Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух… - Кин Сэм - Страница 41

Вечером в субботу 28 декабря 1879 г. двигавшийся к северу поезд въехал на самый длинный в мире (трехкилометровый) мост, соединявший берега в устье реки Тей на востоке Шотландии. Где-то в этих местах Шекспир поселил Макбета*, но Макгонаголлу местный пейзаж не позволил подняться до таких же литературных высот. «Когда поезд покинул Эдинбург, / Сердца пассажиров были легки и не знали горя», — писал он, искусно выстраивая сцену. Однако не все шло хорошо, поскольку «Начал хлестать дождь, / И нахмурились черные тучи». Когда поезд стал пересекать «серебристый Тей», «не выдержали главные опоры моста», и мост рухнул. Погибли все, кто находился в поезде, и поэт оплакивал «последнюю субботу 1879 г., которая запомнится надолго». Действительно, благодаря Макгонаголлу эта трагедия осталась в памяти людей, хотя и не в связи с тяжестью потерь.

Как и большинство современников, Макгонаголл обвинял в трагедии «ветер, дувший изо всех сил». И хотя в эту «последнюю субботу 1879 г.» действительно дул сильный ветер, современная химия указывает на другого виновного — монооксид углерода. Точнее, на отсутствие монооксида углерода в процессе производства железных опор моста.

Мы привыкли считать железо крепким материалом, но на самом деле чистое железо достаточно хрупкое. На молекулярном уровне атомы железа образуют гладкие слои, которые выглядят красиво, но под давлением легко скользят относительно друг друга. Поэтому чистое железо (так называемое сварочное железо) очень податливо и идеально подходит для декоративного применения и инженерных работ с пластичными материалами. Но по той же причине оно не годится в качестве опорного материала.

В XIX в. альтернативой чистому железу был чугун. Чугун содержит примеси, главным образом атомы углерода, которые разрушают ровную укладку атомов железа и препятствуют скольжению слоев. Благодаря такому строению чугун прочен и прекрасно подходит для изготовления опор мостов и крупных зданий. К сожалению, вкрапления углерода делают чугун негибким и хрупким. Подобно керамике, чугун прочен в определенных условиях, но не выдерживает изгиба и рушится при слишком сильном напряжении.

Для реализации крупных проектов инженерам нужна сталь (железо с 1 или 2 % углерода), которая одновременно достаточно прочна и достаточно пластична. Однако сто лет назад производство стали было чрезвычайно трудоемким процессом.

Все начиналось с добычи железной руды. С момента кислородной катастрофы, случившейся несколько миллиардов лет назад, бо́льшая часть железа на Земле содержится в виде руд, таких как гематит (Fe2O3) или магнетит (Fe3O4). Для получения железа руду нужно расплавить, то есть разогреть с коксом (богатым углеродом твердым продуктом, получаемым из каменного угля) в присутствии воздуха. В воздухе содержится кислород, который взаимодействует с углеродом из кокса с образованием монооксида углерода (CO)*. Это вещество проникает в руду, где захватывает атомы кислорода, образуя диоксид углерода (CO2). В результате этого процесса углерод из кокса встраивается в железо. Таким образом, первичным продуктом плавления железа является богатый углеродом чугун.

Для получения чистого железа приходится предпринимать дальнейшие шаги. Сначала нужно расплавить чугун, а это дорогой процесс, требующий больших затрат топлива. А затем в расплав нужно добавить новую порцию железной руды. В результате углерод из расплавленного чугуна и кислород из расплавленной руды взаимодействуют между собой, вновь образуя монооксид углерода, который улетучивается, а в расплаве остается чистое железо. Но поскольку в этой реакции участвуют жидкости, а не газы, это процесс длительный, занимающий несколько дней. И кто-то должен постоянно за ним следить, вручную перемешивая огненную смесь.

На этом этапе большинство плавильщиков останавливались. Очень немногие предпринимали следующие шаги, чтобы изготовить сталь, поскольку это требовало дополнительных усилий. Сначала нужно было добавить к чистому железу еще кокса, чтобы вернуть углерод, а затем варить всю эту смесь на протяжении нескольких недель. Из-за сложности процесса плавильщики изготавливали сталь лишь в небольших объемах — для производства инструментов или лезвий. Никто даже не мечтал о том, чтобы построить из стали целый дом, для этих целей использовалось железо.

Таким было положение дел в металлургии, пока производством металла не занялся англичанин Генри Бессемер. У Бессемера были пушистые, расширяющиеся книзу бакенбарды, как у генералов времен Гражданской войны в Америке. Он был автором 117 патентов на самые разные изобретения: микроскопы, вельвет, лак, производство сахара и многое другое. В начале карьеры в 1850-х гг. он изобрел снаряд удлиненной формы с замечательными аэродинамическими свойствами. Он считал, что с помощью таких снарядов Британия сможет выиграть Крымскую войну, но, к сожалению, его снаряды разрывали хрупкие чугунные пушки. Бессемера это рассердило, но и заинтриговало, и он решил заняться производством железа и стали.

Стальной магнат Генри Бессемер (Репродукция портрета любезно предоставлена фондом Wellcome Trust)

История открытий Бессемера в области металлургии не является ни короткой, ни простой, и для изложения всех подробностей у нас не хватит места. Кроме того, в этой истории принимали участие и другие химики и инженеры, вклад которых Бессемер позднее отказывался признавать. Скажем только, что благодаря счастливой случайности и сообразительности Бессемер нашел два приема, позволявших получить сталь кратчайшим путем.

Он начал с плавки чугуна, как и большинство плавильщиков. А затем добавил в расплав кислород, чтобы связать углерод. Но вместо железной руды в качестве источника кислорода использовал воздух, что было и дешевле, и быстрее. Второй прием был еще важнее. Вместо того чтобы вводить все больше и больше кислорода для связывания всего углерода, содержащегося в расплавленном чугуне, он решил в определенный момент прекратить подачу кислорода. В результате вместо чистого железа он получал сталь с каким-то содержанием углерода. Иными словами, он смог получать сталь напрямую, без дополнительных стадий и расходов.

Сначала он продувал кислород в расплав чугуна через длинную трубку. Метод сработал, и Бессемер провел испытание более крупного масштаба на местной плавильне: расплавил 300 кг железа в котле метрового диаметра. В данном случае он не полагался на собственные легкие, а пропускал в расплав сжатый воздух с помощью нескольких паровых насосов. Когда Бессемер объяснял, что хочет получить сталь с помощью воздуха, рабочие поглядывали на него с жалостью. И действительно, за десять долгих минут ровным счетом ничего не случилось. И вдруг, как позднее вспоминал Бессемер, «произошла череда слабых взрывов». Из котла поднялось белое пламя, а расплавленное железо засвистело, «как настоящий вулкан», угрожая поджечь потолок.

Переждав этот пиротехнический спектакль, Бессемер занялся изучением содержимого котла. Из-за вспышек он не смог вовремя остановить подачу кислорода, так что в результате операции он получил чистое железо. Но он все равно усмехался: процесс работал. Теперь осталось только рассчитать, когда перекрывать кислород, и у него в руках рецепт стали!

С этого момента события начали разворачиваться необыкновенно быстро. Бессемер с невероятной скоростью получал патенты, а основанная им плавильня снизила себестоимость производства стали от 40 до 7 фунтов за тонну. Кроме того, теперь процесс производства стали длился час, а не недели. Благодаря этим изменениям сталь стала доступна для крупномасштабных инженерных проектов; по мнению некоторых историков, на этом закончился век железа, длившийся три тысячелетия, и начался век стали.

Конечно, сейчас нам с вами это кажется очевидным. Но тогда все выглядело не в таком уж розовом свете, и Бессемеру стоило большого труда заставить людей поверить в его сталь. Дело в том, что каждая новая порция стали отличалась от предыдущих, поскольку было чрезвычайно сложно определить, когда именно останавливать подачу воздуха. Кроме того, в английской железной руде содержалось много фосфора, что увеличивало хрупкость стали, особенно при низкой температуре. (Счастливчик Бессемер свои первые испытания проводил на уэльской руде, в которой не было фосфора, иначе у него ничего бы не вышло.) Другие примеси вызывали другие проблемы, и вся эта неразбериха мешала признанию бессемеровской стали. Как и в истории Томаса Беддоуза в связи с его опытами с газами, коллеги и конкуренты обвиняли Бессемера в излишнем энтузиазме и даже в мошенничестве.