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.

---

Шахты, расположенные на возвышенностях, могли осушать при помощи штолен. Но поверхностные угольные пласты истощались, отчего владельцы шахт вскрывали другие – более глубокие, уходящие под водоносные горизонты. И если такую шахту затапливало, требовалось либо откачивать воду, либо просто все бросать. Их и бросали, довольно часто, а потому технологии, которые позволили бы осушать такие шахты и поддерживать отвод воды для выработки угля, становились все желаннее. Галлоуэй называл отвод воды из шахт «величайшей инженерной задачей эпохи»[65].

Откачивать воду ветряными мельницами не получалось: английская погода славилась своей непредсказуемостью. Водяные колеса работали там, где хватало воды, но мощность потоков, как правило, изменялась со сменой времен года. К тому же лишь немногие затопленные шахты находились вблизи достаточно крупных рек. Сначала владельцы шахт запрягали лошадей в вороты – приподнятые над землей горизонтальные барабаны размером с колесо водяной мельницы: животные вращали их, ходя по кругу, и вращение ворота наматывало и разматывало крепкую веревку, проходившую через шкив в ствол шахты.

Конными воротами из шахты поднимали не только ведра с водой, но и корзины с углем. Правда, Галлоуэй говорит, что такая система давала мало, а стоила дорого: лошадей требовалось или покупать, или разводить, а значит – растить, кормить, содержать. «В некоторых случаях для подъема воды из одной-единственной угольной шахты использовалось целых пятьдесят лошадей», – что, по оценке Галлоуэя, стоило не менее 900 фунтов стерлингов в год (113600 фунтов, или 169000 долларов, в нынешних деньгах). Более глубокие шахты, которые не удавалось осушить при помощи одной только конной тяги, приходилось забрасывать. Затопленные шахты, потерянные средства, напрасные труды – все это открывало простор для изобретений.

Конный ворот. Источник неизвестен.

Почву для них подготовили научные открытия. О том, что атмосфера имеет вес, знали со времен опытов, поставленных в 1643 г. Эванджелистой Торричелли, учеником Галилея. Опыты Торричелли привели к изобретению ртутного барометра, который реагирует на смену атмосферного давления – то есть изменения плотности воздушного столба, расположенного над прибором. В 1654 г. прусский инженер Отто фон Герике продемонстрировал силу атмосферного давления в знаменитом эксперименте, публично поставленном в Регенсбурге в присутствии императора Фердинанда III. Фон Герике соединил два медных полушария в сферу, откачал из нее воздух и поместил ее между двух упряжек, в каждую из которых запрягли по восемь лошадей. Хотя полусферы прижимались друг к другу только силой атмосферного давления, конные упряжки так и не смогли разъединить их, как ни старались.

Отто фон Герике демонстрирует давление воздуха на вакуум

Друг фон Герике, математик-иезуит Каспар Шотт, включил отчет об этом событии (и впечатляющую гравюру, изображающую его) в книгу, которую опубликовал в 1657 г. В Англии об опытах, устроенных фон Герике, и о демонстрации прочел состоятельный ирландский натурфилософ[66] Роберт Бойль, сын графа Коркского, пытавшийся в это же самое время придумать, как создать вакуум в более крупном масштабе, нежели позволяла узкая стеклянная трубка барометра Торричелли[67]. Демонстрация фон Герике впечатлила Бойля, в отличие от лабораторной вакуумной системы. Фон Герике создавал вакуум в лаборатории, откачивая воздух из сосуда, установленного вверх дном в чаше с водой. Бойль хотел экспериментировать с вакуумом – например, посмотреть, что случится с горящей свечой, заключенной в вакуумный сосуд, по мере откачки воздуха, – а как это сделать, если в сосуд приходится проникать из-под воды?

Первый воздушный насос Гука и Бойля. Вынув пробку К, расположенную в верхней точке сферы, в сферу через отверстие помещают исследуемые материалы. Затем, снова закрыв пробку, вращением рычага отводят поршень С вниз по цилиндру А, откачивая из сферы воздух. Клапан L закрывают, что не позволяет воздуху опять заполнить сферу, и снова вращают рычаг в обратном направлении, продвигая поршень вверх. Когда поршень полностью войдет в цилиндр, клапан L вновь открывают, что позволяет откачать из сферы следующую порцию воздуха, постепенно увеличивая разрежение в ней

Хотя Бойль жил к тому времени в Оксфорде, он обратился к известному лондонскому производителю приборов Ральфу Грейтрексу и заказал работоспособный воздушный насос. Грейтрекс с заказом не справился. А потом один из оксфордских преподавателей химии представил Бойлю своего ассистента: молодого, но изобретательного Роберта Гука; тому в 1658 г. исполнилось двадцать три. Бойль привлек Гука к своей работе, и после нескольких безуспешных попыток создать устройство по чужим проектам Гук взялся за проект сам – и его насос работал. Этот прибор первого поколения, медленный и негерметичный, позволил Бойлю начать эксперименты.

Насос Бойля и его последующие опыты с вакуумом не только показали, что вакуум можно создать, изучить и выявить его характерные свойства (в нем гаснут свечи; он проводит свет, но не звук). Они проявили и силу давления воздуха: вес атмосферы, находящейся над нами и вокруг нас в нашей повседневной жизни. «В воздухе, в котором мы живем, – писал Бойль, – есть пружинная, или упругая, сила»[68]. Теперь возник следующий вопрос: как применить столь мощную силу в более крупном масштабе, вне лаборатории?

Эксперименты с использованием тепла для создания частичного вакуума проводились по меньшей мере с начала XVII в. В 1604 г. голландец Корнелиус Дреббель изобрел простой механизм, использующий огонь для откачки воды; впоследствии он привел его изображение в своей книге.

Устройство, описанное Дреббелем, состоит из реторты – металлического сосуда в форме тыквы, – подвешенной над огнем; горлышко реторты погружено в ведро с водой. Когда огонь нагревает реторту, содержащийся в ней воздух расширяется и выходит сквозь воду в виде пузырей. Если убрать огонь, то воздух, оставшийся в реторте, остывает, сжимается и создает частичный вакуум, – и тогда атмосферное давление внешней среды загоняет воду из ведра в горлышко реторты, скрытое под водой. Простой насос Дреббеля открывал широкие возможности. Его могли увеличить, доработать – и, скажем, качать им воду из рек, снабжая ею населенные пункты.

Дреббель, «статный мужчина с очень светлыми волосами… и человек весьма приятных манер»[69] – по описанию одного придворного, который с ним встречался, – изобрел еще много всего, от систем фонтанов до барометрического «вечного двигателя», демонстрации которого пользовались большим успехом у коронованных особ[70]. В 1605 г. он приехал в Лондон в качестве учителя Генриха Фредерика, принца Уэльского, старшего сына Якова I. Слава о его изобретательских талантах разошлась по всей Европе, и континентальные аристократы приезжали в Лондон только для того, чтобы увидеть его за работой. Когда Рудольф II, император Священной Римской империи, пригласил Дреббеля в Прагу, тому ничего не оставалось, как принять это приглашение, хотя сам он предпочел бы остаться в Англии. Но в 1612 г. Рудольф умер, и Дреббель уже никому не был ничем обязан. К несчастью, тогда же, в восемнадцать лет, умер от брюшного тифа и принц Уэльский. А через год Дреббель вернулся в Англию – на службу к Якову I.

Кое-кого забавляла поддержка, оказываемая Дреббелю королем Яковом I; «говорили, что этот вечный изобретатель так и не придумал ни одной вещи, польза от которой превышала бы ее стоимость». Одним из защитников голландского изобретателя был Константейн Гюйгенс, молодой голландский поэт и дипломат. Они с Дреббелем познакомились в Лондоне в 1621 г. Гюйгенс считал Дреббеля гением, равным великому англичанину Фрэнсису Бэкону. «При помощи глубочайших знаний, – восхвалял юный поэт своего соотечественника, – он создал замечательные механические устройства»[71].

Простой насос Дреббеля

Возможно, самым замечательным из них стала подводная лодка Дреббеля, первая в своем роде, – вытянутый водолазный колокол, который он продемонстрировал в 1620 г. на Темзе представителям Королевского флота. Дреббель взял гребную шлюпку, выбил из нее дно, оборудовал ее куполообразной деревянной палубой, герметизировал уключины и руль кожаными прокладками и покрыл всю лодку водонепроницаемой кожей. Лодка могла оставаться под водой по нескольку часов кряду, и есть основания полагать, что Дреббель знал, как химическим путем получать кислород из калийной селитры – нитрата калия – для восполнения в лодке запасов воздуха. Кислотный остаток нитратов (солей азотной кислоты) состоит из азота и кислорода[72].

Позднее в 1620-х гг. Дреббель изготавливал мины и ракеты для Королевского флота: корабли пытались прийти на помощь протестантам-гугенотам, осажденным французами в Ла-Рошели[73]. В конце этого же десятилетия у Гюйгенса родился сын Христиан, в будущем – один из величайших натурфилософов XVII столетия. Дреббель умер в 1633 г., но его дружба с отцом Христиана позволила изобретательному голландцу повлиять на развитие мальчика.