FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь 2019
176 городов
September – November 2019
312 cities
11-13 октября 2019
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры

Создание современной цивилизации материалов

Если рассуждать с простой экзистенциальной точки зрения, то есть исходя из того, чем люди в основном питаются, как долго и насколько хорошо живут, сколько тратят топлива, какими пользуются движителями, какие материалы выбирают, как ими пользуются и что из материалов им доступно в изобилии, то выяснится, что даже самые развитые доиндустриальные общества конца XVIII века — Китай во времена Канси, сегунат Токугава на его закате, дореволюционная Франция и Россия при Екатерине II — не могли похвастаться значительным рывком по сравнению с их предшественниками времен позднего Средневековья. Голод стал редким явлением, но рацион питания большинства людей едва ли можно было назвать полноценным, пища не отличалась разнообразием и состояла преимущественно из зерновых; из-за высокой младенческой смертности средняя ожидаемая продолжительность жизни при рождении составляла менее 40 лет; в домах было тесно, некомфортно, набюдалась антисанитария; основными видами топлива была древесина и древесный уголь, а также пожнивные остатки, преимущественно солома; мышечная сила человека и животных оставалась основным движителем; дерево, камень и глина (в виде обожженного кирпича) были базовыми строительными материалами, а металлические предметы из железа, меди, бронзы и латуни встречались нечасто. Уголь заменил древесину в качестве господствующего вида топлива только в Англии. Паровые двигатели Джеймса Ватта, не отличавшиеся высоким КПД, были первым изобретением, способным заменить ветряные мельницы и водяные колеса в качестве движителя, при этом со временем они становились все более мощными; в то же время замена древесного угля на каменный позволила строить доменные печи больших размеров, наращивая производство железа и снижая стоимость предметов из этого металла. Но даже в Великобритании широкие слои населения не могли похвастаться хорошим питанием, долголетием и обилием материальных ценностей. Все изменилось в XIX веке, сначала в Великобритании, некоторых регионах Западной Европы и на востоке США, затем в большинстве европейских стран и по всей Северной Америке, а в 1870 году Япония первой из азиатских стран начала процесс «осовременивания». С материальной точки зрения модернизация, предпосылками которой стали индустриализация и урбанизация, характеризуется прежде всего двумя процессами: наращиванием объемов производства традиционных строительных материалов, а также быстрорастущим потреблением металлов. Первый процесс обычно игнорируется, так как историки, изучающие индустриализацию, основное внимание уделяют потреблению ископаемых видов топлива, производству металлов и машин. Но ведь людям той эпохи пришлось вырезать, взрывать, измельчать и формовать камень в беспрецедентных количествах, а также перемещать или добавлять в состав кирпичей и бетона еще большие объемы почвы, песка и глины, чтобы в течение нескольких десятилетий обеспечить территории своих стран железными дорогами, улучшить обычные дорожные сети, построить дома для миллионов бывших крестьян, из года в год перебиравшихся в города, создать производственную инфраструктуру современных экономик — шахты, порты и заводы, позволившую государствам всего за два-три поколения перейти от земледельческих обществ к экономическому строю, в котором главную роль играет промышленное производство. Пожалуй, самым эстетически привлекательным воплощением возросшего спроса на тесаный камень можно назвать модернизацию Парижа, начавшуюся во времена Второй империи (1852–1870). Реорганизация парижских улиц и жилищного фонда под руководством Жоржа Эжена Османа, длившаяся с 1853 по 1870 г. (Carmona and Camiller, 2002), и последовавший за ней рост, в результате которого население города практически утроилось с 1850 по 1900 г., привели к возникновению спроса на характерный камень кремового цвета, добываемый в карьерах Сен-Максимен и выбранный, как уже было сказано ранее, Кольбером в XVII веке в качестве замены известняку, добывавшемуся в самом Париже. Осман использовал эти камни в строительстве типовых пятиэтажек с угловыми мансардными крышами; именно такими домами застроены широкие прямые бульвары, также спроектированные по инициативе этого градостроителя. Чтобы оценить расход камня, будем исходить из того, что на каждое из 40 тысяч зданий, построенных в рамках проводимой Османом городской реконструкции, в среднем уходило 350 тонн камня на фундамент и 250 тонн на фасад; таким образом получаем примерно 25 миллионов тонн камня, и эту цифру можно смело удвоить, если учитывать значительные отходы добычи, транспортировки, резки и иных работ с материалом. Урбанизация означала также рост спроса на окна, что привело к разработке новых методов массового производства плоского стекла. В 1848 году сэр Генри Бессемер, который позже прославился своим инновационным и недорогим методом производства стали, запатентовал технологию изготовления плоского стекла путем протягивания слегка охлажденного материала вверх через плоский зазор между асбестовыми валиками; это решение было намного технологичнее использовавшейся столетиями (и не позволявшей изготавливать стекла больших размеров) методики «лунного стекла», как и появившейся в начале XIX века технологии изготовления «цилиндрического стекла», которая также была ограничена в размерах получаемых стекол. Однако только в середине 50-х гг. XX века Аластер Пилкингтон представил ванны из расплавленного олова, позволившие изготавливать панели огромных размеров, соблюдая практически идеальное единообразие (Pilkington, 1969). Однако лучшим примером того, насколько более масштабными стали работы по перемещению сыпучих материалов, включая почву, песок и гравий, является строительство железных дорог. Оно началось в 1830 году с 56-километровой трассы между Ливерпулем и Манчестером; 30 лет спустя общая длина железных дорог достигла 100 000 километров, а к 1900 году — 775 000 километров, из которых 250 тысяч располагались в Европе, более 190 тысяч — в США, 53 тысячи — в России и 30 тысяч — в Великобритании (Williams, 2006). С учетом разнообразия местности, по которой проходят железные дороги, не представляется возможным оценить объем сыпучих строительных материалов — земли из канав и насыпей, камня, выдолбленного из скал при строительстве тоннелей, а также добытого в карьерах для получения гравия для насыпей и подъездных дорог, — ушедших на каждый километр новых железных дорог. Даже по самым скромным оценкам, для строительства 1 километра дорог приходилось перемещать 3000 м3 сыпучих материалов; таким образом, на строительство железных дорог по всему миру во второй половине XIX века ушло почти 2,5 миллиарда кубометров таких материалов. Аналогичная сдержанная оценка предполагает, что на каждый километр пришлось как минимум 2 тысячи тонн балласта (щебня, плотно уложенного под шпалами и вокруг них), таким образом, на опоры под железнодорожные пути, построенные с 1830 по 1900 год, ушло как минимум 1,5, а скорее, даже до 2 миллиарда тонн крупного гравия. Минеральные заполнители также требовались в беспрецедентных количествах: строились новые фабрики, расширялись морские и речные порты, прокладывались дороги с твердым покрытием. Однако эпоха асфальтовых дорог начнется только после 1900 года, а пока важнейшим строительным материалом XIX века становится бетон, изготавливаемый путем смешивания цемента с заполнителем и водой. Заполнитель по крупности разнится от песка до гравия различных размеров; гидратация — экзотермическая реакция — цемента позволяет смеси затвердевать даже под водой. Êàê ìû ê ýòîìó ïðèøëè 39 Пригодный для изготовления качественного бетона цемент появился только после 1824 года, когда Джозеф Аспдин, английский каменщик, запатентовал способ получения гидравлического раствора – штукатурки путем высокотемпературного обжига известняка и глины. При такой обработке происходит спекание алюминиевых и кремниевых материалов, в результате чего получается стекловидный клинкер, в измельченном виде известный как портлендский цемент (портландцемент). Это название предложил сам Аспдин, объясняя его тем, что после застывания цвет материала напоминает известняк с острова Портленд (Shaeffer, 1992). Гидратация этого цемента — его реакция с водой — приводит к образованию материала, готового к формовке, обладает хорошей прочностью на сжатие, но очень низкой прочностью на растяжение. Этот недостаток можно преодолеть, укрепив материал железной арматурой; такое сочетание возможно благодаря прочной связке железа с бетоном, а также ввиду того, что гидравлический цемент защищает железо от коррозии. Разработка и коммерциализация железобетона происходили постепенно; свой вклад внесли французские изобретатели (Франсуа Куанье в начале 1860-х и Жак Монье, сначала запатентовавший железобетонную балку, а затем, в 1878 году, общую систему арматурных конструкций), а также британец Уильям Вард и американец Таддиус Хаятт в 1870-х (Newby, 2001). Однако по-настоящему эпоха современной арматуры началась в 1884 году, когда Эрнест Рэнсом запатентовал свою систему изготовления бетона с арматурой; вскоре эту систему стали активно продвигать и использовать, в особенности при возведении новых промышленных сооружений (Newby, 2001). В 1886 году Карл Дохринг запатентовал гениальную идею предварительного напряжения арматуры, погружаемой в бетон: арматурные пруты натягиваются во влажном материале и освобождаются от напряжения по мере затвердевания материала (Abeles, 1949). Первый бетонный небоскреб — Монаднок-Билдинг в Чикаго — был достроен в 1891 году; в 90-х годах того же столетия появление современных вращающихся печей с температурами, достигающими 1500°С, позволило начать производство недорогого цемента высокого качества. Таким образом, к 1900 году сформировались все предпосылки начала века бетона. Хотя спрос на древесину падал в связи с тем, что на замену ей и древесному углю пришли ископаемое топливо и кокс (уже в середине 70-х гг. XIX века кокс был источником половины всей энергии во Франции; в США доля кокса и нефти в общей выработке энергии превзошла долю топливной древесины примерно в 1884–1885 гг.), а также потому, что кораблестроители перешли с дерева на сталь, масштабная разработка угольных шахт и строительство железных дорог привели к появлению новых рынков древесных пиломатериалов. Спрос на рудничные леса при ведении подземных горных работ зависел от глубины и толщины пластов, но обычно в Европе и Соединенных Штатах требовалось порядка 0,02–0,03 м3 древесины на тонну угля; по моим наиболее точным оценкам, общемировая потребность в рудничных лесоматериалах превысила 20 миллионов кубометров (около 15 миллионов тонн) к 1900 году (Smil, 2013). В XIX веке все шпалы были деревянными; бетонные появились только около 1900 года, но вплоть до окончания Второй мировой войны использовались редко. В соответствии со стандартной тогда практикой строительства железных дорог, на каждый километр путей приходилось примерно 1900 шпал; одна шпала из сосны весит около 70 килограммов, шпала из дуба — около 100 килограммов, следовательно, на каждый километр путей требовалось 130–190 тонн пиломатериалов, желательно — обработанных креозотом. По моим расчетам, на строительство всех железнодорожных путей, проложенных в XIX веке, ушло как минимум 100 миллионов тонн пиломатериалов и не менее 60 миллионов тонн было потрачено дополнительно на ремонт и замену путей (Smil, 2013). Многократно возрос спрос на металлы и их сплавы, включая не только давно известные человечеству, но использовавшиеся ранее в ограниченных количествах (лучшими примерами здесь являются чугун, сталь и медь), а также те, которые были выделены только в девятнадцатом веке, но быстро нашли широкое применение в промышленности (алюминий). Усовершенствования в технологиях выплавки железа — большие домны и более эффективное использование кокса — позволили снизить энергоемкость чугуна с почти 300 ГДж/т в 1800 году до менее 100 ГДж/т к 1850 и до 50 ГДж/т к 1900 году, благодаря чему он стал намного дешевле (Heal, 1975). Чугун уже применялся в строительстве некоторых зданий в Великобритании до 1850 года, а когда он стал недорогим, им стали пользоваться намного чаще в Соединенных Штатах, особенно южных, где он применялся не только в изготовлении колонн, но также в строительстве мостов. Чугунные колонны справляются со своей задачей, так как этот сплав обладает хорошей прочностью на сжатие; однако ввиду низкой прочности на растяжение его использование в строительных работах сильно ограничено или может привести к катастрофическим последствиям. Однако в условиях высоких нагрузок на растяжение лучшим выбором остается сталь — тоже железный сплав, но с содержанием углерода в пределах 0,05–1,5%; свойства этого сплава можно подогнать под разные требования путем добавления в разных пропорциях (от менее 2% до более 10%) других металлов, включая Co, Cr, Mn, Mo, Ni, Ti, V и W, иногда в сочетаниях. Области применения специализированных сталей варьируются от изготовления листов для автомобильных кузовов и производства режущих инструментов для станков до нержавеющей стали, используемой в медицинских изделиях, химическом синтезе и пищевой промышленности. Лучшие сорта — инструментальные стали — по прочности на растяжение на порядок превосходят чугун (1600–2500 МПа против 150–400 МПа). Из всех распространенных металлов и сплавов сталь обладает наибольшей прочностью и твердостью: по прочности на растяжение она семикратно превосходит алюминий и четырехкратно — медь; сталь также в четыре раза тверже алюминия и в восемь раз тверже меди. Ударопрочность стали может шестикратно превышать тот же показатель у чугуна (130 против 20 Дж), а самая высокая температура, выдерживаемая сталью до потери структурной целостности, достигает 750°C (чугун выдерживает не более 350°C). Развивающейся промышленности требовалось все больше металла с высокой прочностью на растяжение, в особенности ввиду быстрого расширения железнодорожной сети; удовлетворить эти потребности помогло сварочное железо (или пудлинговая сталь). Этот тип железа с низким содержанием углерода производили путем повторного нагрева и пудлингования – ручного перемешивания и разламывания тяжелых кусков (почти по 200 кг) чугуна; таким образом они подвергались воздействию кислорода в неглубоких горнах — процесс, который называют обезуглероживанием. Так получался практически чистый металл с содержанием углерода менее 0,1%. Сварочное железо затем повторно нагревалось и формовалось путем проката или ковки. Все первые рельсы, уложенные до конца 1850-х гг., а также Эйфелева башня были изготовлены именно таким способом. Недорогая сталь появилась в 1856–1857 гг., когда англичанин Генри Бессемер и американец Уильям Келли запатентовали технологию обезуглероживания, которая основывалась на следующем принципе: плавленый чугун в наклонном сосуде с огнеупорной футеровкой продувался холодным воздухом по 15–30 минут. Так и происходило обезуглероживание (Bessemer, 1905). Однако такая технология не позволяла удалить фосфор, присутствующий во многих железных рудах, и решить эту проблему удалось только в конце 1870-х гг., когда Сидни Гилкрайст Томас и Перси Карлайл Гилкрайт изобрели и внедрили известняковые футеровки и стали добавлять известняк к шихте: так удалось убрать фосфор из шлака (Almond, 1981). К концу 1880-х гг. базовый бессемеровский процесс был основной технологией производства стали как в Европе, так и в Америке; 86% стали, выпущенной в США в 1890 году, было произведено именно по методу Бессемера (Hogan, 1971), при этом на США приходилась большая часть всемирного производства стали. Однако век господства бессемеровского процесса был недолог и закончился с распространением мартеновских сталеплавильных печей, изготавливаемых в соответствии с патентом Вильгельма Сименса и Эмиля Мартена, полученном в 1866 году. Поначалу такие печи внедрялись медленно, однако в конце 80-х гг. XIX века мартеновские печи с футеровкой из простых огнеупорных материалов начали набирать популярность (Almond, 1981), в результате чего доля стали в общем производстве металлов резко возросла. В довоенных США лишь 1% американского чугуна переплавляли в сталь, однако к 1900 году эта доля достигла 75%, а в 1906 году на производство стали уходил уже практически весь чугун (Hogan, 1971). В конце 80-х гг. XIX века появились новые стали, разработанные Робером Муше (самозакаливающаяся сталь с добавлением вольфрама и марганца) и Робертом Эбботом Хэдфилдом (содержащая 13% марганца). Благодаря им стало возможно изготовление превосходных металлорежущих инструментов, а также прочных подшипников. К концу того же десятилетия сталелитейное производство Америки обогнало показатели британцев, увеличившись с 200 000 тонн в 1800 году до практически 2,5 миллиона тонн к 1850 году, а затем удвоившись за 20 лет до почти 6 миллионов тонн к 1870 году и достигнув 9,5 миллиона тонн к 1900. Общемировое производство чугуна возросло с 5 миллионов тонн в 1850 году до более чем 30 миллионов тонн к 1900 году, а производство стали увеличилось с примерно полумиллиона тонн в 1870 году до 28 миллионов к 1900 году (Smil, 2005). Впервые в истории наступила эпоха, когда стало возможно применять недорогую сталь в строительстве, изготовлении различных изделий и машин, ранее производившихся из кованого железа или дерева; стальная продукция завоевывала все новые и новые рынки благодаря превосходным структурным свойствам и долговечности материала. В сельском хозяйстве, которое в 1850 году все еще оставалось основным видом экономической деятельности, из стали сначала изготавливались отвальные плуги, впервые запатентованные Джоном Лейном-младшим в 1868 году. Их массовое применение позволило начать освоение Великих равнин Америки и канадских прерий. Затем началось производство стальных жаток и прочих орудий (сеялок, борон) и первых сельхозмашин на лошадиной тяге (самоходные комбайны появились только в 1911 году). Сталь вышла на новые рынки в конце 80-х гг. того же века, когда Райнхард и Макс Маннесманны изобрели бесшовные стальные трубы. Среди прочих значимых факторов, способствовавших увеличению спроса на сталь, следует отметить появление более эффективных винтовок, изобретение пулемета и современной взрывчатки, производство гранат и бомб, а также начавшееся в 1880-х строительство больших и бронированных линкоров (хотя первый Дредноут был построен только в 1906 году). Наиболее быстрый рост на рынках стали был связан с появлением новых видов транспорта. Стремительное развитие железнодорожных сетей привело к возникновению огромного спроса на сталь, использовавшуюся в производстве локомотивов, грузовых и пассажирских вагонов, а также рельсов. Рельсы, производившиеся в XIX веке, весили от 20 до 30 кг на метр; если за среднее значение принять 25 кг/м, то на строительство железных дорог с 1850 по 1900 год потребовалось бы более 20 миллионов тонн стали, а замена увеличила бы расходы материала более чем в два раза. Сталь вскоре стала самым популярным материалом для строительства железнодорожных мостов: все началось с консольного моста в Ферт-оф-Форт, Шотландия, длиной 2529 метров. Мост был спроектирован Джоном Фаулером и Бенджамином Бейкером и построен в период с 1883 по 1890 год, на что ушла 51 тысяча тонн металла (Forth Bridges, 2013). Второй масштабный глобальный транспортный рынок появился после того, как в 1877 году Регистр Ллойда разрешил страхование стальных кораблей; в течение одного поколения этот сплав завоевал судостроительные рынки, поставив точку в истории деревянных грузовых коммерческих судов. Уже в 1900 году верфи в Великобритании, Германии и Франции регулярно спускали на воду большие пассажирские суда, на строительство каждого из которых уходило более 10 000 тонн стали. Третий транспортный сегмент, в котором со временем также возник огромный спрос на сталь, тоже зародился до 1900 года, однако массовым средством передвижения автомобиль стал в США только после появления «Модели Т» Форда в 1908 году. Благодаря индустриализации в XIX веке возникают новые рынки стали, причем как внутри самой металлургической отрасли, которая росла беспрецедентными темпами, из-за чего требовались доменные печи и сталелитейные заводы все большей производительности, так и в других отраслях: электроэнергетике (возникла в начале 80-х гг. и нуждалась в тяжелом машинном оборудовании, включая котлы и паровые турбогенераторы; сталь также уходила на трансформаторы, вышки и электрические провода), добыче и транспортировке нефти и газа, (где сталь была нужна для изготовления бурильных труб, буров, обсадки, трубопроводов и цистерн, труб и резервуаров для нефтеперегонных заводов), а также традиционной текстильной и пищевой промышленности, механизация которых привела к внедрению в производственный цикл целого ряда стальных машин и иного оборудования для хранения и обработки. В свою очередь, возросла доля стали среди материалов, используемых в производстве разных промышленных машин, инструментов и компонентов. Сталь, будучи недорогой и высокопрочной, позволила начать строить жилые дома невиданной прежде высоты и функциональности. Конструкционная сталь, а точнее длинные двутавры, клепаные из небольших кусков, стала основой для возведения небоскребов, позволив отказаться от толстых несущих стен. Здание компании Home Insurance в Чикаго, спроектированное Уильямом Ле Бароном Дженни, завершенное в 1885 году и снесенное в 1931 (на его месте построили Филд-Билдинг), было первым высотным (10 этажей, 42 метра) строением, где основной опорой стали стальные колонны и балки, что уменьшило общую массу здания на две трети, позволило увеличить площадь пола и установить большие окна. Пять лет спустя в Нью-Йорке был построен Уорлд-Билдинг — 20-этажный небоскреб высотой 94 метра; и незадолго до начала нового века Генри Грей изобрел универсальный балочный стан, на котором можно было прокатывать длинные двутавры, что существенно упростило изготовление стальных конструкций, так как позволило отказаться от трудоемких заклепочных соединений. Небоскребы нуждались в лифтах — фирма Otis, до сих пор лидирующая на этом рынке, установила свой первый электрический лифт в 1889 году — а значит, только усиливали спрос на сталь, ведь она была необходима для изготовления лифтового оборудования, кабин и кабелей. Стоит отметить и «скрытый» расход стали на производство железобетона. Жозеф Монье, парижский садовник, сначала запатентовал в 1878 году упрощенную технологию изготовления железобетона, где использовались обычные металлические сетки; уже в 80-х гг. того же столетия этот материал стали повсеместно использовать во Франции, Германии и Австрии, особенно при строительстве новых производственных помещений. Медь издавна применялась в чеканке монет и производстве сплавов — латуни и бронзы; индустриализация добавила к этим двум областям применения еще две, которые вскоре стали основными. Первая была связана с широким распространением домовой канализации в растущих городах: медь стала стандартным материалом для производства водопроводных труб, а затем и для отопительно-охладительных систем. Вторая связана с возникновением в начале 80-х гг. XIX века промышленной широкомасштабной выработки электричества, что привело к необходимости наращивать мощность электростанций и строить все новые линии электропередач. Медь отличается очень хорошей электропроводностью и поэтому является наиболее предпочтительным металлом для изготовления проволоки и кабелей: от массивных кабельных связок в дата-центрах до микропроцессорных схем. Кроме того, медь применяется в производстве электромоторов, разъемов и переключаталей, подшипников, тормозов и радиаторов, а также в качестве кровельного материала и для покрытия часто контактирующих с кожей поверхностей в общественных местах (последнее связано с антимикробными свойствами этого металла). Самый легкий из широко используемых металлов позднее остальных стал производиться в промышленных объемах. Алюминий был открыт Хансом Кристианом Эрстедом в 1825 году, и в течение последующих 60 лет выпускался в мизерных количествах и шел только на изготовление новаторских ювелирных украшений; даже в 1884 году самым большим изделием из алюминия была пирамида весом 2,85 кг, украсившая верхушку Монумента Вашингтона (Binczewski, 1995). Люди хотели научиться производить алюминий в промышленных объемах не только по  причине очень низкой плотности этого металла (2,7 г/см3 , что в три раза меньше, чем у железа — 7,9 г/см3 ), но также благодаря его прекрасной электропроводности (уступает только серебру, золоту и меди) и необычному сочетанию хорошей ковкости (алюминий легко обрабатывается прокатом, выдавливанием и штамповкой), высокой прочности на растяжение (уступает только специальным сталям, может быть еще более прочным в сплавах с медью, кремнием или цинком) и коррозионной стойкости. Более того, композитные алюминиево-керамические материалы демонстрируют необычную жесткость и долговечность. Металл нетоксичен и может использоваться для изготовления посуды под пищу и напитки, а выброшенные изделия из алюминия легко прессуются, благодаря чему его переработка не является энергозатратной. Анри Сен-Клер Девиль был первым экспериментатором, которому удалось получить этот металл электролитическим методом в 50-х гг. XIX века, но ни один из предложенных позднее вариантов его метода так и не стал ключом к массовому производству алюминия. Наиболее практичная технология выплавки алюминия была найдена в 1886 году и часто приводится как исключительный пример того, как двое исследователей независимо друг от друга, но практически одинаково решили одну и ту же техническую задачу: оба изобретателя — Чарльз Мартин Холл, США, и Поль Луи Туссен Эру, Франция — быстро внедрили открытый ими метод в промышленное производство, и первые два завода были запущены уже в 1888 году; интересно также, что обоим на момент совершения открытия было по 23 года (Borchers, 1904). Процесс Холла-Эру до сих пор остается единственной технологией производства алюминия в больших количествах. В 1888 году Карл Иосиф Байер выделил оксид алюминия — глинозем — из бокситов, красноватых соединений, которые повсеместно встречаются в тропиках (латеритный боксит) и названы в честь местечка Ле-Бокс на юге Франции, где они были впервые найдены Пьером Бертье в 1821 году. Открытие Байера также упростило производство алюминия. Оксид алюминия Al2 O3 (неэлектропроводное соединение) растворяется в расплавленном и хорошо проводящем ток криолите (Na3 AlF6 , гексафтороалюминат натрия), образуя идеальную комбинацию для дальнейшей эффективной электрохимической сепарации в больших электролитических сосудах; на производство 2 тонн глинозема уходит 4–5 тонн бокситов, а из 2 тонн оксида восстанавливается 1 тонна чистого алюминия. К 1900 году общий объем производства алюминия составлял всего около 8000 тонн, но уже тогда его цена была в двадцать раз меньше уровня 1888 года (Borchers, 1904). Помимо строительных заполнителей и металлов следует выделить еще один материал: бумагу. Ее крупномасштабное производство претерпело значительные изменения в начале XIX века, когда появилась бумагоделательная машина непрерывного действия, запатентованная Луи Николя Робером в 1799 году во Франции, но впервые задействованная в промышленном производстве Анри Фурдринье в 1801 году в Англии; с тех пор ее называют именем последнего. Эта огромная машина состояла из нескольких огромных цилиндров, формовавших, обезвоживавших и сушивших огромные непрерывные рулоны бумаги (Nuttall, 1967). Волокнистую массу укладывали на большую проволочную сетку во влажной секции машины, затем суконным прессом выгоняли большую часть влаги, а завершался процесс прогоном бумаги через несколько нагретых цилиндров. Но сырье оставалось все тем же самым: до 70-х гг. XIX века бумагу делали из переработанной ветоши, из-за чего объемы производства оставались низкими, а цены — высокими. Поэтому изобретатели того времени экспериментировали с десятками натуральных волокнистых материалов: от акации и агавы до репейника и юкки; однако, исходя из доступности, распространенности и свойств материала, лучшим вариантом признали древесину (Smith, 1970). В 70-х гг. XIX века в производстве бумаге из древесины использовали механически измельченную древесную массу, однако изза высокого содержания лигнина в ней бумага получалась низкого качества и быстро желтела. В настоящее время на такой печатают дешевые газеты, из нее делают туалетную бумагу и картон, в том числе строительный (Smil, 2005). В производстве бумаги из химически обработанной древесной массы поначалу использовалась щелочь (сода), но вскоре на смену этой технологии пришел кислотный (сульфатный) метод, позволявший получать древесную массу с лучшими механическими свойствами, но очень хрупкую бумагу: все издания, напечатанные на кислотной бумаге, постепенно разрушались. Но такая бумага была дешевой и оказала очевидный эффект на масштабы печатного дела: в 1872 году каталог «Монтгомери Уорд» (фирмы, торгующей по почте) состоял из одной страницы, два десятилетия спустя в нем было уже более 600 страниц (Montgomery Ward & Company, 1895). Этим революционным изобретением — сульфатным процессом для получения древесной массы — мир обязан шведскому химику Карлу Ф. Далю, изобретшему данный метод в 1879 году; однако в промышленных масштабах технология начала применяться только в 1900 году. Что касается текстиля, то изменения XIX столетия в этой отрасли носили в основном количественный характер, так как механизация ткачества, начавшаяся с появления станка Картрайта и эффективного парового двигателя Ватта, позволила значительно расширить текстильное производство, а выросший общий уровень дохода членов урбанизированных и индустриализированных обществ привел к появлению новых рынков для всех видов тканой продукции; гардероб людей больше не ограничивался одним-двумя комплектами верхней одежды. Среди других технических инноваций, способствовавших развитию этой отрасли, следует отметить использование фабриками высокомощных водяных колес и — несколько позже — турбин; замену традиционных деревянных валов на железные, появление станков на железных рамах, что позволило снизить эксплуатационные затраты и одновременно повысить производительность. О прогрессе в текстильной промышленности можно судить по британской статистике: в 1800 году в стране было всего около 2000 ткацких станков, но уже в начале 30-х гг. того же столетия их число превысило 100 000, а в 1857 в Великобритании работало 250 000 станков (Hills, 1993). Наконец стоит сказать, что научный и технический прогресс второй половины XIX века привел к первой промышленной добыче газов из атмосферы. В 1852 году Томас Джоуль и Уильям Томпсон лорд Кельвин обнаружили, что сжатый воздух, пропускаемый через пористые перегородки, слегка охлаждается: его температура падает при уменьшении давления примерно на 0,25°С за каждые 100 кПа. Повторное расширение приводит к каскадному охлаждению, в результате которого газ может перейти в жидкость; первое практическое применение эффекта Джоуля-Томсона было запатентовано Карлом фон Линде в 1895 году (Linde, 1916). Более века спустя основанная им одноименная компания стала мировым лидером в области сжижения газа.

Создание современного мира. Материалы и дематериализация. Глава 2.

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Другие статьи в этой рубрике

Первый снимок черной дыры

Астрономы впервые получили прямое визуальное изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики М 87 и ее тени.

 

 

 

Как бактерии проводят электричество

Электропроводящие выросты на поверхности бактериальных клеток устроены подобно обычным электрическим проводам – с проводящей внутренней частью и изолирующей обмоткой.

 

 

 

 

Вездесущий натрий

Крупинки натрий-хлора в солонке, бензоат в газировке и лаурилсульфат в шампуне — натрий окружает нас если не повсюду, то, по крайней мере, на кухне и в ванной.

 

 

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Ученые нашли «спусковой крючок» болезни Альцгеймера

Группе ученых из МГУ в сотрудничестве с коллегами из Института молекулярной биологии РАН и Лондонского королевского колледжа удалось разобраться в механизме развития

Российские ученые научились добывать трудноизвлекаемую нефть

Ученые разработали новый метод получения химических комплексов для фотогальванических элементов

Группа российских исследователей при участии ученых из МГУ имени М.В.Ломоносова разработали новый метод синтеза субфталоцианиновых комплексов, которые можно будет использовать для создания фотогальванических элементов.

Биологи из МГУ исследовали клеточный каннибализм в раковых опухолях

Российские ученые совершили прорыв в улучшении изделий из металла