Айзек Азимов - Загадки мироздания
Каждое предыдущее усовершенствование будет облегчать работу по следующему, и, двигаясь по этой восходящей спирали, человек может наконец достичь желанной чистоты и окунуться в солнечное будущее безграничных возможностей.
Раздел II
О НЕЖИВОМ
Глава 10
ГОРЯЩЕЕ ВЕЩЕСТВО
С самого момента своего открытия горючий газ водород произвел на человечество революционное воздействие. С его помощью были повержены старые теории и установлены новые. Он уже два раза вел людей к звездам, а теперь этот газ предоставляет нам возможность получить безграничные запасы энергии, необходимой для будущих потребностей человека.
История водорода началась с пламени, поскольку в XVII веке первые химики получили при реакции железа с кислотой новый газ, который, как оказалось, взрывается при нагревании. Они назвали его «горючим газом».
Английский химик Генри Кавендиш, занявшийся изучением нового вещества в 1766 году, обнаружил, что тот способен порождать нечто более примечательное, чем пламя. Оказалось, что при сжигании этого газа и соединении его с чем-то, содержащимся в воздухе (как выяснилось позже — с кислородом), образуются капли жидкости, которая представляет собой не что иное, как воду. Вода, рождающаяся в пламени!
Мир химии был потрясен. Ведь тысячелетиями считалось, что вода — это первоэлемент, что ее невозможно получить из сочетания каких-то более простых элементов. Теперь же выходило, что вода — это продукт сочетания двух газов!
Горючему газу дали новое имя — «водород». Образование воды из водорода стало одним из козырей, позволивших французскому химику Антуану Лорану Лавуазье смести старые теории и заложить вместо них основы современной химии.
Но этим необычные свойства водорода не исчерпывались. Водород оказался не только горючим, не только источником воды, но и крайне легким по весу. Кубический метр водорода весит всего 90 граммов (для сравнения — кубический метр воздуха весит более чем в десять раз больше — 1 килограмм 300 граммов). На самом деле водород — вообще самое легкое вещество на свете.
В 1783 году французы братья Монгольфье наполнили горячим воздухом шелковый мешок и отпустили его вверх. Горячий воздух легче, чем холодный, поэтому получившийся шар поплыл по воздуху, как бревно — по реке. Когда же горячий воздух остыл, шар опустился.
Но зачем использовать горячий воздух, если новооткрытый газ, водород, оказался гораздо легче, чем любой воздух, даже в холодном состоянии? Его подъемная сила гораздо больше, и он вполне может нести гондолу по воздуху — вместе с сидящими в ней людьми.
В начале XIX века по всей Европе и Америке в воздух поднимались наполненные водородом воздушные шары. Для кого-то это были игрушки, захватывающее развлечение. Для ученых же это оказалось первой возможностью изучать небесные высоты — первым шагом на пути к звездам.
Кроме того, это изобретение можно было бы использовать и для коммерческого воздухоплавания, оставалось только обрести независимость от ветра. В 1900 году немецкий изобретатель граф фон Цеппелин построил воздушный шар сигаровидной формы с алюминиевым каркасом и снабдил его пропеллером. Так был изобретен дирижабль, и люди впервые в массовом порядке отправились покорять высоту на крыльях водорода.
Но нельзя забывать, что водород все же крайне огнеопасен. Огромный шар, наполненный водородом, всегда представляет собой хранилище взрывчатки, — и любой удар по такой цели будет безошибочен. А нанести такой удар может что угодно, например искра статического электричества. Так, в 1937 году вспыхнула наполненная водородом оболочка огромного дирижабля «Гинденбург», и весь корабль был уничтожен в течение нескольких минут.
Впрочем, к тому моменту дирижабли и так уже отживали свое. Ясно стало, что будущее — за летательными аппаратами тяжелее воздуха.
Так что похоже, что водороду найдется использование только на земле. Химики применяют его во множестве «восстановительных» реакций, например для превращения несъедобных овощных масел в полезные твердые жиры. А горючесть водорода нашла свое применение в водородных горелках, которые режут сталь, как масло.
Что же еще?
Несмотря ни на что, водород не сдался. Пламя горящего водорода заставило дирижабль рухнуть вниз, но оно же заставляет ракету лететь вверх! Конец эры дирижаблей совпал с началом эры ракет.
Обычный самолет может маневрировать только в воздухе, где содержится достаточное количество необходимого для сжигания топлива кислорода. Кроме того, воздух должен быть еще и достаточно плотен, чтобы поддерживать вес самой машины.
А вот ракета несет на борту и топливо, и кислород. Когда эти две составляющие объединяются, происходит взрыв и раскаленные газы вырываются из сопел вниз. По закону действия или противодействия, известному также как третий закон Ньютона в честь знаменитого английского ученого, открывшего этот закон в 1683 году, раз часть массы ракеты (газы) вылетает вниз, то вся остальная ракета должна лететь вверх, в противоположном направлении.
По мере того как выхлопные газы вылетают вниз, ракета движется вверх все быстрее. В конце концов она выйдет за пределы атмосферы (которая ей не нужна ни для поддержки, ни в качестве источника кислорода) и выйдет в космос.
Высота, на которую поднимется ракета, зависит, в частности, от того, каким образом выбрасываются выхлопные газы. Чем быстрее они вылетают (чем яростнее происходит реакция), тем больше скорость ракеты, а значит, и высота, на которую она поднимется. Поэтому ученые-конструкторы очень активно искали топливо, которое обеспечило бы наиболее бурную реакцию.
В первых ракетах, вроде игрушечных, что запускают на Четвертое июля[6], или почти игрушечных, которые применялись в военных действиях XIX века, топливом служил порох. В порохе содержится богатое кислородом вещество селитра, а также углерод и сера, которые под воздействием нагревания вступают в активную реакцию с кислородом селитры. То есть в порохе тоже соединены топливо и кислород.
Но порох — не очень мощное топливо. В 1926 году американский изобретатель Роберт Годдард понял, что с помощью жидкого топлива можно добиться большего. И 16 марта упомянутого года запустил на ферме своей тетушки Эффи в Обурне, штат Массачусетс, первую в мире реактивную ракету на жидком топливе. Использованное им горючее — смесь бензина с жидким кислородом — оказалось в пять раз мощнее, чем тротил. Вскоре ракеты на таком топливе стали подниматься на многие километры в воздух со сверхзвуковой скоростью.
Первыми ракету с реактивным двигателем придумали американцы, но зрелости эта идея достигла в Германии. Во время Второй мировой войны немцы создали боевую ракету «Фау-2». После войны, в 1946 году, мы вывезли к себе в США некоторых немецких конструкторов и взялись за дело всерьез. К сожалению, сам Годдард не дожил до этого всего год.
Сочетание бензина с кислородом продолжали использовать и далее, но ясно было, что эта смесь не является идеальным горючим. Изо всех видов химического топлива энергичнее всего горит водород (в сочетании с кислородом или фтором). Поэтому ракета на водородном топливе могла бы подняться гораздо выше и нести более тяжелый груз, чем на смеси бензина с кислородом той же массы.
Казалось бы, снова настал звездный час водорода, но оставалась одна проблема. В обычной форме водород использовать нельзя — килограмм водорода занимает 9 кубических метров, а объема в любой ракете маловато.
Поэтому надо было перевести водород в какую-то более компактную форму. Можно было бы добиться этого путем сжатия под давлением, но это сложно и опасно. Впрочем, существует еще один способ уменьшить газ в объеме без нагнетания давления — остудить его до жидкого состояния.
После Второй мировой войны компактный водород необходим был не только для ракетных двигателей — шли работы по созданию новой бомбы.
Обычная атомная бомба, выбрасывающая энергию за счет расщепления урана — вроде той, с помощью которой было сломлено сопротивление Японии, — в новой бомбе должна была служить лишь детонатором еще более страшного взрыва. Причиной последнего стало бы насильственное слияние атомов водорода в гелий. Такая бомба получила название «термоядерной», или «водородной».
Так что необходимость в больших количествах жидкого водорода имелась налицо. Однако на пути к достижению этой цели оставался ряд препятствий.
Водород — очень распространенное вещество. Именно атомы водорода составляют две трети от всех атомов как в бензине, так и в океанской воде. А в живой ткани, в том числе и в вашем собственном организме, водород составляет три пятых от общего количества атомов. Да и в земной коре почти каждый тридцатый атом — водород.
