Следует, применить комбинацию способов (б) и (в). Изучив имеющиеся данные (см. рис.), можно прийти к выводу, что оптимальное решение дает шар, заполненный аммиаком, в котором избыточное давление равно 0,1 атм.
Изменение плотности атмосферы и находящегося с ней в тепловом равновесии аммиака в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Горизонтальная ось проградуирована также в значениях температуры Т и давления р.
A. При давлении, равном давлению окружающей среды, плотность аммиака на всех высотах меньше плотности воздуха, но ниже плотности, необходимой для конденсации аммиака.
Б. При избыточном давлении 0,1 атм аммиак на всех высотах имеет плотность, меньшую, чем воздух, пока не конденсируется на высоте 10,5 км.
B. При избыточном давлении 0,2 атм плотность аммиака оказывается равной плотности воздуха на высоте 9 км (подъемная сила становится равной нулю), т. е. на высоте чуть ниже той, где аммиак превращается в жидкость.
Г. Шар постоянного объема, наполненный аммиаком под давлением 1 атм, будет подниматься до тех пор, пока на высоте 5 км плотность аммиака не сравняется с плотностью воздуха; если при помощи дополнительного гелиевого аэростата поднимать шар дальше, то аммиак сконденсируется на высоте 8 км.
Какой подъемной силой обладает такой воздушный шар? Для простоты будем считать избыточное давление в 0,1 атм постоянным и не станем вводить в рассмотрение гелиевый баллон. Тогда при температуре 15°C и нормальном давлении плотность аммиака равна 0,73 кг/м3, а при давлении 1,1 атм — 0,80 кг/м3. Плотность воздуха на уровне моря равна 1,23 кг/м3, так что подъемная сила на 1 м3 аммиака составит 12,3 – 8,0 = 4,3 Н, или 5,4 Н на 1 кг аммиака.
На высоте, где происходит конденсация аммиака (примерно 10500 м), плотность воздуха равна 0,39 кг/м3, а давление составляет 0,24 атм. Давление внутри шара равно соответственно 0,34 атм. Температура на этой высоте составляет -55°C, так что аммиак начнет конденсироваться в жидкость (при давлении 0,34 атм температура конденсации аммиака равна -53°C). Плотность газообразного аммиака при указанных условиях составляет 0,32 кг/м3; подъемная сила равна 3,9 – 3,2 = 0,7 Н на 1м3, или 2,2 Н на 1 кг аммиака: по сравнению с подъемной силой на уровне моря она уменьшилась почти вдвое. Таким образом, чтобы шар мог достигнуть высоты, на которой сконденсируется аммиак, масса оболочки и полезного груза в расчете на 1 кг аммиака не должна превышать 200 г. (Конечно, при использовании дополнительного баллона с гелием эти требования будут менее жесткими.)
Сможем ли мы изготовить упругую оболочку с требуемыми параметрами? Избыточное давление внутри упругой оболочки с поверхностным натяжением y определяется как р = 2у/r; если натяжение у пропорционально радиусу (идеальная упругость), то избыточное давление не зависит от радиуса, — для начала это неплохо. У детского воздушного шарика толщина оболочки увеличивается с уменьшением радиуса и поверхностное натяжение остается высоким — соответственно с уменьшением радиуса избыточное давление внутри повышается, что нам и нужно. Некоторые осложнения возникнут, конечно, из-за того, что эластичность оболочки зависит от температуры, но в целом идея выглядит реальной. Объем шара во время подъема увеличивается в 2,5 раза (плотность аммиака уменьшается от 0,80 до 0,32 кг/м3). Соответственно линейное растяжение оболочки составит всего лишь 2,51/3 = 1,36, или 36 %. Это не слишком много.
Конструкция теплового планера. Подъемную силу аммиака, конечно, нельзя даже сравнить с подъемной силой гелия. Поэтому в конструкции теплового планера придется абсолютно исключить жесткий каркас. В свое время фирма «Гудьир» изготовила надувной резиновый планер — это наиболее подходящая форма для нашего планера, в котором требуется поддерживать небольшое избыточное давление. Необходим также какой-то стабильный надувной остов, иначе после конденсации аммиака планер превратится в бесформенную груду мокрой резины. Идеальным решением, по-видимому, будет остов, заполненный гелием, на который натянута эластичная оболочка, заполненная аммиаком. Такая конструкция имеет дополнительное достоинство: можно так спрофилировать крылья планера, что в надутом состоянии они будут наилучшим образом отвечать условиям «планирования» вверх, а в спущенном (когда наружная оболочка плотно обтягивает остов) обеспечат плавное снижение. Это куда лучше, чем всякий раз переворачивать планер вверх ногами[21].
«Медные яблоки солнца»[22]
Планы компании «Рио-Тинто цинк» начать карьерную добычу медной руды в Сноудонском национальном заповеднике вызвали множество протестов (New Scientist, 12, 1970, p. 317). Однако нам, по-видимому, предстоит все чаще сталкиваться с подобными явлениями по мере того, как наша добывающая промышленность будет все острее ощущать оскудение запасов и одновременно снижение качества природного сырья (сноудонская руда, к примеру, содержит всего 0,5 % меди). При таком положении дел мы скоро начнем лихорадочно перелопачивать тысячи гектаров земли в поисках жалких остатков руды. Но чтобы извлечь из почвы 0,5 % ее содержимого, совсем не обязательно разрушать ее плодородный слой. Дедал вспоминает, что во многих исследованиях миграции пестицидов и радиоактивных отходов отмечалась способность некоторых организмов накапливать эти вещества. Поэтому специалисты по сельскому хозяйству фирмы КОШМАР выводят новые сорта «металлоносных деревьев», которые должны со временем вытеснить карьерные разработки как способ добычи полезных ископаемых. Селекционеры подбирают подходящие растения (скажем, горох, который и сам по себе содержит значительное количество меди) и высаживают их в грунт, содержащий радиоактивные изотопы и высокий процент меди, надеясь таким образом получить мутантные сорта, обладающие повышенной способностью извлекать медь из почвы. Если повезет, то этот химический элемент может даже стать жизненно необходимым для растения, например, частично заменит магний в хлорофилле, что в свою очередь должно повысить эффективность фотосинтеза за счет использования дополнительных областей солнечного спектра.
Конечной целью Дедала является «металлическое дерево», которое своей развитой корневой системой пронизывает почву, извлекая из нее тот химический элемент, на который оно «настроено». Такое дерево будет приносить «тяжелые плоды», состоящие почти целиком из металла, очень удобные для сбора, но опасные для птичек и новоявленных Ньютонов. Плантация таких деревьев, созданная, например, на месте предполагаемых вырубок в Сноудонском национальном заповеднике, позволит получать 105 меди на квадратную милю в год при росте корней в глубину всего на метр в год. Удобрение же почвы измельченным медным ломом (старыми телевизорами, патронными гильзами, медными спинками кроватей и т. п.) обеспечит эффективную переработку ценного цветного металлолома. При проектировании новых изделий это избавит от необходимости задумываться над вопросом, насколько они будут удобны для переработки, когда попадут в утиль[23].
New Scientist, December 17, 1970
Очень многие растения способны извлекать металлы из почвы. Нередко эти растительные «супераккумуляторы» растут там, где другие растения не выживают из-за высокого содержания металла в почве. Извлекая металл из почвы, такие растения превращают его в безвредные для себя химические соединения и накапливают их в тканях.
21
В принципе тепловой планер мог бы использовать разность температур у поверхности Земли и на высоте порядка 10000 м, однако передвижение его в заданном направлении было бы затруднительно, поскольку естественные движения воздуха обусловлены теми же разностями температур. —
22
Намек на строку из стихотворения ирландского поэта У. Йитса (1865–1939), которая послужила названием рассказа Р. Брэдбери «Золотые яблоки Солнца» —
23
Интересно отметить, что накопление металлов в растениях существенным образом зависит от микрофлоры почвы, которая переводит металлы в растворимую форму, пригодную для усвоения растениями. Микрофлора играет важную роль и в переработке горючих ископаемых. Еще академик Вернадский считал, что микроорганизмы являются мощными агентами преобразования горных пород. В настоящее время бактериальной переработке руд уделяется большое внимание, причем обычно стремятся получить металлы в растворимой форме. Нет сомнения, что извлечение металла (например, свинца) растениями может иметь большое значение и с экологической точки зрения (см. [16] — |18]). —