Читать книгу Энергия. История человечества - Ричард Роудс - Страница 4

Чтобы добыть уголь, углекопам нужно было найти угольный пласт. Каменный уголь – спрессованные и обуглившиеся останки древних растений – залегал слоями почти под всей землей Британских островов; мощно в центральной части Англии – Мидлендсе, а мощнее всего – в окрестностях Ньюкасла. Там, где угольный пласт выходил на поверхность на береговом мысу или на склоне холма, уголь могли добывать прямо с поверхности, но такие легкодоступные месторождения быстро исчерпались. После них стали разрабатывать пласты неглубокого залегания: их было легко найти и легко использовать. Для этого либо выкапывали траншеи, либо снимали расположенный над углем слой почвы, либо рыли многочисленные ямы, формой напоминавшие колокол.

Уголь все активнее вытеснял дрова – им отапливали дома, на нем работала промышленность. А население Британии росло, и углекопы искали все более глубинные пласты. Толщина угольного пласта в Британии могла составлять от нескольких сантиметров до – в редких рекордных случаях – десятка метров. Под землей он мог залегать всего-то в паре фатомов – метрах в четырех, а то и меньше, – но порой до него оказывалось около 250 м. Иногда он шел параллельно поверхности земли, иногда – в гору или под уклон. Вода могла течь сквозь него или сквозь пористые породы, расположенные выше или ниже. Часто в таких пластах скрывались полости или каналы с ядовитыми или взрывчатыми газами.

Разведка пластов подразумевала проходку или бурение, а часто и то и другое. Для проходки рыли кирками и лопатами шахту – около 2 м в поперечнике, – над ней устанавливали ворот, чтобы поднимать выкопанную землю, а сверху натягивали холст для защиты от дождя. Углекопам мешали грунтовые воды и песчаные плывуны, поэтому ствол шахты иногда укрепляли брусьями, обмазав их для герметичности землей или глиной или же обернув неостриженными овечьими шкурами.

Труднее работалось со скальными породами. Камень требовалось бурить, для чего в земле сперва пробивали дыру в палец глубиной: это делали долотом, крепя его к концу последовательно соединенных стержней из кованого железа. Рычагом служил упругий шест: один его конец закапывали в землю и прижимали тяжелым камнем, середину шеста поддерживала рогатина – точка опоры, а свободный верхний конец позволял землекопу, вставив ноги в стремена, с силой давить – и железные стержни с долотом могли подниматься и опускаться.

После каждого удара угольщики поворачивали долото на четверть оборота, делая скважину круглой. Углубившись примерно на 15 см, стержни приходилось вытягивать, чтобы заново заточить долото и проверить, нет ли на нем следов угля; и это становилось все труднее – ведь скважина углублялась. Если ее забивала раскрошенная порода («обломки», как говорили углекопы[53]), скважину прочищали, вытянув прутья и прикрепив к ним вместо долота бур с винтовой резьбой. Пробурить твердую породу на метр в день считалось успехом. Глубинный угольный пласт порой могли искать год, а то и дольше, причем угольщикам повышали плату по мере того, как скрепленные стержни становились все длиннее, а работа – все тяжелее[54]. Если скважина доходила до угольного пласта, ее расширяли кирками и лопатами, превращая в шахту.

Пружинящая штанга. S.T. Pees and Associates.

Один из отчетов XVII в. о бурении в Йоркшире послойно описывает обнаруженные породы: «…в земле 1 ярд, в желтой глине 1 ярд, в черном сланце 1 четверть [то есть девять дюймов, или четверть ярда], в сером песчанике два ярда и две четверти, в черном песчанике 2 четверти, в сером камне 2 ярда, в крепком камне [то есть твердой темной породе, например в базальте] 1 четв[ерть], в сером песчанике 2 четв[ерти], в крепком камне фут, в сером песчанике фут, в железняке 6 дюймов», – и так далее, все ниже и ниже, сквозь последовательные слои, пока скважина не доходила наконец до угольного пласта толщиной в треть метра. «Всего, – так завершается отчет, – 21 фатом[55]», то есть 38 с лишним метров земли и камня с огромным трудом пробили долотом[56].

После открытия шахты ее непременно требовалось держать в сухости. Один викторианский специалист называет воду – и дождевую, которая просачивалась в ствол шахты, и подземную, поступавшую из глубинных потоков, – «первым злейшим врагом шахтера»[57]. Если поверхность земли у шахты опускалась ниже ее рабочего уровня, воду могли отвести в естественные стоки через узкую штольню, adit (от лат. Aditus – вход). По этим же штольням в шахту поступал свежий воздух. В шахтах с газовыми карманами такую естественную вентиляцию регулировали при помощи системы деревянных дверей. Поскольку площадь поперечного сечения таких штолен обычно составляла примерно 45×45 см, не больше, эти двери обслуживали дети, сидевшие до 12 часов в сутки в полной темноте: так тратилось меньше свечей или лампового масла в расчете на день. Пока парламент не принял реформаторский Закон о шахтах 1842 г., запрещавший работать в рудниках женщинам и детям младше десяти лет, под землей трудились целые семьи: мужчины кирками отрубали уголь от поверхности пласта; женщины оттаскивали его в плетеных корзинах, нося их на спине или же в железных или деревянных кадках, к которым пристегивали себя за пояс цепью; дети помогали перетаскивать уголь или занимались дверьми. Семьи должны были приносить свой инструмент; платили только за добытый уголь. Позднее, и на более крупных шахтах, уголь стали возить в вагонетках: в них запрягали пони, которые постоянно жили в подземных стойлах.

Не далее как в 1841 г. неграмотная семнадцатилетняя девушка Пейшенс Кершоу рассказывала на заседании парламентской комиссии об условиях, в которых она работала «таскальщицей», перемещая вагонетки с углем из забоя к стволу шахты:

Я захожу в шахту в пять часов утра, а выхожу в пять вечера; перед этим я завтракаю кашей с молоком; на обед беру с собой пирог и ем его на ходу; а так я ни минуты не отдыхаю, работаю все время, больше я ничего не ем, пока не вернусь домой, а тогда ем картофель с мясом, но мясо не каждый день. Я таскаю в той одежде, которая сейчас на мне, вот, в штанах и тряпичной куртке; проплешина у меня на голове появилась, когда я толкала вагонетки; ноги у меня никогда не опухали, а у [моих] сестер бывало, когда они работали на фабрике; я таскаю вагонетки под землей больше мили, туда и обратно; они весят по три хандредвейта[58]; за день я таскаю по одиннадцать штук; на работе я ношу пояс с цепями, чтобы вытаскивать вагонетки; забойщики иногда бьют меня руками, когда я недостаточно быстро работаю; они бьют меня по спине; мальчишки ко мне пристают; иногда они распускают руки; я единственная девушка на шахте; всего там десятка два мальчишек и полтора десятка мужчин; и все мужчины голые [иначе не выдержать жары и сырости]; я бы лучше работала на фабрике, чем в угольной шахте[59].

Газы в угольной шахте таили смертельную опасность. Шахтеры называли их damps от средневерхненемецкого слова dampf – пар, испарения. Немецкие шахтеры привезли в Англию свое мастерство и свою терминологию еще в Средние века. Рудничные газы образовывались под землей в ходе естественных химических и биохимических процессов. Шахтеры различали пять видов таких газов: «удушливые испарения» (смесь азота с углекислым газом), взрывчатый «гремучий газ» (метан), взрывчатые и удушливые «вонючие испарения», пахнущие тухлыми яйцами (сероводород), удушливые «белые испарения» (угарный газ) и удушливые «вторичные испарения» (смесь газов – угарного газа, углекислого газа, азота и других продуктов взрывов рудничного газа или угольной пыли)[60]. По мере удлинения и углубления шахт естественной циркуляции воздуха уже не хватало для их очистки. Порой проблема решалась так: на дне центрального ствола шахты – в так называемом устье, а если буквально, «оке» – разжигали и поддерживали огонь, который вытягивал воздух из штреков и выводил его вверх по стволу, как по дымоходу. Но взрывы случались часто и иногда ужасали.

«Случаи, когда людей выбрасывало из шахт, – пишет Роберт Галлоуэй, горный инженер Викторианской эпохи, – в ранние времена часто и даже почти регулярно сопутствовали взрывам любой силы на угольных шахтах»[61]. Один из самых впечатляющих таких случаев произошел в 1675 г. на шахте Мостин в Уэльсе, находившейся на реке Ди к юго-востоку от Ливерпуля. В 1640 г., когда эта шахта только открылась, шахтеры разработали систему удаления рудничного газа в начале каждого рабочего дня: одного отправляли в шахту впереди прочих, и он нес длинный шест с пучком зажженных свечей на конце, чтобы выжечь скопившийся за ночь газ. Такого человека называли «пожарником». Для защиты от огня он надевал поверх одежды пропитанный водой холщовый балахон. «Когда пламя, возгоревшись, мчалось под сводами шахты, – пишет Галлоуэй, – “пожарник” кидался на землю, лежал распростершись и ждал, пока огонь пройдет над ним»[62]. Днем шахту вентилировали, не давая метану скапливаться, а на следующее утро «пожарник» снова принимался за свою опасную подрывную работу.

К 1675 г. шахта Мостин разрабатывалась уже более трех десятилетий. Затем ее владельцы решили проложить новый шурф к параллельному угольному пласту, залегавшему ниже. Этот пятнадцатиметровый «слепой ствол», или гезенк, заполнился рудничным газом. При его поджоге, сообщает Галлоуэй, произошел взрыв «столь сильный, что это вызывало чувство немалой обеспокоенности»[63]. Но худшее ждало впереди.

Работы остановили на трое суток, после чего управляющий спустился к устью шахты, пытаясь придумать, как прогнать сквозь шахту достаточно воздуха и тем самым очистить ее от газа. Он взял с собой двух шахтеров. За ними пошли те, кто выкопал новый шурф. «Один из них, – говорится в отчете того времени, – бывший беспечнее других, прошел со своей свечой прямо над устьем шурфа, заполненного газами, отчего те немедленно воспламенились и хлынули по всем пустотам шахты, создав сильнейший ветер, непрерывно горевшее пламя и вместе с этим чудовищный рев». Шахтеры пытались укрыться в шламе, которым был засыпан пол, или за деревянными опорами, поддерживавшими своды. Рокочущая огненная волна прокатилась по шахте до самого конца, отразилась и с ревом ринулась обратно: «Она приблизилась, накатила с невероятной силой; ветер и пламя содрали почти всю одежду с их спин, опалили то, что осталось, обожгли волосы, лица, руки; удар от взрыва был столь силен, что иссек кожу так, будто их били розгами». Шахтеров, не сумевших укрыться, разметало по туннелю шахты, ударяя о свод, швыряя на опоры, лишая чувств[64].

Один из шахтеров, застигнутый взрывом, стоял рядом с устьем верхней шахты. Волна подхватила его, с ревом помчалась вверх по стволу, вырвалась из устья с грохотом артиллерийской канонады, и шахтер взлетел выше самых высоких деревьев – вернее, уже не шахтер, а его тело. Можно сказать, шахта выстрелила несчастным, словно пушечным ядром.

Но сложнее всего в ту раннюю эпоху добычи угля оказалось другое: отводить из шахт воду. Дождевые потоки стекают в ручейки, те впадают в ручьи побольше, ручьи питают реки, и вся эта вода, направляемая силой тяжести, непрестанно стремится все ниже и ниже – к морям. Около трети воды, выпавшей при любом дожде, впитывается в почву и просачивается вглубь земли. Рано или поздно эта вода встречает непроницаемые слои скальной породы. Она растекается по ним и течет вдоль скального пласта, находя трещины или проницаемые породы, и через них проникает дальше, до очередного водонепроницаемого пласта. Она просачивается, процеживается, растекается все шире, насыщает проницаемую породу и образует подземное водохранилище – водоносный слой. Чтобы построить колодец, нужно выкопать скважину достаточно глубокую, способную пройти под поверхность такого водоносного слоя: колодец наполнится до уровня этой поверхности – горизонта грунтовых вод – и будет наполняться заново при каждом заборе воды.

Шахты, расположенные на возвышенностях, могли осушать при помощи штолен. Но поверхностные угольные пласты истощались, отчего владельцы шахт вскрывали другие – более глубокие, уходящие под водоносные горизонты. И если такую шахту затапливало, требовалось либо откачивать воду, либо просто все бросать. Их и бросали, довольно часто, а потому технологии, которые позволили бы осушать такие шахты и поддерживать отвод воды для выработки угля, становились все желаннее. Галлоуэй называл отвод воды из шахт «величайшей инженерной задачей эпохи»[65].

Откачивать воду ветряными мельницами не получалось: английская погода славилась своей непредсказуемостью. Водяные колеса работали там, где хватало воды, но мощность потоков, как правило, изменялась со сменой времен года. К тому же лишь немногие затопленные шахты находились вблизи достаточно крупных рек. Сначала владельцы шахт запрягали лошадей в вороты – приподнятые над землей горизонтальные барабаны размером с колесо водяной мельницы: животные вращали их, ходя по кругу, и вращение ворота наматывало и разматывало крепкую веревку, проходившую через шкив в ствол шахты.

Конными воротами из шахты поднимали не только ведра с водой, но и корзины с углем. Правда, Галлоуэй говорит, что такая система давала мало, а стоила дорого: лошадей требовалось или покупать, или разводить, а значит – растить, кормить, содержать. «В некоторых случаях для подъема воды из одной-единственной угольной шахты использовалось целых пятьдесят лошадей», – что, по оценке Галлоуэя, стоило не менее 900 фунтов стерлингов в год (113600 фунтов, или 169000 долларов, в нынешних деньгах). Более глубокие шахты, которые не удавалось осушить при помощи одной только конной тяги, приходилось забрасывать. Затопленные шахты, потерянные средства, напрасные труды – все это открывало простор для изобретений.

Конный ворот. Источник неизвестен.

Почву для них подготовили научные открытия. О том, что атмосфера имеет вес, знали со времен опытов, поставленных в 1643 г. Эванджелистой Торричелли, учеником Галилея. Опыты Торричелли привели к изобретению ртутного барометра, который реагирует на смену атмосферного давления – то есть изменения плотности воздушного столба, расположенного над прибором. В 1654 г. прусский инженер Отто фон Герике продемонстрировал силу атмосферного давления в знаменитом эксперименте, публично поставленном в Регенсбурге в присутствии императора Фердинанда III. Фон Герике соединил два медных полушария в сферу, откачал из нее воздух и поместил ее между двух упряжек, в каждую из которых запрягли по восемь лошадей. Хотя полусферы прижимались друг к другу только силой атмосферного давления, конные упряжки так и не смогли разъединить их, как ни старались.

Отто фон Герике демонстрирует давление воздуха на вакуум

Друг фон Герике, математик-иезуит Каспар Шотт, включил отчет об этом событии (и впечатляющую гравюру, изображающую его) в книгу, которую опубликовал в 1657 г. В Англии об опытах, устроенных фон Герике, и о демонстрации прочел состоятельный ирландский натурфилософ[66] Роберт Бойль, сын графа Коркского, пытавшийся в это же самое время придумать, как создать вакуум в более крупном масштабе, нежели позволяла узкая стеклянная трубка барометра Торричелли[67]. Демонстрация фон Герике впечатлила Бойля, в отличие от лабораторной вакуумной системы. Фон Герике создавал вакуум в лаборатории, откачивая воздух из сосуда, установленного вверх дном в чаше с водой. Бойль хотел экспериментировать с вакуумом – например, посмотреть, что случится с горящей свечой, заключенной в вакуумный сосуд, по мере откачки воздуха, – а как это сделать, если в сосуд приходится проникать из-под воды?

Первый воздушный насос Гука и Бойля. Вынув пробку К, расположенную в верхней точке сферы, в сферу через отверстие помещают исследуемые материалы. Затем, снова закрыв пробку, вращением рычага отводят поршень С вниз по цилиндру А, откачивая из сферы воздух. Клапан L закрывают, что не позволяет воздуху опять заполнить сферу, и снова вращают рычаг в обратном направлении, продвигая поршень вверх. Когда поршень полностью войдет в цилиндр, клапан L вновь открывают, что позволяет откачать из сферы следующую порцию воздуха, постепенно увеличивая разрежение в ней

Хотя Бойль жил к тому времени в Оксфорде, он обратился к известному лондонскому производителю приборов Ральфу Грейтрексу и заказал работоспособный воздушный насос. Грейтрекс с заказом не справился. А потом один из оксфордских преподавателей химии представил Бойлю своего ассистента: молодого, но изобретательного Роберта Гука; тому в 1658 г. исполнилось двадцать три. Бойль привлек Гука к своей работе, и после нескольких безуспешных попыток создать устройство по чужим проектам Гук взялся за проект сам – и его насос работал. Этот прибор первого поколения, медленный и негерметичный, позволил Бойлю начать эксперименты.

Насос Бойля и его последующие опыты с вакуумом не только показали, что вакуум можно создать, изучить и выявить его характерные свойства (в нем гаснут свечи; он проводит свет, но не звук). Они проявили и силу давления воздуха: вес атмосферы, находящейся над нами и вокруг нас в нашей повседневной жизни. «В воздухе, в котором мы живем, – писал Бойль, – есть пружинная, или упругая, сила»[68]. Теперь возник следующий вопрос: как применить столь мощную силу в более крупном масштабе, вне лаборатории?

Эксперименты с использованием тепла для создания частичного вакуума проводились по меньшей мере с начала XVII в. В 1604 г. голландец Корнелиус Дреббель изобрел простой механизм, использующий огонь для откачки воды; впоследствии он привел его изображение в своей книге.

Устройство, описанное Дреббелем, состоит из реторты – металлического сосуда в форме тыквы, – подвешенной над огнем; горлышко реторты погружено в ведро с водой. Когда огонь нагревает реторту, содержащийся в ней воздух расширяется и выходит сквозь воду в виде пузырей. Если убрать огонь, то воздух, оставшийся в реторте, остывает, сжимается и создает частичный вакуум, – и тогда атмосферное давление внешней среды загоняет воду из ведра в горлышко реторты, скрытое под водой. Простой насос Дреббеля открывал широкие возможности. Его могли увеличить, доработать – и, скажем, качать им воду из рек, снабжая ею населенные пункты.

Дреббель, «статный мужчина с очень светлыми волосами… и человек весьма приятных манер»[69] – по описанию одного придворного, который с ним встречался, – изобрел еще много всего, от систем фонтанов до барометрического «вечного двигателя», демонстрации которого пользовались большим успехом у коронованных особ[70]. В 1605 г. он приехал в Лондон в качестве учителя Генриха Фредерика, принца Уэльского, старшего сына Якова I. Слава о его изобретательских талантах разошлась по всей Европе, и континентальные аристократы приезжали в Лондон только для того, чтобы увидеть его за работой. Когда Рудольф II, император Священной Римской империи, пригласил Дреббеля в Прагу, тому ничего не оставалось, как принять это приглашение, хотя сам он предпочел бы остаться в Англии. Но в 1612 г. Рудольф умер, и Дреббель уже никому не был ничем обязан. К несчастью, тогда же, в восемнадцать лет, умер от брюшного тифа и принц Уэльский. А через год Дреббель вернулся в Англию – на службу к Якову I.

Кое-кого забавляла поддержка, оказываемая Дреббелю королем Яковом I; «говорили, что этот вечный изобретатель так и не придумал ни одной вещи, польза от которой превышала бы ее стоимость». Одним из защитников голландского изобретателя был Константейн Гюйгенс, молодой голландский поэт и дипломат. Они с Дреббелем познакомились в Лондоне в 1621 г. Гюйгенс считал Дреббеля гением, равным великому англичанину Фрэнсису Бэкону. «При помощи глубочайших знаний, – восхвалял юный поэт своего соотечественника, – он создал замечательные механические устройства»[71].

Простой насос Дреббеля

Возможно, самым замечательным из них стала подводная лодка Дреббеля, первая в своем роде, – вытянутый водолазный колокол, который он продемонстрировал в 1620 г. на Темзе представителям Королевского флота. Дреббель взял гребную шлюпку, выбил из нее дно, оборудовал ее куполообразной деревянной палубой, герметизировал уключины и руль кожаными прокладками и покрыл всю лодку водонепроницаемой кожей. Лодка могла оставаться под водой по нескольку часов кряду, и есть основания полагать, что Дреббель знал, как химическим путем получать кислород из калийной селитры – нитрата калия – для восполнения в лодке запасов воздуха. Кислотный остаток нитратов (солей азотной кислоты) состоит из азота и кислорода[72].

Позднее в 1620-х гг. Дреббель изготавливал мины и ракеты для Королевского флота: корабли пытались прийти на помощь протестантам-гугенотам, осажденным французами в Ла-Рошели[73]. В конце этого же десятилетия у Гюйгенса родился сын Христиан, в будущем – один из величайших натурфилософов XVII столетия. Дреббель умер в 1633 г., но его дружба с отцом Христиана позволила изобретательному голландцу повлиять на развитие мальчика.

Подводная лодка Дреббеля на Темзе, 1620 г. Источник неизвестен.

Христиан Гюйгенс впервые получил известность как математик и астроном. Закончив Лейденский университет, где он изучал право и математику, в 1651 г., в двадцать два года, Гюйгенс опубликовал свою первую книгу по математике, посвященную задачам квадратуры – нахождению площади геометрических фигур, например круга. В 1650-х он научился шлифовать линзы и изобрел первый составной окуляр для телескопа, а в 1656 г. верно установил, что выступающие по бокам Сатурна «уши», которые видели прежде и другие астрономы, – это кольца. В том же году он изобрел маятниковые часы.

Эти и другие достижения подготовили почву для избрания этого блистательного молодого изобретателя первым директором недавно созданной Французской академии наук. Жан-Батист Кольбер, министр финансов в правительстве Людовика XIV, задумал ее по образцу британского Королевского общества. Академию учредили в 1666 г., и Кольбер надеялся, что та поспособствует получению знаний, которые можно будет использовать в промышленности для увеличения доходов короля. Гюйгенс кратко изложил свои планы только что назначенным членам академии в следующих словах:

Нет лучше темы для исследований и нет ничего полезнее, нежели узнавать, откуда происходят вес, тепло, холод, магнетизм, свет, цвета, составы воздуха, воды, огня и всей установленной материи, как дышат животные, как образуются металлы, камни и растения, – вот те предметы, о которых человек знает мало или не знает ничего[74].

В число практических технологий, разработку которых Гюйгенс считал целесообразной, он включил два возможных способа создания движущей силы: «Исследовать силу пороха, малая толика которого заключена в корпус из очень прочного железа или меди. Также исследовать силу воды, преобразуемой огнем в пар»[75].

В 1672 г. Гюйгенс продолжал исследовать порох. В те дни в Париж приехал двадцатишестилетний немецкий ученый-универсал Готфрид Лейбниц: он искал помощи Гюйгенса, чтобы усовершенствовать свои познания в математике. Гюйгенс согласился и поручил Лейбницу изучать квадратуры и вычислять значение числа π. В авантюре с «пороховой машиной», которой Гюйгенсу еще предстояло заняться в будущем, ему помогал и кое-кто еще: Дени Папен, врач, бывший на год младше Лейбница и оставивший медицину ради инженерного дела. Гюйгенс и Папен познакомились в 1671 г. в Версале, великолепном дворце Людовика XIV, расположенном в 20 км к юго-западу от Парижа, где молодой инженер обеспечивал работу системы ветряных насосов, подававших воду в фонтаны обширных дворцовых садов. Работа Папена так впечатлила Гюйгенса, что он предложил тому должность ассистента.

Ранние представления о Сатурне: 1) Галилей, 1610 г.; 2) Христофор Шейнер, 1614 г.; 3) Джованни Батиста Риччоли, 1641 г. Гюйгенс опубликовал эти и другие версии в своей книге, вышедшей в 1659 г., в которой справедливо предположил, что «уши» Сатурна – это кольца

Задача, которую Гюйгенс поставил в 1672 г. перед двумя своими учениками, состояла в разработке двигателя, работающего на порохе. По-видимому, такую диковину разработал – и, возможно, изготовил ее прототип, – Каспар Кальтхоф, еще один голландский инженер и оружейник. Много лет Кальтхоф работал на английскую корону в Воксхолле, экспериментальном оружейном заводе, располагавшемся в лондонском районе Ламбет, – там же, где конструировал свою подводную лодку Дреббель. Гюйгенс познакомился с Кальтхофом в один из своих приездов в Лондон и вынес из этой встречи некоторое представление о возможных принципах работы порохового двигателя. Кальтхоф умер в 1667-м либо годом позже, и дальше его проект могли развивать все желающие.

Версия Гюйгенса из той же книги 1659 г., Systema Saturnium

Еще до этого Лейбниц, состоявший в переписке с фон Герике, по просьбе другого члена Французской академии наук написал отчет о том, как прусский инженер демонстрировал вакуум[76]. Пороховой двигатель, который они с Папеном конструировали теперь для Гюйгенса, по-иному преобразовывал атмосферное давление в механическую работу: взрыв небольшого порохового заряда под поршнем, установленным внутри толстостенного металлического цилиндра, выталкивал немного воздуха из цилиндра через откидные клапаны, создавая частичный вакуум. Внешний воздух давил на открытый конец поршня и вводил его глубже в цилиндр. И если к поршню крепили шток или трос, то предметы, присоединенные к ним, перемещались.

Гюйгенс продемонстрировал модель такого двигателя Кольберу. Двигатель, по его словам, уже поднимал «с легкостью… четверых или пятерых пехотинцев»; видимо, пехотинцы стояли на платформе, соединенной с тросом поршня[77]. Гюйгенс предполагал, что с его пороховым двигателем «можно будет поднимать целые глыбы при строительстве зданий, возводить обелиски, доставлять воду в фонтаны или приводить ею в действие мукомольные мельницы». Голландский инженер предвещал «новые, невиданные экипажи, наземные и водные» и даже «некие экипажи для движения по воздуху»[78].

Однако пороховой двигатель работал плохо. При взрыве из цилиндра выходили не все газы, что ограничивало достижимое разрежение; пороховой нагар образовывал корку на стенках цилиндра; а кроме того, конструкция двигателя предполагала одиночные взрывы: после каждого из них поршень требовалось выводить из цилиндра, чтобы вложить новый пороховой заряд. Такое устройство не годилось для мукомольных мельниц, да и воды с ним было особо не поднять.

Гюйгенс занялся изобретением пружинных карманных часов, а несколько лет спустя выдвинул постулат о конечности скорости света. Лейбниц перебрался в Лондон, где его избрали членом Королевского общества, – но даже при этом все так же, и удручающе бесплодно, искал надежного положения, способного дать ему время для философских занятий. Папен, врач, ставший инженером, сознавал, что быть гугенотом в католической Франции все опаснее, и в 1675 г. переехал в Лондон. Благодаря рекомендательному письму Гюйгенса он познакомился с Робертом Бойлем, лишившимся помощи Гука: последний перешел на работу в лондонском Грешем-колледже и Королевском обществе. Бойль, никогда не питавший склонности к практической экспериментальной работе, принял Папена лаборантом.

Папен уже долго работал с паром, опыт его возрастал, и он решил разработать устройство, которое делало бы более удобоваримыми жесткие овощи и мясо и даже кости, – иными словами, пароварку. Свое изобретение он назвал «Новым варочным устройством для размягчения костей и т. д.»[79] и в 1679 г. продемонстрировал его Королевскому обществу. Могло показаться, что это новаторское кулинарное устройство не имеет ничего общего с созданием паровой машины, но в нем присутствовал ключевой элемент, впоследствии ставший необходимым для обеспечения безопасности таких машин, – саморегулирующийся предохранительный клапан. Как и в предохранительном клапане современных пароварок, в клапане Папена был предусмотрен нагруженный рычаг, и располагался он над маленькой трубкой, проходившей сквозь крышку пароварки. Когда давление пара в пароварке становилось достаточным, чтобы поднять груз, клапан открывался, выпуская часть пара и уменьшая внутреннее давление, что предохраняло установку от взрыва.

Пароварка Папена 1679 г. с нагруженным предохранительным клапаном L-M-N

В 1681 г. Папен перебрался в Венецию, где возглавил экспериментальное отделение недавно созданной научной академии, которую Амброз Саротти, посол Венецианской республики в Англии, организовал в подражание Королевскому обществу. В 1684-м Папен вернулся в Англию на должность временного куратора экспериментов Королевского общества с весьма скромным жалованьем – 30 фунтов в год (что соответствует 4000 фунтам, или 6000 долларам, в нынешних деньгах); при этом он, видимо, надеялся получить назначение секретарем общества. В Англии XVII в. лаборантов, сколь угодно одаренных, не причисляли к ученым: их воспринимали скорее как слуг, обязанных представлять любое мнение господ, как верное, так и ошибочное[80]. Секретарем Королевского общества стал в итоге Эдмунд Галлей, и в 1687 г. Папен еще раз пересек всю Европу, чтобы занять должность профессора математики в Марбургском университете в Гессене, среди своих единоверцев-гугенотов.

В Марбурге Папен продолжил опыты. В конце 1680-х гг., заметив, что вода, обращаясь в пар, возрастает в объеме в тысячу с лишним раз, он решил, что в качестве рабочего вещества двигателя лучше использовать не порох, а пар.

«Поскольку свойство воды таково, – писал он в 1690 г., – что малое ее количество, будучи преобразовано в пар под действием тепла, обладает упругой силой, подобной упругой силе воздуха [то есть расширяется и давит на стенки сосуда. – Авт.], но при последующем охлаждении вновь становится водой, лишенной и следа упомянутой упругой силы, я уверился, что возможно построить машины, где вода, при посредстве не слишком интенсивного нагрева и с малыми затратами, сможет создавать тот совершенный вакуум, который не удалось получить с помощью пороха»[81].

Папен предлагал наполнять паром цилиндр, перемещая поршень в наивысшее положение, а затем удерживать поршень в этом положении при помощи стопора, пока цилиндр охлаждается и пар снова конденсируется в воду, теряя бо́льшую часть объема, занимаемого прежде. Если такой цилиндр не сообщается с наружным воздухом, на месте конденсированного пара останется вакуум. Тогда стопор следует убрать, и вся сила атмосферного давления опустит поршень и заполнит этот вакуум, увлекая вместе с поршнем все, что к нему присоединено. И если несколько таких устройств работают совместно – подобно цилиндрам современного автомобильного двигателя, закрепленным вдоль коленчатого вала, – то можно достичь устойчивого производства двигательной энергии.

Папен полагал, что с его «трубами» можно будет «поднимать из шахт воду или руду, выстреливать железными снарядами на огромные расстояния, двигать корабли против ветра и вершить великое множество других сходных дел». Из всех этих возможностей его больше всего интересовало «приведение в движение морских судов… Мои легковесные трубы не замедляют движения судна, занимают немного места, а также их возможно изготовить в больших количествах при наличии завода, построенного и оборудованного для этой цели; наконец [в отличие от животной или человеческой силы], трубы не потребляют топлива за исключением того времени, когда работают; они не требуют расходов, когда судно стоит в гавани»[82].

Источником энергии в двигателе Папена служил не пар, а давление атмосферы: именно оно воздействовало на разрежение, возникающее после конденсации пара. Поэтому для увеличения мощности двигателя требовался больший объем пара в более объемных цилиндрах, на которые мог воздействовать больший атмосферный столб. В то время никто не умел изготавливать столь крупноразмерные машины. И Папен надеялся, что его новый двигатель весьма поспособствует развитию средств их производства.

Когда Папен преподавал в Марбурге, он женился на своей овдовевшей кузине, и к тяготам его жизни прибавились заботы о ее многочисленных родственниках. В поисках должности с более высоким жалованьем он обратился к Гюйгенсу. Возможно, поэтому в 1695 г. его назначили советником ландграфа Гессен-Кассельского: это было наивысшее в его жизни достижение в поисках покровителя-аристократа. К несчастью, ландграфа Карла не интересовало финансирование сталелитейного цеха или завода для производства атмосферного двигателя Папена. Вместо этого он хотел устроить в своих садах фонтаны наподобие версальских.

Для этого проекта Папен разработал и построил паровой насос, поднимавший воду в установленный на высоте резервуар: оттуда вода под действием силы тяжести поступала в фонтаны ландграфа. На разработку и сооружение этой системы ушел год. Все работало, но недолго: вскоре прорвало одну из труб. Папен изготовил новую трубу. Прорвало и ее. Качество производства труб еще не позволяло работать с паром под высоким давлением[83].

Затем, как Папен писал Лейбницу в апреле 1698 г., ландграф разработал собственную программу, «новый план, весьма достойный великого Государя, цель которого – попытаться выяснить, откуда берется соль в соляных источниках». Для этого требовалось придумать, как извлечь «огромное количество воды… Я произвел множество опытов, пытаясь найти пользу в применении к этой задаче силы огня». Он строил новую печь для изготовления крупных реторт из кованого железа и разработал мехи нового типа для раздувания огня в этой печи. «И так одно влечет за собой другое», – заключал Папен. Ему приходилось разрабатывать новую инфраструктуру по ходу дела, и это замедляло и усложняло осуществление каждого проекта[84].

Лейбниц немедленно ответил на письмо Папена. Он спрашивал, основана ли система для подъема воды на разрежении, то есть на конденсации пара для получения вакуума. Папен ответил утвердительно, только уточнил, что она также напрямую использует давление пара. «Это [прямое] действие не ограничено, – писал он Лейбницу, – в отличие от всасывания»[85]. Папен хотел сказать, что его двигатель работал в двух режимах: (1) под давлением расширяющегося пара и (2) в режиме разрежения или всасывания, – используя силу атмосферного давления для заполнения частичного вакуума. В фазе прямого действия в цилиндр заливали немного воды, вставляли поршень, опускали его до соприкосновения с водой; после на цилиндр навинчивали крышку с отверстиями, а под ним разжигали огонь. Превратившись в пар, вода толкала поршень вверх, а затем его удерживал на месте подпружиненный шток. Когда огонь гасили, цилиндр остывал, и пар, бывший внутри его, конденсировался обратно в воду, и там, где он находился прежде, создавалась пустота. Шток отводили, и поршень, говоря словами Папена, мог «подвергнуться давлению всей тяжести атмосферы» – и шел вниз, снова заполняя цилиндр[86]. Если поршень соединялся с коленчатым валом, то оба хода поршня – подъем под давлением пара и спуск под давлением атмосферы – удавалось обратить в полезную работу, например накачать воду или обеспечить вращение лопастного колеса судна.

Папен понимал, что совершенный им переход к непосредственному применению давления пара – это революция. Состояние дорог в ту эпоху, полагал он, вероятно, не позволило бы использовать паровые повозки, «но что касается перемещений по воде, я тешу себя мыслью, что мог бы довольно быстро решить эту задачу, если бы смог найти бо́льшую поддержку»[87].

К сожалению, положение Папена не позволило ему построить даже модель такой паровой машины двойного действия. Ландграф не пожелал финансировать его проект, а своих денег у Папена не было. Единственное, что он смог сделать, – это опубликовать в 1695 г. книгу о своих изобретениях, «Собрание различных писем относительно некоторых новых машин»[88]. В этой книге он описывал свои «гессенские мехи»: вентилятор, вращающийся внутри корпуса, – нечто вроде большого современного фена, но без нагревательного элемента – и предлагал нагнетать ими либо воздух, заменив обычные мехи при плавке железа, либо воду при ее подаче в фонтаны или при тушении пожаров. Более радикальным стало предложение Папена использовать его паровую машину для осушения шахт. Рецензия на его книгу появилась в выпуске «Философских трудов Лондонского королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society of London) за 1695 г., так что с ее основными идеями должны были познакомиться по меньшей мере члены общества, читавшие этот журнал, – и, почти наверняка, многие другие[89].

В очередном письме к Лейбницу, написанном в 1698 г., Папен сообщал, что ему удалось «поднять воду на высоту до 70 футов [21 м]» при помощи давления пара. Этот результат оказался важным достижением, потому что атмосферный двигатель, где пар использовался только для создания вакуума, мог поднимать воду всего лишь приблизительно на 10 м: такова максимальная высота подъема, которую может обеспечить атмосферное давление, 1013 гектопаскалей на уровне моря. Попутно Папен обнаружил: если нагреть пар выше точки кипения, это чрезвычайно увеличит его силу. А это, писал он Лейбницу, означает, что пар – лучшее рабочее вещество, чем порох[90]. Как показало дальнейшее развитие событий, Папен был прав, но технологии его времени, особенно низкая температура плавления припоя, которым соединялись пластины паровых котлов, не позволяли применять более горячий пар под высоким давлением: стоило давлению возрасти, как припой размягчался, и паровые котлы то и дело разваливались на части.

В 1698 г. у Папена появился конкурент на роль изобретателя и первопроходца. Пока Папен переписывался с Лейбницем, английский инженер Томас Севери оформлял патент на «Новое изобретение для подъема воды и приведения в движение всевозможных машин побудительной силой огня, весьма полезное и выгодное для осушения шахт, обеспечения городов водой и работы всевозможных мельниц в местах, не имеющих ни удобных вод, ни постоянных ветров [для водяных и ветряных мельниц]». Как и двигатель Папена, двигатель Севери накачивал воду, сочетая атмосферную и паровую системы. Его уменьшенную модель продемонстрировали на заседании Королевского общества 14 июня 1699 г., и она произвела впечатление. Однако Севери, как и Папену, предстояло осознать, как трудно будет создать полномасштабный работоспособный двигатель, а еще труднее – добиться его беспристрастной оценки[91].