«Потрясен взлетом научно-технического озарения!..»

Скучные времена наступили в физике — блистательная наука, потрясавшая всех еще полвека назад великими открытиями, бредет по пустыне, где самородки уже не попадаются на каждом шагу, а знания добываются скрупулезным трудом и колоссальными затратами. Все это обесценило в обществе величие труда ученого. И то, что мы наблюдаем сегодня в среде молодежи, — частично является следствием утери былого романтизма в науке, без которого не зажечь молодых на подвиги, выучку и лишения ради высокой цели. Тем более удивляет, когда ученым удается найти научные самородки. Причем там, где буквально проходили армии исследователей.

Все с самого начала в жизни профессора Киевского политехнического института Валентина Ерошенко складывалось так, будто кому-то специально хотелось увести его подальше от столбовой дороги, вступая на которую человек может сделать выдающееся открытие в физике. Так, после окончания средней школы в Краматорске он поступил не в физико-технический институт, куда собирали со всей страны одаренных молодых людей, где с первого курса можно было хоть до утра торчать в лабораториях, оборудованных по последнему слову науки и техники, советоваться по любому поводу с корифеями науки. Нет, Валентин Андреевич поступил на металлургический факультет Киевского политехнического института — рутинное направление современной техники.

Впрочем, сам В.Ерошенко так не считал. Для него огнедышащие агрегаты — домны, мартены — были не менее значительны, чем для многих других ученых и инженеров Байконур во время очередного пуска. Его мысли занимала физика кипения металла — ведь у сталевара металл кипит, как у хорошей хозяйки борщ. От его умения зависит, что выйдет в результате — борщ, которым можно удивить гурманов, или похлебка, которую стыдно подавать на стол.

Мастерство сталевара зависит от того, как он выжжет из металла лишний углерод. При этом на подине — дне мартена из магнезита — зарождаются пузырьки газа, на поверхности которых происходит окисление углерода кислородом, растворенным в металле. Чем больше пузырей окиси углерода, тем мощнее перемешивание металла, тем интенсивнее идет процесс выжигания углерода. Вы можете проделать наглядный эксперимент, поставив на огонь кастрюлю с водой. Вот она нагрелась, но еще не кипит. Возьмите нож и проведите по дну… Сразу же по линии «надреза» со дна поднимется стена пузырей — вы инициировали на дне маленькие луночки. При этом колоссальная энергия раздувает всплывающие на поверхность пузыри. Они достигают поверхности и взрываются. Диаметр кипящих пузырей в стали может доходить до метра!

О пользе праздности

«Я защитил диссертацию в 1969 году, — рассказывает В.Ерошен­ко, — и десять лет был озабочен мыслью: какая колоссальная поверхностная энергия кроется в гетерогенных (неоднородных) системах! Неужели ею нельзя управлять и использовать, например, в энергетике?..

Не знаю, удалось бы найти ответ на интересующий меня вопрос, если бы неожиданно в середине 80-х меня не направили в Алжир заведовать кафедрой автоматизации в Национальный институт нефти и газа (Бу­мердес). Я попал в интерна­цио­нальный коллектив. Нам создали райские условия жизни. К счастью, в кол­лективе подобрались про­фессионалы с прекрасными человеческими качествами. Собственно мне, как заведующему кафедрой, и делать было почти нечего. В жизни появил­ся доселе незнакомый элемент — сытая праздность. Итак, семья рядом, избыток времени, никаких материальных забот, вилла, машина, садик, за которым ухаживает садовник…

И все это у человека, который в Киеве с семьей (четыре человека) жил в трехкомнатной квартире. А здесь читаешь лекцию студентам и видишь из окна, как на песчаный пляж накатывается средиземноморская волна. Вообще север Африки — рай земной. Неудивительно, что здесь предпочитали отдыхать древнеримские вельможи.

И вот однажды лежу на пляже и чувствую, что, видимо, правы были мои коллеги, иронически напутствовавшие меня, что отныне я — пропащий для науки человек. Мол, приеду тряпичником, буржуа, мои мысли будут вертеться вокруг машины, дачи, рыбалки, науку заброшу и не буду думать о вечном. Неужели они правы? — подумал я не без горечи, переворачиваясь на прекрасном средиземноморском песке со спины на живот. При этом сорвал зеленую травинку. Здесь растения плотные, сочные, налитые влагой. И вдруг на конце сломанного стебелька увидел «бульбочку», то есть каплю жидкости. Начинаю сжимать — капелька растет. Перестаю сжимать — и капля исчезает, будто втягивается травинкой…

Эврика!.. Бархатистый хрупкий стебелек позволил разгадать загадку, которая давно не давала покоя в наблюдениях за поведением пузырей в мартене с кипящей сталью. Ведь стебелек хрупкий, и это не упругая энергия его стенок обеспечивает появление-исчезновение капли в торце капилляра… Это поверхностная энергия капли заставила перемещаться жидкость в капилляре и деформировать его стенки: принудительное сжатие стенок вызывает развитие (увеличение) поверхности капли, а стенки возвращаются в исходное состояние под действием самопроизвольного сокращения поверхности капли, т.е. из-за выделения системой свободной поверхностной энергии. Последняя совершает полезную механическую работу — деформирует стенки стебелька.

В тот же вечер я придумал аккумулятор, в котором с помощью изменения поверхности можно было бы накапливать энергию. После этого сразу же нарисовал и рассчитал термодинамические циклы: как нагреть-охладить, как сжать-расширить гетерогенную систему, где рабочим телом является не объем, а межфазная поверхность, что открывало путь к преобразованию тепла в работу — созданию принципиально нового теплового двигателя. Благословенная для меня алжирская травинка породила фонтан интереснейших идей.

По международным законам изобретение принадлежит той стране, где оно сделано. Но контракт у меня был педагогический, а не научный. Фактически все раздумья родились подспудно еще дома — травинка выполнила роль лишь спускового крючка, а «выстрел» не застал меня врасплох…

Через посольство я послал заявку на приоритет в Комитет по делам открытий и изобретений СССР. Когда вернулся в Киев, начал интенсивно развивать идею. К этому времени в Госкомизобретений уже сделали экспертизу и посоветовали брать закрытый патент. Надо отдать должное экспертам — они сразу оценили заявку по достоинству. Ну, а после этого, как говорится, пошло-поехало…

Сколько людей разламывали травинки до В.Ерошенко и наблюдали за образующейся каплей! Наверное, столько же, скольким людям падало на голову яблоко. Но закон всемирного тяготения пришел в голову только И.Ньютону...

Удалось бы мне прийти к этим вроде бы и не особенно мудреным выводам и выстроить все то, что после этого я сделал, если бы не мое праздное времяпрепровождение и беззаботная жизнь в течение нескольких лет? — размышляет В.Ерошенко, вспоминая события двадцатилетней давности. — Думаю, нет. Чтобы обратить внимание на самое важное, человеку нужно иногда хотя бы на некоторое время отвлечься от мелких мирских забот, которые занимают вечно куда-то спешащих соотечественников. Случай послал мне такую возможность. К счастью, я сумел воспользоваться этим шансом…

Пять слов, которые обещают изменить многое

Специальным постановлением ВАК и Госкомизобретений СССР присуждение ученой степени доктора технических наук (техническая термодинамика) по научному докладу, без написания диссертации, происходило в знаменитом закрытом институте, где создавались «Катюша» и ракета Р-7, которая вывела Ю.Гагарина на орбиту. Работа В.Ерошенко рассматривалась как научное открытие. После доклада среди вопросов был и такой:

— Сколько вам нужно слов, чтобы защитить новизну и полезность вашей работы?

— Пять, — ответил Валентин Андреевич.

— Ну это несерьезно, — отрезал один из членов ученого совета и возмущенно снял свой вопрос.

Однако председатель совета, который вел защиту, не принял отставки:

— Нет, раз уж вопрос задан, давайте послушаем ответ…

Склонный к мягкому эпатажу Валентин Андреевич, начал так:

— А я могу и к двум словам свести объяснение. Вот эти слова — «работает Поверхность!». Хотя ключевая фраза, определяющая новизну и перспективность данного научного направления, действительно содержит пять слов: мерность пространства как термодинамический потенциал системы…

Теперь попробуем за понятной лишь специалистам-термодинамикам словесной формулой уловить суть, которая неспроста так упорно ускользала от нескольких поколений выдающихся ученых. Все тепловые двигатели используют в качестве рабочего тела газ или пар. Тепловые электростанции мира вот уже почти полтора столетия используют так называемый цикл Ренкина или его разновидность: цикл Ренкина-Хирна. Те же циклы взяли за основу и создатели атомных электростанций.

Тепло после сжигания топлива или выделенное атомным реактором подводится к воде, чтобы разорвать в ней межмолекулярные связи и превратить в пар. Пар при атмосферном давлении занимает объем в 1600 раз больший, нежели вода. Вот здесь и кроются колоссальные потери — девять десятых всей подведенной тепловой энергии уходит на бесполезный (для работы турбины) разрыв связей между молекулами воды и только одна десятая энергии идет на то, чтобы заставить пар раскручивать турбину и производить электроэнергию. Это все равно, что много лет готовить супермена-штангиста, а потом объяснить ему, что все это для того, чтобы он мог легко поднимать авторучку.

Вот уже много десятилетий очевидно: традиционные термодинамика и теплоэнергетика подошли к черте, которую с помощью старых представлений не переступить, новых горизонтов не достичь. Указанная традиционность заключается в незыблемости известного положения: без изменения объема рабочего тела (газа-пара) нельзя совершить работу…

Достоинство пути, предлагаемого Валентином Андреевичем, в том, что можно не менять объем вещества (или объем отдельных компонент термодинамической системы) и, тем не менее, совершать работу в системе, например закачать в нее энергию. В соответствии с традиционным подходом работа формообразования считается равной нулю, то есть то, куда вы загоняли пар/газ — в бутылку или в куб, — не имело значения для конструкторов или инженеров-эксплуатационщиков.

В.Ерошенко пришла в голову мысль заставить работать форму, мерность пространства. Рабочим телом в его машинах является не пар, не раскаленный газ, а поверхность (двумерное рабочее тело)… Изменяя мерность пространства, т.е. переходя от трехмерной системы к двухмерной, а затем к одномерной (молекулярным цепочкам) и, наконец, к нулевой размерности (когда материя разрывается на отдельные молекулы), мы можем накапливать энергию. А обратная эволюция системы, т.е ее переход от нулевой размерности к трехмерной позволяет выделить ранее накопленную энергию и совершить полезную работу над внешней средой. При этом объем вещества, подвергаемого таким преобразованиям, остается неизменным. Но по традиционным представлениям в такой системе механическая работа невозможна…

Открытие буквально удивило своей нетривиальностью многих. Известный московский ученый академик Борис Дерягин — рецензент докторского «доклада» В.Ерошенко, — когда впервые посетил лабораторию в КПИ и увидел молекулярную пружину в действии, написал прямо на научной статье Валентина Андреевича: «Потрясен невероятным взлетом научно-технического озарения!» И устно добавил: весь мир сто лет изучает подобные системы, всем известно наличие громадной поверхностной энергии, например в коллоидных системах, но как обуздать ее и заставить работать в тепло-механических системах, не догадался никто.

Аналогичное впечатление это открытие произвело на многих. Член Французской академии наук, нобелевский лауреат Пьер-Жилль до Женн (Коллеж де Франсе) после доклада В.Ерошенко в Париже сказал коллегам: «Мы сорок лет изучаем поверхностные явления, а их неожиданное и революционное применение в термодинамике и энергетике находит киевский профессор Ерошенко».

Во время доклада В.Ерошенко в Институте авиакосмической техники во Франции председатель ученого совета так подвел итог обсуждению: «Господа, вы чувствуете историчность момента? Многие из нас, в том числе я, заканчивали Йельский университет, Кэмбридж, но работ такого уровня, какую доложил профессор с Украины, я еще не слышал».

Проделки дьявола

Каждый из нас сталкивается с великими возможностями поверхности. Попробуйте поставить холодный утюг на стекло. Вы легко поднимете его. А теперь смочите поверхность и попробуйте поднять. Вы в лучшем случае поднимете его вместе со стеклом, а то и попросту разломаете его. Неожиданно появившаяся чудовищная сила заставляет заподозрить, что мы плохо знаем, какие возможности таятся в привычных явлениях. Великий физик Вольфганг Паули написал когда-то: «Бог создал объем, дьявол подсунул нам поверхность».

Изобретатели почему-то обошли вниманием эти замечательные возможности. Ну разве что химики ухитрились использовать поверхность, чтобы в десятки раз увеличить скорость химических реакций. На этом принципе работают катализаторы и различные адсорбенты. А великие физики, знаменитые инженеры и конструкторы проглядели, что все исходные посылки для новых решений в области нетрадиционной термодинамики сформулированы — оставалось лишь объединить известное и использовать поверхность как рабочее тело, с помощью которого можно накапливать энергию, преобразовывать тепло в работу и так далее. Чем больше поверхность и поверхностное натяжение жидкости, тем большую энергию вы можете накопить. Для этого нужны лишь два элемента — пористая матрица и несмачивающая эту матрицу жидкость. Эти компоненты практически несжимаемы. Тем не менее работа в системе совершается благодаря тому, что мы можем принудительно развить межфазную поверхность, а в процессе самопроизвольного (в ряде случаев, обратимого) ее сокращения вернуть ранее накопленную энергию и совершить полезную механическую работу.

Сейчас на базе этой идеи разрабатываются несколько проектов. Прежде всего, это аккумуляторы, когда систему сжимают при одном давлении, а расширяется она практически при том же давлении (молекулярная пружина). При этом достигается кпд, немыслимый в обычных тепломеханических и даже в электрических системах. Кроме того, в этой системе удается достичь компактности — она в десятки раз более миниатюрна, чем существующие.

Принцип действия так называемой молекулярной пружины: для накопления энергии нужно развить огромную удельную поверхность «жидкость— твердое тело» (до 1000 и больше м2 на 1 грамм матрицы), т.е. раздробить жидкость на крохотные кластеры — наночастицы — с помощью капиллярно пористой жесткой матрицы с размером пор от единиц до десятков ангстрэм (размер молекулы воды около трех ангстрэм). Когда поровое пространство этой матрицы будет заполнено кластерами жидкости, образуется чрезвычайно развитая межфазная поверхность, которая и является носителем огромной свободной поверхностной энергии. Последняя тем выше, чем более высокоэнергетическая жидкость применяется для ее образования (например, низкотемпературные сплавы и эвтектики, солевые растворы и другие жидкости).

Когда я докладывал об этой системе в Коллеж де Франсе и взял в кавычки слова «молекулярная пружина», ее директор Пьер Жилль де Жен предложил мне убрать кавычки, потому что речь действительно идет о молекулярной пружине. Кстати, идею пружины удалось использовать в системе развертывания панелей солнечной батареи после вывода на орбиту одного из кораблей дальнего космоса (Москва). Раньше это делалось с помощью механической пружины. Ее сжимали до 20 кГ. Но это неудобно, громоздко и очень ненадежно. Конструкторы с замиранием сердца ждут момента раскрытия, потому что маленькая пылинка или грязь, попавшая в кинематическую систему, приведут к тому, что механическая пружина попросту не раскроет панели, и вся аппаратура, как и станция, погибнет без питания. Наша молекулярная пружина обеспечивала усилие 80 кГ при гораздо меньших габаритах и впервые была применена при запуске космического аппарата накануне распада СССР.

Сегодня мы развиваем новые принципы для спасения зданий от… разрушения при землетрясениях. Это направление чрезвычайно заинтересовало японцев. Дело в том, что с помощью системы молекулярных пружин с гистерезисом (так называемые репульсивные клатраты) можно любую раскачку здания плавно успокоить и рассеять избыточную механическую энергию. Для этого репульсивные клатраты внедряются в фундаменты и каркас здания, чтобы гасить особо опасные боковые удары. К примеру, наблюдение за поведением при землетрясении современных гигантских нефтехранилищ не для слабонервных — при подземных толчках «ходит ходуном» весь бак диаметром 15—20 метров. Репульсивные клатраты, расположенные в разных местах в фундаменте, возьмут на себя все толчки, медленно их погасят и спокойно рассеют опасную энергию.

Сталкивайтесь на здоровье!

Современный автомобиль, напичканный новейшей электроникой, одновременно содержит целый ряд допотопных технологий и достижений времен наших дедов. Вскоре исполнится сто лет, как весь автомобильный мир пользуется гидравлическими амортизаторами, которые до сих пор не позволяют разрешить главное противоречие между двумя требованиями, предъявляемыми к системе подвески (амортизатор плюс пружина): сцепление колеса с дорогой и комфорт для пассажиров. Жесткая подвеска обеспечивает хорошее сцепление колеса с дорогой, но ухудшает комфорт; мягкая подвеска улучшает комфорт, но ухудшает (уменьшает) сцепление с дорогой. Отсюда — 100 лет поиска приемлемого компромисса конструкторами… Принцип традиционного рассеивания энергии (вязкое трение) не позволяет радикально разрешить это противоречие.

Недавно в ведущем автомобильном журнале мира (Journal of Automobile Engineering) появились две статьи В.Ерошенко и его сотрудников, которые называются весьма обнадеживающе: новая парадигма рассеивания энергии. В них рассказывается о применении амортизаторов, построенных с использованием репульсивных клатратов, работающих в режиме диссипаторов (рассеивателей) энергии, и перспективах создания нового класса подвесок.

Классический бампер обеспечивает безопасность при столкновении автомобиля с препятствием, если он едет со скоростью три-пять, максимум восемь км в час. Мизерная скорость! Такой бампер спасет только в случае, если столкновение произойдет разве что в пробке при движении по городу. В то же время репульсивные клатраты делают безопасным удар машины о препятствие и при скорости 35—40 км в час….

Когда ученый предложил конструкторам автомобилей на ВАЗе испытать его бампер на такой скорости, они скептически улыбнулись. И даже убедившись в том, что машина осталась цела, конструкторы буквально не поверили своим глазам. Важно и то, что пассажиры в машине с таким бампером чувствуют себя гораздо более комфортно — обычный бампер гасит скорость грубо: сначала он вбирает в себя энергию разогнанной машины, а затем, распрямляясь, возвращает энергию, которую не удалось рассеять. Бедным пассажирам при этом приходится дважды реагировать на резкое изменение скорости.

Принципиально по-иному работает бампер на базе репульсивных клатратов. Гашение энергии удара происходит с постоянным расчетным усилием (комфортным для пассажиров). В начальное положение шток бампера возвращается медленно, при усилии в 10 раз меньшем, чем при ударе. Обратной отдачи пассажиры вообще не чувствуют.

Неудивительно, что такими чудо-диссипаторами энергии заинтересовались конструкторы автомобилей в разных странах. Особенно во Франции, с учеными и конструкторами которой В.Ерошенко давно поддерживает тесные отношения. Сегодня на выставке в научном парке КПИ представлен амортизатор, сделанный для автомобиля марки «Рено-Сафран» и прошедший успешные испытания.

Для организации производства подобных изделий по мировым стандартам нужно указать изготовителя рабочего тела. В случае репульсивных клатратов это может быть гидрофобизированный силикагель (совсем несложное вещество). В.Ерошенко пытался найти его изготовителя в Украине. Но получил ответ: желающих производить его у нас нет. Поразительное равнодушие у директоров и бизнесменов к заказу!

Однако желание изготавливать его сразу же проявила немецкая фирма «Мерк». Она специализируется на фармацевтике, химической промышленности, но видя перспективность заказа, решила взяться за изготовление модифицированного силикагеля. Немецкой фирме была передана методика подготовки гидрофобных матриц.

И еще: во всех классических гидросистемах используется масло. Каждый год выбрасывается 100 млн. гидравлических амортизаторов. Колоссальные кладбища амортизаторов — нагрузка на природу. Во многих местах почва просто залита маслом. Поэтому сейчас разработан европейский проект, по которому предлагается создавать амортизаторы без использования масла. Амортизатор на базе репульсивных клатратов— великолепный выход из положения (вместо 1500 см³ масла для традиционных амортизаторов требуется всего 15—20 см³ репульсивных клатратов и столько же масла для передачи гидроусилий)…

— Видимо, я очень везучий человек, — говорит Валентин Андреевич. — Как только доложил о своих работах в Швейцарии, Франции, Японии и других странах, получил немало весьма щедрых предложений продать патенты на изобретения.

Признание приятно, хотя я с большим удовольствием согласился бы на предложение, исходящее из нашей страны. И тут ко мне обратился украинский спонсор. Найти его — сегодня мечта каждого ученого. На мой вопрос «Зачем ему нужно поддерживать ученого да еще с такой сложной идеей?» услышал в ответ, что богатые коллеги тратят деньги на праздные поездки, казино, картины, а его хобби — наука и технологии.

Сегодня В.Ерошенко ведет свои дела через известного украинского бизнесмена, который убедил ученого не торопиться с продажей эксклюзивных прав за рубеж. Поверхность обещает революцию в термодинамике. Крупнейшие ученые планеты подтвердили перспективность открытия. Здесь можно играть по-крупному. Это пока уникальный для Украины пример единения науки и бизнеса. Не исключено, что успешное развитие этой истории не только откроет новые горизонты для техники, но и покажет крупному украинскому бизнесу пример, как можно выгодно вести дела с наукой…