Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

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.

Существует, правда, неприятная деталь: ночью (особенно в ясные холодные ночи) разность температур меняет знак: верхняя половина трубы становится холоднее нижней и пресная вода начинает переходить в полость с соленой водой. Можно было бы, вероятно, придумать какой-то механизм, переворачивающий трубу так, чтобы ночью полость с пресной водой оказывалась сверху, но это слишком неуклюжее решение. Придется, по-видимому, соорудить нечто вроде парника — покрытие, которое пропускает к верхней половине трубы дневное излучение, но задерживает низкотемпературное излучение, препятствуя тем самым ночному радиационному охлаждению трубы[26].

Недавно американские гляциологи и геофизики выступили с проектом, вполне достойным Дедала. Они предлагают буксировать айсберги из Антарктиды в Австралию и использовать талую воду для орошения земель. Наиболее удобными для этой цели считаются айсберги с плоской вершиной длиной 10 км, шириной 2,5 км и высотой до 250 м; для буксировки потребуются сверхмощные (скорее всего, атомные) буксиры. Дедал считает, что в своем нынешнем виде этот проект попахивает техноманией, и предлагает устроить так, чтобы айсберги двигались своим ходом, причем совершенно бесплатно. В принципе энергию для работы двигателей можно получать за счет разности температур между айсбергом и окружающей водой. Разность температур эта невелика, так что максимально достижимый кпд в таком случае не превышает 4 %, но даже это позволяет получить полезную мощность 12 МВт при таянии 1 т льда в секунду. Для перемещения гигантского айсберга, по-видимому, потребуется мощность не менее 500 МВт, — таким образом, айсберг должен плавиться со скоростью 40 т/с. Это, однако, соответствует стаиванию льда всего на 2 мкм в секунду со всей погруженной поверхности, т. е. естественной скорости таяния. Поначалу Дедал хотел усеять айсберг термопарами и питать от них электромоторы, но вскоре он нашел гораздо более изящное решение. Пресная талая вода от айсберга легче, чем соленая вода океана, поэтому она поднимается вверх, обтекая айсберг. Если кормовую подводную часть айсберга стесать под углом, то талая вода будет подниматься вдоль наклонной плоскости и выходить на поверхность позади айсберга, сообщая ему при этом некоторое количество движения. Как только айсберг начнет двигаться вперед, талая вода из-под всей нижней поверхности потечет к корме, усиливая этот эффект и удлиняя и углубляя выемку в кормовой части, создающую направленную тягу. Специалисты по гидродинамике фирмы КОШМАР теоретически исследуют динамику таяния айсберга, движущегося в теплой соленой воде, чтобы определить оптимальный начальный профиль кормовой части, выяснить, не потребуется ли время от времени подправлять форму айсберга в процессе движения, а также подобрать наиболее эффективный способ управлять движением ледяной горы. Этот замечательный проект открывает новую эпоху в развитии морского транспорта. Большой айсберг, срок службы которого ограничен несколькими годами, но зато даровой, не загрязняющий среду, непотопляемый, не требующий топлива и способный перевозить 10 млн т груза, вполне может конкурировать с дорогостоящими грузовыми судами, которые, быть может, и служат в десять раз дольше, но обладают в тысячу раз меньшей грузоподъемностью. Вполне вероятно, что настанет время, когда самоходные айсберги возьмут на себя львиную долю морского грузооборога. Правда, это создаст дополнительную угрозу обычному судоходству и вызовет зубовный скрежет у работников страховой компании Ллойда.

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.