Чтение онлайн

New Scientist, May 25, 1978

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/, где — плотность раствора.

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

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

gh > nRT/W,

h > nRT/gW = RT/gxn/(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

/ = 20/100 = N/(N+n).

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

h = RT/g x 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.

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 [15] . 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

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 = 4r3/3 = 5,2 x 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 2,8x106 Н.

Пусть масса оболочки составляет примерно половину этой величины, 1,5 x 105 кг. Площадь поверхности оболочки равна А = 4r2 = 31000 м2. Так как оболочка, по сути, представляет собой тонкий слой водной культуры хлореллы (с плотностью 1000 кг/м3), ее толщина может составлять 1,5x105/(1000x31000) = 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.

Энергетика. Процесс фотосинтеза протекает согласно реакции

при этом выделяется энергия H = +2,9 МДж. Ферментация клетчатки описывается реакцией

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 r2 = 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 x 0,04 x 0,162 / H = 0,018 кг/с, которая ферментируется в метан в количестве t = М x 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?

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 [16] .