Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

2. Привязной геостационарный спутник

Каждый участок троса должен выдерживать вес остальной части троса, расположенной ниже. Для этого трос должен утолщаться кверху приблизительно по экспоненциальному закону. Площадь сечения троса Aa вблизи спутника, находящегося на геостационарной орбите, связана с площадью сечения троса А0 у поверхности Земли соотношением Аа ≈ А0 exp(ρr0g/Y), где ρ — плотность материала троса, g — ускорение силы тяжести у поверхности Земли, Y — модуль упругости материала троса, r0 — радиус Земли.

3. Привязной спутник на шарнире Такой спутник может иметь любой период обраенияy (например, можно протянуть трос к Луне). Однако силы, действующие на ось, могут оказаться очень большими.

Эти две мои идейки появились на страницах журнала одними из первых. Они высказывались весьма неуверенно, ибо в ту пору редакция еще сомневалась, можно ли публиковать на страницах солидного журнала столь смелые предложения. Поэтому я был очень рад, когда основные положения обоих проектов были позднее повторены Дж. Д. Айзексом, А. Вайном, Г. Брэднером и Дж. Баккусом в журнале Science (151, Febr. 11, 1966, p. 682). Цитирую:

Помимо способности удерживаться в натянутом состоянии трос, закрепленный на экваторе вращающейся планеты или на естественном спутнике планеты (возможно, и на полюсе быстро вращающегося тела) и выходящий достаточно далеко за пределы орбиты стационарного спутника, будет обладать и другими интересными и полезными свойствами.

Массы, перемещаемые вдоль троса от поверхности центрального тела, будут запускаться в космическое пространство частично за счет энергии, отбираемой у вращающегося центрального тела.

Далее авторы рассчитывают прочность и сечеиие троса, указывают подходящие материалы для его изготовления и анализируют, на каких планетах и спутниках Солнечной системы этот проект легче всего реализовать.

Переписка с Артуром Кларком, в романе которого «Фонтаны рая» упоминается орбитальная башня высотой 35700 км, открыла мне, что эти мысли не так уж новы. Проект орбитальной башни впервые был предложен К. Э. Циолковским еще в 1895 г. Орбитальный трос был описан ленинградским инженером Ю. Арцутановым в «Комсомольской правде» от 31 июля 1960 г. Трос до Луны, по-видимому, придуман С. Голомбом в 1962 г. (Astronautics, 7–8, 1962, р. 26).

Артур Кларк сообщил мне: «…основная работа в этой области проводится Джеромом Пирсоном на базе ВВС США Райт-Паттерсон в штате Огайо. Его первая статья озаглавлена «Орбитальная башня»: установка для запуска космических аппаратов, использующая энергию вращения Земли» (Acta Astronautica, 2, 1975, p. 785). Пирсон думал, что эта идея целиком принадлежит ему, ибо библиографический поиск с помощью ЭВМ не выявил даже статью Айзекса!»

Наверное, следовало бы еще раз внимательно просмотреть и альбомы Леонардо да Винчи. Я утешаюсь тем, что фирма КОШМАР по крайней мере была одним из независимых авторов этих впечатляющих проектов.

Когда электрон изменяет скорость или направление движения, он испускает электромагнитное излучение. В таком случае, считает Дедал, при прохождении электрического тока по извилистому проводнику должен излучаться свет. Частота излучаемого «света» в такой установке будет равна числу извилин проводника, проходимых электроном за секунду, и, следовательно, она лежит гораздо ниже границы видимого диапазона спектра. Даже если бы электроны двигались со скоростью света (как, к примеру, в длинной, извилистой формы радиолампе под действием ускоряющего напряжения), длина волны испускаемого излучения была бы равна длине одной извилины. Чтобы получить таким способом видимый свет, понадобилась бы лампа с извилинами, меньшими длины волны видимого света. Дедал предлагает воспользоваться кристаллами поваренной соли. В кристаллической решетке соли положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора чередуются с интервалом 0,28 нм, и электроны в пучке, направленном вдоль поверхности кристалла, будут отклоняться то в одну, то в другую сторону под действием полей, создаваемых чередующимися положительными и отрицательными зарядами. По расчетам Дедала, заполненная солью радиолампа должна излучать видимый свет уже при разности потенциалов между электродами в 0,05 В.

КПД такой лампы невелик, так как электроны касаются поверхности кристалла только в отдельных участках своего пути. Поэтому Дедал ищет пористый материал с ионной структурой, внутри которого электроны вынуждены были бы двигаться по извилистой траектории. Для этой цели больше всего подходят цеолиты, широко применяемые в ионообменниках и молекулярных ситах. В лабиринте их ячеистой структуры электрон будет двигаться по траектории с извилинами длиной 2 нм. Дедал присоединяет электроды к кускам цеолита, запаивает их в стеклянные баллоны и откачивает воздух. В результате получается «лабиринтная радиолампа». В этой лампе электроны движутся зигзагообразно от катода к аноду, испуская электромагнитное излучение на всем пути. Видимый свет будет излучаться уже при напряжении 3 В, причем такая лампа способна перестраиваться по спектру в очень широком диапазоне. В зависимости от приложенного напряжения, определяющего скорость движения электронов внутри цеолита, лампа излучает свет с любой длиной волны: от инфракрасного до ультрафиолетового[42]. Способность цеолампы изменять свой цвет с той же частотой, с какой изменяется управляющее напряжение, обеспечивает ей множество полезных применений в технике и в быту. При питании обычным переменным напряжением от сети цвет лампы будет казаться постоянным, так как глаз не в состоянии различить его изменения с частотой 50 Гц. Однако этот цвет легко изменять, управляя величиной или формой питающего напряжения. Особенно эффектно это свойство может использоваться в театральных постановках и на эстраде. В частности, Дедал надеется, что цеолампы помогут «живым» концертам одержать верх в конкуренции с звукозаписью. Цеолампа, управляемая через усилитель сигналом от музыкального инструмента, будет действовать как цветовой стробоскоп. Например, цвет струны, освещенной цеолампой, будет изменяться в фазе с ее собственными колебаниями. Скрипки, барабаны и тарелки станут переливаться всеми цветами радуги.

New Scientist, July 25, 1974

Звучащая тарелка переливается всеми цветами радуги: от фиолетового в верхнем положении до красного — в нижнем. В действительности же наличие высших гармоник приведет к еще более красочным зрелищным эффектам.

Электрон, имеющий массу m и заряд е, ускоряясь за счет разности потенциалов Е, приобретает скорость v, которая определяется из уравнения Ee = 1/2v2. Пусть этот электрон проходит через кристаллическую решетку с периодом l. Чтобы электрон «вилял» с частотой v, он должен проходить v периодов решетки в секунду, т. е. двигаться со скоростью v=vl. Соответствующая разность потенциалов равна E = 1/2mv2/e = mv2t2/2e = kv2t2; при m = 9,11×10-31 кг и e = 1,60×10-19 Кл находим k = 2,8×10-12 кг/Кл.

Таким образом, чтобы получить желтый свет с частотой v = 500 ТГц, направляя электроны вдоль поверхности кристалла соли с периодом решетки l = 0,28 нм, необходима разность потенциалов Е = 2,8×10-12 × (500×1012)2 × (0,28×10-9)2 = 0,054 В. Но это слишком мало, чтобы обеспечить достаточно интенсивную эмиссию электронов из обычных катодов.

Цеолиты выглядят гораздо более привлекательно. Они прозрачны, и внутри цеолита электроны движутся в извилистом «объемном» лабиринте, а не вдоль поверхности.

«Период решетки» l здесь составляет около 2 нм, соответственно и значения разности потенциалов получаются более приемлемые. Красному свету (400 ТГц) соответствует E=1,8 В, желтому (500 ТГц) — 2,8 В, голубому (600 ТГц) — 4 В, фиолетовому (750 ТГц) — 6,3 В. Подняв напряжение до нескольких киловольт, можно выйти в область дальнего ультрафиолета, однако в ИК-области напряжения будут слишком малы, чтобы обеспечить достаточную эмиссию электронов. Поэтому цеолампу скорее можно считать удобным перестраиваемым источником излучения видимого и ультрафиолетового диапазона.

Это изобретение не блещет новизной, как мне казалось вначале. Позднее я обнаружил, что аналогичный принцип используется в генераторе длинноволнового ИК-излучения Смита — Парселла (Physical Review, 92, 1953, p. 1069) В этом приборе электронный луч направляется вдоль поверхности дифракционной решетки с большой плотностью штрихов. Однако расстояние между штрихами дифракционной решети гораздо больше, чем период решетки цеолита поэтому источник Смита — Парселла пригодер только для дальней ИК-области. Кроме того излучение здесь генерируется только на поверхности, в то время как цеолампа генерирует свет во всем своем объеме.