VIVOS VOCO: В.Я. Френкель, Б.Е. Явелов, "ЭЙНШТЕЙН: ИЗОБРЕТЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ"

Здравствуй, холод...

А. Блок

Ни в одной из многочисленных и подробных биографий Эйнштейна не отмечен тот факт, что на счету великого теоретика было два десятка патентов на различные технические изобретения. Большинство из них так или иначе касается холодильных машин, а точнее, домашних холодильников. Правда, надо сказать, что ни в "холодильных", ни в других запатентованных технических новшествах Эйнштейн не выступал как единоличный автор. Неизменным его напарником в период с 1926 по 1933 г. по работе над холодильниками был Л. Сцилард, весьма интересный человек и замечательный ученый, личности которого и его взаимосвязям с Эйнштейном мы считаем уместным уделить некоторое внимание *.

* Многие из содержащихся в этой главе сведений о Сциларде почерпнуты нами из опубликованных в США сцилардовских материалов [1].

Эйнштейн и Сцилард... Сочетание этих имен у многих читателей наверняка прочно ассоциируется с драматическими событиями начала работ по "урановому проекту". Именно Сцилард был вдохновителем знаменитого письма Эйнштейна от 2 августа 1939 г. тогдашнему президенту США Ф. Рузвельту, письма, указавшего на зловещую возможность разработки атомного оружия в фашистской Германии и рекомендовавшего обеспечить государственную поддержку "группе физиков, работающих в Америке над цепными реакциями" *.

* Следует сказать, что вопрос о том, сколь действенным оказалось это письмо, до сих пор остается дискуссионным [2, с. 276].

В то время Сцилард был одним из немногих, кто предвидел глобальные последствия развертывания исследований по делению урана. Что касается Эйнштейна, то он в общем-то был далек от ядерной проблематики. Разумеется. Сцилард справедливо полагал, что к слову всемирно известного ученого политики прислушаются скорее, чем к мнению любого другого физика. Думается, однако, что было еще одно не столь широко известное, но тем не менее немаловажное обстоятельство, которое внушало Сциларду веру в успех предприятия, - Эйнштейн и Сцилард были давними друзьями (несмотря на то что последний был почти на двадцать лет моложе). Более того, Эйнштейн знал Сциларда по научным достижениям и по совместной изобретательской деятельности.

Эйнштейн и Сцилард, США, 1945 г.

Сцилард родился в Будапеште в 1898 г. В отличие от Эйнштейна он получил высшее техническое образование - учился на факультете инженеров-электриков Будапештского технологического института, а затем в Высшей технической школе в Берлине. С 1920 г. он начал посещать руководимый Эйнштейном студенческий физический семинар Берлинского университета, а затем знаменитый берлинский физический коллоквиум. Творческая обстановка этих собраний, на которых можно было непосредственно наблюдать, как создается новая физика, увлекла Сциларда; он принял решение избрать эту науку делом своей жизни и перешел на физический факультет Берлинского университета. В 1922 г., закончив курс обучения, Сцилард в качестве диссертации выполнил чрезвычайно интересную работу по теоретической физике, в которой показал, что флуктуационные явления можно описать в рамках несколько обобщенной феноменологической, "континуальной" термодинамики, даже без учета атомно-молекулярного строения вещества. Уже в этом первом исследовании ярко проявился характерный стиль научном творчества Сциларда: его привлекали только оригинальные идеи, нерутинные подходы, неожиданные решения. "Ему нравится, по крайней мере у меня создается такое впечатление, ошеломлять людей", - позже говорил о нем Э. Ферми [3, с. 39].

Собственно, эта работа и послужила поводом для переросшего затем в дружбу и сотрудничество знакомства Сциларда с Эйнштейном. Диссертация молодого физика удивила многих, не был исключением и Эйнштейн. "После одного из студенческих семинаров, - рассказывал впоследствии Сцилард, - я подошел к Эйнштейну и сказал ему, что хотел бы обсудить с ним достигнутые результаты. "Ну, так что же Вы сделали?" - спросил Эйнштейн. Я рассказал. "Это невозможно - такова была первая реакция великого физика, - тут какая-то ошибка!" Однако уже через пять минут Эйнштейн вник в суть работы и она ему очень понравилась. Эйнштейновская поддержка, как вспоминал Сцилард, придала ему смелость, и он представил свою работу, законченную в конце 1921 г., в качестве диссертационной.

Интересно, что соответствующую статью Сцилард опубликовал только в 1925 г. Еще меньше он торопился с публикацией своей следующей работы, написанной спустя полгода после первой, - она появилась только в 1929 г., и то, видимо, лишь потому, что это было нужно для получения места приват-доцента в Берлинском университете. В этой своей второй работе, в существенной мере продолжавшей первую, Сцилард рассмотрел, при каких условиях разумное существо способно нарушать второй закон термодинамики, который в одной формулировке гласит, что энтропия замкнутой системы не может уменьшаться, а в другой утверждает, что невозможно построить машину неоднократного действия, целиком превращающую тепловую энергию в механическую работу. Анализируя этот вопрос, Сцилард показывает, что для нарушения "второй заповеди" термодинамики гипотетическое существо может использовать флуктуационные явления, придавая им однонаправленный характер с помощью какого-либо "выпрямляющего" или "отфильтровывающего" механизма. Но для того чтобы управлять таким механизмом, этому существу необходимо как-то распознавать флуктуации, измерять их, а для этого оно, как пишет Сцилард, "должно постоянно быть точно информированным о состоянии термодинамической системы" [1).

Развивая эту идею, Сцилард впервые вводит в физику понятие информации и почти за три десятилетия до возникновения в трудах Н. Винера, К. Шеннона и других теории информации устанавливает связь между информацией и энтропией. Это было первое из целой серии принадлежавших Сциларду удивительных предвосхищений, которые, несмотря на свою правильность и полезность, не получили должной оценки и на долгое время были забыты. Частично это объясняется тем, что идеи Сциларда слишком опережали развитие науки, частично же связано с его удивительно халатным отношением к своим работам.

Уже говорилось, что Сцилард, мягко говоря, не торопился публиковать свои первые термодинамические исследования. Да и вообще за все 40 лет своей научной деятельности он опубликовал всего 29 научных работ, несмотря на то что этот небольшого роста, полный и розовощекий человек обладал, по выражению Лауры Ферми, "непостижимым запасом всякого рода идей" [4, с. 228].

В период с 1928 по 1934 г. Сцилард разработал несколько вариантов систем для ускорения заряженных частиц, среди них установки, получившие впоследствии названия линейного резонансного ускорителя и циклотрона, выдвинул принцип автофазировки, лежащий в основе современных гигантских синхрофазотронов. Как пишет видный советский специалист по ускорителям А. П. Гринберг, "многочисленные находки Сциларда (в области ускорительной техники. - Авт.) являют собой поразительный пример богатого творчества изобретателя, явно опередившего свое время на многие годы" [5, с. 346].

С другой стороны, как отмечает тот же Гринберг, Сцилард продемонстрировал "пример на редкость небрежного отношения к публикации своих идей": в периодической печати он с ними не выступил, им также не были получены соответствующие патенты. Сцилард лишь направил (и то не по всем этим изобретениям) в Германское патентное ведомство заявки, дальнейшая судьба которых его, видимо, мало волновала. Целый ряд находок Сциларда и области ускорителей - а многие из таких находок вполне соответствуют даже современному высокому уровню развития ускорительной техники - был обнаружен в личных бумагах ученого уже после его смерти. Так и получилось, что эти работы Сциларда никакой известности не получили и никакого влияния на разработку ускорителей не оказали [5, с. 343].

Не зная о "нобелевской" работе И. и Ф. Жолио-Кюри (начало 1934 г.), в которой была открыта искусственная радиоактивность, Сцилард приходит к мысли о цепной ядерной реакции. "В 1933 г. ... мне пришло в голову, что, если бы мы отыскали элемент, испускающий нейтроны при нейтронной бомбардировке, оказалась бы возможной цепная ядерная реакция". В марте-июне 1934 г. Сцилард направил в патентное ведомство Великобритании три заявки, в которых уже был в общих чертах описан ядерный реактор, употреблялись термины "цепная реакция", "коэффициент размножения нейтронов", вводилось понятие критической массы, производилась ее оценка. Как известно, послужившее толчком к развертыванию работ по атомной энергии открытие явления деления ядра урана было сделано О. Ганом и Ф. Штрассманом только в 1939 г., а первый атомный реактор был пущен 2 декабря 1942 г.

Интересно, что н эти свои работы Сцилард предпочел запатентовать, а не опубликовать. Почему? Дело в том, что он уже тогда отдавал себе отчет в возможной важности практических приложений ядерной физики. Вот что он писал Ферми 13 марта 1936 г.: "Я сознаю, что не должен считать эти патенты моей личной собственностью и что - если они имеют хоть какую-то ценность - распоряжаться ими следует общественности". Сцилард также сообщает Ферми, что ввиду значения, придаваемого им практическим приложениям ядерных исследований, он настоял на отсрочке публикаций описаний своих патентов.

В этом письме примечательна еще одна фраза, в которой Сцилард говорит, что чувствует себя не вправе пользоваться финансовыми преимуществами, обеспечиваемыми патентом на изобретение, в котором используются достижения и других ученых. Соображения приоритета не играют для Сциларда сколько-нибудь существенной роли. Правда, в том же письме к Ферми и в некоторых других своих письмах он упоминает о своих патентных заявках по ускорителям и подчеркивает, что высказанные им идеи оправдались (конечно, отмечает сам ученый, главное не придумать эксперимент, а выполнить его). Но делает он это лишь для того, чтобы повысить доверие к развиваемой им новой идее. Его логика такова: если я имею на своем счету несколько удачных предвосхищений, то очень вероятно, что я не ошибусь и на этот раз.

Как уже говорилось, идей у Сциларда было великое множество, в том числе изобретательских. Для регистрации менее важных он придумал такой способ (может быть, тоже своего рода изобретение). Писать статьи и заниматься патентованием мелочей Сциларду не хотелось, и он, кратко изложив идею, посылал это описание сам себе обычной почтой. Штемпель с датой на почтовой открытке мог хоть как-то удостоверить его приоритет.

А изобретения эти были самые разные: тут и получившее теперь столь широкое распространение микрофильмирование печатных материалов (1934 г.), и фотоэлектрическая запись звука (1935 г.), и электронно-оптический усилитель изображения (1938 г.), и счетчик в виде карандаша для определения суммарного числа калорий, содержащихся в пище, потребляемой за день (1953 г.), и мундштук для сигарет, снижающий концентрацию канцерогенов в табачном дыме (1954 г.), и способ опреснения морской воды (1954 г.), и многоканальная запись звука на граммофонной пластинке (1957 г.)...

Мы перечислили здесь лишь "любительские" изобретения Сциларда. На его важных научных работах и изобретениях, касающихся ядерной физики и реакторной технологии, подробно останавливаться мы не можем. Отметим только, что Сцилардом впервые высказана важнейшая для сегодняшней ядерной энергетики идея использования графита в качестве замедлителя нейтронов в ядерном реакторе, он также первым указал на возможность создания ядерных реакторов-размножителей на быстрых нейтронах, наконец, совместно с Ферми получил патент (патент США № 2708656, выданный 17 мая 1955 г. по заявке, поданной 19 декабря 1944 г.) на уран-графитовый ядерный реактор на цепной реакции деления ядер урана.

А вот что рассказал о Сциларде в марте 1944 г. П. Л, Капица в письме тогдашнему секретарю ЦК ВКП (б) Г. М. Маленкову [6, с. 211]:

"Мне пришлось однажды встретиться с одним изобретателем совсем исключительного профиля. Это был физик, еврей, венгерец, по фамилии Сцилард. <...> Сцилард был грамотным ученым - учеником Эйнштейна, человеком с исключительным изобретательским воображением. Он изобретал и насосы, и новые способы печати, усовершенствования говорящего кино и т.д. Но самой интересной стороной его изобретательской деятельности было то, что он никогда даже не пытался осуществлять свои идеи (тут, как мы увидим дальше, Капица не совсем прав, но он основывается на своей беседе со Сцилардом, состоявшейся где-то в 1933- 1934 гг. - Авт.). Он брал патент и продавал его за небольшую сумму, 100-200 фунтов стерлингов, какой-нибудь фирме, которая охотно покупала патент хотя бы первым долгом для того, чтобы оградить себя от возможного использования этого изобретения конкурентами, и поэтому легко давала такую мелкую сумму. Десяток-другой изобретений в год прекрасно кормили Сциларда, и он без хлопот жил припеваючи. Я не слыхал, чтобы хоть одна его идея была осуществлена, и ему это, по-видимому, было безразлично.
Такие люди, конечно, могут оказать влияние на развитие техники и науки, только если их идеи есть кому подхватить и внедрить.
Интересно, как бы жилось такому Сциларду у нас в Союзе? Надо прямо сказать, что трудно выдумать худшую систему для развития изобретательства, чем та, которая имеется у нас".

Говоря о Сциларде, который широкой публике известен в основном как крупнейший физик-ядерщик, нельзя не отметить, что ему принадлежат также первоклассные работы по биологии, касающиеся регуляции обмена веществ в живых клетках, образования антител, процессов старения, функционирования центральной нервной системы, молекулярных основ человеческой памяти.

Небезынтересно, что перу Сциларда принадлежит и одна научно-фантастическая книжка - "Голос дельфинов".

Важное место в жизни Сциларда занимала общественная деятельность. Как уже говорилось, он был одним из инициаторов развертывания в США работ по делению урана. Тогда же он, опасаясь, как бы результатами этих исследований не воспользовались гитлеровцы, убедил физиков отказаться от открытых публикаций по этой проблематике. При этом ему пришлось преодолеть упорное сопротивление: большинство ученых в соответствии с известным принципом "publish or perish" ("публикуйся или погибай") относились к вопросам приоритета иначе, чем Сцилард.

Когда фашистская Германия была побеждена, Сцилард распространил среди ядерщиков адресованную президенту США петицию против военного использования атомной бомбы, выступил за гражданский контроль над работами по атомной энергии. В последующие годы он неоднократно подчеркивал опасность ядерного оружия и гонки вооружений, стал активным участником Пагуошского движения.

Сцилард, видимо, не без увлечения трудился вместе с Эйнштейном над холодильными аппаратами. Импонировавшую ему изобретательскую жилку у молодого Сциларда Эйнштейн распознал едва ли не с первых встреч. Спустя много лет Сцилард вспоминал, что, когда он закончил университет и встал вопрос о трудоустройстве, Эйнштейн, так благосклонно отнесшийся к его первому шагу в теоретической физике, сказал ему: "Почему бы Вам не поступить в патентное бюро? Это было бы для Вас лучше всего. Научному работнику не следует жить так, чтобы его благополучие зависело от того, удается ему нести золотые яички или нет. Годы, когда я работал в патентном бюро, были лучшими в моей жизни!"

Холод из тепла

Эйнштейн и Сцилард увлекались конструированием домашних холодильников. Из того, что говорилось выше, ясно, что оба физика-теоретика тяготели к техническому творчеству. Но почему их заинтересовали именно эти, на первый взгляд столь прозаические, бытовые приборы? Чтобы ответить па этот вопрос, нужно хотя бы немного остановиться на принципах работы холодильников, вспомнить кое-что из их истории.

Кстати сказать, история всем знакомых привычных вещей не лишена своего интереса и является составной частью истории современной культуры, цивилизации. Кажется, именно это имел в виду видный советский ученый, специалист в области физики и химии биополимеров М. В. Волькенштейн, в замечательной книжке которого "Перекрестки науки" есть такие слова: "Как интересно было бы прочитать книгу об истории пищи! Мне пока с такой книгой не приходилось встречаться" [7, с. 238]. А столетием ранее швейцарец Г. Габих опубликовал солиднейший трактат "Практическое руководство по пивоварению. Подручная книга для пивоваров, начинающих заниматься этим производством, с прибавлением необходимых сведений из химии". Среди множества чисто технических рекомендаций тут можно натолкнуться на следующее "лирическое" отступление: "Без всякого сомнения, было бы весьма любопытно прочесть историческое (выделено Габихом.- Авт.) исследование о пиве и о его приготовлении" [8, с. 78].

Первая "холодильная" заявка Эйнштейна и Сциларда была подана в Германское патентное ведомство в декабре 1926 г. В то время домашние холодильники были распространены, конечно, далеко не так широко, как сейчас. Фактически именно в середине 20-х годов только началось их массовое производство [9].

Огромную роль в привлечении внимания к домашним холодильникам фабрикантов, населения и изобретателей сыграло изобретение в 1922 г. шведскими инженерами В. Платеном и К. Мунтерсом исключительно удачной модели абсорбционного холодильника - аппарата непрерывного действия, не содержащего никаких механически движущихся частей.

Как известно, домашние холодильники бывают двух типов - компрессионные и абсорбционные. Принцип их работы почти одинаков: понижение температуры холодильной камеры достигается за счет поглощения тепла жидким хладагентом (в компрессионных холодильниках это обычно фреон, а в абсорбционных - аммиак), который при этом испаряется.

Хладагент кипит в испарителе, выполняемом в виде согнутой в змеевик трубки; давление в испарителе устанавливают достаточно низкое, чтобы соответственно низкой была и температура кипения. Но, чтобы холодильный цикл был непрерывным, испаряющийся хладагент нужно снова как-то сжижать и возвращать в испаритель.

Рис. 10. Схемы комирессиониого (а) и абсорбционного (б) холодильников

В компрессионном холодильнике, схема которого показана на рис. 10, а, для этого используется механический компрессор 1, который засасывает пары хладагента из испарителя 2, сжимает их и направляет в охлаждаемый окружающим воздухом змеевик конденсатора 3. Между конденсатором и испарителем находится так называемый регулировочный вентиль 4, благодаря которому давление в конденсаторе оказывается значительно более высоким, чем в испарителе. Именно поэтому циркулирующий по замкнутому контуру хладагент в конденсаторе при температуре, скажем, 40-50°С (при сжатии в компрессоре газ нагревается) сжижается, а в испарителе при температуре -5 - -10° С кипит.

Схема абсорбционного холодильника показана на рис. 10, б. Видно, что устроен он в принципе так же, как компрессионный: холодильную камеру охлаждает хладагент (аммиак), кипящий в испарителе 2, для обратного превращения паров в жидкость служит конденсатор 3. Но вместо механического компрессора, например поршневого, используется так называемый тепловой компрессор, состоящий из абсорбера 5 и генератора 6. Вода, находящаяся в абсорбере, жадно поглощает (абсорбирует) аммиак: 1 л воды при 0°С способен растворить свыше 1000 л аммиака! Поглощение водой аммиачных паров соответствует такту всасывания поршневого компрессора. В генераторе крепкий водоаммиачный раствор подогревают, изгоняя из него легколетучую компоненту - аммиак, это уже соответствует нагнетательному такту в рабочем цикле поршневого компрессора.

Абсорбционный принцип охлаждения был известен давно, исторически он даже старше компрессионного. Однако построить на этом принципе непрерывно работающую и не требующую для этого механических насосов или компрессоров установку никак не удавалось. Да и сама задача на первый взгляд вообще казалась неразрешимой. Действительно, поскольку абсорбер связан с испарителем, давление в нем должно быть низким, иначе не будет низкой температуры испарения; с другой стороны, в генераторе, сообщающемся с конденсатором, давление должно быть высоким, иначе хладагент конденсироваться не будет. Значит, чтобы подавать богатый аммиаком водный раствор из абсорбера 5 в генератор 6, нужен какой-то преодолевающий встречный перепад давлений насос 7; кроме того, нужен также дополнительный заградительный вентиль 8 на трубопроводе, по которому обедненный аммиаком (в результате выпаривания в генераторе) водный раствор сливается обратно в абсорбер.

Шведские изобретатели Платен и Мунтерс решили эту задачу чрезвычайно остроумно и красиво. Помимо обычных для абсорбционных холодильных систем воды и аммиака, они ввели в свой аппарат водород. Согласно закону Дальтона, давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов, т.е. давлений, которые каждая из газовых составляющих имела бы, если бы она занимала весь доступный для смеси объем. В холодильном контуре Платепа и Мунтерса нет ни вентилей, ни перегородок, так что суммарное давление всюду одинаковое, но парциальное давление водорода значительно выше в испарителе и абсорбере, куда он изгоняется из прогреваемого генератора. В результате этого при общем суммарном давлении 14-16 атм давление паров аммиака в испарителе может составлять 2-3 атм. Таким образом, водород автоматически и не хуже вентилей устанавливает необходимое распределение давлений в холодильном контуре.

Понятно, что в такой системе, где суммарное давление всюду постоянно, ни компрессор, ни регулировочный вентиль не требуются. Но как же, может спросить читатель, осуществляется в этом холодильнике непрерывная циркуляция хладагента, ведь насоса нет, а "игра" на разностях уровней ничего лучшего, чем одноразовый перелив, дать не способна? И эту трудность шведские изобретатели преодолели не без остроумия. В их схеме обедненный раствор перетекает из генератора 6 в абсорбер 5 просто потому, что уровень жидкости в последнем немного ниже. Из абсорбера же в генератор крепкий раствор перекачивается нехитрым устройством, называемым термосифоном. Этот термосифон представляет собой соединяющую дно абсорбера с верхней частью генератора узкую трубку, находящуюся в тепловом контакте с нагревателем генератора. Прогрев трубки сопровождается возникновением в ней газовых (аммиачных) пузырьков, жидкость как бы становится легче и поэтому поднимается выше, чем ей предписывает закон сообщающихся сосудов. Так без механических средств осуществляется перелив с более низкого уровня на более высокий.

Холодильник Платена и Мунтерса имел огромный успех. Действительно, аппарат производил впечатление чуда: он мог работать и без электроэнергии (от газовой горелки, горячей воды или солнечного тепла), он был совершенно бесшумным, в нем не было никаких движущихся частей, а значит, не требовались ни смазка, ни другой уход.

В наше время такие холодильники серийно производятся во многих странах, причем надо сказать, что исключительно удачная схема шведских изобретателей не претерпела сколько-нибудь существенных изменений. К абсорбционному типу принадлежат хорошо известные отечественные холодильники "Север-6", "Дон-3", малогабаритный "Морозко" и др.

В наши дни, когда проблема экономии энергии приобретает первостепенную важность, абсорбционные машины с их возможностью утилизации низкотемпературного тепла, которое ничего не стоит и ни на что более не пригодно, представляются особенно перспективными. Ведь холод нужен не только в быту, он широко используется в современной промышленности - химической, резинотехнической, пищевой, фармацевтической.

Любой холодильник можно считать "тепловым насосом" (термин, введенный В. Томсоном (лорд Кельвин) еще в середине прошлого века). Действительно, подобно тому, как механический насос поднимает, например, воду из реки в водонапорную башню, холодильник перекачивает тепло из холодильной камеры, т. е. с низкого температурного уровня, в наружное помещение, находящееся на более высоком температурном уровне. Абсорбционные холодильные машины реализуют идею теплового насоса наиболее совершенным образом, поскольку для перекачки тепла они никакой другой энергии, кроме тепловой, не используют. Если устройство абсорбционного холодильного аппарата полностью скрыто от глаз наблюдателя, он будет видеть перед собой чудесный, не подающий признаков жизни (в том смысле, что нет движения, шума, вибрации) "черный ящик", создающий внутри себя мороз, когда, скажем, одна его стенка снаружи соприкасается с теплой средой, а другая - с прохладной.

Думается, именно этот впечатляющий аспект работы абсорбционных холодильников и явился основной причиной того, что ими заинтересовались не только профессиональные инженеры-холодильщики, по и изобретатели-любители и физики. Во многих книгах об Эйнштейне говорится о "тепловом насосе Эйнштейна-Сциларда" [10, с. 396; 11, с. 51]. Но в холодильных патентах Эйнштейна и Сциларда этот термин не употребляется. Несомненно, что современные упоминания (кстати сказать, очень расплывчатые) об эйнштейн-сцилардовском тепловом насосе представляют собой не что иное, как дошедшие до нас пересказы со слов самих Эйнштейна и Сциларда, которые, говоря о разрабатывавшихся ими вариантах холодильников, наверняка пользовались столь выразительным, но в техническом отношении довольно бессодержательным термином, как "тепловой насос".

Шведские инженеры оказались не только талантливыми изобретателями *, но и весьма деловыми предпринимателями. На свои холодильные аппараты они получили огромное число патентов в разных странах (в том числе и в СССР) и основали процветающую до сих пор мощную фирму по производству холодильников "Elektrolux". Несомненно, что этот выдающийся коммерческий успех также в немалой степени способствовал тому, что множество изобретателей с воодушевлением принялись усовершенствовать холодильные аппараты, в частности абсорбционные.

* Заметим, что Платен имеет на своем счету и другие важные изобретения; в частности, он первым запатентовал установку для получения синтетических алмазов.

Абсорбционные холодильники Эйнштейна - Сциларда

Мы описали лишь принцип исходной абсорбционной схемы Платена-Мунтерса. Естественно, что реальный холодильный аппарат устроен сложнее и содержит ряд дополнительных функциональных элементов. Эти дополнительные элементы, в частности теплообменники, позволяющие существенно повысить эффективность использования тепловой энергии, внося в контур циркуляции хладагента добавочные газо- и гидродинамические сопротивления, в значительной мере затрудняют эту циркуляцию, осуществляемую к тому же таким сравнительно "слабосильным" средством, как термосифон. С другой стороны, ясно, что с замедлением циркуляции хладагента эффективность холодильника неминуемо снижается.

Поэтому изобретательская мысль сразу же устремилась на поиски путей устранения "узкого места" этой в целом хорошей схемы. Впереди снова оказались Платен и Мунтерс - они запатентовали новый вариант своего абсорбционного холодильника, в котором как бы поменялись местами хладагент и вспомогательный газ (в старой схеме это водород, а в новой - ацетилен): хладагент циркулирует теперь только через испаритель и абсорбер, а вспомогательный газ - по контуру, включающему испаритель, абсорбер и генератор, т.е. так, как в исходной схеме циркулировал хладагент аммиак. Естественно, что в отношении эффективности охлаждения такая укороченная и, следовательно, более свободная циркуляция хладагента имеет значительные преимущества. Как же осуществляется такой обмен местами хладагента и вспомогательного газа? Решению никак не откажешь в остроумии. В качестве поглощающей жидкости (абсорбента) выбирается такая, которая жадно поглощает не хладагент, как это имеет место в случае пары аммиак-вода, а вспомогательный газ (в случае ацетилена в качестве абсорбента подходит ацетон).

Другой способ реализации той же идеи (со ссылкой на патент шведских изобретателей) предложили Эйнштейн и Сцилард. Объяснить на словах, как работает придуманный ими абсорбционный холодильник, довольно затруднительно. Поэтому, коль скоро мы интересуемся техническим творчеством великого физика, нам придется детально рассмотреть хотя бы один из четырех вариантов, приведенных в их патентном описании.

Рис. 11. Схема абсорбционной холодильной машины Эйнштейна-Сциларда

В атом холодильнике в качестве хладагента используется метилбромид или бутан (для определенности речь дальше будет идти о метилбромиде), в качестве абсорбента - вода, а вспомогательным, выравнивающим давление газом служит аммиак.

На рис. 11: 1 - помещенный в охлаждаемую камеру испаритель, "откачивающий" тепло путем испарения хладагента - метилбромида 2.

По трубке 3 в испаритель поступает газообразный аммиак, поток которого разбивается перфорированной насадкой 4 на множество мелких пузырьков.

Из испарителя газообразная смесь метилбромида и аммиака по трубке 5 проходит в конденсатор-абсорбер 6, в котором из трубки 7 непрерывно по каплям вытекает вода; предпочтительно, чтобы вода протекала вблизи стенки, окруженной рубашкой охлаждения 8, по которой проходит достаточно холодная вода, например водопроводная.

Вытекающая из трубки 7 вода интенсивно поглощает аммиак, его парциальное давление падает, и, так как суммарное давление газовой смеси остается постоянным, парциальное давление паров метилбромида сильно возрастает.

Это давление, особенно вблизи стенок конденсатора-абсорбера 6, становится выше давления насыщенного пара, так что одновременно с поглощением водой аммиака происходит и конденсация метилбромида. Скорость этой конденсации зависит в первую очередь от того, как быстро отводится охлаждающей рубашкой 8 тепло, выделяющееся при ожижении метилбромида.

Жидкий метилбромид 9, как более тяжелый, собирается внизу, а водоаммиачный раствор 10 всплывает. По трубке 11 жидкий метилбромид снова поступает в испаритель 2. Таким образом осуществляется быстрая циркуляция метилбромида между испарителем и конденсатором-абсорбером, благодаря чему устройство эффективно отбирает тепло из холодильной камеры.

Трубка 12 представляет собой термосифон, о котором речь шла выше (нагревателем - на схеме он не показан - может служить присоединенная к источнику тока проволочная спираль, обматывающая часть левого колена трубки 12). При нагревании в жидкости левого колена образуются аммиачные пузырьки, жидкость становится легче и давление столба холодного раствора в правом колене "загоняет" ее в несколько приподнятый бачок 13. Небольшое количество выделившегося в виде пузырьков газообразного аммиака по трубке 14 возвращается в конденсатор-абсорбер 6.

В генераторе 15 (его нагреватель также не показан) из сливающегося по трубке 16 крепкого водоаммиачного раствора аммиак выпаривается. Суммарное давление в бачке 13 такое же, как в конденсаторе-абсорбере 6 и испарителе 1, а давление над уровнем жидкости в генераторе выше на величину давления столба жидкости в трубке 16. Поэтому газообразный аммиак выдавливается из генератора по трубке 3 в испаритель 1 под уровень жидкого метилбромида, если только гидростатическое давление h₁>h₂. Вследствие этого же избыточного давления обедненная аммиаком вода выдавливается из генератора 15 по трубке 7 в конденсатор-абсорбер 6. Чтобы этот перелив не был слишком бурным, на устье этой трубки надет пористый колпачок 17 (через который жидкость проходит как через некоторое гидравлическое сопротивление, а газ - при падении уровня жидкости - вследствие капиллярных сил не проходит).

Судя по прикидочным расчетам в тексте патентного описания, есть основания полагать, что предложенная Эйнштейном и Сцилардом схема была реализована и испытана.

В нашем изложении мы следовали английскому патенту № 282428 "Усовершенствование, касающееся холодильного аппарата", выданному Эйнштейну и Сциларду 15 ноября 1928 г. В США права на это изобретение приобрело американское отделение шведской фирмы "Elektrolux", которое получило там 11 ноября 1930 г. патент № 1781591. Передача прав на изобретение ведущей фирме по производству абсорбционных холодильников с определенностью свидетельствует о признании практической ценности этой разработки Эйнштейна и Сциларда. К сожалению, мы не располагаем сведениями относительно того, нашло ли это изобретение промышленное применение.

В Германское патентное ведомство заявка Эйнштейна и Сциларда поступила 16 декабря 1926 г. Однако, по неизвестным причинам патент выдан не был. Возможно, что эксперты сочли изобретение недостаточно оригинальным.

Известный физик В. Герлах в своих воспоминаниях об Эйнштейне рассказал о таком любопытном эпизоде, относящемся к концу 20-х годов. В Берлине в перерыве какого-то научного заседания он увидел уютно уединившихся Эйнштейна и Нернста (Эйнштейн, несмотря на частые "пикировки" с Нернстом в научных дискуссиях, был с ним в приятельских отношениях). Герлах услышал, о чем они беседовали. Эйнштейн жаловался Нернсту: патентное ведомство сочло, что конструкция придуманного им со Сцилардом холодильника известна. "Когда мне это говорят о теории относительности, - произнес Эйнштейн несколько удрученно, - я еще могу понять, но холодильник..." [12].

Не исключено, что Эйнштейн и Сцилард пришли к идее поменять местами хладагент и вспомогательный газ независимо от шведских инженеров, которые запатентовали свое изобретение весной 1926 г., и сослались на них в своей английской патентной заявке, поданной в декабре 1927 г., получив соответствующие указания от Германского патентного ведомства.

Двумя неделями позже Эйнштейн и Сцилард представили в это учреждение, а через год (такой промежуток времени требовало патентное законодательство) и в английскую патентную службу еще одну заявку - "Холодильные машины, в которых перекачка жидкости осуществляется путем периодического повышения давления паров" (английское патентное описание № 282808). На этот раз физики потерпели полное поражение - патент не был выдан ни в Германии, ни в Англии.

Рис. 12. Три варианта эйнштейн-сцилардского насоса периодического действия

В этом своем изобретении Эйнштейн и Сцилард снова атакуют проблему интенсификации циркуляции хладагента в абсорбционном холодильнике, пытаясь найти замену слабосильному термосифону. Предлагаются четыре варианта такой замены. На рис. 12, а: 1 - сборник, соединяющийся трубками 2 и 3 с абсорбером и генератором соответственно. Клапан 4 закрывается, когда давление в сборнике выше, чем в трубке 2, наоборот, клапан 5 открывается, когда давление в сборнике больше, чем в трубке 3. Когда стенки сборника холодные, клапан 4 открыт, а клапан 5 заперт избыточным давлением в генераторе, так что сборник заполняется жидкостью. Затем включают нагреватель 6. Когда давление в сборнике превысит давление в трубке 2, клапан 5 открывается (клапан 4 в это время уже закрыт) и порция жидкости выталкивается в генератор.

Во втором варианте изобретения (рис. 12, б) вместо клапанов использованы микропористые керамические перегородки; сборник 6 соединен трубкой 7 с абсорбером, а трубкой 8 с генератором. Когда стенки сборника холодные, жидкость из трубки 7 просачивается через перегородку 9 и собирается на перегородке 10, так как давление газа в трубке 8 недостаточно для преодоления капиллярных сил и выдавливания жидкости из ее микропор. При включенном нагревателе давление внутри сборника повышается, протекание раствора через перегородку 9 прекращается, хотя пары в сборнике все же не в состоянии вытеснить жидкость из ее пор. С другой стороны, давление в сборнике оказывается достаточным для продавливания скопившегося в сборнике раствора через перегородку 10 в трубку 8 и далее в генератор.

Расскажем об одном варианте эйнштейн-сцилардовского устройства, для работы которого уже не требуется попеременное охлаждение или нагревание сборника (рис. 12, в). Идущая из абсорбера трубка отделена микропористой перегородкой 12 от сборника 13, который, в свою очередь, отделен микропористой перегородкой 14 от трубки 15, идущей к генератору. От сборника 13 ответвляется закрытая ампула 16 с постоянно работающим придонным нагревателем 17. Внутренние объемы сборника 13 и ампулы 16 соединяет сифон 18. Когда уровень протекающего через перегородку 12 раствора доходит до линии АВ, некоторое количество жидкости через сифон 18 переливается в ампулу 16. Так как придонная часть ампулы постоянно прогревается, давление паров в ампуле (а следовательно, и в сборнике) возрастает и порция жидкости продавливается через перегородку 14 в трубку 15, идущую к генератору.

В январе 1927 г. Эйнштейн и Сцилард подают в Германское, а через год в Английское патентное ведомство новую заявку "Холодильные машины с органическим растворителем" (патентное описание № 284222 по английской нумерации), в которой предлагается совсем другого рода усовершенствование абсорбционных холодильных машин. Надо сказать, что и это предложение не получило признания ни немецких, ни английских патентных экспертов. (Впрочем, можно полагать, что патентные заявки Эйнштейна и Сциларда могли быть отвергнуты и не по существу, а по каким-то формальным обстоятельствам.)

На этот раз Эйнштейн и Сцилард предлагают использовать в качестве абсорбента не обычную для абсорбционных машин воду, а инертную по отношению к хладагенту жидкость - какой-либо органический растворитель. В качестве хладагента в таком случае также предпочтительно взять родственную растворителю, но не вступающую с ним в реакцию более легколетучую жидкость. В качестве конкретного примера такой пары веществ Эйнштейн и Сцилард указывают на систему окти-ловый спирт (растворитель) - метиловый спирт (хладагент). Собственно, холодильник с такой парой рабочих веществ, строго говоря, уже и нельзя назвать абсорбционным, поскольку в абсорбере будет происходить идеальное растворение одного вещества в другом. Абсорбция же, например, аммиака водой сопровождается химическими реакциями, о чем свидетельствует выделение при этом процессе тепла. По сравнению с обычными водоаммиачными системами холодильник на органических жидкостях обладал бы следующими преимуществами: отсутствие коррозии (аммиак все-таки химически активен), легкость испарения хладагента и отсутствие выделения тепла при растворении одной органической жидкости в другой.

От холодильника к МГД-насосам

Помимо совместных с Эйнштейном, у Сциларда было множество собственных патентов на холодильные установки - больше десятка одних немецких. Но что интересно: все эти заявки на патенты поданы после представленной совместно с Эйнштейном в декабре 1926 г. заявки на абсорбционный холодильник типа Платена-Мунтерса. Не говорит ли это о том, что именно Эйнштейн вовлек Сциларда в "холодильную деятельность"?

Как уже говорилось, всегда переполненный разного рода идеями, Сцилард плодотворно занимался изобретательством. В середине 20-х годов он заинтересовался насосами для перекачки жидких металлов и даже в течение трех лет консультировал соответствующие разработки, проводившиеся немецким концерном АЭГ. Неясно, правда, то ли промышленники привлекли его к решению этой задачи, то ли он сам сумел их ею заинтересовать. В январе 1926 г. Сцилард подал заявку, а в сентябре 1927 г. получил немецкий патент №476812 на способ разливки металлов в формы с использованием электрического тока.

Идея состояла в том, что движущая сила сообщалась жидкому металлу в результате взаимодействия проходящих через расплав электрического тока и перпендикулярного ему магнитного поля. Как известно, работающие на атом принципе насосы сейчас называют магнитогидродинамическими, или МГД-насосами. Уже в первом патентном описании Сцилард сразу же указывает на важнейшие достоинства насосов такого рода - отсутствие механически движущихся частей и возможность их работы в полностью закрытых, герметичных объемах.

Но отсутствие движущихся частей было едва ли не основной особенностью абсорбционного холодильника, которая-то и привлекла к нему внимание Эйнштейна и Сциларда. Кроме того, и для холодильника возможность полной герметизации рабочих органов весьма желательна, ведь таким образом исключается утечка часто токсичных и взрывоопасных хладагентов.

Думается, что мысль об использовании магнитогидродинамического, или, как его называли Эйнштейн и Сцилард, электромагнитного, насоса в холодильных установках родилась, когда Сцилард рассказал Эйнштейну о своих разработках в области перекачки жидких металлов. Действительно, для непрерывной работы холодильной установки необходимо какое-то средство для осуществления циркуляции хладагента и сжатия его на определенном участке холодильного контура. Почему бы не попробовать использовать в качестве такого средства поток жидкого металла, который приводится в циркуляционное движение электромагнитным насосом?

Первым результатом размышлений подобного рода явилась поданная Сцилардом и Эйнштейном 13 ноября 1927 г. заявка на "холодильную машину", по которой ими 30 мая 1933 г. был получен немецкий патент № 563403.

Рис. 13. Схема жидкометаллического компрессора Эйнштейна - Сциларда

На рис. 13 пояснен принцип действия этой холодильной машины. Жидкий металл - для определенности будем говорить о ртути - в цилиндрах 1 и 2 играет роль поршней. Электромагнитный насос 3 гонит ртуть то из цилиндра 1 в цилиндр 2, то в обратном направлении. Переключение направления ртутного потока происходит автоматически: при попеременном соприкосновении ртути с контактами 4 и 5 меняется направление электрического тока или магнитное поле насоса. Таким образом, происходят периодические колебания уровней ртути в цилиндрах 1 и 2, когда уровень в цилиндре 1 опускается, уровень в цилиндре 2 поднимается, и наоборот. Пространство над ртутью занято хладагентом. Цилиндры и трубопроводы устроены так, что сжимаемый поднимающимся ртутным поршнем хладагент поступает в конденсатор 6, сжижается там и через понижающий давление регулировочный вентиль 7 поступает в испаритель. Отсасываемое из холодильной камеры тепло испаряет хладагент в испарителе, и образующиеся пары засасываются в другой цилиндр, ртутный поршень которого опускается.

Рис. 14. Схема кондукционного МГД-насоса Эйнштейна-Сциларда

На рис. 14 показана схема одного из вариантов (таких вариантов в этом патентном описании три) электромагнитного насоса; Сцилард и Эйнштейн иногда также называют свои насосы электродинамическими.

Насос работает на переменном токе. Последовательно с первичной обмоткой 1 трансформатора 2 соединена обмотка возбуждения 3, намагничивающая сердечник 4. В этом сердечнике проделан узкий поперечный канал 5, сообщающийся с трубопроводом, по которому должна перекачиваться ртуть (конечно, стенки канала изолированы от сердечника). Ток от вторичной обмотки 6 трансформатора 2 с помощью электродов 7 и 8 пропускается через находящуюся в канале 5 ртуть в направлении, перпендикулярном направлению пронизывающего канал магнитного поля. Взаимодействие между взаимно перпендикулярным магнитным полем и током приводит к возникновению силы, действующей на жидкую ртуть в направлении, перпендикулярном току и магнитному полю, т.е. вдоль канала 5 перпендикулярно плоскости чертежа. Куда будет двигаться ртуть (на нас или от нас на рисунке), можно, как известно, определить по правилу левой руки. Ясно, что для перемены направления перекачки ртути достаточно поменять концы обмотки возбуждения, или токоподводы к электродам 7 и 8.

Интересно, что Сцилард и Эйнштейн в своем описании приводят размеры сечения канала 5: 1х20 мм. Не свидетельствует ли это о том, что описанный электромагнитный насос (и холодильник) был построен и испытан? Возможно, что этим занимался Сцилард в ходе своих работ в АЭГ.

Два других варианта электромагнитного насоса несколько сложнее, но более компактны, технологичны и, видимо, более полным образом используют взаимодействие магнитного поля с током. В одном из них переменный ток в ртуть вводится уже без электродов: сама ртуть как бы служит вторичной обмоткой, в которой ток наводится индукционным образом. По этим конструктивным вариантам также приведены некоторые конкретные числовые данные.

Мы видим, что в этом своем изобретении Сцилард и Эйнштейн уже отказываются от абсорбционного принципа охлаждения: предложенная ими схема не что иное, как холодильник с поршневым компрессором, только приводимым в движение не обычным электродвигателем, а МГД-насосом. Но такое решение, видимо, не удовлетворяет их ни с практической, ни с эстетической точки зрения. Может быть, поэтому они не патентуют это изобретение в других странах.

Однако техническое сотрудничество физиков продолжается, и в период с конца 1927 г. до конца 1928 г. они разрабатывают новый вариант холодильной машины, также приводимой в действие магнитогидродинамическими насосами двух типов. Насос первого типа, в котором ток в жидкий металл вводится непосредственно с помощью электродов (в современной терминологии кондукционный МГД-насос),- это существенно тот же, что был описан в немецком патенте № 563403 (рис. 14). Добавлено лишь, как это вполне очевидно, что этот насос может работать и на постоянном токе. Насос второго типа с безэлектродным введением тока - теперь такие насосы называют индукционными МГД-насосами - интересен тем, что в нем эффективно используется так называемое бегущее магнитное поле. На эти по-разному скомпонованные и несколько по-разному охарактеризованные изобретения были выданы немецкие патенты № 554959, 555413, 556535, 561904, английские № 303065, 344881, швейцарский № 140217 и голландский № 31163.


Рис. 14. Схема кондукционного МГД-насоса Эйнштейна-Сциларда	Рис. 15. Схема холодильника с МГД-насосом

В своей схеме холодильной установки (рис. 15) Сцилард и Эйнштейн снова отходят от абсорбционного принципа, но верность идее отсутствия механически движущихся частей они сохраняют.

Холодильник приводится в действие состоящим из сопла 1 и диффузора 2 струйным насосом. Как работает такой насос, хорошо известно по школьным урокам физики, на которых он обязательно демонстрируется. Из испарителя 3 пары хладагента засасываются при разрежении, возникающем в области перехода рабочей жидкости из сужающегося сопла 1 в расширяющийся диффузор 2. Рабочая жидкость используемого струйного насоса, сжимающая в диффузоре 2 пары хладагента, отделяется в сепараторе 4, а сам хладагент (в качестве хладагента могут быть взяты пропан, бутан, различные эфиры) сжижается в конденсаторе 5 и через регулирующий вентиль 6 снова поступает в испаритель 3. Чтобы работал струйный насос, необходим еще один насос 7, прогоняющий через первый струю рабочей жидкости. Сцилард и Эйнштейн применяют МГД-насос. Но такой насос перекачивает только электропроводные жидкости. Поэтому в качестве рабочей жидкости они предлагают использовать ртуть или щелочные металлы - калий, натрий и их сплавы (при определенной пропорции компонентов натрийкалиевый сплав остается жидким даже при температуре -12°С).

Сочетание у щелочных металлов хорошей электропроводности с малым удельным весом делает их и отношении электромагнитной перекачки более удобными, чем ртуть. Важно также, что давление паров щелочных металлов при обычных температурах достаточно низкое, так что нет опасности примешивапия этих паров к хладагенту. Конечно, щелочные металлы известны своей химической активностью, однако, если такой металл или сплав находится в железном сосуде без доступа воздуха, никакой коррозии не происходит. Таким образом, казалось бы, странная идея использования в качестве рабочей жидкости струйного насоса жидких натрия, калия или сплава этих металлов, как говорят, "проходит".

Рис. 16. Схема индукционного МГД-насоса Эйнштейна-Сциларда (слева)

Рис. 17. Схема "колебательного" электродвигателя Эйнштейна-Сциларда

Устройство МГД-пасоса для жидкого металла поясняет рис. 16. Жидкий металл проходит по кольцевому зазору 3 между выполненными из железа трубой 1 и цилиндрическим сердечником 2. Переменные токи в последовательных обмотках 4-7 сдвинуты по фазе так, что возникает магнитное пола, бегущее вдоль вертикальный оси насоса, - таким образом как бы распрямляется в плоскость цилиндрическая обмотка статора обычного асинхронного электродвигателя. Для лучшей концентрации магнитного поля пространство вокруг обмоток заполнено пакетами пластин 8, 9 из трансформаторной стали. Возбуждаемое обмоткой магнитное поле наводит в жидком металле кольцевой ток вокруг сердечника. В результате взаимодействия взаимно перпендикулярных магнитного поля и наведенного тока возникает действующая на жидкий металл объемная движущая сила, которая направлена вдоль оси насоса. Жидкий металл движется за бегущий магнитным полем подобно тому, как в асинхронном электродвигателе ротор вращается вместе с вращающимся магнитным полем, создаваемым статорной обмоткой. Сдвиг фаз (около 90° между переменными токами в последовательных обмотках 4-7), как и в случае асинхронного двигателя, создается с помощью конденсаторов. Обмотки можно также подключить к трехфазному источнику переменного тока.

Интересно, что Эйнштейн со Сцилардом не только придумали холодильник с жидким металлом и МГД-насосом, но и построили его. Аппарат работал, однако революции в холодильной технике он не произвел, более того, он оказался довольно непрактичным и, несмотря на отсутствие движущихся частей, почему-то шумел значительно сильнее, чем существовавшие в то время не слишком совершенные компрессионные холодильники.

Но Эйнштейн и Сцилард все-таки не оставили сразу свою идею и в апреле 1930 г. подали в Германское патентное ведомство еще одну заявку на несколько конструктивных вариантов сепаратора для отделения хладагента от жидкого металла (соответствующий патент № 562300 был выдан весной 1933 г.).

Для полноты отметим еще, что Эйнштейн и Сцилард, задумавшись о "колебательных" приводных устройствах для холодильников тина жидкометаллического поршневого компрессора, описанного в их немецком патенте № 563403, отходят от "принципа запрета" на механическое движение и изобретают "Электромагнитное устройство для осуществления колебательных движений" (немецкий патент № 562040 по заявке, представленной 1 июня 1928 г.).

Речь здесь идет об электродвигателе, ротор которого совершает не вращательное движение, а угловые колебания относительно центральной оси. Такое устройство, по мысли изобретателей, могло бы оказаться полезным в качестве привода малогабаритных поршневых компрессоров, в частности компрессоров небольших домашних холодильников. Дело в том, что в малогабаритных поршневых компрессорах связывающий их с приводным электродвигателем кривошипно-шатунный механизм занимает слишком много места, если учесть его довольно скромную, подсобную функцию. Приводить ротор в колебательное движение путем коммутации тока статора неудобно, так же как и ориентироваться на колебательные движения с частотой переменного тока электрической сети.

Сцилард и Эйнштейн * решают задачу довольно изящным образом. Изобретение поясняет рис. 17. Используется обычный однофазный асинхронный электродвигатель (с "искусственной фазой") со статорной обмоткой 1, подключенной к сети переменного тока. Ротор 2 насажен на вал 3, закрепленный в подшипниках 4 и 5. Концы вала 3 связаны с неподвижным основанием спиральными пружинами 6 и 7.

* Мы, как правило, сохраняем соответствующий патентному описанию порядок фамилий изобретателей.

Если переменного тока в статорной обмотке нет, ротор, выведенный толчком из равновесного положения, благодаря пружинам будет совершать затухающие угловые колебания. Пусть теперь статор подключен к источнику переменного тока. Как известно, ротор однофазного асинхронного двигателя вращается в ту сторону, в которую его толкнули. Поэтому, если упругость пружин достаточна для того, чтобы после остановки ротора в одном из крайних положений разогнать его в обратную сторону до синхронной скорости, т.е. до скорости, при которой вращающееся магнитное поле статора уже увлекает за собой ротор, он начинает совершать незатухающие угловые колебания. Для предотвращения токовой перегрузки статорной обмотки в моменты остановки ротора (в точках поворота) последовательно с этой обмоткой подключен ограничивающий ток дроссель 8.

Подводя итоги

Мы рассказали о всех совместных изобретениях Эйнштейна и Сциларда. Возникает естественный вопрос: сколь серьезно относились сами физики, и в частности Эйнштейн, к этой своей "холодильной деятельности"? Едва ли можно хоть сколько-нибудь сомневаться в том, что холодильники занимали мысли великого теоретика в несравненно меньшей степени, чем вопросы единой теории поля в квантовой теории. Несомненно также, что для него конструирование холодильников было в своем роде интеллектуальным отдыхом, привлекательным еще, помимо всего прочего, общением с таким интересным, энергичным и переполненным идеями ученым, как Сцилард.

Тем не менее, недооценивать серьезность занятий изобретательством было бы неверно. Об этом свидетельствует хотя бы то обстоятельство, что примерно одинаковые заявки на изобретения были поданы в патентные службы нескольких стран, причем в строго предписываемые законодательством сроки. А ведь известно, что патентование - дело достаточно хлопотное, требующее подчас длительной переписки.

Что же можно сказать о ценности эйнштейн-сцилардовских идей с позиций сегодняшних высот, достигнутых в холодильном деле?

В 1980 г. видный немецкий специалист в этой области Г. Алефельд писал:

"Для нас не очень ясно, почему метод Платена и Мунтерса был предпочтен эйнштейн-сцилардовскому в качестве основы для многих миллионов холодильников. Возможно, скорость абсорбции в присутствии третьего газа оказалась недостаточной, чтобы сделать идею конкурентоспособной".

И далее, говоря о растущем в наши дни интересе к энергосберегающим теплонасосным системам, Алефельд замечает, что

"замыслы Эйнштейна и Сциларда должны привлечь новый интерес - в особенности в связи с тем, что в настоящее время известно гораздо больше комбинаций рабочих жидкостей. Совсем недавно некоторые из их идей были применены на практике французским Институтом нефти в системе для перевода промышленного сбросного тепла с температурного уровня T₁ на более высокий - и более полезный - температурный уровень Т₂" [13].

В патентовании холодильника с МГД-насосом в Швейцарии помощь Эйнштейну оказывал его старый друг Бессо. Вот отрывок из письма, отправленного Бессо Эйнштейну из Берна 1 мая 1930 г.: "Второе возражение к заявке Эйнштейна-Сциларда, обоснованное некоторыми редакционными соображениями, будет днями выслано. В случае, если желательна некоторая оттяжка выдачи патента, бюро сейчас щедро на продление срока отвода второго и предыдущего возражений, если только заявление об этом будет своевременно подано" [14, с. 35]. Мы привели эту длинную и не слишком содержательную цитату лишь потому, что она, думается, свидетельствует о серьезном, деловом отношении Эйнштейна к своим изобретениям.

Иногда можно услышать мнение, что Эйнштейн лишь помогал Сциларду как бывший патентный эксперт. Наверняка это не так: он никогда бы не поставил свою подпись под работой, в которой не участвовал. Наоборот, есть все основания полагать, что изобретал он со Сцилардом на равных, что великий теоретик прекрасно разбирался и в холодильном деле, и в электротехнике, - быть может, тут сказался солидный запас технических знаний, приобретенных за семь лет службы в бернском патентном бюро.

Коснемся еще одного обстоятельства. Выше говорилось, что Сцилард и Эйнштейн для своих холодильных машин разработали несколько вариантов МГД-насосов. Но в какой мере их можно причислить к изобретателям этих находящих в настоящее время все более широкое применение аппаратов...? *

* Авторы выражают признательность А.Д. и В.А. Баринбергам за полезные дискуссии по вопросам, касающимся истории МГД-насосов.

Для МГД-насосов, так же как и для большинства других полезных устройств, полная определенность в вопросах приоритета отсутствует. О чем-то подобном думали еще Г. Дэви, М. Фарадей и В. Томсон (лорд Кельвин). В 1918 г. Д. Гартман построил для перекачки ртути кондукционный электромагнитный насос с постоянным магнитным полем. В 1927 г. наш соотечественник П.Е. Тряпицын, получил авторское свидетельство № 6574 на "Электрический насос для подъема металлов, находящихся в жидком состоянии, и электролитов" - это был уже индукционный насос с бегущим магнитным полем.

Во всех сколько-нибудь полных исторических обзорах среди самых первых МГД-насосов указываются устройства Сциларда и Эйнштейна [15, с. 21; 16, с. 9; 17, с. 16; 18], причем обычно следует ссылка на английский патент № 344881, заявленный в 1928 г. и выданный в 1931 г. Однако, как мы знаем, этот патент - вторичный: первоначально он был заявлен в Германии в декабре 1928 г. (№ 555413). К тому же мы теперь знаем, что это был не первый патент Сциларда и Эйнштейна на электромагнитный насос; их исходные варианты были описаны в немецком патенте № 554959, заявленном годом ранее. Но первенство в этой серии принадлежит все-таки нигде не упоминаемому единоличному немецкому патенту Сциларда "Способ разливки металлов в формы с применением электрического тока", заявленному в январе 1926 г.

Что же в таком случае можно сказать относительно приоритета в отношении изобретения МГД-насосов? Позволительно с уверенностью утверждать только следующее:

1) Сцилард и Эйнштейн (к последнему сказанное ниже относится в меньшей степени) пришли к своим изобретениям самостоятельно;
2) с полным правом их можно считать одними из первых создателей МГД-насосов, а с ними и прикладной магнитной гидродинамики;
3) предложенные ими конструктивные схемы наиболее близки к принятым на вооружение современной техникой; кроме того, запатентовав кондукционный и индукционный принципы, Сцилард и Эйнштейн фактически охватили весь мыслимый диапазон дальнейших конструкций.

Существует ходячий афоризм: новое - это хорошо забытое старое. История техники, как, впрочем, и история науки, знает немало удивительных, но оказавшихся бесполезными предвосхищений; часто выясняется, что изобретение, представляющееся новым, на самом деле было предложено когда-то давно, но по различным причинам о нем забыли, так что оно никакой роли в действительном техническом прогрессе не сыграло. Ситуация с изобретением Сциларда-Эйнштейна совершенно не такая: имеется прямая преемственность между современными МГД-насосами и их предшественниками, первоначально разработанными для холодильных аппаратов.

Вот как развивались события. 2 декабря 1942 г. в Чикаго Ферми запустил первый атомный реактор, в котором цепную реакцию ядер урана вызывали медленные нейтроны (для замедления применялся по предложению Сциларда графит). Но еще до этого выдающегося события Сцилард стал раздумывать о возможных типах реакторов для послевоенного использования. Со свойственным ему пророческим даром он пришел к идее реактора-размножителя на быстрых нейтронах - удивительной установки, в которой в ходе "ядерного горения" количество ядерного топлива увеличивается.

Выделяющаяся при делении ядер энергия в атомном реакторе превращается в тепловую. Для того чтобы ее полезным образом использовать (например, для производства электроэнергии) и для того чтобы реактор не расплавился, тепло нужно непрерывно отводить. Для этого через активную зону реактора, т.е. зону, где идёт цепная ядерная реакция, осуществляют циркуляцию теплоносителя. В реакторах на медленных нейтронах в качестве такого теплоносителя удобно использовать воду. Если же реакция идет на быстрых нейтронах, вода не подходит, поскольку она эффективно заменяет движение нейтронов.

Когда Ферми обнаружил, что висмут почти не замедляет нейтроны, у Сциларда сразу же возникла мысль использовать расплав этого металла в качестве теплоносителя (позднее выяснилось, что для той же цели еще подходят натрий и натрийкалиевый сплав). Но как перекачивать жидкий висмут? Конечно, можно приспособить и обычные механические поршневые или центробежные насосы. Но, разумеется, лучше, чтобы насос не имел движущихся частей и был герметично изолирован от окружающего воздуха. Неудивительно, что Сцилард вспомнил о тех электромагнитных насосах, которые они разрабатывали с Эйнштейном еще в конце 20-х годов. Соответствующее предложение с непосредственной ссылкой на эти старые берлинские разработки содержалось в отчете "Магнитный насос для жидкого висмута" от 14 июля 1942 г, написанном им вместе с его тогдашним учеником и помощником Б. Фельдом [1]. К промышленному производству таких насосов Сциларду уже тогда удалось привлечь крупную американскую фирму "Вестингауз".

В наши дни реакторы-размножители на быстрых нейтронах, использующие жидкометаллический теплоноситель и МГД-насосы, работают в нескольких странах. В СССР такой реактор, построенный в г. Шевченко на Каспии, уже много лет используется для производства электроэнергии и опреснения морской воды. В будущем реакторы-размножители на быстрых нейтронах, возможно, станут основой промышленной энергетики. Примечательно, что теплоносителем в таких реакторах служит натрий-калиевый расплав, т.е. именно то рабочее вещество, которое использовали когда-то Сцилард и Эйнштейн в своих холодильниках.

Порожденные нуждами ядерной технологии МГД-насосы различных типов находят сейчас все более широкое применение и в других отраслях промышленности: в металлургии, в литейном производстве, в электроэнергетике для жидкометаллического охлаждения мощных электрических машин, в измерительной технике, при изготовлении радиотехнических печатных схем.

И все это началось со "странной" идеи холодильника с жидким металлом. Поистине неисповедимы пути технического прогресса!

Литература

1. Leo Szilard: His version of facts: Selected recollections and correspondence. Cambridge (Mass.): MIT press, 1978.

2. Holton G, The scientific imagination: Case studies. N. Y.: Wiley, 1978.

3. Лэпп P. Атомы и люди. М.: Изд-во иностр. лит., 1958.

4. Ферми Л. Атомы у нас дома. М.: Изд-во иностр. лит., 1968.

5. Гринберг А. П. К истории изобретения и разработки ускорителей // УФН. 1975. Т. 117, вып. 2. С. 332-362.

6. Капица П. Л. Письма о науке. М.: Моск. рабочий, 1989.

7. Волькенштейн М. В. Перекрестки науки. М.: Наука, 1972.

8. Габих Г. Е. Практическое руководство по пивоварению. Подручная книга для пивоваров, начинающих заниматься этим производством, с прибавлением необходимых сведений из химии. М., 1870. Ч. 2: Практика.

9. Холодил. дело. 1927. № 5/6. С. 16.

10. Clark R. Einstein: The life and times. N. Y.: Cleveland: World Publ. Со, 1971.

11. Treder Н. Albert Einstein an der Berliner Akademie der Wissen-schaften // Albert Einstein in Berlin, 1913-1933. В.: Akad.-VerI., 1979. Т. 1. S. 7-78.

12. Gerlach W, Erinnerung an Albert Einstein // Phys. Bl. 1979. Bd. 35. S 93-102.

13. Alefeld G. Einstein as inventor // Phys. Today. 1980. Vol. 33. P. 9, 11, 13.

14. Переписка А. Эйнштейна и М. Бессо, 1903-1955 // Эйнштейновский сборник, 1975-1976. М.: Наука, 1978. С. 5-42.

15. Шерклиф Дж. Курс магнитной гидродинамики. М.: Мир, 1967.

16. Кирко И. М. Жидкий металл в электромагнитном поле. М.: Энергия, 1964.

17. Васильев Л. Г., Хожаинов А. И. Магнитная гидродинамика в судовой технике. Л.: Судостроение, 1967.

18. Повх И., Баринберг А., Баринберг В. Профессии магнитной гидродинамики // Наука и жизнь. 1977. № 6. С. 38-46.

Оглавление

Глава 5. "...Много думает, но мало читает..."

Глава 7. Калейдоскоп изобретений и экспериментов