Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

Таким образом, Дедал изобрел «зеленого человечка», о котором столько писали фантасты. Подобно своим фантастическим собратьям, он не нуждается в пище и воздухе, однако его непривычный облик делает его социально чуждым нам элементом. Чтобы избежать столь необычного облика, вместо зеленых водорослей можно использовать бурые: у содержавшегося в них фукоксантина процесс фотосинтеза протекает не менее активно, чем у зеленого хлорофилла, но на коже слой таких водорослей будет выглядеть как густой загар. Однако, чтобы «фотосинтетический человек» был полностью автономным, необходимо использовать все полтора квадратных метра поверхности тела. Но сегодня это вряд ли представляет проблему — ведь благодаря современному кинематографу нагота стала вполне привычным явлением, во всяком случае на экране. Дедал, впрочем, рассчитывает придумать «матовую» полупрозрачную одежду, которая обеспечила бы соблюдение приличий и сохранение тепла, но в то же время хорошо пропускала солнечный свет. Такая одежда могла бы даже повысить эффективность фотосинтеза за счет парникового эффекта, делая возможным существование «фотосинтетического человека» даже в условиях английского климата. В любом случае потребность человека в воздухе и пище будет если и не устранена полностью, то по крайней мере значительно снижена[29].

New Scientist, September 17, 24, 1970

Специальная шляпа-оранжерея, из которой через шланг воздух поступает для дыхания.

Взрослый человек расходует за день в среднем 3000 ккал (Е = 12 МДж). Если вся эта энергия должна получаться за счет фотосинтеза, идущего в светлое время суток (допустим, в течение t = 10 ч = 36000 с), то необходимая мощность составит Р = E/t = 330 Вт. К сожалению, кпд процесса фотосинтеза даже у хлореллы не превышает 8%, так что для получения такой полезной мощности понадобится получать от Солнца мощность Р = 330/0,08 = 4,2 кВт. Учитывая, что даже при ярком солнечном свете на 1 м2 освещенной поверхности приходится примерно 1 кВт мощности, «фотосинтетическому человеку» нужно иметь поверхность не меньше 4 м2, т. е. существенно больше, чем 1,5 м2, составляющих площадь поверхности нашей кожи.

Однако дело, быть может, обстоит не так уж безнадежно. Судя по всему, по крайней мере три четверти энергии, поступающей в организм человека с пищей, превращаются в тепло. А те 92% солнечной энергии, которые не используются в фотосинтезе, пойдут в основном на нагревание культуры водоросли, и выделившееся тепло будет в значительной мере передаваться крови за счет прямого теплообмена. Поэтому есть шанс, что — вся потребность в тепловой энергии будет удовлетворяться за счет «тепловых отходов», так что через фотосинтез понадобится получать лишь оставшуюся четверть от общей потребности в энергии. Для этого хватит и 1 м2 поверхности, хотя на практике, по-видимому, обеспечить полную автономность «фотосинтетического человека» не удастся. На 1 м2 культуры приходится примерно 1 кг водоросли. Это не слишком большая тяжесть для «зеленого человечка», если равномерно распределить ее по всей поверхности его тела.

И все же следует признать, что устройство наружного «парника» является более реалистическим подходом. Обмен веществ между водорослями и кровью будет осуществляться через полупроницаемую мембрану, пропускающую только простые молекулы: углекислоту, глюкозу, мочевину и т. п. В проблеме же создания «зеленого человечка» остается много неясного. Стоит еще внимательно присмотреться к симбиозу ленточных червей. Откуда в них берутся водоросли? Как эти водоросли размножаются и что происходит с отмирающими клетками водорослей? Какими веществами обмениваются особи, участвующие в симбиозе? Кто-то должен все это знать…

Гироскопы широко применяются в научных приборах, в системах навигации, стабилизации и т. п. К сожалению, при их изготовлении требуется исключительная точность, а в процессе работы они потребляют энергию. Дедал вспоминает, что в некоторых твердых телах (например, в камфоре) молекулы совершают вращательные движения в кристаллической решетке; в нормальном состоянии, однако, половина молекул вращается в одну сторону, а другая половина — в другую, так что суммарный гироскопический момент их равен нулю. Но если скорость вращения обычного гироскопа составляет примерно 104 об/мин, то молекулы при комнатной температуре совершают 1010 — 1011 об/мин, так что «молекулярный гироскоп» — если бы его удалось создать — обладал бы исключительно хорошими характеристиками. По расчетам Дедала, вращательная энергия молекул в шарике камфоры массой 10 г равна энергии этого шарика, вращающегося со скоростью 145000 об/мин.

Вращение молекулы можно вызвать, подействовав на нее квантом инфракрасного излучения — на этом основана вся техника ИК-спектроскопии. Поэтому Дедал рассчитывает, что с помощью ИК-излучения надлежащей частоты ему удастся заставить вращаться молекулы в кристаллической решетке камфоры. В обычной ситуации половина молекул будет вращаться в одну сторону, а половина — в другую, но хитроумный Дедал собирается применить правополяризованное ИК-излучение. Под действием такого излучения молекулы будут вращаться в одну сторону, а кристалл в целом превратится в своеобразный «твердотельный гироскоп», обладающий удивительными свойствами[30]. Подобно обычному гироскопу, такой кристалл будет яростно прецессировать, если попытаться его наклонить. Вообще, молекулярные гироскопы станут сопротивляться попыткам изменить их ориентацию. Если положить такие кристаллы на стол, они будут вертеться волчками; если потрясти склянку, в которую они насыпаны, оттуда послышатся скрипы и шорохи потревоженных молекул. Благодаря отсутствию трения молекулы должны вращаться бесконечно долго; а если кристаллы расплавить, то получится ни на что не похожая гироскопическая жидкость с необычными свойствами. «Гирокамфора» станет идеальной основой для создания гирокомпасов, гирогоризонтов и других приборов, поскольку это вещество неопределенно долго сохраняет вращательный момент и не требует затрат энергии в процессе эксплуатации. В виде многотонных блоков гирокамфору можно использовать для придания устойчивости судам. Вполне реальными могут оказаться и такие замечательные штуки, как гиростабилизированные шляпы для фигуристов и канатоходцев или одноногие табуретки для малогабаритных квартир. А посылка с таким веществом приведет в недоумение работников почты.

New Scientist, January 16, 1975

Существует немало кристаллов, у которых молекулы могут свободно вращаться в узлах решетки: камфора, четырехбромистый углерод, пента-эритритол. Нам нужна молекула, обладающая дипольным моментом, чтобы ее можно было раскрутить с помощью электромагнитного излучения. Для начала можно взять камфору. К сожалению, мне не удалось найти в химической литературе ИК-спектры этой молекулы. Рассмотрим поэтому в качестве модели норборнанон-7 (Journal оf Molecular Structure, 26, 1975, p. 85).

Вращающаяся молекула (например, жесткая двухатомная молекула) теоретически может иметь лишь строго определенные (квантованные) уровни энергии: Е = BhJ (J+1), где J — некоторое (целое) квантовое число, В = h/8π2I — константа, в которую входит момент инерции молекулы I. Молекула может переходить на следующий, более высокий энергетический уровень, поглощая квант излучения с определенной частотой v: ΔE = hv = 2hBJ (для больших молекул, имеющих три различных момента инерции, дело обстоит несколько сложнее, но мы не будем здесь в это вникать). У молекулы норборнанона-7 (С7Н10О, М = 110) все моменты инерции равны примерно 200 а. е. м. × Å2; можно предположить, что для камфоры (С10Н16О, М = 152) они будут в полтора раза больше, I = 300 а. е. м. × Å2 = 5×10-45 кг/м2, так что В ≈ 1,7 ГГц (для молекулы норборнанона-7 В около 2,3 ГГц).

При комнатной температуре на каждую степень свободы молекулы приходится энергия, равная 1/2kT. Приравнивая Е = BhJ (J+1) = 1/2kT и принимая T = 300 К, а В = 1,7 ГГц, получим J = 43; это означает, что молекулы находятся в основном на 43-м разрешенном энергетическом уровне; чтобы возбудить их на следующий, более высокий уровень, мы должны подействовать на них излучением с частотой v = 2ВJ = 2 × 1.7 × 43 = 150 ГГц, что соответствует длине волны излучения примерно 2 мм. Следует ожидать поэтому, что при комнатной температуре камфора должна иметь резкий пик поглощения на длине волны около 2 мм; если мы будем возбуждать молекулы на этой частоте право-поляризованным ИК-излучением, то молекулы станут поглощать «правополяризованные» кванты. При возвращении на нижележащий уровень, однако, молекулы будут испускать либо правополяризованные, либо левополяризованные кванты. Поэтому после достаточно длительного облучения образца правополяризованным излучением все молекулы начнут в конце концов вращаться в одну сторону. (Вероятно, можно было бы поступить и по-другому: взять образец при очень низкой температуре, когда вращение молекул практически отсутствует, и нагревать его до комнатной температуры правополяризованным ИК-излучением со ступенчато возрастающей частотой, — тогда все молекулы будут вращаться в одну сторону. Так, наверное, будет даже быстрее.)