книги / Ниже 120 по Кельвину
..pdfма. Чудовищный взрыв, сравнимый по мощности с ядерным, разнес детище научно-технического прогресса на сотни тысяч кусков...
Страна была потрясена случившимся. Над Белым до мом и другими правительственными учреждениями при спущены флаги. Зазвенели колокола церквей. Военный вертолет сбросил на воду 7 гвоздик и траурный венок. 20 тыс. жителей Флориды с факелами вышли на берег океана.
Специалисты установили: из-за дефекта в месте сты ка двух секций прогорел корпус правого твердотоплив ного ускорителя, воспламенился топливный бак, про изошел взрыв гремучего газа.
Выяснилось и другое: из 24 пусков «шаттлов» толь ко 8 прошли без особых проблем. Инженеры НАСА предупреждали о дефектах, указывали даже на воз можность аварии. Она и случилась. Но шла лихорадоч ная спешка — рабочие, техники, инженеры трудились без выходных, с огромным напряжением. «Как будто за ними гнались по пятам»,—'признались позже руководи тели полетов. Гнала вперед погоня за прибылью, рек ламная шумиха. Но больше всего подхлестывала запус ки космических кораблей СОИ.
Казалось бы, гибель «Челленджера» показала всему миру абсурдность идеи «непробиваемого космического щита». Но маньяки из Пентагона думают лишь о том, как наверстать упущенное. Приняли решение построить новый «Челленджер» стоимостью 2,5—3 млрд, долларов. Более того: создать «космический грузовик» с «полез ной» массой 70 т. С 1988 г. полеты «шаттлов» были во зобновлены. «Космические челноки» — основное средст во доставки на орбиту опытных образцов космического оружия. Для реализации СОИ необходимо 5000 (!) по летов «шаттлов». Запуск разведывательных, связных, навигационных, военно-метеорологических спутников; постановка «космических мин» — спутников-убийц; ин спекция, дозаправка, ремонт военных спутников на ор бите; выпуск ложных целей; наведение с Земли луча лазера на космические цели; перевод спутников военного назначения на более высокие орбиты с помощью букси ров, работающих на твердом или «криогенном топли ве»; исследование и испытания лазерного и пучкового оружия; наблюдения за передвижением войск; обнару жение с помощью охлаждаемых ИК-приборов запуска
101
межконтинентальных и крылатых ракет, подводных ло
док в глубинах океана; создание в |
космосе |
командных |
пунктов—-вот далеко не полный |
перечень |
программы |
военного ведомства США. Чересчур горячие |
головы в |
американских реакционных организациях требуют даже прямого захвата «полезных» планет Солнечной системы.
Первые испытания противоспутникового оружия на мечается осуществить уже в ближайшее время.
Советский Союз принял на себя обязательство — пер вым не выводить противоспутниковое оружие, выступил со многими другими мирными инициативами. Неужели космический корабль, бесконечно дорогой всем, — наша единственная планета превратится в огненный шар, по добно «Челленджеру»?
...Конструктор авиационных двигателей академик А. М. Люлька незадолго до смерти писал, что возможно сти ныне используемых на самолетах турбореактивных двигателей с обычным топливом через 20—30 лет будут исчерпаны. В качестве перспективного топлива для са молетов и дирижаблей будущего он назвал жидкий во дород. Помимо высокой калорийности, у него есть дру гие преимущества: в газообразном виде он хорошо вос пламеняется, имеет высокую скорость сгорания. Низкая температура охладит камеру сгорания и другие узлы
самолета.
15 апреля 1988 г. мечта академика осуществилась: заслуженный летчик-испытатель СССР В. А. Севанькаев первым в мире поднял в воздух самолет, использую щий жидкий водород. 21 мин продолжался полет, под готовка >к которому заняла 9 лет.
Экспериментальная машина Ту-155 создана опыт ным конструкторским бюро им. А. Н. Туполева и НИИ авиационной промышленности. На ней был установлен один работающий на водороде двигатель НК-88, создан ный под руководством академика Н. Д. Кузнецова.
Бак с «криогенным топливом» размещен в хвостовой части пассажирского салона. Более 30 бортовых систем обеспечивают пожаро- и взрывобезопасность самолета. Так, все коммуникации газа размещены в гаргротах — закрытых вентилируемых коробах. Многочисленные дат чики-газоанализаторы реагируют на появление малей ших доз водорода — летчики немедленно могут включить наддув и провентилировать тот или иной отсек само лета.
102
При изготовлении машины использовались новые тех нологические процессы, например вакуумплотная свар ка, применялись необычные материалы. Работа основ ных систем тщательно проверялась на наземных стен дах. Сооружен уникальный аэродромный комплекс для заправки самолета жидким водородом и для его обслу живания.
Первый полет советского самолета Ту-155 на водо
родном |
топливе несомненно войдет в |
историю |
авиа |
|
ции. |
|
|
|
|
Данная машина может летать и на сжиженном при |
||||
родном |
газе — его теплотворная способность на |
треть |
||
превышает авиационный керосин. Особенно |
заманчиво |
|||
эксплуатировать этот самолет на трассах, |
ведущих в |
|||
Западную Сибирь, Нижнее Поволжье, |
Среднюю Азию. |
Там его можно заправлять добытым дешевым природ ным газом.
Уже начата разработка пассажирских «криогенных» самолетов, пока предполагается использовать на новом виде топлива машины Ту-154М и Ту-204.
Вот еще один проект — американской фирмы «Локхид» (рис. 17). Лайнер с 234 пассажирами будет лететь со скоростью, в 2,7 раза превышающей скорость звука, на расстояние 7800 км. Длина машины 100 м, размах крыльев 32 м, высота 12 м. Баки с жидким водородом
будут |
размещены в передней и задней части фюзеляжа, |
||
в его |
центре —двухпалубный пассажирский салон. Хо |
||
тя топливная система нового самолета сильно |
услож |
||
нится |
по сравнению с обычной, масса |
машины |
будет |
снижена почти вдвое, стоимость — на одну четверть. |
|||
С конца 1982 г. английские фирмы |
«Бритиш |
эйрс- |
пейс» и «Роллс-Ройс» проектируют аэрокосмический ко рабль «Хотол» — гибрид самолета и ракеты. Его назна чение— как вывод на орбиту полезных грузов, подобно «Шаттлу», так и пассажирские перевозки с гиперзвуко выми скоростями. Вот данные аэрокосмического кораб ля: размах крыла — 20 м, длина — 63 м, стартовая мас с а -2 0 0 т, топливо — 48 т жидкого водорода, полезный груз — 7—11 т.
Самолет-ракета в отличие от «космического челнока» будет иметь одноступенчатый выход на орбиту. Возмож но ли такое? Чтобы достигнуть в один прием первой космической скорости — около 8 км/с, нужно затратить такое большое количество энергии, которое не может
ЮЗ
100м
Рис» 17. Компоновка сверхзвукового пассажирского самолета на жидком водороде
обеспечить взятое на борт самое калорийное топливо: жидкий кислород и жидкий водород. Поэтому взлет «Хотола» будет происходить со специальной тележки, кото рая будет разгоняться по взлетно-посадочной полосе аэродрома. Уже через 2 мин самолет-ракета преодолеет звуковой барьер, через 9 мин на высоте 26 км в 5 раз превысит скорость звука.
Но и такого взлета недостаточно, чтобы достигнуть орбиты в одну ступень.
Поэтому до высоты 25—30 км «Хотол» будет сам се бя обеспечивать кислородом. Воздух, сжимаемый ско ростным напором, поступит в конденсатор, охлажденный жидким водородом, произойдет отделение азота. Кисло род частично будет направлен в камеру сгорания, час тично на сжижение и накопление в баках для работы на орбитальном участке.
Высота орбиты до 300 км. Здесь «Хотол» становится чистой ракетой. Маневрирование осуществляется дву мя десятками реактивных двигателей, которые выбрасы вают холодный водород.
Взлет и посадку самолета-ракеты предполагается осуществить автоматически. Конструкторы рассчитыва ют: планер выдержит 120 полетов, двигатель — 60.
Наибольшая проблема связана с двигателем для «Хо-
тола». На |
подъеме должен работать |
турбореактивный |
двигатель, |
на сверхзвуковых скоростях — прямоточный, |
|
в космосе — жидкостный ракетный. |
Комбинированный |
104
двигатель, который сможет работать в таких разных ус ловиях, на столь отличных друг от друга режимах, уже сейчас называют настоящим техническим чудом.
В 1986 г. Р. Рейган объявил создание аэрокосмиче ского корабля национальной программой. На междуна родном аэрокосмическом салоне «Аэро-Спейс-Амери- ка-88» в Калифорнии демонстрировались отдельные уз лы новой машины, которая будет работать на жидком водороде. Предполагаемая скорость при разгоне в верх них слоях атмосферы в 15—25 раз превысит скорость звука. Затем аэрокосмический корабль займет низкую околоземную орбиту. Садиться новая машина будет как обычный самолет.
Аэрокосмический корабль, возможно, заменит мно горазовый космический типа «Шаттл». С его помощью предполагается доставка на околоземную орбиту всего необходимого для монтажа пилотируемого корабля, ко торый в начале грядущего тысячелетия должен старто вать к Марсу.
В военном варианте это аэрокосмический корабль Х-30.
Пентагон уже сейчас примеривает Х-30 к своим зло вещим планам милитаризации космоса, воплощению в жизнь СОИ. Новый корабль будет баснословно доро гим: общая стоимость программы его создания около 3,4 млрд, долларов.
В гражданском варианте это аэрокосмический ко рабль «Восточный экспресс». Где-то на рубеже нового тысячелетия машина должна взлететь в космос с пасса жирами на борту. Для перелета из Вашингтона в Токио потребуется всего 2 ч. Но не станет ли «Восточный эксп ресс» лишь перевозчиком миллионеров: по расчетам эко номистов, авиабилет на полет через космос будет стоить в 20 раз дороже обычного.
Перечисленные выше недостатки: низкая плотность водорода, громоздкие топливные баки, высокая стои мость сжижения, пожаро- и взрывоопасность, водород ное охрупчивание материалов — мешают созданию «во дородных» самолетов. Однако авиационная техника близка к космической, в авиации работают высококвали фицированные инженеры и техники. По прогнозам спе циалистов, на рубеже следующего тысячелетия начнется эксплуатация самолетов на водородном топливе.
105
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Энергетический кризис, который переживали некото рые страны мира, привлек всеобщее внимание к пробле мам энергетики.
Пожалуй, особенно тревожит быстрое истощение за пасов нефти и, как следствие, рост цен на нее. В 1860 г. из земных недр было выкачано всего 72 тыс. т нефти. А в 1980 г. прожорливые и ненасытные двигатели внут реннего сгорания бесчисленных автомобилей, тракто ров, кораблей, самолетов, топки котельных и электро станций, химические реакторы, другие аппараты и ма шины потребовали добычи свыше 3 млрд, т «черного зо лота». А ведь это не метафора. Нефть — ценнейший дар
природы. Это лекарства, синтетические |
материалы, аро |
|||||||
матические |
соединения. |
Наш |
великий |
ученый |
Д. И. |
|||
Менделеев |
выразился |
удивительно |
|
точно: |
сжигать |
|||
нефть — все равно что топить печь |
ассигнациями. |
|
||||||
С ростом нефтедобычи резко увеличились океанские |
||||||||
перевозки нефти, что |
сопровождается |
серьезным |
за |
|||||
грязнением |
морей и океанов. |
Только при одной аварии |
||||||
на супертанкере «Амоко Кадис» |
в |
1978 г. в океан |
вы |
|||||
лилось около 230 тыс. т |
нефти. |
|
|
|
|
2010 г. |
||
По мнению некоторых западных ученых, к |
||||||||
запасы нефти на планете будут |
исчерпаны. По данным |
|||||||
X Международной энергетической |
конференции, |
всех |
мировых запасов нефти, угля, природного газа при рав номерном расходовании хватит всего на 175 лет. Разу меется, такой прогноз носит ориентировочный характер, какие-то подземные кладовые еще будут открыты. Но и потребление органического топлива, возможно, пойдет быстрее, чем предполагается. Что же будет дальше?
Запасы угля значительно превышают запасы нефти и природного газа. Уголь и ядерная энергия станут основ ными источниками энергии. С их помощью будет выра батываться, в частности, водород. Впоследствии водо род, возможно, станет основой энергетики. Для такого прогноза есть веские основания.
«Дайте нам водород и гелий — и мы сотворим Все ленную» — так могут сказать ученые. Действительно, во дород — самый распространенный элемент в мирозда нии. На холодной поверхности Сатурна плещутся моря и океаны из жидкого водорода. На Уране и Нептуне во дород существует в виде льда. А планета-гигант Юпитер
106
(ее объем в 1315 раз больше, чем Земли), судя по удель ному весу, почти вся из водорода. Солнце наполовину состоит из этого элемента. В земной коре из каждых 100 атомов 17 приходится на водород. Вода морей и океа нов— воистину неисчерпаемый источник энергии.
Нелишне повторить, что водородное горючее эколо гически чистое. Как было бы хорошо избавить города, поселки, промышленные районы, автострады — всю на шу прекрасную зеленую планету от выхлопных газов чудовищного множества машин, фабричных и заводских труб!
Водород универсален: с его помощью можно получить и тепло, и электроэнергию, и воду. Последнее обстоя тельство немаловажно: во многих районах земного ша ра все более ощущается дефицит пресной воды. Прогно зы ученых Запада мрачноваты: например, в ФРГ через 10—15 лет бутылка чистой воды будет стоить дороже бутылки вина.
Водород как легкий газ имеет малую вязкость, его можно перекачивать по трубам с потерями, не превы шающими нескольких процентов. Трубопровод диаметром 1,5 м передаст 10 тыс. МВт мощности, транспортировка водорода обойдется примерно в 3—5 раз дешевле, чем
передача соответствующего количества энергии в |
виде |
|
электрического тока. Водородопроводы — уже |
реаль |
|
ность на химических заводах ФРГ и США. |
|
|
Очень существенно, что |
водород можно накапливать |
|
и хранить в газообразном |
или сжиженном виде. |
Такие |
хранилища уже эксплуатируются. Так, в США на кос модроме на мысе Канаверал имеется емкость для жид кого водорода на 3200 тыс. л. Потери от испарения в ней не больше 0,03% в сутки.
Появятся новые технологические процессы. Напри мер, на металлургических заводах будет налажен в ши роких масштабах процесс прямого восстановления же леза водородом. На химических предприятиях водород станет сырьем для органического и неорганического син теза, будет использован для производства аммиака, ме танола, других продуктов, а в будущем и для изготов ления синтетического жидкого топлива из угля.
По мнению ученых Международного института си стемного анализа, со временем коренным образом из менится сельскохозяйственное производство. На водо роде будут выращиваться особые бактерии — в резуль
107
тате удастся получить биомассу для откорма скота и искусственную пищу* Некоторые футурологи считают: сельское хозяйство в связи с этим вообще перестанет су ществовать.
Двигатели самолетов, тепловозов, кораблей, авто мобилей станут работать на водороде. Получат широ кое распространение электромобили с топливными эле ментами.
Группа ученых из Американского научно-технологи ческого центра создала в штате Миссури неподалеку от г. Индепенденса подземный городок на 25 семей. Он не связан с внешней энергосистемой и энергетически пол ностью автономен. Городок помещен под землей, чтобы уменьшить расход тепла на отопление. Солнечный свет подается по световодам, воздух — по трубам. Есть рес торан, небольшой отель, офис, даже подземный парк с тропическими растениями. Источник энергии — солнеч ные батареи. Ток от них направляется в электролизеры, в которых вода разлагается на водород и кислород. Во дород хранится в криогенных баках и в емкостях с гид ридами. Он используется для обогрева жилищ, освеще ния, приготовления пищи.
В будущем можно будет существенно упростить го родское хозяйство, упразднить электрические сети, га зовые трубы, холодное и горячее водоснабжение. К каж дому дому или группе домов будет подводиться по трубам только водород и кислород. А топливные элемен
ты— в них химическая |
энергия |
непосредственно пере |
ходит в электрическую |
—дадут |
и тепло, и электричест |
во, и воду.
Радужная и заманчивая картина, не так ли?
(К сожалению, практика подсказывает: никогда круп номасштабные проекты не осуществляются в том виде, как представляют их заранее, непременно появляются новые неожиданные проблемы, ограничения, последст вия и т. д.).
Проблема проблем в водородной энергетике — полу чение в больших количествах дешевого водорода.
Лавуазье получал водород, пропуская водяной пар через раскаленный на жаровне ружейный ствол. Подоб ным же способом пользовались республиканцы в 1794 г. для заправки водородом воздушного шара во время сра жения с иностранными интервентами при Флёрюсе. Со временем появились и более совершенные способы.
108
В настоящее время водород чаще всего извлекают из природного газа, коксового газа и при крекинге нефти. В Норвегии, Японии и других странах, богатых дешевой гидроэнергией, водород получают в электролизерах раз
ложением воды посредством электрического |
тока. Во |
||
д а — весьма прочное соединение, разрыв связей |
в ней |
||
требует больших затрат энергии. |
Поэтому электролиз |
||
воды — процесс очень энергоемкий |
и весьма |
дорогой. |
|
Попутно можно получить соли и |
дейтерий -- тяжелый |
||
изотоп водорода, который является |
сырьем для |
термо |
|
ядерного реактора. |
экологически |
чиста. |
|
Солнечная энергия бесплатна, |
К сожалению, наше светило не слишком щедро: на 1 м2 земной поверхности падает всего 100 Вт лучистой энер гии. Это, разумеется, при безоблачном небе, а ведь мест с устойчивой ясной погодой на земном шаре не так уж много. Кпд фотоэлементов примерно 10—20%. Поэтому гелиоустановки пригодны лишь как источники, водоро да ограниченной мощности.
Ученые Ереванского государственного университета создали установку для фотолиза — разложения воды на водород и кислород — с использованием солнечного све та. Им удалось изготовить дешевые полупроводниковые катализаторы, которые помогают разрывать связи в мо лекулах воды. Как только демонстрационный реактор
выносится на |
свет, вода в нем словно вскипает, из од |
ного патрубка |
выделяется водород, из другого — кисло |
род. |
|
Подобные работы ведутся и в Японии. В установке, разработанной в Йокохамском университете, солнце на гревает горячие спаи термоэлементов из висмута и тел лура до 200° С, а холодные спаи охлаждаются морской водой. Образуется термоЭДС, электрический ток раз лагает воду на водород и кислород.
Известно: под воздействием солнечного света расте ния выделяют кислород, в них идет реакция фотосинтеза. Ученые Института фотосинтеза АН СССР совместно с научными сотрудниками МГУ пытаются так направить реакцию фотосинтеза, чтобы растения выделяли и водо род. Возможно, со временем удастся наладить этот про цесс в больших масштабах.
Чехословацкие инженеры в рамках сотрудничества стран — членов СЭВ спроектировали водородный ге нератор производительностью до 50 тыс. т водорода в
109
год. В нем водород выделяется в результате реакции отходов нефтепереработки с перегретым паром.
Исследуются и другие способы получения водорода, например, термоэлектрохимические, термохимические, плазмохимические, при плазменной газификации, при подземной газификации углей.
Наиболее перспективным представляется использо вание атомной, а позже и термоядерной энергии. Уже сейчас кое-где целесообразно электрический ток атом ных станций направить не в линии электропередач, а и электролизеры для разложения воды. Пока этот про цесс, связанный с длинной цепочкой преобразования энергии, не является технически и экономически оправ данным. Но уже в недалеком будущем положение мо жет измениться. Мощность атомных электрических стан ций нельзя регулировать, они должны выдавать энергию непрерывно, с одинаковой интенсивностью в любое время суток. (Энергетики говорят о таком режиме: электростан ция работает «в базе», т. е. обеспечивает постоянную составляющую графика потребления электроэнергии.) А спрос на электроэнергию резко колеблется, имеет ост рые максимумы утром и вечером, зависит от времени го да, погоды, даже от того, насколько интересна вечерняя передача по телевидению.
С ростом числа атомных, а также мощных тепловых станций возникает проблема, как покрыть пики нагруз ки, куда девать дешевое «ночное», или «провальное», электричество?
Почему бы в часы ночного провала графика потреб ления электроэнергии не использовать атомные станции для выработки водорода? Дешевый водород можно на править на технологические нужды, а также в виде га за или в сжиженном состоянии в хранилища. В часы пик водородное топливо можно использовать на газо турбинных электростанциях или электростанциях на топ ливных элементах. Учитывая неизбежный рост цен на органическое топливо, ученые предсказывают, что к на чалу века водород, производимый из воды электролизом за счет ядерной энергии, а потом и другими методами, станет дешевле водорода, производимого из природных жидких и газообразных топлив.
Уже сегодня в ФРГ действует опытный парогенера тор на водороде и кислороде. Он включается на короткое время лишь тогда, когда в энергосистеме возникает пе
110