Нефть

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания прочно вошел в нашу жизнь и останется в ней еще на неопределенное время. Развитие альтернативных топливных технологий предполагает, что в некотором будущем бензиновый мотор станет в конечном счете лишь историей, однако его потенциал, по расчетам специалистов, исчерпан лишь на 75 процентов, что позволяет назвать бензиновый ДВС на данный момент одним из главных типов двигателей в нашем мире.

Изобретение бензинового мотора, как и многих других современных вещей, существование без которых сегодня немыслимо, произошло благодаря, в общем-то, случайности, когда в 1799 году французом Ф. Лебоном был открыт светильный газ – смесь водорода, окиси углерода, метана и некоторых других горючих газов. Как предполагает его название, светильный газ использовался для осветительных приборов, заменивших в то время свечи, однако в скором времени Лебон нашел ему и другое применение. Изучая свойства найденного газа, инженер заметил, что его смесь с воздухом взрывается, выделяя большое количество энергии, которую можно использовать в интересах человека. В 1801 году Лебон запатентовал первый газовый двигатель, состоящий из двух компрессоров и камеры сгорания. По существу газовый двигатель Лебона стал примитивным прототипом современного ДВС.

Нужно отметить, что попытки поставить тепловую энергию взрыва на службу человечеству предпринимались задолго до рождения Лебона. Еще в 17-м веке нидерландский ученый Христиан Гюйгенс использовал порох, чтобы приводить в движение водяные насосы, доставляющие воду в сады Версальского дворца, а итальянский физик Алессандро Вольта в конце 80-х годов 18 века изобрел «электрический пистолет», в котором электрическая искра воспламеняла смесь водорода и воздуха, выстреливая из ствола кусок пробки.

В 1804 году Лебон трагически погиб и развитие технологии внутреннего загорания на некоторое время приостановилось, пока бельгиец Жан Этьен Ленуар не догадался использовать принцип электрического зажигания для воспламенения смести в газовом двигателе. После нескольких неудачных попыток, Ленуару удалось создать работающий двигатель внутреннего сгорания, который он запатентовал в 1859 году. К сожалению, Ленуар оказался больше коммерсантом, чем изобретателем. Выпустив несколько сотен своих моторов, он заработал довольно приличную сумму денег и прекратил дальнейшее усовершенствование своего изобретения.  Тем не менее, двигатель Ленуара, использовавшийся как привод локомотивов, дорожных экипажей, судов и в стационарном виде, считается первым в истории работающим двигателем внутреннего сгорания.

В 1864 году немецкий инженер Август Отто получил патент на собственную модель газового двигателя, КПД которого достигал 15-ти процентов, то есть был не только эффективнее двигателя Ленуара, но и эффективнее любого парового агрегата, существовавшего в то время. Совместно с промышленником  Лангеном, Отто создал фирму «Отто и Компания», в планы которой входило производство новых моторов, которых было выпущено около 5 000 экземпляров.  В 1877 году Отто запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, однако, как оказалось, четырехтактный цикл был изобретен еще за несколько лет до этой даты французом Бо де Рошем. Судебная тяжба между этими инженерами закончилась поражением Отто, в результате чего его монопольные права на четырёхтактный цикл были отозваны. Тем не менее, конструкция двигателя Отто во многом превосходила французский аналог, что и предопределило его успех – к 1897 году было выпущено уже 42 000 таких моторов различной мощности.

Светильный газ в качестве топлива для ДВС существенно суживал область их применения, поэтому инженерами из разных стран постоянно проводились поиски нового, более доступного горючего. Одним из первых изобретателей, применивших бензин в качестве топлива для ДВС, был американец Брайтон, разработавший в 1872 году так называемый «испарительный» карбюратор. Однако его конструкция была настолько несовершенной, что он оставил свои попытки.

Лишь через десять лет после изобретения Брайтона был создан работоспособный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Готлиб Даймлер, талантливый немецкий инженер, работавший на фирме Отто, еще в начале 80-х годов 19-го века предложил начальнику разработанный им самим проект бензинового мотора, который можно было бы использовать на дорожном транспорте, однако Отто отверг его начинания. В ответ на это Даймлер и его друг Вильгельм Майбах уволились из «Отто и Компания» и организовали собственное дело. Первый бензиновый двигатель Даймлера-Майбаха появился в 1883 году и предназначался для установки стационарно. Зажигание в цилиндре происходило от полой раскаленной трубочки, но в целом конструкция мотора оставляла желать лучшего именно из-за неудовлетворительного зажигания, а так же процесса испарения бензина.

На этом этапе требовалась более простая и надежная система испарения бензина, которая была изобретена в 1893 году венгерским конструктором Донатом Банки. Он изобрел карбюратор, ставший прообразом карбюраторных систем, известных сегодня. Банки предложил революционную по тем временам идею – не испарять бензин – а равномерно распылять его по цилиндру. Поток воздуха всасывал бензин через дозирующий жиклёр, сделанный в форме трубки с отверстиями. Напор потока поддерживался посредством небольшого бачка с поплавком, обеспечивающим постоянную пропорциональную смесь воздуха и бензина.

С этого момента в истории развитие ДВС пошло по нарастающей. Первые карбюраторные моторы имели всего один цилиндр. Рост мощности достигался за счет увеличения объема цилиндра, однако уже к концу столетия начали появиться двухцилиндровые двигатели, а с началом 20-го века все большее распространение начали получать моторы с четырьмя цилиндрами.

Уголь

Однажды кто-то своим любопытным взглядом заметил, что кусочки черного камня со временем загораются с образованием тепла. Именно с этого момента началась угольная эра в развитии человечества.

Впервые сжигание угля началось еще в бронзовом веке примерно 2-1 тысячу лет назад. Полноценное же использование угля началось китайцами в 4-2 веках до н.э. Присущие этой нации основательность и подход позволили организовать добычу угля в промышленных масштабах. По добыче угля Китай лидировал вплоть до 18 века.

Параллельно китайцам на американском континенте другая древняя цивилизация — ацтеки, также занималась добычей и использованием угля. Уголь использовался не только в качестве топлива, но и для изготовления украшений. На смену ацтекам пришли первые европейские переселенцы, которые добывали уголь прямо из неглубоких ям, не устраивая шахт — настолько близко к поверхности земли залегали пласты.

Век 20-й принес с собой комплексную механизацию угольной добычи и значительное увеличение ее объемов при снижении цены. Угольное топливо стало доступным практически всем слоям населения.

Еще с начала 18 века Промышленная революция полностью зависела от угля. Все технические средства, включая оборудование и поезда, были паровыми и использовали уголь.

Постоянное развитие техники требовало использования все больших объемов угля, а его добыча увеличивала область использования техники. То есть, расширяли сеть железных дорог с паровозами, чтобы возить ими уголь из шахт.

Масштабное применение угля стало главным двигателем революции в промышленности. Угольное топливо сгорала в паровозных топках, разжигало доменные печи и горны кузниц. Техническое развитие Великобритании и Западных штатов США стало следствием колоссального увеличения добычи угля. Можно сказать, что все техническое развитие человеческой цивилизации полностью основано на углероде.

Самым популярным и качественным сортом угля стал антрацитовый уголь. Он дает бездымный и ровный жар и полностью вытеснил дровяное топливо во всех областях применения.

Неожиданно в США обнаружили огромные запасы антрацита, а в Пенсильвании появилась целая угольная область, надолго снабдившая топливом Америку.

В это же время усовершенствование паровых машин и применение горючего высокого качества направило развитие технологий на постройку мощных и высокоскоростных кораблей, и под напором угольной копоти эпоха белых парусов ушла в небытие

Атомная электростанция

Первая в мире атомная электростанция была построена в СССР через девять лет после атомной бомбардировки Хиросимы. Этому важнейшему в истории техники событию предшествовала лихорадочная и напряженная работа по созданию собственного ядерного оружия. Эту работу возглавил видный ученый и талантливый организатор Игорь Курчатов. В 1943 году Курчатов создал в Москве свой исследовательский центр (в то время он носил название Лаборатории № 2, а позже был преобразован в Институт атомной энергии). В этой и в некоторых других лабораториях в кратчайшие сроки были повторены все исследования американских ученых, получены чистый уран и чистый графит. В декабре 1946 года здесь же была осуществлена первая цепная реакция на опытном ядерном ураново-графитовом реакторе Ф1. Мощность этого реактора едва достигала 100 Вт. Однако на нем удалось получить важные данные, послужившие основой для проектирования большого промышленного реактора, разработка которого уже шла полным ходом.

Опыта по строительству такого реактора в СССР не было никакого. После некоторых размышлений Курчатов решил поручить эту работу НИИхиммаш, которым руководил Николай Доллежаль. Хотя Доллежаль был чистый химик-машиностроитель и никогда не занимался ядерной физикой, его знания оказались очень ценными. Впрочем, собственными силами НИИхиммаш тоже не сумел бы создать реактор. Работа пошла успешно только после того, как к ней подключилось еще несколько институтов. Принцип действия и устройство реактора Доллежалю были в общих чертах ясны: в металлический корпус помещались графитовые блоки с каналами для урановых блоков и регулирующих стержней — поглотителей нейтронов. Общая масса урана должна была достигать рассчитанной физиками необходимой величины, при которой начиналась поддерживаемая цепная реакция деления атомов урана. В результате реакции деления ядер урана возникали не только два осколка (два новых ядра), но и несколько нейтронов Эти нейтроны первого поколения и служили для поддержания реакции, в результате которой возникали нейтроны второго поколения, третьего и так далее. В среднем на каждую тысячу возникших нейтронов только несколько рождались не мгновенно, в момент деления, а чуть позднее вылетали из осколков. Существование этих так называемых запаздывающих нейтронов, являющихся мелкой деталью в процессе деления урана, оказывается решающим для возможности осуществления управляемой цепной реакции. Часть из них запаздывает на доли секунды, другие — на секунды и более. Количество запаздывающих нейтронов составляет всего 0, 75% от их общего количества, однако они существенно (примерно в 150 раз) замедляют скорость нарастания нейтронного потока и тем самым облегчают задачу регулирования мощности реактора. Именно за это время, манипулируя поглощающими нейтроны стержнями, можно вмешаться в ход реакции, замедлить ее или ускорить. Большинство нейтронов рождается одновременно с делением, и за короткое время их жизни (примерно стотысячные доли секунды) невозможно как-либо повлиять на ход реакции, как невозможно остановить уже начавшийся атомный взрыв. Отталкиваясь от этих сведений, коллектив Доллежаля сумел быстро справиться с задачей. Уже в 1948 году был построен плутониевый завод с несколькими промышленными реакторами, а в августе 1949 года была испытана первая советская атомная бомба.

После этого Курчатов мог уделить больше внимания мирному использованию атомной энергии. По его поручению Фейнберг и Доллежаль начали разрабатывать проект реактора для атомной электростанции. Первый делал физические расчеты, а второй — инженерные. То что ядерный реактор может быть не только производителем оружейного плутония, но и мощной энергетической установкой, стало ясно уже первым его создателям. Одним из внешних проявлений протекающей ядерной реакции наряду с радиоактивным излучением является значительное выделение теплоты. В атомной бомбе эта теплота освобождается мгновенно и служит одним из ее поражающих факторов. В реакторе, где цепная реакция находится как бы в тлеющем состоянии, интенсивное выделение тепла может продолжаться месяцы и даже годы, причем несколько килограммов урана могут выделить столько же энергии, сколько выделяют при сгорании нескольких тысяч тонн обычного топлива. Поскольку советские физики уже научились управлять ядерной реакцией, проблема создания энергетического реактора сводилась к поиску способов съема с него тепла. Опыт, полученный в ходе экспериментов Курчатовым, был очень ценным, однако не давал ответа на многие вопросы. Ни один из построенных к этому времени реакторов не был энергетическим. В промышленных реакторах тепловая энергия была не только не нужна, но и вредна — ее приходилось отводить, то есть охлаждать урановые блоки. Проблема сбора и использования тепла, выделившегося в ходе ядерной реакции, ни в СССР, ни в США еще не рассматривалась.

Важнейшими вопросами на пути проектирования энергетического реактора для АЭС были: какой тип реактора (на быстрых или на медленных нейтронах) будет наиболее целесообразен, что должно являться замедлителем нейтронов (графит или тяжелая вода), что может служить теплоносителем (вода, газ или жидкий металл), какими должны быть его температура и давление. Кроме того, было много и других вопросов, например, о материалах, о безопасности для персонала и об увеличении КПД. В конце концов Фейнберг и Доллежаль остановились на том, что уже было опробовано: стали разрабатывать реактор на медленных нейтронах с графитовым замедлителем и водяным теплоносителем. В их использовании уже был накоплен хороший практический и теоретический опыт. Это предрешило успех их проекта. В 1950 году технический совет Министерства среднего машиностроения из нескольких предложенных вариантов выбрал реактор, разработанный НИИхиммаш. Проектировать электростанцию в целом (ее решено было строить в Обнинске) поручили одному из Ленинградских НИИ, возглавляемому Гутовым. Планируемая мощность первой атомной электростанции 5000 кВт — во многом была выбрана случайно. Как раз тогда МАЭС списал вполне работоспособный турбогенератор мощностью 5000 кВт и переправил его в строящийся Обнинск. Под него и решили проектировать всю АЭС.

Энергетический реактор был не столько промышленным, сколько научным объектом. Непосредственно строительством АЭС руководила Обнинская физико-энергетическая лаборатория, основанная в 1947 году. В первые годы здесь не было ни достаточных научных сил, ни необходимого оборудования. Условия жизни также были далеки от приемлемых. Город только строился. Неасфальтированные улицы покрывались весной и осенью непролазной грязью, в которой безнадежно вязли машины. Большинство жителей ютилось в дощатых бараках и неуютных «финских» домиках. Лаборатория располагалась в совершенно случайных и неприспособленных для научных целей зданиях (одно — бывшая детская колония, другое — особняк Морозовых). Электричество вырабатывала старая паровая турбина на 500 кВт. Когда она останавливалась, весь поселок и стройка погружались в темноту. Сложнейшие расчеты производились вручную. Однако ученые (многие из которых только недавно вернулись с фронта) стойко переносили трудности. Мысль, что они проектируют и строят первую в мире атомную электростанцию, будоражила умы и возбуждала огромный энтузиазм.

Что касается чисто научных проблем, они тоже были очень непростыми. Принципиальное отличие энергетического реактора от промышленного заключалось в том, что во втором типе реактора вода служила только охладителем и никаких иных функций не несла. К тому же излишки тепла, отводимые водой, были таковы, что температура ее изрядно не дотягивала до точки кипения. Здесь же воде предстояло выступать в роли энергоносителя, то есть служить для образования пара, способного выполнять полезную работу. А значит, требовалось сколько возможно поднять температуру и давление. Для эффективной работы турбогенератора требовалось по крайней мере получить пар с температурой свыше 200 градусов и давлением 12 атм (что, кстати, было для того времени очень мало, но решили пока ограничиться этими параметрами).

При строительстве за основу была взята конструкция промышленного реактора. Только вместо урановых стержней предусматривались урановые тепловыводящие элементы — твэлы. Разница между ними заключалась в том, что стержень вода обтекала снаружи, твэл же представлял собой двустенную трубку. Между стенками располагался обогащенный уран, а по внутреннему каналу протекала вода. Расчеты показали, что при такой конструкции нагреть ее до нужной температуры много проще. По эскизным чертежам вырисовывался следующий облик реактора. В средней части цилиндрического корпуса диаметром более 1, 5 м находится активная зона — графитовая кладка высотой около 170 см, пронизанная каналами. Одни из них предназначались для твэлов, другие — для стержней, поглощающих нейтроны и автоматически поддерживающих равновесие на заданном уровне. В нижнюю часть сборки твэлов должна поступать холодная вода (которая на самом деле отнюдь не холодная — температура ее около 190 градусов). Пройдя через тепловыводящие элементы и став на 80 градусов горячее, она попадала в верхнюю часть сборки, а оттуда — в коллектор горячей воды. Чтобы не вскипеть и не превратиться в пар (это могло вызвать ненормальную работу реактора) она должна была находиться под давлением в 100 атм. Из коллектора горячая радиоактивная вода текла по трубам в теплообменник-парогенератор, после чего, пройдя через циркулярный насос, возвращалась в коллектор холодной воды. Этот ток назывался первым контуром. Теплоноситель (вода) циркулировала в нем по замкнутому кругу, не проникая наружу. Во втором контуре вода выступала в роли рабочего тела. Здесь она была нерадиоактивна и безопасна для окружающих. Нагревшись в теплообменнике до 190 градусов и превратившись в пар с давлением 12 атм, она подводилась к турбине, где и производила свою полезную работу. Покинувший турбину пар должен был конденсироваться и снова направляться в парогенератор. КПД всей энергетической установки составлял 17%.

Эта вроде бы простая в описании схема на самом деле была технически очень сложной. Теории реактора тогда не существовало — она рождалась вместе с ним. Особенно сложным элементом были твэлы, от устройства которых во многом зависело КПД всей установки. Процессы, протекавшие в них, были очень сложны со всех точек зрения: предстояло решить, как и каким образом загружать в них уран, до какой степени необходимо его обогащать, каким образом добиться циркуляции воды, находившейся под высоким давлением, и как обеспечить теплообмен. Из нескольких вариантов были выбраны твэлы, разработанные Владимиром Малых — с ураново-молибденовым порошком (уран был обогащен до 5%), спрессованным с тонко измельченным магнием — этот металл должен был создать эффективный тепловой контакт урано-молибденового сплава со стенкой твэла.

Не только начинка твэла, но и его оболочка создавала проблему. Материал тепловыводящих элементов должен был обладать прочностью, противокоррозийной стойкостью и не должен был менять своих свойств под длительным воздействием радиации. Лучший с химической точки зрения материал — нержавеющая сталь — не нравился физикам, так как он сильно поглощал нейтроны. В конце концов, Доллежаль все-таки остановился на стали. Чтобы компенсировать ее поглощающие свойства, решено было увеличить процент обогащенного урана (уже много позже для твэлов был разработан специальный циркониевый сплав, удовлетворявший всем необходимым условиям). Изготовление твэлов и сварка нержавеющей стали оказались чрезвычайно трудными. Каждый твэл имел несколько швов, а таких твэлов было 128. Между тем требования к герметичности швов предъявлялись самые высокие — их разрыв и попадание горячей воды под высоким давлением в активную зону реактора грозили бедой. Одному из многих институтов, которые трудились над этой проблемой, была поручена разработка технологии сварки нержавеющей стали. В конце концов работа была с успехом выполнена. Реактор был пущен в мае 1954 года, а в июне того же года АЭС дала первый ток.

На первой АЭС была тщательно продумана система управления протекающими в реакторе процессами. Были созданы устройства для автоматического и ручного дистанционного управления регулирующими стержнями, для аварийной остановки реактора, приспособлений для замены твэлов. Известно, что ядерная реакция начинается лишь при достижении некоторой критической массы делящегося вещества. Однако в процессе работы реактора ядерное горючее выгорает. Поэтому необходимо рассчитать значительный запас топлива, чтобы обеспечить работу реактора более или менее значительное время. Влияние этого сверхкритического запаса на ход реакции компенсировалось специальными стержнями, поглощающими избыточные нейтроны. При необходимости увеличить мощность реактора (по мере выгорания горючего) регулирующие стержни несколько выдвигались из активной зоны реактора и устанавливались в таком положении, когда реактор находится на грани цепной реакции и идет активное деление ядер урана. Наконец, были предусмотрены стержни аварийной защиты, опускание которых в активную зону мгновенно гасило ядерную реакцию.

Лампочка

Если у пунктов этого списка и есть что-то общее, так это то, что ни одно крупное изобретение не было рождено одним гением или одним изобретателем. Каждое изобретение создавалось на основе предыдущих конструкций, и человек, которого обычно ассоциируют с изобретением, является, как правило, тем, кто сделал его коммерчески жизнеспособным. То же самое и с лампочкой. Вы, наверное, думаете, что лампочку изобрел Томас Эдисон, но в 1870-х годах над этой идеей работали десятки других людей, и вместе с ними — Эдисон со своей лампой накаливания. Джозеф Свон работал над ней в Великобритании, и оба изобретателя объединили усилия и образовали одну компанию Ediswan.

Сама лампочка работает путем передачи электричества по проводку с высоким сопротивлением (известен как нить). Избыток энергии, порожденный сопротивлением, распространяется как тепло и свет. В стеклянной лампочке нить содержится в вакууме или инертном газе, предотвращающих возгорание.

Возможно, вы подумали, что лампочка изменила мир, позволив людям работать в ночи или в темных местах (ну, отчасти, так и есть), но у нас уже были относительно дешевые и эффективные газовые лампы и другие источники света к тому времени. Важна инфраструктура, которая была построена с целью обеспечить электричеством каждый дом, она изменила мир. Сегодня наша жизнь наполнена устройствами, повсеместно соединенными с розетками. Этим мы обязаны стеклянной лампочке.

Электричество

Такие изобретения, как колесо, нередко рождаются случайно у людей, ищущих решения своих каждодневных проблем. Но изобретение электричества стало результатом научных исследований.

Ученые Древней Греции знали, что если потереть янтарь, по-гречески «электрон», получается магнетическая сила, притягивающая перья птиц. Они считали янтарь игрушкой и не знали, как ей пользоваться.

Только 200 лет назад ученые поняли, как можно использовать электричество. Широко известен случай с Бенджамином Франклином, который в 1752 году запустил воздушного змея во время грозы. Он увидел, что тросы встали вертикально. Когда он тронул металлический ключ, то получил удар током. Это стало доказательством того, что в облаках содержится электричество.

Франклин написал в своем журнале «Альманах несчастного Ричарда», что установка громоотвода может защитить дома от грозы. При этом электрический заряд ударит в заземленный металлический прут, а не в здание.

Когда в домах Америки начали устанавливать громоотводы, священники начали энергично протестовать, утверждая, что гром выражает гнев Божий и с ним нельзя связываться.

Батарея

Когда знаний об электричество стало больше, изобретатели поняли, что эту силу можно сохранить для использования в будущем, и создали батарею, которая поможет развитию средств связи.

Батарея сама повлияла на развитие электротехники. Она заложила основу для экспериментов в области телеграфии и телефонии и даже для создания первого беспроводного телеграфа.

Но батарея не была чем-то новым. Предполагают, что электрическая батарея появилась в 1 веке нашей эры. В 1936 году австрийский ученый обнаружил в Багдаде глиняный сосуд, в середине которого был медный пузырек и стальной прут. Проверка показала, что батарея вырабатывала электрический заряд. Но она не могла быть надежным источником энергии. Она была обнаружена в доме фокусника и лекаря, поэтому думают, что она служила «чудом», которое вызывало у окружающих удивление и страх.

Первая настоящая батарея появилась в 80-е года 18 века, когда Алессандро Вольта создал прибор для хранения энергии. Его называли «батареей Вольта», потому что она была собрана из медных и никелевых пластинок, или медных и серебряных пластинок, или медных и цинковых пластинок, с кислотой посередине. Чем больше размер батареи, тем более мощный ток можно получить.

Изобретение батареи Вольта стало революционным. Впервые люди научились хранить электричество и использовать его в качестве источника энергии.

В 19 веке в батарею были внесены мелкие изменения. Это «влажные ячейки» — кислота, внутри которой содержатся металлические электроды. В кислоте происходит химическая реакция, высвобождающая электроны, они перемещаются между электродами и являются источниками энергии.