Жидкости

Глава 1. Взрывчатые

Как только двери самолета закрылись и мы отъехали от зоны посадки аэропорта Хитроу, голос в динамиках объявил о начале предполетного инструктажа по безопасности.

– Добрый день, дамы и господа, мы приветствуем вас на борту нашего лайнера British Airlines, отправляющегося рейсом в Сан-Франциско. Перед отправлением просим вашего внимания. Наш экипаж в салоне расскажет о том, что важно знать о безопасности на борту нашего воздушного судна.

Меня всегда смущает такое начало полета. Я убежден, что это фальшивка и предполетный инструктаж не имеет на самом деле никакого отношения к безопасности. Во-первых, в нем никогда не упоминаются десятки тысяч литров авиационного топлива на борту. Именно громадное количество энергии, заключенное в этой жидкости, позволяет нам летать; именно ее пламенная природа придает реактивным двигателям лайнера мощь и способность (в нашем случае) взять четыреста пассажиров в 250-тонном самолете, стоящем на полосе, и за несколько минут разогнать всё это до крейсерской скорости 900 км/ч и поднять на высоту 12 000 м. Потрясающая мощь этой жидкости питает самые безумные наши мечты. Она позволяет нам взмывать над облаками и достигать любой точки земного шара за несколько часов. Именно это вещество доставило первого космонавта планеты Юрия Гагарина на ракете в космос, и именно на нем работают ракеты последнего поколения компании SpaceX, которые выбрасывают спутники за пределы атмосферы. Это вещество называется керосин.

Керосин – прозрачная бесцветная жидкость, которая выглядит в точности как вода, и это сбивает с толку. Где же в ней вся эта скрытая энергия и мощь? Почему присутствие в этой жидкости громадного количества нерастраченной энергии не делает ее на вид, скажем, более густой и опасной? И почему ее никогда не упоминают во время предполетного инструктажа по безопасности?

Структура углеводородной молекулы керосина

Если включить увеличение и взглянуть на керосин на атомном уровне, то можно увидеть, что по структуре его молекула напоминает спагетти. Основа, «хребет» каждой нити состоит из атомов углерода, соединенных в цепочку, где каждый атом связан со следующим. К каждому атому углерода прикреплены два атома водорода (только на концах молекулы – по три). В таком масштабе отличить керосин от воды нетрудно. Вода не имеет нитевидной структуры, это скорее хаотичное скопление маленьких V-образных молекул (один атом кислорода связан с двумя атомами водорода, H2O). В таком масштабе керосин больше похож на оливковое масло, которое тоже состоит из спутанных нитевидных молекул на основе углерода. Но если в керосине нити больше напоминают спагетти, то в оливковом масле они ветвистые и перекрученные.

Поскольку молекулы оливкового масла имеют более сложную форму, чем молекулы керосина, им сложнее протискиваться друг мимо друга, поэтому и течь этой жидкости труднее – иными словами, оливковое масло отличается большей вязкостью, чем керосин. То и другое – масло, и на атомном уровне они выглядят похоже, но из-за структурных различий оливковое масло густое, а керосин льется совсем как вода. Это различие определяет не только вязкость этих масел, но и степень их воспламеняемости.

Персидский врач и алхимик ар-Рази в IX в. написал об открытии керосина в своей «Книге тайн». Он заинтересовался естественными источниками в своем регионе, из которых текла не вода, а густая черная едкая жидкость. В те времена это похожее на гудрон вещество брали из источников и использовали на дорогах, преимущественно как покрытие. Чтобы проанализировать черное земляное масло, ар-Рази разработал особые химические процедуры, которые мы сегодня называем перегонкой. Он нагревал масло и собирал газы, которые из него выделялись. Затем он вновь охлаждал их, после чего они превращались обратно в жидкость. Первые жидкости, которые он выделил таким образом, были желтыми и маслянистыми, но после многократной перегонки они становились светлым, прозрачным и свободнотекущим веществом. Так ар-Рази открыл керосин.

Он не мог знать подлинных масштабов всего того, что открытая им жидкость принесет в этот мир, но он знал, что она горюча и дает бездымное пламя. Сегодня это открытие может показаться тривиальным, но во всех древних цивилизациях проблема внутреннего освещения стояла очень остро. Самой сложной технологией того времени были масляные лампы, но до ар-Рази горящее в лампе масло давало едва ли не больше сажи, чем света. Бездымные лампы стали бы поистине революционным новшеством – настолько, что его важность увековечена в истории про Аладдина из «Сказок тысячи и одной ночи». Герой находит волшебный предмет – масляную лампу. Стоит потереть ее, и оттуда появляется могущественный дух. Духи часто встречаются в мифах того времени и описываются как существа, состоящие из бездымного пламени; джинн из сказки обязан исполнять приказы владельца лампы. Это колоссальная сила. Значимость новой открытой жидкости и ее способность давать бездымное пламя не могли ускользнуть от внимания алхимика ар-Рази. Почему же персы не начали пользоваться ею? Ответ отчасти связан с той ролью, которую играли оливковые деревья в их экономике и культуре.

В IX в. персы заливали в лампы оливковое масло. Там прекрасно росли устойчивые к засухе оливковые деревья, плоды которых можно было использовать для производства масла. Примерно из двадцати оливок получалась чайная ложка масла, на которой типичная для того времени масляная лампа могла целый час гореть и давать свет. Так что, если средней семье требовалось пять часов света каждый вечер, она должна была тратить по сто оливок в день – или примерно тридцать шесть тысяч в год на каждую лампу. Чтобы производить достаточно масла для освещения империи, персам нужно было много земли и времени: оливковые деревья, как правило, первые двадцать лет не дают плодов. Кроме того, приходилось защищать свои земли от всякого, кто мог покуситься на этот ценный ресурс, – а значит, нужны организованные города, которые требовали еще больше оливок, чтобы масла хватало всем и для приготовления пищи, и для освещения домов. Чтобы содержать армию, надо было платить налоги, в Персии это зачастую означало передачу правительству определенной части полученного с урожая оливкового масла. Сами видите: оливковое масло играло центральную роль в обществе и культуре Персии, как и других ближневосточных цивилизаций, пока им не удавалось найти альтернативный источник энергии и налоговых поступлений. Эксперименты ар-Рази доказали, что он буквально под ногами, но там ему и суждено было оставаться еще тысячу лет.

Копия древней масляной лампы, использовавшейся во времена ар-Рази

Тем временем масляные лампы развивались. Конструкция IX в. кажется простой, но на самом деле она замечательно хитроумна. Представьте себе чашу с оливковым маслом. Если вы просто попытаетесь поджечь его, то обнаружите, что это сложно. Оливковое масло имеет очень высокую точку возгорания – температуру, при которой оно начинает спонтанно реагировать с кислородом воздуха и вспыхивает. Для оливкового масла она составляет 315°C. Вот почему готовить на нем так безопасно. Если случайно разлить его на кухне, оно не загорится. Кроме того, чтобы зажарить большинство продуктов, достаточно довести их до температуры около 200°C, что всё еще на сто градусов ниже точки возгорания оливкового масла. Поэтому, когда на нем готовишь, масло практически не горит.

Но при температуре 315°C ваш горшок с оливковым маслом ярко вспыхнет, испустив много-много света. Мало того что это невероятно опасно, так и пламя быстро потухнет; оно очень скоро поглотит всё топливо. Возможно, вы подумали: наверняка есть лучший способ жечь оливковое масло для освещения. Вы правы. Если взять кусок веревки и погрузить его в масло, оставив кончик торчать над поверхностью, а затем поджечь, на конце веревки возникнет яркий огонек, а весь горшок нагревать не придется. Горит при этом не веревка, а масло, выступающее на ней. Это весьма изобретательно, но дальше еще лучше. Если оставить веревку гореть, то окажется, что пламя не спускается по ней в масло – наоборот, масло взбирается по ней и вспыхивает только после того, как доберется до самого верха. Такая система способна поддерживать горение часами – ровно до тех пор, пока в чаше есть масло. Всё дело в процессе, который называется капиллярным поднятием и кажется чудесным: масло, оказывается, способно преодолевать тяготение и двигаться независимо. Но на самом деле это базовое свойство жидкостей, возможное потому, что они обладают так называемым поверхностным натяжением.