Загадки мироздания

Так что похоже, что водороду найдется использование только на земле. Химики применяют его во множестве «восстановительных» реакций, например для превращения несъедобных овощных масел в полезные твердые жиры. А горючесть водорода нашла свое применение в водородных горелках, которые режут сталь, как масло.

Что же еще?

Несмотря ни на что, водород не сдался. Пламя горящего водорода заставило дирижабль рухнуть вниз, но оно же заставляет ракету лететь вверх! Конец эры дирижаблей совпал с началом эры ракет.

Обычный самолет может маневрировать только в воздухе, где содержится достаточное количество необходимого для сжигания топлива кислорода. Кроме того, воздух должен быть еще и достаточно плотен, чтобы поддерживать вес самой машины.

А вот ракета несет на борту и топливо, и кислород. Когда эти две составляющие объединяются, происходит взрыв и раскаленные газы вырываются из сопел вниз. По закону действия или противодействия, известному также как третий закон Ньютона в честь знаменитого английского ученого, открывшего этот закон в 1683 году, раз часть массы ракеты (газы) вылетает вниз, то вся остальная ракета должна лететь вверх, в противоположном направлении.

По мере того как выхлопные газы вылетают вниз, ракета движется вверх все быстрее. В конце концов она выйдет за пределы атмосферы (которая ей не нужна ни для поддержки, ни в качестве источника кислорода) и выйдет в космос.

Высота, на которую поднимется ракета, зависит, в частности, от того, каким образом выбрасываются выхлопные газы. Чем быстрее они вылетают (чем яростнее происходит реакция), тем больше скорость ракеты, а значит, и высота, на которую она поднимется. Поэтому ученые-конструкторы очень активно искали топливо, которое обеспечило бы наиболее бурную реакцию.

В первых ракетах, вроде игрушечных, что запускают на Четвертое июля [6] , или почти игрушечных, которые применялись в военных действиях XIX века, топливом служил порох. В порохе содержится богатое кислородом вещество селитра, а также углерод и сера, которые под воздействием нагревания вступают в активную реакцию с кислородом селитры. То есть в порохе тоже соединены топливо и кислород.

Но порох — не очень мощное топливо. В 1926 году американский изобретатель Роберт Годдард понял, что с помощью жидкого топлива можно добиться большего. И 16 марта упомянутого года запустил на ферме своей тетушки Эффи в Обурне, штат Массачусетс, первую в мире реактивную ракету на жидком топливе. Использованное им горючее — смесь бензина с жидким кислородом — оказалось в пять раз мощнее, чем тротил. Вскоре ракеты на таком топливе стали подниматься на многие километры в воздух со сверхзвуковой скоростью.

[6]День независимости США. ( Примеч. пер.)

Первыми ракету с реактивным двигателем придумали американцы, но зрелости эта идея достигла в Германии. Во время Второй мировой войны немцы создали боевую ракету «Фау-2». После войны, в 1946 году, мы вывезли к себе в США некоторых немецких конструкторов и взялись за дело всерьез. К сожалению, сам Годдард не дожил до этого всего год.

Сочетание бензина с кислородом продолжали использовать и далее, но ясно было, что эта смесь не является идеальным горючим. Изо всех видов химического топлива энергичнее всего горит водород (в сочетании с кислородом или фтором). Поэтому ракета на водородном топливе могла бы подняться гораздо выше и нести более тяжелый груз, чем на смеси бензина с кислородом той же массы.

Казалось бы, снова настал звездный час водорода, но оставалась одна проблема. В обычной форме водород использовать нельзя — килограмм водорода занимает 9 кубических метров, а объема в любой ракете маловато.

Поэтому надо было перевести водород в какую-то более компактную форму. Можно было бы добиться этого путем сжатия под давлением, но это сложно и опасно. Впрочем, существует еще один способ уменьшить газ в объеме без нагнетания давления — остудить его до жидкого состояния.

После Второй мировой войны компактный водород необходим был не только для ракетных двигателей — шли работы по созданию новой бомбы.

Обычная атомная бомба, выбрасывающая энергию за счет расщепления урана — вроде той, с помощью которой было сломлено сопротивление Японии, — в новой бомбе должна была служить лишь детонатором еще более страшного взрыва. Причиной последнего стало бы насильственное слияние атомов водорода в гелий. Такая бомба получила название «термоядерной», или «водородной».

Так что необходимость в больших количествах жидкого водорода имелась налицо. Однако на пути к достижению этой цели оставался ряд препятствий.

Водород — очень распространенное вещество. Именно атомы водорода составляют две трети от всех атомов как в бензине, так и в океанской воде. А в живой ткани, в том числе и в вашем собственном организме, водород составляет три пятых от общего количества атомов. Да и в земной коре почти каждый тридцатый атом — водород.

Однако сам по себе, не в соединении с другими элементами, водород не встречается. Выделение же атомов кислорода из различных молекул было поначалу процессом сложным и дорогим. Это делалось путем обработки некоторых металлов кислотами или пропускания электрического тока через воду — для скромных нужд XIX века таких технологий было достаточно.

Вскоре после Второй мировой войны представители группы нефтяных и газовых компаний собрались для разработки совместного проекта по производству горючего из природного газа. Ими была изобретена технология сжигания природного газа с последующим глушением пламени в нужный момент для того, чтобы реакция горения осталась незавершенной и вместо углекислого газа и воды ее продуктами оказались угарный газ и водород. Эти два газа при определенных условиях можно снова объединить с получением топлива.

Сработало. Но получение горючего таким образом оказалось экономически нерентабельным по сравнению с получением его из огромных естественных нефтяных месторождений, обнаруженных во время и после войны. Однако научная работа была проведена не зря. Разработанный учеными механизм оказался самым дешевым способом получения водорода.

Следовательно, когда в середине XX века возникла потребность в большом количестве водорода, ее было чем удовлетворить. А вот предоставить водород непременно в жидком виде оказалось сложнее.

На протяжении всего XIX века химики пытались сжижать газы. Некоторые, например хлор и диоксид серы, легко поддавались усилиям исследователей. Стоило чуть остудить их, и они сразу же переходили в жидкое состояние. Впрочем, достаточно было и некоторого увеличения давления, без снижения температуры.

Другие же газы, например кислород, азот и водород, упорно отказывались сжижаться, несмотря ни на значительное снижение температуры, ни на повышение давления. Их классифицировали как «постоянные газы». Однако уже в 1869 году химиками было обнаружено, что, если не опустить температуру ниже некоей «критической точки», то никакое давление не поможет перевести газ в жидкую форму. Получается, что для таких газов, как кислород, азот и водород, такая критическая точка находится на очень низкой отметке температурной шкалы.