Беседы о физике и технике

Приложения. Кое-что о разном

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Как это ни печально, но «золотые времена», когда богатейшие залежи полезных ископаемых лежали почти что на поверхности земли, уже безвозвратно прошли. Сейчас постоянно увеличивается глубина горных разработок, а вместе с ней и себестоимость добытых материалов. Несмотря на это, в Советском Союзе получают сейчас 27 % мировой добычи полезных ископаемых, в Соединенных Штатах — 24 %, остальные же 49 % — в других странах. Однако используется в нашей стране немногим больше половины добытого, остальное идет в отвалы, загрязняя территорию, воду, атмосферу. Если эти отходы переработать, то мы с минимальными затратами увеличим запасы горной продукции примерно на 25 %.

Следует также отметить, что в настоящее время убыток, который терпит народное хозяйство от коррозионной нестойкости материалов, содержащих в своей основе железо, весьма велик. Фундаментальная наука, включающая физические методы исследования, разработала эффективные способы получения новых материалов на основе алюминия, титана, магния, кремния и других компонентов. Получены коррозионно-стойкие, легкие и прочные материалы. Повсеместная замена железных материалов во многих конструкциях, машинах и механизмах на современные конструкционные материалы позволит совершить революцию в машиностроении. Приведем только два примера: 1) сегодня железнодорожный вагон «везет» 30 т собственного веса; 2) легковой автомобиль «Жигули» весит свыше тонны.

А если их сделать из легкого сплава, то они никогда не будут ржаветь и разваливаться, будут в три раза легче, а следовательно, и потреблять гораздо меньше энергии на свое передвижение. Это же относится и к корпусам кораблей, ко всему многообразию современной техники.

«ЗОЛОТОЙ» ИНСТРУМЕНТ

Появлением новых конструкционных материалов машиностроители неизбежно столкнулись с дефицитом режущего инструмента. Чтобы разрешить эту проблему, в лабораториях начались поиски так называемых композитов, которые позволили бы резко повысить скорость обработки и тем самым резко увеличить производительностью металлорежущего оборудования. Часть исследований была направлена на создание керамических резцов, которые можно использовать для совершенствования инструмента, не прибегая к таким легирующим металлам, как вольфрам, ванадий, молибден.

Существовало и другое направление, суть которого заключалась в нанесении на уже существующие металлорежущие инструменты из стали износостойких покрытий, что позволяет повышать скорость резания на 30–50 %.

В этой области наибольшего успеха добились советские ученые, создавшие промышленную технологию нанесения универсального покрытия из нитрида титана, которое позволило повысить скорость, например, сверления в два раза. Более того, для некоторых марок сталей, которые с трудом поддаются обработке, сейчас появилась возможность подбирать инструмент с соответствующим этим маркам покрытием и тем самым повышать производительность механообработки. В основу этой технологии положен так называемый «способ КИБа» (конденсации ионной бомбардировкой). Суть способа состоит в том, что ионы какого-то тугоплавкого материала, например титана, при заданных технологических параметрах разгоняются и внедряются в поверхность обрабатываемого инструмента. При этом поверхностные слои разогреваются до требуемой температуры, и когда она стабилизируется, напускается реактивный газ, например азот. Происходит плазмохимическая реакция, в результате которой образуется очень прочное соединение нитрида титана, осаждаемое на поверхность инструмента с высокой степенью равномерности, при этом обеспечивается очень прочная связь основы и пленки. В результате получается режущий инструмент с новыми свойствами, у которого очень прочная основа и тонкий износостойкий слой покрытия, толщина которого колеблется в пределах 5–8 мкм. Он имеет золотистый цвет, поэтому его часто называют по цвету и за замечательные качества «золотым» инструментом.

Этот инструмент имеет существенные преимущества перед аналогичным инструментом без покрытия: стойкость инструмента повышается до 10 раз в зависимости от конкретных условий его применения (в частности, стойкость сверл увеличивается в 12–15 раз), до 25–30 % снижается потребляемая мощность при обработке, уменьшается сила трения, улучшается качество обработанной поверхности. Резко увеличивается срок службы до окончательного затупления, тем самым снижается себестоимость изготавливаемой продукции.

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ АППАРАТ В КАЧЕСТВЕ ДЕФЕКТОСКОПА

Разработан новый метод обнаружения скрытых дефектов в любом изделии (в лопасти вертолета, шине автомобиля и т. д.), которые нельзя обнаружить ультразвуком из-за неоднородности, многослойности структуры изделия. В основе этого метода — получение интерферограммы изделия с помощью особого аппарата для голографии и высокочувствительной пленки, изготовленной из полупроводникового материала. Сначала изделие фотографируют в нормальном состоянии, затем после деформации вследствие разогрева, удара или действия давления, когда его формы меняются всего на доли микрометра или оно вибрирует. Оба эти изображения накладывают на один кадр.

В результате создается интерферограмма, имеющая вид географической карты с линиями, обозначающими рельеф местности. Неровности, которые видны на ней, указывают на скрытые дефекты в глубине изделия. Метод позволяет выявить самые незначительные неоднородности в используемом материале за 1–2 с. В производственных условиях это можно сделать с помощью ЭВМ, не останавливая конвейера.

ВЛИЯНИЕ ЦВЕТА ГРЯДКИ НА УРОЖАЙ

Урожай помидоров вызревает быстрее и будет лучше по качеству, если растения выращивать на красной мульче (пленочном, бумажном или другом покрытии) — такое открытие сделали специалисты сельского хозяйства США. Это явление связано с тем, как листья растений реагируют на цвет. Оказывается, на рост растений влияет не только свет, падающий на верхнюю поверхность листьев, но и отраженный к их нижней поверхности, который зависит от цвета отражающей поверхности. Выращивание помидоров на красной мульче увеличивает их урожайность почти на 20 % по сравнению с обычной коричнево-черной.

КОСМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ «ГРАНАТ»

1 декабря 1989 г. открыта новая страница в истории внеатмосферной астрономии: с космодрома «Байконур» запущен в космос международный космический аппарат «Гранат» — самая крупная из находящихся к тому времени на орбите обсерваторий, — предназначенный для исследования Вселенной. Объекты наблюдений для обсерватории «Гранат»: вспышка Сверхновой звезды, которая произошла в 1987 г. в соседней галактике Большое Магелланово облако, процессы вокруг «черных дыр», поведение пульсаров — компактных нейтронных звезд с мощным магнитным полем.

СООРУЖЕНИЕ НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА НА ДНЕ БАЙКАЛА

Поскольку «поймать» нейтрино на поверхности Земли почти невозможно и его трудно выделить из потока космического излучения, достигающего поверхности нашей планеты, физики надеятся осуществить эксперименты с нейтрино на дне глубоководных водоемов (у нас — на дне озера Байкал). На глубине 1000 м устанавливаются приборы для «охоты» на нейтрино и мюоны. Благодаря широким возможностям подводной установки (ее объем превысит 10 млн. м³) возможен поиск нейтрино очень высоких энергий (свыше 1∙10¹² эВ), а также тех нейтрино, которые образовались в процессе формирования и эволюции первых звезд и галактик.

ГИПОТЕЗА РАЗГАДКИ ПРИРОДЫ НЛО

Сообщения о загадочных явлениях, именуемых неопознанными летающими объектами (ИЛО), часто появляются в печати. Факты появления НЛО в последнее время были зарегистрированы метеорологическими службами многих мест Земли, было также сделано множество фотографических снимков, отснят ряд кинолент, показывающих в динамике появление и исчезновение необыкновенных природных явлений. Высказан ряд гипотез о возможной природе НЛО. Одну из них, на наш взгляд заслуживающую внимания, предложил недавно инженер-физик из г. Харькова В. Мажуга. По его мнению, главным действующим лицом в появлении таинственных «летающих тарелок» действительно являются «пришельцы из космоса» — космические лучи. Если их энергия превышает 1∙10¹⁷ эВ, то возбуждаемые ими электронфотонные ливни могут образовывать плазмоподобные сгустки, приобретающие при разных условиях самые различные формы — блина, тарелки, шара и даже изогнутой сигары, сравнительно медленно вращающейся в воздухе, т. е. формы именно того предмета, который наблюдали жители в небе над Бейрой (Мозамбик). Физики, работающие с термоядерной плазмой, давно знакомы с подобными сгустками, поэтому, с точки зрения В. Мажуги, правомерно распространить их природу на космические лучи и загадочные небесные явления.

ХОЛОДНЫЙ ТЕРМОЯД (ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ)

Сообщение американских ученых М. Флейшмана и С. Понса о том, что они наблюдали явление слияния ядер при комнатной температуре, вызвало в научном мире сенсацию. Ведь появилась реальная возможность решения энергетической проблемы, стоящей перед человечеством, притом дешевым, безопасным и экологически чистым путем. Очень заманчива была перспектива использования ядерной энергии не только для производственных нужд, но и для отопления домов и замены бензиновых моторов на электрические.

Причина широчайшего резонанса, вызванного открытием ХЯС (холодного ядерного синтеза), заключалась в том, что общественность была уже подготовлена к мысли, что решение энергетических проблем связано с термоядерной энергией. Однако было ясно: этот путь невероятно труден, он требует создания гигантских установок, многомиллиардных затрат и десятилетий упорного труда. Только на 1997 г. планируется пуск исследовательского термоядерного реактора, который сможет обеспечить себя за счет энергии синтеза. Что же касается практической осуществимости такого источника энергии, то она должна быть продемонстрирована с помощью испытательного реактора, создаваемого на основе международного сотрудничества СССР, США, Японии и ЕЭС. Запуск его намечен на 2003 г. И вдруг — чудовищная простота и дешевизна — «термояд в банке из-под клубничного джема»!

Действительно, для получения ХЯС необходимы были только сосуд, заполненный тяжелой водой, и два электрода, помещенных в этот раствор. Катодом служила тонкая палладиевая проволока. При пропускании тока через раствор в течение длительного времени (~10 ч) начиналась реакция синтеза. В результате этой реакции, по мнению авторов эксперимента, могли образоваться тритий, гелий, нейтроны и могла высвободиться энергия.

В доказательство того, что в эксперименте наблюдается именно ядерный синтез, ученые привели следующие факты: с помощью масс-спектрометра они провели анализ выделившихся в опыте газов, который подтвердил присутствие трития (последний мог появиться, как они считают, лишь в результате ядерного синтеза), зафиксировали выделение в ходе реакции нейтронов, а также гамма-излучения с энергией, равной той, которой они должны были бы обладать при реакции ядерного синтеза.

Естественно, что опыты американских ученых-химиков были перепроверены во многих странах, в том числе и у нас. Эти опыты не получили должного воспроизводства, и никто из экспериментаторов не получил достаточно много избыточной теплоты в ходе даже длительного электролиза. Не ясен до конца и физический механизм протекания ХЯС, но из этого не следует, что обнаруженное явление не найдет в будущем какого-либо практического применения. Если реакции ХЯС не будут обогревать и освещать дома, они могут протекать в окружающей нас природе, и уже потому их излучение представляет интерес.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ВАРИАНТ ЭНЕРГЕТИКИ (ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА)

Особые свойства водорода (наилегчайший, имеющий наибольшую теплоту сгорания и др.) открывают заманчивые перспективы его применения для экологически чистого получения энергии. И только трудности его получения, хранения, эксплуатации сдерживают развитие водородной энергетики. Тем не менее «водородная проблема» привлекает сейчас большое внимание специалистов во всем мире по многим причинам: первая — водорода на Земле много, вторая — он как топливо эффективен и экологически безупречен, третья — водород позволяет аккумулировать большие запасы энергии, четвертая — перекачка водорода к месту сжигания и получение энергии в 10–15 раз дешевле, чем транспортировка электричества.

В малых масштабах использование водорода как источника энергии уже началось, например в автомобилестроении. Уже 10 лет проходят испытания автомобили РАФ и «Волга», снабженные двигателями, работающими и на водороде, и на бензине, и на бензоводородной смеси. Создан в нашей стране и первый в мире самолет на водородном топливе — Ту-155 (по высказыванию А. Н. Туполева двадцатилетней давности, это фантастика XXI века). При одной и той же с самолетами другого типа грузоподъемности его дальность полета в 1,5–2 раза больше, что обусловлено значительной теплотой сгорания водорода.

Для торжества «водородной идеи» нужно большое количество водорода. Один из возможных путей получения такого количества водорода — электролиз за счет энергии ветра, морских волн и Солнца. Этот способ поможет избежать перегрева Земли, поскольку при сжигании водорода выделится энергия, которая все равно поступила бы. на Землю, но была израсходована на получение водорода.

ВДОГОНКУ ЗА СОЛНЦЕМ

Уже не первый год в мире проводятся состязания гелиомобилей. Это легкие одноместные экипажи, движимые электромоторами, которые получают энергию от солнечных батарей. Правда, лучшие кремниевые солнечные батареи, применяемые на спутниках, имеют сегодня КПД не выше 22 %, поэтому гелиомобили вряд ли в обозримом будущем выйдут на улицы городов, но вот аккумуляторы и электромоторы, разработанные и усовершенствованные для солнечных экипажей, наверняка можно будет применять в электромобилях, которые сейчас все увереннее заявляют о себе.

ВЕК СВЕРХСКОРОСТЕЙ

XX век часто называют веком скоростей. Самый быстрый вид транспорта — самолет. Какие же скорости будут доступны нашей авиации в начале следующего столетия?

Предполагается, что сверхзвуковые самолеты, салон которых вместит 250 пассажиров, выполнят первые рейсы уже в 2005 г. Скорость такого самолета в 2,4 раза выше скорости звука (около 1100 км/ч).

Появление гиперзвуковых самолетов придется подождать до 2030 г. Из-за высокой скорости обшивка самолета будет нагреваться до 350 °C, такой температуры не выдерживают алюминиевые сплавы. На смену им придут сложные углеродные композиции. Топливо также понадобится другое — жидкий метан или жидкий водород заменят керосин. Одной заправки хватит, чтобы пролететь 16 000 км (т. е. путь от Москвы до Владивостока) в течение часа.

СОПЕРНИКИ АЭС

До сих пор считалось, что приливные электростанции (ПЭС) выгодно строить лишь в узких заливах и устьях рек, где прилив высок и можно пропускать значительные массы воды через сравнительно небольшие плотины. Но, увы, подсчитано, что на всех побережьях нашей планеты таких мест не наберется и двух сотен. Вот почему английская фирма «Морган Хорн» спроектировала ПЭС нового типа — на мелководьях в открытом море. У берегов Великобритании, по оценке фирмы, за счет таких станций могло бы производиться 25 % потребляемой сегодня электроэнергии. Основа подобных ПЭС — невысокие дамбы («выгородки») с узкими шлюзами, в которых установлены турбины. Важно, что конструкция позволяет использовать движение воды в обе стороны — и при отливе, и при приливе. В этом случае можно утилизовать до 45 % приливной энергии. А на вынесенных в море дамбах удобно строить еще и ветровые энергоустановки. По стоимости вырабатываемой электроэнергии новые ПЭС смогут конкурировать и с атомными электростанциями.

СВЕРХПРОВОДНИКИ ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ

В истории науки известны открытия, которые ознаменовали собой появление новых научно-технических направлений. Это в полной мере может быть отнесено и к эффекту сверхпроводимости, который был недавно обнаружен в металлокерамических соединениях при комнатной температуре (правда, пока в лабораторных условиях). Ученые прилагают все усилия, чтобы наладить производство этих сверхпроводников на промышленной основе. И если это удастся, то будет совершена подлинная революция в развитии сильноточной техники для генераторов, в транспорте на магнитной подушке, в резком уменьшении потерь при передаче электроэнергии на сверхдальние расстояния, а также и в совершенствовании многих слаботочных электронных устройств.