Ричард Роудс - Энергия. История человечества

• Название: Энергия. История человечества
• Автор: Ричард Роудс
• Жанр: Прочая научная литература
• ISBN: 978-5-389-19281-2

В своей выдающейся книге лауреат Пулитцеровской премии Ричард Роудс рассказывает о событиях и достижениях, которые легли в основу всех революционных переходов в энергетике и транспорте: от животной силы и гидроэнергии – к паровой машине, от двигателя внутреннего сгорания – к электромотору. Исследуя направления развития технической мысли и уроки, которые извлекло человечество в процессе покорения сил природы, Роудс дает ответ на вопрос, как нам удалось произвести преобразования и обратить заложенные в них возможности себе во благо. Логическим итогом блестящего обзора ключевых событий истории энергетики за четыре столетия становится панорама нынешнего энергетического ландшафта, в том числе производство энергии из возобновляемых источников и вопросы ядерной энергетики. В изложении прослеживается тесная взаимосвязь с такими темами, как риск глобального потепления и стремительный рост численности населения Земли, которая к 2100 году должна достигнуть десяти миллиардов человек. Книга предназначена для всех, кого заботит влияние человека на окружающую среду и будущее мира. «Нынешние дебаты [об изменениях климата] почти не затрагивают богатейшего человеческого аспекта истории – истока современных энергетических проблем. Одна из целей, которые я ставил перед собой, когда писал “Энергию”, состоит в заполнении этого пробела – людьми, событиями, датами, местами, методами, примерами, аналогиями, поражениями и победами – для оживления дискуссии и прояснения возможных решений». (Ричард Роудс) В формате PDF A4 сохранен издательский макет.

---

Глава 3

Великан с единственной мыслью

Дени Папен был человек честный. Хотя он мог бы заявить, что Томас Севери украл у него идею паровой машины двойного действия, он знал, что идеи «поднятия воды огнем» в прямом смысле слова витали в воздухе эпохи Просвещения. «Я не сомневаюсь, что та же мысль могла прийти в голову [мистеру Севери], – отреагировал он на известие о том, что в 1698 г. Севери получил патент на свое изобретение, – и другим, без получения сведений о ней из других источников»[92].

Однако в 1704 г., когда Лейбниц прислал Папену набросок схемы двигателя Севери, получив чертеж через свои лондонские связи, Папен понял, что эта конструкция чрезвычайно непроизводительна и, возможно, даже неработоспособна. В одной из фаз работы насоса двигатель Севери использовал пар для вытеснения холодной воды из бака, причем между паром и водой не предусматривался поршень, способный препятствовать конденсации пара под действием холодной воды. Для вытеснения воды приходилось вводить в бак гораздо больший объем пара[93]. Такая потеря энергии уменьшала производительность двигателя до величины, меньшей 1 %[94]. Кроме того, у котла Севери отсутствовал предохранительный клапан, который Папен изобрел и начал применять за несколько десятилетий до этого, когда создавал пароварку; со временем этот клапан стал стандартным элементом всех паровых котлов в его проектах.

Однако машина Папена, как и машина Севери, обладала конструктивными недостатками, которые ни один из изобретателей так и не устранил: оба двигателя были рассчитаны на ручное управление. Их сложный рабочий цикл требовал неутомимого оператора, способного открывать и закрывать различные клапаны по нескольку раз в минуту. Даже в одном из поздних писем к Папену (1707 г.) Лейбниц рекомендовал усовершенствовать конструкцию так, чтобы клапаны двигателя «поочередно открывались и закрывались машиной, без необходимости использовать для этой цели человека»[95].

«Друг шахтера»

Но Папен не мог заниматься усовершенствованиями. Лишившись благосклонности своего покровителя, гессенского ландграфа, в 1706 г. он решил вернуться в Англию и привез с собой планы колесного корабля на паровой тяге, которые собирался представить Королевскому обществу. К несчастью, в Лондоне связь с Лейбницем ему не помогала, а вредила. В 1703 г. пожизненным председателем Королевского общества избрали Исаака Ньютона. До этого Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга разработали высокоэффективную математическую систему, известную под названием «дифференциальное и интегральное исчисление», и Ньютон, а также его последователи теперь воевали с Лейбницем за приоритет в этом достижении.

Папен выступил перед Королевским обществом с описанием своего парохода в феврале 1707 г. Он просил общество помочь ему построить 80-тонный прототип, который, по его оценкам, должен был обойтись в 400 фунтов (57000 фунтов, или 84000 долларов, в нынешних деньгах)[96]. Этих денег он так и не получил; кроме того, Королевское общество, возглавляемое Ньютоном, не собиралось вновь предоставлять Папену должность куратора. Вместо этого оно предложило ему оплачивать все экспериментальные демонстрации, при условии, что тот будет заранее представлять свои идеи на утверждение общества. А в 1708 г. руководство общества передало планы паровой машины Папена для оценки Севери, его главному конкуренту. Севери, что и неудивительно, раскритиковал конструкцию. Если Папен отверг чрезвычайно непроизводительное предложение Севери – выкачивать холодную воду открытым паром, – то Севери забраковал цилиндр и поршень Папена, утверждая, что эта конструкция не будет работать «по причине слишком большого трения»[97].

Еще четыре года доведенный до отчаяния Дени Папен предлагал продемонстрировать самые разнообразные свои изобретения – и печь с экономным расходом топлива, и способ очистки и нагревания воздуха в помещении, – но Королевское общество не пожелало ни рассмотреть, ни поддержать ни одно из них. Потерпев полный крах в Лондоне эпохи Стюартов, Папен исчез со страниц истории в 1712 г.[98].

Дела Томаса Севери складывались немногим лучше. «Если двигатель Севери был небольшим, работать он мог, и в высшей степени убедительно, – пишет специалист по истории техники Ричард Лесли Хиллс. – Когда Севери демонстрировал свои модели, его проект, несомненно, вызывал сильнейший энтузиазм»[99]. Наряду с демонстрациями Севери опубликовал книгу «Друг шахтера, или Машина для подъема воды при помощи огня» (The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire), украшенную изображениями маленьких трудящихся ангелочков[100].

Но чем крупнее была машина, построенная Севери, тем менее эффективно она работала. Она достаточно хорошо функционировала в качестве атмосферного двигателя – создавая частичный вакуум после того, как на цилиндр, заполненный паром, лили холодную воду, – и поднимала воду в трубе на высоту около 6 м. Однако за неимением предохранительного клапана прямой впрыск пара позволял поднять воду лишь немногим выше – а дальше уже возникал риск взрыва парового котла. «Слишком сильный пар разорвал ее на мелкие части», – сообщал один из наблюдателей[101]. Машины Севери служили водяными насосами на водонапорной башне компании York Buildings, стоявшей на берегу Темзы, а также в королевской резиденции в Кенсингтоне, дворце королевы Анны[102].

«Севери чрезвычайно сильно переоценивал возможности своей машины, – заключает Галлоуэй, – и недооценивал недостатки ее применения. Он построил несколько таких машин, вполне успешно качавших воду для дворянских усадеб, но для осушения шахт они оказались совершенно непригодны»[103]. Для очистки от воды глубокой затопленной шахты требовалось от пяти до десяти машин Севери, расположенных в стволе шахты одна над другой, через каждые 30 футов (9 м). С учетом их прожорливости десять таких машин могли потреблять почти весь уголь, добываемый в шахте, не говоря уже о том, сколь изнурительной оказывалась их эксплуатация. Да и владельцы шахт не горели желанием устанавливать в своих рудниках огненные машины, ведь под землей мог в любое время воспламениться метан. После 1705 г., продав всего две машины, Севери перестал продавать их для осушения шахт[104], но по-прежнему производил их для водопроводных систем в городах и сельских поместьях.

Когда внедрение новых технологий застопоривается, порой можно сгладить трудности перехода, вернувшись к прежним, более надежным системам и применив старое в сочетании с новым. После того как с дерзкими проектами Папена и Севери ничего не вышло, на рынке преуспели старые паровые машины для осушения шахт. Пусть в то время еще и не могли производить котлы, способные удерживать пар под высоким давлением, но «поднять воду огнем» отчасти получалось, применяя пар при атмосферном давлении: его конденсировали – и создавали частичный вакуум в атмосферном двигателе. Примерно с 1700 г. этой технологией начал заниматься Томас Ньюкомен, торговец скобяным товаром из Девоншира.

Водонапорная башня компании York Buildings

В то время в скобяных лавках не только продавали, но и изготавливали металлоизделия – в частности, инструменты. Производство и продажа инструментов привели Ньюкомена на оловянные шахты Девона и Корнуолла. Подобно угольным, оловянные шахты Англии уходили все глубже под землю по мере истощения жил оловянной руды, расположенных ближе к поверхности. К началу XVIII в. затопление шахт стало серьезной проблемой, а их осушение механизмами на конной тяге обходилось слишком дорого. По оценке анонимного автора F. C., шахтера, опубликовавшего в 1708 г. книгу «Опытный углекоп» (The Compleat Collier), «сухие угольные шахты могли бы экономить ежегодно по нескольку тысяч фунтов, которые тратятся на отвод воды из их окрестностей»[105]. Ньюкомен хотел воспользоваться столь выгодной возможностью.

Томас Ньюкомен, потомок обедневших дворян, живших на юго-западе Англии, родился в Дартмуте в начале 1663 г. и, вероятно, поступил в подмастерья к торговцу скобяным товаром в Эксетере – учиться ремеслу. Около 1685 г., в возрасте двадцати двух лет, он закончил обучение, вернулся в Дартмут и завел там собственное дело. Ньюкомен, глубоко верующий баптист, женился поздно – в сорок один год. В 1707 г. он снял для семьи большой дом в Дартмуте, который также использовала в качестве молитвенного дома возглавляемая им баптистская община. Незадолго до этого его партнером стал единоверец-баптист Джон Колли: вместе с ним Ньюкомен и работал над изобретениями[106].

Мало что известно о том, как Ньюкомен разрабатывал машину, получившую его имя; мы не знаем даже, насколько он был знаком с изобретениями Папена и Севери. Наиболее достоверные сведения о нем дает шведский инженер Мортен Тривальд, основатель Шведской королевской академии наук, работавший в Англии с 1716 по 1726 г. Тривальд помогал в строительстве одной машины Ньюкомена в Англии, построил еще одну после возвращения в Швецию и лично знал Ньюкомена[107]. В 1734 г. он писал, что английский жестянщик изобрел свою машину «без каких бы то ни было знаний о рассуждениях капитана Севери». Тривальд утверждал, что Ньюкомен увидел благоприятные возможности в «значительных расходах на подъем воды при помощи конной тяги»[108]. Возможно, это и так, но кажется маловероятным, чтобы Ньюкомен взялся за проект, занявший более десяти лет его жизни, ничего не зная о тех, кто уже пытался применить огонь для очистки затопленных шахт. Лишь глупец стал бы заново изобретать колесо.