«Вражений злетом науково-технічного осяяння!..»

Нудні часи настали у фізиці — блискуча наука, яка вражала всіх ще півстоліття тому великими відкриттями, блукає по пустелі, де самородки вже не трапляються на кожному кроці, а знання добуваються скрупульозною працею та колосальними витратами. Все це знецінило в суспільстві велич праці вченого. І те, що ми спостерігаємо сьогодні в середовищі молоді, частково є наслідком втрати колишнього романтизму в науці, без якого не запалити молодих на подвиги, виучку та заради високої мети. Тим більше дивує, коли вченим вдається знайти наукові самородки. Причому там, де буквально проходили армії дослідників.

Усе від самого початку в житті професора Київського політехнічного інституту Валентина Єрошенка складалося так, ніби комусь спеціально хотілося відвести його подалі від стовпової дороги, ступаючи на яку людина може зробити видатне відкриття у фізиці. Так, після закінчення середньої школи в Краматорську він вступив не до фізико-технічного інституту, куди збирали з усієї країни обдарованих молодих людей, де з першого курсу можна було хоч до ранку стовбичити в лабораторіях, обладнаних за останнім словом науки і техніки, радитися з будь-якого приводу з корифеями науки. Ні, Валентин Андрійович вступив на металургійний факультет Київського політехнічного інституту — рутинний напрям сучасної техніки.

Втім, сам Єрошенко так не вважав. Для нього вогнедимні агрегати — домни, мартени — були не менш значимими, ніж для багатьох інших учених та інженерів Байконур під час чергового пуску. Його думками володіла фізика кипіння металу — адже в сталевара метал кипить, як борщ у хорошої хазяйки. Від його вміння залежить, що вийде в результаті — борщ, яким можна здивувати гурманів, чи юшка, яку соромно подавати до столу.

Майстерність сталевара залежить від того, як він випалить із металу зайвий вуглець. При цьому на подині — дні мартена з магнезиту — зароджуються бульбашки газу, на поверхні яких відбувається окислення вуглецю киснем, розчиненим у металі. Чим більше бульбашок оксиду вуглецю, тим потужніше перемішування металу, тим інтенсивніше відбувається процес випалювання вуглецю. Ви можете виконати наочний експеримент, поставивши на вогонь каструлю з водою. От вона нагрілася, але ще не кипить. Візьміть ніж і проведіть по дну... Відразу ж по лінії «надрізу» із дна підніметься стіна бульбашок— ви ініціювали на дні маленькі луночки. При цьому колосальна енергія роздуває бульбашки, які спливають на поверхню. Вони досягають поверхні й вибухають. Діаметр киплячих пузирів у сталі може доходити до метра!

Про користь бездіяльності

«Я захистив дисертацію в 1969 році, — розповідає Валентин Єрошен­ко, — і десять років мене непокоїла думка: яка колосальна поверхнева енергія криється в гетерогенних (неоднорідних) системах! Невже нею не можна керувати і використовувати, наприклад в енергетиці?..

Не знаю, чи вдалося б знайти від­повідь на цікаве для мене запитан­ня, якби раптом у середині 80-х мене не направили до Алжиру завідувати кафедрою автоматизації в Національному інституті наф­ти і газу (Бумердес). Я потрапив до інтернаціонального колективу. Нам створили райські умови життя. На щастя, в колективі підібралися професіонали з чудовими людсь­кими якостями. Власне мені як завідувачу кафедри і робити було майже нічого. В житті з’явився досі незнайомий елемент — сита бездіяльність. Отже, сім’я поруч, надлишок часу, ніяких матеріальних турбот, вілла, машина, садок, який прибирає садівник...

І все це в людини, яка в Києві з родиною (чотири особи) жила в трикімнатній квартирі. А тут читаєш лекцію студентам і бачиш із вікна, як на піщаний пляж накочується середземноморська хвиля. Взагалі північ Африки — рай земний. Не дивно, що тут любили відпочивати давньоримські вельможі.

І от якось лежу на пляжі й відчуваю — певне, мали рацію мої колеги, котрі іронічно напучували мене, що відтепер я пропаща для науки людина. Мовляв, приїду ганчірником, буржуа, мої думки вертітимуться навколо машини, дачі, риболовлі, науку закину й не думатиму про вічне. Невже вони праві? — подумав я не без гіркоти, перевертаючись на чудовому середземноморському піску зі спини на живіт. При цьому зірвав зелену травинку. Тут рослини м’ясисті, соковиті, налиті вологою. І раптом на кінці зламаної стеблинки побачив «бульбочку», тобто краплю рідини. Починаю стискати — краплинка росте. Перестану стискати — і крапля зникає, ніби втягується травинкою...

Еврика!.. Бархатиста тендітна стеблинка дозволила розгадати загадку, яка давно непокоїла під час спостережень за поведінкою пухирів у мартені з киплячою сталлю. Адже стеблинка ламка, і то не пружна енергія її стінок забезпечує появу-зникнення краплі в торці капіляра... То поверхнева енергія краплі змусила переміщуватися рідину в капілярі та деформувати його стінки: примусовий стиск стінок викликає розвиток (збільшення) поверхні краплі, а стінки повертаються у вихідний стан під дією самовільного скорочення поверхні краплі, тобто через виділення системою вільної поверхневої енергії. Остання виконує корисну механічну роботу — деформує стінки стеблинки.

Того ж вечора я придумав акумулятор, у якому з допомогою зміни поверхні можна було б накопичувати енергію. Після цього відразу ж намалював і розрахував термодинамічні цикли: як нагріти-остудити, як стиснути-розширити гетерогенну систему, де робочим тілом є не об’єм, а міжфазна поверхня, що відкривало шлях до перетворення тепла на роботу — створення принципово нового теплового двигуна. Благословенна для мене алжирська травинка породила фонтан найцікавіших ідей.

За міжнародними законами винахід належить тій країні, де він зроблений. Та контракт у мене був педагогічний, а не науковий. Фактично всі роздуми народилися підспудно ще вдома — травинка виконала роль лише спускового гачка, а «постріл» не заскочив мене зненацька...

Через посольство я послав заявку на пріоритет у Комітет зі справ відкриттів і винаходів СРСР. Коли повернувся до Києва, почав інтенсивно розвивати ідею. До цього часу в Держкомвинаходів уже зробили експертизу й порадили брати закритий патент. Треба віддати належне експертам — вони відразу гідно оцінили заявку. Ну, а після цього, як то кажуть, пішло-поїхало...

Скільком людям доводилося розламувати травинки до В.Єрошенка та спостерігати за виникненням краплі! Напевно, стільком же, скільком падало на голову яблуко. Однак закон все­світнього тяжіння спав на думку лише І.Ньютону...

— Чи вдалося б мені прийти до цих ніби й не надто мудрованих висновків і вибудувати все те, що згодом я зробив, якби не моє бездіяльне збування часу та безтурботне життя протягом кількох років? — міркує В.Єрошенко, згадуючи події двадцятилітньої давнини. — Гадаю, ні. Щоб звернути увагу на найважливіше, людині потрібно іноді принаймні на якийсь час відвернутися від дрібних турбот світу, якими заклопотані співвітчизники, вічно кудись поспішаючи. Випадок послав мені таку можливість. На щастя, я зумів скористатися цим шансом...

П’ять слів, які обіцяють змінити багато чого

Спеціальною постановою ВАК і Держкомвинаходів СРСР присудження вченого ступеня доктора технічних наук (технічна термодинаміка) за науковою доповіддю, без написання дисертації, відбувалося у знаменитому закритому інституті, де створювалися «катюша» та ракета Р-7, яка вивела Юрія Гагаріна на орбіту. Праця Валентина Єрошенка розглядалася як наукове відкриття. Після доповіді серед запитань було й таке:

— Скільки вам потрібно слів, щоб захистити новизну та корисність вашої роботи?

— П’ять, — відповів Валентин Андрійович.

— Ну це несерйозно, — відрізав один із членів вченої ради та обурено зняв своє запитання.

Проте голова ради, котрий вів захист, заперечив:

— Ні, оскільки вже запитання поставлене, давайте послухаємо відповідь...

Схильний до м’якого епатажу Валентин Андрійович, почав так:

— А я можу й до двох слів звести пояснення. Ось ці слова — «працює

Поверхня!». Хоча ключова фраза, яка визначає новизну та перспективність нового наукового напряму, справді містить п’ять слів: мірність простору як термодинамічний потенціал системи...

Тепер спробуємо за зрозумілою лише спеціалістам-термодинамікам словесною формулою вловити суть, яка недарма так уперто вислизала від кількох поколінь видатних учених. Всі теплові двигуни використовують як робоче тіло газ або пару. Теплові електростанції світу от уже майже півтора століття використовують так званий цикл Ренкіна або його різновид: цикл Ренкіна-Хірна. Ті самі цикли взяли за основу й творці атомних електростанцій.

Тепло після спалювання палива або виділене атомним реактором підводиться до води, щоб розірвати в ній міжмолекулярні зв’язки й перетворити на пару. Пара при атмосферному тискові займає об’єм у 1600 разів більший, ніж вода. Отут і криються колосальні втрати — дев’ять десятих усієї підведеної теплової енергії іде на непотрібний (для роботи турбіни) розрив зв’язків між молекулами води й лише одна десята енергії йде на те, щоби змусити пару розкручувати турбіну й виробляти електроенергію. Це те саме, що багато років готувати супермена-штангіста, а потім пояснити йому — усе це для того, аби він міг легко піднімати авторучку.

От уже багато десятиліть очевидно: традиційні термодинаміка та теплоенергетика підійшли до межі, яку з допомогою старих уявлень не переступити, нових рубежів не досягти. Зазначена традиційність полягає в непорушності відомого положення: без зміни об’єму робочого тіла (газу-пари) не можна виконати роботу...

Позитивна якість шляху, запропонованого Валентином Андрійовичем, у тому, що можна не змінювати об’єм речовини (чи об’єм окремих компонент термодинамічної системи) і, проте, виконувати роботу в системі, наприклад, закачати в неї енергію. Відповідно до традиційного підходу робота формоутворення вважається рівною нулю, тобто те, куди ви заганяли пару/газ — у пляшку чи в куб, — не мало ваги для конструкторів чи інженерів-експлуатаційників.

У В.Єрошенка виникла думка примусити працювати форму, мірність простору. Робочим тілом у його машинах є не пара, не розпечений газ, а поверхня (двомірне робоче тіло)... Змінюючи мірність простору, тобто переходячи від тримірної системи до двомірної а потім до одномірної (молекулярних ланцюжків) і, нарешті, до нульової розмірності (коли матерія розривається на окремі молекули), ми можемо накопичувати енергію. А обернена еволюція системи, тобто її перехід від нульової розмірності до тримірної дозволяє виділити раніше накопичену енергію й виконати корисну роботу над зовнішнім середовищем. При цьому об’єм речовини, яка піддається таким перетворенням, залишається незмінним. Однак за традиційними уявленнями в такій системі механічна робота неможлива...

Відкриття здивувало своєю нетривіальністю багатьох. Відомий московський учений академік Борис Дерягін — рецензент докторської «доповіді» В.Єрошенка, — коли вперше відвідав лабораторію в КПІ й побачив молекулярну пружину в дії, написав просто на науковій статті Валентина Андрійовича: «Вражений неймовірним злетом науково-технічного осяяння!» І усно додав: увесь світ сто років вивчає подібні системи, всім відома наявність величезної поверхневої енергії, наприклад, у колоїдних системах, але як приборкати її та змусити працювати в тепломеханічних системах, не здогадався ніхто.

На багатьох це відкриття справило аналогічне враження. Член Французької академії наук, Нобелівський лауреат П’єр-Жілль де Женн (Колеж де Франсе) після доповіді В.Єрошенка в Парижі сказав колегам: «Ми сорок років вивчаємо поверхневі явища, а їх несподіване й революційне застосування в термодинаміці та енергетиці знаходить київський професор Єрошенко».

Під час доповіді В.Єрошенка в Інституті авіакосмічної техніки у Франції голова вченої ради так підбив підсумок обговорення: «Панове, ви відчуваєте історичність моменту? Багато хто з нас, зокрема й я, закінчували Йельський університет, Кембридж, але робіт такого рівня, яку доповів професор з України, я ще не чув».

Витівки диявола

Кожен із нас зіштовхується з великими можливостями поверхні. Спробуйте поставити холодну праску на скло. Ви легко піднімете її. А тепер змочіть поверхню і спробуйте підняти. Ви в кращому разі піднімете її разом зі склом, а то й просто розламаєте його. Дивовижна сила, що раптом з’явилася, змушує запідозрити: ми погано знаємо, які можливості приховуються в звичних явищах. Великий фізик Вольфганг Паулі написав колись: «Бог створив об’єм, диявол підсунув нам поверхню».

Винахідники чомусь залишили без уваги ці надзвичайні можливості. Ну хіба що хіміки примудрилися використовувати поверхню, аби у десятки разів збільшити швидкість хімічних реакцій. На цьому принципі працюють каталізатори та різні адсорбенти. А великі фізики, знамениті інженери та конструктори прогледіли, що всі вихідні посилання для нових рішень у галузі нетрадиційної термодинаміки сформульовані — залишалося тільки об’єднати відоме та використовувати поверхню як робоче тіло, з допомогою якого можна накопичувати енергію, перетворювати тепло на роботу тощо. Чим більша поверхня та поверхневий натяг рідини, тим більшу енергію ви можете накопичити. Для цього потрібні лише два елементи — пориста матриця та незмочувальна рідина. Ці компоненти практично нестисливі. Проте робота в системі відбувається завдяки тому, що ми можемо примусово розвинути міжфазну поверхню, а в процесі самовільного (в ряді випадків оборотного) її скорочення повернути раніше накопичену енергію та виконати корисну механічну роботу.

Нині на базі цієї ідеї розробляється кілька проектів. Насамперед це акумулятори, коли систему стискають за одного тиску, а розширюється вона практично за того ж тиску (молекулярна пружина). При цьому досягається ккд, немислимий у звичайних тепломеханічних і навіть в електричних системах. Крім того, в цій системі вдається досягти компактності — вона в десятки разів мініатюрніша, ніж уже наявні.

Принцип дії так званої молекулярної пружини: для накопичення енергії потрібно розвинути величезну питому поверхню «рідина—тверде тіло» (до 1000 та більше м² на 1 грам матриці), тобто роздрібнити рідину на крихітні кластери — наночастинки — з допомогою капілярно пористої жорсткої матриці з розміром пор від одиниць до десятків ангстрем (розмір молекули води близько трьох ангстрем). Коли поровий простір цієї матриці буде заповнений кластерами рідини, утвориться надзвичайно розвинена міжфазна поверхня, яка й є носієм величезної вільної поверхневої енергії. Остання тим вища, чим більш високоенергетична рідина застосовується для її утворення (наприклад, низькотемпературні сплави й евтектики, сольові розчини та інші рідини).

Коли я доповідав про цю систему в Колеж де Франс і взяв у лапки слова «молекулярна пружина», її директор П’єр Жілль де Жен запропонував мені прибрати лапки, бо йдеться справді про молекулярну пружину. До речі, ідею пружини вдалося використати в системі розгортання панелей сонячної батареї після виведення на орбіту одного з кораблів дальнього космосу (Москва). Раніше це робилося з допомогою механічної пружини. Її стискували до 20 кГ. Та це незручно, громіздко й дуже ненадійно. Конструктори із завмиранням серця чекають миті розкриття, оскільки маленька порошинка чи бруд, потрапивши до кінематичної системи, призведуть до того, що механічна пружина просто не розкриє панелі й уся апаратура, як і станція, загине без живлення. Наша молекулярна пружина забезпечувала зусилля 80 кГ при набагато менших габаритах і вперше була застосована під час запуску космічного апарата напередодні розпаду СРСР.

Сьогодні ми розвиваємо нові принципи для порятунку споруд від... руйнування під час землетрусів. Цей напрям надзвичайно зацікавив японців. Річ у тім, що з допомогою системи молекулярних пружин із гістерезисом (так звані репульсивні клатрати) можна будь-яке розхитування будинку плавно заспокоїти й розсіяти надлишкову механічну енергію. Для цього репульсивні клатрати вводяться у фундаменти та каркас будинку, щоб гасити особливо небезпечні бокові удари. Наприклад, поведінка під час землетрусу сучасних гігантських нафтосховищ — видовище не для слабких нервів. «Ходуном ходить» увесь бак діаметром 15—20 метрів. Репульсивні клатрати, розташовані в різних місцях у фундаменті, візьмуть на себе всі поштовхи, повільно їх погасять і спокійно розсіють небезпечну енергію.

Зіштовхуйтеся на здоров’я!

Сучасний автомобіль, напханий новітньою електронікою, водночас містить цілу низку допотопних технологій і досягнень часів наших дідів. Уже близько ста років увесь автомобільний світ користується гідравлічними амортизаторами, які досі не дозволяють розв’язати головне протиріччя між двома вимогами, висунутими до системи підвіски (амортизатор плюс пружина): зчеплення колеса з дорогою і комфорт для пасажирів. Жорстка підвіска забезпечує добре зчеплення колеса з дорогою, але погіршує комфорт; м’яка підвіска поліпшує комфорт, але погіршує (зменшує) зчеплення з дорогою. Звідси сто років пошуку конструкторами прийнятного компромісу... Принцип традиційного розсіювання енергії (в’язке тертя) не дозволяє радикально усунути це протиріччя.

Нещодавно в провідному автомобільному журналі світу (Journal of Automobile Engineering) з’явилися дві статті В.Єрошенка та його співробітників, які називаються дуже обнадійливо: нова парадигма розсіювання енергії. У них розповідається про застосування амортизаторів, побудованих із використанням репульсивних клатратів, які працюють у режимі дисипаторів (розсіювачів) енергії, і перспективи створення нового класу підвісок.

Класичний бампер убезпечує автомобіль під час зіткнення з перешкодою, якщо він їде зі швидкістю три-п’ять, максимум вісім кілометрів на годину. Мізерна швидкість! Такий бампер врятує тільки тоді, коли зіткнення станеться хіба що в заторі під час руху по місту. Водночас репульсивні клатрати роблять безпечним удар машини об перешкоду й за швидкості 35—40 км на годину....

Коли вчений запропонував конструкторам автомобілів на ВАЗі випробувати його бампер на такій швидкості, вони скептично посміхнулися. І навіть переконавшись у тому, що машина залишилася ціла, конструктори буквально не повірили своїм очам. Важливо й те, що пасажири в машині з таким бампером відчувають себе набагато комфортніше — звичайний бампер гасить швидкість грубо: спочатку він вбирає в себе енергію розігнаної машини, а потім, розпрямляючись, повертає енергію, яку не вдалося розсіяти. Бідолашним пасажирам при цьому доводиться двічі реагувати на різку зміну швидкості.

Принципово по-іншому працює бампер на базі репульсивних клатратів. Гасіння енергії удару відбувається з постійним розрахунковим зусиллям (комфортним для пасажирів). У початкове положення шток бампера повертається повільно, із зусиллям в десять разів меншим, ніж під час удару. Зворотної віддачі пасажири взагалі не відчувають.

Не дивно, що такими диво-дисипаторами енергії зацікавилися конструктори автомобілів у різних країнах. Особливо у Франції, з ученими та конструкторами якої В.Єрошенко давно підтримує тісні стосунки. Сьогодні на виставці в науковому парку КПІ представлений амортизатор, виготовлений для автомобіля марки «Рено-Сафран», який успішно пройшов випробування.

Для організації виробництва таких виробів за світовими стандартами потрібно зазначити виготовлювача робочого тіла. У випадку репульсивних клатратів це може бути гідрофобізований силікагель (зовсім нескладна речовина). В.Єрошенко намагався знайти його виготовлювача в Україні. Однак дістав відповідь: охочих виробляти його в нас немає. Дивна байдужість у директорів і бізнесменів до замовлення!

Проте бажання виготовляти його відразу ж виявила німецька фірма «Мерк». Вона спеціалізується на фармацевтиці, хімічній промисловості, але, бачачи перспективність замовлення, вирішила взятися за виготовлення модифікованого силікагелю. Німецькій фірмі була передана методика підготовки гідрофобних матриць.

І ще: в усіх класичних гідросистемах використовується мастило. Щороку викидається 100 млн. гідравлічних амортизаторів. Колосальні кладовища амортизаторів — навантаження на природу. У багатьох місцях грунт просто залитий мастилом. Тому тепер розроблено європейський проект, за яким пропонується створювати амортизатори без використання мастила. Амортизатор на базі репульсивних клатратів — чудовий вихід зі становища (замість 1500 см³ мастила для традиційних амортизаторів потрібно всього 15—20 см³ репульсивних клатратів і стільки ж мастила для передавання гідрозусиль)…

Певне, я дуже щаслива людина, — каже Валентин Андрійович. — Щойно доповів про свої роботи у Швейцарії, Франції, Японії та інших країнах, дістав чимало дуже щедрих пропозицій продати патенти на винаходи.

Визнання приємне, хоча я з більшим задоволенням погодився б на пропозицію, яка походить із нашої країни. І тут до мене звернувся український спонсор. Знайти його — сьогодні мрія кожного вченого. На моє запитання «Навіщо йому потрібно підтримувати вченого та ще з такою складною ідеєю?» почув у відповідь, що багаті колеги витрачають гроші на пусті поїздки, казино, картини, а його хобі — наука і технології.

Сьогодні В.Єрошенко веде свої справи через відомого українського бізнесмена, котрий переконав ученого не поспішати з продажем ексклюзивних прав за кордон. Поверхня обіцяє революцію в термодинаміці. Провідні вчені планети підтвердили перспективність відкриття. Тут можна грати по-крупному. Це поки унікальний для України приклад єднання науки і бізнесу. Не виключено, що успішний розвиток цієї історії не лише відкриє нові обрії для техніки, але й покаже великому українському бізнесу приклад, як можна вигідно вести справи з наукою…