Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Глава девятая. ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Прогнозирование – рискованное занятие для
любого человека, взявшего на себя роль пророка.
Р. Эйрес

Вот и закончилось наше путешествие по стране низких температур. Началось оно от 0^oС и закончилось 0K. В течение всего этого пути – от твердой воды до жидкого гелия, пути, растянувшегося с глубокой древности до наших дней, было много встреч с интересными событиями, выдающимися деятелями науки и техники, их творениями, победами и поражениями…

Во многих местах хотелось бы остановиться, побыть подольше и увидеть побольше. Однако объем книги ограничен; о многом пришлось писать коротко, а некоторые интересные вопросы просто опустить. Лишний раз подтверждается мудрое изречение Козьмы Пруткова: «Нельзя объять необъятное». Остается подвести некоторые итоги и посмотреть вперед – что же дальше?

Что касается подведения итого, то лучше всего, по-видимому, представить весь путь от «ледяного» нуля до «гелиевого» в таком виде, чтобы его можно было окинуть взглядом. Тогда отдельные события не будут заслонять общего хода дела. Это можно сделать в форме графика, на котором показаны в сжатом виде достижения в области низких температур в их логической связи. Два таких графика показаны на рис. 9.1 и 9.2.

Рис. 9.1. Динамика развития науки в связи с развитием низкотемпературной техники: 1 – условная граница холодильной и криогенной отрасли техники (при 120K); 2-3 – границы температур, достигаемых откачкой пара криоагента и адиабатным размагничиванием атомов (ниже – ядерное размагничивание).

Рис. 9.1 показывает динамику развития как низкотемпературной науки, так и техники в их взаимосвязи. Нижняя линия представляет наинизшие температуры, достигнутые к соответствующим годам, верхняя – температуры, используемые в технике и технологии. Ось температур сделана в логарифмической шкале, сжатой сверху и растянутой снизу с тем, чтобы удобнее показать ход событий в области температур ниже 1 K.

Построение графика начинается с 1840 г. Именно в это время опыты Фарадея дали некоторых событий решающий толчок низкотемпературным исследованиям. Отсутствие на графике некоторых событий XVII – начала XIX вв. не означает, естественно, неуважения к трудам и заслугам исследователей, работавших в эти времена над проблемами холода. Их достижения, которые легли в основу всех последующих открытий и изобретений, не могут игнорироваться. Но в масштабах графика температуры, близкие к окружающей среде, просто не будут видны. Тем более на графике не отражены события периода, относящегося к предыстории низких температур. По выражению Р. Тевено, длительное время занимавшего пост президента международного института холода, это время можно разделить, по. аналогии с общей историей человечества, на две части: "палеолит" (древний каменный век) и "неолит" (новый каменный век). Эта аналогия очень удачна.

В "палеолите" человек довольствовался тем, что "подбирал" природный холод в том виде, который ему давали боги, В "неолите" человек уже обрабатывал этот природный холод, приспосабливая его к своим нуждам. Переход от пассивного собирательства к активному воздействию на объект труда, который произошел во время "неолитической революции", знаменует резкое, качественное изменение с далеко идущи-ми последствиями. Итак, график наглядно показывает эти последствия: за 100 лет (с 1850 по 1950 г.) был фактически пройден весь путь "от нуля до нуля". Дальше, собственно, двигаться уже некуда (хотя нуль оси ординат уходит вниз до бесконечности, поскольку наука утверждает, что он в принципе недостижим).

Несколько иная картина с криогенной техникой; понижение температур, определяющих ее применение (исключая приборы для физических исследований), идет менее круто. Это происходит потому, что разработка и освоение криотехнических систем неизбежно требуют времени. Кроме этого, на уровне температур ниже 1 K заказчиков на криогенику, не считая физиков, связанных с научными исследованиями, пока нет.

На графике рис. 9.2 линия, относящаяся к технике, показана более подробно, начиная с 1890 г. Здесь отмечены моменты, соответствующие появлению основных технических достижений, связанных с криогенной техникой.

Рис. 9.2. Динамика развития криогенной техники: 1 – холодильные установки; 2 – низкотемпературные холодильные установки; 3, 4 – получение жидких кислорода и азота; 5 – извлечение гелия из природного газа; 6 – транспортировка сжиженного природного газа; 7 – разделение смеси водород-дейтерий ректификацией; 8 – жидкий водород для ракетной техники; 9 – водородная «шуга»; 10 – транспортировка жидкого гелия и криостатирование сверхпроводящих устройств; 11 – криовакуумные насосы; 12 – имитация космоса и криостатирование космических объектов.

Эти графики наглядно показывают, что дальнейшее развитие низкотемпературной техники в части получения все более низких температур уже не имеет смысла. Значит ли это, что подавляяющее большинство исследователей, как холодильщиков, так и криогенщиков, должны менять профессию и искать другие сферы приложения своих творческих возможностей? Тогда они должны только выпускать уже известные машины, аппараты и устройства (естественно, хорошего качества) и довольствоваться этим.

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть на ситуацию шире: во всех ли характеристиках холодильная и криогенная отрасли техники достигли практически предела, так же как с получением низких температур? Отвечая на такой вопрос, чаще всего думают о возможностях увеличения, говоря языком системного подхода, "выхода" (производительности). Действительно, здесь есть определенные возможности; можно делать более крупные и производительные установки. Можно делать и разные их варианты, приспособленные к задачам, которые ставит тот или другой заказчик. Это тоже нужно. Но такие пути нового не сулят – это в значительной степени повторение пройденного.

Чтобы выйти из кажущегося творческого тупика, нужно обратить внимание на другой, более информативный показатель – отношение "выхода" установки ко "входу", т.е. результата к затратам. Если ограничиться энергетическими показателями, то при корректном подсчете эта величина соответствует КПД. Каков он у современных криогенных установок, показано ниже:

	КПД, %
Воздухоразделительная установка	15-20
Ожижитель:
азота	30-35
водорода	10-15
гелия	8-12
Микрокриорефрижератор на уровень температур, К:
80	20-25
20	10-12
4	5-8

Эти значения, близкие большей частью к КПД паровоза, заставляют задуматься; получается, что 70-80% (а то и более) затраченном электроэнергии уходит в потери.

Таким образом, становится очевидным, что дальнейший путь развития техники низких температур и соответственно ее научной базы должен идти в основном по пути повышения ее энергетического совершенства. Этот термин - "энергетическое совершенство" нужно понимать в более широком плане, чем просто сокращение расхода энергии на эксплуатацию (и соответственно повышение КПД). Чтобы создать установку, нужны материалы, оборудование, человеческий труд и энергия. В свою очередь, добыча материалов, изготовление оборудования, обеспечение инфраструктуры (жилья, питания и др.) также требуют энергии. В конечном счете, все неизбежно сводится к ней. Если есть работоспособная энергия – абсолютный ресурс - можно добыть и сделать все что угодно. Нет энергии – ничего сделать нельзя даже тогда, когда материальные ресурсы в изобилии.

В настоящее время при росте населения, которое сопровождается истощением многих природных ресурсов и загрязнением окружающей среды, задача совершенствования любой техники – это максимальная экономия всех ресурсов, а в конечном счете – энергии. Холодильная техника в сочетании с криогеникой занимает при этом важное место. Они вместе забирают в развитых странах до 15-20% электроэнергии, не говоря уже о других ресурсах. Это достаточно большое значение.

Каковы же возможные пути совершенствования этих отраслей на ближайшую перспективу? Делать прогнозы в наше время очень трудно, особенно если речь идет о сроках, превышающих 5-10 лет. Примеров неудачных, иногда даже анекдотических научно-технических прогнозов, которые делали иногда очень умные люди, известно много.

Проще всего было бы отказаться от этого. Книга уже написана, а будущее само покажет, куда пойдет депо. Однако отступать здесь нельзя. Нужно соблюсти только одно условие – быть больше оптимистом, чем пессимистом, поскольку прогнозы первых сбываются чаще (разумеется, это относится не к политике).

Следующая страница: Перспективы развития низкотемпературной техники