Ломаем стереотипы
Текст: Екатерина Хворова | 2015-01-08 | 1317
Когда-то шаблонность сознания помогла человеку выжить: именно благодаря ей закреплялись крупицы опыта, накопленного предками. На заре человеческой цивилизации это было крайне важно. Но сейчас шаблоны мышления не без оснований считаются одним из главных препятствий прогресса, ведь создать что-то принципиально новое можно, только выйдя за рамки обыденных представлений. Сегодня мы попробуем разрушить некоторые из сложившихся стереотипов на примере непривычного использования привычных нам материалов.


Первые корабли человек делал из дерева, что, в общем-то, естественно: оно не тонет в воде и без особых усилий поддаётся обработке. Позже для этих целей научились использовать сталь. Это был серьёзный шаг вперёд, поскольку этот материал заметно тяжелее воды. Но можете ли вы представить себе корабль, целиком сделанный из бетона? Само сочетание «бетонный корабль» вызывает улыбку, а сознание рисует мгновенно тонущую конструкцию. Тем не менее, бетонные корабли строили в течение достаточно длительного времени, и свои функции они выполняли исправно.

Лодку из цементного раствора, нанесённого поверх арматурной сетки, первым сконструировал француз Жан Луи Ламбо. Произошло это ещё в 1848 году – что интересно, за 19 лет до того, как другой француз, Жозеф Монье, получил патент на железобетон. В 1855 году лодка Ламбо была представлена на Парижской выставке и произвела там настоящую сенсацию. По запатентованному Ламбо проекту было построено три лодки, одна из которых использовалась на протяжении практически пятидесяти лет. Впоследствии похожие бетонные лодки и парусные яхты в небольшом количестве создавались в Европе и Америке.

Более широкое распространение транспорт такого типа получил благодаря норвежскому инженеру Николаю Фегнеру, который в 1917 году создал из железобетона самоходное морское судно. За ним похожий пароход-сухогруз сделали американцы. Оказалось, что прочность таких кораблей значительно выше, чем деревянных или металлических. Зимой им был не страшен лёд, а пробоины в них чинить было намного легче. Очень важно, что для работ по изготовлению и ремонту бетонных кораблей можно было использовать не связанных с судостроением неквалифицированных рабочих.



Особой квалификации при строительстве бетонных кораблей не требовалось. Делать и ремонтировать их могли самые обычные строители.

Во время Первой мировой войны американский президент Томас Вудро Вильсон одобрил строительство 24 железобетонных судов. Правда, к окончанию войны успели построить только 12 из них общей стоимостью 50 миллионов долларов. Построенные в начале XX века бетонные корабли использовались в основном в качестве нефтяных танкеров, но хорошо зарекомендовали себя и при транспортировке сухих материалов, таких как сахар, поскольку не были подвержены такой проблеме как конденсация, от которой страдали стальные корабли. Длина бетонных судов находилась в пределах 125-132 метров, а вес составлял 3,7-4,2 тысяч тонн. Но средний срок службы до списания у таких кораблей был небольшим – 5-10 лет. Связано это было с тем, что при серьёзных столкновениях суда получали серьёзные повреждения. В этом случае зачастую они быстро тонули. Имеются данные о грузовом судне Cape Fear, которое через год после спуска на воду, в 1920 г., столкнулось с другим судном и ушло под воду вместе с девятнадцатью членами экипажа всего за три минуты. Если же повреждённое судно не тонуло, от его ремонта всё равно часто отказывались и просто списывали. А вот бетонный San Pasqual «жив» до сих пор и с 1990 года служит на Кубе в качестве комфортабельного отеля. Построенный в 1920 году, изначально он использовался как нефтяной танкер, затем – как склад, во Вторую мировую – как наблюдательный пункт за немецкими субмаринами. Во время кубинской революции Эрнесто Че Гевара использовал судно как тюрьму для пленных. Потом там располагались спортивный и рыболовный клубы.


Во время Второй мировой войны бетонное кораблестроение получило новый толчок. Возникший в США дефицит стали привёл к появлению 24 кораблей и 80 железобетонных барж. Суда этого поколения были более лёгкими и крепкими, чем их предшественники. Строительство велось очень быстрыми темпами – одно судно в месяц. Суда предназначались для кратковременного использования, прежде чем быть уничтоженными немецкими субмаринами. Два судна были затоплены в качестве заграждений во время высадки союзников в Нормандии.


SS Atlantus – один из самых знаменитых бетонных кораблей. Построен американцами во время экстренной подготовки к Первой мировой войне и стал вторым по счёту бетонным судном в мире.


Отслужив свою службу, SS Atlаntus стал аттракционом для дайверов, пока один человек не погиб, ныряя с судна в воду. После этого на берегу был поставлен предупреждающий знак. Позднее судно раскололось на 2 части.

Но многие корабли, построенные в то время, уцелели. Семь из них до сих пор находятся на плаву – из них соорудили гигантский пирс-волнорез на реке Пауэлл в Канаде. Ещё один уцелевший в войне бетонный корабль Quartz получил известность благодаря своему участию в 1946 году в операции «Перекрёсток», когда на атолле Bikini американцами испытывались атомные бомбы. Несколько кораблей, в составе которых был и Quartz, поместили в эпицентр взрыва, чтобы оценить уровень наносимых ядерным взрывом повреждений.


Баржа Quartz принимала участие в первых испытаниях атомной бомбы в 1946 году в качестве одного из судов, помещённых в эпицентр взрыва.

В годы Второй мировой сталь была дефицитным материалом и в СССР, поэтому российские специалисты тоже делали суда из железобетона. Пример хорошо сохранившегося железобетонного судна можно увидеть на причале в рижском порту «Волери». Судно находится на плаву, его внешний вид почти не изменился, хотя у него и отсутствуют палубные надстройки. Бетонные корабли можно найти и в России: в Выборге недалеко от замка на берегу лежит бетонный катер; в г. Мамоново Калининградской области на берегу залива стоят две немецкие бетонные баржи; на реке Луга тоже сохранился корабль из железобетона – скорее всего немецкий лихтер проекта 20-х годов. А яхт-клуб Нижнего Новгорода использует бетонную парусно-моторную крейсерскую яхту «Нефертити», построенную в начале 70-х годов прошлого века и в настоящее время являющуюся единственным сохранившимся бетонным парусным судном в бассейне реки Волга. Яхта вмещает до 16 человек, имеет водоизмещение 11 тонн и длину 12,5 метров, что позволяет ей уходить в длительные плавания.


SS Sapona с 1920 года служила грузовым пароходом. В 1926 году судно попало в шторм, было сильно повреждено и поэтому от его восстановления отказались.  

После войны железобетон стал использоваться в судостроении в основном для плавучих нефтехранилищ, а также для создания буровых платформ и плавающих пирсов. Так, в 1975 году был создан железобетонный танкер для хранения сжиженного газа, имеющий грузоподъёмность 60000 тонн. Он до сих пор эксплуатируется в Яванском море.


S.S. Arthur Newell Talbot был спущен на воду в 1943 году и использовался в качестве учебного судна для нужд армии.

На основании проведённых в области железобетонного судостроения исследований была установлена номенклатура судов, постройка которых из железобетона экономически наиболее оправдана и рациональна. В первую очередь это суда стояночного флота. К таковым относятся паромы, лихтеры, плашкоуты, шаланды, различные баржи. И если металлические конструкции ржавеют и требуют постоянного ухода, то железобетонные практически не повреждаются и требуют меньших затрат на ремонт. Кроме того, бетонные корабли могут быть построены быстрее и дешевле, и при этом по прочности будут сопоставимы со стальными. Но вот для строительства судов, которые должны находиться в постоянном движении, использование бетона сегодня нерентабельно. Железобетонные суда получаются тяжелее стальных, поэтому для обеспечения грузоподъёмности, сравнимой со стальными, требуется увеличение их габаритных размеров, а это приводит к росту буксировочного сопротивления (требуются более мощные двигатели) и затрудняет их использование на стеснённых акваториях, например, делает невозможным движение по каналам и шлюзам. Но факт остаётся фактом: использование бетона для строительства кораблей более чем реально.


Один из немногих хорошо сохранившихся железобетонных кораблей. Стоит у причала в рижском порту «Волери».

А теперь перенесёмся в средневековый Китай, в мастерскую Шана Суйдина, который занимается разработкой новых доспехов для китайской армии. Думаете, он использует привычное для этих целей железо?

Конечно же, нет. Шан Суйдин считается изобретателем доспехов из бумаги. В книге «Тан шу сюй шан чжуан» рассказывается, что для битвы при Хотуне генерал Сюй Шан из провинции Шеньси распорядился вооружить бумажными доспехами тысячи солдат. Вскоре бумажные доспехи будут официально признаны дешёвой и практичной формой защиты. В 1040 году для войск, остановившихся в славившихся производством бумаги Гуаннане и Хуэйнане (провинция Аньгоу), было изготовлено около тридцати тысяч комплектов бумажных доспехов. Защитные свойства доспехов были настолько хороши, что противостояли колющим ударам мечей и копий, а стрелы, даже мощные, не могли их пробить. По многим параметрам они были лучше, чем кожаные и железные доспехи, и ценились выше. Так, известно, что в XII веке судья Чэнь Тэ Сю попросил у центральных властей обменять 100 комплектов железных доспехов на 50 комплектов из лучшей бумаги. Такие доспехи во времена Мин использовали гарнизоны, защищавшие побережье Южного Китая от нападений японцев.

Китайцами и японцами особенно высоко ценилась бумажная броня, изготовленная в Корее – за её прочность и износоустойчивость. Древние корейцы использовали для изготовления доспехов (чигаб) склеенные и сшитые особым образом десять или пятнадцать слоёв бумаги из шелковицы (габичжи). Для увеличения прочности на слои габичжи горизонтально, вертикально и диагонально наносили смолу лакового дерева, а затем высушивали на солнце. В изданной в XV веке книге «Обозрение всех земель Кореи» отмечалось, что доспехи из бумаги габичжи защищают воинов от стрел и по прочности не уступают железу. Рассказывают, что они выдерживали даже мушкетные пули.

Уже в наше время исследователи провели сравнение бумажных доспехов со стальными. Оказалось, что древние источники не врут. При том, что бумажные доспехи были вдвое легче по весу, по защитным свойствам они практически не уступали железным. Сталь оказалась лучше только при применении огнестрельного оружия, да и то используемого лишь с начала XIX в.


Проведённое «Разрушителями мифов» исследование доказало, что бумажные доспехи практически ничем не уступали металлическим и тем более кожаным. 

Следующий пример нестандартного применения материалов связан с триумфом советских инженеров. Скажите, что обычно используется в качестве теплоносителя? Воздух, вода, фреоны, масла или нечто подобное. А как насчёт того, чтобы в этих целях использовать расплавленный свинец?

Ядерные энергетические установки с жидкометаллическими теплоносителями явились оригинальным советским научно-техническим решением и не имели аналога в мировой практике. Для АЭС были разработаны и опробованы реакторы на быстрых нейтронах с натриевым и ртутным теплоносителями. Для космических аппаратов советские инженеры создали ядерные установки с теплоносителем натрий-калий. А вот на основе теплоносителя свинец-висмут были разработаны реакторы для атомных подводных лодок проекта 705 (шифр «Лира», по классификации НАТО Alfa). Концепция 705-го проекта сформировалась в конце 1950-х. Разработчикам ставилась задача создания малогабаритного сверхманёвренного «подводного истребителя-перехватчика» с фантастической скоростью подводного хода, превышающей 40 узлов (примерно 80 км/ч). Особым постановлением ЦК КПСС главному конструктору Михаилу Русанову при проектировании машины было разрешено отступать от существующих норм и правил кораблестроения.


Для удовлетворения требований заказчика, прежде всего, требовалось создать очень мощную, но небольшую по размерам энергоустановку. Выбор реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем был обусловлен его более высокой безопасностью, удельной мощностью и компактностью по сравнению с водо-водяным реактором, что обеспечивало экономию 300 т водоизмещения. Применение жидкого металла в качестве теплоносителя позволяло держать низкое давление в первом контуре, что исключало тепловой взрыв ядерного реактора и выброс активности наружу, а также обеспечивало быстрый вывод силовой установки на режим максимальной мощности. За счёт этого «Лира» была способна развить полный ход в течение всего лишь одной минуты. Большая скорость позволяла лодке быстро зайти в «теневой» сектор любого надводного или подводного корабля, оторваться от любого преследования, даже от большинства противолодочных торпед. Всего за 42 секунды лодка могла развернуться на 180° и начать движение в обратном направлении.


Особым постановлением ЦК КПСС главному конструктору проекта 705 Михаилу Русанову при проектировании машины было разрешено отступать от существующих норм и правил кораблестроения. Это стало основной предпосылкой, почему лодка получилась настолько уникальной.

Силовая установка «Лиры» более чем на полвека опередила своё время, но и требовала особого режима эксплуатации подлодки – первый контур реактора было необходимо постоянно поддерживать в горячем состоянии (не ниже 120°С). В противном случае теплоноситель бы застыл, и вся установка мощностью 155 МВт превратилась бы в груду радиоактивного металла. За весь срок существования проекта (а это более 20 лет) такое случалось дважды, в результате аварий. При этом не погиб ни один человек, и не был потерян ни один корабль.


Бортовая паротурбинная установка мощностью 155 МВт.

«Лира», практически неуязвимая для вооружений того времени, перевернула все представления американцев о подводном флоте и противолодочных средствах. Последняя из них была выведена из эксплуатации в 1997 году и до сих пор остаётся единственной в мире серийной подводной лодкой на реакторе с жидкометаллическим теплоносителем. Превзойти её скоростные характеристики до сих пор удалось только другой советской разработке – АПЛ второго поколения «Аметист».

Ну и в заключении поговорим о топливе. Топливе будущего. Удивительно, но в качестве такового многими специалистами называется привычный нам конструкционный материал – алюминий. Представляете? Бросаете вы несколько пустых баночек от кока-колы в топливный бак своего автомобиля и вот на этом едете! И ведь прототипы таких автомобилей и необходимых для них двигателей уже разработаны.

В 2011 году Алейкс Лловет и Ксавье Салуэнья из политехнического университета Каталонии создали радиоуправляемую модель автомобиля, работающего на алюминиевых колечках от банок с напитками. Их насыпают в «бензобак» – ёмкость с водой и гидроксидом натрия. В водном растворе едкой щёлочи алюминий растворяется с выделением водорода. Выделенный газ проходит через установленные в автомобиле фильтры: вначале через фильтр с уксусом и водой для улавливания остатков гидроксида натрия, а затем – через силикагель, который удаляет остатки воды. Очищенный водород поступает в топливный элемент, вырабатывающий ток. Накопленная в фильтре щёлочь снова направляется в систему и используется повторно. Отходами системы являются два совершенно нетоксичных вещества – гидроксид алюминия, который может быть легко преобразован в оксид алюминия (глинозём), и остаток в уксусном фильтре в виде ацетата натрия. Ацетат натрия является широко применяемым консервантом, а из глинозёма можно снова выделить чистый алюминий. А израильская компании Alchemy Research создала реактор, работающий на алюминиевом порошке. В нём, при температуре 900 градусов Цельсия, алюминий вступает в реакцию с водой с образованием водорода и оксида алюминия. Выделяемый водород может использоваться в качестве топлива для топливных элементов; тепло используется для поддержания температуры в реакторе, а отходы в виде оксида алюминия могут быть снова переработаны в алюминий. По расчётам, автомобиль с таким реактором и сопоставимым с бензиновым объёмом топливного бака на одной заправке проедет примерно 2,4 тыс. км., при этом сама заправка займёт всего несколько минут.

Не остались в стороне и российские разработчики из объединённого института высоких температур Российской академии наук, превратив в алюминий-мобиль американский электрический гольфкар Gem-car EL. 


Здесь в качестве топлива используются небольшие алюминиевые пластины, загруженные в специальные кассеты. Специальный насос прогоняет через кассеты едкую щёлочь, в результате чего вырабатываются электричество и тепло. Тепло может использоваться для отопления салона, а электричество идёт на зарядку Li-ion-аккумуляторов, от которых работает двигатель. Одна заправка включает 44 алюминиевые пластины общим весом около четырёх килограмм, что позволяет проехать 380 километров в режиме городского цикла. После истощения алюминиевых пластин необходимо «заправиться» и заменить электролит в батарее. Причём из отработанного электролита можно восстановить 90% алюминия. Учитывая цены на алюминий (около 2 долларов за килограмм) и щёлочь, стоимость поездки на таком автомобиле составит примерно 1 рубль за километр пути в городском цикле, а это даже меньше, чем в случае с бензином.


Подпишитесь на eRazvitie.org в Фейсбуке и ВКонтакте, чтобы не пропустить наши новые материалы.