Сергей Мусский

100 великих чудес техники

Введение

«Техника, – по определению «Энциклопедического словаря юного техника», – это совокупность устройств и приемов, применяемых человеком в производственной и непроизводственной деятельности для облегчения и ускорения трудовых процессов, техника – это машины, станки, приборы, инструменты и др., это здания и сооружения, дороги и каналы, средства общественного транспорта; это и непроизводственное оборудование и инструменты: коммунальное оборудование, холодильники, кухонные и стиральные машины, пылесосы; средства транспорта и связи личного пользования и т д. К понятию «техника» относится и технология: совокупность наиболее эффективных приемов, методов, способов использования оборудования и других технических средств для обработки сырья, материалов и изделий и получения полуфабрикатов и готовой продукции».

Уже самые древние люди умели делать простейшие технические приспособления. Постепенно, вместе с развитием техники, изменялся и сам человек. Особенно значительные изменения произошли в XX веке. Очевидно, что развитие техники с каждым годом идет все быстрее. Такое ускорение технического прогресса несет человеку не только радости, но и создает множество проблем, нередко очень серьезных.

Как считает Алоиз Хунинг, профессор Дюссельдорфского университета: «Задача техники – преобразовывать природу и мир человека в соответствии с целями, поставленными людьми на основе их нужд и желаний. Лишь редко люди могут выжить без своей преобразующей деятельности. Без техники люди не смогли бы справиться с окружающей их природной средой. Техника, следовательно, – это необходимая часть человеческого существования на протяжении всей истории».

Однако, «если человек лишь Homo Faber (человек делающий), тогда он крайне опасен. Homo Faber – полезная составная часть человека, только если и поскольку человек признан как Homo Sapiens (человек разумный)».

И дело не только в развитии военной техники – техники уничтожения, которая, как ни парадоксально, очень часто становилась и двигателем прогресса. К примеру, ракета «Восток», на которой Юрий Гагарин первым в мире полетел в космос, – это вариант межконтинентальной баллистической ракеты Р-7А.

Дело и в другом. Один из основателей крупнейшей компании Силиконовой долины «Sun Microsystems Inc.» Билл Джой выступил с резкой критикой безостановочного развития технологий. Джой призвал ученых к этике, которая бы ограничивала «жажду знаний» в некоторых особо опасных направлениях. Впервые о сдерживании прогресса заговорил не представитель «зеленых», а ведущий специалист по высоким технологиям.

«Мы влетаем в новый век без плана, без контроля, без тормозов, – пишет Джой. – Момент, когда мы уже не сможем контролировать ситуацию, быстро приближается»

По мнению ученого, изложенному в статье «Почему мы не нужны будущему», есть три направления, в которых человечество ожидают наиболее опасные катаклизмы. Это интеллектуальные роботы, генная инженерия и нанотехнологии. Джой предсказывает появление абсолютно нового класса проблем, которые будут связаны с возможностью быстрого размножения ошибок именно в этих трех областях. Это могут быть быстро эволюционирующие роботы, которые за ближайшие тридцать лет достигнут почти человеческого уровня интеллекта и будут бороться с человеком за ресурсы, либо новые болезни, созданные генной инженерией для выборочного поражения отдельных групп людей (например, по национальному признаку), либо самовоспроизводящиеся наномеханизмы, способные привести к массовым разрушениям.

«Единственное решение, которое я вижу, – это ограничение развития опасных технологий, ограничение стремления к знаниям в некоторых сферах», – считает Джой. И хотя развитие программного обеспечения приносит пользу человечеству, теперь он может представить себе день, когда по моральным соображениям прекратит такую работу. По его мнению, пример контроля над ядерным и биологическим оружием показал верный путь самосохранения человечества, и сейчас пришло время снова задуматься, чем грозит людям современная наука. Остается надеяться, что разум победит!

НАУКА И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Конвертеры

В 1855 году англичанин Генри Бессемер провел интереснейший опыт: он расплавил в тигле кусок доменного чугуна и продул его воздухом. Хрупкий чугун превратился в ковкую сталь. Все объяснялось очень просто – кислород воздуха выжигал углерод из расплава, который удалялся в атмосферу в виде оксида и диоксида. Впервые в истории металлургии для получения продукта не требовался дополнительный подогрев сырья. Это и понятно, ведь Бессемер реализовал экзотермическую реакцию горения углерода. Процесс был удивительно быстротечен. В пудлинговой печи сталь получали лишь за несколько часов, а здесь – за считанные минуты. Так Бессемер создал конвертер – агрегат, превращающий расплавленный чугун в сталь без дополнительного нагрева. Д.И. Менделеев назвал бессемеровские конвертеры печами без топлива. А поскольку по форме агрегат Бессемера напоминал грушу, его так и называли – «бессемеровская груша».

В бессемеровском конвертере можно переплавлять не всякий чугун, а только такой, в составе которого имеются кремний и марганец. Соединяясь с кислородом подаваемого воздуха, они выделяют большое количество теплоты, которая и обеспечивает быстрое выгорание углерода. Все же теплоты не хватает, чтобы расплавлять твердые куски металла. Поэтому в бессемеровском конвертере нельзя перерабатывать железный лом или твердый чугун. Это резко ограничивает возможности его применения.

Бессемеровский процесс – быстрый, дешевый и простой способ получения стали, но есть у него и большие недостатки. Поскольку химические реакции в конвертере идут очень быстро, то углерод выгорает, а вредные примеси – сера и фосфор – остаются в стали и ухудшают ее свойства. Кроме того, при продувке сталь насыщается азотом воздуха, а это ухудшает металл. Вот почему, как только появились мартеновские печи, бессемеровский конвертер стал редко употребляться для выплавки стали. Гораздо больше конвертеры использовали для выплавки цветных металлов – меди и никеля.

Сегодняшний конвертер, конечно, можно в определенном смысле называть потомком бессемеровского детища, ибо в нем, как и прежде, сталь получают, продувая жидкий чугун. Но уже не воздухом, а технически чистым кислородом. Это оказалось намного эффективнее.

Кислородно-конвертерный способ выплавки стали пришел в металлургию более чем полвека назад. Созданный в Советском Союзе по предложению инженера-металлурга Н.И. Мозгового, он полностью вытеснил бессемеровский процесс А первая в мире тонна кислородно-конвертерной стали была успешно выплавлена в 1936 году на киевском заводе «Большевик».

Оказалось, что таким способом можно не только перерабатывать жидкий чугун, но и добавлять в него значительные количества твердого чугуна и железного лома, который раньше можно было перерабатывать только в мартеновских печах. Вот почему кислородные конвертеры получили такое большое распространение.

Но только в 1950-е годы конвертеры для выплавки стали окончательно выдвинулись на первый план. Степень использования тепла в кислородном конвертере гораздо выше, чем в сталеплавильных агрегатах подового типа. Тепловой коэффициент полезного действия конвертера составляет 70 процентов, а у мартеновских печей не более 30. Кроме того, газы отходящие из конвертера, используются при дожигании в котлах-утилизаторах, или как топливо при отводе газов из конвертера без дожигания.

Существует три вида конвертеров: с донной продувкой, верхней и комбинированной. В настоящее время наиболее распространенными в мире являются конвертеры с верхней продувкой кислородом – агрегаты весьма производительные и относительно простые в эксплуатации. Однако в последние годы во всем мире конвертеры с донным и с комбинированным (сверху и снизу) дутьем начинают теснить конвертеры с верхней продувкой.

Рассмотрим устройство кислородного конвертера с верхней продувкой. Средняя часть корпуса конвертера цилиндрической формы, стены ванны сферической формы, днище плоское. Верхняя шлемная часть конической формы. Кожух конвертера выполняют из стальных листов толщиной 30-90 миллиметров. В конвертерах садкой до 150 тонн днище отъемное, крепят его к корпусу болтами, что облегчает ремонтные работы. При садке 250—350 тонн конвертер делают глуходонным, что вызвано необходимостью создания жесткой конструкции корпуса, гарантирующей от случаев прорыва жидкого металла.

Корпус конвертера крепят к специальному опорному кольцу, к которому приваривают цапфы. Одна из цапф через зубчатую муфту соединена с механизмом поворота. В конвертерах вместимостью больше двухсот пятидесяти тонн обе цапфы являются приводными. Конвертер цапфами опирается на подшипники, установленные на станинах. Механизм поворота позволяет вращать конвертер вокруг горизонтальной оси.

Корпус и днище конвертера футеруют огнеупорным кирпичом. Подача кислорода в ванну конвертера для продувки металла осуществляется через специальную фурму, вводимую в горловину конвертера.

Первой операцией конвертерного процесса является загрузка скрапа. Конвертер наклоняют на некоторый угол от вертикальной оси и специальным коробом-совком вместимостью через горловину загружают в конвертер скрап – железный и стальной лом. Обычно загружают 20-25 процентов скрапа на плавку. Если скрап не подогревают в конвертере, то затем сразу же заливают жидкий чугун. После этого конвертер устанавливают в вертикальное положение, через горловину в конвертер вводят кислородную фурму.

Для наводки шлака в конвертер по специальному желобу вводят шлакообразующие материалы: известь и в небольшом количестве железную руду и плавиковый шпат.

После окисления примесей чугуна и нагрева металла до заданных величин продувку прекращают, фурму из конвертера удаляют и сливают металл и шлак в ковши. Легирующие добавки и раскислители вводят в ковш.

Продолжительность плавки в хорошо работающих конвертерах почти не зависит от их вместимости и составляет 45 минут, продолжительность продувки – 15-25 минут. Каждый конвертер в месяц дает 800—1000 плавок. Стойкость конвертера – 600—800 плавок.

Движение металла в конвертере весьма сложное, помимо кислородной струи, на жидкую ванну воздействуют пузыри оксида углерода. Процесс перемешивания усложняется еще и тем, что шлак проталкивается струей газа в толщу металла и перемешивается с ним. Движение ванны и вспучивание ее выделяющимся оксидом углерода приводят значительную часть жидкого расплава в состояние эмульсии, в которой капли металла и шлака тесно перемешаны друг с другом. В результате этого создается большая поверхность соприкосновения металла со шлаком, что обеспечивает высокие скорости окисления углерода.

Конвертеры с донной продувкой кислородом из-за меньшего угара железа позволяют получить больший (на 1,5-2 процента) выход годной стали по сравнению с конвертерами с верхней продувкой. Плавка в 180-тонном конвертере с донной продувкой длится 32-39 минут, продувка – 12-14 минут, то есть производительность выше, чем у конвертеров с верхней продувкой. Однако необходимость промежуточной замены днищ нивелирует это различие в производительности.

Первые конвертеры с донной продувкой за рубежом были построены в 1966—1967 годах. Необходимость создания такого конвертера обусловлена, в основном, двумя причинами. Во-первых, необходимостью переработки чугунов с повышенным содержанием марганца, кремния и фосфора, поскольку передел такого чугуна в конвертерах с верхней продувкой сопровождается выбросами металла в ходе продувки и не обеспечивает должной стабильности химического состава готовой стали. Во-вторых, тем, что конвертер с такой продувкой является наиболее приемлемой конструкцией, позволяющей осуществить реконструкцию существующих бессемеровских и томасовских цехов, и вписывается в здание существующих мартеновских цехов. Этому конвертеру свойственно наличие большого числа реакционных зон, интенсивное окисление углерода с первых минут плавки, низкое содержание оксидов железа в шлаке. В силу специфики работы сталеплавильной ванны при донной продувке в конвертерах подобного типа выход годного несколько выше, чем в других конвертерах, а запыленность отходящих газов ниже.

В конвертерах с донной продувкой, имеющих большое число фурм, все технологические процессы протекают интенсивнее, чем в конвертерах с верхней продувкой Однако общая производительность конвертеров с донной продувкой не превышает значительно таковую для конвертеров с верхней продувкой по причине ограниченной стойкости днищ.

Чтобы предохранить кладку днища конвертера от действия высоких температур, фурму делают в виде двух коаксиальных трубок – по центральной подается кислород, а по периферийной – какое-либо углеводородное топливо, чаще всего природный газ. Таких фурм обычно 16-22. Большое число более мелких фурм обеспечивает лучшее перемешивание ванны и более спокойный ход плавки.

Струя топлива отделяет реакционную зону от днища, снижает температуру около днища в месте выхода кислородных струй за счет отбора тепла на нагрев топлива, крекинг и диссоциации составляющих топлива и продуктов их окисления. Охлаждающий эффект, кроме того, обеспечивается пылевидной известью, которая подается в струю кислорода. Таким образом, продувка расплавленного металла несколькими струями кислорода снизу создает ряд благоприятных особенностей в работе конвертера. Обеспечивается большее число реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с металлом. Это позволяет увеличить интенсивность продувки, повысить скорость окисления углерода. Улучшается перемешивание ванны, повышается степень использования кислорода. В результате появляется возможность расплавления больших по массе кусков скрапа. Лучшая гидродинамика ванны обеспечивает более ровный и спокойный ход всей плавки, практически исключает выбросы. В силу этого в конвертерах с донной продувкой можно перерабатывать чугуны с повышенным содержанием марганца и фосфора.

Стремление повысить производительность агрегатов одновременно с необходимостью повысить однородность состава и температуры металла при возможности изготовления сталей широкого диапазона привело к использованию комбинированной продувки при относительно небольшом (по сравнению только с донной продувкой) количестве газов, вдуваемых через фурмы, установленные в днище конвертера. В последнее время появилось два основных варианта такого процесса, когда снизу подают кислород или инертные газы с целью обеспечить интенсивное перемешивание ванны и ускорить процесс удаления примесей. При этом, как и при донной продувке, снизу вместе с газами может подаваться пылевидная известь. По такому важному показателю, как возможный расход скрапа, конвертеры с верхней, донной и комбинированной продувкой оказываются приблизительно на одном уровне, при несколько более высоком выходе годного при донной продувке.

В настоящее время в мире применяется и разрабатывается много различных методов комбинированной продувки расплавленной ванны, рационально сочетающих верхнюю и донную продувку, причем в последней используется как кислород, так и инертные газы (аргон, азот).

В кислородно-конвертерном процессе с верхней продувкой достаточно интенсивное перемешивание достигается только в середине плавки при интенсивном окислении углерода. В начале и в конце плавки перемешивание недостаточно, что затрудняет глубокое рафинирование металла от серы и фосфора. Комбинированная подача кислорода через верхнюю и донные фурмы еще более, чем при одной донной продувке, ускоряет процесс окисления углерода и повышает производительность конвертера.

По сравнению с чисто донной продувкой в случае комбинированного процесса в сопоставимых условиях температура металла выше. Кроме того, при комбинированной продувке уменьшение расхода кислорода через верхнюю фурму снижает пылеобразование и разбрызгивание.

И еще одно преимущество кислородных конвертеров: здесь все процессы механизированы и автоматизированы, все чаще управление конвертерами поручается компьютерам.

Дуговые электроплавильные печи

Вся история металлургии – это борьба за качество, за улучшение физических и механических свойств металла. А ключ к качеству – химическая чистота. Даже крохотные примеси серы, фосфора, мышьяка, кислорода, некоторых других элементов резко ухудшают прочность и пластичность металла, делают его хрупким и слабым. А все эти примеси находятся в руде и коксе, и избавиться от них трудно. Во время плавки в доменной печи и в мартеновской печи основная часть примесей переводится в шлак и вместе с ним удаляется из металла. Но в тех же домнах и мартенах в металл попадают вредные элементы из горючих газов и ухудшают его свойства. Получить действительно высококачественную сталь помогла электрометаллургия, отрасль металлургии, где металлы и их сплавы получают с помощью электрического тока. Это относится не только к выплавке стали, но и к электролизу металлов и, в частности, расплавленных их солей – например, извлечению алюминия из расплавленного глинозема.

Основную массу легированной высококачественной стали выплавляют в дуговых электрических печах.

В дуговых сталеплавильных печах и плазменно-дуговых печах (ПДП) теплогенерация возникает за счет энергетических преобразований дугового разряда, происходящего в воздухе, парах расплавляемых материалов, инертной атмосфере или иной плазмообразующей среде.

Согласно общей теории печей М.А. Глинкова дуговые сталеплавильные и плазменно-дуговые печи представляют собой печи-теплообменники с радиационным режимом работы, поскольку энергетические условия на границе зоны технологического процесса, то есть на зеркале ванны жидкого металла, создают электрические дуги и огнеупорная футеровка рабочего пространства. Кроме этого, в дуговых сталеплавильных печах вертикально расположенные графитированные электроды создают неравномерное излучение дуг, зависящее от диаметра электродов и параметров электрического режима.

По условиям теплообмена между дугами, поверхностями рабочего пространства и металлом, особенностям электрофизических процессов дугового разряда, энергетическому и электрическому режимам всю плавку в дуговых печах от начала расплавления твердой металлошихты до слива жидкого металла делят на этапы.

Перед началом плавки куполообразный свод печи поднимают, отводят в сторону и загружают сверху в печь шихтовые материалы. Затем свод ставят на место, через отверстия в нем опускают в печь электроды и включают электрический ток. Чугун, железный лом и другие материалы начинают быстро плавиться.

По мере оплавления шихты под электродами и вокруг них образуются «колодцы», в которые опускаются дуги и электроды. Наступает этап «закрытого» горения дуг, когда плавление шихты происходит в «колодцах», снизу путем теплопередачи излучением на близлежащие слои шихты и теплопроводностью через слой жидкого металла, накопившегося на подине. Холодная шихта на периферии рабочего пространства нагревается за счет тепла, аккумулированного футеровкой: при этом температура внутренней поверхности футеровки интенсивно снижается с 1800—1900 до 900—1000 градусов Кельвина. На этом этапе футеровка рабочего пространства экранирована от излучения дуг, поэтому целесообразно обеспечить максимальную тепловую мощность с учетом электротехнических возможностей печного трансформатора.

Когда количества наплавленного жидкого металла будет достаточно для заполнения пустот между кусками твердой шихты, электрические дуги открываются и начинают гореть над зеркалом металлической ванны. Наступает этап «открытого» горения дуг, при котором происходит интенсивное прямое излучение дуг на футеровку стен и свода, температура повышается со скоростью до 30-100 градусов Кельвина в минуту и возникает необходимость снижения электрической мощности дуг в соответствии с тепловоспринимающей способностью футеровки.

Современные дуговые сталеплавильные печи работают на трехфазном токе промышленной частоты. В дуговых печах прямого действия электрические дуги возникают между каждым из трех вертикальных графитированных электродов и металлом. Футерованный кожух в дуговых сталеплавильных печах имеет сфероконическую форму. Рабочее пространство перекрыто сверху купольным сводом. Кожух установлен на опорной конструкции с гидравлическим (реже с электромеханическим) механизмом наклона печи. Для слива металла печь наклоняют на 40-45 градусов, для скачивания шлака – на 10-15 градусов (в другую сторону). Печи оборудованы механизмами подъема и поворота свода – для загрузки шихты через верх печи, передвижения электродов – для изменения длины дуги и регулирования мощности, вводимой в печь. Крупные печи оборудованы устройствами для электромагнитного перемешивания жидкого металла в ванне, системами удаления и очистки печных газов.

Отечественные плазменно-дуговые печи имеют вместимость от 0,5 до 200 тонн, мощность – от 0,63 до 125 МВт. Сила тока на мощных и сверхмощных плазменно-дуговых печей достигает 50-100 кА.

В зависимости от технологического процесса и состава шлаков футеровка плазменно-дуговых печей может быть кислая (при выплавке стали для фасонного литья) или основная (при выплавке стали для слитков).

Особенностью конструкции плазменно-дуговых печей с огнеупорной футеровкой как разновидности плавильных ванных печей дугового нагрева является наличие одного или нескольких плазмотронов постоянного тока и подового электрода – анода. Для сохранения атмосферы плазмообразующего газа рабочее пространство плазменно-дуговых печей герметизируется с помощью специальных уплотнений. Наличие водоохлаждаемого электрода в подине создает опасность взрыва, поэтому плазменно-дуговые печи снабжают системой контроля состояния футеровки подины и сигнализацией, предупреждающей о проплавлении подового электрода жидким металлом.

В настоящее время работают плазменно-дуговые печи с огнеупорной футеровкой вместимостью от 0,25 до 30 тонн мощностью от 0,2 до 25 МВт. Максимальная сила тока – до 10 кА.

Наиболее энергоемким периодом плавки в печах обоих типов является период плавления. Именно тогда потребляется до 80 процентов общего расхода энергии, причем в основном электрической. Длительность всей плавки в зависимости от принятой технологии выплавки электростали может быть 1,5-5 часов. Электрический коэффициент полезного действия дуговых сталеплавильных печей составляет 0,9-0,95, а тепловой – 0,65-0,7. Удельный расход электрической энергии составляет 450—700 кВт-ч на тонну, снижаясь за счет уменьшения удельной теплоотдающей поверхности для более крупных дуговых сталеплавильных печей.

Плазменно-дуговые печи имеют более низкие показатели. Электрический коэффициент полезного действия у них равен 0,75-0,85. Это объясняется дополнительными потерями в плазмотроне при формировании плазменной дуги. Тепловой же – около 0,6, так как возникают дополнительные потери в водоохлаждаемых элементах конструкции. Особенностью эксплуатации плазменно-дуговых печей является использование дорогостоящих плазмообразующих газов, что вызывает необходимость создания систем регенерации отработанных газов и применения технологически приемлемых дешевых газовых смесей.

Новые возможности в сталеплавильном производстве появились в связи с успешным освоением в конце 1980-х годов донного (через подину) выпуска металла из дуговых электропечей. Такая система выпуска была успешно реализована, например, в сталеплавильном цехе завода фирмы «Тиссен шталь» в Оберхаузене (ФРГ), на 100-тонных печах завода в Фридриксферке (Дания) и др. Они могут довольно длительное время работать в непрерывном режиме, например, датские 100-тонные агрегаты – в течение недели. При выпуске плавки, который длится не более 2 минут, печь наклоняется всего на 10-15 градусов вместо 40-45 градусов (для обычных агрегатов). Это позволяет почти полностью заменить огнеупорную футеровку стен водоохлаждаемыми панелями, резко сократить расход различных материалов и электроэнергии, производить полную отсечку печного шлака.

Как это ни удивительно на первый взгляд, современная дуговая сталеплавильная печь сверхвысокой мощности имеет удельный расход энергии значительно более низкий, чем мартеновская печь. К тому же труд сталевара мартеновской печи значительно тяжелее и утомительнее работы конверторщика или электросталеплавильщика.

Прокатные станы

Прокатный стан – это машина для обработки металлов давлением между вращающимися валками. После того как сталевары отлили слиток, этот огромный брусок стали нужно превратить в изделия – в кузов автомобиля, железнодорожный рельс или строительную балку. Но для этого нужно, чтобы слиток принял удобную для изготовления деталей форму – либо длинного бруса с поперечным сечением в виде квадрата, круга, балки, либо стального листа или проволоки и т д. Эти различные формы слиток и принимает на прокатных станах.

Прокатка в горячем состоянии стала использоваться лишь в начале XVIII века, причем сначала этим способом готовились более или менее тонкие железные листы, но уже с 1769 года начали подобным образом прокатывать проволоку. Первый прокатный стан для железных болванок был предложен английским изобретателем Кортом, когда он разрабатывал метод пудлингования. Корт первым догадался, что при изготовлении некоторых изделий рациональнее поручить молоту только отжимку шлаков, а окончательную форму придавать путем прокатки.

В 1783 году Корт получил патент на изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых вальцов. Из пудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получала первоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. Этот способ потом стал очень распространенным.

Однако лишь в XIX столетии техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом было связано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других операций.

Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Таким образом, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре и заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.

К концу столетия техника проката настолько усовершенствовалась, что этим способом стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа, – их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых, из-за формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому, из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так как ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление – возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.

Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатке трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы.

Каково же устройство современных прокатных станов? Слиток обычно проходит через несколько прокатных станов. Первый из них – блуминг или слябинг. Это самые мощные прокатные станы. Их называют обжимными, потому что их назначение – обжать слиток, превратить его в длинный брус (блум) или пластину (сляб), из которых потом на других станах будут изготовлены те или иные изделия.

Блуминги и слябинги – исполинские машины. Производительность современных блумингов и слябингов – порядка 6 миллионов тонн слитков в год, а масса слитков – от 1 до 18 тонн.

Перед обжимом слитки необходимо хорошо прогреть. Их выдерживают от четырех до шести часов в нагревательных колодцах при 1100—1300 градусов Цельсия. Затем слитки краном вынимают и кладут на электрическую тележку – электрокар, который и подает их к блумингу или слябингу.

У блуминга – два огромных валка. Верхний может подниматься и опускаться, уменьшая или увеличивая просвет между собой и нижним валком.

Раскаленный слиток, пройдя через валки, попадает на рольганг – транспортер из вращающихся роликов. Оператор непрерывно меняет направление вращения валков блуминга и роликов рольганга. Поэтому слиток движется через валки то вперед, то назад, и каждый раз оператор все больше уменьшает зазор между валками, все сильнее обжимая слиток. Через каждые 5-6 проходов специальный механизм – кантователь переворачивает слиток на 90 градусов, чтобы обработать его со всех сторон. В конце концов, получается длинный брус, который по рольгангу направляется к ножницам. Здесь брус делят на куски – блумы.

Так же происходит прокатка и на слябинге, с той лишь разницей, что у слябинга 4 валка – 2 горизонтальных и 2 вертикальных, которые обрабатывают слиток сразу со всех сторон. Затем полученную длинную пластину режут на плоские заготовки – слябы.

Блуминги и слябинги используются только на тех заводах, где разливка стали производится старым способом – в изложницы. Там, где работают установки непрерывной разливки стали (УНРС), получают уже готовые блумы или слябы.

Готовые блумы и слябы идут в другие прокатные цехи, где на специальных прокатных станах из них делают, как говорят металлурги, профили, или профильный металл, то есть заготовки определенной толщины, формы, профиля.

Листовые станы, прокатывающие слябы в лист, имеют гладкие валки. На таких валках нельзя прокатать рельс или другое изделие сложного профиля. В валках, например, рельсобалочных станов делаются вырезы той формы, какая необходима для получения изделия. В каждом валке вырезается как бы половина профиля будущего изделия. Когда валки сближаются друг с другом, получается, как говорят металлурги, ручей, или калибр. На каждой паре валков таких калибров несколько. Первый имеет форму, только отдаленно похожую на форму изделия, следующие все больше приближаются к ней, и, наконец, последний калибр в точности соответствует тем размерам и форме изделия, какие надо получить. Сталь неподатлива, и ее приходится деформировать постепенно, пропуская через все калибры по очереди. Именно поэтому большинство станов имеет не одну пару валков, а несколько. Станины с валками (их называют клети) устанавливают параллельно либо в ряд, либо в шахматном порядке. Раскаленная заготовка мчится по рольгангам из клети в клеть, да еще в каждой клети движется то вперед, то назад, проходя через все калибры.

Сейчас все большее распространение получают высокопроизводительные станы непрерывной прокатки. Здесь клети стоят последовательно одна за другой. Миновав одну клеть, заготовка попадает во вторую, в третью, в четвертую и т д. После каждого обжатия заготовка вытягивается, и каждая последующая клеть должна за тот же промежуток времени пропустить через себя заготовку все большей длины. Некоторые непрерывные станы прокатывают металл со скоростью 80 метров в секунду (290 километров в час), а в год они обрабатывают несколько миллионов тонн. Например, производительность листового широкополосового непрерывного стана «2000», работающего на Новолипецком металлургическом заводе, достигает 6 миллионов тонн.

В СССР во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургического машиностроения были созданы принципиально новые станы литейно-прокатные. У них процессы непрерывного литья совмещены в единый поток с непрерывной прокаткой. Сегодня десятки таких станов работают в нашей стране для прокатки стальной, алюминиевой и медной проволоки.

Потребность в трубах для транспортировки нефти и природного газа на дальние расстояния вызвала необходимость создать трубные станы. Диаметр нефтяных и газовых труб увеличился. Первые трубопроводы были диаметром 0,2 метра, затем стали выпускать трубы больших диаметров – вплоть до 1,4 метра.

Применяются две принципиально различные технологии производства труб. Первый способ: заготовку нагревают до 1200—1300 градусов Цельсия, а затем на специальном стане в ней проделывают отверстие (ее прошивают) – получается короткая труба (гильза) с толстыми стенками. Потом гильзу раскатывают в длинную трубу. Так получают бесшовные трубы. Второй способ: стальной лист или ленту сворачивают в трубу и сваривают по прямой линии или по спирали.

Большой производительностью обладают непрерывные агрегаты шовно-стыковой сварки труб. Это комплекс из десятков машин и механизмов, работающих в одной технологической линии. Здесь все автоматизировано: на долю оператора, управляющего комплексом, остается только нажимать кнопки на пульте управления. Начинается процесс с нагрева непрерывной стальной ленты. Затем машины сворачивают ее в трубу, сваривают по шву, вытягивают в длину, уменьшают в диаметре, калибруют, разрезают на части, нарезают резьбу. 500 метров труб ежеминутно – такова производительность комплекса.

В последние годы появилось новое направление: на прокатных станах изготавливают не заготовки, а сразу готовые детали машин. На таких станах прокатывают автомобильные и тракторные полуоси, шпиндели текстильных веретен, детали тракторов, электродвигателей, буровых машин. Здесь прокатка вытеснила трудоемкие операции: ковку, штамповку, прессование и механическую обработку на различных металлорежущих станках – токарных, фрезерных, строгальных, сверлильных и др.

К этому же направлению относятся и получившие большое распространение профилегибочные станы, изготовляющие гнутые профили, и станы, прокатывающие фасонные профили высокой точности. Первые станы выгибают изделия сложной формы из стального листа, вторые – прокатывают сложные изделия с очень точными размерами. И в том и в другом случае изделия не нуждаются в дальнейшей обработке на станках. Их режут на части нужной длины и используют в машинах, механизмах и строительных конструкциях.

Солнечные электростанции

Солнечное излучение – экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны. К началу XXI века человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее известны паро– и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.

Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки выглядит так. Солнечная радиация, собранная концентратором на поверхности солнечного котла, нагревает рабочее тело – инертный газ до температур порядка 1200—1500 градусов Кельвина и под давлением, создаваемым компрессором, подает горячий газ на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор, где подогревает рабочий газ после компрессора. Тем самым он облегчает работу основного нагревателя – солнечного котла. Затем газ охлаждается в холодильнике-излучателе.

Испытания трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в 1977 году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническом институте Академии наук Узбекистана, показали, что установки такого типа весьма маневренны. Выход на номинальные обороты составлял не более минуты с момента наведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. Коэффициент полезного действия этой установки – 11 процентов.

В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике-излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше. У подобной установки, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15-20 процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла – всего 600—650 градусов Кельвина.

От многих недостатков, присущих машинным преобразователям, свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими, непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

«Термоэлектрогенераторы основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре, – пишет в «Соросовском образовательном журнале» Л.М. Драбкин. – Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств – термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940—1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами и его школы в 40-50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы».

Соединяя между собой отдельные термоэлементы, можно создавать достаточно мощные термобатареи. Электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тысяч тонн. Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением коэффициента полезного действия преобразования солнечной энергии в электричество. Этого можно достичь двумя путями: увеличением термического коэффициента полезного действия преобразователя и снижением необратимых потерь энергии во всех элементах энергоустановки.

В первом случае концентрированное излучение позволяет получать очень высокие температуры. Но одновременно при этом весьма возрастают требования к точности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерам концентрирующих систем маловероятно. Поэтому усилия исследователей неизменно направлялись на снижение необратимых потерь. Они попытались уменьшить переток тепла с горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачи требовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов. Однако после многолетних попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая сегодня величина является предельной. Тогда возникла идея разделить горячий и холодный спаи воздушным промежутком, подобно двухэлектродной лампе – диоде. Если в такой лампе разогревать один электрод – катод и при этом охлаждать другой электрод – анод, то во внешней электрической цепи возникнет постоянный ток. Впервые это явление наблюдал в 1883 году Томас Эдисон.

«Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии, – пишет Л.М. Драбкин. – Подобно термоэлектричеству оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество. И хотя природа у термоэлектричества и термоэлектронной эмиссии разная, но выражения для КПД у них одинаковые.

Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны с неизотермическим характером подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катода на анод по элементам конструкции ТЭП, а также с омическими потерями в элементах последовательного соединения отдельных модулей.

Для достижения высоких КПД цикла Карно современные ТЭП создают на рабочие температуры катодов 1700—1900 К, что при температурах охлаждаемых анодов порядка 700 К позволяет получать КПД порядка 10 процентов. Таким образом, благодаря снижению необратимых потерь в самом преобразователе и при одновременном повышении температуры подвода тепла КПД ТЭП оказывается вдвое выше, чем у описанного выше ТЭГ, но при существенно более высоких температурах подвода тепла».

Теперь рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии. В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта, проявляющегося на p-n-переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают p-n (или n-p)-переход путем введения в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании на p-n-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей достигает 13-15 процентов.

У солнечных электростанций есть одна, но весьма существенная проблема. Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. А что если разместить солнечные энергостанции в космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии Солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции, сегодня точно сказать нельзя, хотя к проектированию подобных электростанций конструкторы приступили еще в конце 1960-х годов. Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение. Даже самая маленькая космическая электростанция должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на удаленную от Земли орбиту.

Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно делать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.

Но это в будущем. Пока же солнечные батареи с успехом питают космические станции.

Ветроэлектростанции

Запасы ветровой энергии, по сути дела, безграничны. Эта энергия возобновляема, и в отличие от тепловых станций ветроэнергетика не использует богатства недр, а ведь добыча угля, нефти, газа связана с огромными затратами труда. К тому же тепловые станции загрязняют окружающую среду, а плотины ГЭС создают на реках искусственные моря, нарушая природное равновесие. С другой стороны, ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС или АЭС, по сравнению с ними занимает гораздо большую площадь. И справедливости ради надо сказать, что ветроэлектростанции не совсем безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Обычно рабочим органом ветродвигателя служат лопасти воздушного винта, который и называют ветроколесом. Теорию его еще в начале XX века разработал известный русский ученый Н.Е. Жуковский. Для описания явлений, связанных с прохождением воздушного потока через колесо, он применил теорию подъемной силы крыла самолета и определил значение максимально возможного коэффициента использования энергии ветра идеальным колесом. Коэффициент полезного действия оказался равным 59,3 процента.

Ветер – стихия весьма капризная то он дует с одной стороны, через некоторое время – с другой. Чтобы колесо эффективно использовало энергию воздушного потока, его необходимо каждый раз разворачивать против ветра. Для этой цели служат специальные устройства – хвостовая пластина (флюгер) или небольшое ветровое колесо (виндроза).

Ветер редко дует с постоянной скоростью. Изменилась его скорость – замедлилось или ускорилось вращение колеса и связанного с ним вала, через который вращение колеса передается электрическому генератору. Чтобы вал вращался с постоянной частотой, применяют разные приспособления.

Для получения энергии ветра используются разные конструкции. Это многолопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельсов, а ее колеса приводят в действие электрогенератор.

Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной скорости, а задачу кондиционирования вырабатываемой электроэнергии выполняет электроника.

Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога. В России это, в первую очередь, Сахалин, Камчатка, Арктика, Крайний Север и т д.

При среднегодовой скорости ветра около 7 метров в секунду и среднем числе часов работы на полной мощности 2500 часов в год такая установка вырабатывает электроэнергию стоимостью 7-8 центов/кВч. Сегодня наиболее распространены ВЭУ единичной мощностью 100—500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько мегаватт.

Малые ВЭУ (мощностью менее 100 кВт) обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим «дублер», то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.

Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100 кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливается достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря – там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше. В Калифорнии (США) на одной из них размещено около тысячи ветроустановок, так что суммарная установленная мощность фермы превышает 100 МВт.

Обычно для снижения зависимости от капризов ветра в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы, в основном электрические. Но вместе с тем используют и воздушные. В этом случае ветряк нагнетает воздух в баллоны. Выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором. Еще один вариант – гидравлические аккумуляторы. Здесь силой ветра вода поднимается на определенную высоту, затем, падая вниз, она вращает турбину. Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают в баллонах. Потом по мере необходимости водород и кислород сжигают в топливном элементе либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.

В Испании довольно долго работала удивительная ветроустановка, сама создававшая для себя ветер! Обширный круг земли в основании выстроенной высокой трубы покрыли полиэтиленовой пленкой на каркасных опорах. Жаркое испанское солнце нагревало и землю, и воздух под пленкой. В результате в трубе возникала ровная постоянная тяга, а встроенная в трубу крыльчатка вращала генератор. Тяга не прекращалась даже в пасмурные дни и ночью: земля долго хранит тепло. Однако эксплуатация такой установки оказалась довольно дорогой. Постепенно металлическая труба проржавела, а пленка разрушилась. После очередного урагана ремонтировать систему не стали.

ВЭУ занимались и занимаются и в России. В начале 1990-х годов была создана ветроустановка небольшой мощности «Конвет-1Э» двух модификаций – с асинхронным генератором (2 кВт, 230 В) и индукторным генератором постоянного тока (12 или 24 В). Ветроколесо с двумя лопастями вращает генератор. Благодаря применению инвертора или выпрямителя можно обеспечивать энергией телевизор, холодильник, радиоприемник, заряжать аккумуляторную батарею. В зонах со среднегодовыми скоростями ветра 5-6 метров в секунду стоимость 1 кВт-ч от такой ВЭУ в 1,4-1,7 раза ниже, чем от равноценного по мощности бензинового агрегата. Масса установки – 460 килограммов.

Как известно, беда многих ветряков – мощные воздушные потоки, под действием которых они нередко ломаются. В «Конвет-1Э» применили различные автоматические устройства, чтобы не дать колесу чрезмерно раскрутиться при сильном ветре. Конструкторам удалось добиться аэродинамического КПД в 46-48 процентов. Это достигнуто за счет применения высококачественных неметаллических лопастей с более совершенным, крученным по длине профилем.

Быстроходные ветроустановки иностранных фирм работают главным образом, начиная со скоростей ветра 5-6 метров в секунду. Особая конструкция лопастей и специальные приспособления позволяют «Конвету-1Э» эффективно начинать работать уже при силе ветра 4 метра в секунду.

Суммарная мощность ветроустановок в мире быстро возрастает. По использованию ВЭУ в мире лидируют США, в Европе – Германия, Англия, Дания и Нидерланды.

Германия получает от ветра десятую часть своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена «воздушного» электричества падает. Так, в 1993 году во Франции себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза.

Ядерные реакторы на быстрых нейтронах

Первая в мире атомная электростанция (АЭС), построенная в городе Обнинске под Москвой, дала ток в июне 1954 года. Мощность ее была весьма скромной – 5 МВт. Однако она сыграла роль экспериментальной установки, где накапливался опыт эксплуатации будущих крупных АЭС. Впервые была доказана возможность производства электрической энергии на основе расщепления ядер урана, а не за счет сжигания органического топлива и не за счет гидравлической энергии.

АЭС использует ядра тяжелых элементов – урана и плутония. При делении ядер выделяется энергия – она и «работает» в атомных электростанциях. Но можно использовать только ядра, имеющие определенную массу – ядра изотопов. В атомных ядрах изотопов содержится одинаковое число протонов и разное – нейтронов, из-за чего ядра разных изотопов одного и того же элемента имеют разную массу. У урана, например, 15 изотопов, но в ядерных реакциях участвует только уран-235.

Реакция деления протекает следующим образом. Ядро урана самопроизвольно распадается на несколько осколков; среди них есть частицы высокой энергии – нейтроны. В среднем на каждые 10 распадов приходится 25 нейтронов. Они попадают в ядра соседних атомов и разбивают их, высвобождая нейтроны и огромное количество тепла. При делении грамм урана выделяется столько же тепла, сколько при сгорании трех тонн каменного угля.

Пространство в реакторе, где находится ядерное топливо, называют активной зоной. Здесь идет деление атомных ядер урана и выделяется тепловая энергия. Чтобы предохранить обслуживающий персонал от вредного излучения, сопровождающего цепную реакцию, стенки реактора делают достаточно толстыми. Скоростью цепной ядерной реакции управляют регулирующие стержни из вещества, поглощающего нейтроны (чаще всего это бор или кадмий). Чем глубже опускают стержни в активную зону, тем больше нейтронов они поглощают, тем меньше нейтронов участвует в реакции и меньше выделяется тепла. И наоборот, когда регулирующие стержни поднимают из активной зоны, количество нейтронов, участвующих в реакции, возрастает, все большее число атомов урана делится, освобождая скрытую в них тепловую энергию.

На случай, если возникнет перегрев активной зоны, предусмотрена аварийная остановка ядерного реактора. Аварийные стержни быстро падают в активную зону, интенсивно поглощают нейтроны, цепная реакция замедляется или прекращается.

Тепло из ядерного реактора выводят с помощью жидкого или газообразного теплоносителя, который прокачивают насосами через активную зону. Теплоносителем может быть вода, металлический натрий или газообразные вещества. Он отбирает у ядерного топлива тепло и передает его в теплообменник. Эта замкнутая система с теплоносителем называется первым контуром. В теплообменнике тепло первого контура нагревает до кипения воду второго контура. Образующийся пар направляют в турбину или используют для теплофикации промышленных и жилых зданий.

До катастрофы на АЭС в Чернобыле советские ученые с уверенностью говорили о том, что в ближайшие годы в атомной энергетике будут широко использовать два основных типа реакторов. Один из них, ВВЭР – водо-водяной энергетический реактор, а другой – РБМК – реактор большой мощности, канальный. Оба типа относятся к реакторам на медленных (тепловых) нейтронах.

В водо-водяном реакторе активная зона заключена в огромный, диаметром 4 и высотой 15 метров, стальной корпус-цилиндр с толстыми стенами и массивной крышкой. Внутри корпуса давление достигает 160 атмосфер. Теплоносителем, отбирающим тепло в зоне реакции, служит вода, которую прокачивают насосами. Эта же вода служит и замедлителем нейтронов. В парогенераторе она нагревает и превращает в пар воду второго контура. Пар поступает в турбину и вращает ее. И первый и второй контуры – замкнутые.

Раз в полгода выгоревшее ядерное горючее заменяют на свежее, для чего надо реактор остановить и охладить. В России по этой схеме работают Нововоронежская, Кольская и другие АЭС.

В РБМК замедлителем служит графит, а теплоносителем – вода. Пар для турбины получается непосредственно в реакторе и туда же возвращается после использования в турбине. Топливо в реакторе можно заменять постепенно, не останавливая и не расхолаживая его.

Первая в мире Обнинская АЭС относится именно к этому типу. По той же схеме построены Ленинградская, Чернобыльская, Курская, Смоленская станции большой мощности.

Одной из серьезных проблем АЭС является утилизация ядерных отходов. Во Франции, к примеру, этим занимается крупная фирма «Кожема». Топливо, содержащее уран и плутоний, с большой осторожностью, в специальных транспортных контейнерах – герметичных и охлаждаемых – направляется на переработку, а отходы – на остекловывание и захоронение.

«Нам показали отдельные этапы переработки топлива, привезенного с АЭС с величайшей осторожностью, – пишет в журнале «Наука и жизнь» И. Лаговский. – Разгрузочные автоматы, камера разгрузки. Заглянуть в нее можно через окно. Толщина стекла в окне 1 метр 20 сантиметров. У окна манипулятор. Невообразимая чистота вокруг. Белые комбинезоны. Мягкий свет, искусственные пальмы и розы. Теплица с настоящими растениями для отдыха после работы в зоне. Шкафы с контрольной аппаратурой МАГАТЭ – международного агентства по атомной энергии. Операторский зал – два полукруга с дисплеями, – отсюда управляют разгрузкой, резанием, растворением, остекловыванием. Все операции, все перемещения контейнера последовательно отражаются на дисплеях у операторов. Сами залы работ с материалами высокой активности находятся довольно далеко, на другой стороне улицы.

Остеклованные отходы невелики по объему. Их заключают в стальные контейнеры и хранят в вентилируемых шахтах, пока не повезут на место окончательного захоронения…

Сами контейнеры являют собой произведение инженерного искусства, целью которого было соорудить нечто такое, что невозможно разрушить. Железнодорожные платформы, груженные контейнерами, пускали под откос, таранили на полном ходу встречными поездами, устраивали другие мыслимые и немыслимые аварии при перевозке – контейнеры выдерживали все».

После чернобыльской катастрофы 1986 года ученые стали сомневаться в безопасности эксплуатации АЭС и, в особенности, реакторов типа РБМК. Тип ВВЭР в этом отношении более благополучен: авария на американской станции Тримайл-айленд в 1979 году, где частично расплавилась активная зона реактора, радиоактивность не вышла за пределы корпуса. В пользу ВВЭР говорит долгая безаварийная эксплуатация японских АЭС.

И, тем не менее, есть еще одно направление, которое, по мнению ученых, способно обеспечить человечество теплом и светом на ближайшее тысячелетие. Имеются в виду реакторы на быстрых нейтронах, или реакторы-размножители. В них используется уран-238, но для получения не энергии, а горючего. Этот изотоп хорошо поглощает быстрые нейтроны и превращается в другой элемент – плутоний-239. Реакторы на быстрых нейтронах очень компактны: им не нужны ни замедлители, ни поглотители – их роль играет уран-238. Называются они реакторами-размножителями, или бридерами (от английского слова «breed» – размножать). Воспроизведение ядерного горючего позволяет в десятки раз полнее использовать уран, поэтому реакторы на быстрых нейтронах считаются одним из перспективных направлений атомной энергетики.

В реакторах такого типа, кроме тепла, нарабатывается еще и вторичное ядерное топливо, которое можно использовать в дальнейшем. Здесь ни в первом, ни во втором контурах нет высокого давления. Теплоноситель – жидкий натрий. Он циркулирует в первом контуре, нагревается сам и передает тепло натрию второго контура, а тот, в свою очередь, нагревает воду в пароводяном контуре, превращая ее в пар. Теплообменники изолированы от реактора.

Одна из таких перспективных станций – ей дали название Монзю – была построена в районе Шираки на побережье Японского моря в курортной зоне в четырехстах километрах к западу от столицы.

«Для Японии, – говорит руководитель отдела ядерной корпорации Кансаи К. Такеноучи, – использование реакторов-размножителей означает возможность уменьшить зависимость от привозного природного урана за счет многократного использования плутония. Поэтому понятно наше стремление к разработке и совершенствованию \"быстрых реакторов\", достижению технического уровня, способного выдержать конкуренцию с современными АЭС в отношении экономичности и безопасности.

Развитие реакторов-размножителей должно стать основной программой выработки электроэнергии в ближайшем будущем».

Строительство реактора Монзю – уже вторая стадия освоения реакторов на быстрых нейтронах в Японии. Первой было проектирование и постройка экспериментального реактора Джойо (что по-японски означает «вечный свет») мощностью 50-100 МВт, который начал работать в 1978 году. На нем исследовались поведение топлива, новые конструкционные материалы, узлы.

Проект Монзю стартовал в 1968 году. В октябре 1985 года начали сооружать станцию – рыть котлован. В процессе освоения площадки 2 миллиона 300 тысяч кубометров скального грунта было сброшено в море. Тепловая мощность реактора – 714 МВт. Топливом служит смесь окислов плутония и урана. В активной зоне 19 регулирующих стержней, 198 топливных блоков, в каждом из которых по 169 топливных стержней (тепловыделяющих элементов – ТВЭЛов) диаметром 6,5 миллиметров. Они окружены радиальными топливовоспроизводящими блоками (172 штуки) и блоками нейтронных экранов (316 штук).

Весь реактор собран как матрешка, только разобрать его уже невозможно. Огромный корпус реактора, из нержавеющей стали (диаметр – 7,1 метра, высота – 17,8 метра), помещен в защитный кожух на случай, если при аварии разольется натрий.

«Стальные конструкции камеры реактора, – сообщает в журнале «Наука и жизнь» А Лаговский, – обечайки и стеновые блоки – в качестве защиты заполнены бетоном. Первичные натриевые системы охлаждения вместе с корпусом реактора окружены противоаварийной оболочкой с ребрами жесткости – ее внутренний диаметр 49,5 метра, а высота – 79,4 метра. Эллипсоидное дно этой громады покоится на сплошной бетонной подушке высотой 13,5 метра. Оболочка окружена полутораметровым кольцевым зазором, а далее следует толстый слой (1-1,8 метра) армированного бетона. Купол оболочки также защищен слоем армированного бетона толщиной 0,5 метра.

Вслед за противоаварийной оболочкой устроен еще один защитный корпус – вспомогательный – размером 100 на 115 метров, удовлетворяющий требованиям противосейсмического строительства. Чем не саркофаг?

Во вспомогательном корпусе реактора размещены вторичные системы натриевого охлаждения, пароводяные системы, топливные загрузочно-разгрузочные устройства, резервуар для хранения отработанного топлива. В отдельных помещениях расположены турбогенератор и резервные дизель-генераторы.

Прочность противоаварийной оболочки рассчитана как на избыточное давление в 0,5 атмосферы, так и на вакуум в 0,05 атмосферы. Вакуум может образоваться при выгорании кислорода в кольцевом зазоре, если разольется жидкий натрий. Все бетонные поверхности, которые могут войти в контакт с разлившимся натрием, сплошь облицованы стальными листами, достаточно толстыми для того, чтобы выдержать тепловые напряжения. Так защищаются на тот случай, которого вообще может и не произойти, поскольку должна быть гарантия и на трубопроводы, и на все другие части атомной установки».

Термоядерная установка

Ученые нашей страны и большинства развитых стран мира уже много лет занимаются проблемой использования термоядерных реакций для целей энергетики. Созданы уникальные термоядерные установки – сложнейшие технические устройства, предназначенные для изучения возможности получения колоссальной энергии, которая выделяется пока лишь при взрыве водородной бомбы. Ученые хотят научиться контролировать ход термоядерной реакции – реакции соединения тяжелых ядер водорода (дейтерия и трития) с образованием ядер гелия при высоких температурах, – чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию в мирных целях, на благо людям.

В литре водопроводной воды содержится совсем немного дейтерия. Но если этот дейтерий собрать и использовать как топливо в термоядерной установке, то можно получить энергии столько, сколько от сжигания почти 300 килограммов нефти. А для обеспечения энергией, которую сейчас получают при сжигании обычного топлива, добываемого за год, потребовалось бы извлечь дейтерий из воды, содержащейся в кубе со стороной всего 160 метров. Одна река Волга ежегодно несет в Каспийское море около 60000 таких кубов воды.

Для осуществления термоядерной реакции необходимо соблюдение нескольких условий. Так, температура в зоне, где происходит соединение тяжелых ядер водорода, должна составлять примерно 100 миллионов градусов. При такой огромной температуре речь идет уже не о газе, а о плазме. Плазма – это такое состояние вещества, когда при высоких температурах газа нейтральные атомы теряют принадлежащие им электроны и превращаются в положительные ионы. По-другому, плазма – смесь свободно движущихся положительных ионов и электронов. Второе условие состоит в необходимости поддерживать в зоне реакции плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре. И, наконец, главное и самое трудное, – надо удержать ход термоядерной реакции хотя бы не меньше одной секунды.

Рабочая камера термоядерной установки – тороидальная, похожа на огромный пустотелый бублик. Она заполнена смесью дейтерия и трития. Внутри самой камеры создается плазменный виток – проводник, по которому пропускают электрический ток силой около 20 миллионов ампер.

Электрический ток выполняет три важные функции. Во-первых, он создает плазму. Во-вторых, разогревает ее до ста миллионов градусов. И, наконец, ток создает вокруг себя магнитное поле, то есть окружает плазму магнитными силовыми линиями. В принципе силовые линии вокруг плазмы должны были бы удержать ее в подвешенном состоянии и не дать плазме возможность соприкоснуться со стенками камеры Однако удержать плазму в подвешенном состоянии не так просто. Электрические силы деформируют плазменный проводник, не обладающий прочностью металлического проводника. Он изгибается, ударяется о стенку камеры и отдает ей свою тепловую энергию. Для предотвращения этого поверх тороидальной камеры надевают еще катушки, создающие в камере продольное магнитное поле, оттесняющее плазменный проводник от стенок. Только и этого оказывается мало, поскольку плазменный проводник с током стремится растянуться, увеличить свой диаметр. Удержать плазменный проводник от расширения призвано также магнитное поле, которое создается автоматически, без посторонних внешних сил. Плазменный проводник помещают вместе с тороидальной камерой еще в одну камеру большего размера, сделанную из немагнитного материала, обычно меди. Как только плазменный проводник делает попытку отклониться от положения равновесия, в медной оболочке по закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток, обратный по направлению току в плазме. В результате появляется противодействующая сила, отталкивающая плазму от стенок камеры.

Удерживать плазму от соприкосновения со стенками камеры магнитным полем предложил в 1949 году А.Д. Сахаров, а немного позже американец Дж. Спитцер.

В физике принято давать названия каждому новому типу экспериментальных установок. Сооружение с такой системой обмоток именуется токамаком – сокращение от «тороидальная камера и магнитная катушка».

В 1970-е годы в СССР была построена термоядерная установка, названная «Токамак-10». Ее разработали в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова. На этой установке получили температуру плазменного проводника 10 миллионов градусов, плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре и время удержания плазмы близко к 0,5 секунды. Крупнейшая на сегодня в нашей стране установка «Токамак-15» также построена в московском научном центре «Курчатовский институт».

Все созданные термоядерные установки пока лишь потребляют энергию на разогрев плазмы и создание магнитных полей. Термоядерная установка будущего должна, наоборот, выделять столько энергии, чтобы небольшую ее часть можно было использовать для поддержания термоядерной реакции, то есть подогрева плазмы, создания магнитных полей и питания многих вспомогательных устройств и приборов, а основную часть – отдавать для потребления в электрическую сеть

В 1997 году в Великобритании на токамаке JET достигли совпадения вложенной и полученной энергии. Хотя и этого, конечно, недостаточно для самоподдержания процесса: до 80 процентов полученной энергии теряется. Для того чтобы реактор работал, необходимо производить энергии в пять раз больше, чем тратится на нагревание плазмы и создание магнитных полей.

В 1986 году страны Европейского союза вместе с СССР, США и Японией решили совместными усилиями разработать и построить к 2010 году достаточно большой токамак, способный производить энергию не только для поддержания термоядерного синтеза в плазме, но и для получения полезной электрической мощности. Этот реактор назвали ITER, аббревиатура от – «международный термоядерный экспериментальный реактор». К 1998 году удалось завершить проектные расчеты, но из-за отказа американцев в конструкцию реактора пришлось вносить изменения, чтобы уменьшить его стоимость.

Можно позволить частицам двигаться естественным образом, а камере придать форму, повторяющую их траекторию. Камера тогда имеет довольно причудливый вид. Она повторяет форму плазменного шнура, возникающего в магнитном поле внешних катушек сложной конфигурации. Магнитное поле создают внешние катушки гораздо более сложной конфигурации, чем в токамаке. Устройства подобного рода называют стеллараторами. В нашей стране построен торсатрон «Ураган-3М». Этот экспериментальный стелларатор рассчитан на удержание плазмы, нагретой до десяти миллионов градусов.

В настоящее время у токамаков появились и другие серьезные конкуренты, использующие инерциальный термоядерный синтез. В этом случае несколько миллиграммов дейтерий-тритиевой смеси заключают в капсулу диаметром 1-2 миллиметра. На капсуле фокусируют импульсное излучение нескольких десятков мощных лазеров. В результате капсула мгновенно испаряется. В излучение надо вложить 2 МДж энергии за 5-10 наносекунд. Тогда световое давление сожмет смесь до такой степени, что может пойти реакция термоядерного синтеза. Выделившаяся энергия при взрыве, по мощности эквивалентного взрыву ста килограммов тротила, будет преобразовываться в более удобную для использования форму – например в электрическую. Экспериментальная установка такого типа (NIF) строится в США и должна начать работать в 2010 году.

Однако строительство стеллараторов и установок инерциального синтеза также наталкивается на серьезные технические трудности. Вероятно, практическое использование термоядерной энергии – вопрос не ближайшего будущего.

Первая океанская электростанция

В США разрабатывается проект строительства электростанции на Гольфстриме. Первая в мире океанская электростанция мощностью 136 мегаватт будет сооружена во Флоридском проливе, где Гольфстрим перемещает 25 миллионов кубометров воды в секунду (это в двадцать раз превышает суммарный расход воды всех рек земного шара).

Реализация проекта стала возможной только после создания нового гидравлического двигателя – реактивной геликоидной (спиралевидной) гидротурбины, или турбины Горлова, как ее называют по имени изобретателя – профессора Северо-Восточного университета в Бостоне.

Автор проекта первой океанской электростанции Александр Горлов – выпускник Московского института инженеров железнодорожного транспорта, по окончании которого строил мосты, участвовал в разработке и внедрении новой технологии строительства тоннелей, а после защиты кандидатской диссертации работал главным специалистом в крупном НИИ. Крутой поворот в его судьбе связан со знакомством с Александром Солженицыным. Близость к опальному в то время писателю привела к драматическим последствиям: начались преследования со стороны КГБ, молодого ученого уволили из института, он не мог устроиться на работу по специальности, о защите подготовленной им докторской диссертации не могло быть и речи. В 1975 году Горлов был вынужден уехать за границу.

Оказавшись в эмиграции, он добился значительных успехов в научной, педагогической и изобретательской деятельности: Александр Горлов – доктор технических наук, профессор крупнейшего в США частного университета, директор лаборатории энергии воды и ветра, обладатель 15 патентов на изобретения, в том числе на геликоидную гидротурбину, применение которой открывает новую страницу в развитии гидроэнергетики.

«Русский ученый, изгнанный из родной страны, может дать решение глобальных проблем энергетики», – пишет газета «Файнэншл таймс».

Оригинальная турбина, созданная Горловым, называется геликоидной (от греческого «геликс» – «спираль» и «эйдос» – «вид»). Эта турбина не нуждается в сильном напоре, создаваемом с помощью плотины, и может эффективно работать при сравнительно небольших скоростях течения. Она имеет три спиральные лопасти и под действием потока воды вращается в два-три раза быстрее скорости течения. Как показали испытания опытных образцов, коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше всех низконапорных турбин, предназначенных для работы в свободном водяном потоке. В отличие от многотонных металлических гидротурбин, применяемых на речных гидроэлектростанциях, размеры изготовленной из пластика турбины Горлова невелики (диаметр 50 сантиметров, длина 84 сантиметра), масса ее всего 35 килограммов. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду и исключает налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин.

Конструкция станции представляет собой металлическую платформу, собираемую из готовых секций с установленным в них энергетическим оборудованием. Оборудование одной секции состоит из 16 турбин, жестко соединенных торцами и образующих вертикальную конструкцию длиной тринадцать метров. Электрогенератор в водонепроницаемой оболочке установлен на ее верхнем конце. При вращении турбин генератор вырабатывает ток мощностью 38 кВт. Для первой очереди строительства электростанции мощностью 30 мегаватт потребуется около 800 таких блоков.

Платформа будет установлена на якорях и погружена на глубину, гарантирующую свободный проход судов с самой большой осадкой. Определенные сложности представляет рыболовецкий флот. Ведь во время промысла рыболовные сети могут пострадать и одновременно причинить электростанции серьезный ущерб. Для исключения подобной ситуации станцию предполагается обозначить на поверхности океана буями со световой и радиоэлектронной сигнализацией.

На самой станции не будет операторов: автоматическое управление обеспечит система компьютеров. Периодический наружный осмотр станции, а также необходимые ремонтные работы смогут осуществлять водолазы.

Монтаж океанской электростанции осуществит недавно созданная фирма «Гольфстрим энерджи», а производство гидротурбин будет организовано на предприятии компании «Элайд сигнал». Их стоимость значительно ниже других видов современного энергетического оборудования аналогичного назначения.

Что же касается общей стоимости проекта океанской электростанции, то она составляет около трехсот миллионов долларов. Финансирование будет осуществлять государство с привлечением частных инвесторов. Планируется, что расходы должны окупиться в течение пяти лет.

Важное место при разработке проекта океанской электростанции занимает вопрос об использовании вырабатываемой электроэнергии. Первоначально предполагалось передавать ее по кабелю на материк или остров Марафон, находящийся на расстоянии пяти километров от места расположения станции, однако совет директоров фирмы «Гольфстрим энерджи», в состав которого входит профессор Горлов, пришел к выводу, что оптимальным вариантом является использование электроэнергии на месте для производства водорода путем электролиза океанской воды. Жидкий водород – экологически чистое топливо, способное в будущем заменить бензин и другие нефтепродукты, при сгорании которых внешняя среда загрязняется вредными веществами.

Согласно проекту, электроэнергия будет по кабелю передаваться на стоящее рядом с океанской электростанцией заякоренное судно, оснащенное технологическим оборудованием для производства сжижения и временного хранения водорода до отгрузки его потребителям.

Однако водород в энергетических целях может использоваться не только в качестве топлива для сжигания в двигателях автомобилей и самолетов, но и в так называемых топливных элементах – важнейшей составной части электрохимических генераторов, осуществляющих прямое преобразование химической энергии в электрическую. В этом случае водород служит химическим реагентом, взаимодействующим в присутствии катализатора с окислителем, в частности с кислородом. В настоящее время электрохимические генераторы используются в качестве автономных источников энергии в системах электропитания космических аппаратов.

По мнению экспертов, дальнейшее совершенствование топливных элементов позволит создать на базе электрохимических генераторов мощные энергетические установки, которые составят серьезную конкуренцию ГЭС, тепловым и атомным электростанциям, поскольку экологически они более безопасны. Широкое применение таких установок вызовет огромный рост потребления водорода, спрос на который наилучшим образом может быть удовлетворен путем использования плавучих фабрик водорода, получающих электроэнергию от океанских электростанций. Не исключено, что водород может стать символом энергетики XXI века.

Проект строительства электростанции на Гольфстриме вызвал большой интерес в ряде стран. По мнению южнокорейских специалистов, турбины Горлова могут дать большой эффект при их использовании на приливных электростанциях у побережья Корейского полуострова.

Японские ученые считают весьма перспективным план сооружения океанской электростанции на Куросио, мощность которого, например, у южной оконечности острова Хонсю достигает 38 миллионов кубометров воды в секунду. Они считают, что в перспективе широкое использование океанских электростанций позволит Японии обеспечить электроэнергией так называемые морские города в Тихом океане. Подобный долгосрочный проект японских ученых предусматривает постепенное переселение значительной части жителей на искусственные острова. Это даст возможность улучшить экологическую обстановку, а также справиться с проблемой перенаселения. Высвобождающуюся площадь предполагается использовать под сельскохозяйственные угодья и национальные парки. Пока программа находится на стадии разработки, ведутся консультации с лабораторией Горлова. Свою заинтересованность в проекте уже высказало правительство Тайваня.

Весьма вероятно, что будущее энергетики будет связано со строительством океанских электростанций. Ведь они более экономичны, чем атомные. А уступая по этому параметру тепловым и речным, превосходят их в экологической безопасности.

Печатные машины

Как правило, первопечатником называют немца Иоганна Гутенберга. Хотя есть сведения, что еще в 1045 году китаец Пи Чень, член императорского суда, придумал разборный шрифт.

Еще раньше, в IX веке на востоке – в Китае, Тибете – был известен способ печатания с деревянных досок, на которых гравировались целые страницы рукописи. Этот способ в Европе получил название «ксилография». Студент Страсбургского университета Иоганн Гутенберг вместе с несколькими компаньонами занялся изготовлением ксилографических книг. Ему пришла идея гравировать не целые страницы сразу, с каждой из которых можно было снять очень мало качественных оттисков, а делать отдельные буквы и потом из них, словно из кубиков, складывать строки. Он придумал следующий способ изготовления шрифта сначала на торце металлического бруска – пуансона – гравировали обратное выпуклое изображение буквы, потом выбивали ее на мягкой медной пластинке. Затем эту пластинку – матрицу – вставляли в нижнюю часть полой трубки, а через открытый верх заливали специальный сплав, который позднее стали называть гартом. В результате можно было сделать сколько угодно точных копий пуансона – литер. А из литер уже строка за строкой набиралась книга. Только на пятом десятке лет жизни Гутенберг сумел изготовить нужное количество литер – первую наборную кассу и сделать печатный станок.

Способ получения оттисков с помощью таких форм называется высокой печатью. Изготовить такие формы несложно. Ведь достаточно лишь получить с них оттиски. Для этого нужно нанести ровный тонкий слой краски на печатающие элементы и надавить ими на бумагу. Высокую печать выгодно отличает нетребовательность к краске. Она может быть практически любого химического состава: и на жировой основе, и на основе водных и спиртовых растворителей.

Позднее изобрели иную разновидность высокого способа – флексографическую печать. Здесь применяются резиновые или полимерные печатные формы. С их помощью добиваются хороших оттисков не только на бумаге, но и на других материалах, таких как алюминиевая фольга, целлофан, гофрокартон.

Со временем, естественно, росли и требования к качеству печати. Возникла необходимость в воспроизведении на бумаге полутоновых изображений всей цветовой гаммы. Решение пришло вместе с изобретением глубокой печати. При этом способе печатающие элементы делают не выше, а ниже пробельных, причем глубина их различна. Чем темнее должен быть тот или иной участок оттиска, тем глубже соответствующий ему элемент печатной формы, толще слой заполняющей его краски и тем больше ее перейдет с формы на оттиск.

Сегодня наиболее распространены два типа печатных машин – листовые и офсетные. В листовой печатной машине талер, на котором закрепляется печатная форма, непрерывно движется вперед и назад. В то же время опускается и прокатывается по форме валик красящего аппарата и смазывает ее краской. Над талером вращается большой печатный цилиндр. Опускаясь, он прижимает к форме чистый бумажный лист, на котором остается отпечаток текста и рисунков. Листовая печатная машина все делает самостоятельно. Мастер только нажимает кнопку включателя. Установленные на машине самонаклады – захваты с резиновыми присосами сами берут с верха стопы бумаги только один лист и аккуратно кладут его на талер. А другие самонаклады прижимают отпечатанный лист и также осторожно укладывают на приемный стол. Машина сама следит за тем, правильно ли она работает. Стоит лишь присосам захватить по ошибке из стопы не один лист, а два, как машина тотчас останавливается.

Примером может служить листовая печатная машина «Speedmaster SM 102» фирмы «Хайдельберг», предназначенная для печати коммерческой продукции, этикеток, печати на пленке и на других упаковочных материалах. Оснастив эту машину соответствующими дополнительными устройствами, можно печатать этикетки на особо тонкой бумаге.

В них применено около двух тысяч новых узлов и деталей. Инженеры фирмы получили более сорока патентов на изобретения, сделанные в ходе конструкторской проработки.

Во время исследовательского этапа работы были проведены маркетинговые исследования, направленные на выявление потребностей пользователей. Результаты показали, что в большинстве профессиональных типографий и печатных центров применяются листовые офсетные машины формата 70x100 сантиметров. Поэтому специалисты фирмы сосредоточили усилия на повышении производительности именно этого класса машин. Им удалось добиться производительности 15000 оттисков в час. Высокая производительность новых печатных машин в большой степени определяется рабочей скоростью. Особое внимание было уделено сокращению времени на подготовку к печати и обслуживание машины.

На «Speedmaster SM 102» используется новое поколение самонакладов. Эти самонаклады оборудованы удлиненными направляющими для проводки отдельных листов над передними упорами на накладной стол. Листы тормозятся непосредственно перед передними упорами до скорости, составляющей 25 процентов от скорости машины, что позволяет точно выравнивать листы даже малой массы при работе на высоких скоростях. Подъем стапеля регулируется автоматически в зависимости от толщины бумаги. Присосы вакуумной головки предварительно устанавливаются по определенной кривой в зависимости от свойств запечатываемого материала, что обеспечивает высокую производительность. Стабильность подачи бумаги достигается благодаря малому ходу качающихся присосов. Прозрачное ограждение позволяет снизить уровень шума.

Оснащение самонаклада листорезальным устройством – это альтернатива обычному листовому стапелю, позволяющая снизить стоимость запечатываемого материала.

В настоящее время наиболее распространен офсетный способ печати. Он отличается широкими возможностями художественного оформления издания, сравнительной дешевизной изготовления печатных форм, довольно высокой скоростью печати и рядом других положительных качеств. По оценкам многих специалистов, в ближайшее время классический офсетный способ печати будет продолжать доминировать в мировой практике.

Офсетные машины работают гораздо быстрее обычных плоских печатных машин. Внутри такой машины вращается еще один печатный цилиндр – офсетный, покрытый резиной. Он пробегает по форме раньше бумажного листа. Отпечаток шрифта и иллюстраций сперва переводится на эту резину, а уже с нее на бумажный лист. В таких машинах бывает обычно по несколько секций, которые заправляют различными красками. Бумажный лист поочередно проходит через все секции, и на нем появляется либо разноцветный шрифт, либо цветная картинка.

Листовая печатная машина дает за час до 15 тысяч оттисков. Офсетная – десятки тысяч. Но печатников, выпускающих газеты и журналы, эта скорость не удовлетворяет.

Более высокую скорость обеспечивают ротационные печатные машины. Первую такую машину разработал в 1904 году немецкий инженер Э. Мертенсон. В ротационной печатной машине все главные детали имеют цилиндрическую форму. Это упрощает конструкцию аппарата и позволяет значительно увеличить скорость печатания.

Такую машину заправляют бумажной лентой длиной 6-7 километров, намотанной в огромный рулон. Ротационная машина работает с огромной скоростью. Бумажная лента пробегает с быстротой поезда под вращающимися валами со стереотипами, по которым с той же быстротой уже прокатились валы с краской. На бумаге отпечатывается сперва одна сторона газетного или журнального листа, а затем другая. Машина сама отрезает отпечатанные листы, фальцует (сгибает), сама выбрасывает готовые пачки на конвейер.

Самая современная и эффективная ротационная машина – «Экоман» (Ecoman) фирмы «MAN Roland». Одно из важнейших преимуществ этой машины – широкие возможности варьирования ее компоновки. Благодаря гибкому построению на этой машине можно организовать эффективное производство практически любой газетной продукции.

Восьмиярусное расположение печатных секций – составная часть системы «Экоман». Такое построение в сочетании со сдвоенным фальцаппаратом делает машину идеальной для печати больших тиражей. Для печатания коммерческой продукции машину можно оснастить ИК-сушкой или сушкой горячим воздухом.

Конструкция бумагопроводящей системы обеспечивает постоянное натяжение бумажного полотна. Для высококачественной четырехкрасочной печати используется дополнительное автоматическое устройство контроля и регулировки натяжения бумажного полотна. Проводка бумажного полотна может быть выбрана с левым или правым направлением. Это позволяет оптимизировать путь бумажного полотна. При двустороннем запечатывании двух полотен в одну краску оснащается двумя лентопроводящими системами.

Машина «Экоман» в стандартном исполнении оснащена рулонной зарядкой, отличающейся простотой конструкции и надежностью работы.

Компактный пленочный красочный аппарат обеспечивает быструю смену краски, простоту обслуживания, высокое качество печати. Для лучшей очистки красочного ящика предусмотрено его разделение на две-четыре откидывающиеся части.

В машине «Экоман» применяется увлажняющий аппарат разбрызгивающего типа, в котором передаточный валик расположен между накатным валиком и растирочным цилиндром увлажняющего аппарата.

В «Экоман» все узлы машины (рулонная зарядка, печатные секции, фальцаппарат) объединены в общую систему управления – PECOM, которая производит централизованную обработку сигналов от исполнительных механизмов, после чего подает соответствующие команды.

Система управления позволяет использовать станцию технического планирования продукции TPP для обработки заказов. Эта станция проводит подготовку к печатному процессу, начиная от обработки сведений о характере продукции, о плане загрузки машины и заканчивая подачей необходимых команд исполнительным механизмам.

Не так давно полиграфические машины годились только для многократного воспроизведения одного и того же изображения. После изобретения цифровой печати положение изменилось. Цифровая печатная машина работает под управлением компьютера и по принципу действия аналогична лазерному принтеру. С помощью компьютера можно быстро вносить изменения в печатную форму после каждого оборота формного цилиндра и получать на выходе в той или иной степени отличающиеся экземпляры оттисков. Цифровой способ используется главным образом для печатания небольших тиражей (даже одного экземпляра) или в целях оперативной полиграфии.

Зерноуборочные комбайны

Давно ушло в прошлое время, когда хлеб убирали вручную: жали серпами, связывали в снопы, обмолачивали цепами, отделяли зерно от соломы и половы на ручных веялках. Чтобы вручную за день сжать хлеб на одном гектаре земли, требовалось тридцать жнецов, а чтобы вымолотить зерно из колосьев и отделить его от соломы – еще сорок человек.

Для облегчения этих тяжелых и трудоемких работ были созданы машины: жатки, скашивающие хлеб; молотилки, обмолачивающие зерно; сортировки, отделяющие полноценное зерно от негодных семян и семян сорняков, очищающие зерно от примесей. А потом жатку, молотилку и сортировку объединили в одну машину, поставили ее на колеса – и появился зерноуборочный комбайн. Первую такую машину в 1868 году разработал русский изобретатель А.Р. Власенко. Сначала такие машины за собой возил трактор, а позднее они стали самоходными.

Комбайнер работает сейчас в значительно более комфортных условиях, чем раньше. Кабина оборудована кондиционером, отопителем, вентиляционной установкой, очищающей подаваемый воздух, электрическим стеклоочистителем, тонированными стеклами, солнцезащитными козырьками, фарами для работы в ночное время, зеркалом заднего вида, термосом для питьевой воды.

На комбайнах марки «Дон» впервые в нашей стране были применены бесконтактные электронные устройства для контроля за всеми основными сборочными единицами и агрегатами.

Система автоматического контроля технологического процесса и состояния важнейших агрегатов комбайна «Дон» обеспечивает измерение частоты вращения основных рабочих органов комбайна и скорости его движения. Она также выявляет отклонения от номинала частоты вращения валов или режимов двигателя, гидросистемы, молотильного аппарата и других агрегатов от нормы и предупреждает об этом комбайнера с помощью светового табло и звуковой сигнализации.

Световое табло установлено в кабине на передней стенке отсека кондиционирования и вентиляции, здесь же расположен блок переключателей электрооборудования комбайна.

На комбайнах последнего поколения для контроля основных эксплуатационных параметров и управления технологическим процессом широко используются компьютерные устройства.

А вот как работает современный комбайн. Сначала полосу стеблей убираемой культуры захватывают лопасти мотовила и подводят к режущему аппарату. Срезанные стебли подаются мотовилом к шнеку жатки.

Шнек, имея спирали правого и левого направления, перемещает срезанные стебли от краев к центру жатки, где расположен пальчиковый механизм. Пальчиковый механизм шнека захватывает их, а также стебли, непосредственно поступающие на него, и направляет в окно жатки, из которого масса отбирается битером проставки и передается к транспортеру наклонной камеры, который направляет ее в приемную камеру молотилки.

В комбайнах используют три типа молотильных аппаратов: бильный, штифтовый и аксиально-роторный. Основное назначение молотильного аппарата – выделить из колоса все зерна, по возможности не повреждая их. При этом стремятся и к минимальным повреждениям стеблей, чтобы не затруднять сепарацию зерна на решетах очистки и соломотрясе.

В своей книге «Зерновые комбайны» А.Ф. Морозов отмечает, что в процессе обмолота должна быть разрушена естественная связь между семенами, пленками и колосковыми чешуйками. Обмолот в молотильном устройстве происходит в результате многократных ударов по стеблям и колосу при протаскивании массы через молотильный зазор между барабаном и подбарабаньем (декой). Барабан, вращаясь, захватывает массу бичами, нанося при этом по ней удары, и продвигает ее по молотильному зазору. Скорость перемещения массы зависит как от скорости вращения барабана, так и от величины молотильного зазора. Верхний слой стеблей движется значительно быстрее нижнего, соприкасающегося с неподвижной декой.

Обмолот в штифтовом молотильном устройстве происходит в результате многократных ударов по стеблям и колосу при протаскивании массы между штифтами подбарабанья.

В аксиально-роторном молотильно-сепарирующем устройстве хлебная масса обмолачивается также благодаря воздействию на нее бичей, но в процессе обмолота она совершает винтообразное движение.

Молотилки отечественных комбайнов «Дон» и «Нива» выполнены по классической схеме, наиболее распространенной в зарубежных комбайнах. В нее входят молотильное устройство с одним бильным барабаном и решетчатым подбарабаньем, активный отбойный битер, клавишный сепаратор соломистого вороха, двухстанная решетная очистка.

Из молотильного аппарата хлебная масса выходит в виде двух фракций – соломенного и зернового вороха. Соломенный ворох, содержащий в основном крупную солому и часть зерна, попадает на соломотряс, на котором выделяются оставшееся зерно и мелкие соломистые частицы, а солома по соломотрясу поступает к копнителю.

В зависимости от конструкции молотильного устройства и условий уборки в соломе, поступающей на соломотряс, содержится от 5 до 30 процентов общего количества зерна, проходящего через комбайн.

В отечественных комбайнах применяются соломотрясы только клавишного типа. Принцип работы такого соломотряса основан на выделении зерна из слоя соломистого вороха в результате встречных ударов, наносимых клавишами по падающей на них массе.

При сходе с соломотряса солома захватывается граблинами соломонабивателя и направляется в камеру копнителя. По мере наполнения копнителя растет усилие подпрессовки соломы, которое воздействует на клапан аварийного заполнения и включает сигнал полного заполнения копнителя. Если механизатор почему-либо не заметил этого сигнала и не сбросил копну, то включается автомат сброса копны.

Зерновой ворох, выделенный через подбарабанье, а также зерно и мелкие соломистые частицы, выделенные на соломотрясе, поступают на транспортную доску, которая подает этот ворох на очистку.

На решетах очистки, обдуваемых вентилятором, зерно окончательно отделяется от соломистых примесей. Чистое зерно, прошедшее через оба решета, поступает по скатной доске решетного стана в зерновой шнек и транспортируется элеватором в бункер.

«Недомолоченные колоски, сходящие с нижнего решета и с удлинителя верхнего решета вместе с примесью свободного зерна и половы, – пишет А.Ф. Морозов, – попадают в колосовой шнек и перемещаются шнеком и элеватором к автономному домолачивающему устройству, где выделяется оставшееся в колосках зерно.

Образовавшийся после домолота ворох поступает в горловину распределительного шнека, который сбрасывает его на конец транспортной доски (благодаря специальной конструкции кожуха распределительного шнека ворох равномерно распределяется по ширине молотилки). При этом труднообмолачиваемые колоски могут несколько раз циркулировать по контуру \"домолот-очистка\", пока не произойдет их полный вымолот.

Мелкая соломистая часть вороха транспортируется воздушным потоком и решетами к половонабивателю, который подает ее в камеру копнителя или в шнек половоотборника измельчителя.

При использовании навесного измельчителя солома с соломотряса поступает непосредственно на измельчающий аппарат и после измельчения молотковыми ножами выбрасывается через дефлектор в тележку или на поле. При этом она проходит через нижний люк и лопатки разбрасывателя, которые можно устанавливать в одно из двух положений: для разбрасывания по полю или укладки в валок».

К зерноуборочным комбайнам выпускаются дополнительные приспособления, позволяющие собирать разные сельскохозяйственные культуры. Так, кукурузоуборочный комбайн срезает высокий кукурузный стебель, отделяет от него початок и дробит стебель на мелкие кусочки (после дополнительной обработки из этой массы готовят корм для скота – силос).

Льноуборочный комбайн сначала осторожно вытягивает нежные стебельки льна из земли, стальными гребенками счесывает с них коробочки с семенами и листочки, а потом связывает стебельки в снопы.

Существует и специальный комбайн для уборки сахарной свеклы. Стальными пальцами он захватывает ботву, выдергивает растение из грядки, отрезает ножом зелень и стряхивает прилипшую землю.

Картофелеуборочный комбайн сначала подкапывает большой пласт земли и осторожно размельчает его, чтобы не повредить клубни. Затем, перемещая и одновременно встряхивая, просеивает землю на прутковом транспортере, освобождает картофель и подает его в кузов грузовика.

Помимо перечисленных комбайнов инженеры создали и продолжают совершенствовать машины для уборки других видов зерновых и овощей.

Микромеханика

Точная механика родилась еще в XVII веке – с появлением стенных и настольных часов. Она не потребовала качественного технологического скачка, поскольку использовала традиционные приемы, но только в более мелких масштабах. И сегодня, как ни малы здесь детали, их еще можно изготовлять по общим стандартам, работая теми же инструментами и на тех же станках – пусть самых прецизионных, – применяя обычные способы сборки изделий.

«Ключевым тут является, пожалуй, механический обрабатывающий инструмент, – пишет в журнале «Техника – молодежи» Борис Понкратов. – Его возможности и ставят пределы миниатюризации. Но в этих пределах точная механика переживает ныне бурный расцвет. Она все шире внедряется в самую массовую продукцию – фотоаппараты, аудио– и видеотехнику, дисководы и принтеры для персональных компьютеров, ксероксы – не говоря уж о различном специальном оборудовании, например, для состыковки волоконно-оптических линий связи.

Лазерная микрообработка одна занимает целый диапазон, хотя, надо сразу сказать, самостоятельного значения не имеет: принципиально новых операций тут немного. В основном речь идет о пайке микросхем и создании отверстий различной формы (скажем, в фильерах для получения сверхтонких волокон из синтетических смол). Зато настоящего революционного технологического перевооружения требует следующий шаг – микромеханика. Размеры микромеханических устройств таковы, что для их создания недостаточно малых и сверхмалых устройств. В качестве критерия возьмем минимальные размеры объектов, с которыми способна манипулировать данная технология. Для упрощения картины округлим величины с точностью до порядка. И нанеся их на масштабную шкалу, получим своего рода спектр, где каждая технология занимает определенный «диапазон» (примерные минимальные размеры даны в миллиметрах): классическая точная механика – 1, лазерная микрообработка – 0,01, микромеханика и микроэлектроника – 0,0001, нанотехнология – 0,000001».

Рубеж поистине роковой для любых механизмов – расстояния менее 100 нм. Тогда заметно «слабеют» законы классической механики, и все больше дают себя знать межатомные силы, тепловые колебания, квантовые эффекты. Резко затрудняется локализация элементов устройств, теряет смысл понятие траекторий их движения. Короче, в подобных условиях вообще нельзя говорить о «механизмах», состоящих из «деталей».

Микромеханике повезло: ей с самого начала удалось устроиться «на плечах гиганта» – микроэлектроники, получив от нее практически готовую технологию массового производства. Ведь отработанная и постоянно развивающаяся технология сложнейших электронных микросхем лежит в том же диапазоне масштабов. И точно так же, как на одной пластинке кремния получают многие сотни готовых интегральных схем, оказалось возможным делать разом несколько сот механических деталей. То есть наладить нормальное массовое производство.

Кремний, используемый в микроэлектронике, стал основным материалом и для микромеханизмов. Тем более что здесь открылась замечательная возможность создавать и те и другие структуры в комплексе, в едином технологическом процессе. Производство таких гибридов оказалось настолько дешевым, что некоторые образцы быстро нашли применение в производстве самой массовой коммерческой продукции, например, кремниевый акселерометр, которым теперь снабжена одна из известных систем безопасности в автомобилях – надувной мешок.

Инерционный датчик этого прибора спроектирован Ричардом Мюллером из Калифорнийского университета. В общих чертах конструкция предельно проста: кремниевый стерженек диаметром в несколько микрон подвешен над отверстием, проделанным в кремниевой же подложке. Когда возникает ускорение, стерженек с подведенным к нему электрическим потенциалом начинает вибрировать и индуцирует сигнал, поступающий на обработку в микропроцессор, расположенный в десятке микрон по соседству. Достаточно резкое падение скорости (в момент удара при аварии) мгновенно фиксируется акселерометром, и он выдает команду на наполнение воздушной подушки в центре рулевого колеса, предохраняющей водителя от самой типичной травмы – удара о руль или ветровое стекло.

Японская корпорация «Тошиба» создала электромагнитный двигатель диаметром 0,8 миллиметра и весом 4 миллиграмма. Мощность его, разумеется, невелика, но достаточна для миниатюрных роботов, разработкой которых сейчас упорно занимаются ведущие компании страны под общим руководством министерства экономики и промышленности. Помимо «Тошибы» главную скрипку в этой программе играют корпорации «Мицубиси электрик» и «Хитачи». Длина разрабатываемых ими роботов – от сантиметра до нескольких миллиметров. Человек будет заглатывать капсулу с таким устройством, и после растворения ее оболочки аппарат, повинуясь радиосигналам и вложенной в него программе, начнет самостоятельное движение по кровеносным сосудам, желудочно-кишечному тракту и другим путям.

Миниатюрные роботы предназначены для диагностики, проведения микроопераций, для доставки лекарств точно по назначению и в нужное время. Их предполагают использовать также для ремонта и смены батарей у искусственных органов.

Немецкая фирма «Микротек» уже создала прототип медицинского инструмента нового типа – миниатюрную «подводную лодку» для плавания по кровеносным сосудам. Под управлением врача она способна выполнять некоторые операции. Длина этого автономного зонда – 4 миллиметра, а диаметр – 0,65 миллиметра. Двигателя у него нет, винт приводится во вращение с помощью внешнего переменного магнитного поля, которое позволяет развивать скорость до одного метр в час. В дальнейшем микрозонд оснастят фрезой для снятия холестериновых бляшек со стенок сосудов. Он сможет переносить капсулы с лекарством в нужное место. Предлагается и еще один вариант – размещать на таких микроаппаратах генераторы ультразвука. Просвечивая органы пациента изнутри, врачи получат информацию, остающуюся недоступной при обычной диагностике.

Нашли применение и еще несколько скромных, но полезных микроприборов – например, встроенный непосредственно в подшипник измеритель скорости вращения или внутренние датчики артериального давления, сердечного ритма, содержания сахара в крови и других параметров организма, передающие информацию наружу радиосигналом.

Фуллерены

Самое твердое вещество в природе – алмаз. Это углеродное соединение имеет кристаллическую решетку в форме тетраэдра – пирамиды с четырьмя равновеликими треугольными гранями. Его вершины образованы четырьмя атомами углерода. Треугольник – очень жесткая фигура его можно сломать, но деформировать или смять нельзя. Именно поэтому прочность алмаза столь высока. В природе известны кристаллы с решеткой, состоящей не из атомов, а из молекул. Если молекулы достаточно велики и связи между ними сильны, то кристаллическая решетка оказывается чрезвычайно прочной. Этим условиям в полной мере отвечают фуллерены: имея диаметр больше 0,5 нм, они соединяются в кристалл с ячейками размером менее 1,5 нм.

Как это часто бывает, открытие фуллеренов не стало результатом целенаправленного поиска. Основное направление работ в лаборатории Р. Смолли в Университете Райса (Техас), где в 1980-е годы было сделано открытие, связанное с исследованиями структуры металлических кластеров. Методика подобных исследований основана на измерении масс-спектров частиц, которые образуются в результате интенсивного воздействия лазерного излучения на поверхность исследуемого материала.

«В августе 1985 года в лабораторию Смолли приехал известный астрофизик Г. Крото, – пишет Александр Валентинович Елецкий в «Соросовском образовательном журнале», – который работал над проблемой отождествления спектров инфракрасного излучения, испускаемого некоторыми межзвездными скоплениями. Одно из возможных решений этой проблемы, достаточно давно стоявшей в астрофизике, могло быть связано с кластерами углерода, который, как известно, составляет основу межзвездных скоплений. Целью визита Крото в Техас была попытка, воспользовавшись аппаратурой лаборатории Смолли, по масс-спектру кластеров углерода получить заключение об их возможной структуре. Результаты экспериментов привели в шоковое состояние его участников. В то время как для большинства исследованных ранее кластеров типичные значения магических чисел составляют в зависимости от взаимного расположения атомов значения 13, 19, 55 и т п., в масс-спектре кластеров углерода наблюдались явно выраженные пики с числом атомов 60 и 70. Единственным непротиворечивым объяснением такой особенности кластеров углерода явилась гипотеза, согласно которой атомы углерода образуют стабильные замкнутые сферические и сфероидальные структуры, впоследствии названные фуллеренами».

Эта гипотеза, подтвержденная в дальнейшем более детальными исследованиями, по существу и легла в основу открытия фуллеренов. Публикация о первых наблюдениях фуллеренов была направлена в журнал «Nature» уже через 20 дней после приезда Крото в Техас. В этой статье помимо предположения о сфероидальной форме фуллеренов содержались идеи о возможности существования эндоэдральных молекул фуллеренов, то есть молекул, внутри которых заключены один или несколько атомов другого элемента. Дальнейшие исследования подтвердили и это предположение.

Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние между атомами в решетке алмаза. Кроме того, в ячейках обоих видов есть «особый» фуллерен, взаимодействующий с остальными через 12-16 очень коротких и сильных межмолекулярных связей. Все это и определяет необычайную твердость кристаллического фуллерита: она в два-три раза выше твердости алмаза.

За открытие фуллеренов Г. Крото, Р. Смолли и Р. Керл были удостоены Нобелевской премии по химии.

Подлинный бум в исследованиях фуллеренов начался в 1990 году. Это произошло после того, как немецкий астрофизик В. Кретчмер и американский исследователь Д. Хафман разработали технологию получения фуллеренов в достаточных количествах. Технология основана на термическом распылении электрической дуги с графитовыми электродами и последующей экстракции фуллеренов из продуктов распыления с помощью органических растворителей, например, бензола, толуола. Новая технология позволила многочисленным научным лабораториям исследовать фуллерены не только в молекулярной форме, но также и в кристаллическом состоянии. В результате были сделаны новые открытия. Так, в 1991 году американские ученые обнаружили сверхпроводимость фуллереновых кристаллов, легированных атомами щелочных металлов, с критической температурой от 18 до 40 градусов Кельвина в зависимости от сорта щелочного металла. И по сегодняшний день исследования и разработки в области фуллеренов являются одним из приоритетных направлений мировой науки и технологии. Подобная популярность связана с удивительными физико-химическими свойствами фуллеренов, открывающими возможность их прикладного использования.

Молекулы фуллеренов обладают высокой электроотрицательностью. Они способны присоединять к себе до шести свободных электронов. Это делает фуллерены сильными окислителями. Они способны образовывать множество новых химических соединений с новыми интересными свойствами. В состав химических соединений фуллеренов, входят шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями. Поэтому можно рассматривать их как трехмерный аналог ароматических соединений. Кристаллы фуллеренов представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1-2 эВ. Они обладают фотопроводимостью при облучении видимым светом.

«Широк круг возможных технологических применений фуллеренов, – пишет Езерский. – Так, использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно (до 10 раз) снижает коэффициент трения металлических поверхностей и соответственно повышает износостойкость деталей и агрегатов. Активно разрабатываются также другие возможности массовых применений фуллеренов, связанные, в частности, с созданием нового типа аккумуляторных батарей, не подверженных, в отличие от традиционно используемых батарей на основе лития, разрушению электродов. Особого внимания заслуживает проблема использования фуллеренов в медицине и фармакологии. Одна из основных трудностей, стоящих на пути успешного решения этой задачи, связана с созданием водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться с кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию. Широко обсуждается в литературе идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов (молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или несколько атомов какого-либо элемента) с внедренными внутрь структуры фуллеренов радиоактивными изотопами. Введение такого лекарства в ткань позволит избирательно воздействовать на пораженные опухолью клетки, препятствуя их дальнейшему размножению».

Сканирующий зондовый микроскоп

Наиболее молодое и вместе с тем перспективное направление в исследовании свойств поверхности – сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение – менее 0,1 нм. Они могут измерить взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием – зондом – и выводят трехмерное изображение на экран компьютера.

Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и воздействовать на них. При этом – что особенно важно – объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и жидкостях.

Изобрели зондовый – сканирующий туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники Исследовательского центра фирмы ИБМ Г. Биннинг и Х. Рорер (США). Через пять лет за это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь около одного нанометра. В основе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит квантово-механическое явление, называемое туннельным эффектом. Очень тонкое металлическое острие – отрицательно заряженный зонд – подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому, заряженному положительно. В тот момент, когда расстояние между ними достигнет нескольких межатомных расстояний, электроны начнут свободно проходить через него – «туннелировать»: через зазор потечет ток.

Очень важное значение для работы микроскопа имеет резкая зависимость силы туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастет примерно в 10 раз. Поэтому даже неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока.

Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина меняется, острие либо опускается или поднимается. Таким образом, система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления.

Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра.

Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для наглядности окрашиваются в различные цвета.

В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.

С помощью туннельного микроскопа удалось сделать ряд открытий. Например, обнаружили, что атомы на поверхности кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.