3 Загадочное происшествие с собакой в дирижабле[39]
В главе 3 мы играем с огнем и газами и изучаем одно из самых важных для науки уравнений.
Йозефу Шпе нужно было покормить собаку; в этом не было ничего странного. Проблема заключалась в том, что его немецкая овчарка Улла находилась в грузовом отсеке, куда вход пассажирам был воспрещен. Если бы все шло по плану, то и это не было бы проблемой, если не считать сердитых замечаний от членов экипажа, которые не понимали потребностей его хвостатой подруги и коллеги по сценическим выступлениям[40].
Но этот полет пошел не по плану, и частые визиты в хвостовую часть дирижабля доставят Йозефу много неприятностей в последующие годы[41].
Департамент энергетики США и его аналоги в Европе и Японии тратят миллиарды на разработку будущих способов применения водорода в сфере энергетики – например, в качестве топлива для автомобилей и автобусов[42]. Главное преимущество такого топлива – его экологически чистое сгорание: две молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода и образуют две молекулы воды. Возможно, будущее за «водородной экономикой», но, к несчастью для его сторонников, история водорода в качестве топлива связана с трагедией дирижабля Hindenburg («Гинденбург»).
Мы вскоре вернемся к бедной собаке Йозефа Шпе, но пока поразмыслим над тем, что над головами собаки и всех пассажиров роскошного комфортабельного дирижабля находились огромные баллоны, наполненные водородом – это самый легкий из химических элементов: в его атомах лишь один протон и один электрон. У простого вещества водорода наименьшая плотность из всех газов, и он образуется из двух атомов водорода, соединенных одной-единственной химической связью, где два положительно заряженных ядра делят между собой два отрицательно заряженных электрона. Этот газ, Н2, нес из немецкого Франкфурта на авиабазу Лейкхерст в США самый большой в мире дирижабль, который за предыдущий год совершил множество успешных путешествий в разные точки земного шара.
Сейчас мы склонны удивляться тому, что людям вообще пришла в голову идея путешествовать по миру в том, что можно назвать летающей бомбой. Но мы забываем, что немецкие торговые дирижабли, которые производила немецкая компания Luftschiffbau Zeppelin GmbH, имели отличные показатели безопасности.[43] Например, дирижабль Graf Zeppelin («Граф Цеппелин») прослужил без единой аварии восемь лет, совершая регулярные рейсы главным образом между Германией и Бразилией, а большие дирижабли по всему миру (за некоторыми немногочисленными исключениями) использовали в качестве подъемной силы именно водород – и делали это на протяжении примерно 30 лет.
Итак, в обитой асбестом курительной комнате на борту дирижабля Hindenburg, совершавшего свой первый регулярный рейс Франкфурт – Нью-Йорк в 1937 году, Шпе и другие пассажиры на досуге наслаждались видом на Атлантический океан и совершенно не думали о водороде. На любительской съемке, сделанной Шпе и чудесным образом уцелевшей в катастрофе, видно, как они увлеченно указывают друг другу на проплывающие айсберги, пока дирижабль приближается к Американскому континенту на достойной уважения скорости 134 км/ч[44].
Как глупо, думаем мы сегодня; почему они не использовали вместо водорода гелий? А потом вспоминаем, что США наложили на нацистскую Германию торговое эмбарго, поэтому немцы не могли покупать гелий. Но при проверке деталей выясняется, что история сложнее и интереснее, чем этот простой, общеизвестный, но, как мы увидим дальше, неверный «факт»[45].
Разумеется, инженеры знали о гелии. Этот одноатомный газ с двумя протонами, двумя нейтронами и двумя электронами обладает большей плотностью, чем водород, и потому не имеет такой подъемной силы. Мы можем прийти к такому заключению, поскольку и H2, и He (а также почти все остальные газы) подчиняются чудесному закону химии, который называется уравнением состояния идеального газа. Помимо прочего, уравнение состояния идеального газа говорит нам, что, если мы удвоим вес (или, что более корректно, массу) газовой молекулы, плотность газа тоже удвоится.
Однако у гелия есть и технические преимущества. То, что частицы простого вещества гелия в два раза тяжелее, означает, что гелий представляет собой лучший теплоизолятор, чем водород, – а этот фактор не стоит игнорировать в случае с дирижаблем, который весь день жарится на солнце. Проблема нагревания проистекает из того, что газ, подчиняющийся уравнению состояния идеального газа, при увеличении температуры на 10 % (по шкале Кельвина) также увеличится в объеме на 10 % (или, если газ заключен в сосуд постоянного объема, на 10 % увеличится его давление на стенки сосуда). Инженеры должны были тщательно просчитывать оба этих следствия, чтобы удостовериться, что и контейнеры с газом, и алюминиевый корпус дирижабля смогут выдержать такое механическое напряжение. Так почему же с гелием меньше проблем? Потому что гелий медленнее нагревается: поскольку средняя скорость молекул тем ниже, чем они тяжелее, это означает, что гелий медленнее проводит тепло. Этот вывод мы тоже можем сделать из уравнения состояния идеального газа (надеюсь, теперь понятнее, почему оно настолько чудесно), а в холодных частях света мы извлекаем из этого знания пользу, устанавливая в домах окна с двойным или тройным остеклением, наполненные аргоном – газом, молекулы которого имеют массу, превышающую массу азота – главного компонента воздуха.
Уравнение состояния идеального газа имело колоссальное значение не только для основателей современной химии, но и для инженеров, проектировавших дирижабли, которые могли выдерживать изменения в объеме и давлении газа, а также адаптировавших их конструкцию к разным подъемным газам – водороду и гелию.
Большим преимуществом гелия является то, что он наименее активный из всех простых веществ: не существует ни одного известного нам сложного вещества, в котором атомы гелия соединялись бы с атомами других элементов. Поэтому этот газ не может вступать в опасные реакции, в противоположность водороду, который с готовностью вступает в реакцию с кислородом, и в некоторых пропорциях эта реакция становится взрывной.
Большая трудность для Германии, а также для Британии и Франции заключалась в том, что в Европе гелия не было. Единственным в мире поставщиком гелия были США, а в 20-х годах он даже там был в дефиците.
Гелий получается в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов в недрах Земли, в особенности тория и урана. Гелий просачивается через отверстия и трещины в скальных породах и добывается как примесный компонент природного газа. Поскольку в 20-х годах бурение осуществлялось в основном для получения нефти, природный газ добывали в небольших количествах, поэтому и гелия получали мало. Говорят, что, когда флот США запустил USS Shenandoah («Шенандоа»; см. рис. 8) – первый из четырех гигантских дирижаблей на основе гелия, в его газовых баках находилась большая часть когда-либо произведенного гелия и что, когда в 1924 году на вооружение был принят дирижабль USS Los Angeles («Лос-Анджелес»), возникли трудности с использованием двух воздушных судов одновременно из-за нехватки гелия.
Рисунок 7. Универсальный газовый закон рассказывает нам, как ведет себя газ в нормальных условиях. Вверху слева: давление (Р) на стенки сосуда – например, купленного в зоопарке воздушного шарика – возрастает, потому что молекулы газа ударяются о стенки, и чем больше таких ударов в секунду происходит, тем выше давление. Вверху справа: когда молекулы холодные (низкая Т) и движутся медленно, меньшее их количество ежесекундно ударяется о стенки, и давление тоже будет ниже. Внизу слева: если мы увеличим число молекул газа (n), большее их количество будет ударяться о стенки каждую секунду. Внизу справа