New Scientist, July 12, 1973
Энергия, получаемая при таянии льда. Для получения полезной мощности в Р Вт от теплового двигателя с кпд η необходим приток тепла Q = Р/η. Пусть это тепло создается за счет таяния льда; тогда скорость таяния должна составлять m = Q/λ = Р/ηλ кг/с, где λ — скрытая теплота плавления льда. Если температура льда 0°C, а температура океана 10°C, то максимальный (теоретический) кпд η = (Tводы - Tайсб.)/Tводы = 10/283 = 0,035 = 3,5 %. Учитывая, что λ = 3,3 × 105 Дж/кг, а требуемая полезная мощность составляет по предположению Р = 500 МВт, мы получим скорость таяния m' = Р/ηλ = 5 X 108 / (0,035 × 3,3 × 105) = 43000 кг/с = 43 т/с.
Айсберг размером 10 км × 2,5 км × 250 м имеет подводную поверхность A = 5,6 км2 (боковые грани) + 25 км2 (низ) = 30,6 км2 ≈ 3×107 м2. Тогда, принимая плотность льда равной 920 кг/м3, получим, что ежесекундно должен стаивать слой толщиной x' = m'ρA = 43000/(920 × 3,0 × 107) = 1,5 мкм/с, что более чем скромно.
Соответствующий тепловой поток на единицу площади подводной поверхности айсберга равен Q' = Q/A = Р/ηА = 5 × 108 / (0,035 × 3,0 × 107) = 480 Вт/м2.
В теплообменниках с водяной рубашкой тепловой поток в несколько раз больше даже при разности температур, гораздо меньшей 10°C. Поэтому естественная скорость таяния, по всей вероятности, окажется много больше, чем 43 т/с, что позволит получать мощность в 500 МВт даже в том случае, если кпд будет гораздо ниже теоретического значения. Айсберг таких размеров обладает массой приблизительно в т = 6×1012 кг, так что его время жизни при расчетной скорости таяния можно оценить в t = m'/m = 1,4×108 с, или около 5 лет (!). По оценкам американских ученых время жизни айсберга составляет не менее одного года.
Техническая реализация «самоходного» айсберга. Существует два возможных пути:
а. Взрывом отколоть угол в кормовой части айсберга и дожидаться возникновения тяги за счет обтекания айсберга талой водой.
б. Поместить большой груз в носовую часть айсберга. Тогда вся нижняя поверхность айсберга наклонится и начнется ток пресной талой воды к корме. Как только айсберг начнет двигаться, оптимальная форма подводной части будет поддерживаться автоматически. Перемещая груз, можно управлять движением айсберга. К сожалению, для этого способа потребуется груз массой в миллионы тонн, а на его перемещение айсберг будет реагировать довольно медленно.
а–в. Изменение подводных очертаний айсберга и направление импульса, возникающего результате таяния подводной части при некотором начальном угле среза «кормы».
г. Нагружение «носовой части» айсберга, обеспечивающее возникновение тяги со всей нижней поверхности айсберга.
Этот проект возник под впечатлением от сообщения Н. Хоукса в газете The Observer от 3 июня 1973 г., где было дано краткое изложение статьи У. Уикса н У. Кэмпбелла о буксировке айсбергов из Антарктиды в Австралию или Южную Америку для орошения земель. С тех пор подобные идеи высказывались неоднократно. Так, в 1980 г. журнал Annals of Glaciology (vol. 1) опубликовал труды Кембриджской конференции по научно-техническим основам использования айсбергов. Сюда вошли даже работы по динамике таяния движущихся айсбергов — правда, авторы (X. Хупперт и Дж. Най) изучали возможность опрокидывания буксируемого айсберга, а не его способность самостоятельно перемещаться.
Я не могу расстаться с этой темой, не воздав должное ее истинному первооткрывателю, неутомимому изобретателю и грозе британского патентного ведомства Артуру Полу Педрику. Среди сотен эксцентрических изобретений, которые он обрушил на ошеломленных чиновников патентного бюро в 60–70-е годы, было изобретение, запатентованное под номером 1047 736 от 15 октября 1965 г. Это проект орошения Австралии с помощью гигантских «снежков», которые скатывают в Антарктиде, а затем переправляют в Австралию по трансконтинентальным трубопроводам, специально проложенным для этой цели. Мне остается только молча склонить голову.
Полые молекулы
Существует любопытный разрыв между значениями плотности газов (порядка 0,001 г/см3), с одной стороны, и жидкостей и твердых тел (от 0,5 до 25 г/см3) — с другой. Размышляя над тем, как заполнить этот разрыв, Дедал пришел к идее полой молекулы. Такая молекула могла бы представлять собой замкнутую сферическую оболочку плоской полимерной молекулы, подобной «молекуле» графита, имеющей плоскую гексагональную структуру — нечто вроде сетки с шестиугольными ячейками. Дедал предлагает модифицировать процесс высокотемпературного синтеза графита путем введения соответствующих примесных атомов или молекул, что вызвало бы изгиб плоской структуры (подобным образом с помощью примесей добиваются нужной структуры полупроводникового кристалла). Искривление плоского листа в конечном счете приведет к смыканию растущих краев и образованию замкнутой поверхности. Радиус пустотелой молекулы будет зависеть от количества введенной примеси. По расчетам Дедала, вещество, состоящее из полых молекул радиусом 0,05 мкм, будет иметь плотность около 0,04 г/см3, т. е. что-то среднее между плотностью жидкости и плотностью газа; такое вещество можно рассматривать как некое «пятое состояние» вещества. Эти гигантские молекулы (с молекулярной массой до 100 млн. единиц) едва ли способны «испаряться», а взаимодействовать между собой они будут так слабо, что подобное «состояние» вещества нельзя будет отнести ни к газообразному, ни к жидкому. Скорее всего, его можно рассматривать как «разреженную» жидкость, не улетучивающуюся из открытого сосуда, но и не принимающую его форму; при нагревании это вещество будет расширяться и переходить (не закипая) в газообразное состояние.
Столь замечательные вещества, безусловно, найдут множество применений — они открывают путь к созданию новых конструкций барометров и автомобильных амортизаторов, к новым принципам ожижения; вероятно, они окажутся идеальными смазочными материалами, обладающими, помимо ничтожно малой вязкости, еще и «эффектом шарикоподшипника». Вначале Дедал беспокоился, что внешние нагрузки приведут к деформации этих молекул, но затем понял, что, если их синтезировать в нормальной атмосфере, они будут упругими, как крошечные мячики. Теперь Дедал ищет способ оставлять в оболочках этих молекул небольшие «окошки», благодаря чему они могли бы поглощать молекулы внешней среды или обмениваться своим содержимым со средой, действуя как исключительно эффективные молекулярные сита. Таким образом, они могли бы накапливать внутри себя молекулы внешней сферы в количестве, в сотни раз превышающем их собственный вес.
New Scientist, November 3, 1966
Будет ли полая молекула стабильной? Есть вероятность, что под внешним воздействием она легко деформируется и «сплющится», изменив свою форму примерно так, как показано на рисунке.
Чтобы молекула была устойчива и не подвергалась такому «выворачиванию», энергия, соответствующая сближению двух полушарий молекулы, должна быть меньше энергии, необходимой для образования экваториального перегиба. Попробуем оценить величину каждой из этих энергий.
а. Сила, необходимая для поворота химической связи на угол θ относительно равновесного положения, равна krθ, где r — длина связи, k — константа жесткости химической связи, а соответствующее значение энергии равно 1/2k(rθ)2. Чтобы «вывернуть» полую молекулу, необходимо повернуть все связи вдоль «экватора» на 180°, или π радиан. При длине «экватора» 2πR (где R — радиус молекулы) и расстоянии между отдельными атомами r (длина связи между атомами в плоской решетке) число повернутых связей составляет 2πR/r, а необходимая для «выворачивания» молекулы энергия равна Eвыв = (2πR/r) × (1/2kr2π2) = π3kRr.