Скачать (5,89 Кб)

Что прочнее всего на свете

Г. У. Лихошерстных
Химия и Жизнь №7, 1980 г., с. 31-33

Можно ли построить ракету, способную лететь с околосветовой скоростью? Наука говорит: в принципе, можно, если в качестве топлива использовать антивещество, дающее при взаимодействии с веществом мощное электромагнитное излучение. Отражаясь от вогнутого зеркала, это излучение и создаст тягу, необходимую для полета к звездам. Такие фотонные ракеты во всех подробностях описаны писателями-фантастами. Во всех подробностях, кроме одной: никто из них не говорит о том, из какого материала изготовлено зеркало. Ведь оно должно обладать способностью отражать образующееся при аннигиляции жесткое гамма-излучение, с легкостью пронизывающее все известные земные вещества. Кроме того, зеркало должно обладать феноменальной термостойкостью, так как мощный поток электромагнитной энергии, способный создать достаточную тягу, мгновенно испарит любой обычный материал.

Это лишь один пример того, как смелая фантазия разбивается о трезвый инженерный расчет, учитывающий реальные свойства реальных материалов: их прочность тоже ставит предел замыслам конструкторов. И хотя теоретическая прочность идеальных монокристаллов, в которых силы межатомного взаимодействия работают на все 100%, должна быть в сотни и тысячи раз больше обычной, даже такие материалы не смогут решить всех проблем техники далекого будущего.

Предельная теоретическая прочность и термостойкость определяется электромагнитными силами взаимодействия между атомами на расстояниях порядка 10^-8 см. Казалось бы, этот предел невозможно превзойти никакими ухищрениями. И все же не будем торопиться с выводами. Все расчеты возможной прочности материалов основаны на естественном предположении, что речь идет о веществах, родившихся в земных условиях. Но вещество некоторых звезд имеет достаточно необычные свойства. Например, звезды, называемые белыми карликами, состоят из вещества, у атомов которого верхние электронные оболочки как бы сломаны давлением. Плотность такого вещества примерно в миллион раз больше плотности воды: наполненный им наперсток должен весить около тонны. Еще более поразительно вещество нейтронных звезд, имеющее плотность около 10¹⁵ г/см³ - наполненный этим веществом наперсток должен весить миллиард тонн.

Но какое отношение к проблеме сверхпрочных и сверхтермостойких материалов имеет звездное вещество? Кому нужны конструкции, весящие многие миллиарды тонн, в то время как первоочередная задача заключается в том, чтобы сделать их как можно легче?

Однако мы не задумываемся о том, что у звездного вещества одновременно с повышением плотности растет и прочность. Скажем, в звездах-карликах расстояния между атомами в сто раз меньше обычного и, значит, силы взаимодействия между ними должны быть больше по крайней мере в десять тысяч раз. А частицы, слагающие нейтронные звезды (то есть нуклоны), взаимодействуют друг с другом с силой, в 10¹² раз превосходящей силы взаимодействия между атомами в любом земном веществе.

Значит, удельная прочность звездного вещества (то есть прочность на единицу веса) может оказаться вполне приемлемой, а термостойкость должна быть явно весьма высокой.

Вот что показала ориентировочная количественная оценка свойств вещества белых карликов и нейтронных звезд.

Разрушение вещества при высокой температуре происходит в результате возрастания тепловых колебаний составляющих его частиц; следовательно, термостойкость должна быть прямо пропорциональна энергии связи между этими частицами. Из этого следует, что в среднем термостойкость вещества нейтронной звезды должна в миллион раз превосходить термостойкость любого земного материала.

Точно так же можно оценить и прочностные характеристики звездных материалов, считая, что у них удастся использовать лишь одну тысячную долю теоретической прочности. Результаты этих расчетов приведены в таблице, где все свойства земных материалов приняты за единицу:

Как видно из таблицы, термостойкость вещества белых карликов и нейтронных звезд намного превосходит температуру на их поверхности. Это наводит на мысль о том, что эти звезды покрыты твердой корой. В настоящее время принято считать, что у некоторых нейтронных звезд действительно есть твердая кора: об этом свидетельствуют скачкообразные изменения периодов их вращения, возникающие в результате своеобразных звездотрясений. Термостойкость звездного вещества столь высока, что из него можно сделать корпус ракеты, способной непосредственно исследовать недра Солнца.

А каковы свойства звездного вещества как конструкционного материала? Если обычный стальной трос сечением 1 мм² выдерживает нагрузку около 100 килограммов, то такой же трос из вещества нейтронной звезды мог бы выдержать нагрузку, равную 1024 килограммов, что составляет около одной шестой части "веса" нашей планеты. Если заменить притяжение между Землей и Луной стальным канатом, то его диаметр должен быть около 500 км; диаметр такого же каната из вещества белого карлика будет равен 50 м, а вещество нейтронной звезды столь прочно, что нить тоньше волоса (диаметром всего лишь 5 микрон) способна удерживать Луну на ее орбите...

Стальной километровый канат, способный выдержать вес груженого супертанкера водоизмещением в полмиллиона тонн, весил бы несколько десятков тысяч тонн, а вот канат из вещества нейтронной звезды той же длины и прочности весил бы всего несколько килограммов. Если стальной свободно подвешенный трос обрывается в поле земного тяготения под действием собственного веса уже при длине около 10 км, то трос из нейтронного вещества при длине в несколько десятков километров не оборвался бы даже в поле тяготения самого белого карлика - там, где стальной канат оборвался бы при длине всего в несколько миллиметров.

Феноменально должно работать нейтронное вещество и на изгиб. Чтобы монолитная балка километровой длины и прямоугольного сечения, опирающаяся лишь концами, не разрушилась бы под действием собственного веса в поле тяготения Земли, она должна быть толщиной около 100 м. А вот балка из нейтронного вещества той же длины и в тех же условиях выдержала бы собственный вес даже при толщине в один микрон; вес такой балки был бы равен примерно миллиону тонн (заметим, что стальная балка была бы в 80 раз тяжелее), но вот ажурная балка из нейтронного вещества километровой длины могла бы выдержать нагрузку в несколько миллионов тонн при собственном весе всего в несколько тонн.

Не менее поразительными свойствами обладала бы и пленка из нейтронного вещества. Один квадратный метр такой пленки, имеющей толщину всего в один нуклон (то есть 10^-13 см), весил бы около полутора тонн; однако, чтобы проколоть такую пленку иглой, к ней надо было бы приложить усилие в три миллиона тонн. Пластина из вещества нейтронной звезды площадью в один квадратный метр, свободно опирающаяся краями, могла бы выдерживать давление в десять миллиардов атмосфер (такое давление царит в недрах Солнца) при толщине всего в несколько микрон. В природе нет взаимодействий сильнее тех, что ответственны за связь нуклонов в атомных ядрах. Значит, не может быть и вещества прочнее нейтронного: оно не сможет устоять лишь перед силами, царствующими в недрах "черных дыр" (если таковые действительно существуют). Но в земных условиях нейтронное вещество вообще не должно иметь себе равных и сможет служить материалом для создания удивительных конструкций и изобретений, не снившихся даже писателям-фантастам.

Не будем говорить о том, что только нейтронное вещество способно сопротивляться испепеляющему жару фотонного двигателя. Нейтронное вещество - это и гигантские воздушные мосты, перешагивающие через горы и моря, это башни высотой в сотни километров, это неизнашиваемые инструменты и детали машин...

Все это, конечно, открывает поразительные перспективы перед земной техникой. Остановка лишь за тем, чтобы научиться получать нейтронное вещество. Но разве может быть в природе что-нибудь такое, чего не мог бы сделать и человек?