Марк Медовник - Жидкости

Системы кондиционирования воздуха — по сути холодильники для воздуха. В машине такая система прогоняет воздух из салона над медными трубками, содержащими хладагент, и за счет этого охлаждает. Прохладный воздух не может удержать в себе много молекул воды, вот почему на кондиционерах всегда образуются капельки (по этой же причине, когда воздух поднимается вверх и остывает, образуются облака). Следовательно, в качестве побочного действия система кондиционирования осушает воздух. В жарких и влажных странах кондиционер — часто единственное средство сделать путешествие в автомобиле, автобусе или поезде терпимым. Но на это уходит громадное количество энергии. В Сингапуре, например, на охлаждение тратится около 50 % энергии, поставляемой в жилые дома и офисы. В США на весь транспортный сектор, включая поезда, самолеты, морские и речные суда, грузовые и легковые автомобили, приходится 25 % энергопотребления страны, тогда как на обогрев и охлаждение зданий — почти 40 %.

И точно так же, как холодильник сзади нагревается в результате охлаждения его внутреннего объема, кондиционер в машине или здании выпускает тепло обратно в окружающую среду, поднимая температуру воздуха снаружи. Суммарный эффект этого невелик, но в городах с плотной застройкой может быть заметным. Ученые из Университета штата Аризона доказали, что исключительно из-за кондиционирования воздуха средние ночные температуры в городах выросли более чем на 1 °C. Да, на первый взгляд это немного, но не забывайте, что повышение средних температур в глобальном масштабе даже на 2 °C вполне может привести к серьезным климатическим изменениям.

Таким образом, задача сделать кондиционирование воздуха более энергоэффективным — глобальный вызов. И я говорю с гордостью, что внес в ее решение небольшой вклад. Для повышения эффективности охлаждающих систем тепло должно передаваться через металлические трубки быстро — именно поэтому в кондиционерах они медные. Медь, возможно, дорога, но очень хорошо проводит тепло. Однако в очень жаркий день в душном офисе при температуре снаружи под 40 °C даже таких трубок подчас не хватает, чтобы обеспечить прохладу в помещении. И здесь решающую роль может сыграть то, как именно жидкий хладагент течет по трубкам.

Однородный поток, как вода, вытекающая из трубы, предсказуем, но скорость внутри него неодинакова. Как правило, внешняя часть, текущая ближе всего к стенкам трубы — и называемая также граничным слоем, — перемещается медленнее, чем внутренняя. Термическое взаимодействие между этими двумя слоями слабое, что снижает скорость, с которой тепло передается наружу. Система охлаждения гораздо эффективнее, если вы можете получить в трубах так называемый турбулентный поток. Это хаотичное состояние, жидкость бурлит и образует водовороты, тщательно при этом перемешиваясь. Один из способов получить турбулентный поток — повысить давление (полностью открыть кран, чтобы вода бурлила и вытекала из трубы хаотично), но на это уходит много энергии. Лучше, если мы сможем разрушить граничный слой, а этого можно добиться, нанеся на внутренние стенки медной трубки спиральные борозды, чтобы они постоянно перемешивали жидкость и тем самым разрушали однородный поток. Именно этот способ получения турбулентного потока стал общепринятым. Он позволяет охлаждающей жидкости более эффективно отнимать тепло и резко повышает эффективность кондиционирования воздуха без дополнительных затрат энергии. Гениально, правда?

Эту штуку изобрел не я. Эйнштейн, правда, ее тоже пропустил, так что я особенно не комплексую.

Система создания турбулентного потока была придумана в XX в., в то время, когда я только учился говорить, а Эйнштейн уже умер. Но к моменту, когда я пошел в школу, затем в университет, затем защитил докторскую диссертацию, в области кондиционирования воздуха ничего не изменилось. Энергоэффективность приобретала всё большее значение, и чувствовалась настоятельная необходимость в снижении стоимости изготовления медной трубки со спиральной внутренней нарезкой. Причем она была настолько настоятельная, что, когда я получил степень по сплавам для реактивных двигателей, профессор Брайан Дерби из Оксфордского университета попросил меня помочь ему в решении этой проблемы. Поскольку она не имела ничего общего со сплавами для реактивных двигателей, я, естественно, не знал, с чего начать.

Медные трубки со спиральной нарезкой производятся при помощи процесса, который во многом напоминает выдавливание зубной пасты из тюбика. Просто представьте, что вместо зубной пасты у вас в тюбике пуля диаметром чуть больше, чем у наконечника, и она не вылетает наружу, когда вы сдавливаете емкость. Вместо этого она медленно проталкивается сквозь носик, и трубка вокруг нее плывет, а медная стенка растягивается. Но поскольку на пуле есть спиральные борозды, по мере выдавливания она проворачивается и переносит свои нарезы на внутренние стенки трубки. Волшебство! Единственная проблема — то, что пулю необходимо делать, свинчивая болтами несколько деталей из сверхтвердого материала — карбида вольфрама, а давление внутри машины, выдавливающей медь, часто поднималось настолько, что болты не выдерживали, пуля разваливалась, и всё заканчивалось полным бардаком, разобраться в котором стоило не один миллион фунтов стерлингов.

Поразительно, но нам удалось найти жидкость, которая решила эту проблему. Мы определили, что можно соединить две половинки пули из карбида вольфрама, превратив внутреннюю часть вещества в жидкость, но сохранив оболочку твердой. Своего рода сверхточная сварка. И, как во многих открытиях, если знаешь, в чем фокус, выполнить его несложно. Нам просто нужно было сжать две части вместе и поместить их в высокотемпературную печь. Благодаря этому жидкость образовывалась внутри вещества; она плавала между двумя твердыми деталями и соединяла их. После остывания получался цельный бесшовный объект из карбида вольфрама. Но это не означало, что изготовленные таким образом пули выдержат нагрузки при использовании. Так что я страшно нервничал, когда ехал на громадный завод медных трубок в Сент-Луисе в США, чтобы наблюдать за первым испытанием моего изобретения. Я знал, что, если пуля не выдержит, испытание обойдется компании в десятки тысяч долларов. Тем не менее должен с гордостью сказать: всё сработало, и мы подали документы на европейский патент «Метод соединения в жидкой фазе» (WO1999015294 A1).

Найти способы охлаждать эффективнее — это просто замечательно, но назревали и другие, более серьезные проблемы. На усовершенствование систем охлаждения была потрачена уйма сил, но никто тогда не задумывался о том, что произойдет, когда холодильники и кондиционеры начнут ломаться. Долгое время они после этого отправлялись прямиком на свалку, где ценные металлы из них извлекались для вторичного использования — сталь рамы и корпуса, медные трубки. Никто не собирал хлорфторуглероды; как только медные трубки разрезали, теплоносители быстро испарялись, запуская процесс охлаждения в последний раз по мере того, как жидкость улетучивалась в воздух. Никто не беспокоился о CFC: эти соединения без того использовались в качестве вытесняющего вещества во флаконах с лаком для волос и других одноразовых предметах. Предполагалось, что они инертны, так какой вред они могли принести? Считалось, что, став газом, они быстро и бесследно рассеиваются ветром. Именно так, кстати, и происходило. Но шли десятилетия, и эти газы проникли в стратосферу, где под действием ультрафиолетового излучения Солнца начали разлагаться на составляющие. А вот эти новые вещества уже могли причинить немало вреда.