книги / Ниже 120 по Кельвину

задача сжижения кислорода полностью не решена. «Иметь возможность видеть жидкость или туман, не умея то или другое собрать,—это еще не все. Решаю­ щее слово еще не сказано. Как удержать кислород в жид­ ком состоянии при температуре его кипения?» — спраши­ вал ученый.

Луи Кальете умер в Париже в возрасте 80 лет. В Шатильоне на Сене в его лаборатории, выходящей окнами в сад, до сих пор сохранены старинные аппараты уче­ ного.

СТАНОВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЖИДКОГО ВОЗДУХА

Казалось бы, какая польза от «кислородного тумана», который, как мираж, появлялся на мгновение в лабора­ торных сосудах перед глазами восхищенных исследова­ телей?

Огромная научная победа Луи Кальете и Рауля Пик­ те над «упрямым», «вечным» газом имела замечательные последствия.

Гампсон создает аппарат для сжижения воздуха, ко­ торый удивляет своей простотой (рис. 6). Он интересен тем, что некоторые его принципы и элементы конструк­ ции не устарели до сих пор. С помощью кускового пота­ ша воздух предварительно очищается от влаги и угле­ кислого газа. (Такая очистка необходима в любых уста­ новках сжижения воздуха, иначе замерзшая влага и кри­ сталлы углекислого газа закупорят трубопроводы, кра­ ны, вентили.) Чистый воздух под давлением поступает по длинной трубе диаметром несколько миллиметров. В центральной камере установлен вентиль, воздух прохо­ дит через него и расширяется, давление падает до атмо­ сферного, происходит охлаждение. Температура в нача­ ле цикла около 223 К. Далее воздух по концентрической трубе вновь направляется в компрессор. Так как трубы выполнены из меди, поток обратного воздуха интенсив­ но охлаждает прямой поток. Такое устройство называ­ ется теплообменником. В теплообменнике как бы про­ исходит утилизация холода. Поэтому температура воз­ духа, поступающего в центральную камеру, непрерывно снижается. Уже через 10 мин часть воздуха сжижает­ ся— на дне колбы появляются первые его капли — тем­ пература 80 К!

31

Рис. 6. Схема аппарата Гампсона для жидкого воздуха

Десятки аппаратов Гампсона стали работать в науч­ ных лабораториях. Но для промышленного применения он не годился: чересчур низок был кпд и мала произво­ дительность.

Если газ, проходя дроссель, расширяется, работает против давления атмосферы и за счет этого охлаждает­ ся (эффект Джоуля — Томсона)*, то нельзя ли искусст­ венно усилить этот процесс?

Такие попытки предпринимались. Еще в 1857 г. Си­ менс предлагает холодильную поршневую машину-де­ тандер (рис. 7). Детандер устроен как паровая машина, но в ней работает воздух. Он расширяется в цилиндре, толкает поршень, совершает работу, интенсивно охлаж­ даясь. Машина Сименса безукоризненна по замыслу и...

беспомощна на практике. Теплопритоки извне и трение внутри цилиндра сводят почти на нет образующийся хо­ лод. Но пожалуй, главной проблемой оказалась смазка. Смазочные материалы и примеси, имеющиеся в воздухе, быстро замерзали, и поршень останавливался.

Французский ученый и инженер Жорж Клод под вли­ янием произведений Жюля Верна занялся установками сжижения воздуха. Он понял: детандер совершенно не­ обходим при промышленном производстве. Жорж Клод решил довести эту машину до практического использо­ вания.

Притоки тепла извне? Следует улучшить теплоизо­ ляцию, например, так, как это сделал другой пионер криогенной техники — Карл Линде (1842—1934), обло-

* У некоторых газов эффект Джоуля — Томсона вызывает их нагревание.

Рис. 7. Схема поршневого де­ тандера Сименса

жив свой аппарат овечьей шерстью и поместив его в де­ ревянный ящик. Замерзает смазка? Он подбирает под­ ходящую— петролейиый эфир. (Смазка нужна при пу­ ске машины. При низкой температуре сам жидкий воз­ дух автоматически смазывает трущиеся части, при этом между поршнем и цилиндром лучше всего применить уплотнения из сухой кожи). Мешают примеси? Воздух подвергается тщательной осушке и очистке от пыли, са­ жи, окислов азота, двуокиси углерода. Детандер может приводить в действие ступень компрессора или насос для смазки, таким образом часть энергии расширения воз­ духа используется с пользой.

Трудностей было немало. Так, толстые стальные ци­ линдры детандеров разлетались на куски, поскольку сталь при низкой температуре становилась хрупкой и ко­ лолась как стекло.

Жорж Клод проводил свои опыты с детандером в Па­ риже, под навесом для трамваев на линии Бастилия — Шарантон. Как мы сказали бы сейчас, в свободное от основной работы время. Несколько лет труда — всевоз­ можные изменения и усовершенствования, —- и Клоду удается получать все более низкую температуру, но... ни одной капли жидкого воздуха.

Май 1902 г. Ученый близок к отчаянию. Лица, субси­ дирующие его, уже назначили совещание: пора прекра­ тить неудачные опыты. 26 мая Клод вновь изменяет схе­ му своего аппарата—в нем наконец-то появляется тон­ кая струйка жидкости! Жорж Клод торжествовал! Он на­ полнил давно заготовленный трехлитровый сосуд жид­ ким воздухом и понес его на совещание пайщиков. Но один из его друзей — человек весьма неуклюжий — задел

Рис. 8. Схема аппарата Ж- Клода

ногой сверкающий серебром сосуд и плод стольких уси­ лий вновь превратился в... обыкновенный воздух.

30 июня 1902 г. в Парижской академии наук был за­ слушан доклад: Жоржем Клодом создан аппарат произ­ водительностью 25 л жидкого воздуха в час (рис. 8).

Еще раньше, в 1895 г., впервые в заводском цехе за­ работала машина сжижения воздуха, созданная немец­ ким физиком и инженером Карлом Линде.

Но как выделить необходимый промышленности кис­ лород?

Для этого нужно разделить воздух на составляющие газы.

Можно использовать разницу в температуре кипения: при атмосферном давлении азот кипит при температуре на 13° ниже, чем кислород. Уже в 1902 г. профессор Карл Линде применил к жидкому воздуху процесс многократ­ ной разгонки (ректификации), сумел отделить более легкокипящий азот от кислорода. Чтобы разделение возду­ ха шло эффективнее, следует увеличить площадь воз­ гонки. Карл Линде создает ректификационную колонну (усовершенствованные колонны используются и поныне). Внутри ее размещаются металлические ситчатые та­ релки. Жидкий воздух подается в колонну и перетекает с тарелки на тарелку, сквозь отверстия в тарелках азот улетучивается. Кипящая в колонне жидкость все больше обогащается кислородом. Холод уходящего азота утили­ зуется: в теплообменнике он снижает температуру прямо­ го потока воздуха.

Установки для получения низких температур стали быстро распространяться.

Начало криогенной техники в России было положе­ но в 1898 г. Купец П. Морозов пожертвовал Московско­ му университету 2000 руб. для закупки в Германии ма­

34

шины Линде. 29 августа 1898 г. профессор Н. А. Умов продемонстрировал коллегам жидкий воздух. Ученый пророчески заметил, что «интенсивная стужа» найдет широкое применение на практике.

Первая советская воздухоразделительная установка производительностью 100 м3 газообразного кислорода была изготовлена в 1932 г. Русские и советские ученые много потрудились для практического использования жидкого кислорода и для совершенствования методов его получения. Особо важное место занимают работы ко­ рифеев науки К. Э. Циолковского и П. Л. Капицы.

КОНСТАНТИН ЭДУАРДОВИЧ ЦИОЛКОВСКИЙ

Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935) родился в Рязанской губернии в семье лесничего. Радо­ стное безмятежное детство прервала тяжелая болезнь, после которой он почти потерял слух. «Глухота делает мою биографию малоинтересной, — напишет позже К. Э. Циолковский, — ибо лишает меня общения с людь­ ми, наблюдения и заимствования. Моя биография бедна лицами и столкновениями».

Но быть может, именно недуг сделал из него боль­ шого ученого. Юноша занимается самообразованием, чи­ тает книги по математике и естествознанию. Отец отпра­ вил его в Москву.

«Я помню отлично, — вспоминал ученый,-—что кроме воды и черного хлеба у меня тогда ничего не было...», «зато покупал книги, трубки, ртуть, серную кислоту и прочее», ставил опыты, мастерил самодельные аппараты, штудировал начальную и высшую математику.

«Особенно меня мучил такой вопрос, — писал К. Э. Циолковский, — нельзя ли 'Применить центробеж­ ную силу, для того чтобы подняться в атмосферу, в не­ бесные пространства?» «Я был так взволнован, даже потрясен, что не спал целую 'ночь, бродил по Москве и все думал о ‘великих следствиях своего открытия. Но уже к утру я убедился в ложности моего изобретения. Разо­ чарование было так сильно, как и очарование. Эта ночь оставила след на всю мою жизнь: через 30 лет я еще вижу иногда во сне, что поднимаюсь на звезды на моей машине и чувствую такой восторг, как и в ту незапамят­ ную -ночь».

В 1879 г. К. Э. Циолковский сдает экстерном экзамен

на звание учителя и начинает преподавать арифметику и геометрию в Боровском уездном училище. В доме он создал маленькую лабораторию. Там сверкали молнии, бегали огни иллюминации, звонили колокольчики. «По­ сетители любовались и удивлялись на электрического осьминога, который хватал всякого своими лапами за нос или за пальцы, и тогда у попавшего к нему волосы становились дыбом и выскакивали искры из любой ча­ сти тела».

С 1885 г. ученый-самоучка стал заниматься воздухо­ плаванием. Поразительно: без специальной литературы,

утомленным, так как большую часть сил оставлял там. Только к вечеру я мог приняться за свои вычисления и опыты. Как же быть?»

Та же проблема, которая мучает и давит каждого из нас ежедневно, ежечасно: где взять время?

К. Э. Циолковский: «И я придумал вставать чуть свет, и, уже поработавши над своим сочинением, отправиться в училище». (Заметим кстати: точно так же поступал замечательный педагог, ученый, Герой Социалистическо­ го Труда В. А. Сухомлинский. Он, как и Циолковский, здоровьем не блистал, был покалечен на войне, знал, что ему отмерено немного.)

В 1903 г. в журнале «Научное обозрение» ученый публикует статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Мало кто в то время заметил и оценил этот труд. Константина Эдуардовича считали чудаком, идеалистом, мечтателем. А в упомянутой ста­ тье содержалась теория полета ракеты, обосновывалась возможность межпланетных сообщений. Более того, уче­ ный давал указания практикам: показал, например, ка­ ким должно быть сопло ракетного двигателя, дал другие важные технические решения.

К. Э. Циолковский первым предложил использовать на борту ракет жидкий кислород. В упомянутом труде он писал: «Жидкий кислород и такой же водород, выка­ чиваемые из своих резервуаров, в известном отношении, в узкое качало трубы и соединясь тут понемногу, могут дать прекрасный взрывчатый материал» (рис. 9). «Я не знаю ни одной группы тел, которая при своем химиче-

36

в

Рис. 9. Схема ракеты, работающей на жидком кислороде и жидком водороде (рисунок К. Э. Циолковского)

ском соединении выделяла бы на единицу массы полу­ ченного продукта такое огромное количество энергии». Но даже в книгах, вышедших сразу после Великой Оте­ чественной войны, идеи К. Э. Циолковского представля­ лись как фантастические. Когда-то что-то еще будет. А ведь уже при жизни ученого существовали газодина­ мическая лаборатория (ГДЛ), группа изучения реактив­ ного движения (ГИРД) во главе с С. П. Королевым.

Лаборатория ГИРДа помещалась в Москве, около Красных ворот, в подвале на Садово-Спасской. Чтобы испытать ракету на полигоне в Нахабино, ее запаковыва­ ли в рогожу и везли сначала на трамвае, потом в элект­ ричке. Жидкий кислород брали на заводе «Сжатый г аз». Так как он быстро испарялся, для его перевозки «выби­ вали» полуторку Осоавиахима.

При испытаниях замерзал кислородный клапан, про­ горало сопло. Отказывало все, что может отказать. В июне и июле 1933 г. было 13 горячих пусков. Все не­ удачные. В успех уже почти никто не верил: «никогда не

сгущенном бензине успешно стартовала. Вот протокол испытаний: «Постепенно увеличивая скорость, ракета достигла высоты 400—500 м, где, дав одно-два качания, завалилась и пошла по плавной кривой в соседний лес

иврезалась в землю. Весь полет продолжался 13 с».

Встенгазете ГИРДа «Ракета» С. П. Королев пи­ сал: «Первая советская ракета на жидком топливе пу­ щена... начиная с этого момента советские ракеты долж­ ны летать над Союзом Республик». До прорыва в кос­ мос оставалось чуть меньше четверти века.

37

Королев, М. К. Янгель, В. Н. Челомей и другие осуще­ ствили ее на практике в многоступенчатых ракетах-носи­ телях, работающих на жидком кислороде: Р-7, «Восток», «Союз», «Протон», «Энергия». К. Э. Циолковский наме­ тил поистине грандиозную программу усовершенствова­ ния реактивных аппаратов из десяти пунктов. Любопыт­ но, что более половины программы блестяще осуще­ ствлено на практике. Так, в пункте 6 сказано: «Основа­ ние подвижных станций вне атмосферы (вроде малень­ ких и близких к Земле лун)». Когда писались эти стро­ ки, одна такая «луна» — орбитальный научно-исследо­ вательский комплекс «Салют-7» — «Союз Т-13» — «Кос­ мос 1669» — уже кружилась над планетой. Заметим, что последним, десятым, пунктом К. Э. Циолковский поста­ вил «распространение человеческого рода по всей нашей Солнечной системе» и даже расселение по всему Млеч­ ному Пути.

Ученый приветствовал Октябрьскую революцию. Страна Советов в день 75-летия наградила К. Э. Циол­ ковского орденом Трудового Красного Знамени. В 1919 г. он был избран членом Социалистической академии. «Я интересовался тем, что не давало мне ни хлеба, ни силы, но я надеюсь, что мои работы — может быть, ско­ ро, а может быть, и в отдаленном будущем — дадут об­ ществу горы хлеба и бездну могущества» — так сформу­ лировал замечательный ученый смысл своей жизни.

ПЕТР ЛЕОНИДОВИЧ КАПИЦА

Петр Леонидович Капица (1894—1984) родился в Кронштадте в семье генерала. После реального учи­ лища учился в Санкт-Петербургском политехническом институте. Научным руководителем студента Капицы стал Абрам Федорович Иоффе, будущий академик, вос­ питавший целую плеяду выдающихся советских ученых.

После Великой Октябрьской социалистической ре­ волюции многие буржуазные семьи эмигрировали, но сын генерала остался в голодном Петрограде. Нелегко скла­ дывалась его жизнь в те тяжелые годы. Когда П. Л. Ка­ пица лежал в больнице, случилось огромное несчастье: заболел и умер его первый ребенок, затем скончалась от вторых родов жена, вскоре умер родившийся второй

38

ребенок. Как было пережить такое горе?

А. Ф. Иоффе решил увезти молодого человека из Пет­ рограда. Вдвоем они отправились за границу для закуп­ ки лабораторного оборудования. После осмотра извест­ ной Кавендишской физической лаборатории в Кембрид­ же Иоффе попросил Эрнеста Резерфорда оставить Ка­ пицу на некоторое время для стажировки.

Великий физик встретил молодого ученого из Страны Советов настороженно. Но вскоре их отношения нала­ дились: стажер прошел физический практикум не за 2 положенных года, а за 2 недели и стал его любимым учеником. П. Л. Капица увлекался многими проблемами. Для исследования элементарных частиц было необходи­ мо искривлять их траектории с помощью магнитных по­ лей, в 10 раз превосходящих существующие. Ученый ре­ шил проблему чрезвычайно остроумно: магнитные поля создавались лишь на короткие мгновения, сотые доли секунды, во время которых проводились измерения. Ос­ нователь кибернетики Норберт Винер, посетив лабора­ торию, где работал П. Л. Капица, увидел «специальные мощные генераторы, которые замыкались накоротко, со­ здавая токи огромной силы, пропускавшиеся по массив­ ным проводам: провода шипели и трещали, как рассер­ женные змеи, а в окружающем пространстве возникало магнитное поле колоссальной силы». Понемногу кП.Л. Капице вернулось жизнелюбие. На досуге он увлекался шахматами и лихо гонял на мотоцикле, распугивая кур на тихих улицах английских селений.

В 1934 г. ученый возвратился на Родину. На тогдаш­ ней окраине Москвы, на Ленинских горах, он выбрал место для своего института. Резерфорду было жалко расставаться с оборудованием своей самой современной самой оснащенной лаборатории. Но для любимого уче­ ника он сделал исключение: «Эти машины не могут ра­ ботать без Капицы. А Капица не может без них». Совет­ ское правительство покупает оборудование за 30 тыс. фунтов стерлингов. В том же году ученый создал гелие­ вый ожижитель с детандером, который работал при тем­ пературе лишь на 10 градусов выше абсолютного ну­ ля. Некоторые ожижители П. Л. Капицы действуют без использования жидкого азота или жидкого водорода для предварительного охлаждения.

В 1937 г. Петр Леонидович открывает явление сверх­ текучести жидкого гелия.

39