Много хора знаят, че работата върху ядрените оръжия е спомогнала за разработката на първите електронни компютри. Но това важи в същата степен и за хладилниците, които по косвен начин са позволили да бъде създадена първата атомна бомба.
Докато си чел вестника една сутрин през 1926 г., Алберт Айнщайн за малко да се задави с яйцата, които хапвал за закуска. Цяло семейство в Берлин, включително няколко деца, се било задушило няколко дни по-рано, след като уплътненията на хладилника им се разкъсали и токсичен газ изпълнил апартамента им.
Изпитващ терзания след прочетеното, 47-годишният физик се обадил на негов по-млад приятел, изобретателя и учен Лео Силард. “Трябва да има и по-добър начин”, заявил Айнщайн.
28-годишният Силард впечатлил Айнщайн за пръв път шест години по-рано като доказал, че прочутият учен греши в една конкретна своя теза (а това не се случвало особено често). Силард също така имал усет за превръщане на трудно разбираеми идеи в полезни устройства. В късните си години той се превърнал в нещо като Томас Алва Едисон на високоенергийната физика като създал проекти за първия електронен микроскоп и ускорител на частици.
Двамата с Айнщайн се сприятелили донякъде заради любовта им към подобни механични устройства. Въпреки че бил запомнен основно като теоретик, Айнщайн произлизал от семейство на майстори техници — чичо му Якоб и баща му Херман били изобретили нови типове дъгови лампи и електромери — и бил работил в швейцарската патентна служба в продължение на 7 години.
Така че когато Айнщайн се обадил на Силард въпросната сутрин, двамата се разбрали да си сътрудничат и да създадат по-добър и по-безопасен хладилник.
Това не било толкова странно, колкото звучало на пръв поглед: в предходния половин век охлаждането се превърнало в сериозна наука. Изследванията в областта на термодинамиката и топлината довели до концепцията за абсолютната нула — най-ниската възможна температура — и няколко лаборатории по света се конкурирали да стигнат до абсолютното дъно на термометъра.
Пионерите
Някои от най-добрите научни разработки били свързани с опити за втечняване на определени газове: азот, кислород, водород, метан, въглероден окис и азотен окис. В началото на XIX в. тази шесторка— т.нар. постоянни газове — устоявала на всички опити за втечняването им. Това накарало някои учени да обявят, че тези шест газа никога няма да бъдат втечнени; че те по някакъв начин се отличават от останалата материя.
Други учени заявили, че това са глупости, и че по-мощни нови методи на охлаждане в крайна сметка ще ги кондензират.
Втората група по-специално възлагала надежди на интелигентен цикличен процес на охлаждане, включващ премахване на топлината от субстанции на няколко етапа.
Първата фаза включвала запълване на камера с газ, който да е лесен за втечняване. Да го наречем A. Учените първо компресирали A чрез бутало, после охлаждали компресионната камера с външна обвивка от студена вода. В момента, в който A се охладял, се отваряла клапа. Тя понижавала налягането на A и му позволявала да се разшири в по-голям обем. Ключовият аспект бил, че разширяването в по-голям обем изисква енергия, и сила. По подобен начин на това как група кученца, затворени в килер, изведнъж биха отделили много повече енергия, ако отворите вратата и ги оставите да тичат свободно из къщата.
В тази ситуация, единствената енергия, на която A можел да разчита за разширяването и разпространението си, бил вътрешният му запас от топлинна енергия. Изчерпването на този вътрешен запас от топлинна енергия неизбежно охлаждало A дори още повече и в крайна сметка той се кондензирал в течност при около –73 °C.
Сега идвала изобретателната част. Следващата фаза включвала камера с газ B, който бил по-труден за втечняване. Учените за начало отново компресирали B с бутало. Но този път в охлаждащата обвивка вместо студена вода пускали втечнения газ A. Това понижавало температурата на газа B до –73 °C. Отварянето на клапа съответно карало B да се разширява, което го принуждавало да изчерпа вътрешните си запаси от топлинна енергия. И температурата му спадала до около –118 °C, при което той също се втечнявал.
Втечненият газ B на свой ред можел да бъде използван в друга охлаждаща обвивка, за да се втечни още по-неподатлив газ — C, и така нататък по азбучен ред. Този процес на обвиване на газовете един в друг в крайна сметка достигал толкова ниски температури (около –251 °C), че дори “постоянните” газове не можели да устоят, и всичките шест газа в крайна сметка били втечнени. Особено красив бил втечненият кислород, който светел в леко син цвят, като течно небе.
Как работи хладилникът
Охлаждането на газове обаче оставало само любопитен феномен, докато пивоварната Guinness не инвестирала в технологията към 1895 г. Преди това пивоварните обикновено произвеждали бира само през зимата и я съхранявали (Lager означава точно “съхранение” на немски). Хладилниците позволили на Guinness да произвеждат бира целогодишно, слава Богу.
Като производна технология целият свят получил комерсиални хладилници, като този, който притежавате у дома. Всички съвременни хладилници разчитат на същия общ принцип на газово охлаждане.
Ако свалите вътрешните панели на хладилника си, ще видите поредица от тръбички. В тръбичките ще откриете течност (да я наречем Z) с ниска точка на кипене. Докато касеролите и други остатъци от храна в хладилника отделят топлина, Z поглъща топлината през стените на хладилника и се затопля до кипене. Полученият газообразен Z после преминава през други тръбички, като отвежда топлината.
После Z навлиза в компресионна камера, която компресира газа чрез бутало (моторът, който задвижва компресора, причинява характерното бръмчене на хладилниците). Компресорът на свой ред изтласква топлия газ Z през още и още тръбички зад хладилника, което позволява на Z да отдели топлината навън. На този етап газът вече е премахнал топлината от вътрешността на хладилника и я е отделил навън.
След като Z отдели достатъчно топлина, той се кондензира обратно до течност. После Z преминава през разширително устройство, което намалява налягането му, допълнително го охлажда, и затваря цикъла. Течността Z навлиза в тръбичките в панелите на хладилника, отново се загрява до кипене, и възобновява извличането на топлината и отделянето ѝ навън.
Една подробност обаче звучи подозрително. Докарвате течност (Z) до точката ѝ на кипене, не би ли трябвало всичко да се затопли? Не съвсем. Течността се затопля, да. Но в затворено устройство като хладилника, течността може да се затопли само като извлича топлина от съдържанието на хладилника: затоплянето на едното неизбежно охлажда другото. А кипенето наистина е от решаващо значение.
Помните ли “латентната топлина” на Джеймс Ват? Този принцип гласи, че течностите, преобразуващи се в газове, поглъщат абсурдно големи количества енергия. В двигателите на Ват това е било проблем, но в хладилниците е плюс: абсорбирането на топлината и изнасянето ѝ навън е точно това, което те целят да постигнат, и нищо не дава по-добър резултат от преобразуването на течности в газове (същият общ процес обяснява защо течната пот, когато се изпарява, ви охлажда в летните дни).
Идеята на Айнщайн
Към 20-те години на XX в. хладилниците с газова компресия били заменили ледените хладилни камери в Европа и Северна Америка. Имало само един проблем. И трите газа, които тогава се използвали като хладилни агенти — амоняк, метилов хлорид и серен двуокис — били токсични и често причинявали смъртта на цели семейства (метиловият хлорид понякога освен другото и експлодирал).
Съответно Айнщайн се зарекъл да намери “по-добър начин.”
Той знаел, че слабото място на домашните хладилници е компресорът, където уплътненията често се пропуквали от налягането. Затова двамата със Силард проектирали хладилник без компресор, т.нар. абсорбционен хладилник.
В най-простия тип абсорбционен хладилник започвате с две течности, смесени в камера - абсорбатор и хладилен агент. Ключов за дизайна фактор е, че при ниски температури тези субстанции се смесват лесно. Но ако увеличите температурата — обикновено чрез загряване на камерата с малка метанова горелка — хладилният агент достига точка на кипене и се преобразува в газ, като оставя само абсорбатора.
Газовият хладилен агент на свой ред поема на дълго и трудно пътешествие. Той първо влиза в тръбички зад хладилника и отделя топлината, която е получил от нагревателя; тази стъпка едновременно с това го охлажда обратно до течност. Тази течност заради гравитацията преминава през панелите в хладилника, където извлича топлината от съдържанието му.
Поглъщането на тази топлина причинява ново кипване на течността и полученият газ отделя навън латентната топлина, като я премахва от вътрешността на хладилника (в някои проекти газът след това влиза в още тръбички зад хладилника, за да отдели топлината още веднъж).
Междувременно в първоначалната камера метановата горелка се е изключила, което е позволило на абсорбатора там да се охлади. Обвивка от студена вода охлажда допълнително абсорбатора. Абсорбаторът всъщност се охлажда толкова много, че когато газовият хладилен агент отново стигне до камерата, абсорбаторът го кондензира отново до течност и го абсорбира наново. Съответно се оказваме там, откъдето започнахме, с комбинация от две течности, които могат да се отделят чрез нагряване с пламък.
Като цяло абсорбционните и обикновените хладилници охлаждат съдържанието си по един и същ начин - чрез докарване на газове до точка на кипене. Те обаче използват различен процес за рециклиране на хладилния агент.
Отново това вероятно звучи като измама: пламък да охлажда бирата ви? Но точно това е вълшебството на газовете. Пламъкът в случая не толкова добавя топлина, колкото върши физическа работа — отделя хладилния агент от абсорбатора, като превръща хладилния агент в газ. А след като в системата има свободен газ, има изобилие от възможности. Изкуството на охлаждането се състои в манипулирането на газовете, така че те да абсорбират топлинна енергия на едно място, да я пренасят на друго, и да я отделят другаде.
Ако използваме думите на Томъс Савери, можете да наречете хладилника на Айнщайн-Силард машина за замразяване на вода чрез огън.
Всъщност хладилникът на Айнщайн-Силард е използвал три течности и газа, не две, което го е направило малко по-сложен като конструкция. Но проектът им е имал няколко предимства пред обикновените хладилници. Тъй като е бил без мотор, той не е вдигал шум и рядко се е повреждал. Също така не е използвал електричество (само метан) и е избягвал уплътненията, които често се повреждали и изпускали токсичен газ.
Някои историци смятат, че Айнщайн само е давал съвети за патентната документация или е използвал славата си, за да привлича инвеститори, като е оставил реалната работа на Силард. Всъщност обаче Айнщайн се трудил доста усърдно по проекта и двамата получили десетки патенти в шест държави върху различни компоненти за хладилници (американски патентен юрист, преглеждащ молбите за патент, бил основателно шокиран, когато забелязал подписа на Айнщайн).
Двамата продали няколко патента и получили чек за $750 (равняващи се на около $10 000 в сегашни долари); впоследствие си открили обща банкова сметка, почти като женена двойка. Силард получавал допълнителни $3000 годишно под формата на консултантски такси.
Двамата обаче, отново подобно на женените двойки, имали и своите сблъсъци.
Силард имал инженерен апетит за сложност и добавял нови и нови клапи и охладителни линии към хладилника. Айнщайн за сметка на това копнеел за простота и елегантност — в същата степен в битовите си уреди, в която я демонстрирал във физиката.
Необходимостта от простота в крайна сметка накарала Айнщайн и Силард да изобретят още два охлаждащи механизма, всеки от които работел на база различен физически принцип. В единия те заменили буталото в стандартен хладилник с разтопен натрий, който магнити изпомпвали нагоре-надолу, за да компресира газовете. Другото устройство използвало водно налягане от кухненска чешма, за да задвижва малка вакуумна помпа; помпата после охлаждала чрез изпарение на метанол. Айнщайн нарекъл последното устройство Der Volks-Kühlschrank, “народен хладилник”.
В крайна сметка, за съжаление, нито един от трите хладилника на Айнщайн и Силард не стигнал до нито един дом.
Не твърде изненадващо, помпата с разтопен натрий се оказала леко непрактична за обикновените кухни, въпреки че по-късно намерила приложение в ядрените електроцентрали. Хладилникът с чешмяна вода се провалил, защото немските жилищни сгради имали слабо налягане на водата, което пречело на ефективната работа на вакуумната помпа. А абсорбционните хладилници просто изгаряли твърде много гориво, за да се конкурират с компресионните.
Дори и най-важните възражения срещу традиционните хладилници - смъртоносните газове в тях, отпаднали през 1930 г. с дебюта на нов, не-токсичен хладилен агент — фреона.
Само след десетилетия практически всички домашни хладилници преминали към този хлорофлуоровъглерод и хладилникът на Айнщайн-Силард се превърнал в историческа отживелица.
Естествено, фреонът имал един неприятен недостатък. Когато старите хладилници отивали на сметището, фреонът изтичал и се издигал в стратосферата. Там ултравиолетовата светлина отделяла хлорните атоми и създавала свободни радикали, които разбивали озонните молекули с убийствена ефективност: всеки хлорен радикал можел да унищожи 100 000 молекули O3 през жизнения си цикъл.
Това в крайна сметка отворило дупка в озоновия слой, която все още съществува и няма да бъде преодоляна още десетилетия, ако изобщо някога изчезне. Човечеството би си спестило много главоболия в дългосрочен план, ако беше инвестирало в подхода на Айнщайн-Силард за охлаждане на вода чрез огън.
Означава ли това, че хладилникът на Айнщайн-Силард е бил пилеене на време и талант от страна на тези двама гении? Не непременно. За Айнщайн работата върху него е била приятно разтоварване от неговото безуспешно търсене на “теорията за всичко”.
С две семейства, които да издържа и сриващата се германска икономика, Айнщайн също така е получил приличен допълнителен доход. Силард е имал още по-голяма нужда от парите, особено след като е избягал от нацистка Германия в Лондон през 1933 г., тъй като бил частично от еврейски произход. Силард прекарал следващите няколко години, издържайки се с печалбите си от проекта за хладилник и е използвал внезапната си свобода за дълги разходки и размисли кое ще е следващото голямо откритие във физиката.
Отговорът го сполетял в един следобед на септември 1933 г., докато минавал край Британския музей. Вече бил чувал за някои експерименти с отделяне на субатомни частици, наречени неутрони. И Силард започнал да се чуди какво би станало, ако например уранов атом бъде разделен и отдели многобройни неутрони. Съседни уранови атоми биха могли да ги погълнат, да станат нестабилни и на свой ред да отделят неутрони, когато се разделят. Тези вторични неутрони биха дестабилизирали още атоми, които да отделят третични неутрони, и така нататък. Всеки атом, който би се разделил, също така — според прочутото уравнение на партньора му по патент, E = mc2 — биха отделили още енергия в постоянно разрастваща се енергийна каскада...
Към момента, в който пресякъл улицата пред Британския музей, Силард вече бил измислил принципа на първата ядрена верижна реакция.
И за разлика от неговите изобретателни хладилници, това изобретение станало изключително разпространено в последвалите бурни десетилетия — десетилетия, които разклатили не само вярата на обществеността в добронамереността на учените, но и вярата на учените в една спретната, подредена, предсказуема вселена.
