Теперь, предлагает Дедал, рассмотрим этот процесс на атомарном уровне. Если один атом железа ударится в железную пластину, он останется в ней, а цепочка межатомных столкновений, пробежав сквозь всю толщину пластины, приведет к отделению одного атома с обратной стороны. Межатомные столкновения можно считать идеально упругими, поэтому энергия внутри пластины не рассеивается, сколько бы атомов ни участвовало в этой серии столкновений. Более того, соударения в кристаллической решетке самоцентрируются, поэтому участвующие в столкновениях атомы расположены вдоль прямой. Атомное сверло, изобретенное Дедалом, представляет собой тугую «струю» металлического пара, направляемую на обрабатываемую поверхность. Скорость струи железного пара составляет примерно 800 м/с, что намного превышает скорость артиллерийского снаряда; еще лучше использовать пучок положительно заряженных ионов. Пучок ионов можно фокусировать и направлять в нужную точку, используя приемы, хорошо известные в масс-спектроскопии. Приложив к обрабатываемой детали отрицательный потенциал, ионы в пучке можно разгонять до значительных скоростей. Ударяющиеся о поверхность атомы будут наслаиваться на поверхности, постепенно образуя столбик «конденсата»; с обратной же стороны станет образовываться отверстие, углубляющееся по мере того, как оттуда выбиваются атомы. Наблюдая за работой «атомного сверла», оператор будет видеть, как из заготовки навстречу падающему пучку атомов постепенно «вытягивается» столбик металла, пока, наконец, этот столбик не вываливается из отверстия. Пучок атомов, «испаряющихся» с обратной стороны заготовки, будет, естественно, иметь те же направление, форму и энергию, что и первоначальный пучок, — соответственно его можно использовать для обработки другой детали, установленной позади первой. По сути, одним пучком можно одновременно сверлить отверстия в любом количестве заготовок, сложенных пакетом. Форма отверстия определяется просто формой сечения, которое мы придадим пучку атомов или ионов. Поэтому «атомное сверло» будет наиболее полезно при изготовлении некруглых отверстий, в особенности узких щелей, которые невозможно получить никаким другим способом. Не составит труда даже получить с его помощью отверстие диаметром всего в несколько атомов[25].
New Scientist, September 18, 1969.
Распространение цепочки межатомных столкновений в твердом теле рассмотрено в статье Р. Силсби (Journal of Applied Physics, 28(11), 1957, p. 1246). Автор приходит к замечательному выводу: цепочка столкновений между шариками радиуса r, выложенными по прямой на расстоянии d один от другого, будет самоцентрирующейся, если d < 2r (это условие всегда выполняется для атомов в кристаллической решетке). Небольшое отклонение первоначального удара от центрального уменьшается от удара к удару, пока, наконец, столкновение не станет строго центрированным. Это подтверждается и опытом с монетками. Поэтому тепловые движения атомов, незначительные дефекты решетки и т. д. не препятствуют распространению цепочки соударений на большое расстояние. Несмотря на это, процесс, конечно, лучше вести при возможно более низкой температуре. Осуществить это не очень сложно, поскольку работу с атомными или ионными пучками все равно необходимо производить в условиях вакуума.
Водопровод-опреснитель
Во многих странах водопроводная питьевая вода — роскошь, доступная немногим; даже в Англии она обходится все дороже. Дедал вспоминает о предложении экономить пресную воду, прокладывая параллельно две трубы, по одной из которых подается морская вода для хозяйственных нужд. Теперь Дедал придумал более совершенную конструкцию, основанную иа известном свойстве габардиновых плащей задерживать воду, но пропускать водяные пары. Дедал предлагает разделить водопроводную трубу на два «этажа» горизонтальной габардиновой перегородкой и пустить по верхней половине морскую воду, а по нижней — пресную. Водонепроницаемая перегородка надежно отделит пресную воду от морской. Однако если температура морской воды выше, чем у пресной, хотя бы на 0,4°C, то давление ее паров превысит давление паров пресной воды и чистый водяной пар начнет просачиваться сквозь габардиновую перегородку в полость с пресной водой, пополняя ее запас. Разность температур в 0,4°C (и больше) между верхней и нижней частями трубы поддерживать нетрудно: надо проложить трубу так, чтобы нижняя ее половина находилась в грунте, а верхняя омывалась теплым приземным воздухом.
Водопровод-опреснитель
Многие тысячи километров таких труб, входящих в государственную систему водоснабжения, будут играть роль огромного рассредоточенного опреснителя, не требующего топлива. Соленая вода, поступающая в этот водопровод, по пути опресняется и доставляется потребителям. (Наряду с пресной водой потребители будут также в обязательном порядке получать крепкий рассол, который можно использовать для хозяйственных нужд, например в туалетах.) Дедал разрабатывает также проект аналогичного опреснителя для морских путешествий. Опреснитель представляет собой просто габардиновую байдарку, буксируемую в ночное время за кораблем. Небольшие объекты, находящиеся на открытом воздухе, испытывают в ночное время интенсивное радиационное охлаждение, тогда как температура моря вследствие огромной тепловой инерции днем и ночью отличается незначительно. Поэтому водяной пар будет проникать сквозь ткань и конденсироваться в байдарке в пресную воду, которую выкачивают оттуда на рассвете. Чрезмерно высокая эффективность подобной конструкции может, однако, привести к печальным последствиям: за ночь в лодку наберется так много воды, что она затонет.
New Scientist, August 9, 1979
Бытовой распределитель, обеспечивающий пропорциональный расход соленой воды
В морской воде содержится 3,6 % растворенных веществ, в основном поваренной соли. Допустим для простоты, что морская вода представляет собой чистый раствор поваренной соли. Тогда на 1 кг массы морской воды приходится 964 г воды (53,5 молей) и 36 г соли (0,615 молей). В растворе соль полностью диссоциирует на Na+ и Cl-, так что в действительности раствор содержит 1,23 молей ионов, а молярная концентрация воды составляет χводы = 53,5 / (53,5 + 1,23) = 0,978. Согласно закону Рауля, давление паров морской воды должно тогда составлять 97,8 % от давления паров пресной воды при той же температуре.
Зависимость давления насыщающих паров жидкости от температуры дается уравнением Клапейрона — Клаузиуса dlnp/dT = ΔH/RT2, где ΔH — скрытая теплота испарения жидкости, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура. Подставляя числовые значения параметров для воды при 20°C ΔH = 44200 Дж/моль и Т = 293 К, получим dlnp/dT ≈ σlnp/σr = 44200 / (8,314 × 2932) = 0,0619 К-1, или σT = σlnp/0,0619 K.
Чтобы давление паров морской воды было равно давлению паров пресной воды, мы должны поднять температуру морской воды на величину σT, соответствующую увеличению давления паров в p2/p1 = 1/0,978 = 1,0225 раз. Тогда σlnp = lnp2 - lnp1 = ln1,0255 = 0,0255 и σT = 0,0225/0,0619 = 0,36 град.
Разность температур воздуха вблизи поверхности Земли и самой поверхности во много раз больше, так что наша конструкция вполне работоспособна. Уже при разности температур в два градуса из морской воды будет испаряться до 80 % влаги, так что в верхней половине трубы останется концентрированный 16 %-ный рассол. Таким образом, подобный опреснитель будет давать 4–5 л пресной воды на каждый литр рассола.
25
По-видимому, идея сверления паром навеяна автору электроэрозионным способом сверления отверстий, при котором металл испаряется в масляной среде под действием электрического заряда. Этот метод, разработанный в СССР, позволяет сверлить отверстия любой формы и глубины, пары металла оседают в масле и не создают «цепочки атомных столкновений». Эти методы были разработаны в СССР Н. И. Лазаренко и Б. Р. Лазаренко в 1943 г., а так называемый импульсный метод — М. М. Писаревским в 1948 г. (см. [19]). —