Ричард Роудс - Энергия. История человечества

• Название: Энергия. История человечества
• Автор: Ричард Роудс
• Жанр: Прочая научная литература
• ISBN: 978-5-389-19281-2

В своей выдающейся книге лауреат Пулитцеровской премии Ричард Роудс рассказывает о событиях и достижениях, которые легли в основу всех революционных переходов в энергетике и транспорте: от животной силы и гидроэнергии – к паровой машине, от двигателя внутреннего сгорания – к электромотору. Исследуя направления развития технической мысли и уроки, которые извлекло человечество в процессе покорения сил природы, Роудс дает ответ на вопрос, как нам удалось произвести преобразования и обратить заложенные в них возможности себе во благо. Логическим итогом блестящего обзора ключевых событий истории энергетики за четыре столетия становится панорама нынешнего энергетического ландшафта, в том числе производство энергии из возобновляемых источников и вопросы ядерной энергетики. В изложении прослеживается тесная взаимосвязь с такими темами, как риск глобального потепления и стремительный рост численности населения Земли, которая к 2100 году должна достигнуть десяти миллиардов человек. Книга предназначена для всех, кого заботит влияние человека на окружающую среду и будущее мира. «Нынешние дебаты [об изменениях климата] почти не затрагивают богатейшего человеческого аспекта истории – истока современных энергетических проблем. Одна из целей, которые я ставил перед собой, когда писал “Энергию”, состоит в заполнении этого пробела – людьми, событиями, датами, местами, методами, примерами, аналогиями, поражениями и победами – для оживления дискуссии и прояснения возможных решений». (Ричард Роудс) В формате PDF A4 сохранен издательский макет.

---

Мало что известно о том, как Ньюкомен разрабатывал машину, получившую его имя; мы не знаем даже, насколько он был знаком с изобретениями Папена и Севери. Наиболее достоверные сведения о нем дает шведский инженер Мортен Тривальд, основатель Шведской королевской академии наук, работавший в Англии с 1716 по 1726 г. Тривальд помогал в строительстве одной машины Ньюкомена в Англии, построил еще одну после возвращения в Швецию и лично знал Ньюкомена[107]. В 1734 г. он писал, что английский жестянщик изобрел свою машину «без каких бы то ни было знаний о рассуждениях капитана Севери». Тривальд утверждал, что Ньюкомен увидел благоприятные возможности в «значительных расходах на подъем воды при помощи конной тяги»[108]. Возможно, это и так, но кажется маловероятным, чтобы Ньюкомен взялся за проект, занявший более десяти лет его жизни, ничего не зная о тех, кто уже пытался применить огонь для очистки затопленных шахт. Лишь глупец стал бы заново изобретать колесо.

Машина Ньюкомена позаимствовала лучшие черты своих предшественников и содержала новые элементы, присущие только ей. В ней присутствовали предложенные Гюйгенсом цилиндр и поршень, но вместо пороха использовался пар, как у Папена. У Севери была позаимствована идея конденсации пара для создания вакуума. Однако, в отличие от конструкций Папена или Севери, в машине Ньюкомена вода нагревалась и превращалась в пар в большом отдельном котле, а затем пар поступал по трубе с откидным клапаном в открытый сверху цилиндр, установленный над котлом. В отличие от Папена Ньюкомен не использовал для поднятия поршня давление пара – вместо этого он подвесил поршень к массивному деревянному балансиру. Между рабочими циклами вес качающегося балансира поднимал поршень, открывая цилиндр. Сначала Ньюкомен окружил свой латунный цилиндр свинцовой рубашкой, куда можно было заливать холодную воду: благодаря этому конденсировался пар и создавалось разрежение, что позволяло атмосферному давлению опускать поршень, а тот, в свою очередь, тянул вниз балансир.

Котел d, цилиндр a, поршень s, балансир v, шток насоса l

Конструкция Ньюкомена, несомненно, была более совершенной, чем у его предшественников. Поршень отделял пар от воды, которую поднимала машина, – и требовалось меньше пара, а значит, сжигалось меньше угля. Внешняя поверхность цилиндра охлаждалась холодной водой, и пар конденсировался быстрее, а это позволяло машине быстрее откачивать воду. Пар шел лишь на создание вакуума, и система могла работать при атмосферном давлении. А поскольку мощность атмосферных двигателей зависит от площади рабочей поверхности их поршней, то поршни и цилиндры можно было делать больше или меньше – в соответствии с предполагаемой нагрузкой[109].

Звучало все это прекрасно. Но охлаждение цилиндра водой, которой его обливали снаружи, отнимало много времени, и это ограничивало мощность машины. Первая конструкция Ньюкомена оказалась далеко не столь производительной, как могла бы, хотя и превосходила в этом конструкцию Севери.

Революционный прорыв произошел совершенно случайно, когда Ньюкомен еще работал с моделями и не построил полномасштабной машины. Как рассказывает Тривальд, в латунном цилиндре был «дефект» – запаянное отверстие, которое снова открылось, и холодная вода, когда ее наливали снаружи, «хлынула в цилиндр и мгновенно сконденсировала пар, создав такое разрежение, что… воздух… с огромной силой надавил на поршень, вследствие чего его цепь разорвалась и поршень проломил дно цилиндра, а также крышку небольшого котла. Растекшаяся во все стороны горячая вода убедила… наблюдателей, что они открыли силу несравнимо более мощную, чем все до тех пор известное в природе, – во всяком случае, никто никогда не подозревал, что ее можно получить таким образом»[110].

Это случайное открытие метода впрыска холодной воды стало ключом к успеху машины Ньюкомена. Изобретатель добавил в свою конструкцию резервуар для холодной воды (выше, на чертеже в разрезе, он обозначен буквой g и находится под балансиром; холодная вода поступала из него по трубке f и впрыскивалась внутрь цилиндра[111]). При наличии впрыска холодной воды машина Ньюкомена могла совершать около 12 рабочих циклов в минуту и выкачивать воду с глубины в десятки метров. Дороти Вордсворт, сестра поэта Уильяма Вордсворта, в 1803 г. отправилась в путешествие по Шотландии, в котором ее сопровождали брат и друг их семейства Сэмюэл Тейлор Кольридж, и все они видели машину Ньюкомена, работавшую еще медленнее:

Приблизившись, мы увидели большой механизм или рычаг, выступающий из стены здания и похожий с виду на огромный кузнечный молот; нам показалось, что им поднимают воду из шахт. Раз в полминуты он медленно вздымался, потом опускался и в нижней точке словно останавливался передохнуть. Он двигался со звуком, похожим на вздох или стон. Предмет этот привлек бы внимание где угодно, ибо нельзя было не усмотреть в машине некоторой разумности. Казалось, она сделала первый шаг от бездушной материи к жизни и целеустремленности и проявляла это развитие в своей великой мощи. В таком духе высказался Уильям, а Кольридж заметил, что она похожа на великана, у которого есть одна-единственная мысль[112].

Кроме того, Ньюкомену пришлось разработать систему рычагов и клапанов, чтобы машина могла работать автоматически – а не в режиме ручного управления, как машина Севери. Да, по нынешним стандартам эта система оказалась бы примитивной, и к тому же она требовала частого регулирования, но работала она при этом довольно хорошо. Уголь брали прямо на шахте, стоил он дешево, и машины Ньюкомена откачивали воду из британских угольных рудников на протяжении более чем двухсот лет.

К несчастью для Ньюкомена, Томас Севери составил свой патент 1698 г. в таких широких терминах, что тот охватывал все машины, поднимающие воду при помощи огня. А в 1699-м парламент продлил срок действия этого патента еще на 21 год в дополнение к исходным четырнадцати, то есть до 1733 г. Не видя другого выхода, Ньюкомен вступил в партнерство с Севери, и эта договоренность продолжала действовать и после смерти Севери, наступившей в 1715 г. Его права перешли к акционерному обществу, созданному для эксплуатации патента Севери, – «Собственникам изобретения для подъема воды огнем»[113]. Компания выпустила 80 акций, 20 из которых получил Ньюкомен.

Свою первую полномасштабную машину, предназначенную для продажи, Ньюкомен построил в 1712 г. вблизи замка Дадли под Бирмингемом. Цилиндр этой машины, изготовленный из литой латуни, имел 53 см в диаметре и почти 2,5 м в длину; машина поднимала воду из угольной шахты с глубины чуть более 46 м. И поскольку ее установили над шахтой, на поверхности земли, шахтных пожаров она не боялась[114]. Вслед за ней по всей Британии появились другие машины Ньюкомена. Одна гигантская машина со 120-сантиметровым цилиндром, построенная в Корнуолле в 1720 г., поднимала воду с глубины 110 м[115].

Если осушение угольной шахты при помощи конной тяги стоило не менее 900 фунтов в год, машина Ньюкомена выполняла ту же работу всего за 150 фунтов в год, то есть в шесть раз дешевле[116]. Однако эта машина, бывшая в прямом смысле слова размером с дом – и с производительностью лишь немногим лучше машины Севери, – оказалась лишь промежуточным технологическим решением, и ее применение почти полностью ограничивалось откачкой воды из шахт. «Для постройки машины Ньюкомена нужен целый железный рудник, – говорили современники, – а для ее работы – целая угольная шахта»[117].

Несмотря на недостатки машин Ньюкомена, они вдохнули новую жизнь в горную промышленность севера Центральной Англии[118]. С 1710 по 1733 г., когда прекратился срок действия патента, в Британии и за ее пределами построили как минимум 104 машины Ньюкомена[119]. Впоследствии их стало еще больше – к 1800 г. по меньшей мере 550 штук, – но возможности промышленного применения угля по-прежнему оставались ограниченными[120]. Еще не разработали плавку качественного железа, для которой требовался бы уголь; в основном он все так же шел на отопление жилищ. Когда этот рынок насыщался, цены на уголь резко падали. «С учетом длинных штолен, залитых водой шахт, монополии “хостменов”[121], – пишет о чуть более ранней эпохе Галлоуэй, – и не говоря уже о том, что уголь в те дни, как под землей, так и на ней, возили, как повелось, по старинке, на самых примитивных средствах, удел арендаторов угольных шахт был весьма незавидным»[122]. Машина Ньюкомена помогала избавляться от длинных штолен и затопленных шахт, но куда применить добытый с ее помощью лишний уголь и как его лучше перевозить – этого еще не придумали.

Дороги старой Англии были ужасны. Корона требовала, чтобы землевладельцы чинили местные дороги за свой счет. Так исполнялась одна из трех старинных обязанностей, наложенных во имя обороноспособности королевства: содержать в исправности дороги и мосты, строить и оберегать укрепления и служить в ополчении[123]. Обычные дороги и торговые тракты оставались, по сути, без присмотра. «Обычно все и так понимали, что зимой на колесном транспорте по дорогам не проехать», – пишут историки Сидней и Беатриса Уэбб. До середины XVIII в. эти дороги лишь немногим отличались от троп, по которым то шли, то ехали верхом, когда позволяли летняя пыль и зимняя грязь. «Наемных экипажей нет нигде, кроме Лондона, – сообщает один из путешественников начала XVII в., – и, хотя Англия по большей части состоит из равнин или невысоких приятных холмов, дороги вдали от Лондона настолько грязны, что наемные возницы обычно не совершают сколько-нибудь дальних поездок»[124].