ЮТ 1990 №6
Самолет летит над тайгой. С десятикилометровой высоты хорошо видны русла рек, речек и ручьев, рассекающих лесной массив. Мы летим час, два - и все это Якутия, просторная и богатая: золотом, пушниной, алмазами. А еще... морозом! Ведь если подумать - холод тоже может быть богатством. Впрочем, эта мысль принадлежит не мне, а человеку, на встречу с которым я летела в Якутск.
...Лев Иванович Файко встретил меня в аэропорту. Он - ученый-гляциолог, изучает природные льды, их строение, происхождение, физические свойства. К своей редкой профессии Файко пришел не сразу. Мальчишкой увлекался спортивной авиацией, летал на самодельных спортивных планерах; был профессиональным фотографом - корреспондентом ТАСС, объездил на оленях с фотоаппаратом в руках всю Якутию. А еще - изобретал: улучшенную конструкцию разборной якутской юрты, экономную печурку-самовар для пастухов-оленеводов и геологов, которая заодно вырабатывает электричество для питания радиоприемника или рации... На изготовленный им насос, который качал из Лены воду и подавал ее на высокий берег, издалека приходили посмотреть окрестные жители: уж не вечный ли это двигатель? Насос не требовал энергии, его приводило в движение течение воды. Много в своей жизни успел Лев Иванович: воевал в Великую Отечественную, окончил институт, стал кандидатом географических наук...
Только человек с разносторонними интересами и знаниями может увидеть то, на что другие смотрят и не видят. Ну, кого озадачивали непромерзающие озера на вечной мерзлоте? А он удивился, задумался и почувствовал, что за этой маленькой тайной природы скрываются небывалые возможности для... энергетики!
Началось все с поисков ответа на простой житейский вопрос: почему лед на озерах в Якутии намерзает зимою 210 суток, а стаивает всего за 30 весенних дней?
Вы, быть может, скажете: что же здесь такого? Давайте подумаем вместе. Вечная мерзлота сковывает землю Якутии на глубину до 1500 метров и не собирается таять. А вот водоемы ведут себя не по правилам. Например, среднегодовая температура воздуха в полярных областях - минус 19° С, а воды - около нуля. Бывают, конечно, дни с плюсовой температурой воздуха, но в среднем за год она отрицательна. Однако же Ледовитый океан, несмотря на свое название, не промерзает с каждым годом все глубже и глубже. Лишний лед регулярно стаивает за счет тепла наружного воздуха. Воздуха, в среднем более холодного, чем сам лед...
А ведь это противоречит Второму началу термодинамики, основу которого составляет постулат Клаузиуса: ТЕПЛОТА НЕ МОЖЕТ САМА СОБОЙ ПЕРЕЙТИ ОТ МЕНЕЕ НАГРЕТОГО ТЕЛА К БОЛЕЕ НАГРЕТОМУ. Еще в XIX веке Рудольф Клаузиус сформулировал эту бесспорную житейскую истину, на которой теперь покоится стройное здание современной науки.
Кому придет в голову греть воду в чайнике на куске льда. Всем ясна бесполезность затеи. Но вот закавыка. Хоть мы и считаем лед холодным, он содержит достаточно много энергии. Ведь по сравнению с абсолютным нулем он на 273° С горячее! Каждая его молекула обладает энергией и постоянно обменивается ею с другими молекулами. Так почему бы молекулам льда не отдать часть своей энергии воде в чайнике? Пусть лед еще больше охладится, а вода нагреется!
Словом, опыт опытом, а теоретического доказательства у постулата Клаузиуса нет! И в свое время блестящий английский физик Максвелл в шутку придумал этакого "демона", который занимался сортировкой молекул - "горячие", с большими скоростями, отправлял в одну сторону, "холодные" - в другую.
И такой "демон" обязательно добился бы, чтобы чайник на льду закипел!
Недоказанность постулата Клаузиуса давала лазейку многим изобретателям, одержимым идеей создания вечного двигателя второго рода - устройства, которое без всяких затрат извлекало бы энергию из хаотического движения молекул окружающей среды.
Но в том-то и дело, что полезную энергию можно получить только от перепада температур или давлений, высот... Работу производит не само тепло, а только разность между теплом и холодом. Двигатель внутреннего сгорания действует потому, что разность давлений внутри цилиндра и снаружи толкает поршень. Электрическая лампочка загорается оттого, что на нее подана разность потенциалов. На гидроэлектростанциях работу производит не высота воды над уровнем моря, а разность уровней вверху и внизу плотины. Так что вечный двигатель невозможен.
А жаль. Вот если бы и вправду существовало что-то подобное демону Максвелла... Помните, как вы первоклашками носились по коридору во время переменки? Энергии - хоть отбавляй! Нечто вроде хаотического теплового движения молекул. Директор, наверное, ворчал: "Вашей бы энергией динамо-машину крутить!" А что? Роль демона Максвелла мог бы исполнить вращающийся в дверях турникет наподобие тех, что ставятся в магазинах. Прозвенел звонок на перемену - и первоклашки, выбегая из класса, вращали бы турникет. А он соединен с динамо-машиной - вот и совершается полезная работа!..
Так вот Файко, задумавшись над странностями поведения замерзающих природных водоемов, нашёл в них подобный запрещенный классической физикой "турникет". Таким односторонним тепловым клапаном в природе является обыкновенный плавучий лед! Количество тепла, получаемого при таянии льда на озере за короткую якутскую весну, и тепла, отдаваемого на протяжении долгой холодной зимы, в точности совпадают. Но дело в том, что замерзание воды происходит на нижней поверхности льда, а таяние - на верхней. Причем когда вода замерзает, это значит, что она отдает тепло. И этому теплу трудно улетучиться наружу через слой льда, поскольку теплопроводность его низкая. Тепло уходит из зимнего водоема очень медленно, и так же медленно идет намерзание ледяного покрова. Зато весной - совсем другое дело. Под солнечными лучами верхний слой льда быстро стаивает, и талая вода, усвоившая так называемую теплоту плавления, уносит ее в водоем. Таким путем воде очень быстро возвращается тепло, потерянное за долгую зиму. И обратный процесс идет в десятки и сотни раз быстрее.
Выходит, лед неодинаково передает тепло в двух направлениях: сверху вниз - гораздо быстрее, чем снизу вверх. Он тот самый "демон", который умело создает разность температур. И получается, что тепло как бы переходит от более холодного тела к более нагретому.
Но как же постулат Клаузиуса? Значит, он не так уж верен и вечный двигатель возможен? Ученый совет, которому Файко доложил о своем открытии, поначалу обвинил его в покушении на устои термодинамики. Но Лев Иванович авторитет Клаузиуса спас: запрещенная постулатом передача тепла происходит не сама собой, а с помощью силы земного тяготения и солнечной энергии. Это тяготение заставляет всплывать менее плотный, чем вода, лед. (Кстати, почему он менее плотный, когда все другие вещества при охлаждении сжимаются? Удовлетворительного объяснения до сих пор нет.) И тогда освобождается объем, куда может стекать талая вода. Но такое невозможно в пластах земли - и вот вам тысячеметровая вечная мерзлота!
А теперь обратимся к земной энергетике. Не находя в природе естественных процессов, которые создавали бы необходимые для энергетики перепады температур, давлений, высот, люди стали создавать их сами: сжигать леса, рыть землю в поисках ископаемого топлива, строить на реках громадные водохранилища и плотины, вторгаться в небезопасный мир атома...
- Да вот же вам даровой нелинейный природный процесс, который может быть вечным источником энергии! - говорит ученый из Якутии.
Замерзающие природные водоемы обеспечивают перепады температур, которые легко превратить в работу. А еще большие запасы тепла скрыты в фазовых превращениях воды. Файко подсчитал, что скрытая теплота, выделяющаяся при замерзании воды, равна энергии, которую можно получить при сбрасывании этого же количества воды с двухкилометровой плотины. Так стоит ли строить плотины, когда можно успешно и без особых затрат использовать огромные запасы тепла, которые зря теряются? Давно планируется строительство в Якутии крупнейшей Нижне-Ленской ГЭС мощностью в 22 миллиона киловатт. Но по расчетам Файко, только с поверхности ее водохранилища при замерзании можно получить энергию в 400 раз больше. Столько ее вырабатывается сейчас во всем мире! Впрочем, и водохранилища для этого не нужно: площадь естественных замерзающих водоемов может в 1000 раз перекрыть потребность человечества! И экология нашей планеты от этого только выиграет.
Осталось придумать, как эту энергию извлекать. Но современная техника к этому уже готова. Вспомним тепловой насос - компрессорный холодильник "наоборот". Жидкость, кипящая в испарителе при температуре около нуля, превращается в пар, под давлением поступает в компрессор, толкает поршни и совершает работу...
Так аномальные свойства воды открывают перед нами бесценный, экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии. Очень странное, неправильное вещество, эта обыкновенная вода!
г. Якутск Н. КОНОПЛЕВА,
наш спец. корр.