Античная сила воды

Приложение Древнейшая мельничная фабрика: римские инженеры продолжают удивлять

Знаете ли вы, что промышленные комплексы появились еще в античности? Древнейшим примером такого рода считается система из 16 водяных мельниц, построенная на юге Франции (в тогдашней Галлии) в 120–130 г. нашей эры. Теперь специалисты узнают удивительные подробности работы «первой фабрики»: здесь внедряли уникальные конструкционные решения и даже использовали механическую пилу. А помогают археологам заглядывать в прошлое… карбонатные корки.

Известно, что экономический расцвет Римской Империи в первые века нашей эры сопровождался масштабным строительством дорог, портов, городов, разработкой рудников. Кстати, этот процесс имел и знакомые нам негативные стороны, такие как загрязнение окружающей среды. Серьёзно! Изучение состава ледовых кернов Гренландии показало, что содержание свинца и меди в атмосфере в начале н. э. достигло уровня, сопоставимого только с промышленным бумом последних двух веков.

Древний Рим в своём технологическом развитии вплотную подошёл к индустриальной революции… но почему-то не двинулся дальше. Возможно, помешала опора на дешёвый труд рабов, на котором, как принято считать, держалась экономика. Но не может ли оказаться, что историки недооценивают технологическую мощь античной цивилизации, просто потому что пока что недостаёт археологических свидетельств? В последние десятилетия интенсивные раскопки и использование новых технологий позволили археологам многое узнать о том, насколько искушены были римские инженеры в использовании энергии воды. Еще до наступления нашей эры в употребление вошли водяные мельницы. Однако, судя по всему, водяные колёса использовались римлянами не только для производства муки, но и, например, для обработки металлической руды и даже для распиливания камня, а масштаб внедрения таких устройств приближался к промышленному. Яркий пример такого рода — крупный комплекс римских водяных мельниц в Барбегале на юге Франции, построенный во втором веке нашей эры. Раскопки здесь проводились еще в 1937–1939 гг., и памятник неоднократно изучался в последующие годы. Комплекс находился на крутом склоне холма и состоял из 16 водяных мельниц, расположенных в две линии по 8 штук. Вода к мельницам поступала с помощью 9-километрового акведука. Бассейны для водяных колёс располагались каскадом, так, что вода, пройдя через первую мельницу, текла дальше, вращая следующее колесо, расположенное ниже, и так далее. Эта «мельничная фабрика» могла производить, по разным оценкам, от 4,5 до 25 тонн муки в день и проработала до середины III века, но многие детали остаются неизвестными. Сами колёса и многие другие части, сделанные из дерева, давно истлели, остались только бассейны, а в их стенках — отверстия для колёсных осей. Но неутомимые археологи изобрели различные хитрости, позволяющие отмотать время вспять и восстановить утраченное.

Дело в том, что за годы работы части мельниц, контактировавшие с водой из карстовых источников, покрылись толстой коркой карбонатных отложений, мощность которой местами достигала 9 см. Карбонат кальция откладывался на стенках каналов и на деревянных деталях водяных колёс. Сами детали утрачены, но карбонатные корки несут на себе отпечатки поверхностей, с которыми соприкасались. При раскопках в середине прошлого века 142 фрагмента таких корок были собраны и с тех пор хранились в местном археологическом музее. На некоторых из них отпечаталась структура дерева и даже шляпки гвоздей. Исследованием этих «слепков» уже несколько лет занимается группа археологов и геологов из Франции, Германии и Австрии. Только что в Nature: Scientific Reports вышла очередная статья этих авторов.

Что же удалось узнать? Судя по характерному рельефу поверхности, в качестве материала для деревянных деталей использовалась в основном сосна. Исходя из формы, некоторые фрагменты образовались на деталях колёс, но большая часть осталась от деревянных желобов, по которым поступала вода. Конечно, корка распалась на куски, но в ряде случаев удалось реконструировать U-образную форму желоба. Отложения на стенках постепенно сужались сверху и часто образовывали в верхней части «крюк» или «навес» — значит, вода заполняла жёлоб целиком и переливалась через край. Несколько карбонатных фрагментов, вероятно, происходят от спиц и ковшей водяных колёс — исследователи исходят при этом из формы таких колёс, известной по археологическим находкам.

Замечательно то, что карбонатная корка, нарастая, образует последовательность по-разному окрашенных слоёв. Получается «микростратиграфия»: фактически, в этих прослойках записана история мельниц. Сравнивая последовательности слоев на «спилах» разных фрагментов, учёные реконструировали хронологическую связь между ними и разделили все фрагменты на 2 группы: 1-я группа с более полной стратиграфией и 2-я, последовательность слоёв в которой неоднократно прерывалась.

Затем в ход пошёл изотопный анализ, показавший циклическое изменение температуры воды в зависимости от времени года. Так удалось вычислить, что на желобах карбонаты непрерывно откладывались в течение 6–7, а то и более 10 лет, но детали колёс обновляли чаще: раз в 3–4 года. Полагают, что образовавшиеся корки делали колесо тяжелее, оно начинало хуже работать, и части приходилось очищать либо заменять.

Фрагменты карбонатных корок много лет хранились в музее, и точное место, откуда их изъяли, неизвестно. Однако, сравнивая последовательности слоёв 1-й и 2-й групп, а также отложений, сохранившихся в самих бассейнах, исследователи пришли к выводу, что фрагменты 1-й группы относились к западной «линии», а 2-й группы — к восточной «линии» комплекса. Судя по всему, западная половина работала круглый год, а восточную останавливали в конце лета на несколько месяцев, когда поток воды уменьшался. В середине зимы комплекс снова начинал работать целиком. Возможно, осенью часть воды забирали у мельниц и направляли на орошение окрестных полей. Из того, что часть мельниц периодически отключали, археологи делают вывод, что фабрика работала «на экспорт»: её целью было не снабжение пропитанием находящегося рядом города Арелат, а поставки муки в ближайшие гавани для погрузки на корабли.

А вот особенно интригующее открытие. На некоторых фрагментах карбонатных корок специалисты обнаружили отпечатки следов от пилы. Ну и что тут такого? Конечно, доски для желобов кто-то должен был пилить. Но следы поразили учёных своей регулярностью, чёткостью и прямизной. По мнению исследователей, это означает, что для распилки использовалась не ручная, а механическая пила, возможно, с гидравлическим приводом. Если догадка верна, то в руки к археологам попало древнейшее свидетельство использования механического устройства для пиления дерева.

Ещё одна деталь, о которой рассказали карбонатные корки. Ранее полагали, что водяные колёса мельниц располагались снаружи зданий, под открытым небом. Однако карбонатные отложения в открытых водоёмах, куда попадает много солнечного света, обычно пористые и содержат органические остатки. В Барбегале же корки плотные и без какой-либо органики — такие образуются в пещерах и в закрытых водопроводах. Исследователи делают вывод, что вся конструкция мельниц находилась внутри зданий. А вот внешний слой многих карбонатных фрагментов — пористый, с частицами растений — говорит о том, что образовались они уже в то время, когда крыша сооружения рухнула. Мельничный комплекс забросили по неясным причинам; вероятно, это событие пришлось на кризис Римской империи III века.

По особенностям нескольких фрагментов карбонатных корок (микростратиграфия, вероятная высота досок, рисунок на поверхности, включая следы пиления) удалось восстановить форму такого желоба. Оказывается, он был «коленчатым»: короткое колено, а затем под углом — более длинное. Судя по толщине корок, вода в большей части желоба регулярно переливалась через края. Исходя из этих данных, а также из размера мельничных бассейнов, исследователи пришли к выводу, что в комплексе использовались верхнебойные, или наливные колёса, т. е. вода падала на них в верхней части.

Согласно расчётам, наблюдаемая картина наполнения желоба водой возможна в случае, если его сливной конец располагался выше колена (т. е. желоб слегка загибался вверх). Но зачем? Исследователи пришли к выводу, что такая конфигурация обеспечивала более стабильный поток. Дело в том, что количество поступавшей в комплекс воды ограничивалось возможностями акведука. Если сделать напор слишком сильным, верхние бассейны начнут переполняться, что чревато нарушениями работы колёс. Кроме того, иногда отдельные мельницы требовалось останавливать — например, для ремонта. В таком случае возрастал объём воды, падавшей на следующее колесо, увеличивался уровень в бассейнах. При этом больше всего рисковали самые нижние мельницы, которые страдали то от слабого потока, то от переполнения находившихся выше резервуаров. Моделирование показало, что приподнятый коленчатый желоб позволял минимизировать влияние перепадов напора воды, особенно если угол его наклона можно было регулировать.

Авторы подчёркивают, что коленчатый желоб такой формы не встречается больше ни в каких известных конструкциях водяных колёс — древних и даже современных. Элегантное решение, свидетельствующее о мастерстве древних инженеров, которое — кто знает — может пригодиться даже для гидроэлектростанций XXI века. Так авторы перекидывают мостик к современной проблематике — возобновляемым источникам энергии. А мне остаётся восхититься изобретательности археологов, сумевших извлечь столько уникальной информации из невзрачных карбонатных корок.