Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

Для глубоких шахт, где уголь залегает более монолитным слоем, Дедал предлагает другой способ добычи. Дедал вспоминает, что свежесколотая поверхность угля спонтанно окисляется на воздухе (бывают даже случаи самопроизвольного возгорания угля в забое) и что при высокой температуре уголь размягчается. За счет реакции окисления угля растворитель, предварительно насыщенный кислородом, будет нагреваться, и чем выше становится его температура, тем быстрее идет реакция. Вследствие огромного гидростатического давления на дне шахты точка кипения растворителя поднимется не менее чем до 300°C, что приведет к значительному размягчению угля. Когда же растворитель, наконец, вскипит, начнется выброс жидкости из шахты, гидростатическое давление упадет, произойдет взрывоподобное закипание и извержение перегретой жидкости — как в природном гейзере. Вырвавшийся на поверхность столб кипящего растворителя будет содержать куски угля из разрушенного пласта. После этого в шахту заливают холодный растворитель, и процесс повторяется сначала. Угольные компании не только смогут снизить затраты на добычу угля, но и начнут получать доход от туристов, горящих желанием посмотреть на величественные угольные фонтаны.

New Scientist, November 2, 1978

Плотность угля составляет в среднем 1400 кг/м3. Это меньше плотности перхлорэтилена C2Cl4 (1620 кг/м3), используемого для химической чистки. Стало быть, уголь будет плавать в этой жидкости! Отсюда следует:

Добыча угля с помощью растворителя. Необходимо заложить две шахты — одну к нижнему горизонту угольного пласта, другую — к верхнему; соединить эти шахты туннелем, проходящим сквозь пласт, и закачивать тяжелый растворитель в более глубокую шахту. По мере разрушения угольного пласта куски угля будут всплывать на поверхность в другой шахте.

Угольный гейзер для глубинных шахт. Пусть шахта глубиной 1000 м заполнена перхлорэтиленом. Давление внизу составляет величину p = ρgh = 1620 × 9,81 × 1000 = 1,6 × 107 Н/м2 ~ 160 атм. Растворимость кислорода в перхлорэтилене при температуре 20°C и давлении 1 атм составляет 0,19 объемных долей, или 1,67 × 104 массовых долей. При давлении в 160 атм растворимость, грубо говоря, возрастет в 160 раз и составит 0,03 массовой доли.

Как сильно нагреется растворитель, если весь кислород прореагирует с углем? Реакцию окисления угля можно записать в виде

С7H5О0,3(0,1 кг) + 8,6 02 (0,275 кг) -> 7,5 СО2 (0,ЗЗкг) + 2,5 Н2O (0,045 кг); ΔH = -3,5 МДж.

При 160 атм 0,275 кг кислорода содержится в m = 0,275/0,03 = 9,2 кг перхлорэтилена. Принимая удельную теплоемкость перхлорэтилена постоянной во всем диапазоне температур и равной С = 1000 Дж/кг×град, а также пренебрегая тем, что растворитель содержит примерно 4% примесей (воды и углекислого газа), получим: ΔT = -ΔH/mC = 3,5 × 106 / (9,2 X 1000) = 380°C. Иначе говоря, температура растворителя поднимется за счет реакции от 20°C до 400°C! Такой результат очень обнадеживает. При нормальном давлении перхлорэтилен кипит при 121°C, а его критическая температура равна всего лишь 340°C. Можно предположить поэтому, что, запустив в шахту насыщенный кислородом перхлорэтилен, мы превратим ее в потенциальный гейзер, на дне которого перегретый растворитель будет находиться под давлением в сверхкритическом состоянии. Растворитель в сверхкритическом состоянии обладает мощной разрушительной силой и проявляет исключительную реакционную способность по отношению к углю (на этом, в частности, основаны некоторые современные способы приготовления жидкого топлива из угля). Чтобы привести такой гейзер в действие, достаточно через отдельную скважину закачать дополнительное количество кислорода в зону реакции. Это ускорит процесс окисления, и температура в зоне реакции будет повыщаться до тех пор, пока локальное давление не превысит 160 атм и не произойдет мощный выброс растворителя, смешанного с углем. Затем оставшаяся в шахте жидкость устремится в зону реакции, разрушая угольный пласт. Теперь нужно только долить в шахту собранный и отфильтрованный растворитель и повторить весь цикл сначала[24].

Сверление отверстий представляет собой одну из самых несовершенных технологических операций. Обычным вращающимся сверлом бывает подчас очень сложно получить глубокие или тонкие отверстия, а также отверстия некруглой формы. Размышляя над усовершенствованием этой операции, Дедал вспомнил, что при попадании снаряда в броневую плиту с обратной стороны ее нередко откалывается кусок металла. Причину этого легко понять, проведя простой опыт. Выложим в ряд несколько одинаковых монет и «выстрелим» еще одной монетой в крайнюю монету ряда вдоль его направления. После удара монета, лежащая с противоположного конца, отделится от остальных: по ряду монет пробежала цепочка столкновений. Если выстрелить в торец ряда одновременно двумя монетами, то с другого конца отделятся две монеты; это значит, что по выложенным в ряд монетам пробежала двойная цепочка столкновений. Поскольку бропеплита состоит из атомов, удар снаряда с одной стороны плиты порождает в ее толще миллионы межатомных столкновений, которые, пробегая сквозь плиту, вызывают отделение миллионов атомов с обратной стороны плиты.

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.

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.