Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

А чтобы эта система могла функционировать днем, Дедал изобрел еще антипарник. Это камера, изготовленная из черного полиэтилена или, скажем, из теллурида кадмия. Названные вещества непрозрачны для излучения видимого диапазона спектра, но пропускают длинноволновую радиацию, испускаемую объектами при нормальной земной температуре. Такой антипарник не пропускает внутрь солнечные лучи, но выпускает наружу тепловое излучение; в результате помещенные в него объекты охлаждаются. Радиационная температура дневного неба также низка, поэтому объект, помещенный в антипарник, будет охлаждаться и днем, и ночью, т. е. холод в антипарнике будет вырабатываться постоянно.

New Scientist, March 3, 1966

Простейшим, вариантом антипарника, по-видимому, является естественная глубокая выемка в скальной породе, где собирается утренняя роса. В ясные ночи скала излучает тепло в холодное небо. Окружающий воздух при этом охлаждается и отдает свою влагу. Моя идея с зеркалом основана на том же принципе. Точно так же, как параболическое зеркало, направляя солнечные лучи со всех сторон на объект, раскаляет его докрасна, большое зеркало может «собрать» на объекте холод всего ночного неба. Требования к подобной оптической системе гораздо ниже, чем к гелиоконцентратору, а в применении к тепловому двигателю она может оказаться значительно более эффективной. Согласно теореме Карно, максимальный кпд любого теплового двигателя η = (Tнагр - Tхол)/Tнагр, где Tнагр и Tхол — абсолютные температуры соответственно нагревателя и холодильника. Ясно, что гораздо проще приблизить кпд к единице, уменьшая температуру холодильника, чем увеличивая температуру нагревателя. Для достижения кпд = 50% в обычном двигателе на солнечной энергии, холодильник которого имеет температуру окружающего воздуха (300 К), необходимо довести температуру нагревателя до 600 К. Если же температура нагревателя равна 300 К, то такой же кпд получается при температуре холодильника 150 К, т. е. при вдвое меньшей разности температур.

Естественным развитием идеи является антипарник, в котором используются не зеркала, а фильтры, отражающие солнечные лучи, но пропускающие длинноволновое излучение. При хорошем подборе спектральных характеристик фильтров объект, помещенный в антипарник, будет охлаждаться не только ночью, но и днем. За время, прошедшее после опубликования моей заметки, антипарник действительно был построен и испытан (Applied Energy, 3, 1978, p. 267). Б. Бартоли и его сотрудники из университета в Неаполе разработали фильтры, намного превосходящие по своим характеристикам предложенные мной фильтры из теллурида кадмия. Они использовали полированный алюминий с тедларовым покрытием, прозрачным для видимого света и непрозрачным в инфракрасном «окне» атмосферы (8–13 мкм). Падая на пластину, солнечные лучи отражаются от поверхности металла, не нагревая его. Пластина охлаждается, излучая в пространство тепло. Опытные образцы таких пластин днем и ночью имели температуру на 10 °C ниже температуры окружающего воздуха — и это не предел. В принципе, комбинируя соответствующим образом зеркала и фильтры, можно охладить объект до температуры фонового космического излучения (3К). Я с нетерпением ожидаю сообщений о дальнейшем развитии событий.

В конечном счете вся жизнь на Земле зависит от процесса фотосинтеза, происходящего в зеленых растениях; поэтому весьма огорчительно, что эффективность этого процесса составляет всего несколько процентов. Дедал отмечает, что скорость роста растений существенно ограничена медленным током питательных веществ в их тканях. Если бы удалось ускорить движение соков, переносящих питательные вещества от корней к листьям, то и все процессы жизнедеятельности растений протекали бы быстрее. Для этого Дедал намерен использовать явление электроосмоса — движение жидкости сквозь пористую среду под действием электрического поля. По расчетам Дедала, вертикально направленное электрическое поле напряженностью несколько киловольт на метр способно удвоить скорость движения соков в растениях. Для создания такой напряженности поля над травинкой потребуется напряжение в несколько сотен вольт, над колосом — несколько киловольт, над высоким деревом — сотни киловольт. Благодаря высокому электрическому сопротивлению растительных тканей ток утечки будет очень мал и потребляемая мощность составит всего несколько ватт. Ботаники фирмы КОШМАР устанавливают высоковольтные генераторы, питающиеся энергией ветра, на макушках сосен и натягивают над нивами паутину проводов (одновременно она может служить защитой от птиц). Это произведет революцию в сельском хозяйстве. Хлеба будут созревать в считанные недели, деревья вымахают за год в полный рост, и вообще наступит новая эра растительного изобилия. Электрифицированными растениями будет очень легко управлять. Уменьшая напряжение, мы замедлим их рост; если изменить полярность напряжения, то рост остановится и растение как бы заснет; при достаточно высоком напряжении обратной полярности соки потекут вспять и растение погибнет. Очистить заросший сорняками участок можно будет, набросив на него металлическую сетку и подключив ее к источнику высокого напряжения, что позволит обойтись без применения химии. Используя электрифицированную сетку, мы сможем придавать живым изгородям любую желаемую форму, создавать настоящие зеленые скульптуры. А электрическая «газонорастилка» фирмы КОШМАР, представляющая собой просто металлический лист с отверстиями, который перемещают в нескольких сантиметрах над землей, обеспечит нам идеальный газон, покрытый травниками абсолютно одинаковой высоты.

New Scientist, January 15, 1981

Электрический садовник: фигурная сетка, находящаяся под напряжением, останавливает рост побегов, как только они касаются ее, придавая растению заранее заданную форму.

Соки поднимаются по стеблю растений вверх под действием осмотического давления, которое должно быть как минимум равно гидростатическому давлению (составляющему 1 атм на каждые 10 м высоты растения, илн 104 Н/м2 на метр). Чтобы заметно влиять на скорость движения соков, электроосмотическое давление должно иметь по крайней мере такой же порядок величины. Какое для этого потребуется напряжение?

Давление р Н/м2, создаваемое разностью потенциалов V В в жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью ε, заключенной в пористых капиллярах радиусом r, и при контактной разности потенциалов между жидкостью и пористой средой ξ В равно р = 8Vξεε0/r2, где ε0 = 8,85×10-12 Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума. Таким образом в растении с капиллярами радиусом 10 мкм (r = 10-5 м), заполненными жидкостью с ε = 81, и при ξ = 0,05 В электроосмическое давление величиной 104 Н/м2 будет развиваться при напряжении V = pr2/8ξεε0 = 104×10-10 (8× 0,05 × 81 × 8,85×10-12) = 3500 В = 3,5 кВ.

Следовательно, для заметного ускорения движения соков в растениях понадобится разность потенциалов в 3,5 кВ на каждый метр высоты растения. Какая при этом потребуется мощность?

Удельное электрическое сопротивление сухой древесины составляет 108–1011 Ом•м; сопротивление живой растительной ткани, конечно, меньше: допустим, 106 Ом•м. Тогда сопротивление ствола дерева радиусом 5 см равно R = 106/(π×0,052) = 1,3×108 Ом на метр длины. При разности потенциалов Е = 3,5 кВ на этом сопротивлении рассеивается мощность Р = E2/R = 0,1 Вт (т. е. на дереве высотой 10 м рассеивается мощность 1 Вт). Величина тока составит E/R = 30 мкА. Мощности, рассеиваемые на мелких растениях, будут вообще мизерны: колос сечением 1 мм2 будет потреблять мощность 13 мкВт на метр высоты при токе в 4 нА. Это вселяет надежду.

Комментарий Дедала

Вскоре после публикации моей заметки журнал получил письмо от читателя (New Scientist, Febr. 12, 1981, p. 456), обратившего наше внимание на две статьи В. Блэкмана, опубликованные еще в 1924 г. (Journal of Agricultural Science, 14, 1924, p. 240, 268). В этих статьях описывается положительное влияние высокого электрического напряжения на рост таких злаков, как овес и ячмень; при этом упоминаются все описанные мной атрибуты — металлическая сетка над растениями, постоянное (а не переменное) напряжение в несколько десятков киловольт, токи в миллиардные доли ампера на каждое растение. Скорость роста при таких условиях увеличивалась в среднем на 20%.

Опоздав со своим открытием на 60 лет, я нахожу утешение в том, что мне удалось подвести теоретическую основу под экспериментальный факт, казавшийся загадочным. Позднее были описаны другие опыты по изучению влияния электрического поля на растения (New Scientist, Febr. 12?—№, p. 406; March 19, 1981, p. 741). Быть может, этот метод вновь привлечет внимание исследователей.