Страница 50 из 57
Энергия, запасенная в ископаемом топливе и освобожденная человеком, несла ему независимость и власть над силами природы. Топливо помогало человеку преображать Землю, завоевывать пространство и время.
Но только на Земле. Только у себя. Не дальше порога земного притяжения.
А взоры людей устремлялись вверх. К чужим мирам. В неизведанное. Так рождалась мечта. Она двигала людьми, но не могла двигать ракеты. Нужно было новое топливо. Мощное, чтобы преодолеть земное притяжение. Энергоемкое, чтобы ракета была как можно легче. Плотное, чтобы в баках помещалось его как можно больше.
Мечта двигала людьми. В лабораториях ученые воплощали ее в реальность. Они рассчитывали и проверяли тысячи вариантов. Постепенно круг поисков сужался. В кольце изысканий остались четыре группы:
Топлива, выделяющие энергию при окислении.
Эндотермические вещества, выделяющие энергию при распаде на элементы или группы атомов.
Свободные радикалы — химически активные «осколки» молекул.
Наконец, ядерные топлива.
Первая группа самая большая. И самая старая. Но химия внесла в нее много нового.
Обычное топливо, сжигаемое на Земле, окисляется кислородом воздуха. А ракета, летящая в космическом пространстве, не может рассчитывать на даровое окисление. И часть баков ракеты заполняют специальные химические вещества — окислители.
Некоторые из них — со стажем. Кислород, сжиженный для уменьшения объема. Азотная кислота выгодно отличается от других окислителей: в смеси с четырехокисью азота способна долгое время храниться, не меняя своего химического состава. Поэтому окислителями на основе азотной кислоты можно заполнять ракеты, постоянно готовые к запуску. Например, зенитные.
Некоторые выступают в окислительном амплуа впервые. Озон «солиднее» кислорода на один атом. Фтор — очень сильный окислитель. Второй по силе — три-фторид хлора. Он настолько активен, что легко поджигает даже стеклянную вату, из которой обычно делают огнепреградительные средства. Перекись водорода — знакомое всем по домашней аптечке кровоостанавливающее и дезинфицирующее вещество. Еще во время второй мировой войны она использовалась немцами в реактивных истребителях-перехватчиках «мессершмитт-163».
Однако новизна есть и в том, что окисляется. В самих горючих. Помимо керосина, спирта, примененного немцами в ФАУ-2, жидкого водорода — наиболее теплотворного химического элемента, но, к сожалению, «вспыльчивого», ракетная техника осваивает новые классы химических соединений. Те, которые раньше в качестве горючих не применялись.
Вот некоторые из них. Диметилгидразин, у которого два атома водорода поменялись на две метиловые группы. Гидразин-гидрат — сосед перекиси водорода по «мессершмитту-163». Бораны — соединения водорода с бором — третьего по теплотворности элемента. Наконец, как это ни покажется странным, металлы. Точнее — взвеси порошкообразных металлов, лучше всего магния, в углеводородах, например в керосине. Это очень скромные по своим окислительным аппетитам виды топлива. Они расходуют на сгорание в четыре-пять раз меньше кислорода, чем керосин.
Последние три группы — в основном будущее ракетной техники. Можно по-разному оценивать сроки технического осуществления этих проектов, но успехи химии и физики делают их вполне соизмеримыми с нашим терпением.
Дорог золотник, но мал
Людям нужна энергия. Не только каждому человеку в отдельности (в конце концов это его личное дело), но и всему человечеству. И ее ищут уже много веков. Обшарили земной шар, проникли в его недра и раздобыли уголь и нефть, построили плотины и даже ветряные мельницы, чью силу испробовали на себе некоторые всемирно прославленные герои.
Но аппетит приходит во время еды. Человечество решило воспользоваться жизненным опытом известной старухи и тоже стало подумывать о том, как бы приручить золотую рыбку, чтоб она сама ему служила и была б у него на посылках, благо перспектива разбитого корыта ему не грозила. И люди стали эксплуатировать Солнце.
Говорят, что впервые это сделал 22 века назад Архимед, который сжег римские корабли с помощью солнечных зайчиков от сотен маленьких ручных зеркал. Сейчас столь однобокое использование солнечных способностей удовлетворить уже не может. На повестке дня — применение солнечной энергии для нужд человека на Земле и в Космосе.
Чем же привлечь Солнце? «Приманкой» служит один из самых распространенных элементов — кремний, который мы буквально каждый день топчем ногами. Правда, он чересчур общителен и попадается, как правило, в виде соединений. Для солнечных же батарей требуется кремний исключительной чистоты. Этот золотник дорог, зато мал, а ведь в Космосе котируется единственная валютная единица — грамм. Поэтому у солнечных батарей, которые гораздо легче других аккумуляторов, большое будущее.
Конечно, и кремниевые батареи не без греха: коэффициент полезного действия не очень-то высок, да к тому же он понижается при нагревании: солнечные батареи боятся Солнца, вернее — инфракрасной части его спектра.
Но оказалось, что можно использовать и эту самую горячую часть — нужно лишь обратиться к другим солнечным батареям — термоионным. Еще Томас Эдисон обнаружил эффект диода, то есть эффект эмиссии электронов из электрода и протекание слабого тока за счет этой эмиссии, к.п.д. у такого диода — одна стотысячная процента. Однако ученые, подобрав специальные материалы и тепловые режимы, сумели повысить к.п.д. в 2 миллиона раз, а 20 процентов — это уже совсем другой разговор.
Солнечным и несолнечным преобразователям энергии найдется место под Солнцем.
А если плазму!
Плазмой называют четвертое состояние вещества. В отличие от жидкого, твердого и газообразного, где атомы ведут себя пристойно, в состоянии плазмы они могут «оголиться» вплоть до ядер, а электроны начинают вести самостоятельную жизнь. Как в заурядной пьесе, в плазме отрицательного и положительного поровну. В электрическом смысле плазма нейтральна. Она может быть холодной и горячей. Миллионные температуры горячей плазмы привлекают физиков, осуществляющих термоядерную реакцию, а создатели космических двигателей «не брезгуют» и холодной. 3,5–10 тысяч градусов их пока удовлетворяют.
С такой плазмой вы сталкиваетесь гораздо чаще, чем думаете. Например, луч света в темном зале кино бросает угольная дуга — это между двумя электродами горит плазменный шнур.
Мощные электрические дуги дают температуры значительно большие, чем любая химическая реакция. Если разогревать газообразное рабочее тело в пламени такой дуги и выбрасывать через сопло космического двигателя, можно получить скорости истечения 15–20 километров в секунду. В пять раз больше, чем у самых совершенных химических ракет. Причем скорость выходящего из сопла газа у такого электродугового или электрического плазменного двигателя легко регулировать.
Гораздо больших скоростей истечения — до 100 километров в секунду — можно достичь в электромагнитных плазменных двигателях. Здесь конструкторы пользуются тем, что плазма — великолепный проводник тока. Как известно, проводник с током в магнитном поле получает ускорение. На этом принципе работают все электромоторы. Поэтому плазму помещают в магнитное поле, пропускают через нее электрический ток, а дальше все происходит по правилу «трех пальцев».
Ракеты с такими двигателями требуют значительной электрической мощности — примерно 100 киловатт на каждый килограмм тяги. Откуда ее взять? Можно использовать небольшие ядерные реакторы. Можно попытаться использовать энергию Солнца. Например, с помощью зеркал нагревать воду в каком-то котле и потом, пуская пар через турбину, получать электроэнергию или же обратиться к фотоэлементам, термоэлектрическим генераторам.