Химия и Химики № 4 2015. Невосполнимая потеря, или Трагедия одного института. (Очерк о машинах абсолютного холода)

Эту историю я хочу рассказать по той причине, что она пережита и прочувствована мной, и эти переживания ищут исхода. Эта история захватывающе интересна, так как содержит тайны, в том числе и еще не раскрытые, печальна, поскольку в ней Свет терпит поражение от Тьмы, и обыденна оттого, что в нынешней России таких историй великое множество.

Эта история, как и всякая другая история, имеет свое начало. Началом нашей истории послужит тезис о пользе холода. В самом деле, с давних времен люди использовали холод для хранения скоропортящихся продуктов - сооружали погреба, в которых даже в жаркие летние дни температура была около +5...+10 градусов Цельсия, и ледники, в которых температура не поднималась выше нуля. Лед пилили на реках весной, накануне ледохода (художественное описание этой работы можно встретить, например, в повести "Лето Господне" И.С. Шмелева) и закладывали в ледники в таких количествах, что его хватало на все лето.

Изучая поведение газов, люди заметили, что при сжатии газы нагреваются. Если сжатому и охлажденному до первоначальной температуры газу дать расшириться, то он охладится до температуры ниже первоначальной. Другим способом охлаждения явилось испарение жидкостей. Заставляя жидкость интенсивно испаряться (понижая полное давление ее пара над ней вакуумированием, т.е. откачиванием пара насосом, или понижая парциальное давление вентиляцией, так, как мы дуем, чтобы остудить горячий чай), можно отнять еще больше тепла. Наконец, при растворении некоторых веществ (жидких, твердых и газообразных) в некоторых жидкостях смесь также охлаждается. На этих явлениях основаны способы производства искусственного холода. Испарение и конденсацию специальных хладагентов (фреонов или аммиака) используют в компрессионных холодильниках. Сжатие и расширение газа используют в машинах, работающих по циклам Стирлинга и Мак-Магона. Абсорбцию и десорбцию газов (чаще всего, аммиака) используют в абсорбционных холодильниках. Известны и другие явления, позволяющие производить холод, например, эффект Пельтье, но они менее эффективны и не находят применения в промышленных масштабах.

Исследования в области холодильных машин не остановились, когда была решена проблема длительного хранения скоропортящихся продуктов. Пытливый ум человека стал не только приспосабливать низкие температуры для решения все новых задач - для сушки материалов, приготовления нестойких веществ, получения материалов особой структуры (например, для полноты аустенитного превращения стали - в производстве шариковых подшипников), но и искать границ холода. Что будет, если понижать температуру все дальше и дальше?

По аналогии с конденсацией водяного пара, было обнаружено сжижение многих газов - двуокиси серы, аммиака, хлора, углекислого газа. Когда были созданы мощные компрессоры, дающие давление в сотни атмосфер, удалось сжижить воздух. Здесь уже начались проблемы - при низких температурах свойства материалов сильно изменяются, обычная сталь становится очень хрупкой и ломкой, и для низкотемпературных устройств приходится применять никелевую сталь. Сжижению воздуха сильно мешают примеси - пыль, водяной пар и углекислый газ. Они намерзают в узких сечениях и нарушают работу ожижительных установок, поэтому воздух вначале приходится тщательно очищать. При работе с высокими давлениями требуются прочные резервуары и трубопроводы, установки оказываются тяжелыми и громоздкими. В соответствии с законами термодинамики, сжатие газа является весьма энергозатратным, причем лишь малая часть работы сжатия переходит во внутреннюю энергию газа, остальное переходит в тепло, которое надо отводить (как правило, охлаждая машины проточной водой).

После овладения технологией сжижения воздуха, людям удалось сжижить все газы. С самым большим трудом далось сжижение легких газов - водорода и гелия. Эти газы чрезвычайно текучи благодаря малости своих молекул - они способны даже диффундировать сквозь кристаллическую решетку металлов, и легко просачиваются сквозь малейшие неплотности в соединениях трубопроводов.

Дальнейшее охлаждение - откачкой паров над сжиженными газами - позволило перевести их в твердое состояние. Наконец, весьма изощренными способами (например, адиабатическим размагничиванием), удалось подойти к абсолютному нулю на расстояние в тысячные доли градуса. Только гелий не бывает твердым даже при абсолютном нуле - таковы законы квантовой механики. Здесь надо сказать, что граница холода (абсолютный нуль температуры) уже была найдена из теоретических соображений - ею является прекращение теплового движения молекул. По той причине, что существует минимальная порция энергии - квант, оказывается, что при очень низких температурах квантов становится меньше, чем молекул, и при этом возникают макроскопические квантовые явления (сверхтекучесть).

Технология сжижения воздуха, несмотря на энергозатратность, за короткое время получила широкое распространение. В наши дни воздух сжижают миллионами тонн - не только для производства холода, но прежде всего для разделения компонентов воздуха. Кислород можно получить химическими способами (разлагая перекиси, высшие оксиды некоторых элементов или богатые кислородом соли), селективной абсорбцией из воздуха некоторыми жидкостями, а также электролизом воды. Азот получать химическим путем (из соединений) совершенно невыгодно, наоборот, одна из основных проблем химии - связывание атмосферного азота в химические соединения. Известен способ разделения воздуха селективной адсорбцией на цеолитах, но самым эффективным способом остается ректификация (тот же прием, которым получают самогон из браги и бензин из нефти). Огромные количества кислорода потребляет металлургия для дутья в печах. Столь же масштабным потребителем чистого азота (в сочетании с природным газом) является производство синтетического аммиака [K1].

Жидкий азот находит применение для охлаждения различного оборудования - тепловизоров и радиотелескопов, мощных электрических машин, электромагнитов со сверхпроводящими обмотками. Общеизвестно, что не бывает совершенных машин - любая машина работает с потерями (ее КПД меньше единицы), поэтому все машины требуют охлаждения. Одни машины выделяют тепла так мало, что для охлаждения им достаточно естественной конвекции (например, автомобильный домкрат). Другим машинам хватает принудительного воздушного охлаждения (пылесос). Третьи выделяют так много тепла, что они не могут обойтись без водяного охлаждения (атомная силовая установка). Очень эффективный способ охлаждения машин - испарительное охлаждение. Некоторое применение оно нашло в авиации, с использованием дистиллированной воды. А почему бы не взять жидкий азот? Заманчивая идея - брать с собой запас не только энергоемкого топлива, но и глубокого холода. Omnia mea mecum porto…

Все вышесказанное было, в сущности, лирическим отступлением (хотя правильнее сказать - физическим) перед главным сюжетом. Я рассказывал о том, какой долгий и трудный путь прошли люди к гелиевым температурам, чтобы стало ясно, какая это ценность. Эта ценность была и в нашем институте. Недавно мы ее лишились.

Совсем недавно, в середине июня текущего 2015 года, наш институт лишился значительной своей части, малоизвестной и необычной. Институт лишился гелиевой станции - собственного производства жидкого гелия. Гелиевая станция представляла собой одноэтажную пристройку вдоль всего института - длиной, наверное, более ста метров. Станция состояла из двух цехов - цеха сжижения воздуха и цеха сжижения гелия. Существование станции и исследования, проводившиеся на ней, никогда не афишировались, большинство сотрудников института, даже старожилов, осведомленных о всевозможных тайнах (наподобие зарплаты начальников), имело весьма смутное представление о том, что за оборудование находится в длинной кирпичной пристройке. Те же, кто знал - помалкивали. Гелиевая станция даже имела финансовую самостоятельность, и кафедра сварки покупала у нее кислород и аргон. Тем не менее, там защищались диссертации и выпускались отчеты о НИР.

Первые диссертации по криогенной тематике в нашем институте были защищены в 1981 году (судя по найденным мной авторефератам, которые - увы! - я не могу представить уважаемым читателям без того, чтобы не раскрыть свое incognito). Основной тематикой вначале было охлаждение электрических машин - двигателей и генераторов. Пристройка появилась в конце 80-х, а оборудование в ней - спустя несколько лет, скорее всего, в 1993 году (схема установки, висевшая рядом с главным пультом, датирована декабрем 1993г.). Грозный год. 4 октября этого года еще помнят некоторые москвичи. Если бы не семейное несчастье, вынудившее меня провести время в Полтаве, а затем и бросить Химический лицей, вероятно, я стал бы очевидцем государственного переворота во всей его красе.

Как бы то ни было, исследования были свернуты. То ли их цель была достигнута, то ли иссякло финансирование темы, но несколько лет назад работа станции была остановлена, и сварка стала снабжаться газами из других источников. Полтора года назад, в январе 2014г., в институте прошло объединение кафедр, зачастую напоминавшее скрещивание ужа с ежом (нередко объединялись кафедры с похоже звучащими аббревиатурами, как бы различны ни были области их деятельности). В результате объединения гелиевая станция влилась в нашу кафедру, оставаясь для всех тайной. Видимо, именно это объединение сыграло роковую роль. Производство жидкого воздуха, на котором основывалось сжижение гелия, требовало 200 кВт электроэнергии и колоссального количества охлаждающей воды при продолжительности рабочей кампании 20 дней. Этот расход увеличил бы в разы коммунальные платежи института и привел бы к скорому и неминуемому разорению. По слухам ("Это официальные слухи" - как выразился когда-то по другому поводу один наш сотрудник) наше начальство предприняло попытки продать станцию какому-то заводу, но то ли станция имела повреждения, то ли наши заломили слишком высокую цену, в общем, сделка сорвалась. После этого начальство отдало станцию на откуп сборщикам металлолома. Первым делом тайно и спешно (за день) была выброшена вся мебель и уничтожена вся техническая документация. Затем было отключено электричество (странно, но была ликвидирована вся проводка - совершенно не осталось даже освещения). После этого стихия разрушения добралась до криогенных машин.

Ликвидация оборудования произошла с ужасающей скоростью - в течение десяти дней, причем до последнего дня никто посторонний на станцию не допускался. На мою просьбу о фотографировании оборудования было сказано, что станция не является секретной, но ввиду стратегического значения института завхоз без согласия более высокого начальства дать разрешение не может. Начальство, как водится, было в отъезде…

Все же я успел сделать репортаж - хотя и неполный. Я успел запечатлеть исчезновение станции в динамике, и для контраста привожу фотографии, взятые из Интернета, на которых установки изображены новыми и целыми. В нашем журнале уже фигурировали описания опытов с жидким азотом, и любознательные читатели наверняка задавались вопросом - а откуда он берется, где его делают?

Цех сжижения воздуха имел два главных помещения. Первое - компрессорное. Видны два пятиступенчатых компрессора с приводными электродвигателями. Клапанные коробки с цилиндров уже отвинчены.