Гидрокостюм

Дедал увлекается подводным плаванием, но считает, что существующее снаряжение оставляет желать лучшего. Он предлагает противопоставить основным врагам подводника — холоду и отсутствию воздуха для дыхания — свое новое изобретение: гидрокостюм. Эту идею подсказали ему современные водоотталкивающие ткани, которые не смачиваются водой, но пропускают воздух. По расчетам Дедала, водоотталкивающая ткань с порами диаметром примерно в микрон останется водонепроницаемой даже при гидростатическом давлении в 1 атм. Поэтому он предлагает изготовить для гидрокостюма многослойную ткань из силиконовых волокон диаметром в 1 мкм. Такая ткань по внешнему виду и теплоизоляционным свойствам напоминает шерстяную, однако полностью непроницаема для воды (хотя пропускает воздух и водяной пар).

Костюм из такой ткани защищает тело подводника, а на голову надевается прозрачный круглый шлем, герметично соединенный с гидрокостюмом. Воздух поступает в шлем через множество тонких трубочек, соединяющих его с пористой поверхностью гидрокостюма. Как известно, тонкая пленка из силиконовой резины достаточно проницаема для газов и потому может служить «жабрами», впитывающими растворенный в воде кислород и выпускающими в воду углекислый газ. Дедал утверждает, что свободная поверхность воды в микроскопических порах ткани должна еще лучше пропускать эти газы, так что весь гидрокостюм за счет искривления поверхности жидкости в несмачиваемых порах (площадь поверхности жидкости в нем в несколько раз превышает площадь поверхности ткани) будет служить одной огромной «жаброй». Как лягушка, подводник будет дышать поверхностью всего тела; он будет чувствовать себя одинаково свободно в воде и на суше и сможет погружаться на глубину до 10 м, прежде чем водоотталкивающая ткань под действием гидростатического давления начнет пропитываться водой. Но даже и в этом случае миниатюрный баллон с кислородом, создающий избыточное давление в небольшом свободном объеме внутри гидрокостюма, позволит скомпенсировать действие внешнего давления воды и даст возможность погружаться на более значительную глубину. Впрочем, как и для других обитателей морских глубин, для подводника большую опасность будет представлять загрязнение воды поверхностно-активными веществами, которые ослабляют поверхностное натяжение воды. Вода станет проникать в поры гидрокостюма, и мокрый, продрогший подводник, хватая ртом воздух, постарается быстрее выскочить на поверхность.

New Scientist, November 25, 1976

Какой диаметр должны иметь поры, чтобы ткань не пропускала воду при избыточном давлении в 1 атм (Δр = 10⁵ Н/м²)? Величина поверхностного натяжения воды при 10° C равна у = 0,074 Н/м; таким образом, радиус отверстия в абсолютно несмачиваемой поверхности составляет r = 2y/Δр = 2 × 0,074/105 = 1,5 × 10⁶ м, т. е. диаметр равен 3 мкм. Ткань будет иметь примерно такие поры, если делать ее из волокна, имеющего 1 мкм в диаметре. Однако, вероятно, проще получить микропористую силиконовую пленку.

Какова должна быть площадь поверхности? Площадь поверхности наших легких составляет примерно 30 м². Вообще, легкие представляют собой просто влажную поверхность: кислород растворяется в воде, смачивающей эту поверхность, и диффундирует в кровь. (Когда наши далекие предки вышли из моря на сушу, они захватили с собой некоторое количество воды для дыхания. Мы по-прежнему получаем кислород из воды — просто эту воду мы носим в себе. Занятно!) Можно предположить, что для получения достаточного количества кислорода из воды нам понадобятся те же 30 м² смоченной поверхности. Заметим, однако, что температура легких равна 37° C; объемная растворимость кислорода в воде при этой температуре составляет всего 0,024, тогда как при 10° C она равна 0,038. Поэтому при более низкой температуре, когда концентрация кислорода в воде выше, можно обойтись меньшей дыхательной поверхностью: А = 30 × 0,024/0,038 = 19 м². Далее, кислород лучше растворяется в воде, чем азот, поэтому растворенный в воде воздух уже обогащен кислородом. Известный способ обогащения воздуха кислородом путем аэрации воды позволяет довести концентрацию кислорода до 35 % (в воздухе его содержание составляет 21 %). Поэтому поверхность может быть еще меньше: А = 19 × 21/35 = 11 м². Наконец, поскольку поверхность воды в порах имеет мениск, эффективная площадь поверхности практически удвоится, так что в конечном счете площадь поверхности гидрокостюма не должна превышать А = 5,5 м². На пошив обычного костюма идет, как правило, 2–2,5 м² ткани, — ясно, что не так уж трудно увеличить эту цифру вдвое за счет складок, сборок и рюшек.

Тепловой планер

Современная авиация находится в опасной зависимости от топливных ресурсов, но запасы природного топлива, как мы вынуждены признать, неумолимо истощаются. Даже возвращение к дирижаблям не устранит этой зависимости, а лишь несколько ослабит ее. В то же время, утверждает Дедал, атмосфера сама является источником даровой энергии, если только у нас достанет ума использовать ее. Дедал имеет в виду быстрое понижение температуры воздуха с увеличением высоты над поверхностью Земли: на высоте 7500 м температура падает до -33°C. Далее Дедал отмечает, что газообразный аммиак легче воздуха, но сжижается при -33°C. Можно было бы подумать, что заполненный аммиаком воздушный шар быстро поднимется до высоты 7500 м, а затем аммиак превратится в жидкость и шар потеряет подъемную силу. К сожалению, дело усложняется тем, что атмосферное давление уменьшается с высотой. В силу этого температура сжижения аммиака понижается, причем на любой высоте она оказывается чуть ниже, чем температура окружающего воздуха. Дедал предлагает решить эту проблему, заполнив аммиаком упругую оболочку, внутри которой постоянно будет поддерживаться избыточное давление в 0,1 атм. Это повысит температуру конденсации аммиака настолько, что он сконденсируется на высоте 10,4 км. Правильно рассчитанный воздушный шар будет бесконечно колебаться вверх-вниз: он быстро поднимется до высоты 10,4 км, потеряет подъемную силу из-за конденсации аммиака и будет опускаться в более теплые нижние слои воздуха до тех пор, пока не испарится достаточное количество аммиака, — тогда шар снова пойдет вверх.

Любая автоколебательная система должна обладать достаточной инерцией, чтобы не останавливаться в равновесном состоянии, а довольно быстро проскакивать его. Применительно к заполненному аммиаком воздушному шару это означает, что главной опасностью для него является зависание на некоторой высоте, когда часть аммиака сконденсируется и подъемная сила станет равна нулю. Поэтому Дедал хотел бы, чтобы эластичная оболочка воздушного шара вела себя так же, как резиновая оболочка детского шарика, которая сжимает находящийся внутри газ тем сильнее, чем меньше ее диаметр (именно поэтому приходится особенно сильно дуть, когда только начинаешь надувать шарик). В этом случае, как только аммиак начнет конденсироваться и диаметр оболочки шара станет уменьшаться, давление внутри оболочки увеличится, что приведет к повышению температуры конденсации аммиака. Таким образом, конденсация будет продолжаться и некоторое время после того, как шар войдет в более теплые слои воздуха. Обратная задача — задержка испарения аммиака до тех пор, пока шар не опустится почти до земли, — гораздо проще. Жидкий аммиак будет стекать в нижнюю часть оболочки и собираться в теплоизолированные емкости, в которых его испарение будет задерживаться настолько, насколько это необходимо.

Чтобы довести этот идеальный «вечный двигатель» до реальной конструкции, остается только превратить наш шар в планер. Тогда при движении вниз аппарат будет не падать, а планировать, — даже посредственный планер способен пролететь вперед 20 м на каждый метр потери высоты. Когда же в нижней точке траектории аммиак начнет испаряться, аппарат точно так же станет «планировать» вверх, к высшей точке полета, покрывая за полный цикл движения расстояние в 400 км. Управлять таким планером удобнее всего не с помощью отклоняемых элеронов и рулей, как обычным самолетом, а путем присборивания всего крыла целиком, — именно так братья Райт управляли своим первым аэропланом. Кроме того, управление планером можно осуществлять, изменяя его подъемную силу. В самой верхней точке каждого цикла сжиженный аммиак будет сливаться в герметические баллоны. На меньших высотах аммиак выпускается в оболочку, как только возникает потребность в увеличении подъемной силы. При посадке оболочка не пополняется аммиаком, и аппарат приземляется, как обычный планер. Когда же настанет время опять подниматься в воздух, клапаны открываются, аммиак заполняет оболочку и планер-дирижабль бесшумно отправляется в очередной полет.