Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала
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[12].
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[13].
