферментатор»), сравнительно легкий, то оболочка, заполненная образовавшимся метаном, поднимает его в воздух. Летающий ферментатор будет снабжаться клетчаткой растений, культивируемых прямо на оболочке дирижабля. Вначале Дедал собирался покрыть всю оболочку фланелью и выращивать на ней кресс-салат, время от времени подстригая его газонокосилкой, которая будет удерживаться на оболочке с помощью электромагнитов. Теперь, однако, ему пришла в голову более здравая мысль — прокачивать между двойными стенками оболочки культуру водоросли хлореллы. Процесс фотосинтеза протекает у хлореллы намного эффективнее, чем у обычных растений; солнечный свет, поглощаемый хлореллой, и будет служить основным источником энергии экодирижабля. Хлорелла поступает в ферментатор, выделяющийся при ферментации метан заполняет оболочку, создавая подъемную силу, а углекислый газ используется в процессе фотосинтеза. Когда оболочка заполнится, избыток метана можно будет сжигать, получая тепло и электричество, а выделяющийся при сгорании углекислый газ снова направлять для питания культуры водорослей. Экипаж питается хлореллой — опыты по приготовлению сносной пищи из нее уже проводились в нескольких лабораториях, — а отходы поступают в ферментатор и идут на удобрение питательной среды.

Экологический дирижабль — идеальное прибежище для отшельника. Это бесплатный, полностью автономный блуждающий небесный дом, плывущий над облаками в потоках солнечного света. Экодирижабль — символ беззаботного, экологически безупречного существования. Ему нет нужды спускаться на землю. А воздушный океан так велик, что, по мнению Дедала, весь прирост населения планеты за ближайшие пятьдесят лет можно с удобствами разместить на флотилии экодирижаблей: так мы не только сэкономим драгоценные природные ресурсы, но и создадим возвышенную «небесную цивилизацию» — царство цветов и солнечных лучей.

New Scientist, October 23, 1975


Из записной книжки Дедала

Устройство оболочки. Поскольку экодирижабль проектируется прежде всего как жилище, а не как средство передвижения, нет необходимости заботиться о придании ему обтекаемой формы. Поэтому не нужен жесткий каркас: вполне можно обойтись мягкой оболочкой, которая в наполненном виде примет более или менее сферическую форму. Объем оболочки радиусом, скажем, r = 50 м равен V = 4πr3/3 = 5,2 × 105 м3. Поскольку молекулярная масса метана равна 16, а воздуха — 29, подъемная сила составит 290-160 = 130 Н/моль = 5,4 Н/м3; подъемная сила всего шара, таким образом, равна 2,8×106 Н.

Пусть масса оболочки составляет примерно половину этой величины, 1,5 × 105 кг. Площадь поверхности оболочки равна А = 4πr2 = 31000 м2. Так как оболочка, по сути, представляет собой тонкий слой водной культуры хлореллы (с плотностью 1000 кг/м3), ее толщина может составлять 1,5×105/(1000×31000) = 0,005 м = 5 мм, так что свет, проходящий весь шар насквозь, пройдет через слой культуры толщиной 10 мм, не считая стенок из синтетической пленки. Г. Милнер в статье «Пища из водорослей» (Scientific American, Oct. 1953, p. 31) утверждает, что наиболее эффективно выращивание водорослей в слое толщиной 7—17 мм. За вычетом оболочки, у нас еще остается 130 т на полезный груз: гондолу, ферментаторы, пассажиров и т. д.

При ярком дневном свете эффективность фотосинтеза у хлореллы может достигать 8%, в связи с чем ее исследуют как возможный источник пищи и кислорода для дальних космических полетов, о чем писал И. Залич в книге «Фотосинтез, фотодыханне и продуктивность растений» (Лондон, Пергамон Пресс, 1971). Уменьшим для верности это значение вдвое. Шар перекрывает поток солнечных лучей по площади своего поперечного сечения πr2 = 7800 м2. Если он все время находится выше облаков, то на 1 м2 поверхности шара приходится, грубо говоря, 1 кВт мощности излучения; таким образом, полная мощность падающего на поверхность шара излучения составляет в светлое время Р = 8 МВт. Считая кпд фотосинтеза равным 4%, получим, что это соответствует выработке клетчатки М = Р × 0,04 × 0,162 / ΔH = 0,018 кг/с, которая ферментируется в метан в количестве t = М × 0,048 / 0,162 = 0,0053 кг/с. В пересчете на восьмичасовой световой день мы получаем 500 кг клетчатки, т. е. 150 кг метана. То, что мы здесь называем клетчаткой, в действительности представляет собой питательную биомассу, включающую углеводы, сахара и белки. Вегетарианская коммуна из десяти человек на борту дирижабля может потребить в пишу 20 кг биомассы в день; остальные 480 кг клетчатки будут ежедневно перерабатываться в 140 кг метана. Теплота сгорания метана Н = 56 МДж/кг; круглосуточное сжигание производимого метана обеспечивает таким образом мощность Р = mH/t = 90 кВт в непрерывном режиме, которая используется для обогрева, освещения и передвижения шара. При необходимости все эти цифры можно удвоить и даже утроить за счет установки на шаре выносных отражателей, направляющих на шар дополнительное солнечное излучение. В общем, казалось бы, экодирижабль вполне возможен. К сожалению, возникает одна неувязка: при ежедневной выработке 140 кг метана (210 м3) потребуется семь лет, чтобы заполнить шар натуральным, органическим, экологически безупречным метаном. Предадим ли мы свои идеалы, если для начала заправимся метаном, добытым в Северном море?

Метание голоса

Дедал размышляет о возможных технических применениях дымовых колец. В принципе такие вихревые образования могут переносить определенную порцию газа на любое расстояние — и чем они больше, тем лучше. Недавно, например, демонстрировалась модель дымовой трубы, которая пускает кольца дыма на большую высоту и тем самым уменьшает загрязнение нижних слоев атмосферы. Дедал разрабатывает установку для запуска вихревых колец, намного более эффективную, чем нынешние установки с эластичной пульсирующей диафрагмой. В машине Дедала использована газонаполненная мягкая тороидальная оболочка, напоминающая автомобильную камеру, которая проталкивается поршнем внутри ствола, вращаясь относительно своей кольцевой оси, а дойдя до выходного отверстия, открывается и выпускает идеальное вихревое кольцо.

Сначала Дедал решил использовать огромные вихревые кольца в качестве ионосферных зондов. Водородный вихрь, к примеру, обладает устойчивой аэростатической подъемной силой, компенсирующей потери на вязкость. Поэтому такое кольцо может подниматься неограниченно высоко, словно воздушный шар, лишенный оболочки, расширяясь по мере уменьшения атмосферного давления. За движением такого кольца в атмосфере можно следить по мерцанию звезд (поскольку показатель преломления газа отличается от показателя преломления атмосферы). При движении в ионосфере кольцо будет давать о себе знать по наблюдению эффектов, связанных с прохождением радиоволн и доплеровским сдвигом отраженных от кольца радиосигналов. В конце концов вихревое кольцо уйдет в межпланетное пространство и через тысячи лет, возможно, донесет до какой-нибудь далекой планеты подлинный образчик земного газа.

Водородные кольца, однако, представляют большую опасность для авиации, поскольку при встрече самолета с таким объектом произойдет взрыв огромной разрушительной силы. В связи с этим Дедал задумался над возможным использованием водородных колец в качестве средства ПВО. К сожалению, кольца движутся слишком медленно (со скоростью несколько метров в секунду), чтобы их можно было направить на быстролетящую воздушную цель. Даже для распугивания голубей и ворон кольца из временно парализующего газа будут менее эффективны (хотя и более гуманны), чем обычный дробовик. Если уж смотреть на вихревые кольца как на оружие, то в этом смысле они, пожалуй, более пригодны для использования против неподвижных наземных целей. Огромным достоинством вихревого кольца как средства поражения является то, что его просто невозможно заметить. Конечно, его можно было бы начинить традиционным слезоточивым газом. Однако Дедал увлечен поиском принципиально новых средств газовой атаки. Гораздо большее смятение вызовет, например, сильный запах горелой резины или аромат рагу из почек, особенно если эти запахи возникнут совершенно неожиданно и неведомо откуда. Не исключено, что со временем полиция начнет использовать такой генератор запахов для борьбы с гражданскими беспорядками. Другое полезное свойство вихрей состоит в том, что они способны сохранять и даже усиливать колебания. Дедал хочет воспользоваться этим замечательным явлением для замедленной передачи звука. Задуманный им вихревой мегафон выпускает один за другим кольцевые вихри, вибрирующие со звуковой частотой; в результате последовательность вихрей образует несложное сообщение. Медленно распространяясь в воздухе и почти не рассеиваясь, эти вихри доносят слова к цели уже после того, как говорящий успел скрыться. Возможно, такие «говорящие вихри» будут сбрасывать с самолетов. Даже утяжеленные углекислым газом, эти вихри могут опускаться с высоты 10 км в течение целого часа, так что никому не придет в голову связать их появление с давно пролетавшим самолетом, даже если на него и обратят внимание.

New Scientist, July 13, 1978

Для передачи звука вихревые кольца едва ли пригодны, поскольку их объем при движении значительно изменяется (см., например, [13]). — Прим. ред. 

Комментарий Дедала

Теория колебаний в вихрях была разработана еще в 60-х годах прошлого века гениальным Г. Гельмгольцем.

Большой вклад в развитие теории вихревых колец внес великий русский ученый Н. Е. Жуковский. — Прим. ред. 

Именно на ее основе У. Томсон (лорд Кельвин) создал свою вихревую теорию атома, пытаясь объяснить с ее помощью наблюдаемые атомные спектры. Согласно этой теории, атомы представляют собой вихревые кольца в эфире. Поскольку эфир рассматривался тогда как среда, абсолютно лишенная вязкости, вихревые кольца в эфире не должны рассеиваться; они существуют постоянно: перемещаются в пространстве, осциллируют, взаимодействуют друг с другом. В математическом отношении эта теория оказалась слишком сложной, чтобы на ее основании можно было делать какие-либо предсказания относительно атомных спектров, которые так и оставались загадкой. Именно пытаясь разрешить эту проблему, Нильс Бор в 1913 г. создал свою модель атома, применив принципы квантовой механики к ядерной модели атома, предложенной незадолго до этого Резерфордом.

Замечательное описание экспериментов по исследованию дымовых колец и их колебаний можно найти в статье Уиднелла и Салливэна (Proceedings of the Royal Society, A, 332, 1973, p. 335).


Мыльные пузыри

Атмосферные выбросы из заводских труб содержат как твердые частицы, так и вредные газы, например сернистый газ и окислы азота. Чтобы дым рассеивался возможно выше и на большой площади, в настоящее время стараются строить как можно более высокие трубы. А чтобы забрасывать отходы еще выше, недавно изобрели трубу, пускающую дымовые кольца. Раздумывая над идеей использования общеизвестной детской забавы (пускания мыльных пузырей) в гигантских масштабах, Дедал проектирует заводскую трубу, которая будет выдувать огромные мыльные пузыри, наполненные дымом. Он уверен, что подходящую жидкость для таких пузырей можно приготовить на основе водорастворимых вязкоэластичных полимеров. Исполинские мыльные пузыри — мыльные «монгольфьеры», — лопаясь на многокилометровой высоте, будут выпускать свое содержимое в высокие слои атмосферы. Впрочем, если с умом подойти к процессам, происходящим внутри пузыря, то можно предотвратить даже это загрязнение атмосферы. Известно, что серный и сернистый газы нейтрализуются известняком или мелом. Эти вещества нетрудно ввести в виде тонкой суспензии в жидкость, из которой выдуваются пузыри. При небольшом избытке щелочи реакция нейтрализации в долгоживущем пузыре успеет пройти до конца. Выделяющиеся при реакции газы адсорбируются стенкой пузыря, а твердые частицы постепенно стекают вниз по стенкам; частички дыма также оседают в нижней части пузыря. В конечном счете мы получим мыльный пузырь, заполненный чистым нейтральным газом; лишь в нижней его части образуется «кирпич» из сажи и твердых продуктов реакции, который упадет на землю, когда пузырь лопнет. Так что живописное зрелище сверкающих шаров, поднимающихся над промышленными районами, будет омрачено мыслью о том, что где-то с неба на землю упадет такое же количество «кирпичей». Придется поэтому организовать специальные отряды, которые с помощью лазера станут сбивать пузыри над пустырями, болотами и оврагами.

New Scientist, March 8, 1973

О практическом использовании мыльных пузырей см. ([14], [15]). — Прим. ред. 


Из записной книжки Дедала

Как увидеть инфракрасный свет

В лазере фотон света, сталкиваясь с возбужденным атомом среды, стимулирует испускание другого фотона той же частоты. Вторичные фотоны в свою очередь вызывают испускание фотонов другими возбужденными атомами — в результате процесс излучения света идет лавинообразно. Но попробуем рассмотреть случай, когда активная среда лазера находится в докритическом состоянии, т. е. слишком разрежена, чтобы поддерживать лавинообразный процесс. В такой среде фотон может столкнуться с невозбуждеиным атомом, который, поглотив этот фотон, переходит в возбужденное состояние. Другой фотон, столкнувшись с этим возбужденным атомом, теперь может стимулировать эмиссию, и два фотона будут двигаться вместе, парой. В несколько более плотной среде и при чуть более интенсивной накачке эта пара фотонов может столкнуться с еще одним возбужденным атомом, результатом чего будет фотонный триплет. В целом, активную среду лазера покидает примерно столько же фотонов, сколько вошло в нее, однако выходящие фотоны образуют когерентные пары и тройки.

Такой «сгруппированный» свет обладает удивительными свойствами. Прежде всего он совершенно непривычен для глаза. Так, красный сгруппированный свет будет обычным образом отражаться от красных предметов. Но, поскольку каждая пара «красных» фотонов имеет в сумме энергию, равную энергии одного «синего» фотона, такой свет за счет двухфотонного поглощения станет возбуждать также рецепторы, чувствительные к синему цвету. Предмет, таким образом, будет одновременно выглядеть и красным, и синим, — наверное, переливчато-фиолетовым. Больше всего, впрочем, Дедала занимает инфракрасный сгруппированный свет. Все окружающие нас объекты в изобилии испускают длинноволновое инфракрасное излучение. Достаточно поэтому перед любым предметом поместить «группирователь фотонов» фирмы КОШМАР, который собирает фотоны в группы, суммарная энергия которых лежит в видимой области спектра, — и вот вам бесплатное освещение! Правда, в сгруппированном ИК-свете все предметы, скорее всего, будут иметь жуткий вид, так что лучше будет, если энергия группы фотонов придется на область ультрафиолета. Тогда, используя обычный люминофор, как в лампах дневного света, можно возбуждать его за счет многофотонного поглощения и получать видимый свет. Этот изящный прибор преобразует бесполезный инфракрасный фон в видимый свет — подобно тепловому насосу, перекачивающему тепло от тел с меньшей температурой к телам с более высокой температурой. Согласно законам термодинамики, эти устройства могут отбирать у окружающей среды гораздо больше энергии (тепла и света), чем необходимо для приведения их в действие.

New Scientist, June 26, 1980

Дедал правильно рассудил, что зрительные рецепторы могут реагировать на «когерентную пару» фотонов с энергией, вдвое меньшей порога чувствительности рецептора. Эта идея была подтверждена исследователями с применением лазерной техники. На сходном принципе основан ряд приборов ночного видения. — Прим. ред.


Из записной книжки Дедала

Рассмотрим активную среду, в которой N1 атомов находятся в основном состоянии и N2 — в возбужденном состоянии с энергией Е. Рабочая частота равна в таком случае v = E/h, и если этой частоте соответствует плотность энергии ρv, то интенсивность возбуждения N1 -> N2 составит BN1ρv, где В — вероятность перехода. Аналогично интенсивность стимулированной эмиссии равна BN2ρv. Пусть в систему входит n фотонов. Для каждого из иих вероятность быть поглощенным при переходе атома из состояния 1 в состояние 2 пропорциональна BN1ρ; обозначим эту вероятность через KN1. Тогда число фотонов, поглощенных в системе, равно nKN1 для малых KN1, а n(1 – KN1) фотонов проходят через всю среду. Вероятность того, что каждый из этих фотонов стимулирует испускание фотона возбужденным атомом, равна KN2. Таким образом, наиболее вероятное число пар фотонов, выходящих из среды, равно n(KN2)×(1 - KN1). Иначе говоря, мы пустили в среду n фотонов и получили на выходе n(KN2)×(1 – KN1 фотонных пар; таким образом, кпд нашего лазера по «группированию» фотонов составляет 2/KN2(1 – KN1). Эта величина имеет максимум при N2 = N1, т.е. когда излучение накачки, переводящее атомы в возбужденное состояние за счет переходов N1 -> N3 -> N2, чуть-чуть недостаточно для создания инверсной населенности, т. е. система находится немного ниже порога генерации лазерного излучения. При KN1 = КN2 = 0,5 максимальный кпд = 0,5, т. е. можно рассчитывать, что примерно половина общего числа попадающих в систему фотонов будет сгруппирована. На практике будут возникать группы не только из двух, но и из трех и более фотонов, но даже с учетом этого наша схема выглядит вполне реальной.

Как будут вести себя фотонные пары? В физических процессах (преломление, рассеяние и т. д.) они должны вести себя точно так же, как образующие фотоны, однако в химических процессах (поглощение и т. д.) они, скорее всего, будут проявлять тенденцию к двухфотонному поглощению, и поэтому каждая пара поведет себя как один фотон с вдвое большей частотой. На этой основе, вероятно, можно создать уличные фонари, излучающие сгруппированный инфракрасный свет, который легко проходит сквозь туман и в то же время хорошо воспринимается глазом. А как бы вы отнеслись к «антизонтику», преобразующему свет пасмурного дня в ультрафиолетовое излучение для загара? Наконец, поскольку сгруппированные фотоны когерентны с тем фотоном, который первоначально попал в среду, соответствующие очки позволят непосредственно наблюдать изображение, полученное в инфракрасных лучах.


Дедал получает письмо

Майрон Л. Уолбаршт, профессор офтальмологии и биомедицинской техники, Медицинский центр университета Дьюка, Дарем, Сев. Каролина, США 23 июля 1980


Дорогая Ариадна!

Ваш друг Дедал рассматривал (с. 448, 26 июня 1980) использование сгруппированного света для возбуждения синих рецепторов глаза в результате двухфотонного поглощения и даже допускал возможность использования длинноволнового инфракрасного излучения для получения видимого света. Я прилагаю копию одной из своих опубликованных работ «Зрительная чувствительность глаза к инфракрасному излучению» (Journal of the Optical Society of America, 66, 1976, p. 339), в которой показано, что это действительно возможно. Надеюсь, что Дедал будет продолжать свои изыскания, но ему следует сознавать, что в наши дни наука движется вперед так быстро, что даже мечтатель может отстать от жизни.

Искренне Ваш М. Уолбаршт

(В дальнейшем сгруппированный свет будет пролит на вопрос о приоритете в статье «Еще раз об инфракрасном зрении».)


Обет безбрачия

Феромон — это химическое вещество, выделяемое одним организмом и стимулирующее специфическую ответную реакцию другого. Это своеобразный язык запахов, и такие общественные насекомые, как муравьи, всю жизнь живут по феромонной подсказке своих сородичей. У многих существ (насекомых, мышей, крыс) брачные ритуалы начинаются с выделения особого феромона, привлекающего особей противоположного пола. Здесь-то Дедал и усмотрел основу для реализации своего губительного замысла. Биологи фирмы КОШМАР разрабатывают новые приманки для крыс и мышей, содержащие вещества, которые подавляют синтез феромонов или изменяют их структуру, так что несчастные грызуны теряют запахи, привлекающие их друг к другу. Ничто более не будет пробуждать их брачные инстинкты, и они будут обречены на вымирание.

Химическая сторона дела здесь довольно проста. Согласно одной из теорий, запах вещества связан с определенными частотами молекулярных колебаний. А эти частоты зависят от масс атомов, составляющих молекулу. Поэтому замена некоторых атомов на другие изотопы того же элемента (химически идентичные, но обладающие иной атомной массой) приведет к сдвигу частоты молекулярных колебаний и соответственно к изменению запаха вещества. Сообщалось, что в одной из американских лабораторий ядерных исследований живет «тяжелый пес» — его поят тяжелой водой и кормят «тяжелой» пищей, так что весь обычный водород в его организме замещен тяжелым изотопом водорода — дейтерием. Дедал хотел бы поинтересоваться у американцев, привлекает ли запах этого пса нормальных собак. Если нет, то можно было бы выпустить «тяжелое» печенье и кормить им собак в период течки — это избавило бы их от преследования со стороны дворовых псов. Аналогично действовало бы изотопное средство против грызунов. Если же изотопное замещение не дает желаемых результатов, то придется разработать более сложный химический метод дезактивации феромонов.

Некоторые биологи фирмы КОШМАР полагают, что проще (и гуманнее) было бы добиться того, чтобы измененный запах оказался привлекательным для особей другого вида и тем самым стимулировал бы непродуктивное межвидовое скрещивание. Хорошо, что «химия отношений» у человека гораздо сложнее, чем, скажем, у грызунов, — иначе фирма КОШМАР со свойственной ей безудержной активностью взялась бы за разрешение проблемы перенаселения на земном шаре.

New Scientist, February 26, 1976

Из записной книжки Дедала

Хорошее изложение теории, объясняющей запах молекулярными колебаниями, можно найти в статье Р. Райта и Дж. Бранда (Nature, 239, 1972, р. 225–226). Авторы выделили феромон опасности у красных муравьев и методом ИК-спектроскопии измерили частоты его молекулярных колебаний. Затем они подобрали другие вещества, также вызывающие тревогу среди муравьев, и обнаружили, что наиболее эффективными оказались те из них, у которых частоты молекулярных колебаний приходились на те же области спектра, т.е. 330 см-1, 433 см-1, 484 ± 5 см-1; 1 см-1 = 30 ГГц.

К сожалению, замещение водорода дейтерием в этих органических молекулах, хотя и легко осуществимо, но, по всей видимости, мало скажется на столь низких частотах. Более надежный, но и более сложный в химическом отношении способ проверки нашей гипотезы состоял бы в замене обычного углерода С12 на С13 (что понизило бы частоту соответствующих молекулярных колебаний на 4%) или на С14 (что привело бы к понижению частоты на 8%, но сделало бы феромон весьма радиоактивным).

Неизотопный метод дезактивации феромонов. Вероятно, феромоны, стимулирующие брачные инстинкты, гораздо более специфичны, чем муравьиные феромоны тревоги, так что даже близкие им по химическому составу вещества не производят соответствующего эффекта. Если, например, две линии мышей эволюционируют в различные виды, то на каком-то этапе эволюции скрещивание между ними начинает давать нежизнеспособные особи. На этом этапе возникают мощные стимулы, которые приводят к выработке сильно различающихся брачных ритуалов, что предотвращает непродуктивное скрещивание. Если феромоны действительно играют важную роль в скрещивании, то следовало бы ожидать, что та или иная из эволюционирующих линий на этом этапе должна изменить свой феромонный «призывный код».

Чем более специфичен феромон данной линии, тем меньше он нуждается в изменении. Теперь у двух расходящихся линий будут различные, но очень близкие по составу феромоны, и каждый вид сохранит способность производить феромоны, свойственные другому виду. Поэтому есть надежда, что относительно слабое химическое вмешательство может привести к возобновлению производства прежних феромонов и тем самым стимулировать непродуктивное межвидовое скрещивание.


Гремит музыка боевая…

Со смешанным чувством Дедал вспоминает свою неудавшуюся попытку сорвать унылый вечер органной музыки, подбросив кусок сухого льда в воздушные мехи органа. Диверсия основывалась на том простом соображении, что более тяжелый, чем воздух, углекислый газ, попадая в органные трубы, изменял бы высоту их звучания на незначительную, но меняющуюся величину, так что звучание инструмента стало бы похожим на завывание испорченного пружинного граммофона. В дальнейшем, размышляя над своей неудавшейся эскападой, Дедал решил поставить этот принцип на службу Евтерпе (музе мелодии). Прежде всего он усмотрел здесь способ расширить диапазон человеческого голоса. Оперная дива, стоящая перед нотным пюпитром, в котором замаскирован миниатюрный газопровод, могла бы, вдыхая соответствующую газовую смесь, свободно переходить от глубочайших басов к фальцету. Дыхательные смеси на основе гелия и фреонов безведны для человека, а их плотности изменяются в широком интервале. Однако из-за случайного сквозняка певица рискует пустить досадного «петуха», поэтому Дедал предпочел заняться конструированием музыкальных инструментов. Изобретенный им «пикнофон» внешне напоминает флейту, к которой от нескольких газовых баллонов протянуты шланги, оканчивающиеся тромбонными клапанами. Большое разнообразие используемых газов откроет для исполнителя широкий выбор тональностей и тембров звучания.

Еще более привлекательна идея соединить музыкальный инструмент с газовым хроматографом — прибором, разделяющим газы путем пропускания смеси сквозь трубку с сухим поглотителем. Пикнофон, подсоединенный к выходу газового хроматографа, будет проигрывать различные мелодии в зависимости от последовательности выходящих из хроматографа газов. Возможности этого замечательного аналога старинной музыкальной шкатулки зависят только от изобретательности химиков. Какая-нибудь фирма «Газовая гармония» могла бы выпускать баллончики с этикетками «Голубой Дунай», «Янки-дудл», «Родина, милая родина», что даст возможность прослушивать любимые мелодии на бытовых хроматопикнофонах.

New Scientist, April 18, 1968


Комментарий Дедала

Идея создания хроматопикнофона оказалась не такой новой, как я предполагал. Газовые хроматографы, регистрирующие изменение тона ультразвукового свистка, помещенного у выходного отверстия, были описаны еще в 60-х годах. Однако мои предложения по части музыкальных инструментов не остались без внимания. В 70-е годы по крайней мере на одном концерте был использован гелий для создания у солиста искусственного фальцета. В 1980 г. Д. Давенпорт и др. (Chemical Technology, Dec. 1980, р, 774) описали пикнофон и указали, в какой последовательности нужно пропускать газы для исполнения звуков стандартной музыкальной гаммы.

Оправившись от приступа смеха, вызванного сообщением американского диктора об «истэрическом» заявлении президента, Дедал почувствовал необходимость создания машины, которая переводила бы не с одного языка на другой, а играла бы роль переводчика между разными диалектами одного и того же языка. Даже эта сравнительно простая задача предполагает использование микрофонов, сложных электронных схем, осуществляющих разложение звуков на гармонические составляющие, требует применения линий задержки — в общем всего комплекса средств современной электроники. Дедал, однако, вспоминает, как странно звучит наш собственный голос в магнитофонной записи по сравнению с тем, как мы воспринимаем его «естественное» звучание. Дедал полагает, что различные варианты английского произношения отличаются друг от друга в основном тембром и длительностью отдельных звуков. Поэтому Дедал решил сконструировать чисто акустический преобразователь диалектов. Это устройство представляет собой комбинацию звуководов и резонансных полостей, в которых различные частотные составляющие исходного звука по-разному усиливаются, реверберируют или обрезаются. Для нелинейных преобразований применяются язычковые вибраторы, генерирующие дополнительные гармоники, и пневматические логические элементы и усилители, питающиеся от отдельного компрессора. Упорно экспериментируя, мы придем в конце концов к созданию весьма совершенного «лингафона». Помимо входного и выходного рупоров он будет иметь множество клапанов, резонаторов и коленчатых труб, с помощью которых его можно будет настраивать на требуемую пару диалектов.

Лингафон

«Лингафон» станет идеальным средством для двустороннего общения: голос шотландца, говорящего в один рупор, будет выходить из другого, допустим, с техасским акцентом; соответственно будет работать прибор и в обратную сторону. Наконец-то австралиец сможет свободно говорить с пакистанцем, а валлиец с жителем Ямайки. Возможно, «лингафон» позволит даже расшифровать тот непонятный гортанный язык, на котором обычно объявляют остановки в пригородных поездах.

New Scientist, October 10, 1968


Глобальные «землетрясения»

Не существует ли опасность создания так называемого геофизического «оружия» ([4], 163–164, 246)? Если, допустим, все жители КНР разом подпрыгнут, то не произойдет ли землетрясение? Однако, как показывают приближенные расчеты, даже хорошо согласованный прыжок 900 млн. человек эквивалентен взрыву всего лишь 10 т тротила, так что подобный проект едва ли работоспособен. Но, положим, прыжки совершаются не одновременно, а со строго определенной задержкой. Тогда мы получим картину, в точности противоположную той, которая наблюдается при регистрации системой сейсмографов ядерного взрыва. Обычно фронт ударной волны распространяется в земной коре с конечной скоростью, так что сейсмографы регистрируют его в различное время. Представим теперь, что в заранее определенное время каждый сейсмограф излучает импульс. Тогда импульсы от всех сейсмографов образуют ударную волну, сходящуюся в той точке, где должна была бы взорваться бомба. Дедал приходит таким образом к выводу, что китайцы посредством строго скоординированных прыжков могут «подвести» десятитонную «бомбу» под любую точку земной поверхности.

В западном варианте такого «оружия», по-видимому, придется использовать миллионы бетонных блоков, подвешенных по всей территории США и сбрасываемых по команде центрального компьютера, оснащенного сверхточными атомными часами. Дедал рукоплещет «гению» стратегической мысли. Оружию, распределенному на столь большой площади, не страшна потеря большого числа отдельных его элементов. Это оружие также идеально приспособлено для тайных диверсий, и Дедал подозревает, что недавние загадочные крушения арочных мостов — результат сейсмического заговора, направленного на дискредитацию западной техники.

New Scientist, May 17, 1973

Размышляя недавно над формой Земли, Дедал пришел к выводу, что звук должен распространяться вдоль ее круглой поверхности, как в известной «галерее шепотов» ([4], с. 16–17, 171). Любой звук, исходящий из какой-то точки, должен обогнуть Землю и прийти в диаметрально противоположную точку земного шара. Мы не слышим разговоров, происходящих в Новой Зеландии, только потому, что атмосфера простирается на довольно значительную высоту. Звук, исходящий из точки у поверхности Земли, распространяется в виде сферической волны не только во все стороны вдоль поверхности, но и вверх, — поэтому волновой фронт не сходится точно в диаметрально противоположной точке планеты. Но если на всю высоту атмосферы установить вертикальный, длинный и тонкий громкоговоритель, излучающий звук радиально по всей своей длине, то этот звук можно будет принимать на аналогичный по конструкции микрофон, поставленный в диаметрально противоположной точке Земли. Звук придет в эту точку всего через 16 ч, причем подслушивание переговоров исключено: повсюду, за исключением областей вблизи громкоговорителя и микрофона, энергия звуковых колебаний распределена в очень большом объеме воздуха, так что зарегистрировать ее просто невозможно. Для проверки своей идеи Дедал придумал впечатляющий опыт. Привяжем высотный аэростат за длинный бикфордов шнур, воспламеняющийся мгновенно. Как только мы запалим шнур, он взорвётся сразу по всей своей длине и в атмосфере начнет распространяться ударная волна, которая через 16 ч произведет в диаметрально противоположной точке земного шара громовой удар, а возможно, и кое-что пострашнее. Подобный метод диверсии особенно опасен для высотных объектов: телевизионных мачт и башен, небоскребов и т. д. К счастью, вряд ли когда-нибудь удастся изобрести водородную бомбу в палец толщиной и несколько километров длиной. Дедал размышляет также над созданием длинной вакуумной бомбы. Взрыв длинной вакуумной бомбы, вертикально расположенной в атмосфере, создаст волну разрежения, которая, обогнув земной шар со всех сторон, создаст вакуумную область в диаметрально противоположной точке Земли. Попавшие в эту область здания взорвутся изнутри, а вода испарится. Причину столь необычного явления, возможно, будут искать в той термодинамически невероятной случайности, когда молекулы воздуха разом покидают занимаемый ими объем.

New Scientist, October 21, 1976

Лазер-ваятель

Всю неделю Дедал размышляет о новых принципах формовки пластических масс. Многие пластмассы получают из жидкости (мономера), полимеризующейся в твердое состояние под действием ультрафиолетового излучения или даже видимого света. Таким образом, луч лазера, проходя через сосуд с жидким мономером, должен оставлять на своем пути полимеризованную нить. В отделе химической физики фирмы КОШМАР экспериментируют со сложными системами зеркал, расставленных вокруг сосуда с жидким мономером. Многократно отражаясь между зеркалами, луч лазера огибает весь сосуд, где в результате получается хитросплетение полимеризованных волокон. Меняя положение зеркал, можно получить все что угодно — от салфетки для протирания очков до вязаного жилета; при этом не требуется никаких движущихся механических частей. Этот остроумный процесс подвластен неограниченному совершенствованию: например, перемещая луч лазера, можно изготавливать пластмассовые листы и трубы самой сложной формы. Специалисты по ядерной физике фирмы КОШМАР разрабатывают «пластиковую камеру» (по аналогии с пузырьковой камерой для регистрации элементарных частиц), в которой частицы высокой энергии (намного превосходящей энергию УФ-излучения) оставляют след в виде тонкой полимерной линии. Таким образом, исследователь получает не просто фотографию, а трехмерную модель взаимодействия частиц.

Но Дедал неутомимо развивает и совершенствует свое творение. Он подбирает реакции полимеризации, идущие в две стадии, причем катализатором для каждой стадии служит свет определенной длины волны. Тогда полимеризация жидкости в сосуде будет происходить в точке скрещивания лучей двух лазеров с соответствующими длинами волн. Перемещая точку пересечения лучей внутри сосуда, можно получать твердые объекты самой замысловатой формы — даже с самопересекающимися частями, которые нельзя отформовать традиционными способами отливки или штамповки. Тяжелые и дорогостоящие стальные формы отзываются ненужными, и конструкторы получают возможность осуществлять в «лазерной ванне» любые творческие капризы. Использование программно-числового управления позволяет получать нужное количество абсолютно одинаковых предметов — от свитеров, вывязываемых бегущей точкой пересечения лазерных лучей, до садовых скульптур, монолитно полимеризуемых путем сканирования лазерным лучом по всему объему. Этот бесшумный, исключительно гибкий процесс массового производства разнообразных изделий позволяет даже создавать «смешанные» конструкции, — например, опустив пару линз в ванну с мономером и «нарастив» на них оправу, можно изготовить очки. Вообще, весь процесс весьма напоминает рисование веселых объемных «дудлов». Жаль только, что эту процедуру придется проделать в темноте или при специально подобранном монохроматическом освещении, так как под действием света вещество в сосуде быстро затвердевает.

New Scientist, October 3, 1974


Фирма КОШМАР получает предупреждение о нарушении патентного законодательства

Вскоре после опубликования изложенной идеи на страницах журнала фирма КОШМАР получила копию искового заявления. Заявление исходило от Уина Келли Суэйнсона и калифорнийской компании «Формиграфик Энджин» и обращало наше внимание на одни пункт британского патента № 1 240 043, выданного 18 августа 1971 г. г-ну Суэйнсону:

ПУНКТ 2. Метод изготовления трехмерных объектов, состоящий в направлении в объем чувствительной к излучению среды по меньшей мере двух различных пучков излучения, пересечение которых определяет активную зону, причем упомянутая среда включает активные системы, порознь чувствительные к каждому типу излучения таким образом, что возбуждение каждой из них в отдельности не ведет к формированию объекта, тогда как совместное их возбуждение способно оказывать такое действие, и в передвижении пучков излучения внутри упомянутого объема таким образом, что активная зона, перемещаясь внутри объема, формирует внутри материала зону, подвергнутую действию излучения и имеющую вид желаемого объекта, которая сама по себе или после надлежащей обработки дает перманентный объект или его слепок.

Далее в исковом заявлении утверждалось, что «с момента выдачи упомянутого британского патента ответчик рекламировал использование предметов или продуктов, отвечающих описанию и заявкам настоящего британского патента, что является нарушением прав держателя патента». Устрашившись судебного разбирательства, фирма КОШМАР отказалась от своих притязаний и принесла извинения.

Г-н Суэйнсон любезно приложил к письму фотографии объектов, изготовленных описанным образом, а позднее сообщили о дальнейшем развитии своей идеи. К 1978 г. фирма «ОМТЕК Репликейшн» получила американский патент № 4 078 229 на процесс, использующий программно-числовое управление и очень схожий с тем, который предлагал Дедал.

Радиоактивная левитация

Уже сейчас становится ясно, что одна из главнейших проблем ядерной технологии — уничтожение радиоактивных отходов. Эти невероятно опасные вещества стоят особняком в ряду прочих отбросов современного производства: они не подвергаются вторичной переработке и нуждаются в надежной изоляции на столетия, пока их радиоактивность не снизится до приемлемого уровня. Не так давно — вполне в духе фирмы КОШМАР — было выдвинуто предложение направлять радиоактивные отходы в глубь Земли, используя нисходящие конвекционные потоки в мантии планеты. Теперь Дедал предлагает иной и едва ли более технологичный способ расправляться с радиоактивным «мусором» — выбрасывать его в космическое пространство. Для этой цели Дедал изобретает радиоактивную ракету. Многие тяжелые радиоактивные ядра при распаде испускают альфа-частицу, испытывая при этом значительную отдачу. Если бы все альфа-частицы испускались в одном направлении, можно было бы получить постоянную тягу.

Вначале Дедал хотел поместить радиоактивное вещество в магнитное поле, чтобы все ядра ориентировались одинаково, но затем решил, что гораздо проще будет установить экран, позволяющий альфа-частицам вылетать только в одном направлении. По его расчетам, радиоактивное вещество с периодом полураспада меньше суток способно преодолеть земное притяжение! Вещества с более коротким периодом полураспада смогут поднять груз, превышающий их собственный вес. Поэтому специалисты по ядерным реакторам фирмы КОШМАР пытаются установить такой режим работы реактора, который обеспечивал бы получение короткоживущих изотопов в количестве, достаточном, чтобы они могли потянуть за собой все отходы. Масса каждой отдельной ракеты может исчисляться килограммами или даже граммами — расчет не накладывает никаких ограничений на абсолютную массу вещества; эти ракеты будут бесшумно взмывать вверх, унося от реактора свой страшный груз. Чтобы придать проекту законченность, Дедал предлагает направлять эти ракеты иа Солнце. Испускаемые ракетой альфа-частицы, поглощаясь в воздухе, создадут яркий шлейф, но не достигнут поверхности Земли. К сожалению, подобный проект едва ли пригоден для наземного транспорта.

New Scientist, January 7, 1971


Из записной книжки Дедала

Пусть мы имеем М кг радиоактивного изотопа с молярной массой А. Тогда в образце содержится N = MNA/A атомов, где NА — число Авогадро. Если период полураспада составляет τ1/2 с, то число распадов на один атом в 1 с равно ln 2/τ1/2, а для всей массы М число распадов в секунду составляет n = N×ln2/τ1/2 = ln2×MNA/Aτ1/2.

При каждом распаде вылетает альфа-частица с массой m и энергией Е = mv2/2, импульс которой равен mv = (2Em)1/2. Путем простого экранирования образца мы можем направить примерно 1/6 импульса вниз, около 1/3 импульса рассеется радиально в стороны, а составляющая импулы а, направленная вверх, будет равна нулю (рис. 1).

Результирующая тяга равна (точка сверху обозначает дифференцирование по времени):

Под действием этой силы масса М получает ускорение:

Учитывая, что NA = 6,02×1023 моль-1, а масса альфа-частицы m = 6,67×10-27 кг, получим

где k = 8,0×109 кг1/2/моль.

Альфа-частицы имеют обычно энергию порядка 1 МэВ (1,6×1013 Дж). Чтобы наш изотоп взлетел, его ускорение а должно быть больше g. Возьмем какой-нибудь «энергичный» изотоп, например 250Fm: тогда А = 0,250 кг/моль, τ1/2 = 1800 с, Е = 7,43 МэВ, получаем а = 19 м/с2; для 248Es (А = 0,248 кг/моль, τ1/2 = 1500 с, Е = 6,87 МэВ) получаем а = 23 м/с2. Похоже, что правильно подобранный изотоп не только поднимет собственный вес, но и унесет с собой такое же или даже большее количество других отходов.

Если подать на экран положительный электрический потенциал в несколько MB, чтобы все положительно заряженные частицы (а не 1/6 их числа) отражались от экрана вниз, можно увеличить тягу еще в 6 раз.

Управление полетом. Наиболее очевидное решение — устроить на экране подвижные закрылки, которые перехватывают часть бокового излучения, изменяя тем самым направление результирующего импульса (рис. 2).

Для уменьшения веса аппарата бортовое оборудование следует свести к минимуму и управлять им с Земли. Какой формы должен быть экран, чтобы он прн минимальной массе наиболее эффективно задерживал излучение? Края плоской пластины можно сделать тоньше, поскольку частицы будут пересекать ее под углом (рис. 3).

Можно изготовить защитную оболочку логарифмического профиля, чтобы все альфа-частицы падали на нее под тупым углом (рис. 4).

Дополнительное достоинство такой оболочки состоит в том, что при движении в земной атмосфере дополнительное экранирование будет обеспечивать находящийся в ней воздух.

Выбор траектории. В отличие от обычных ракет радиоактивная ракета создает тягу в течение продолжительного времени, но эта тяга экспоненциально убывает со временем. Однако по мере удаления ракеты от Земли сила земного притяжения уменьшается пропорционально квадрату расстояния, так что потребность в тяге также снижается. Возникает задача найти такое соотношение между этими двумя факторами, при котором ракета сможет уйти в космическое пространство. Например, для изотопа с периодом полураспада 1,5 ч начальная тяга должна превышать начальный вес всего на 7,6%; тогда ракета преодолеет земное притяжение и достигнет в космосе скорости, равной почти 30 км/с.


Комментарий Дедала

Примерно через год после опубликования этой заметки Джеймс Шлезинджер, председатель Комиссии по атомной энергии США, вполне серьезно предложил избавляться от радиоактивных отходов, запуская их при помощи ракет на Солнце. Он ограничивался использованием обычных химических ракет, не подозревая, что отходы могут сами создавать реактивную тягу. Редактор журнала New Scientist, не зная, что эта идея родилась в его собственном издании, высоким стилем раскритиковал проект, назвав его «грудой радиоактивного мусора» (New Scientist, Febr. 10, 1972, p. 307). Но идея не пропала втуне. В 1977 г. Р. Николз писал об этом в редакцию журнала Nature (269, р. 556), а 10 января 1980 г. New Scientist опубликовал сообщение происходившей в Сан-Франциско конференции Американской ассоциации по научному прогрессу, на которой С. Розен высказался в пользу уничтожения ядерных отходов с помощью ракет. Пожалуй, настало время изобретать свинцовый зонтик! 


Фокус с канатом и космическая ракета

 Обычные ракеты на химическом топливе весьма несовершенны в том отношении, что значительная часть их начальной тяги расходуется на подъем необходимого запаса топлива. Насколько более экономично и разумно было бы поднимать топливо заранее и пополнять его запас в ракете по мере набора ею высоты! Размышляя об этом, Дедал придумал ракетную пусковую установку, несколько напоминающую трюк с канатом, демонстрируемый индийскими факирами. Дедал вспоминает об огнепроводном шнуре, используемом для взрывных работ, который сгорает почти мгновенно: со скоростью 8000 м/с. Перед химиками фирмы КОШМАР поставлена задача разработать такой шнур, в котором горение начинается медленно, но распространяется с ускорением, скажем, 7g. Длинный кусок шнура можно было бы опустить с аэростата вниз и заправить в трубчатую ракету таким образом, чтобы конец его выходил из ее сопла. Если зажечь шнур снизу, то пламя в нем будет распространяться так, чтобы ракета двигалась вверх по шнуру. С этого момента надобность в аэростате отпадает: шнур, падающий вниз с ускорением 1g, останется в воздухе в течение времени, достаточного для прохождения ракеты.

Возникает, однако, некоторая трудность. Чтобы вывести стотонную ракету на орбиту, потребовалось бы 5000 т толстого огнепроводного шнура. Как поднять в воздух и удерживать такую тяжесть? Дедал нашел блестящее решение: нужно взять лучшее из известных ракетных топлив — смесь водорода с кислородом и наполнить этой смесью длинный-предлинный аэростат-колбасу. По расчетам Дедала, вертикально расположенный аэростат радиусом всего в 1 м способен создать реактивную тягу в 107 Н. В нижней части аэростата (где ракета движется с небольшой скоростью) газы в нем разделены перегородкой из горящего с ускорением огнепроводного шнура — по мере сгорания перегородки кислород и водород смешиваются и сгорают в сопле ракеты. Когда ракета разгонится до скорости, превышающей скорость распространения пламени в смеси кислорода с водородом (около 3000 м/с), перегородка становится ненужной. Тогда смесь в сопле ракеты можно поджигать с помощью лазера. Дедал также увлечен осуществлением противоположного проекта: торможения и плавной посадки космических кораблей при помощи бикфордова шнура, скорость горения которого велика в верхней части и постепенно замедляется кинзу. Но чтобы спускаемый аппарат «оседлал» верхний конец шнура, потребуется только очень высокая навигационная точность.

New Scientist, September 20, 1973


Из записной книжки Дедала

Пусть радиус нашего аэростата равен всего лишь 1 м. Тогда его объем на метр длины равен V = πr2×1 = 3 м3; при составе смеси 2Н2+O2 этот объем содержит 2м3 Н2. Плотность водорода при нормальных условиях составляет 0,09 кг/м3, так что на каждый метр длины аэростата приходится 0,18 кг Н2. Удельная теплота сгорания водорода равна 121 МДж/кг, и при сгорании водорода, приходящегося на метр длины аэростата, выделится энергия Е = 121 × 0,18 = 22 МДж. Тогда ракета, движущаяся со скоростью v м/с, развивает мощность Р = 22 МВт, что эквивалентно тяге в 22 v/v = 22 МН(!). Принимая кпд = 45% (многовато даже для ракеты), мы получим тягу в 10 МН, не зависящую от скорости ракеты.

Замечание. Коэффициент полезного действия предлагаемой ракеты должен превосходить кпд обычных ракет. У обычной ракеты скорость истечения газов постоянна относительно сопла ракеты и уменьшается в системе отсчета, связанной с Землей. В нашей же ракете скорость истечения газов постоянна по отношению к неподвижному аэростату. Поэтому в системе ракеты скорость истечения газов увеличивается по мере ускорения движении ракеты, так что кпд также должен повышаться.

Задача. С увеличением высоты над поверхностью Земли атмосферное давление понижается, поэтому, если мы хотим, чтобы масса содержащегося в аэростате газа (в расчете на 1 м длины) оставалась постоянной, диаметр аэростата должен увеличиваться с высотой. В таком случае ракета должна представлять собой как бы поршень, движущийся внутри аэростата, захватывающий газ и сжигающий его в своих двигателях. Ракету можно снабдить заборным соплом, диаметр которого автоматически приводится в соответствие с диаметром аэростата. Реальная толщина атмосферы (около 50 км) может оказаться недостаточной для ускорения ракеты до первой космической скорости (8 км/с). Но поскольку аэростат невесом, мы без труда сможем расположить его под углом и увеличить таким образом путь разгона. Это также уменьшит необходимость в коррекции траектории для вывода ракеты на орбиту.

Термодинамический культуризм

Многие женщины пытаются избавиться от лишнего веса, но часто даже самые строгие диеты оказываются бесполезными. Внутренний «весостат», поддерживающий вес человека постоянным, очень трудно сбить с толку; организм просто начинает более эффективно извлекать из пищи питательные вещества, чем сводит на нет действие любой диеты. По мысли Дедала, однако, очень многие из желающих похудеть могли бы значительно улучшить свою внешность, не сбрасывая веса, а просто более рационально перераспределяя имеющиеся жировые отложения. Такое перераспределение не должно встречать противодействия со стороны «весостата» и поэтому, возможно, вполне осуществимо. Почему жировые ткани так важны? Да потому, что жир накапливается непосредственно под кожей и служит теплоизоляцией. Значит, должен существовать какой-то физический механизм, обеспечивающий отложение жира там, где он особенно необходим, на участках, подвергающихся сильному охлаждению. Дедал указывает на наиболее очевидный механизм: жир, как и большинство других веществ, лучше растворяется в жидкостях при высоких температурах, чем при низких. Поэтому даже у тех людей, у кого жировой обмен в целом стабилизирован, жир должен растворяться на более теплых участках тела и переноситься током крови к участкам, подвергающимся охлаждению. Похоже, что это предположение подтверждается практикой: не так давно медики выступили с предостережением, что мини-юбки делают ноги толстыми!

Итак, Дедал предлагает способ совершенствования женской фигуры, заключающийся в охлаждении мест, обделенных природой, и подогревании архитектурных излишеств. Дамы, страдающие «грушевидным синдромом», могут умножить свои прелести путем ношения панталои с электроподогревом и охлаждаемого бюстгальтера «рефрилиф» фирмы КОШМАР. Охлаждаемые лифчик и штанишки в сочетании с подогревным кушаком помогут исправить излишнюю строгость линий. Кое-кто, быть может, склонен предоставить недоразвитые формы воле стихии, но Дедал считает, что всепогодные термостатированные корсеты обеспечивают гораздо более приличное и универсальное решение проблемы.

Коль скоро общее количество жира остается неизменным, лучшие образцы исправляющих фигуру корсетов должны быть «адиабатическими»: все тепло, отбираемое от охлаждаемых участков, перекачивается к тем участкам тела, которые нуждаются в обогреве. При этом пациент не будет испытывать общего ощущения перегрева или переохлаждения. Естественно было бы воспользоваться для этих целей термоэлектрическим эффектом Пельтье: выделением тепла или холода на спае двух различных металлов в зависимости от полярности их подключения к источнику тока. Если встроить в одежду большое число термопар, из которых половина нагревается, а другая половина охлаждается, то такое платье станет своеобразным тепловым насосом, перекачивающим выделяемое телом тепло в соответствии с заданной программой. Вследствие малой разности температур между горячими и холодными спаями подобный тепловой насос будет иметь очень высокий кпд и при незначительном потреблении электроэнергии от небольшой батареи сможет перекачивать существенное количество тепла. «Адиабатические корсеты» фирмы КОШМАР будут заполнены термопарами, соединение которых в общую цепь осуществляется в соответствии с программой, введенной в центральный блок управления. Гибкая, оперативно корректируемая программа обеспечит быструю и уверенную эволюцию фигуры пациентки к сокровенному идеалу.

New Scientist, September 30, 1971


Из записной книжки Дедала

Экспериментальный образец «рефрилифа». (Серийная модель будет более привлекательной.)


Ухом к земле

Дедал размышляет о резонансных свойствах Луны, открытых во время полетов космических кораблей «Аполлон». Дедал вспомнил о том, что солдатам, марширующим по мосту, подается команда «сбить ногу» — это предотвращает возможность опасного резонансного раскачивании конструкции ([4], с. 43, 182). Дедал полагает, что подобные меры предосторожности будут не лишни и на Луне. Шутники-ученые уже успели вызвать гнев защитников природы предложением взорвать на Луне ядерный заряд, чтобы исследовать лунные резонансы. Фирма КОШМАР планирует еще более радикальный эксперимент, в ходе которого установленный на Луне молот станет упорно колотить по ее поверхности с частотой, подобранной таким образом, что в конце концов Луна как бокал, резонансно возбуждаемый голосом оперного певца, — разлетится вдребезги. В результате вокруг Земли образуется кольцо, напоминающее кольцо Сатурна, что будет приятно разнообразить наше ночное небо. К счастью, из-за значительного затухания сейсмических волн на поверхности Луны подобная адская машина не будет обладать достаточной разрушительной силой. Однако техника регистрации слабых сейсмических колебаний достигла в наши дни такого совершенства, что Дедал предлагает проект сейсмической системы связи, состоящей из передатчика, возбуждающего колебания земной поверхности, и приемного устройства, включающего датчик (что-то вроде граммофонного звукоснимателя), усилитель и наушники. Использование стандартных принципов частотной и амплитудной модуляции позволит выделить большое число каналов связи, а узкополосные фильтры отсеют посторонние шумы, вызванные землетрясениями и подземными ядерными взрывами. Дальность такой связи принципиально не ограничена, хотя для действительно дальней связи в качестве передатчика придется использовать некое подобие непрерывно модулируемого взрыва. Поэтому Дедал направляет свои усилия на создание системы связи ближнего радиуса действия, он уже разработал конструкцию приемопередающих ботинок, острорезонансные, чувствительные к колебаниям подметки которых соединяются со шлемофоном. Аппарат предполагается даже снабдить звоночком для оповещения о вызове. На Луне, где радиосвязь затруднена из-за отсутствия ионосферы и большой кривизны поверхности, эта система не будет иметь себе равных.

New Scientist, January 8, 1970

Из записной книжки Дедала

Изотропные сейсмические волны, распространяясь в объеме Земли, затухают пропорционально квадрату расстояния. Рэлеевские поверхностные волны, распространяющиеся, подобно морским волнам, вдоль поверхности твердого тела, затухают пропорционально расстоянию в первой степени и поэтому, вероятно, более пригодны для наших целей. (По всей видимости, именно благодаря рэлеевским волнам индеец, припавший ухом к земле, слышит топот коней приближающегося неприятеля.) Скорость распространения поверхностных волн составляет примерно 90 % скорости распространения сдвиговых возмущений (скажем, 3 км/с в граните), так что время прохождения сигнала не слишком велико. Для возбуждения поверхностных волн подметка ботинка должна колебаться наклонно, а не перпендикулярно к поверхности Земли. В качестве передатчика изобретенные Дедалом ботинки обладают немаловажным достоинством: масса и звукопоглощающее свойство человеческого тела способствуют тому, что основная доля энергии колебаний направляется вниз, в землю. Однако их использование в качестве приемника, наверное, будет затруднено наличием скрипа и прочих шумов, исходящих от владельца. Поэтому, быть может, есть смысл использовать для приема трость, соединенную проводом со шлемофоном. Пьезоэлектрическим преобразователям следует отдать предпочтение перед электромагнитными: они легче, проще по конструкции, надежнее и, кроме того, лучше приспособлены для возбуждения поперечных колебаний. Для работы в режиме передачи потребуется надежный источник питания, способный давать высокое напряжение.


Комментарий Дедала

С этим проектом фирма КОШМАР потерпела полное фиаско. Вскоре после появления нашей заметки мне попалась статья К. Икрата и У. Шнайдера «Связь при помощи сейсмических волн с использованием резонансных сейсмопреобразователей на частоте 80 Гц» (IEEE Transactions, COM-16(3), June 1968, p. 439). Сотрудники электронного подразделения армии США, используя электромагнитные преобразователи мощностью 10 и 200 Вт, показали возможность передачи сигналов на расстояние до 1 км. В основном они возбуждали, по-видимому, изотропные сейсмические возмущения; исключение составляют несколько интересных опытов, проведенных на льду озера, в ходе которых удавалось возбудить изгибные моды колебаний льда, распространяющиеся вдоль поверхности с малыми потерями. Иногда, однако, возбуждались также связанные колебания прилегающего слоя воздуха. В одном эксперименте удалось осуществить передачу колебаний льда и воздуха в связанном режиме. «Отчетливо слышимый треск, похожий на шум ломающегося льда, заставил команду ретироваться на берег», — пишут авторы статьи.


По морям, по волнам

Дедал размышляет о судах, представляющих новое поколение водных транспортных средств: глиссерах, судах на подводных крыльях и воздушной подушке. Хотя эти аппараты при движении испытывают гораздо меньшее сопротивление, чем обычные суда, их предельная скорость существенно ограничена (если не считать аппаратов на воздушной подушке). Типичное подводное крыло, подобно водной лыже, представляет собой в профиле дугу окружности, пересекающую поверхность воды; Дедал предлагает достроить эту дугу до полной окружности и получить большое колесо. Благодаря своему профилю такое колесо при движении по воде будет создавать подъемную силу; в то же время, поскольку колесо вращается, сопротивление окажется ничтожно малым. По проекту Дедала, судно устанавливается на четырех больших цилиндрах. Неподвижное судно удерживается на плаву благодаря выталкивающей силе, которую создают частично погруженные цилиндры; при движении же цилиндры выходят из воды. Движителем может служить обычный винт, но можно также снабдить цилиндры небольшими лопастями и вращать их от судового двигателя. Такое судно, подобно аппарату на воздушной подушке, при разгрузке может выходить на берег. Однако, чтобы обеспечить возможность движения в штормовую погоду, цилиндры, по-видимому, придется делать очень большими в диаметре. Из-за этого, вероятно, всему судну придется придать вид гигантского барабана, внутри которого находится двигательная установка и прочее. Можно использовать и нечто вроде гусениц танков, профиль которых следует подобрать таким, чтобы снизить до минимума гидродинамическое сопротивление. Дедал сомневается, удастся ли управлять таким судном при помощи обычного подводного руля, — возможно, при повороте придется притормаживать гусеницы или вращающиеся цилиндры по одному борту. Во всяком случае, такое судно в отличие от судов всех прочих типов не будет обрастать морскими организмами в подводной части: центробежная сила будет сбрасывать этих «прилипал».

New Scientist, March 10, 1966


Комментарий Дедала

Не прошло и года после опубликования этой заметки, как американцы и русские выступили с аналогичными проектами. New Scientist опубликовал сообщения об этих разработках (см. ниже), а также чертежи американского судна (см. рис.), которые вполне могли бы быть взяты из моей записной книжки. Поэтому я хочу напомнить читателю, что мой проект был опубликован раньше.

New Scientist, June 16, 1966, p. 706:


США. БЕГУЩИЙ ПО ВОЛНАМ

В мартовском номере журнала New Scientist (29, p. 638) Дедал размышлял о судах, представляющих новое поколение водных транспортных средств, и пришел к мысли, что наилучшим видом водного транспорта будет судно, способное «бежать» по воде. Патент, описанный в обзоре разработок ВМС США, показывает, что Дедал был не так уж далек от истины.

В патенте, выданном Б. Шепарду, сотруднику Военно-морской оружейной лаборатории в Уайт-Оук (шт. Мэриленд), описывается аппарат, движущийся но воде на гусеницах, подобно тому как танк движется по земле. Ширина ленты, приводящей аппарат в движение, равна ширине судна; лента проходит от носа до кормы и опирается на ролики, установленные под днищем.

Когда лента, а стало быть, и судно, движется с небольшой скоростью, корпус судна погружен в воду. Однако с увеличением скорости судно почти или полностью выходит на поверхность воды. Основное достоинство этой конструкции состоит в значительном уменьшении гидродинамического сопротивления при движении с большой скоростью.

По существу, судно движется вперед, в то время как лента по отношению к поверхности воды движется назад.

Для обеспечения максимальной тяги и подъемной силы на всех режимах движения бесконечная лента всегда движется параллельно поверхности воды. Эту задачу не удавалось решить в прежних конструкциях аналогичных судов. В данной конструкции применена пара подвижных роликов, установленных в носовой части, которые позволяют менять угол атаки в широких пределах. Изобретение предусматривает также установку в кормовой части ролика небольшого диаметра, способствующего отрыву потока воды от ленты, а также использование устройства, предотвращающего засасывание воды под днище.

«Бегущий по волнам». (С разрешения журнала. New Scientist.)

New Scientist, July 13, 1967, p. 78:


СССР. НА КОЛЕСАХ ПО ОКЕАНСКИМ ПРОСТОРАМ

Проводятся испытания нового судна, которое вполне может стать конкурентом как судов на подводных крыльях, так и аппаратов на воздушной подушке. В конструкции используются вращающиеся цилиндры, установленные по обоим бортам на носу и корме судна, которые не только приводят судно в движение, но и создают подъемную силу, так что судно практически не касается воды. В результате гидродинамическое сопротивление существенно уменьшается, что позволяет судну двигаться с большой скоростью. Судя по всему, максимальный кпд достигается при скорости в 75 узлов.

Новое применение эффекта Магнуса было предложено советским инженером Виктором Подорвановым на основании ряда экспериментов по определению подъемной силы, создаваемой вращающимися цилиндрами разного диаметра при различных скоростях вращения и поступательного перемещения. В ходе этих экспериментов была получена точная информация относительно затрат мощности, необходимых для достижения желаемого эффекта. Обращает на себя внимание также тот факт, что подобное судно не создает килевой волны.

Опытный образец судна имеет два больших цилиндра, установленных с обоих бортов в носовой части, и два цилиндра поменьше — в кормовой части. Все четыре цилиндра приводятся в движение одним двигателем посредством гидравлической передачи. В начальный момент все цилиндры частично погружены в воду. Но по мере того, как судно набирает скорость, цилиндры поднимают его корпус все выше над водой — в конце концов корабль практически отрывается от воды и начинает перемещаться скачками. Поэтому его приходится снабжать вертикальным килем-стабилизатором и воздушным рулем, как у самолета. Да и весь корпус судна напоминает по своим очертаниям скорее самолет, чем корабль.

В настоящее время проводятся морские испытания с целью проверить, как такое судно справляется с волнами. Уже получены некоторые данные относительно эффективности подобного способа передвижения, и разработчики утверждают, что затраты мощности «существенно меньше», чем в случае судна таких же размеров на подводных крыльях. При скорости в 60 узлов цилиндры едва касаются воды, а в промежутках между касаниями судно полностью находится в воздухе. Утверждается, что достигнутая крейсерская скорость в 75 узлов может быть удвоена и даже утроена за счет усовершенствования профиля цилиндров и повышения скорости их вращения.

Если испытания докажут работоспособность конструкции, то такое судно способно конкурировать с аппаратами на воздушной подушке, поскольку оно способно перемещаться и по воде, и по суше. Благодаря цилиндрам такой корабль сможет выкатываться на берег или подниматься по наклонному слипу, а если на цилиндры надеть резиновые шины, то и ездить по дорогам. Этому судну не страшны также бревна-топляки и прочие плавучие предметы, поскольку цилиндры свободно перекатываются над ними. Конструкция запатентована (авт. свид. СССР № 184 641, выд. В. П. Подорванову; опубл. «Бюллетень изобретений», 1966, № 15. — Ред.).

Гидрокостюм

Дедал увлекается подводным плаванием, но считает, что существующее снаряжение оставляет желать лучшего. Он предлагает противопоставить основным врагам подводника — холоду и отсутствию воздуха для дыхания — свое новое изобретение: гидрокостюм. Эту идею подсказали ему современные водоотталкивающие ткани, которые не смачиваются водой, но пропускают воздух. По расчетам Дедала, водоотталкивающая ткань с порами диаметром примерно в микрон останется водонепроницаемой даже при гидростатическом давлении в 1 атм. Поэтому он предлагает изготовить для гидрокостюма многослойную ткань из силиконовых волокон диаметром в 1 мкм. Такая ткань по внешнему виду и теплоизоляционным свойствам напоминает шерстяную, однако полностью непроницаема для воды (хотя пропускает воздух и водяной пар).

Костюм из такой ткани защищает тело подводника, а на голову надевается прозрачный круглый шлем, герметично соединенный с гидрокостюмом. Воздух поступает в шлем через множество тонких трубочек, соединяющих его с пористой поверхностью гидрокостюма. Как известно, тонкая пленка из силиконовой резины достаточно проницаема для газов и потому может служить «жабрами», впитывающими растворенный в воде кислород и выпускающими в воду углекислый газ. Дедал утверждает, что свободная поверхность воды в микроскопических порах ткани должна еще лучше пропускать эти газы, так что весь гидрокостюм за счет искривления поверхности жидкости в несмачиваемых порах (площадь поверхности жидкости в нем в несколько раз превышает площадь поверхности ткани) будет служить одной огромной «жаброй». Как лягушка, подводник будет дышать поверхностью всего тела; он будет чувствовать себя одинаково свободно в воде и на суше и сможет погружаться на глубину до 10 м, прежде чем водоотталкивающая ткань под действием гидростатического давления начнет пропитываться водой. Но даже и в этом случае миниатюрный баллон с кислородом, создающий избыточное давление в небольшом свободном объеме внутри гидрокостюма, позволит скомпенсировать действие внешнего давления воды и даст возможность погружаться на более значительную глубину. Впрочем, как и для других обитателей морских глубин, для подводника большую опасность будет представлять загрязнение воды поверхностно-активными веществами, которые ослабляют поверхностное натяжение воды. Вода станет проникать в поры гидрокостюма, и мокрый, продрогший подводник, хватая ртом воздух, постарается быстрее выскочить на поверхность.

New Scientist, November 25, 1976

Из записной книжки Дедала

Какой диаметр должны иметь поры, чтобы ткань не пропускала воду при избыточном давлении в 1 атм (Δр = 105 Н/м2)? Величина поверхностного натяжения воды при 10° C равна у = 0,074 Н/м; таким образом, радиус отверстия в абсолютно несмачиваемой поверхности составляет r = 2y/Δр = 2 × 0,074/105 = 1,5 × 106 м, т. е. диаметр равен 3 мкм. Ткань будет иметь примерно такие поры, если делать ее из волокна, имеющего 1 мкм в диаметре. Однако, вероятно, проще получить микропористую силиконовую пленку.

Какова должна быть площадь поверхности? Площадь поверхности наших легких составляет примерно 30 м2. Вообще, легкие представляют собой просто влажную поверхность: кислород растворяется в воде, смачивающей эту поверхность, и диффундирует в кровь. (Когда наши далекие предки вышли из моря на сушу, они захватили с собой некоторое количество воды для дыхания. Мы по-прежнему получаем кислород из воды — просто эту воду мы носим в себе. Занятно!) Можно предположить, что для получения достаточного количества кислорода из воды нам понадобятся те же 30 м2 смоченной поверхности. Заметим, однако, что температура легких равна 37° C; объемная растворимость кислорода в воде при этой температуре составляет всего 0,024, тогда как при 10° C она равна 0,038. Поэтому при более низкой температуре, когда концентрация кислорода в воде выше, можно обойтись меньшей дыхательной поверхностью: А = 30 × 0,024/0,038 = 19 м2. Далее, кислород лучше растворяется в воде, чем азот, поэтому растворенный в воде воздух уже обогащен кислородом. Известный способ обогащения воздуха кислородом путем аэрации воды позволяет довести концентрацию кислорода до 35 % (в воздухе его содержание составляет 21 %). Поэтому поверхность может быть еще меньше: А = 19 × 21/35 = 11 м2. Наконец, поскольку поверхность воды в порах имеет мениск, эффективная площадь поверхности практически удвоится, так что в конечном счете площадь поверхности гидрокостюма не должна превышать А = 5,5 м2. На пошив обычного костюма идет, как правило, 2–2,5 м2 ткани, — ясно, что не так уж трудно увеличить эту цифру вдвое за счет складок, сборок и рюшек.


Тепловой планер

Современная авиация находится в опасной зависимости от топливных ресурсов, но запасы природного топлива, как мы вынуждены признать, неумолимо истощаются. Даже возвращение к дирижаблям не устранит этой зависимости, а лишь несколько ослабит ее. В то же время, утверждает Дедал, атмосфера сама является источником даровой энергии, если только у нас достанет ума использовать ее. Дедал имеет в виду быстрое понижение температуры воздуха с увеличением высоты над поверхностью Земли: на высоте 7500 м температура падает до -33°C. Далее Дедал отмечает, что газообразный аммиак легче воздуха, но сжижается при -33°C. Можно было бы подумать, что заполненный аммиаком воздушный шар быстро поднимется до высоты 7500 м, а затем аммиак превратится в жидкость и шар потеряет подъемную силу. К сожалению, дело усложняется тем, что атмосферное давление уменьшается с высотой. В силу этого температура сжижения аммиака понижается, причем на любой высоте она оказывается чуть ниже, чем температура окружающего воздуха. Дедал предлагает решить эту проблему, заполнив аммиаком упругую оболочку, внутри которой постоянно будет поддерживаться избыточное давление в 0,1 атм. Это повысит температуру конденсации аммиака настолько, что он сконденсируется на высоте 10,4 км. Правильно рассчитанный воздушный шар будет бесконечно колебаться вверх-вниз: он быстро поднимется до высоты 10,4 км, потеряет подъемную силу из-за конденсации аммиака и будет опускаться в более теплые нижние слои воздуха до тех пор, пока не испарится достаточное количество аммиака, — тогда шар снова пойдет вверх.

Любая автоколебательная система должна обладать достаточной инерцией, чтобы не останавливаться в равновесном состоянии, а довольно быстро проскакивать его. Применительно к заполненному аммиаком воздушному шару это означает, что главной опасностью для него является зависание на некоторой высоте, когда часть аммиака сконденсируется и подъемная сила станет равна нулю. Поэтому Дедал хотел бы, чтобы эластичная оболочка воздушного шара вела себя так же, как резиновая оболочка детского шарика, которая сжимает находящийся внутри газ тем сильнее, чем меньше ее диаметр (именно поэтому приходится особенно сильно дуть, когда только начинаешь надувать шарик). В этом случае, как только аммиак начнет конденсироваться и диаметр оболочки шара станет уменьшаться, давление внутри оболочки увеличится, что приведет к повышению температуры конденсации аммиака. Таким образом, конденсация будет продолжаться и некоторое время после того, как шар войдет в более теплые слои воздуха. Обратная задача — задержка испарения аммиака до тех пор, пока шар не опустится почти до земли, — гораздо проще. Жидкий аммиак будет стекать в нижнюю часть оболочки и собираться в теплоизолированные емкости, в которых его испарение будет задерживаться настолько, насколько это необходимо.

Чтобы довести этот идеальный «вечный двигатель» до реальной конструкции, остается только превратить наш шар в планер. Тогда при движении вниз аппарат будет не падать, а планировать, — даже посредственный планер способен пролететь вперед 20 м на каждый метр потери высоты. Когда же в нижней точке траектории аммиак начнет испаряться, аппарат точно так же станет «планировать» вверх, к высшей точке полета, покрывая за полный цикл движения расстояние в 400 км. Управлять таким планером удобнее всего не с помощью отклоняемых элеронов и рулей, как обычным самолетом, а путем присборивания всего крыла целиком, — именно так братья Райт управляли своим первым аэропланом. Кроме того, управление планером можно осуществлять, изменяя его подъемную силу. В самой верхней точке каждого цикла сжиженный аммиак будет сливаться в герметические баллоны. На меньших высотах аммиак выпускается в оболочку, как только возникает потребность в увеличении подъемной силы. При посадке оболочка не пополняется аммиаком, и аппарат приземляется, как обычный планер. Когда же настанет время опять подниматься в воздух, клапаны открываются, аммиак заполняет оболочку и планер-дирижабль бесшумно отправляется в очередной полет.

Этот чудесный воздушный корабль станет основой новой авиации — бесшумной, экономичной, не загрязняющей атмосферу. Двигаясь вверх-вниз, он может покрывать любые расстояния. Гигантские и неторопливые, тепловые планеры Дедала будут перевозить между континентами грузы и пассажиров за ничтожно малую цену.

New Scientist, February 10, 1972

Из записной книжки Дедала

Температура атмосферы падает от 15°C на уровне моря до -57°C на высоте 11 000 м. Чтобы наш тепловой планер действовал, необходим газ легче воздуха, сжижающийся в диапазоне температур, скажем, от -10 до -50°C. Единственным подходящим газом является аммиак (М = 17), который при атмосферном давлении превращается в жидкость при температуре -33°C.

Речь идет о «стандартной атмосфере» — модели, широко используемой в различных расчетах. — Прим. перев

К несчастью, давление воздуха падает с увеличением высоты над земной поверхностью. С уменьшением давления температура конденсации газа понижается, все время оставаясь немного ниже температуры воздуха на данной высоте. (Жаль!) Но есть три способа выйти из этого затруднения:

а. Смешать аммиак с водяным паром или парами других растворителей, чтобы повысить точку конденсации смеси, или же ввести адсорбенты (хлористый кальций, активированный уголь и т. п.), на которых аммиак может конденсироваться при более высокой температуре, чем в их отсутствие. Но чтобы подобрать подходящую смесь, мне пришлось бы углубиться в дебри химии.

б. Создать избыточное давление внутри оболочки. (Внутри упругой оболочки давление всегда немного превышает наружное.) Температура конденсации газа при этом повысится; но, к сожалению, повысится также и его плотность. Однако, если повезет, мы можем подобрать такое избыточное давление, при котором аммнак сконденсируется на какой-то приемлемой высоте, и в то же время из-за увеличения плотности газа его подъемная сила упадет не слишком сильно.

в. Предусмотреть дополнительный источник подъемной силы, например баллон с гелием. Тогда подъемная сила сохранится даже в том случае, если плотность аммиака превысит плотность воздуха на данной высоте. В предельном случае представим себе гелиевый воздушный шар, соединенный с нерастяжимой оболочкой, заполненной аммиаком под давлением в 1 атм. Как видно из рисунка, на высоте 5000 м плотность аммиака сравняется с плотностью воздуха и аммиак вообще не будет создавать подъемной силы. Однако благодаря гелию подъем будет продолжаться до высоты 8000 м, на которой аммиак (к этому времени его давление из-за охлаждения понизится до 0,82 атм) превратится в жидкость. Оболочка с аммиаком резко сожмется, при этом подъемная сила уменьшится настолько, что вся конструкция резко пойдет вниз и будет опускаться до тех пор, пока не испарится достаточное количество аммиака.

Следует, применить комбинацию способов (б) и (в). Изучив имеющиеся данные (см. рис.), можно прийти к выводу, что оптимальное решение дает шар, заполненный аммиаком, в котором избыточное давление равно 0,1 атм.

Изменение плотности атмосферы и находящегося с ней в тепловом равновесии аммиака в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Горизонтальная ось проградуирована также в значениях температуры Т и давления р.

A. При давлении, равном давлению окружающей среды, плотность аммиака на всех высотах меньше плотности воздуха, но ниже плотности, необходимой для конденсации аммиака.

Б. При избыточном давлении 0,1 атм аммиак на всех высотах имеет плотность, меньшую, чем воздух, пока не конденсируется на высоте 10,5 км.

B. При избыточном давлении 0,2 атм плотность аммиака оказывается равной плотности воздуха на высоте 9 км (подъемная сила становится равной нулю), т. е. на высоте чуть ниже той, где аммиак превращается в жидкость.

Г. Шар постоянного объема, наполненный аммиаком под давлением 1 атм, будет подниматься до тех пор, пока на высоте 5 км плотность аммиака не сравняется с плотностью воздуха; если при помощи дополнительного гелиевого аэростата поднимать шар дальше, то аммиак сконденсируется на высоте 8 км.


Какой подъемной силой обладает такой воздушный шар? Для простоты будем считать избыточное давление в 0,1 атм постоянным и не станем вводить в рассмотрение гелиевый баллон. Тогда при температуре 15°C и нормальном давлении плотность аммиака равна 0,73 кг/м3, а при давлении 1,1 атм — 0,80 кг/м3. Плотность воздуха на уровне моря равна 1,23 кг/м3, так что подъемная сила на 1 м3 аммиака составит 12,3 – 8,0 = 4,3 Н, или 5,4 Н на 1 кг аммиака.

На высоте, где происходит конденсация аммиака (примерно 10500 м), плотность воздуха равна 0,39 кг/м3, а давление составляет 0,24 атм. Давление внутри шара равно соответственно 0,34 атм. Температура на этой высоте составляет -55°C, так что аммиак начнет конденсироваться в жидкость (при давлении 0,34 атм температура конденсации аммиака равна -53°C). Плотность газообразного аммиака при указанных условиях составляет 0,32 кг/м3; подъемная сила равна 3,9 – 3,2 = 0,7 Н на 1м3, или 2,2 Н на 1 кг аммиака: по сравнению с подъемной силой на уровне моря она уменьшилась почти вдвое. Таким образом, чтобы шар мог достигнуть высоты, на которой сконденсируется аммиак, масса оболочки и полезного груза в расчете на 1 кг аммиака не должна превышать 200 г. (Конечно, при использовании дополнительного баллона с гелием эти требования будут менее жесткими.)

Сможем ли мы изготовить упругую оболочку с требуемыми параметрами? Избыточное давление внутри упругой оболочки с поверхностным натяжением y определяется как р = 2у/r; если натяжение у пропорционально радиусу (идеальная упругость), то избыточное давление не зависит от радиуса, — для начала это неплохо. У детского воздушного шарика толщина оболочки увеличивается с уменьшением радиуса и поверхностное натяжение остается высоким — соответственно с уменьшением радиуса избыточное давление внутри повышается, что нам и нужно. Некоторые осложнения возникнут, конечно, из-за того, что эластичность оболочки зависит от температуры, но в целом идея выглядит реальной. Объем шара во время подъема увеличивается в 2,5 раза (плотность аммиака уменьшается от 0,80 до 0,32 кг/м3). Соответственно линейное растяжение оболочки составит всего лишь 2,51/3 = 1,36, или 36 %. Это не слишком много.

Конструкция теплового планера. Подъемную силу аммиака, конечно, нельзя даже сравнить с подъемной силой гелия. Поэтому в конструкции теплового планера придется абсолютно исключить жесткий каркас. В свое время фирма «Гудьир» изготовила надувной резиновый планер — это наиболее подходящая форма для нашего планера, в котором требуется поддерживать небольшое избыточное давление. Необходим также какой-то стабильный надувной остов, иначе после конденсации аммиака планер превратится в бесформенную груду мокрой резины. Идеальным решением, по-видимому, будет остов, заполненный гелием, на который натянута эластичная оболочка, заполненная аммиаком. Такая конструкция имеет дополнительное достоинство: можно так спрофилировать крылья планера, что в надутом состоянии они будут наилучшим образом отвечать условиям «планирования» вверх, а в спущенном (когда наружная оболочка плотно обтягивает остов) обеспечат плавное снижение. Это куда лучше, чем всякий раз переворачивать планер вверх ногами.

В принципе тепловой планер мог бы использовать разность температур у поверхности Земли и на высоте порядка 10000 м, однако передвижение его в заданном направлении было бы затруднительно, поскольку естественные движения воздуха обусловлены теми же разностями температур. — Прим. ред. 


«Медные яблоки солнца»

Медные яблоки солнца - это намек на строку из стихотворения ирландского поэта У. Йитса (1865–1939), которая послужила названием рассказа Р. Брэдбери «Золотые яблоки Солнца» — Прим. перев. 

Планы компании «Рио-Тинто цинк» начать карьерную добычу медной руды в Сноудонском национальном заповеднике вызвали множество протестов (New Scientist, 12, 1970, p. 317). Однако нам, по-видимому, предстоит все чаще сталкиваться с подобными явлениями по мере того, как наша добывающая промышленность будет все острее ощущать оскудение запасов и одновременно снижение качества природного сырья (сноудонская руда, к примеру, содержит всего 0,5 % меди). При таком положении дел мы скоро начнем лихорадочно перелопачивать тысячи гектаров земли в поисках жалких остатков руды. Но чтобы извлечь из почвы 0,5 % ее содержимого, совсем не обязательно разрушать ее плодородный слой. Дедал вспоминает, что во многих исследованиях миграции пестицидов и радиоактивных отходов отмечалась способность некоторых организмов накапливать эти вещества. Поэтому специалисты по сельскому хозяйству фирмы КОШМАР выводят новые сорта «металлоносных деревьев», которые должны со временем вытеснить карьерные разработки как способ добычи полезных ископаемых. Селекционеры подбирают подходящие растения (скажем, горох, который и сам по себе содержит значительное количество меди) и высаживают их в грунт, содержащий радиоактивные изотопы и высокий процент меди, надеясь таким образом получить мутантные сорта, обладающие повышенной способностью извлекать медь из почвы. Если повезет, то этот химический элемент может даже стать жизненно необходимым для растения, например, частично заменит магний в хлорофилле, что в свою очередь должно повысить эффективность фотосинтеза за счет использования дополнительных областей солнечного спектра.

Конечной целью Дедала является «металлическое дерево», которое своей развитой корневой системой пронизывает почву, извлекая из нее тот химический элемент, на который оно «настроено». Такое дерево будет приносить «тяжелые плоды», состоящие почти целиком из металла, очень удобные для сбора, но опасные для птичек и новоявленных Ньютонов. Плантация таких деревьев, созданная, например, на месте предполагаемых вырубок в Сноудонском национальном заповеднике, позволит получать 105 меди на квадратную милю в год при росте корней в глубину всего на метр в год. Удобрение же почвы измельченным медным ломом (старыми телевизорами, патронными гильзами, медными спинками кроватей и т. п.) обеспечит эффективную переработку ценного цветного металлолома. При проектировании новых изделий это избавит от необходимости задумываться над вопросом, насколько они будут удобны для переработки, когда попадут в утиль.

New Scientist, December 17, 1970

Интересно отметить, что накопление металлов в растениях существенным образом зависит от микрофлоры почвы, которая переводит металлы в растворимую форму, пригодную для усвоения растениями. Микрофлора играет важную роль и в переработке горючих ископаемых. Еще академик Вернадский считал, что микроорганизмы являются мощными агентами преобразования горных пород. В настоящее время бактериальной переработке руд уделяется большое внимание, причем обычно стремятся получить металлы в растворимой форме. Нет сомнения, что извлечение металла (например, свинца) растениями может иметь большое значение и с экологической точки зрения (см. [16] — |18]). — Прим. ред


Комментарий Дедала

Очень многие растения способны извлекать металлы из почвы. Нередко эти растительные «супераккумуляторы» растут там, где другие растения не выживают из-за высокого содержания металла в почве. Извлекая металл из почвы, такие растения превращают его в безвредные для себя химические соединения и накапливают их в тканях.

Один из замечательных примеров подобной способности растений был описан (Planta, 103, 1972, р. 91) примерно через год после появления моей заметки. Б. Северн и Р. Брукс из университета Мэсси в Новой Зеландии обнаружили в Западной Австралии разновидность кустарника Hybanthus Floribundus, в тканях которого накапливается до 10 % никеля (в расчете на сухой вес); в листьях же концентрация никеля достигает рекордной величины — 23 %! Учитывая, что руда, содержащая 3 % никеля, считается хорошей, сельскохозяйственный способ «добычи» выглядит весьма привлекательно. Нет сомнения, что именно так думает Элоиз Брумбалек, получивший в 1977 г. британский патент № 1 481 557. Он утверждает, что некоторые фруктовые деревья (в частности, бананы и цитрусовые), испытывая недостаток определенных химических элементов, способны заменять их другими элементами и восстанавливать таким образом равновесие в обмене веществ. Например, при нехватке калия эти растения начинают в первую очередь накапливать золото, а при его отсутствии — серебро и свинец. Недостаток магния заставляет их извлекать из почвы уран. Есть сведения, что заметные количества урана, тория и титана были обнаружены в бананах из Эквадора и Гондураса. В своем комментарии (22 декабря 1977 г.) по этому поводу журнал New Scientist писал: «Этот метод дает возможность извлекать ценные минералы из почвы, которая считается слишком бедной в качестве промышленного сырья. Достаточно просто засадить участок подходящими деревьями, чтобы затем собирать плоды и сжигать их в специальных печах». Вот еще одно свидетельство того, что фирма КОШМАР всегда идет впереди!

Многие растения способны извлекать редкие металлы из почвы и концентрировать их в определенных тканях.


Источник: Дэвид Джоунс, «Изобретения Дедала», издательство "Мир", 1985г.






Устали? - Отдыхаем!

Вверх