Энергия. История человечества

Глава 3

Великан с единственной мыслью

Дени Папен был человек честный. Хотя он мог бы заявить, что Томас Севери украл у него идею паровой машины двойного действия, он знал, что идеи «поднятия воды огнем» в прямом смысле слова витали в воздухе эпохи Просвещения. «Я не сомневаюсь, что та же мысль могла прийти в голову [мистеру Севери], – отреагировал он на известие о том, что в 1698 г. Севери получил патент на свое изобретение, – и другим, без получения сведений о ней из других источников»[92].

Однако в 1704 г., когда Лейбниц прислал Папену набросок схемы двигателя Севери, получив чертеж через свои лондонские связи, Папен понял, что эта конструкция чрезвычайно непроизводительна и, возможно, даже неработоспособна. В одной из фаз работы насоса двигатель Севери использовал пар для вытеснения холодной воды из бака, причем между паром и водой не предусматривался поршень, способный препятствовать конденсации пара под действием холодной воды. Для вытеснения воды приходилось вводить в бак гораздо больший объем пара[93]. Такая потеря энергии уменьшала производительность двигателя до величины, меньшей 1 %[94]. Кроме того, у котла Севери отсутствовал предохранительный клапан, который Папен изобрел и начал применять за несколько десятилетий до этого, когда создавал пароварку; со временем этот клапан стал стандартным элементом всех паровых котлов в его проектах.

Однако машина Папена, как и машина Севери, обладала конструктивными недостатками, которые ни один из изобретателей так и не устранил: оба двигателя были рассчитаны на ручное управление. Их сложный рабочий цикл требовал неутомимого оператора, способного открывать и закрывать различные клапаны по нескольку раз в минуту. Даже в одном из поздних писем к Папену (1707 г.) Лейбниц рекомендовал усовершенствовать конструкцию так, чтобы клапаны двигателя «поочередно открывались и закрывались машиной, без необходимости использовать для этой цели человека»[95].

«Друг шахтера»

Но Папен не мог заниматься усовершенствованиями. Лишившись благосклонности своего покровителя, гессенского ландграфа, в 1706 г. он решил вернуться в Англию и привез с собой планы колесного корабля на паровой тяге, которые собирался представить Королевскому обществу. К несчастью, в Лондоне связь с Лейбницем ему не помогала, а вредила. В 1703 г. пожизненным председателем Королевского общества избрали Исаака Ньютона. До этого Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга разработали высокоэффективную математическую систему, известную под названием «дифференциальное и интегральное исчисление», и Ньютон, а также его последователи теперь воевали с Лейбницем за приоритет в этом достижении.

Папен выступил перед Королевским обществом с описанием своего парохода в феврале 1707 г. Он просил общество помочь ему построить 80-тонный прототип, который, по его оценкам, должен был обойтись в 400 фунтов (57000 фунтов, или 84000 долларов, в нынешних деньгах)[96]. Этих денег он так и не получил; кроме того, Королевское общество, возглавляемое Ньютоном, не собиралось вновь предоставлять Папену должность куратора. Вместо этого оно предложило ему оплачивать все экспериментальные демонстрации, при условии, что тот будет заранее представлять свои идеи на утверждение общества. А в 1708 г. руководство общества передало планы паровой машины Папена для оценки Севери, его главному конкуренту. Севери, что и неудивительно, раскритиковал конструкцию. Если Папен отверг чрезвычайно непроизводительное предложение Севери – выкачивать холодную воду открытым паром, – то Севери забраковал цилиндр и поршень Папена, утверждая, что эта конструкция не будет работать «по причине слишком большого трения»[97].

Еще четыре года доведенный до отчаяния Дени Папен предлагал продемонстрировать самые разнообразные свои изобретения – и печь с экономным расходом топлива, и способ очистки и нагревания воздуха в помещении, – но Королевское общество не пожелало ни рассмотреть, ни поддержать ни одно из них. Потерпев полный крах в Лондоне эпохи Стюартов, Папен исчез со страниц истории в 1712 г.[98].

Дела Томаса Севери складывались немногим лучше. «Если двигатель Севери был небольшим, работать он мог, и в высшей степени убедительно, – пишет специалист по истории техники Ричард Лесли Хиллс. – Когда Севери демонстрировал свои модели, его проект, несомненно, вызывал сильнейший энтузиазм»[99]. Наряду с демонстрациями Севери опубликовал книгу «Друг шахтера, или Машина для подъема воды при помощи огня» (The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire), украшенную изображениями маленьких трудящихся ангелочков[100].

Но чем крупнее была машина, построенная Севери, тем менее эффективно она работала. Она достаточно хорошо функционировала в качестве атмосферного двигателя – создавая частичный вакуум после того, как на цилиндр, заполненный паром, лили холодную воду, – и поднимала воду в трубе на высоту около 6 м. Однако за неимением предохранительного клапана прямой впрыск пара позволял поднять воду лишь немногим выше – а дальше уже возникал риск взрыва парового котла. «Слишком сильный пар разорвал ее на мелкие части», – сообщал один из наблюдателей[101]. Машины Севери служили водяными насосами на водонапорной башне компании York Buildings, стоявшей на берегу Темзы, а также в королевской резиденции в Кенсингтоне, дворце королевы Анны[102].

«Севери чрезвычайно сильно переоценивал возможности своей машины, – заключает Галлоуэй, – и недооценивал недостатки ее применения. Он построил несколько таких машин, вполне успешно качавших воду для дворянских усадеб, но для осушения шахт они оказались совершенно непригодны»[103]. Для очистки от воды глубокой затопленной шахты требовалось от пяти до десяти машин Севери, расположенных в стволе шахты одна над другой, через каждые 30 футов (9 м). С учетом их прожорливости десять таких машин могли потреблять почти весь уголь, добываемый в шахте, не говоря уже о том, сколь изнурительной оказывалась их эксплуатация. Да и владельцы шахт не горели желанием устанавливать в своих рудниках огненные машины, ведь под землей мог в любое время воспламениться метан. После 1705 г., продав всего две машины, Севери перестал продавать их для осушения шахт[104], но по-прежнему производил их для водопроводных систем в городах и сельских поместьях.

Когда внедрение новых технологий застопоривается, порой можно сгладить трудности перехода, вернувшись к прежним, более надежным системам и применив старое в сочетании с новым. После того как с дерзкими проектами Папена и Севери ничего не вышло, на рынке преуспели старые паровые машины для осушения шахт. Пусть в то время еще и не могли производить котлы, способные удерживать пар под высоким давлением, но «поднять воду огнем» отчасти получалось, применяя пар при атмосферном давлении: его конденсировали – и создавали частичный вакуум в атмосферном двигателе. Примерно с 1700 г. этой технологией начал заниматься Томас Ньюкомен, торговец скобяным товаром из Девоншира.

Водонапорная башня компании York Buildings

В то время в скобяных лавках не только продавали, но и изготавливали металлоизделия – в частности, инструменты. Производство и продажа инструментов привели Ньюкомена на оловянные шахты Девона и Корнуолла. Подобно угольным, оловянные шахты Англии уходили все глубже под землю по мере истощения жил оловянной руды, расположенных ближе к поверхности. К началу XVIII в. затопление шахт стало серьезной проблемой, а их осушение механизмами на конной тяге обходилось слишком дорого. По оценке анонимного автора F. C., шахтера, опубликовавшего в 1708 г. книгу «Опытный углекоп» (The Compleat Collier), «сухие угольные шахты могли бы экономить ежегодно по нескольку тысяч фунтов, которые тратятся на отвод воды из их окрестностей»[105]. Ньюкомен хотел воспользоваться столь выгодной возможностью.

Томас Ньюкомен, потомок обедневших дворян, живших на юго-западе Англии, родился в Дартмуте в начале 1663 г. и, вероятно, поступил в подмастерья к торговцу скобяным товаром в Эксетере – учиться ремеслу. Около 1685 г., в возрасте двадцати двух лет, он закончил обучение, вернулся в Дартмут и завел там собственное дело. Ньюкомен, глубоко верующий баптист, женился поздно – в сорок один год. В 1707 г. он снял для семьи большой дом в Дартмуте, который также использовала в качестве молитвенного дома возглавляемая им баптистская община. Незадолго до этого его партнером стал единоверец-баптист Джон Колли: вместе с ним Ньюкомен и работал над изобретениями[106].

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Бо́льшую часть дорожного потока, отмечают Уэббы, как зимой, так и летом составляли животные, перегоняемые своим ходом: 100000 голов крупного рогатого скота и 750000 овец, которых ежегодно отводили на откорм в Смитфилд[125], огромные стада скота, гонимые в Лондон на бойни, легионы уток, гусей и индеек, бесчисленные свиньи. «Чтобы еще более увеличить снабжение рынков Лондона, – отмечал в 1748 г. один автор, – в это время посчитали удобным перегонять своим ходом и гусей, и их приводили в Лондон в поразительных количествах, пригоняя целые гурты из самых отдаленных частей Норфолка». Гурты эти оказывались очень большими – от одной до двух тысяч птиц, которых гнали всех вместе, единой шумной и воинственной массой. «Перегонять их обычно начинали в августе, под самый конец сбора урожая, чтобы гуси могли по дороге кормиться жнивьем. Это продолжалось до конца октября, когда грязь на дорогах становилась слишком густой [т. е. липкой, вязкой] и глубокой для их широких лап и коротких ног»[126]. Перегон животных своим ходом мешал улучшению дорог: фермерам нужны были грунтовые дороги, удобные для стад и гуртов, а на дорогах с твердым покрытием животные могли повредить ноги.

Уголь возили недалеко, в телегах или в корзинах, навьючив ими лошадей, но в Лондон его отправляли по рекам и каботажными морскими судами. По мере того как владельцы шахт разрабатывали способы разведки угля, а затем и осушения затопленных шахт, производство угля росло. Шахты у рек истощались, а новые приходилось открывать вдалеке от воды. Появились две новые проблемы: в сельской местности, где проезжих дорог было мало, да и те одно название, приходилось платить землевладельцам за проезд по их владениям; кроме того, требовалось понять, как доставлять уголь от шахт к рекам.

Караван вьючных лошадей на английской дороге XVIII в. Источник неизвестен.

Вопрос с правом проезда решался просто, хотя зачастую недешево. Фрэнсис Норт, лорд – хранитель Большой печати в царствование Карла II, по словам его брата, находил плату за право проезда, которую взимали землевладельцы в Ньюкасле, «поразительной»: «Ибо люди, владея участками земли между угольной шахтой и рекой, продают право перевозить уголь по своей земле, причем так дорого, что владелец одного руда земли может рассчитывать на 20 фунтов в год за такое разрешение»[127]. Руд, старинная английская мера площади, равнялся лишь четверти акра[128], то есть приблизительно одной пятой поля для американского футбола; 20 фунтов середины XVII в. – это около 2500 фунтов, или 3700 долларов, в нынешних деньгах. Длина стороны квадрата площадью в один руд равна 104 футам (31,7 м), и на милю (1609 м) приходится 51 такой отрезок, так что право проезда могло стоить непомерно дорого. Еще в 1738 г. один свидетель сообщал в парламенте, что «вокруг Ньюкасла остаются незанятыми от пятидесяти до шестидесяти угольных шахт; отчасти потому, что они затоплены, [но отчасти и] из-за непомерно высокой стоимости права на проезд»[129].