Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

Размышляя о нейтронной бомбе, которая убивает людей, не уничтожая танки и другую боевую технику, Дедал задумался над возможностью создания оружия противоположного вида, которое бы уничтожало бронированные машины, оставляя людей невредимыми. В связи с этим Дедал вспомнил, что механические напряжения существенно понижают коррозионную устойчивость многих материалов. Молекулы, вызывающие коррозию, проникают в микротрещииы на поверхности материала и вступают в реакцию на дне трещины, где механические напряжения наиболее значительны, и поэтому материал наименее стоек к коррозии. Совместное действие коррозии и механического напряжения наиболее значительны, и поэтому материал наименее стоек к коррозии. Совместное действие коррозии и механического напряжения углубляет трещину. Заметим теперь, что многие молекулы, вступая в химическую реакцию, заметно изменяются в объеме. Например, диаметр атома кислорода, вступившего в химическую связь с металлом, увеличивается почти вдвое. Химики фирмы КОШМАР заняты поисками газообразных веществ, молекулы которых при вступлении в реакцию увеличиваются в объеме особенно сильно. Попадая в поверхностную микротрещину и вступая на ее дне в реакцию, эти молекулы станут раздвигать края трещины — ведь нет такого материала, который мог бы противостоять силам молекулярного расширения. Это приведет к значительному усилению механических напряжений и, как следствие, к ускорению коррозии — так что подобные чрезмерно агрессивные вещества уничтожат материал, едва успев попасть на его поверхность. Каждое из боевых химических веществ класса «вдребезггаз» (торговая марка фирмы КОШМАР) вступает в реакцию только с определенным материалом (пластмассой или металлом) и совершенно безвредно для человека.

Это гуманное антиоружие коренным образом изменит характер военных действий. Будет интересно наблюдать действие «вдребезггаза», поражающего стальную броню и превращающего танки в груду ржавых обломков. Более экономичным, однако, скажется применение газа, избирательно поражающего, допустим, медные сплавы (большинство из которых, кстати, особенно подвержено коррозии под действием механических напряжений). Лишившись электронной начинки, военная техника замрет; латунные гильзы патронов и снарядов рассыплются в прах; исчезнут и знаки различия, и медные пуговицы, и пряжки ремней. Так битва прекратится сама собой.

New Scientist, June 15, 1978

Распространяясь в глубь твердого тела, трещина увеличивает его поверхность, но чтобы трещина распространялась дальше, необходимо поступление энергии. Если в твердом теле существуют механические напряжения, энергия поступает за счет ослабления структурных напряжений вблизи образующейся трещины. При небольших трещинах и умеренных напряжениях эта энергия, однако, недостаточна для распространения трещины; поэтому большинство конструкционных материалов в процессе нормальной эксплуатации не склонно к самопроизвольному растрескиванию. Предположим теперь, что мы привлекли дополнительный источник энергии, а именно энергию, выделяющуюся в процессе коррозии. Молекулярный слой (монослой), допустим слой окисла, образуется на поверхности почти мгновенно. Достаточна ли выделяющаяся при этом энергия для разрушения материала?

Величина поверхностной энергии E повдля большинства металлов имеет порядок 1 Дж/м 2, например, для железа E пов= 1,7 Дж/м 2. Плотность железа ρ = 7900 кг/м 3, молярная масса А = 0,056 кг/моль. Тогда 1 м 3железа содержит ρ/A молей вещества, или N = ρL/A атомов, а в 1 м 2поверхности содержится N 2/3атомов, т. е.

M пов= N 2/3/L = (ρ/A) 2/3/L -1/3= (7900/0,056) 2/3 × (6,022 × 10 23) 1/3= 3,2 × 10 -5моль/м 2.

Теплота, выделяющаяся в процессе коррозии железа (т. е. превращения Fe в Fe 2O 3+nH 2O, составляет ΔH = -2,7 × 10 -5Дж/моль (знак «минус» указывает на выделение энергии). Тогда количество теплоты, выделившейся при образовании монослоя ржавчины на 1 м 2поверхности, равно H пов= ΔHМ пов= 2,7 × 10 -5× 3,2 × 10 -5= 8,6 Дж/м 2, что в пять раз больше, чем необходимо для образования 1 м 2свободной поверхности. Таким образом, если хотя бы пятую часть этой энергии удастся направить на образование трещины, то эта трещина будет самопроизвольно распространяться даже в ненагруженном металле. Если же быстрая коррозия захватывает металл глубже, чем на один атом (как это, скорее всего, и происходит), то с 1 м 2поверхности выделится еще больше энергии и на образование трещины придется отвести еще меньшую ее долю.

Плотность ржавчины Fe 2O 3+nН 2О равна 3000 кг/м 3, тогда как плотность железа составляет 7900 кг/м 3; при n = 1 объем за счет коррозии увеличивается более чем в четыре раза. Увеличение объема можно сделать еще более значительным, если кристаллизационную воду (nН 2О) заменить какой-то более крупной молекулой. Слои ржавчины на стенках трещины будут расти, пока не соприкоснутся; дальнейшая коррозия приведет к расклиниванию трещины. Если ржавчина образует k молекулярных слоев на поверхности, то для расширения трещины таким способом потребуется всего лишь 1/5k доли энергии, выделившейся при коррозии. Таким образом, «вдребезггазом» для железа и подобных ему материалов могут служить пары вещества, способного заменить кристаллизационную воду в ржавчине и значительно увеличить ее объем [13] «Вдребезггаз» является вполне реальным средством понижения поверхностной прочности; этот эффект в 1928 г. открыл советский ученый, академик П. А. Ребиндер (1898—1972): см. [10].— Прим. ред. .

Эта идея возникла у меня под впечатлением письма, полученного от фрау Маккланаган из ФРГ. Ее идея состояла в применении инфразвука для уничтожения металлического оружия. Вот что она пишет:

Дорогой Дедал

Пока еще не поздно, пожалуйста, придумай что-нибудь в противовес нейтронной бомбе. Быть может, тебе удастся создать «антибомбу», которая превращает металлы в прах, но оставляет людей невредимыми. Нельзя ли воспользоваться для этой цели результатами работ француза Гавро в области акустики — допустим, настроить звук в резонанс с колебаниями молекул в кристаллической решетке металла?

Я пришел к выводу, что инфразвук не годится для этих целей: во-первых, его частоты лежат совсем в другом диапазоне, а, во-вторых, настроиться на нужную частоту крайне трудно. Но врожденная галантность не позволила мне уклониться от просьбы дамы, и я попытался как можно точнее исполнить ее.

Дедал выдвинул теорию происхождения комет, этих загадочных объектов, которые так интересуют астрономов. Кометы движутся по очень вытянутым орбитам (многие из них выходят за пределы Солнечной системы); значительная часть вещества, составляющего хвост кометы, испаряется, когда комета проходит близко к Солнцу, — многие кометы просто исчезают, приблизившись к Солнцу, и тем не менее их число не уменьшается. Откуда же они берутся? Дедал отмечает, что межзвездный газ — разреженная среда, в которой движутся звезды и планеты, — составляет основную часть массы Вселенной. Астероид, движущийся по сильно вытянутой орбите, большую часть времени находится вдали от Солнца, в жутком космическом холоде. Стало быть, заключает Дедал, такой астероид играет роль ядра конденсации и постепенно обрастает слоем межзвездного вещества: воды, аммиака, метана и даже водорода. После долгих десятилетий блуждания в глубинах космоса астероид возвращается к Солнцу: вследствие довольно резкого повышения температуры его вещество испаряется и образует хвост кометы, развевающийся в потоке солнечного ветра. Необходимо заметить, что из-за медленного накопления и быстрого уноса массы орбита такого астероида испытывает сильные возмущения. Если астроном, рассчитывая орбиту такого объекта, полагает его массу постоянной, то он непременно ошибется. Когда же объект в расчетное время не появляется в поле зрения, астрономы считают его исчезнувшим, а обнаружив позднее, принимают за новую комету, движущуюся по другой орбите. Таким образом, проблема исчезновения и возникновения комет целиком надуманна. Новые кометы, считает Дедал, — это не что иное, как старые кометы, нарастившие новые хвосты и возвращающиеся по неожиданным траекториям. Более того, заявляет Дедал, не исключено, что существует всего-навсего одна комета. Иногда ее заносит в области, где газ более плотен, — и тогда она возвращается во всем своем «хвостатом великолепии)», если же она собирает по пути мало вещества, то по возвращении едва заметна. А астрономы заносят ее в каталоги под новыми и новыми именами…