Эволюция инженерного мышления

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Мы говорим сейчас восторженно: «прекрасный многотонный самосвал…», «чудесный сверхзвуковой самолет…» Эта наша сегодняшняя традиция технического мышления берет начало еще от изобретения колеса, а может быть, ската или даже катка. Сила и скорость — вот две главные мерки, которыми с незапамятных времен и поныне пользуются при оценке произведений техники. Увеличение силы и скорости — вот основной смысл, который искони вкладывал человек в понятие «техническое усовершенствование». Он преуспел в этом усовершенствовании. Водяной, паровой, электрический, бензиновый (внутреннего сгорания), реактивный, атомный двигатели, соответствующие машинные устройства, в которых эти двигатели используются, образуют стройный ряд технических средств, иллюстрирующий восхождение человека.

Авиация? Хорошо! Сверхзвуковая авиация? Еще лучше! Гиперзвуковая авиация? Чудо! Фантастика! Вслед за самолетами — ракеты. Нельзя ли достичь скорости света? Нельзя? Но ничего, и без этого есть простор для прогресса. Совсем еще недавно нам казалось, что «количественному» развитию техники не будет конца. Но предел техническому прогрессу, основанному на исконных представлениях, оказывается, есть.

Лабораторным крысам, которые содержались в обычных помещениях, дышали нормальным комнатным воздухом, предлагали для питья четыре жидкости на выбор: воду, раствор глюкозы, раствор сахарина и алкоголь. Животные неизменно выбирали воду.

Другой группе крыс предварительно давали дышать воздухом, в котором содержалась окись углерода, причем ее концентрация соответствовала той, которая характерна для воздуха некоторых городов, например Нью-Йорка. Крысы выбирали алкоголь. Быть может, и человек, дышащий городским смогом, поступает так же?

Тут речь идет о косвенном ущербе здоровью, наносимом, токсическими веществами. Что касается новых исследований, связанных с прямым воздействием выхлопных и прочих газов на человеческий организм, в них тоже нет недостатка. Взять хотя бы вредное воздействие свинца.

Откуда берется в воздухе свинец? Главным образом, из этилированного бензина, сжигаемого в автомобильных двигателях.

Не мудрено поэтому, что многие считают автомобиль врагом городского жителя. Автомобиль — враг… Вряд ли изобретатель двигателя внутреннего сгорания Жан Этьенн Ленуар мог предвидеть такой оборот дела, стремясь найти достойную замену громоздкой, маломощной, неэкономичной паровой машине. Он работал во имя того, чтобы человечество было сильнее и проворнее. Ему и в голову не приходило, что в технике могут быть иные ценности.

Что же это за ценности, упущенные из виду великими изобретателями прошлого? Безопасность — вот что становится сейчас основным достоинством техники. Безопасность не в узком, примитивном смысле этого слова — не только безопасность того, кто вступает в прямой контакт с техникой.

Исследователи, изучающие искусственные способы вызывания дождя, а также механизм образования облаков, обнаружили, что некоторые промышленные предприятия, бумажные фабрики, лесопильные заводы, на которых сжигаются отходы древесины, алюминиевые заводы и т. п., — выбрасывая дым, непреднамеренно «засевают» облака, в результате чего выпадают осадки и бывает так, что с наветренной стороны от предприятия стоит безоблачная погода, а с подветренной стороны идут дожди.

Это пример неконтролируемого, а потому потенциально опасного изменения климата в небольшом районе. Однако аналогичные процессы происходят и в гораздо больших масштабах, даже в масштабе всей Земли.

Термин «безопасность» имеет глобальный, или, точнее сказать, глобально-вероятностный характер. Не всегда можно установить определенно, нанесут ли какой-либо ущерб людям вещества, выбрасываемые во внешнюю среду, но всегда существует вероятность, что такой ущерб будет нанесен. И мы начинаем уже понимать, что в любом случае устройство, выделяющее меньшее количество отходов, совершеннее, а потому и предпочтительнее, нежели то, что выбрасывает их больше. Начинают действовать иные критерии оценки технических устройств и действуют они с возрастающей активностью. Совершенствовать технику, в современном представлении, — значит, надежно ограждать ее от окружения, а конечная цель — изолировать техническое устройство от окружающей среды.

Не утопия ли это? Возможно ли загнать «в себя» заводы, фабрики, теплоцентрали, распустившие по небесам шлейфы дымов? Во всяком случае, надо стремиться к этому. Может оказаться, что дорога, которую предстоит пройти к созданию безопасной техники, не так уж и велика. Кстати сказать, атомная энергия, последний пункт, достигнутый человеком на дороге увеличения силы, дает нам неплохую отправную точку и для нового путешествия — в страну безопасности. Не исключено, что со временем ядерный реактор станет одним из наиболее безобидных технических устройств.

Уже сейчас, например, разработано оборудование для атомных электростанций, которое предотвращает попадание в атмосферу газообразных радиоактивных веществ. Радиоактивные газы улавливаются, хранятся и периодически вывозятся в отдаленные места. Для хранения газов, выделяемых в течение года электростанцией средней мощности, требуется всего пять баллонов, размеры которых соответствуют размерам кислородных баллонов, используемых при обычной газовой сварке.

Не правда ли — почти идеал «чистого» промышленного предприятия? Однако и тут еще существует определенная опасность, ибо радиоактивные отходы закапывают в землю или хоронят в морских глубинах, причем остается вероятность утечки опасных веществ. Если бы мы попытались сейчас найти наиболее распространенное изображение — символ технического прогресса, мы, пожалуй, остановились бы на реактивном самолете — остроносой серебристой птице с отогнутыми назад крыльями.

В нем — все новое, совершенное, передовое. Между тем, если разобраться, и на него, так же как на автомобиль, уже заведено «досье», где учитываются все его прегрешения. Современные высотные, скоростные самолеты выбрасывают в разреженные верхние слои атмосферы углекислый газ, водяные пары, мелкие твердые частицы. Подсчитано, что высокие, идущие полосами перистые облака, образующиеся в результате полетов реактивных самолетов, уже увеличили облачный покров между Северной Америкой и Европой на 5— 10 процентов. Считается, что опасность, связанная с образованием искусственных облаков, значительно возрастет, когда начнется эксплуатация сверхзвуковых пассажирских самолетов. Если вспомнить, что облака в среднем покрывают 31 процент поверхности земного шара, то легко понять: увеличения облачного покрова на малых высотах только на 5 процентов будет достаточно для значительного понижения температуры Земли.

Трудно сказать, насколько справедливы и оправданы все эти опасения, между самими специалистами тут нет единодушия. В любом случае, однако, можно утверждать, что самолет, при всех его реальных заслугах, уже не олицетворяет собою технический прогресс и в символы он уже не годится. Что же, в таком случае, следует поставить на его место? Рискуя навлечь на себя гнев некоторых читателей, скажу — электромобиль. Не правда ли, не очень подходит для эмблемы, значка? Внешне он ничем не отличается от обыкновенного автомобиля. И все-таки это — сегодня, а то — вчера.

Автомобиль, самолет, ракета — завершение одной великой эпохи. Электромобиль — начало другой, не менее великой.

Колесо, ветряная мельница, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, снова автомобиль, самолет, ракета — это знаки, символы, тотемы, выражающие представление человека о Земле как о чем-то огромном, неохватном, что нельзя (но так хочется) обойти ногами, взрыхлить, перевернуть голыми руками (вспомните Архимеда, который мечтал перевернуть «весь мир» — с помощью рычага; вспомните непомерно преувеличенное, на взгляд современного человека, значение, которое придавалось первым кругосветным путешествиям).

Электромобиль, автомобиль с фреоновым двигателем — иные знаки, иные символы, иные тотемы. Они выражают новый взгляд землянина на свою планету: Земля — маленький- маленький шарик, одним неосторожным движением я, человек, существо, достигшее невиданного могущества, способен погасить этот светильник, я должен быть осторожен.

Могут сказать: но при чем тут электромобиль? Да и вообще, если уж говорить о новом взгляде человека на собственную планету, о формировании новых с ней взаимоотношений, то почему забыт электровоз? Не он ли первенец? Автомобиль с электрическим двигателем только сравнительно с недавнего времени начинает приобретать популярность, а электровоз уже не один десяток лет ходит по стальным путям. Но тут нельзя забывать причины, породившие электровоз. Вряд ли забота о чистоте воздуха и безопасности стояла на первом месте при его конструировании. Стремление к экономичности, желание использовать электроэнергию, ставшую дешевым товаром, — вот, пожалуй, главная причина. Напротив, электромобиль самим своим рождением обязан идее глобальной безопасности.

Электровоз не встретил сопротивления, сменив своего прародителя с паровой машиной, тихо умершего естественной смертью. Электромобиль готовится к схватке со своим старшим родственником, который обладает бензиновым двигателем и в придачу — тотальным господством.

Впрочем, в рядах противника также происходит перестроение, которое, возможно, спасет его от гибели или, по крайней мере, отодвинет ее срок. В чем заключается это перестроение? На автомобильных двигателях внутреннего сгорания устанавливают всякого рода дожигатели, дополнительные компрессоры, оборудуют электронные системы зажигания, двигатели снабжают специальными катализаторами.

Каково назначение этих устройств? Все они, так или иначе, призваны уменьшить содержание вредных примесей в выхлопных газах. Так, в дожигателе обеспечивается непрерывное и полное сгорание углеводородов и угарного газа. Содержание окислов азота в выхлопных газах уменьшается, если установить промежуточный охладитель и воздушный фильтр.

На некоторых автомобилях используют химические реакторы со специальными катализаторами, поглощающими вредные примеси в выхлопных газах. Ради того, чтобы получить какие-то шансы в борьбе с новыми типами автомобильных двигателей, приходится идти на жертвы поистине героические. Подумать только, двигатель внутреннего сгорания готов поступиться самым дорогим, самым святым — своей силой: дожигатель снижает мощность на 20 процентов, а химический реактор, в котором используются катализаторы, — даже на 30. По-видимому, опасность, исходящая от выскочек-конкурентов, в самом деле велика.

И все это легко понять — уже сконструирован автомобильный двигатель, работающий на фреоне по замкнутому циклу. Он не загрязняет воздух и имеет ресурс 100 000 часов, то есть примерно в 50 раз больше, чем обычный двигатель внутреннего сгорания.

Как бы то ни было, эти первые признаки непочтительного отношения к древним идолам — скорости и силе — в угоду веселому молодому богу — безопасности — еще раз доказывают близость великих перемен.

Такой ли уж он веселый, этот бог? Быть может, напротив, с ним скучно иметь дело? Большая сила, большая скорость, могучесть — вот к чему мы стремимся постоянно, что-либо созидая. Экстремальные побуждения, по-видимому, характерны для всякого творчества. Безопасность же как будто не входит в число этих побуждений, присущих нашей психике. Напротив, она — сознательное ограничение силы и скорости.

Давайте уточним, однако, об ограничении каких сил, каких скоростей тут идет речь. Вспомним, что имеются в виду внешние силы и скорости — механические, химические, ядерные и т. п., — ведь разговор ведется о технике. Именно здесь безопасность предстает как средство ограничения силы и скорости. И именно как средство ограничения она, видимо, представляется инженерам довольно скучным делом, имеющим сродство с благотворительностью. Судите сами: я, инженер, могу спроектировать сверхмощный двигатель; использовав в проекте последние технические новинки, призывая на помощь всю свою изобретательность и остроумие, я стараюсь добиться максимального КПД, и вдруг мне советуют, кроме традиционного, близкого сердцу КПД, еще позаботиться и о безопасности двигателя. А значит, нужно чем-то поступиться, ибо ничто не дается даром. Так возникает психологический барьер.

Дело, однако, принимает совершенно иной оборот, когда безопасность рассматривают не как своего рода благотворительность, не как побочную, а как основную цель инженерного творчества. В таком случае она уже не выступает в качестве ограничения, а, напротив, сводится к силе и скорости — к силе и скорости мысли. Достижение этой цели приносит истинное удовлетворение и радость, и мы все чаще становимся тому свидетелями.

Не такому ли подходу обязаны мы появлением проекта двигателя внутреннего сгорания, работающего на… воде? Вода предварительно разлагается на кислород и водород. Кислород выпускается в атмосферу, а водород подается в двигатель как обычное топливо и сгорает в нем, образуя безвредные водяные пары. Автомобилю, оснащенному таким двигателем, как обещают авторы проекта, четырех литров воды хватит на 950 километров. Не правда ли, прекрасная перспектива — все бензиновые колонки заменить водяными, у которых можно и машину «напоить» и самому напиться?

Мы не беремся утверждать, сколь реален проект такого рода, но сам факт возникновения подобной идеи весьма примечателен. В последнее время мысль конструкторов вновь обратилась и к дымовым трубам: нельзя ли сделать так, чтобы они выбрасывали горячие дымовые газы как можно выше? Разумеется, загрязнение атмосферы этим не устраняется, но газы рассеиваются, не оказывая столь вредного действия. Так вот, в Казахстане построена «самая высокая в мире» дымовая труба. Высота ее — 419,7 метров. Неплохой монумент в честь нового образа мышления в технике!

Правда, само конструктивное решение, согласитесь, слишком уж примитивно и прямолинейно. Точнее, решения вообще нет никакого — есть голая количественная экстраполяция: были десятки метров высоты — стали сотни, были сотни тонн бетона — стали десятки тысяч. И все это ради нового бога — безопасности. Но уже и в этой области сверкнула искра истинно творческого подхода. Все знают, как поступают опытные курильщики, чтобы не досаждать дымом своим собеседникам: они выпускают дым аккуратными кольцами, и он быстро поднимается к потолку.

В Англии разработан простой и недорогой способ повышения эффективности подобных сооружений: дым из трубы выпускается импульсами в виде колец. При этом он поднимается на высоту в четыре раза большую, чем при обычном, непрерывном истечении, и, что очень важно, способен проникать через участки атмосферы с температурной инверсией (при наличии такой инверсии, а также в безветренную погоду обычные трубы, даже сверхгигантские, оказываются неэффективными). Сворачиваться в кольца, уплотняться и закручиваться дым заставляет специальная форсунка, периодически впрыскивающая в его поток порции сжатого воздуха.

Согласитесь, что «мини-труба» (в четыре раза меньшая, чем «макси») тоже неплохой памятник. А дым, быстро поднимающийся к небу легкими кольцами, помимо гигиенических, имеет и некоторые эстетические преимущества перед сплошным черным шлейфом.

Неплохо было бы и сам дым сделать менее грязным. Чья это забота — санитарных врачей или конструкторов? Скажем так: и конструкторов тоже. Двадцать миллионов тонн летучей золы выбрасывают ежегодно электростанции, работающие на угле. Наложить запрет на этот выброс, установить фильтры — полдела. А куда ее девать, эту золу, вытряхиваемую из фильтров? Топить в океане в запаянных бетонных кубах, как поступают американцы с газом «СБ». «Высылать» на ракетах в космос? Нонсенс! А нельзя ли приспособить ее к делу? Оказывается, можно. Специалисты давно ломают голову над тем, как повысить силу сцепления автомобильных шин с дорожным покрытием. Выяснилось, что при введении летучей золы в протекторы шин как раз и достигается желаемый эффект.

Неизвестно, что послужило отправным толчком для такого поиска — нужда автомобилистов или забота энергетиков. Если конструктор автомобильных шин сознательно выбрал вещество, присутствие которого в атмосфере столь нежелательно, — это и есть образец современного инженерного мышления.

Во многих других подобных случаях истинные побуждения конструкторов и технологов установлены довольно точно, и какие-либо сомнения на этот счет исключаются. Так, в Армении разработана безотходная технология производства алюминия из нефелинового сиенита. Вместо того, чтобы выбрасывать отходы, их используют для получения… хрусталя, различных химикатов.

Вообще новое инженерное мышление требует несколько иного подхода к выбору конструкционных материалов и технологического сырья. Если прежде конструктор и технолог ставили перед собой конкретную цель, а затем подбирали материал из тех. что существуют в природе, то теперь появляется обширный список веществ, признаваемых «нон-грата» санитарной инспекцией. Вдумчивое изучение этого списка, предшествующее конструированию, выбор из него материалов, пригодных для решения данной конструктивной задачи, или, быть может, даже некоторая корректировка самой конструкции под этот материал, отныне должны ставиться в большую заслугу специалисту.

О некоторых «загрязнителях» атмосферы говорят много. Таковы автомобили, дымовые трубы. О других упоминают меньше. Танкер, например, перевозящий жидкий газ, заслуживает большего упоминания, ибо добыча (и морская перевозка) газа все увеличивается. Плывет такой танкер по морю, газ в танках испаряется, его «стравливают» в атмосферу — сотни тонн газа.

Но ведь это горючее. Куда смотрят конструкторы? Оказывается, они уже подметили эту нелепицу: один вид топлива специально запасается для судовых двигателей, а другой безвозмездно выпускается наружу. Создан двигатель, работающий на продуктах испарения жидкого природного газа и на обычном дизельном топливе. Причем это последнее добавляется в небольшом количестве (около пяти процентов) и используется только для возбуждения процесса горения внутри цилиндров. Расчеты показывают, что того количества газа, которое обычно выбрасывается в атмосферу, вполне достаточно, чтобы обеспечить движение танкера с полной грузоподъемностью. А запас топлива для двигателей благодаря такому решению сокращается почти в десять раз.

Словом, инженерная мысль движется в новом направлении. Как видит читатель, здесь уже достигнуты кое-какие успехи, но главное — впереди. Важно, что оно, это движение, началось. Психология технического творчества претерпевает очередную эволюцию.

Автор: Олег Мороз.