Белый сполох на юго-востоке превратился в багровый шар. Все понимали, что это. Орландо. Или авиабаза Маккой, или то и другое вместе. Электростанция, питающая округ Тимукуан. Свет тут же погас, и цивилизация в Форт-Репоуз откатилась на сто лет назад. Так завершился Тот День.

Пэт Фрэнк. Горе тебе, Вавилон (Alas, Babylon)

Поворошив старые счета за газ и электричество в своей квартире на севере Лондона, я подсчитал, что за прошлый год мое потреб­ление энергии составило чуть меньше 14 000 квт·ч. Если бы у нас не было ископаемых углеводородов и всю эту энергию нужно было обеспечить за счет срубаемого леса, мне пришлось бы каждый год сжигать почти 3 т сухих дров (или 1,7 т более энергоносного древесного угля), что требует более 0,4 га леса с коротким оборотом рубки. Это при условии, что все 100% энергии, сокрытой в древесине, мы конвертируем в электричество, текущее по моим проводам. На самом же деле многоступенчатый процесс сожжения топлива для генерации электричества по своей природе малопроизводителен, и даже современные электростанции могут перевести в электричество лишь 30–50% энергии, содержащейся в топливе.

И, конечно же, здесь мы считаем только энергию, которую я потребляю непосредственно в стенах дома: на обогрев, освещение и работу бытовых устройств.

Я не учел затраты, которыми обеспечивается моя доля в потреблении благ индустриальной цивилизации: энергию, затрачиваемую на строительство зданий и дорог, на промышленные процессы, необходимые для производства писчей бумаги и стирального порошка, на производство и транспортировку моей одежды или дивана, на изготовление удобрений и обработку земли, дающей мне пищу, а еще на топливо, расходуемое поездом метро, везущим меня на работу. Если разделить общенацио­нальное энергопотребление на численность населения страны, мы увидим, что каждый житель Соединенных Штатов реально потребляет в год около 90 000 квт·ч, а европеец — чуть более 40 000 квт·ч.

До средневековой механической революции, которая ввела в широкое употребление водяные колеса и ветряные мельницы, и позднейшей промышленной, опиравшейся на использование ископаемого топлива, все усилия, необходимые для сельского хозяйства и ремесла, а также для перемещения, создавались только мускульной силой. Поместим нынешний объем энергопотребления в историческую перспективу: чтобы получить 90 000 квт·ч, каждый американец должен иметь табун из 14 лошадей или бригаду из более чем 100 батраков, работающих без передышки 24 часа в сутки 7 дней в неделю.

С крахом индустриальной цивилизации и гибелью энергосистем возрождающемуся человечеству придется заново учиться удовлетворять потребности в энергии. Развитие цивилизации основано на способности человека распоряжаться все более обширными энергоресурсами и особенно на умении превращать один вид энергии в другой, например обращать тепло в механическое движение.

Механическая сила

Цивилизация требует не только тепловой энергии, о которой шла речь в главе 5; чтобы шагнуть за пределы возможностей мускульной силы, нужно научиться использовать механическую.

Одним из ключевых изобретений римлян было вертикальное водяное колесо с зубчатой передачей: нижняя часть большого колеса с лопастями погружалась в реку, и колесо силой течения вертелось. В античную эпоху эта сила воды использовалась для вращения жерновов, перемалывающих зерно в муку, а ключевым механизмом, без которого такая технология была бы невозможна, стала ортогональная зубчатая передача (изобретенная около 270 г. до н.э.), трансформирующая направление движения из вращения в вертикальной плоскости, совершаемого колесом, в горизонтальное вращение жернова. Проще всего этого можно добиться применением большого коронного колеса (с зубцами, торчащими перпендикулярно плоской поверхности диска) на валу колеса водяного в сочетании с так называемой цевочной шестерней (барабаном из стержней), соединенной с жерновом. Меняя соотношение размеров коронного колеса и цевочного колеса, можно подобрать нужную скорость вращения для жернова при любой скорости течения реки. Водяные мельницы такой конструкции — первейшее известное применение шестерен для передачи усилия и, таким образом, являют собой раннее предвестие механизации.

Хотя его можно смонтировать практически на любом речном берегу и даже приспособить к борту мельничного судна, поставленного на якорь на стрежне реки, нижнебойное колесо удручающе непроизводительно и в своей простейшей конструкции перестает работать при изменении уровня реки. К счастью, не требуется особенной технической компетентности, чтобы построить гораздо более эффективное водяное колесо. Верхнебойные колеса, которые вошли в широкий обиход в Темные века — как считается, период застоя и темноты, наступивший в Европе после падения Рима, при всем внешнем сходстве с примитивными нижнебойными используют совершенно иной принцип.

Нижний край верхнебойного колеса не погружают в воду, напротив, поднимают над лотком, а вода поступает на макушку колеса по специальному желобу. У верхнебойного колеса момент силы возникает не от напора течения, а от удара падающей струи. Такая конструкция много производительнее и может утилизировать до двух третей энергии падающего водного потока. Устройте на желобе задвижку-шлюз, чтобы управлять толкающим колесо потоком, и, если реку перегородить дамбой, создав мельничную запруду, вы получите резервуар энергии, расходуемой по мере надобности (до этого приема человечество додумалось лишь к VI в., полтысячелетия спустя после появления первых вертикальных водяных колес. Однако в постапокалиптическом мире можно сразу же перейти к такой технологии).

Оседлать ветер — задача значительно более хитрая, чем запрячь водный поток, и соответствующие технологии возникают в истории человечества значительно позже (хотя суда с парусом, использующие силу ветра как двигатель, восходят к 3000 г. до н.э.). Вода гораздо более плотная среда, чем воздух, и даже слабое течение несет немалую энергию: этот ресурс легко использовать даже с помощью несовершенных машин и малопроизводительных деревянных деталей. Поток воды можно регулировать посредством шлюза, но управлять силой ветра никто не может, так что, если он станет дуть слишком резко, крылья мельницы или даже ее механизм могут сломаться. Поэтому ветряным мельницам нужен специальный тормоз и система настройки крыльев, по подобию с управлением корабельными парусами. Но при всем этом самая главная трудность — постоянно меняющееся направление ветра, под которое мельницу нужно быстро переориентировать.

Примитивную ветряную мельницу можно водрузить на столб и вручную разворачивать всю конструкцию под ветер, но у крупных и мощных мельниц крылья должны крепиться на верхней башенке, которая автоматически поворачивается за ветром вокруг центрального вала. Механизм для этого применялся простой до гениальности: небольшая крыльчатка, установленная позади главных крыльев и под прямым углом к ним, соединялась зубчатой передачей с зубчатым кольцом, лежащим по верхнему краю башенки: если ветер менялся и попадал на лопасти крыльчатки, она начинала крутиться и поворачивала башню, пока та не оказывалась вновь точно против ветра.

Для всего этого требуется гораздо более высокий уровень технической сложности, чем для самой большой водяной мельницы. Но, научившись использовать силу ветра, вы больше не ограничены только водными потоками и можете размещать производство хоть на плоских равнинах (как в Нидерландах), хоть в землях, скудных водой (типа Испании), хоть там, где вода часто оказывается подо льдом (например, в Скандинавии).

Обуздание природной силы воды и ветра в сочетании с все более эффективным использованием тягловых животных (к этой теме мы вернемся в главе 9) оказало глубочайшее воздействие на человеческое общество, и в годы перезагрузки нужно будет как можно скорее дойти до этого уровня. Средневековая Европа стала первой в истории человечества цивилизацией, основавшей производство не на человеческой мускульной силе — труде батраков и рабов, — а на эксплуатации силы стихий. Эта механическая революция, происходившая между XI и XIII столетиями, пошла много дальше мельниц, растиравших зерно в муку. Вращение водяного колеса и ветряка стало универсальным источником энергии для удивительно широкого круга процессов и операций: отжима масла из оливок, льняного семени и рапса, сверления отверстий, полировки стекла, прядения шелка и хлопка, раскатывания стальных полос металлическими катками. Простое механическое устройство, кривошип, преобразовало вращение в возвратно-поступательное движение, используемое в пилораме, шахтной вентиляции и помпе, откачивающей из шахт воду (особенно успешно применявшейся голландцами). Но, пожалуй, шире всего использовался кулачковый механизм, в котором вращение колеса поднимает и отпускает падающий молот: удобное решение для дробления руды, ковки железа, измельчения известняка на известковое удобрение или строительный раствор, взбивания грязной овечьей шерсти (для очистки и прессовки) и толчения закваски для пива, пульпы для бумаги, коры для дубления и листьев вайды для получения синей краски.

Кулачковый механизм использовался для подъема падающего молота на протяжении семи веков, пока промышленная революция не заменила его паровой машиной, но он дожил и до наших дней: под капотом легковушек и грузовиков он в нужном порядке открывает и закрывает клапаны двигателя (см. главу 9).

Таким образом, средневековые водяные и ветряные колеса вкупе с соответствующими механизмами, преобразующими начальное вращение в необходимый вид движений, представляют собой первые автоматы. Средневековье, может, и не являвшееся промышленным, несомненно было трудолюбивым. И если нашу цивилизацию погубит глобальная катастрофа, можно надеяться, что средневековые технологии, возрожденные и примененные, позволят быстро достичь начального уровня производительности труда.

Любая цивилизация должна уметь использовать и тепловую, и механическую энергию. Но как преобразовать одно в другое? Преобразовать механическую энергию в тепло — невелика хитрость: вспомните, как мы в прохладный день трем ладони; а вся функция механических смазок и подшипников состоит в том, чтобы свести к минимуму трение и избежать ухода полезной энергии в нагрев. Вместе с тем весьма полезно было бы умение создать обратный переход. Тепловую энергию можно получить в любом количестве сжиганием того или иного объема топлива, а возможность конвертировать тепло в механическую энергию позволит не зависеть от изменчивых стихий ветра и воды и, кроме того, даст двигатели для механических средств передвижения. Первым в истории устройством, совершившим такое превращение тепла в полезное движение, стала паровая машина.

Главный принцип паровой машины восходит к старой как мир загадке, хорошо известной еще Галилею в конце XVI в.: почему вакуумный насос не может поднять воду в трубе выше 10 м. Объясняется это тем, что сам воздух оказывает давление, эта сила сжимает все, что есть на поверхности земли, включая столб воды. Но отсюда следует, что и сама атмосфера может делать работу для нас. Нужно только лишь создать вакуум внутри цилиндра с гладкими стенками и свободно движущимся поршнем, и внешний воздух втолкнет поршень. Этот процесс можно использовать в машине для совершения работы. Остается вопрос: как снова и снова создавать в цилиндре вакуум? Ответ: силой пара.

Впустите в цилиндр пар из парового котла, и пусть он там остынет: конденсируясь в воду, он перестанет давить на поршень и уравновешивать атмосферное давление. Под действием внешнего воздуха поршень уйдет обратно в цилиндр, совершив нужную вам работу, а цикл можно повторить, открыв клапан и дав поршню вернуться, а затем впрыснув новую порцию пара. Таков общий принцип действия первых «огневых машин» XVIII столетия. Заметно повысить их эффективность можно, добавив отдельный охладитель, чтобы не нужно было постоянно охлаждать и нагревать цилиндр. Если же вы сможете сконструировать особенно прочные цилиндры и котлы — из подручных материалов либо после освоения металлургии, тогда возможностей будет еще больше. Вместо того чтобы полагаться на всасывающий эффект от остывающего в цилиндре пара, увеличьте давление пара и используйте мощь горячего газа — знакомую по шипению эспрессо-машинки, — чтобы сначала двинуть поршень в одну сторону, а затем в другую, обратно.

Главный процесс, осуществляемый паровой машиной (как и любым поршневым тепловым двигателем, например авто­мобильным мотором, который мы обсудим в главе 9), — возвратно-поступательный ход поршня. Его удобно использовать на откачке воды из шахт, но для большинства других применений это колебание нужно превращать в равномерное вращение. Кулачковый механизм, как в ветряных мельницах, осуществит превращение и нужным образом задаст ход машины или колес транспортного средства.

Вам может показаться, что паровая машина воплощает именно тот переходный этап в развитии техники, который нужно перескочить, перейдя сразу к двигателю внутреннего сгорания и паровой турбине, которые мы подробно разберем ниже. Однако паровая машина в сравнении с более совершенными технологиями обладает двумя важными преимуществами, так что, скорее всего, вам придется задержаться и на этой ступени. Во-первых, она относится к двигателям внешнего сгорания и не нуждается в рафинированном бензине, керосине или соляре: без особых хлопот в топку можно пустить практически любой горючий материал, например отходы лесопилки или компост. Во-вторых, для сборки простой паровой машины понадобятся не такие сложные станки и материалы и гораздо меньшая точность и строгость расчетов, чем для сложных механизмов. К механической энергии мы скоро вернемся, а теперь давайте посмотрим, как можно восстановить одно из важнейших удобств нынешнего мира — электричество.

Электричество

Электричество или, точнее, весь круг явлений, связанных с электромагнетизмом, — настолько важная и магистральная технология, что в эпоху перезагрузки нужно будет восстановить ее как можно скорее. Открытие электромагнетизма — прекрасный пример того, как абсолютно новая область знания, обнаруженная по случайности, открывает нам широкий круг сопутствующих явлений и полезных возможностей. Эти новые явления исследуются в аспекте технологического освоения, что в свою очередь прокладывает новые пути для чистого научного поиска.

Впервые электричество в виде непрерывного и стабильного тока было получено в аккумуляторной батарее. Изготовить батарею удивительно просто. Чтобы запустить электрический ток, понадобится всего лишь два куска разного металла, погруженные в электропроводящую жидкость или пасту, так называемый электролит. Каждый металл характеризуется своей «степенью сродства» к частицам, называемым электронами, и, когда два разных металла соединяются, один из них делится своими электронами с другим, более «голодным», вызывая ток в связывающем их проводе. В любых аккумуляторах, будь то мобильный телефон, карманный фонарик или кардиостимулятор, «запакована» химическая реакция, которая происходит, лишь когда контакт замкнут и поток электронов бежит по лабиринту проводов и выполняет предписанную работу. Разница в реактивности между двумя металлами определяет электрический потенциал или напряжение, выдаваемое батареей.

Подходящее напряжение получается, если серебро или медь соединяется с более активными металлами типа железа или цинка. Первая электрическая батарея, вольтов столб, сконструированная в 1800 г., состояла из чередующихся серебряных и цинковых дисков, разделенных картонными прокладками, пропитанными соленой водой. Серебро, медь и железо были известны за тысячи лет до вольтова столба, а цинк, хотя его обогащать труднее, присутствует в античных бронзовых сплавах и в чистом виде был доступен человеку с середины XVIII в. Провода можно изготовить прокатыванием или волочением мягкой меди. Так что, похоже, не было никаких непреодолимых преград для того, чтобы электричество открыли в Античности.

И не исключено, что его тогда и вправду открыли.

В 1930-х гг. в раскопках около Багдада обнаружилось несколько любопытных артефактов. Это были глиняные сосуды, каждый около 12 см высотой, датированные парфянской эпохой (200 г. до н.э. — 200 г. н.э.). Примечательным в этих сосудах было их содержимое. В каждом находился железный стержень, помещенный в трубку из свернутого медного листа, и обнаружились следы присутствия кислотосодержащей жидкости типа уксуса. Металлические детали не соприкасаются, а горлышко сосуда было запечатано природным изолятором битумом. По одной из версий, этот древний реликт представляет собой гальванический элемент, использовавшийся, возможно, для напыления золота на ювелирные украшения, а может быть, у покалывающего электрического тока предполагали лечебные свойства. Реплики, сделанные с «багдадских батарей», спокойно выдавали напряжение около 1,5 В, но свидетельства применения гальванических покрытий, прямо сказать, недостаточны, и назначение загадочных сосудов по-прежнему остается под вопросом. Если они все же созданы для получения электричества, что, безусловно, возможно, тогда их создатели опередили Алессандро Вольту более чем на тысячелетие.

Если химическую реакцию, снимающую электроны с отрицательного контакта и переносящую на положительный, можно обратить, получаем вдвойне полезный снаряд — возобновляемую батарею. Простейшая для изготовления заряжаемая с нуля батарея — это свинцово-кислотный аккумулятор, широко применяемый на автомобилях. Электродами служат свинцовые пластины, погруженные в сернокислый электролит. Оба электрода реагируют с кислотой, превращаясь в сульфат свинца, но во время зарядки положительный электрод переходит в оксид свинца (свинцовая ржа), а отрицательный — в металлический свинец, а во время разрядки батареи происходит строго обратное. Каждый такой элемент производит чуть больше 2 В, а шесть штук, соединенные последовательно, дают 12 В на выходе автомобильного аккумулятора .

С батареями, однако, есть одна трудность: хотя они служат фантастически удобным переносным источником энергии, от которого работают наши ноутбуки, смартфоны и другие новейшие устройства, здесь мы просто подключаемся к энергии, уже содержащейся в разнородных металлах (точно так же сжигание дров всего лишь высвобождает энергию углерода, реагирующего с кислородом). Сначала придется истратить немало энергии на получение чистых реактивных металлов или на подзарядку возобновляемой батареи от какого-то источника. Батареи — это хранилище, а не источник.

Свойства электричества, от которых мы так зависим в современном мире, представляют собой совокупность взаимосвязанных явлений, на которые человек наталкивался начиная с 1820-х гг. Положите компас рядом с проводом, по которому течет ток из аккумуляторной батареи, и вы увидите, что стрелка отклонится. Провод создает магнитное поле, которое локально превалирует над магнитным полем Земли, и потому стрелка компаса меняет положение. Эффект можно усилить, туго обвив проводом железный стержень: в этом случае несильные поля от провода, складываясь, превращают железный сердечник в мощный электромагнит, который можно включать и выключать щелчком рубильника и применять для постоянного намагничивания других кусков железа.

Но если электрический ток создает магнитное поле, не верно ли и обратное: может ли магнит вызвать ток в провод­нике? И в самом деле — может. Если возле мотка проволоки перемещать магнит или даже включать и выключать электромагнит, в проволоке возникнет ток. Чем быстрее магнитное поле движется мимо провода, тем мощнее ток. То есть электричество и магнетизм — это симметричные неразрывно переплетенные силы: две стороны одной медали электромагнетизма.

Простое наблюдение, состоящее в том, что магнитное поле индуцирует электрический ток, открывает нам необъятное разнообразие современных технологий: с помощью магнита самое движение можно преобразовать в электроэнергию. И не надо зависеть от батарей, требующих дорогого металла и быстро истощающихся: вращая магнит в бухте проволоки или бухту вокруг магнита, можно получать сколько нужно электроэнергии. Принцип работает и в обратную сторону: электромагнитное поле может приводить тела в движение. Положите сильный магнит рядом с проводом, и вы заметите, что провод вздрогнет оттого, что в нем возник ток. Это эффект отталкивания. Немного по­экспериментировав, можно определить, как расположить электри­ческие провода и магниты (или даже электромагниты), чтобы привести в движение быстро крутящийся вал. Сегодня электромоторы приводят в движение промышленные машины, пилят лес и мелют зерно, и в вашем доме их добрый десяток: электромотор жужжит в пылесосе, вертит вытяжной вентилятор в ванной, вращает диск в DVD-проигрывателе. Миниатюризация труда облегчает наш быт, электромоторы нынче всюду, и они почти невидимы.

Зная, как электромагнетизм приводит тела в движение, можно сконструировать инструменты для точного измерения основных характеристик электрического тока: силы и напряжения. (Первые электротехники пытались мерить эти параметры языком, оценивая степень болезненности прикосновения!) Как мы увидим в главе 13, способность верно исчислить новое явление — это необходимый первый шаг к его пониманию и далее к возможному техническому освоению.

Электрический свет тоже играет в нашей жизни немалую роль. Его можно зажечь в любой момент, и это кардинальным образом изменило режим сна и производственные ритмы человека: наши улицы и дома сияют миллионами маленьких солнц. Простейший вид электрического освещения — дуговая лампа. Изобретенная в 1800-х гг. и питавшаяся от вольтова столба, это, по сути дела, непрерывная искра — искусственная молния, бьющая между двумя угольными электродами. Неудобство дуговой лампы в том, что она невыносимо яркая и потому не годится для помещений. Хотя вызвать свечение тел с помощью электромагнетизма достаточно несложно, регулировать силу электрического света — задача потруднее.

Физические явления, на которых основана конструкция лампочки накаливания, достаточно просты. Электрическое сопротивление — свойство любого вещества, и благодаря ему тонкую нить накаливания можно раскалить, пропуская через нее ток. Раскаляясь, вещества начинают сами испускать лучи — температурное излучение: железный прут в пламени горна становится сначала багровым, потом оранжевым, желтым и, наконец, ослепительно-белым. Но дьявол прячется в деталях: если угольная или металлическая нить накаливания добела раскалится на воздухе, она вступит в реакцию с кислородом и сгорит. Ее можно поместить в герметичную стеклянную колбу, откачав оттуда воздух, но в вакууме раскаленные вещества легко испаряются. Проблему решает заполнение колбы разреженным инертным газом, но для этого все равно потребуется исследование и эксперименты, подбор методом проб и ошибок среди разных карбонизированных материалов и видов тонкой проволоки надежного варианта нити накаливания.

Генерация и распределение

Мы уже разобрали, как генератор превращает механическое движение в электрический ток, но откуда взять это движение? Очевидное решение — построить ветряк или водяное колесо и установить генератор там. Генератор хорошо работает, когда вращается со скоростью в сотни оборотов в минуту, поэтому вам понадобится система шестерен или ремней и блоков, чтобы ускорить мощное, но медленное вращение вала. Возрождающаяся цивилизация, видимо, будет похожа на стимпанковый винегрет разнородных технологий, со старинного вида четырехлопастными ветряными мельницами и водяными колесами, направляющими силу стихий не на помол зерна и подъем свайного молота, а на генерацию электричества для питания местной сети.

Проведенные в 2005 г. расчеты показали, что обычная ветряная мельница, дооборудованная вместо жерновов системой шестерен и генератором, может за год произвести 50 000 квт·ч электроэнергии — вчетверо больше, чем я расходую в своей квартире. Но, пожалуй, самый вдохновляющий пример, чего можно достичь, располагая лишь простейшими технологиями, оставил нам американский изобретатель Чарльз Френсис Браш. В 1887 г. он построил у себя в саду башню-ветряк с 17-метровым в диаметре колесом, состоявшим из 144 лопастей, выполненных из тонких, выгнутых кедровых реек. Эта электростанция вырабатывала более киловатта электричества, которое Браш пустил на питание доброй сотни ламп накаливания — они на тот момент тоже были передовой технологией, — освещавших его дом, а все излишки накапливал в 400 аккумуляторных батареях, размещенных в подвале.

Неудобство такой конструкции в том, что система множественных шестерен, необходимая для придания валу нужной скорости вращения, отнимает слишком много энергии. Для ветрогенераторов проблема снимается кардинальным изменением системы. Вместо широких лопастей-парусов, захватывающих много ветра, но создающих мощную турбулентность и торможение, а значит, неспособных к скоростному вращению, современные ветряки используют три длинных и узких лопасти-лезвия. Система построена на знаниях аэродинамики, полученных при разработке пропеллеров для самолетов и вертолетов, и хотя небольшая площадь поверхности означает, что при слабом ветре колесо вращается с трудом, зато, лишь подует посильнее, оно крутится с головокружительной скоростью и конвертирует в электричество гораздо большую часть механической энергии.

У водяного колеса выходная мощность тоже ограниченна. Количество энергии, содержащееся в потоке воды, зависит от его мощности и высоты падения. Мощность потока — это объем жидкости, протекающий за единицу времени, а высота падения в случае с верхнебойным водяным колесом — расстояние между желобом и лотком. Энергетические возможности водяного колеса не особенно велики, оттого что максимальная высота падения струи ограничена диаметром колеса, а при диаметре больше 20 м колеса становятся слишком тяжелыми и потому неэффективными.

А вот водяные турбины, с другой стороны, таких ограничений не знают. Самая мощная в мире гидроэлектростанция «Три ущелья» на реке Янцзы создает перепад в 80 м между водным зеркалом водохранилища и турбинами в основании плотины, за счет чего и получает колоссальную энергию.

Лучшая турбина, которую вы можете построить для применения с большой высотой и небольшой мощностью потока (то есть под узкой трубой, выбрасывающей струю под высоким давлением), — это турбина Пелтона, состоящая из ковшей, расположенных на ободе колеса (немного похоже на уложенные кругом ложки). Принцип в том, чтобы струя воды не останавливалась в каждом ковше, но хитро разворачивалась и снова выплескивалась вперед. Каждый ковш выполняется в виде слегка искривленного ведра, как бы разделенного на две половины проходящим вдоль стенки гребнем, рассекающим падающую прямо в ковш струю так, чтобы она, разделившись строго надвое, завихрялась в обоих углублениях и выплескивалась через передний край ковша. Именно это изменение направления прикладывает к ковшу значительное усилие и вращает турбину, а струя бьет по очереди в каждый ковш, и колесо не останавливается.

Для обратной ситуации, когда высота потока у вас невелика, но велика его мощность, лучше подойдет турбина поперечного тока. Здесь вода направляется на вершину колеса с короткими изогнутыми лопастями, расположенными радиально, и толкает их сначала на входе в колесо, а затем, вторично, выходя из колеса в нижней точке. С первого взгляда эта конструкция напоминает традиционную водяную мельницу, но ее существенное отличие в том, что турбину вращает не вес падающей воды, улавливаемой лопастями, а струя, толкающая лопасти сзади.

Как пелтоновскую, так и поперечноточную турбину несложно изготовить, имея простые металлообрабатыва­ющие станки, и сегодня обе они рекомендуются для развивающихся стран как технологии, для которых все можно произвести на месте. Они отлично подойдут для восстановления цивилизации в постапокалиптическом мире.

При всей эффективности ветрогенераторов и водяных турбин, использующих, к тому же, возобновляемые источники энергии, сегодня бóльшая часть электроэнергии генерируется иными способами. Век пара, строго говоря, на самом деле не закончился. Мы ушли от широкого применения паровых машин в двигателях станков или транспортных средств, но с помощью пара сегодня вырабатывается более 80% всего потребляемого в мире электричества: котлы кипятит тепло, высвобождаемое при сжигании угля или газа либо при распаде нестабильных тяжелых атомов в ядерном реакторе.

Как мы уже видели, произвести тепло просто, а вот преобразовать тепловую энергию в механическую — это задача посложнее. Решить ее может паровая машина, но медленный ход поршня невозможно без энергопотерь превратить в быстрое вращение, пригодное для электрогенератора.

Решением стала турбина, основанная на удачной конструкции водяной турбины, но приспособленная под пар высокого давления. Работу совершает струя пара, либо бьющая по лопастям сзади, чтобы импульс вращал колесо (как в пелтоновской или поперечноточной турбине), либо отражающаяся от поверхности изогнутой лопасти, которую, как самолетное крыло, толкает сила противодействия. Существенная разница между водой и паром в том, что пар расширяется и движется быстрее, но теряет давление, поэтому большинство паровых турбин сочетают реактивное колесо для пара высокого давления пара с импульсным колесом ниже на валу, работающим от разреженного пара. Такая многоступенчатая паровая турбина позволяет весьма производительно генерировать огромные объемы электроэнергии, и ее применение открыло новый электрический век.

Однако, сколь бы эффективной ни была турбина, полученную электроэнергию еще нужно доставить туда, где она нужна.

Вы можете соорудить генератор, который будет вырабатывать устойчивый постоянный ток (как в аккумуляторе), но легче собрать генератор переменного тока, быстро циклически изменяющегося с вращением ротора. Напряжение, возникающее в обмотке, меняется с положительного на отрицательное и обратно, поэтому ток, который оно вызывает, тоже постоянно меняет направление, летая туда-сюда по проводнику, наподобие стремительного прилива и отлива. Переменный ток имеет одно важное преимущество перед постоянным: он изящно решает проблему транспортировки электричества с электростанции до места его потребления — городов и промышленных объектов.

Как только вы захотите послать электроны по распределительной сети, состоящей из металлических проводов, вы тут же столкнетесь с коренной трудностью. Мощность вырабатыва­емого электрического тока определяется произведением силы тока и напряжения. Если сила тока велика, сопротивление проводов будет их неизбежно нагревать, и вы потеряете большую часть драгоценного электричества, которое произвели. (В то же время электрическое сопротивление — это свойство, которое намеренно эксплуатируют в нагревательных элементах чайника, тостера и фена, а если тонкую металлическую нить удастся разогреть до того, что она засветится, и притом не сжечь, то, значит, вы освоили технологию лампы накаливания.) Единственный вариант передать ток высокой мощности — уменьшить силу тока и повысить напряжение. Тут есть трудность: высокое напряжение слишком опасно; оно допустимо для проводов, протянутых между опорами высоко над землей за городом, но у себя дома вы точно постараетесь его избежать. Так вот, прелесть переменного тока в том, что он позволяет легко поднимать и опускать напряжение с помощью трансформаторов.

Трансформатор — это, по сути дела, два толстых мотка проволоки, насаженные один против другого на один железный сердечник в форме рамки, для того чтобы магнитное поле, создаваемое первой обмоткой, воздействовало на вторую. Согласно принципу индукции, о котором мы говорили выше (с. 184), переменный ток, пропущенный через первичную обмотку, создает быстро колеблющееся электромагнитное поле — возникающее и исчезающее более сотни раз за секунду, — которое в свою очередь создает переменный ток во вторичной обмотке. А теперь смотрите, в чем фокус. Если во вторичной обмотке витков больше, чем в первичной, напряжение растет, а сила тока падает: трансформатор — вроде электрического валютообменника, он конвертирует силу тока в напряжение. Таким образом, с помощью трансформаторов вы можете регулировать напряжение на разных участках распределительной сети, чтобы где нужно снизить силу тока, оборачивающуюся высоким сопротивлением, а где нужно — опасное для жизни напряжение.

Прелесть электричества в том, что можно размещать промышленные объекты не только на вершинах обдуваемых сильным ветром холмов, на берегах быстрых рек или неподалеку от лесов и угольных шахт, как приходилось поступать нашим предкам до XIX столетия. В этих местах останутся только электрогенераторы, а энергия по проводам пойдет куда нужно. Мы привыкли к такому положению вещей. Но всего лишь 100 лет назад всю энергию, необходимую для обслуживания дома, нужно было доставлять туда в материальном воплощении: керосин для ламп, уголь или дрова для обогрева и готовки. На задних дворах викторианских домов имелись дворовые угольные бункеры размером с небольшую жилую комнату, чтобы держать запас топлива на всю зиму. Сегодня электричество приходит в каждое помещение и приносит энергию для всех домашних нужд — чистую, бесшумную, не занимающую места.

Постоянный ток поможет человеческому сообществу приподняться из руин в первые недели после катастрофы, он доставит энергию по коротким трассам, например от ветрогенератора до жилищ, и зарядит аккумуляторы. Однако если на дальнейших этапах восстановления хозяйства вы задумаетесь о выгодах крупных и мощных электростанций, тогда понадобится создавать распределительные сети переменного тока. К тому же в мире, где люди будут страдать от жесткой нехватки энергии, тепло, полученное от сгорания топлива, лучше использовать по максимуму. Комбинированные теплоэлектростанции (ТЭС) изменили абсурдную ситуацию, когда тепло уходило впустую через градирни электростанций, а тем временем для отопления ближних городских кварталов сжигалось топливо. По использованию ТЭС в мире лидируют Швеция и Дания: там горячий пар, применяемый для вращения турбин и генераторов, в дальнейшем, например, идет на обогрев зданий по соседству от станции. Котлы топятся природным газом или биотопливом: отходами деревообработки, лесом с возобновляемых вырубок или отходами сельского хозяйства, и эффективность генерации электроэнергии и производства тепла приближается к 90%.

В дни перезагрузки, вероятно, привычным станет зрелище телег, запряженных тягловыми животными, а может, и переоборудованных под газ грузовиков, везущих пиленый лес или компост с окрестных ферм на ТЭС, которые каждый квант полученной энергии пускают на производство электричества и тепла для ближних предприятий и жилых районов. Что ж, посмотрим, какими в постапокалиптическом мире будут средства передвижения.