Глава 1
Глава 1
На подступах к ГОЭЛРО
Предприятия Сименса и Гальске, о которых шла речь в книге почтенного профессора Артура Вильке, были разбросаны по разным городам. Но самый большой Электротехнический завод в России (до 150 служащих) находился на Васильевском острове в Петербурге. Сначала это была просто мастерская по ремонту телеграфных аппаратов. Потом на заводе стали собирать динамо-машины. В 1911 году его перевели за Московскую заставу, и у него сменился владелец. Отныне это стало предприятие «Сименс и Шуккерт». Но работал завод по-прежнему на привозных германских полуфабрикатах, по немецкой документации, и руководили производством немецкие инженеры.
В 1914 году германский персонал выехал из страны. Материалы и полуфабрикаты перестали поступать на склады. Производство затормозилось, а потом и вовсе стало. Но Петроград жил. В городе совершались грандиозные политические события. Городу нужны были работающие заводы, трамваи, электрический свет. Завод передали в казну, и со всей остротой встал вопрос о собственных кадрах.
Не следует считать предреволюционную Россию совершенно отсталой страной, лишенной промышленности. Откуда бы взяться в таком случае русскому пролетариату — мощному революционному отряду трудящихся, совершившему Великую Революцию. Хорошо известны были в мире и русские инженеры. В стране существовали авторитетные учебные заведения с прекрасными педагогическими силами. Их было, наверное, и не меньше, чем в иной европейской стране. Другое дело — велика уж очень Россия. И то, чего на иную европейскую страну хватало с лихвой, нам было недостаточно. Большой стране много всего и нужно.
В начале XX века именно в России возникает проблема сооружения в городах крупных районных электростанций. Одиночные генераторы, разбросанные по городу, не могли обеспечить стабильное снабжение энергией и были нерентабельны. Нарождающийся «электрический мир» XX столетия требовал нового подхода к решению технических проблем городского хозяйства и промышленного обеспечения.
В 1893 году из-за границы в Петербург возвратился молодой энергичный русский инженер Роберт Эдуардович Классов. По окончании Петербургского технологического института он два года работал во Франкфурте-на-Майне, осуществляя постройку опытной линии трехфазного тока по проекту Доливо-Добровольского. Классов работал сначала монтером, а потом инженером и получил прекрасную практику.
В Петербурге он поступает электротехником па Охтинский пороховой завод. В то время он был оборудован множеством маломощных паровых машин, разбросанных по большой территории. Эксплуатация их обходилась дорого и была нерентабельна. Владельцы завода предложили молодому инженеру разработать проект переоборудования всего электрохозяйства предприятия. С помощью В.Н. Чиколева Роберт Эдуардович прекрасно справился с задачей. Он не только составил проект, но и построил первую в России гидроэлектростанцию трехфазного тока, продолжая развивать идеи Доливо-Добровольского у себя на родине.
В то же время Классон вошел в кружок «Союза борьбы за освобождение рабочего класса», созданный и руководимый В. И. Лениным. На квартире у Роберта Эдуардовича часто проходили собрания петербургских марксистов.
Закончив работу на Охте, Р.Э. Классон получает приглашение стать техническим руководителем крупного акционерного «Общества электрического освещения 1886 г.». А ведь ему только-только исполнилось 30 лет. Общество имело свои отделения в разных городах России, и Классон с увлечением строит мощные электростанции трехфазного тока в Москве и Петербурге.
Затем он переходит на работу в другое акционерное общество — «Электрическая сила», которое занимается электрификацией бакинских нефтепромыслов. На Каспийском море Классон впервые в России применил в качестве линии передачи воздушную линию неслыханно высокого напряжения — в 20 тысяч вольт. Здесь он уже выступает в качестве директора акционерного общества. Однако, отказавшись предпринять репрессивные меры против вспыхнувшей в Баку всеобщей забастовки, он по требованию правительства увольняется и уезжает в Москву. По предложению все того же «Общества электрического освещения 1886 г.» занимается расширением Московской электростанции и переводом московской городской электросети на напряжение 6 тысяч вольт.
Все его работы отличались очень современным духом, проекты выполнялись на высоком уровне, в строительстве Классон требовал точности и четкости, которой он научился у Доливо-Добровольского в Германии. Он сам всегда чрезвычайно добросовестно относился к работе и неизменно ратовал за применение самых передовых технических идей и методов.
Примерно с 1907 года среди русских инженеров-электриков появляется еще одна очень заметная фигура — Глеб Максимилианович Кржижановский. Он — выпускник Петербургского технологического института, участник законспирированного кружка технологов-марксистов. Познакомившись с В.И. Лениным, Глеб Кржижановский участвует в организации петербургского «Союза борьбы за освобождение рабочего класса» и становится одним из ближайших друзей великого вождя мирового пролетариата.
Кржижановский, по воспоминаниям современников, небольшого роста, очень подвижный. Энергичное красивое лицо с выразительными, чуть навыкате карими глазами. Человек неиссякаемого остроумия, смелого поэтического ума. Когда центральная группа марксистов во главе с В.И. Лениным была арестована, Глеб Максимилианович и в тюрьме служит революции. Он сочинят песни — «Варшавянку» и «Беснуйтесь, тираны», которые стали любимыми революционными песнями всего народа. 17 месяцев томится Кржижановский в камере, после чего отбывает в ссылку в Восточную Сибирь.
Его отправляют в село Тесинское Минусинского округа, где всего 70 километров отделяют Глеба Максимилиановича от Ленина. Нужно ли говорить, что между ними не только не прерывается переписка, но время от времени они и навещают друг друга. Встречи с Владимиром Ильичем дали большую жизненную и идейную закалку Глебу Кржижановскому. В 1901 году, вернувшись из ссылки, он сразу же включается в революционную работу, организует в Самаре искровский центр. Едет за границу в Женеву к Ленину. А в тяжелые годы реакции после 1905 года поступает в «Общество электрического освещения 1886 г.».
Вместе с Р.Э. Классовом и А.В. Винтером Кржижановский строит в 1912 году районную электростанцию на базе торфяных болот Белгородского уезда под Москвой и не оставляет революционную работу.
Но вся его большая инженерная деятельность не идет даже в сравнение с теми перспективами, которые открылись после свершения Великой Октябрьской социалистической революции. В январе 1920 года В.И. Ленин выдвигает грандиозную программу электрификации России. И именно Глебу Кржижановскому он дает поручение:
"…2) Нельзя ли добавить план не технический (это, конечно, дело многих и не скоропалительное), а политический или государственный, т.е. задание пролетариату?
Примерно: в 10 (5?) лет построим 20-30 (30-50?) станций, чтобы всю страну усеять центрами на 400 (или 200, если не осилим больше) верст радиуса; на торфе, На воде, на сланце, на угле, на нефти (примерно перебрать Россию всю, с грубым приближением). Начнем-де сейчас закупку необходимых машин и моделей. Через 10 (20?) лет сделаем Россию «электрической».
Я думаю, подобный «план» — повторяю, не технический, а государственный — проект плана, Вы бы могли дать.
Его надо дать сейчас, чтобы наглядно, популярно, для массы увлечь ясной и яркой (вполне научной в основе) перспективой; за работу-де, и в 10-20 лет мы Россию всю, и промышленную и земледельческую, сделаем электрической…
Повторяю, надо увлечь массу рабочих и сознательных крестьян великой программой на 10-20 лет"[30].
Да, это была грандиозная программа. Ни в одном государстве мира никогда не разрабатывался план сплошной электрификации, рассчитанный на много лет вперед. Кржижановский с головой окунулся с работу. В комиссию ГОЭЛРО входят энергичные, преданные делу революции специалисты.
Секцию электрификации железнодорожного транспорта и секцию использования энергии рек Кавказа возглавляет Генрих Осипович Графтио — широко известный в русских и зарубежных инженерных кругах специалист. Закончив в 1896 году Петербургский институт инженеров путей сообщения, Графтио изучал электротехнику за границей, работая три с половиной года на заводах Европы и США. В 1906 году под его руководством строится все электрическое хозяйство петербургского трамвая.
Графтио участвует в постройке и пуске крупных паровых электростанций, не оставляя мысли об использовании гидроресурсов больших русских рек.
В то время целесообразность постройки гидроэлектростанций была вовсе не столь очевидна, как ныне. Многие специалисты придерживались того мнения, что Россия — страна равнинная и в ней гидроэнергетика будущего не имеет.
В 1907 году Генрих Осипович Графтио приглашен читать курс гидротехнических сооружений в Петербургский электротехнический институт. И здесь под его руководством студенты выполняют проекты Днепровской гидростанции, гидростанции рек Кавказа, Волховской гидроэлектростанции, предназначенной передавать энергию в Петербург. Графтио был уверен, что в будущем возникнут быстроходные гидротурбины, которые дадут возможность рентабельно использовать тихие воды равнинных рек.
Для электроснабжения Петербурга он сам лично составил проекты гидроэлектростанций на реках Волхове и Вуоксе. Однако иностранные специалисты, находившиеся на службе иностранных компаний, в чьих руках находилось все электроснабжение русской столицы, постарались доказать, что проекты Графтио — чистейшей воды утопия.
Но вот отгремели события Октября. И уже через два месяца В.И. Ленин просит ознакомить его с проектом Волховской ГЭС. Графтио вспоминает: «Примерно в декабре 1917 г. ко мне на квартиру приезжал Смидович с предложением доложить о возможности осуществления запроектированной мною Волховской гидростанции. Я сразу и охотно согласился, В январе 1918 г. по поручению Владимира Ильича я составил смету. 14 июля 1918 г. меня вызвали в Москву, в Совнарком, где рассматривался вопрос о Волховстрое. В 1919 г. мы построили на Волхове бараки для рабочих, материальные склады и другие самые необходимые сооружения. Работа продвигалась медленно. Шла гражданская война, молодая Республика переживала тяжелые дни. На строительстве не было людей. Во время работы на Волховстрое мне приходилось лично встречаться с Владимиром Ильичей и несколько раз обращаться к нему с письмами и телеграммами по вопросам работы на стройке»[31].
— И вот — ГОЭЛРО. В это время Г.О. Графтио — ректор Электротехнического института имени В.И. Ульянова (Ленина). К работам по заданиям комиссии он привлекает профессоров и инженеров института. На строительстве Волховстроя его заместителем становится профессор Института инженеров путей сообщения Борис Евгеньевич Веденеев (впоследствии академик). Волховстрой становился школой нового советского гидростроительства.
Мне доводилось встречаться и разговаривать со строителями первенца советской электрификации. Трудностей было много. Не хватало лопат, кирок, тачек, не хватало спальных мест в бараках… Сколько непреклонной воли, скольких усилий требовало решение этих материальных и организационных вопросов. А ведь это — мелочи по сравнению с тем, что в стране не существовало ни строительного оборудования, ни предприятий, способных изготовить необходимые для станции турбины, электрические генераторы, всю электротехническую арматуру.
План ГОЭЛРО означал начало нового исторического поворота народов освобожденной России к строительству планового социалистического хозяйства на основе электрификации.
22 декабря 1920 года на VIII Всероссийском съезде Советов Владимир Ильич Ленин вышел на трибуну с толстым томом плана ГОЭЛРО.
"На мой взгляд, — сказал он, — это наша вторая программа партии… Она должна превратиться в программу нашего хозяйственного строительства, иначе она не годна и как программа партии. Она должна дополниться второй программой партии, планом работ по воссозданию всего народного хозяйства и доведению его до современной техники. Без плана электрификации мы перейти к действительному строительству не можем…
Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны… мы доведем дело до того, чтобы хозяйственная база из мелкокрестьянской перешла в крупнопромышленную. Только тогда, когда страна будет электрифицирована, когда под промышленность, сельское хозяйство и транспорт будет подведена техническая база современной крупной промышленности, только тогда мы победим окончательно"[32].
В 1921 году учреждается Госплан СССР — штаб по планированию и управлению всей экономикой страны. Председателем его назначается Г.М. Кржижановский.
В январе 1929 года Г.М. Кржижановский избирается действительным членом Академии наук СССР, а в мае того же года — ее вице-президентом. Вместе со вновь избранными в Академию выдающимися инженерами, соратниками по многим энергетическим стройкам Г.М. Кржижановский немало сделал, чтобы направить деятельность Академии в русло интересов социалистического строительства.
Кржижановского переводят на работу в Главэнерго. Он занимается комплексными проблемами энергетики и электрификации. Руководит вновь организованным Энергетическим институтом Академии наук СССР.
Глеб Максимилианович Кржижановский прожил большую и плодотворную жизнь, всю ее отдав служению своему народу, своей стране, торжеству ленинских идей. За выдающиеся заслуги перед Родиной Г.М. Кржижановский награжден многими орденами и медалями. В 1957 году ему присвоено звание Героя Социалистического Труда. 31 марта 1959 года академик Г.М. Кржижановский скончался в возрасте 87 лет.
Вы помните большой завод динамо-машин за Московской заставой, принадлежащий акционерному обществу «Сименс и Шуккерт»? Декретом Совета Народных Комиссаров от 28 июня 1918 года он был национализирован. И в том же году для налаживания производства Петроградский Совет направил на него первых специалистов, выразивших желание сотрудничать с Советской властью. Постепенно стали оживать его цехи.
7 ноября 1922 года Совет рабочих депутатов Петрограда постановил назвать завод динамо-машин Петроградским заводом «Электросила». В цехи пришли молодые инженеры Р.А. Лютер, А.Е. Алексеев, Д.В.Ефремов, И.А. Одинг, А.В. Трамбицкий, М.П. Костенко и другие. Позже многие из них стали выдающимися специалистами советского электромашиностроения.
Сразу пришлось решать сложные инженерные задачи — проектировать и налаживать производство первых крупных машин для Волховской ГЭС, а потом для Земо-Авчальской и Кадырьинской ГЭС. Но для этого следовало создать расчетно-конструкторскую службу и лаборатории.
B 1931 году, когда истек кратчайший срок, намеченный планом ГОЭЛРО, мощность районных электростанций в государстве на 20 процентов превышала запланированную. Успехи в выполнении ленинского плана ГОЭЛРО, а также восстановление разрушенного хозяйства страны заложили прочный фундамент первых пятилеток. На повестку дня стало развитие тяжелой индустрии, в частности металлургической и сталепрокатной промышленности. И на «Электросиле» строят электрооборудование для первых советских блюмингов Макеевского и Златоустовского заводов, для «Запорожстали». в общезаводском бюро исследований под руководством М.П. Костенко, в будущем — академика и Героя Социалистического Труда, проектируются новые мощные турбогенераторы для Днепровской и Нижне-Свирской ГЭС.
В общезаводское бюро исследований (БИС) влились электромашинная, химическая и высоковольтно-изоляционная лаборатории. Оно стало мощным научно-исследовательским подразделением, способным решать сложные и самостоятельные задачи. Но тут-то и начались организационные неувязки. Взаимоотношения между ОБИС, техническим отделом и производством осложнились. И, чтобы разрубить «гордиев узел», руководство завода приняло решение — ликвидировать отдел исследований. Электромашинную лабораторию с ее испытательными стендами расформировали и распределили но цехам. Остальные лаборатории перешли в непосредственное подчинение главного инженера завода.
Это было серьезной ошибкой. И результаты ее не замедлили сказаться на работе всего предприятия. Без специального исследовательского звена, которое обеспечивает интеграцию производства с наукой, невозможен в современных условиях прогресс ни науки, ни самого производства.
В 1938 году в связи с новыми заданиями, имеющими важное значение для индустриализации страны, было принято решение о восстановлении функций центральной электромашинной лаборатории. Более того, теперь ее собрались расширить, объединить с другими лабораториями территориально, но помешала война.
В грозные годы значительная часть оборудования, техническая документация, а также научно-инженерный персонал были эвакуированы в восточные районы страны — в Свердловск, в поселок Баранчинский. И там на совершенно новых местах благодаря опыту и самоотверженному труду электросиловцев возникли новые заводы, внесшие немалый вклад в дело победы над врагом.
Однако часть работников завода осталась в Ленинграде. В условиях блокады, непосредственной близости линии фронта, под непрерывным артобстрелом и бомбежками люди выполняли заказы фронта и даже выпускали продукцию для промышленности на востоке страны.
Однако блокада и разрушения в цехах делали свое дело. Производство крупного электрооборудования было прекращено. Это могло явиться большой помехой для будущего восстановления главных отраслей народного хозяйства. И 6 марта 1943 года Государственный Комитет Обороны принял постановление о восстановлении завода. К концу войны «Электросила» была снова в строю.
После завершения восстановительного периода перед заводом встали новые задачи. Экономическая целесообразность диктовала требование — постепенное повышение мощности турбо — и гидрогенераторов. При этом уменьшались удельная стоимость и расход материалов, дешевле становилась эксплуатация, повышалась эффективность капитальных вложений, и в результате дешевле оказывалась электроэнергия. Но на пути создания генераторов, близких к предельной мощности, немало трудностей. Без глубоких исследований и тщательных расчетов с этим справиться было невозможно. И в 1956 году при заводе «Электросила» организуется филиал Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики (ВНИИЭМ).
Организационно Ленинградский филиал подчинялся институту, находящемуся в Москве, что создавало значительные трудности в упорядочении научно-производственного процесса. При наличии такой мощной базы, как завод «Электросила», для слаженной работы предприятия и НИИ руководство должно было быть единым.
В 1969 году Ленинградский филиал при «Электросиле» получил название НИИ ЛЭО «Электросила», а с 1975 года — НИИ объединения «Электросила». Сейчас это научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт Ленинградского производственного электромашиностроительного объединения «Электросила» имени С.М. Кирова. Если познакомиться с заданиями, которые ставились и ставятся перед институтом, то первое, что бросается в глаза, — усложняющиеся с каждым годом задачи. Казалось бы, совсем недавно спроектировали и построили турбогенератор небывалой мощности — 500 МВт, но потребовался новый — на 800 МВт. Справились и с этой задачей, а на пороге новая — турбогенератор мощностью 1 миллион 200 тысяч кВт. И не за горами двух-миллионник!
В 1945 году в масштабе государства выдвигается требование широкого развития атомной науки и техники. И вот из состава расчетчиков, конструкторов, технологов и исследователей все той же «Электросилы» собирается группа для разработки электрофизической аппаратуры. Возглавляет ее Д.В. Ефремов. Скоро из небольшого коллектива вырастает Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры. В его стенах разработай ряд крупных ускорителей элементарных частиц и другой мощной электрофизической аппаратуры. А для воплощения замыслов и проектов пущен Ленинградский электромашиностроительный завод, являющийся дочерним предприятием «Электросилы».
Магнитогидродинамнчеокие генераторы для электростанций будущего, устройства для непосредственного преобразования электромагнитной энергии в механическую, чтобы перекачивать в печах расплавленный металл; криогенная (сверхпроводниковая) техника — буквально все самые интересные, самые новые направления научно-технического прогресса в области электромашиностроения начинают свою жизнь в лабораториях и отделах НИИ «Электросила».
В 1962 году, когда завод стал Ленинградским электромашиностроительным объединением, в его состав вошли помимо головного завода Ленинградский электромашиностроительный завод, Псковский электромашиностроительный завод, Великолукский завод «Реостат», цех в городе Дно и Ленинградский филиал ВНИИЭМ.
Сегодня в цехах объединения получают жизнь не только крупнейшие турбогидрогенераторы. Здесь собрали и испытали двигатели и генераторы для атомных ледоколов, была изготовлена очередная опытная установка — токамак для исследований в области термоядерного синтеза. Продукция ЛПЭО «Электросила» имени С.М. Кирова успешно работает сегодня более чем в 75 странах мира, в том числе и в станках типа «обрабатывающий центр», о которых с таким восторгом пишет мировая прессса.
Самое загадочное явление в физике XX века
Если посмотреть на историю энергетики как на создание череды электрогенераторов, то нетрудно заметить, что год от года мощность их растет. И это понятно; чем крупнее агрегат, тем дешевле оказывается вырабатываемая им энергия. Вот простой пример: если сравнить две одинаковые по мощности тепловые электростанции, на одной из которых стоят турбогенераторы по 100 тысяч киловатт, а на другой — по 25 тысяч киловатт, то удельная стоимость первой ТЭС окажется ниже удельной стоимости второй примерно в 2, 5 ра-а, то есть дешевле будет установленный киловатт. А ведь при расчете не приняты во внимание ни возможность увеличения производительности заводов, изготавливающих оборудование, ни ускорение темпов строительства станций…
До каких же пор возможно такое укрупнение агрегатов? Из газетных сообщений мы знаем о пуске на новых ГРЭС блоков по миллиону киловатт. Для турбогенераторов обычного типа предел уже недалек. Специалисты считают, что поднять мощность единичной машины более 2, 5-3 миллионов киловатт не удастся. Слишком велика и громоздка окажется такая машина. Ее детали будет трудно изготавливать на заводах, еще труднее транспортировать к месту установки. А уж как вести монтаж такого гиганта на месте, и вовсе неизвестно. Но главное — при работе в роторах гигантских машин возникают такие центробежные усилия, что они разрывают «сердце» агрегата.
Значит ли это, что в энергомашиностроении мы выбрали все резервы? Вряд ли… Прежде чем перейти к обсуждению возможностей сегодняшней, а вернее, завтрашней электроэнергетики, давайте еще раз вернемся в прошлое.
Итак, на нашем календаре снова начало столетия. В физических лабораториях мира ученые с увлечением занимаются опытами по сжижению газов. Их интересует, при какой температуре газы переходят в жидкость. На первом этапе научных исследований движущей силой, как правило, является любознательность. Ученого вполне удовлетворяет уже то, что в случае удачи он испытывает чувство глубокого удовлетворения, поскольку именно ему удалось узнать первому то, что раньше было никому не известно.
Впрочем, в этой области было уже сделано немало. Физики все ближе и ближе подбирались к заветной температуре абсолютного нуля. Предполагалось, что при абсолютном нуле (-273° С) все электроны в металле, например, окажутся связанными с атомами, их движение станет невозможным, и, следовательно, металлы должны перестать пропускать через себя электрический ток. Их сопротивление должно вырасти до бесконечности. Так думали все…
Можно привести еще массу причин, заставлявших ученых заниматься получением все более и более низких температур. Достаточно сказать, что холод вообще чрезвычайно широко распространен в природе. И окружающий нас космос — это не что иное, как гигантский холодильник. А узнать, как ведет себя вещество в условиях космического и более чем космического холода, разве не интересно?
Таким образом, мы вполне можем считать, что у нидерландского физика Хейке Камерлинг-Оннеса оснований добиваться получения жидкого гелия было более чем достаточно. Надо добавить, что процедура получения жидких газов — дело довольно кропотливое и утомительное. Но Камерлинг-Оннес человек упрямый, и в результате затраченных усилий в 1908 году он первым наблюдал светлую, подвижную, чуть голубоватую жидкость, в которую после многоступенчатого охлаждения превратился гелий. Температура его кипения оказалась всего 4, 2 К. По более привычной широкому читателю шкале Цельсия это будет минус 268, 8° С.
Цель следующего опыта — измерение сопротивления какого-нибудь металла при достигнутой температуре. По идее по мере охлаждения сопротивление должно расти. Физики последовательно охлаждали металлы в жидком азоте до 63 К, потом до 20, 5 К в кипящем водороде. Умудрились охладить еще сильнее, а сопротивление образцов все никак не начинало расти. Более того, с понижением температуры оно постепенно уменьшалось.
Камерлинг-Оннес решил взять в качестве образца чистого металла ртуть. Почему именно? Видите ли, в начале века, а дело происходило в 1911 году, получать сверхчистые металлы еще не очень-то умели. Это сейчас вы можете заказать, скажем, металлургам металл с примесью не более одного атома на миллион… А тогда ртуть, пожалуй, единственная достаточно просто освобождалась "от добавок дистилляционной перегонкой и могла считаться чистой. Конечно, экспериментировать с нею нелегко. При комнатной температуре из жидкой ртути проволочку не сделаешь…
Камерлинг-Оннес налил ртуть в V-образные тру-бочки, соединил их сверху рогульками, тоже заполненными ртутью, и стал охлаждать. Вот металл замерз, и можно было начинать опыт.
Первую точку на графике он поставил при температуре жидкого воздуха. Вторую — при температуре жидкого водорода. Пока все шло как обычно, сопротивление замерзшей ртути постепенно, с падением температуры, уменьшалось. Когда же оно начнет повышаться? Может быть, жидкий гелий внесет какие-нибудь изменения? Ученый отправил образец в легкую голубовато-прозрачную жидкость и… Дальше произошло то, чего никто не ожидал и не предсказывал: сопротивление ртутного образца вдруг исчезло! Да, да, при температуре 4, 15 К оно стремительно упало до нуля. Камерлинг-Оннес обнаружил новое, не виданное и никем из его коллег до того не представляемое явление — сверхпроводимость.
Открыл и стал знаменит! Как просто, правда? Просто, когда вся работа остается за результатом, когда на поверхности — одно открытие и награда.
Сверхпроводимость оказалась самым загадочным явлением в физике XX века. Пятьдесят лет оставалась она необъясненной. За это время в науке произошли огромные перемены: появились квантовая механика и ядерная физика, ученые открыли нейтрон, анти — и другие частицы, была создана теория относительности, обнаружено красное смещение и разбегание галактик, осуществлены ядерная и термоядерная реакция, запущены искусственные спутники Земли. Люди поняли и сумели объяснить тысячи непонятных до того явлений в самых различных областях науки, а сверхпроводи^ мость все еще продолжала оставаться загадкой. А уж ее ли не пытались разгадать!..
Прежде всего следовало выяснить, только ли ртути присуще явление сверхпроводимости, или другие чистые металлы тоже им обладают? Камерлинг-Оннес испытал свинец и выяснил, что он тоже сверхпроводник. Потом список сверхпроводников сильно расширился, и исследователи перешли к сплавам и соединениям. Тут их ждали еще большие неожиданности. Возьмите, к примеру, ниобий. У этого металла сверхпроводимость начинается при охлаждении примерно до 9 К. А у соединения ниобия с азотом, материала куда хуже проводящего электрический ток, чем чистый металл, явление сверхпроводимости начинается гораздо раньше — примерно с 15 К.
Сегодня механизм сверхпроводимости тоже еще не до конца ясен. Во всяком случае, его изучение и в физике, и в технике занимает весьма видное место. Техническое применение явления сулит невероятные блага, но нужно найти сверхпроводники, существующие при нормальных температурах.
В 1973 году было обнаружено, что соединение ниобия с германием имеет критическую температуру, равную примерно 23 К. При этом соединение переходит в состояние сверхпроводника. Это весьма воодушевило исследователей. К сожалению, с тех пор сверхпроводники с более высокими значениями критической температуры получены больше не были. Вроде бы теория никаких принципиальных возражений против существования сверхпроводников и при обычной комнатной температуре не высказывает, а получить их не могут. Правда, некоторые видные физики-теоретики оптимистично предсказывают, что уж к 2001 году высокотемпературные сверхпроводники непременно будут созданы[33].
Пока теоретики заняты прогнозами, инженеры пытаются приспособить уже имеющиеся материалы для прикладных целей. Так, еще несколько десятилетий назад возникла мысль о создании электрического генератора со сверхпроводящими обмотками: что из того, что нет пока высокотемпературных сверхпроводников? Нужно строить генераторы с охлаждением. Действительно, если охладить обмотки, выполненные из «обычного» сверхпроводящего материала, жидким гелием, то они должны потерять сопротивление. А это означает повышение мощности. Криогенный генератор той же мощности, что и обычный, можно будет существенно уменьшить в размерах. Значит, предел, почти достигнутый сегодня для обычних генераторов по мощности отодвинется. Коэффициент полезного действия такой машины возрастет, и стоимость вырабатываемой электроэнергии уменьшится. Расчеты показывают, что крио-генераторы позволят поднять предел мощности для единичной машины почти вдвое.
Эксперименты в области применения сверхнизких температур во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромашиностроения начались еще в 1962 году. Сначала был построен двигатель постоянного тока мощностью всего 3 кВт. Потом — модельный криотурбогенератор на 18 кВт. В конце 70-х годов на испытательный стенд встал экспериментальный криотурбогенератор мощностью 1200 кВт с самым большим в мире вращающимся криостатом. А в начале 1983 года специалисты института готовили под промышленную нагрузку криогенный генератор мощностью 20 тысяч кВт. Это была самая крупная машина среди аналогичных генераторов. Руководил коллективом академик И.А. Глебов.
Несмотря на то что принцип получения электрической энергии со времен Фарадея остался неизменным, современный генератор — это довольно сложная машина. Но криогенный генератор — сложен вдвойне. Голубой цилиндр соединен трубопроводами, шлангами и проводами со вспомогательной аппаратурой. Стоит на испытательном стенде ВНИИэлектромаша. Что в нем особенного, необычного? Прежде всего, ротор криогенного генератора по конструкции напоминает скорее стальной сосуд-криостат. В него непрерывно на ходу подается жидкий гелий. Медные шины обмотки пронизывают тысячи тончайших нитей-проводников из сверхпроводящего сплава. Они-то и обеспечивают основные преимущества новой машины. Вакуумные камеры-изоляторы сохраняют холод в генераторе. Испаряясь, гелий поступает в компрессор. Снова сжижается и возвращается в машину по замкнутому циклу. Обмотки статора охлаждаются жидким фреоном. Эта жидкость нам известна по бытовым холодильникам. Фреон одновременно выполняет и роль изолятора.
Обращает внимание то, что вокруг генератора много вспомогательной аппаратуры: тут резервуары с гелием и вакуумные насосы, компрессор и теплообменный агрегат — охладитель фреона… Неудивительно, что над созданием этой уникальной машины трудились коллективы не одного производственного объединения. Вместе с «Электросилой», Ижорским заводом и заводом «Красный выборжец» в создании всего комплекса криогенератора принимали участие московское научно-производственное объединение «Гелиймаш», ВНИИхолодмаш и другие организации[34].
Очень сложна новая современная техника. Порою закрадывается сомнение: а не понижается ли со сложностью конструкции и надежность? Специалисты уверяют: нет! Не снижается! Потому что одновременно растет совершенство технологии изготовления, улучшаются материалы, повышается качество. Конечно, сложность не украшение. Но за получаемый выигрыш по мощности приходится чем-то расплачиваться. И чаще всего эта плата выражается в усложнении либо технологии производства, либо конструкции. Но люди быстро привыкают к новому. Даже чудо, повторенное дважды, перестает быть чудом.
Столь новыми и необычными для электромашиностроения работами занимаются в Ленинграде. На Дворцовой набережной, неподалеку от Дома ученых расположившегося в бывшем Ново-Михайловском дворце, стоит дом, сооруженный более ста лет тому назад архитектором А.И. Штакеншнейдером. Сегодня в нем и располагается Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения. Конечно, разместить современный НИИ в помещении старого дома — задача трудновыполнимая. Здесь, на набережной, находится лишь административная часть института. Производственная же база — лаборатории, конструкторские бюро, испытательные стенды — все это размещено по соседству с «Электросилой».
ВНИИэлектромаш — организация сравнительно молодая. Ветераны считают годом ее рождения 1950-й. Именно тогда, всего через пять лет после окончания Великой Отечественной войны, Президиум АН СССР принял решение об организации в Ленинграде первой лаборатории автоматики[35]. Несмотря на огромный ущерб, нанесенный народному хозяйству войной, Советский Союз примерно за 2, 5 года восстановил уровень промышленного производства 1940 года. Но для дальнейшего движения нужно было самое широкое внедрение во все отрасли народного хозяйства и в быт электрической энергии. Формула В.И. Ленина, данная им еще в 1920 году, продолжала быть не менее актуальной.
Но теперь нужна была электроэнергия, вырабатываемая централизованно на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными сетями в крупные энергетические системы. Строительство таких систем без автоматизации было просто невозможно. Вот почему важным шагом явилось создание в Ленинграде скромной лаборатории автоматики.
С самого начала своего существования в лаборатории были созданы непревзойденные по своему времени модели Куйбышевской и Свирской ГЭС, линий электропередач, связывающих Ленинград и Москву с новыми электростанциями. На моделях гидротурбин и мощных генераторов сотрудники лаборатории решали самые актуальные задачи специального электромашиностроения. За работы по электродинамическому моделированию энергосистем академик М.П. Костенко и доктор технических наук В.А. Веников были удостоены в 1958 году Ленинской премии.
За первое десятилетие своего существования молодая лаборатория стала Институтом электромеханики АН СССР, прошла большой путь, вобрав в себя целый ряд других научных учреждений и расширив деятельность на всю отрасль мощного электромашиностроения.
Во втором десятилетии лаборатория стала Всесоюзным научно-исследовательским институтом, который занимается фундаментальными проблемами в области теории и методов расчета электрических машин. На этот институт возложена ответственность за передовей уровень крупных электрических машин, которыми по праву славится отечественная промышленность., 0т мощных турбо — и гидрогенераторов и высоковольтных линий передач до двигателей на тепловозах и прецизионных систем управления, например, телескопом — вот диапазон разработок этой научной организации.
Чтобы разговор о сверхпроводниках был достаточно полным, нужно вспомнить еще об одной ключевой проблеме физики нашего столетия. Речь идет о создании металлического водорода.
Мы уже говорили, что при глубоком охлаждении ниже 20, 3 К, то есть минус 252, 7 °С, водород превращается в жидкость. Если же охлаждение продолжать и дальше, то уже при 14 градусах Кельвина, или при минус 259 — по привычной стоградусной шкале Цельсия полученная жидкость замерзает и превращается в твердый молекулярный водород. Если теперь его подвергнуть огромному давлению в миллионы бар, то мы должны получить совершенно новое и совершенно замечательное вещество с удивительными свойствами — металлический водород. Есть предположения, что этот наиболее распространенный в обозримой вселенной элемент в металлической фазе находится в недрах планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, может быть Урана и Нептуна. Физикам-теоретикам давно уже в общем виде (по расчетам) известны структура металлического водорода и его свойства. Причем есть достаточно веские основания предполагать, что именно металлический водород окажется высокотемпературнымсверхпроводником с критической температурой 100-200 К (или минус 173, а может быть, даже и просто минус 73 градуса Цельсия). Сумей мы его получить — проблема сверхпроводимости была бы решена.
В чем же дело, почему до сих пор нет у нас этого замечательного материала? Ведь создать необходимое давление в принципе не так уж и сложно. Что же останавливает экспериментаторов?
Оказывается, что пока на Земле, не существует материалов, способных выдержать такие давления. В опытах при достижении даже меньших значений начинал деформироваться или «течь» даже алмаз — а уж он ли не символ, не критерий твердости нашего мира!
Значит, осуществить получение металлического водорода в земных условиях невозможно? Зачем же тогда говорить о нем? Но физики считают, что надежда не окончательно потеряна, что в конце концов будут созданы на основе алмаза такие камеры или «наковальни», которые не потекут при давлениях больше 2-3 миллионов бар. Или, может быть, удастся использовать метод ударных волн, защищая холодный твердый молекулярный водород от нагрева с помощью «магнитных подушек». Академик В.Л. Гинзбург считает, что если в ближайшие годы исследования по созданию металлического водорода почему-либо не будут приостановлены, то имеется основание считать, что металлический водород будет получен и исследован еще в этом веке.
Сегодня к водороду вообще приковано внимание специалистов разных отраслей техники, как к одному из самых перспективных источников энергии. Действительно, запасы его даже на нашей планете практически неограниченны. А ведь — он в единице веса содержит втрое больше тепловой энергии, чем бензин. Более того, широкое применение водорода в качестве энергетического сырья будет способствовать и решению экологической проблемы — загрязнения атмосферы, потому что отходами от его сгорания являются лишь пары чистой дистиллированной воды.
Если начать рассматривать водород как топливо, то легко обнаружить массу его достоинств; даже кажущиеся на первый взгляд трудности могут обернуться преимуществами. Скажем, такой вопрос, как транспортировка водорода. Она вполне возможна по обычным трубопроводам. И, согласно расчетам, даже обойдется дешевле, чем передача электроэнергии по проводам мощных ЛЭП. Вы скажете — водород летуч! Правильно, но это означает лишь то, что его надо тщательно хранить. А делать это можно в любых резервуарах, в том числе и в резервуарах природных газов под землей.
В ракетной технике — водородное топливо уже давно вышло из стадии экспериментов. Предстоит переход на него aвиации. Испытываются автомобильные двигатели, работающие как на чистом водороде, так и на обычном топливе, обогащенном водородом. И здесь даже 5-10 процентов добавок водорода к бензину, как показывают ходовые испытания, дают 40-45 процентов увеличения коэффициента полезного действия двигателя. И в 100 раз нсижают токсичность выхлопных газов. Все происходит за счет более полного сгорания топливаа.
А какие перспективы открывает применение водорода в металлургии! И не только-как источника тепла, но и как заменителя угля и кокса в процессе восстановления железа. При этом резко снижаются "вредные выбросы газов в атмосферу.
В чем же дело? Почему водородное топливо не шагнуло до сих пор широко в промышленность? Причин несколько. И прежде всего — экономика. Пока еще водород дороже традиционных ископаемых видов топлива. Добыча угля, нефти, газа имеет на Земле большие и старые традиции. Люди, общество привыкли к ним…
Но нам нужно иметь в виду, что с ростом энерго-насыщенности нашей жизни, в частности с увеличением количества атомных, солнечных и приливных электростанций, получение водорода будет становиться все дешевле, тогда как ископаемое топливо в связи с оскудением его запасов должно дорожать.
Наконец, преодоление психологического барьера… Да, жидкий водород сохраняется лишь при температурах ниже минус 253° С, а твердый — ниже минус 259° С, и чтобы сохранить его от испарения, нужна специальная тепловая защита. Сложно! Но ведь мы не задумываемся о сложности, когда берем с собой на работу или в поездку термос с горячим чаем. Не пугаемся трудностей, — прокладывая трубопроводы от теплоэлектроцентралей, с горячей водой и паром. Не шарахаемся от батарей парового отопления у себя дома. А ведь горячая вода обжигает примерно так же, как и жидкий, водород.
Криогенные емкости — те же термосы. Они существуют много лет и прошли всестороннюю проверку." Недавно в секторе механики-неоднородных сред АН СССР был проведен такой эксперимент: на серийном микроавтобусе РАФ-2203 в багажнике были установлены два криогенных бака с жидким водородом. Под давлением 1, 5 атмосферы водород перекачивался в испаритель, — где превращался в газ и по трубке поступал в карбюратор. Здесь, смешиваясь с обычным бензином, он поступал в двигатель. Установка прекрасно работала. «Рафик» бегал куда бодрее, чем на обычном бензине. И при этом «чихал» менее удушливо.
Опытный автолюбитель осторожно спросит: «А если авария?» Ну и что, что авария? Жидкий водород выльется из баков на землю и тут же испарится, тогда как бензину при горячем моторе вспыхнуть в сходной ситуации ничего не стоит.
В общем, серьезных недостатков у водородного топлива по сравнению с традиционным нет! Зато какие преимущества! Очень хотелось бы надеяться, что уже в ближайшие годы экологически чистое водородное топливо серьезно потеснит своих ископаемых конкурентов. И нет сомнения, что развитие этой промышленности продвинет вперед и положение дел с металлической фазой водорода.