Энергия. История человечества
К 1675 г. шахта Мостин разрабатывалась уже более трех десятилетий. Затем ее владельцы решили проложить новый шурф к параллельному угольному пласту, залегавшему ниже. Этот пятнадцатиметровый «слепой ствол», или гезенк, заполнился рудничным газом. При его поджоге, сообщает Галлоуэй, произошел взрыв «столь сильный, что это вызывало чувство немалой обеспокоенности»[63]. Но худшее ждало впереди.
Работы остановили на трое суток, после чего управляющий спустился к устью шахты, пытаясь придумать, как прогнать сквозь шахту достаточно воздуха и тем самым очистить ее от газа. Он взял с собой двух шахтеров. За ними пошли те, кто выкопал новый шурф. «Один из них, – говорится в отчете того времени, – бывший беспечнее других, прошел со своей свечой прямо над устьем шурфа, заполненного газами, отчего те немедленно воспламенились и хлынули по всем пустотам шахты, создав сильнейший ветер, непрерывно горевшее пламя и вместе с этим чудовищный рев». Шахтеры пытались укрыться в шламе, которым был засыпан пол, или за деревянными опорами, поддерживавшими своды. Рокочущая огненная волна прокатилась по шахте до самого конца, отразилась и с ревом ринулась обратно: «Она приблизилась, накатила с невероятной силой; ветер и пламя содрали почти всю одежду с их спин, опалили то, что осталось, обожгли волосы, лица, руки; удар от взрыва был столь силен, что иссек кожу так, будто их били розгами». Шахтеров, не сумевших укрыться, разметало по туннелю шахты, ударяя о свод, швыряя на опоры, лишая чувств[64].
Один из шахтеров, застигнутый взрывом, стоял рядом с устьем верхней шахты. Волна подхватила его, с ревом помчалась вверх по стволу, вырвалась из устья с грохотом артиллерийской канонады, и шахтер взлетел выше самых высоких деревьев – вернее, уже не шахтер, а его тело. Можно сказать, шахта выстрелила несчастным, словно пушечным ядром.
Но сложнее всего в ту раннюю эпоху добычи угля оказалось другое: отводить из шахт воду. Дождевые потоки стекают в ручейки, те впадают в ручьи побольше, ручьи питают реки, и вся эта вода, направляемая силой тяжести, непрестанно стремится все ниже и ниже – к морям. Около трети воды, выпавшей при любом дожде, впитывается в почву и просачивается вглубь земли. Рано или поздно эта вода встречает непроницаемые слои скальной породы. Она растекается по ним и течет вдоль скального пласта, находя трещины или проницаемые породы, и через них проникает дальше, до очередного водонепроницаемого пласта. Она просачивается, процеживается, растекается все шире, насыщает проницаемую породу и образует подземное водохранилище – водоносный слой. Чтобы построить колодец, нужно выкопать скважину достаточно глубокую, способную пройти под поверхность такого водоносного слоя: колодец наполнится до уровня этой поверхности – горизонта грунтовых вод – и будет наполняться заново при каждом заборе воды.
Шахты, расположенные на возвышенностях, могли осушать при помощи штолен. Но поверхностные угольные пласты истощались, отчего владельцы шахт вскрывали другие – более глубокие, уходящие под водоносные горизонты. И если такую шахту затапливало, требовалось либо откачивать воду, либо просто все бросать. Их и бросали, довольно часто, а потому технологии, которые позволили бы осушать такие шахты и поддерживать отвод воды для выработки угля, становились все желаннее. Галлоуэй называл отвод воды из шахт «величайшей инженерной задачей эпохи»[65].
Откачивать воду ветряными мельницами не получалось: английская погода славилась своей непредсказуемостью. Водяные колеса работали там, где хватало воды, но мощность потоков, как правило, изменялась со сменой времен года. К тому же лишь немногие затопленные шахты находились вблизи достаточно крупных рек. Сначала владельцы шахт запрягали лошадей в вороты – приподнятые над землей горизонтальные барабаны размером с колесо водяной мельницы: животные вращали их, ходя по кругу, и вращение ворота наматывало и разматывало крепкую веревку, проходившую через шкив в ствол шахты.
Конными воротами из шахты поднимали не только ведра с водой, но и корзины с углем. Правда, Галлоуэй говорит, что такая система давала мало, а стоила дорого: лошадей требовалось или покупать, или разводить, а значит – растить, кормить, содержать. «В некоторых случаях для подъема воды из одной-единственной угольной шахты использовалось целых пятьдесят лошадей», – что, по оценке Галлоуэя, стоило не менее 900 фунтов стерлингов в год (113600 фунтов, или 169000 долларов, в нынешних деньгах). Более глубокие шахты, которые не удавалось осушить при помощи одной только конной тяги, приходилось забрасывать. Затопленные шахты, потерянные средства, напрасные труды – все это открывало простор для изобретений.
Конный ворот. Источник неизвестен.
Почву для них подготовили научные открытия. О том, что атмосфера имеет вес, знали со времен опытов, поставленных в 1643 г. Эванджелистой Торричелли, учеником Галилея. Опыты Торричелли привели к изобретению ртутного барометра, который реагирует на смену атмосферного давления – то есть изменения плотности воздушного столба, расположенного над прибором. В 1654 г. прусский инженер Отто фон Герике продемонстрировал силу атмосферного давления в знаменитом эксперименте, публично поставленном в Регенсбурге в присутствии императора Фердинанда III. Фон Герике соединил два медных полушария в сферу, откачал из нее воздух и поместил ее между двух упряжек, в каждую из которых запрягли по восемь лошадей. Хотя полусферы прижимались друг к другу только силой атмосферного давления, конные упряжки так и не смогли разъединить их, как ни старались.
Отто фон Герике демонстрирует давление воздуха на вакуум
Друг фон Герике, математик-иезуит Каспар Шотт, включил отчет об этом событии (и впечатляющую гравюру, изображающую его) в книгу, которую опубликовал в 1657 г. В Англии об опытах, устроенных фон Герике, и о демонстрации прочел состоятельный ирландский натурфилософ[66] Роберт Бойль, сын графа Коркского, пытавшийся в это же самое время придумать, как создать вакуум в более крупном масштабе, нежели позволяла узкая стеклянная трубка барометра Торричелли[67]. Демонстрация фон Герике впечатлила Бойля, в отличие от лабораторной вакуумной системы. Фон Герике создавал вакуум в лаборатории, откачивая воздух из сосуда, установленного вверх дном в чаше с водой. Бойль хотел экспериментировать с вакуумом – например, посмотреть, что случится с горящей свечой, заключенной в вакуумный сосуд, по мере откачки воздуха, – а как это сделать, если в сосуд приходится проникать из-под воды?
Первый воздушный насос Гука и Бойля. Вынув пробку К, расположенную в верхней точке сферы, в сферу через отверстие помещают исследуемые материалы. Затем, снова закрыв пробку, вращением рычага отводят поршень С вниз по цилиндру А, откачивая из сферы воздух. Клапан L закрывают, что не позволяет воздуху опять заполнить сферу, и снова вращают рычаг в обратном направлении, продвигая поршень вверх. Когда поршень полностью войдет в цилиндр, клапан L вновь открывают, что позволяет откачать из сферы следующую порцию воздуха, постепенно увеличивая разрежение в ней
Хотя Бойль жил к тому времени в Оксфорде, он обратился к известному лондонскому производителю приборов Ральфу Грейтрексу и заказал работоспособный воздушный насос. Грейтрекс с заказом не справился. А потом один из оксфордских преподавателей химии представил Бойлю своего ассистента: молодого, но изобретательного Роберта Гука; тому в 1658 г. исполнилось двадцать три. Бойль привлек Гука к своей работе, и после нескольких безуспешных попыток создать устройство по чужим проектам Гук взялся за проект сам – и его насос работал. Этот прибор первого поколения, медленный и негерметичный, позволил Бойлю начать эксперименты.
Насос Бойля и его последующие опыты с вакуумом не только показали, что вакуум можно создать, изучить и выявить его характерные свойства (в нем гаснут свечи; он проводит свет, но не звук). Они проявили и силу давления воздуха: вес атмосферы, находящейся над нами и вокруг нас в нашей повседневной жизни. «В воздухе, в котором мы живем, – писал Бойль, – есть пружинная, или упругая, сила»[68]. Теперь возник следующий вопрос: как применить столь мощную силу в более крупном масштабе, вне лаборатории?
Эксперименты с использованием тепла для создания частичного вакуума проводились по меньшей мере с начала XVII в. В 1604 г. голландец Корнелиус Дреббель изобрел простой механизм, использующий огонь для откачки воды; впоследствии он привел его изображение в своей книге.
Устройство, описанное Дреббелем, состоит из реторты – металлического сосуда в форме тыквы, – подвешенной над огнем; горлышко реторты погружено в ведро с водой. Когда огонь нагревает реторту, содержащийся в ней воздух расширяется и выходит сквозь воду в виде пузырей. Если убрать огонь, то воздух, оставшийся в реторте, остывает, сжимается и создает частичный вакуум, – и тогда атмосферное давление внешней среды загоняет воду из ведра в горлышко реторты, скрытое под водой. Простой насос Дреббеля открывал широкие возможности. Его могли увеличить, доработать – и, скажем, качать им воду из рек, снабжая ею населенные пункты.
Дреббель, «статный мужчина с очень светлыми волосами… и человек весьма приятных манер»[69] – по описанию одного придворного, который с ним встречался, – изобрел еще много всего, от систем фонтанов до барометрического «вечного двигателя», демонстрации которого пользовались большим успехом у коронованных особ[70]. В 1605 г. он приехал в Лондон в качестве учителя Генриха Фредерика, принца Уэльского, старшего сына Якова I. Слава о его изобретательских талантах разошлась по всей Европе, и континентальные аристократы приезжали в Лондон только для того, чтобы увидеть его за работой. Когда Рудольф II, император Священной Римской империи, пригласил Дреббеля в Прагу, тому ничего не оставалось, как принять это приглашение, хотя сам он предпочел бы остаться в Англии. Но в 1612 г. Рудольф умер, и Дреббель уже никому не был ничем обязан. К несчастью, тогда же, в восемнадцать лет, умер от брюшного тифа и принц Уэльский. А через год Дреббель вернулся в Англию – на службу к Якову I.
Кое-кого забавляла поддержка, оказываемая Дреббелю королем Яковом I; «говорили, что этот вечный изобретатель так и не придумал ни одной вещи, польза от которой превышала бы ее стоимость». Одним из защитников голландского изобретателя был Константейн Гюйгенс, молодой голландский поэт и дипломат. Они с Дреббелем познакомились в Лондоне в 1621 г. Гюйгенс считал Дреббеля гением, равным великому англичанину Фрэнсису Бэкону. «При помощи глубочайших знаний, – восхвалял юный поэт своего соотечественника, – он создал замечательные механические устройства»[71].
Простой насос Дреббеля
Возможно, самым замечательным из них стала подводная лодка Дреббеля, первая в своем роде, – вытянутый водолазный колокол, который он продемонстрировал в 1620 г. на Темзе представителям Королевского флота. Дреббель взял гребную шлюпку, выбил из нее дно, оборудовал ее куполообразной деревянной палубой, герметизировал уключины и руль кожаными прокладками и покрыл всю лодку водонепроницаемой кожей. Лодка могла оставаться под водой по нескольку часов кряду, и есть основания полагать, что Дреббель знал, как химическим путем получать кислород из калийной селитры – нитрата калия – для восполнения в лодке запасов воздуха. Кислотный остаток нитратов (солей азотной кислоты) состоит из азота и кислорода[72].
Позднее в 1620-х гг. Дреббель изготавливал мины и ракеты для Королевского флота: корабли пытались прийти на помощь протестантам-гугенотам, осажденным французами в Ла-Рошели[73]. В конце этого же десятилетия у Гюйгенса родился сын Христиан, в будущем – один из величайших натурфилософов XVII столетия. Дреббель умер в 1633 г., но его дружба с отцом Христиана позволила изобретательному голландцу повлиять на развитие мальчика.
Подводная лодка Дреббеля на Темзе, 1620 г. Источник неизвестен.
Христиан Гюйгенс впервые получил известность как математик и астроном. Закончив Лейденский университет, где он изучал право и математику, в 1651 г., в двадцать два года, Гюйгенс опубликовал свою первую книгу по математике, посвященную задачам квадратуры – нахождению площади геометрических фигур, например круга. В 1650-х он научился шлифовать линзы и изобрел первый составной окуляр для телескопа, а в 1656 г. верно установил, что выступающие по бокам Сатурна «уши», которые видели прежде и другие астрономы, – это кольца. В том же году он изобрел маятниковые часы.
Эти и другие достижения подготовили почву для избрания этого блистательного молодого изобретателя первым директором недавно созданной Французской академии наук. Жан-Батист Кольбер, министр финансов в правительстве Людовика XIV, задумал ее по образцу британского Королевского общества. Академию учредили в 1666 г., и Кольбер надеялся, что та поспособствует получению знаний, которые можно будет использовать в промышленности для увеличения доходов короля. Гюйгенс кратко изложил свои планы только что назначенным членам академии в следующих словах:
Нет лучше темы для исследований и нет ничего полезнее, нежели узнавать, откуда происходят вес, тепло, холод, магнетизм, свет, цвета, составы воздуха, воды, огня и всей установленной материи, как дышат животные, как образуются металлы, камни и растения, – вот те предметы, о которых человек знает мало или не знает ничего[74].
В число практических технологий, разработку которых Гюйгенс считал целесообразной, он включил два возможных способа создания движущей силы: «Исследовать силу пороха, малая толика которого заключена в корпус из очень прочного железа или меди. Также исследовать силу воды, преобразуемой огнем в пар»[75].
В 1672 г. Гюйгенс продолжал исследовать порох. В те дни в Париж приехал двадцатишестилетний немецкий ученый-универсал Готфрид Лейбниц: он искал помощи Гюйгенса, чтобы усовершенствовать свои познания в математике. Гюйгенс согласился и поручил Лейбницу изучать квадратуры и вычислять значение числа π. В авантюре с «пороховой машиной», которой Гюйгенсу еще предстояло заняться в будущем, ему помогал и кое-кто еще: Дени Папен, врач, бывший на год младше Лейбница и оставивший медицину ради инженерного дела. Гюйгенс и Папен познакомились в 1671 г. в Версале, великолепном дворце Людовика XIV, расположенном в 20 км к юго-западу от Парижа, где молодой инженер обеспечивал работу системы ветряных насосов, подававших воду в фонтаны обширных дворцовых садов. Работа Папена так впечатлила Гюйгенса, что он предложил тому должность ассистента.
Ранние представления о Сатурне: 1) Галилей, 1610 г.; 2) Христофор Шейнер, 1614 г.; 3) Джованни Батиста Риччоли, 1641 г. Гюйгенс опубликовал эти и другие версии в своей книге, вышедшей в 1659 г., в которой справедливо предположил, что «уши» Сатурна – это кольца
Задача, которую Гюйгенс поставил в 1672 г. перед двумя своими учениками, состояла в разработке двигателя, работающего на порохе. По-видимому, такую диковину разработал – и, возможно, изготовил ее прототип, – Каспар Кальтхоф, еще один голландский инженер и оружейник. Много лет Кальтхоф работал на английскую корону в Воксхолле, экспериментальном оружейном заводе, располагавшемся в лондонском районе Ламбет, – там же, где конструировал свою подводную лодку Дреббель. Гюйгенс познакомился с Кальтхофом в один из своих приездов в Лондон и вынес из этой встречи некоторое представление о возможных принципах работы порохового двигателя. Кальтхоф умер в 1667-м либо годом позже, и дальше его проект могли развивать все желающие.
Версия Гюйгенса из той же книги 1659 г., Systema Saturnium
Еще до этого Лейбниц, состоявший в переписке с фон Герике, по просьбе другого члена Французской академии наук написал отчет о том, как прусский инженер демонстрировал вакуум[76]. Пороховой двигатель, который они с Папеном конструировали теперь для Гюйгенса, по-иному преобразовывал атмосферное давление в механическую работу: взрыв небольшого порохового заряда под поршнем, установленным внутри толстостенного металлического цилиндра, выталкивал немного воздуха из цилиндра через откидные клапаны, создавая частичный вакуум. Внешний воздух давил на открытый конец поршня и вводил его глубже в цилиндр. И если к поршню крепили шток или трос, то предметы, присоединенные к ним, перемещались.
Гюйгенс продемонстрировал модель такого двигателя Кольберу. Двигатель, по его словам, уже поднимал «с легкостью… четверых или пятерых пехотинцев»; видимо, пехотинцы стояли на платформе, соединенной с тросом поршня[77]. Гюйгенс предполагал, что с его пороховым двигателем «можно будет поднимать целые глыбы при строительстве зданий, возводить обелиски, доставлять воду в фонтаны или приводить ею в действие мукомольные мельницы». Голландский инженер предвещал «новые, невиданные экипажи, наземные и водные» и даже «некие экипажи для движения по воздуху»[78].
Однако пороховой двигатель работал плохо. При взрыве из цилиндра выходили не все газы, что ограничивало достижимое разрежение; пороховой нагар образовывал корку на стенках цилиндра; а кроме того, конструкция двигателя предполагала одиночные взрывы: после каждого из них поршень требовалось выводить из цилиндра, чтобы вложить новый пороховой заряд. Такое устройство не годилось для мукомольных мельниц, да и воды с ним было особо не поднять.
Гюйгенс занялся изобретением пружинных карманных часов, а несколько лет спустя выдвинул постулат о конечности скорости света. Лейбниц перебрался в Лондон, где его избрали членом Королевского общества, – но даже при этом все так же, и удручающе бесплодно, искал надежного положения, способного дать ему время для философских занятий. Папен, врач, ставший инженером, сознавал, что быть гугенотом в католической Франции все опаснее, и в 1675 г. переехал в Лондон. Благодаря рекомендательному письму Гюйгенса он познакомился с Робертом Бойлем, лишившимся помощи Гука: последний перешел на работу в лондонском Грешем-колледже и Королевском обществе. Бойль, никогда не питавший склонности к практической экспериментальной работе, принял Папена лаборантом.
Папен уже долго работал с паром, опыт его возрастал, и он решил разработать устройство, которое делало бы более удобоваримыми жесткие овощи и мясо и даже кости, – иными словами, пароварку. Свое изобретение он назвал «Новым варочным устройством для размягчения костей и т. д.»[79] и в 1679 г. продемонстрировал его Королевскому обществу. Могло показаться, что это новаторское кулинарное устройство не имеет ничего общего с созданием паровой машины, но в нем присутствовал ключевой элемент, впоследствии ставший необходимым для обеспечения безопасности таких машин, – саморегулирующийся предохранительный клапан. Как и в предохранительном клапане современных пароварок, в клапане Папена был предусмотрен нагруженный рычаг, и располагался он над маленькой трубкой, проходившей сквозь крышку пароварки. Когда давление пара в пароварке становилось достаточным, чтобы поднять груз, клапан открывался, выпуская часть пара и уменьшая внутреннее давление, что предохраняло установку от взрыва.
Пароварка Папена 1679 г. с нагруженным предохранительным клапаном L-M-N
В 1681 г. Папен перебрался в Венецию, где возглавил экспериментальное отделение недавно созданной научной академии, которую Амброз Саротти, посол Венецианской республики в Англии, организовал в подражание Королевскому обществу. В 1684-м Папен вернулся в Англию на должность временного куратора экспериментов Королевского общества с весьма скромным жалованьем – 30 фунтов в год (что соответствует 4000 фунтам, или 6000 долларам, в нынешних деньгах); при этом он, видимо, надеялся получить назначение секретарем общества. В Англии XVII в. лаборантов, сколь угодно одаренных, не причисляли к ученым: их воспринимали скорее как слуг, обязанных представлять любое мнение господ, как верное, так и ошибочное[80]. Секретарем Королевского общества стал в итоге Эдмунд Галлей, и в 1687 г. Папен еще раз пересек всю Европу, чтобы занять должность профессора математики в Марбургском университете в Гессене, среди своих единоверцев-гугенотов.
В Марбурге Папен продолжил опыты. В конце 1680-х гг., заметив, что вода, обращаясь в пар, возрастает в объеме в тысячу с лишним раз, он решил, что в качестве рабочего вещества двигателя лучше использовать не порох, а пар.
«Поскольку свойство воды таково, – писал он в 1690 г., – что малое ее количество, будучи преобразовано в пар под действием тепла, обладает упругой силой, подобной упругой силе воздуха [то есть расширяется и давит на стенки сосуда. – Авт.], но при последующем охлаждении вновь становится водой, лишенной и следа упомянутой упругой силы, я уверился, что возможно построить машины, где вода, при посредстве не слишком интенсивного нагрева и с малыми затратами, сможет создавать тот совершенный вакуум, который не удалось получить с помощью пороха»[81].
Папен предлагал наполнять паром цилиндр, перемещая поршень в наивысшее положение, а затем удерживать поршень в этом положении при помощи стопора, пока цилиндр охлаждается и пар снова конденсируется в воду, теряя бо́льшую часть объема, занимаемого прежде. Если такой цилиндр не сообщается с наружным воздухом, на месте конденсированного пара останется вакуум. Тогда стопор следует убрать, и вся сила атмосферного давления опустит поршень и заполнит этот вакуум, увлекая вместе с поршнем все, что к нему присоединено. И если несколько таких устройств работают совместно – подобно цилиндрам современного автомобильного двигателя, закрепленным вдоль коленчатого вала, – то можно достичь устойчивого производства двигательной энергии.
Папен полагал, что с его «трубами» можно будет «поднимать из шахт воду или руду, выстреливать железными снарядами на огромные расстояния, двигать корабли против ветра и вершить великое множество других сходных дел». Из всех этих возможностей его больше всего интересовало «приведение в движение морских судов… Мои легковесные трубы не замедляют движения судна, занимают немного места, а также их возможно изготовить в больших количествах при наличии завода, построенного и оборудованного для этой цели; наконец [в отличие от животной или человеческой силы], трубы не потребляют топлива за исключением того времени, когда работают; они не требуют расходов, когда судно стоит в гавани»[82].
Источником энергии в двигателе Папена служил не пар, а давление атмосферы: именно оно воздействовало на разрежение, возникающее после конденсации пара. Поэтому для увеличения мощности двигателя требовался больший объем пара в более объемных цилиндрах, на которые мог воздействовать больший атмосферный столб. В то время никто не умел изготавливать столь крупноразмерные машины. И Папен надеялся, что его новый двигатель весьма поспособствует развитию средств их производства.
Когда Папен преподавал в Марбурге, он женился на своей овдовевшей кузине, и к тяготам его жизни прибавились заботы о ее многочисленных родственниках. В поисках должности с более высоким жалованьем он обратился к Гюйгенсу. Возможно, поэтому в 1695 г. его назначили советником ландграфа Гессен-Кассельского: это было наивысшее в его жизни достижение в поисках покровителя-аристократа. К несчастью, ландграфа Карла не интересовало финансирование сталелитейного цеха или завода для производства атмосферного двигателя Папена. Вместо этого он хотел устроить в своих садах фонтаны наподобие версальских.
Для этого проекта Папен разработал и построил паровой насос, поднимавший воду в установленный на высоте резервуар: оттуда вода под действием силы тяжести поступала в фонтаны ландграфа. На разработку и сооружение этой системы ушел год. Все работало, но недолго: вскоре прорвало одну из труб. Папен изготовил новую трубу. Прорвало и ее. Качество производства труб еще не позволяло работать с паром под высоким давлением[83].
Затем, как Папен писал Лейбницу в апреле 1698 г., ландграф разработал собственную программу, «новый план, весьма достойный великого Государя, цель которого – попытаться выяснить, откуда берется соль в соляных источниках». Для этого требовалось придумать, как извлечь «огромное количество воды… Я произвел множество опытов, пытаясь найти пользу в применении к этой задаче силы огня». Он строил новую печь для изготовления крупных реторт из кованого железа и разработал мехи нового типа для раздувания огня в этой печи. «И так одно влечет за собой другое», – заключал Папен. Ему приходилось разрабатывать новую инфраструктуру по ходу дела, и это замедляло и усложняло осуществление каждого проекта[84].