Суета вокруг гидрида. Часть вторая

Суета вокруг гидрида. Часть вторая

Автор блога у дома-музея Ю.Б.Харитона в городе Саров Нижегородской области

Начиная с 1962 года Сибирское отделение академии наук СССР и Новосибирский госуниверситет ежегодно проводили Всесибирские олимпиады школьников по физике, математике и химии. Одним из промежуточных этапов этого мероприятия были областные олимпиады, в проведении которых участвовали бригады, организуемые из сотрудников институтов Новосибирского Академгородка, аспирантов и студентов старших курсов физфака, матфака и фена – так на университетском сленге в 60х-70х годах прошлого века называли факультет естественных наук, где обучались будущие химики и биологи. Для того чтобы попасть в состав такой бригады, студенту требовалось пройти конкурсный отбор. Кроме хорошей успеваемости претендент на поездку должен был придумать и предложить руководителю бригады несколько задач по своей специальности.

Весной 1970 года я обучался на втором курсе физфака этого университета и, как многие из моих однокурсников, сделал попытку попасть в состав участников одной из таких бригад. Руководителем бригады, которая должна была поехать во Владивосток, был Юра Ефимов, аспирант физфака, который жил в  маленькой комнате нашего блока, на третьем этаже университетского общежития №5 – «пятерки на Пироговке». Ему и отдал я листок со списком задач, придуманных во время очередной бессонной ночи при решении домашнего задания по курсу «физика II» (молекулярной физики), которую нам читал д.ф.-м.н. Анатолий Бурштейн.

Этот молодой (ему в то время было лет 35), великолепно излагающий материал курса профессор был широко известен среди нефизической части населения новосибирского Академгородка, как президент клуба молодых ученых «Под интегралом», который после недолгого, но бурного этапа существования был закрыт по требованию обкома партии в 1968 году. Последней каплей, переполнившей терпение областных партийных начальников, было проведение в Академгородке под эгидой этого клуба фестиваля бардов, на котором среди отцов-основателей этого движения выступил со своим первым публичным концертом Александр Галич. Но это уже другая история.

Подведение итогов конкурса желающих участвовать в проведении областных олимпиад происходило на собрании кафедры физики, где особо тщательно рассматривали предложенные претендентами задачи, отсеивая не интересные или уже известные. В результате одна из моих задач («задача про водомерку») была принята и включена в перечень вопросов, которые предполагалось задавать участникам олимпиад из 7-8 классов в разделе «на сообразительность». Но в состав бригады Ю.Ефимова я не попал – по-видимому, на кафедре решили, что отсутствие на занятиях во время командировки на олимпиаду во Владивосток плохо скажется на моей успеваемости.

Автор блога в комнате университетского общежития №5 за подготовкой домашнего задания по «физике II»

Автор блога на ежегодном университетском карнавале в роли шарманщика

Задача про водомерку была сформулирована так, чтобы в ее постановке уже неявно присутствовал ответ, который при более тщательном рассмотрении оказывался неверным. Эта задача мне самому понравилась, и я ее запомнил  – остальные, придуманные тогда вопросы и задачи, забылись. Впоследствии я иногда задавал вопрос о водомерке своим собеседникам, и, к моему удовольствию, почти все они отвечали, воспользовавшись замаскированным в постановке задачи неправильным ответом.

Задача была такой: «Представьте себе, что на столе вашей комнаты стоит стакан с водой, по поверхности которой бежит жук-водомерка. В тот момент, когда водомерка добегает до центра стакана, между молекулами воды пропадает взаимодействие. Что произойдет с водомеркой?».

Типичным ответом, который «подсказывала» сама героиня задачи – скользящая по воде жук-водомерка (как известно из курса школьной физики она держится на поверхности воды за счет сил поверхностного натяжения, возникающих из-за наличия взаимодействия между молекулами), был неправильный: «Она утонет!». Авторы такого ответа не учитывали, что при исчезновении взаимодействия между молекулами воды пропадают не только силы поверхностного натяжения, но и силы притяжения между молекулами внутри жидкости. Такое состояние вещества соответствует газу из молекул H₂O, плотность которого равна плотности жидкой воды. А что происходит с газом, который не ограничен прочными стенками и сжат до такой плотности, понятно всем. Происходит его взрывное расширение в свободных направлениях. В результате чего несчастная водомерка утонуть просто не успевает. Ее потоком расширяющегося газа с большой скоростью выбросит из стакана вверх и разобьёт об потолок.

                Реальными аналогами воды из «задачи о водомерке», способными практически мгновенно превращаться в газ, являются взрывчатые вещества, взаимодействие между молекулами которых пропадает под действием внешнего, относительно небольшого по величине выделенной энергии, воздействия: удара, электрической искры, импульсного источника тепла, сильного окислителя и т.д. Эти воздействия приводят к быстрому освобождению запаса химической энергии, введенной во взрывчатое вещество в процессе его создания. А так как я до поступления в университет некоторое время работал на золотодобывающем чукотском прииске «Комсомольский», где в борьбе «за металл» с вечной мерзлотой широко применялись взрывные работы, то последствия процесса быстрого превращения жидкого или твердого вещества в газ были мне знакомы не только теоретически. Это, видимо, и послужило одной из причин появления «задачи о водомерке».

Конец учебы в универе уже не за горами. Автор блога в этой кампании закадычных друзей второй слева

В дальнейшем, после окончания университета, моя работа была так или иначе связана с использованием запасенной во взрывчатом веществе энергии, которая при правильной организации процесса ее выделения может совершить полезную работу. За более чем сорокалетний период работы в области прикладной физики взрыва я многое узнал о том, какие вещества способны взрываться с выделением энергии, как это процесс происходит и к чему он может привести. Поэтому, когда лет десять назад на одной из закрытых для широкой публики конференций услышал вынесенный в пленарную часть программы доклад М.К.Марахтанова, в котором утверждалось, что и обычные металлы следует отнести к классу взрывчатых веществ, то вспомнил старую студенческую поговорку о том, что «количество разума на планете величина постоянная, а народонаселение растет…». Описываемый в докладе процесс взрывного превращения металла в газ с выделением при этом большого количества энергии, напомнил мне студенческие времена и «задачу о водомерке», в которой судьбу насекомого определило волшебное превращение воды из жидкости в газ.

На пленарных докладах задавать докладчику вопросы на этой конференции не принято, поэтому, обсудив с коллегами этот доклад во время перерыва, я решил, что и крупный ученый (доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Плазменные энергетические установки"  МГТУ им. Н.Э. Баумана.) имеет право на ошибки, которые он сам или его ближайшие коллеги, в конце концов, исправят.

Но оказалось, что не исправили. Работы по «исследованию» и «применению» процесса «взрыва» металлов для решения прикладных задач за время, прошедшее с момента этого доклада, продолжились и расширились. Так, в частности, знамя нового «научного» направления, поднятое М.К.Марахтановым в МГТУ им.Баумана, основной кузнице российских специалистов по разработке боеприпасов, подхватил изобретатель из города Воронеж А.И.Голодяев. До своего знакомства с работами М.К.Мурахтанова Александр Иванович занимался вопросами разработки твердотельных аккумуляторов водорода для перспективных автономных водородных энергетических установок, предполагая использовать в качестве материала накопителя этого газа гидриды алюминия или его сплавов. Знакомство с публикациями М.К.Марахтанова  (для широкой читающей публики доступны описания патентов РФ №2145147, №2296168, №2260779 и статья в журнале «Наука и жизнь» в №4 за 2002 год) настолько воодушевило изобретателя, что за короткое время он оформил более десятка патентов на различные варианты сверхмощных боеприпасов, в которых в качестве взрывчатого вещества предлагается использовать гидриды алюминия, бериллия или их сплавов.

Кстати воду, которая волшебным образом мгновенно превратилась в газ в «задаче о водомерке», тоже можно отнести к классу гидридов, только не металлов, а кислорода. Причем количество водорода, которое может выделиться из нее при разложении на атомы, примерно совпадает по массе с количеством водорода в выбранных в качестве «сверхмощной взрывчатки» соединениях металлов с водородом (около 10%). А так как доступность и стоимость «гидрида кислорода» ни в какое сравнение не идет с доступностью и стоимостью гидридов металлов, причину, которая заставила А.И.Голодяева выбрать эти редкие и дорогие вещества для своих фантазий по поводу создания «устройств огромной фугасной мощности», понять непросто.

Для «внедрения» своих «технических» решений в производство боеприпасов, кроме оформления на свое имя патентов на разные взрывные устройства, А.И.Голодяев обратился с письмами в различные адреса, одним из которых оказалось интернет-издание «Оружие России, опубликовавшего по материалам этого письма статью «Взрывающийся» металл, который в разы мощнее тротила». Об содержащихся в этой статье ошибках при описании процессов взрыва гидридов и расчетах величины выделяющейся при этом энергии шла речь в предыдущем посте  «Суета вокруг гидрида. Частьпервая».

Однако автор новой сверхмощной «взрывчатки» не ограничился посылкой писем в разные российские инстанции и средства массовой информации, а в стремлении облагодетельствовать весь мир своими открытиями добрался и до научного журнала министерства обороны Республики Сербия «Военно-техническое обозрение» (VOJNOTEHNICKI GLASNIK / MILITARY TECHNICAL COURIER), который в №1 за 2014 год опубликовал в разделе «краткие сообщения» его статью «Новый вид взрывных устройств огромной фугасной мощности». Александр Иванович представлен в этой статье как «соискатель на звание кандидата наук в ВГТУ». Такое представление привел бы редакцию любого российского издания по крайней мере, в недоумение. Действительно, если это звание такое, то кто его дает и почему для его получения нужно быть соискателем? А если в тексте ошибка и речь идет о степени кандидата наук, то, что это за научная специальность: «…в ВГТУ»? Опубликованная ВАКом номенклатура специальностей, по которым в нашей стране присуждаются ученые степени, такой специальности не содержит. По-видимому в этих тонкостях российских ученых званий и степеней «братушки» из редакции «ВТО» оказались не осведомлены, в результате чего первое (но отнюдь не последнее) ошибочное сообщение появилось в этой статье сразу после ее заголовка.

Имеются в этой статье и принципиальные (для сделанных выводов) ошибки в расчетах фугасного действия новой «взрывчатки», имеется в наличии и откровенная дезинформация – сообщение, что «при испытаниях реального прототипа алюминий-магний сплав (без водорода) (тут А.И.Голодяев имел ввиду прототип гидрида алюминия) реальная мощность взрыва не превышала 8 крат от ТНТ, а теоретическая мощность равна 14 раз от 1 кг. ТНТ…».

В статье нет ссылки на источник этого шокирующего заявления. По принятой практике научных публикаций это означает, что либо этот результат принадлежит автору статьи, либо у кого-то взят без спроса, либо просто выдуман автором. А так как А.И.Голодяев в силу своей основной профессии не является членом сообщества специалистов-взрывников и самостоятельно взрывными экспериментами не занимается, то автором этого результата быть не может. Позаимствовать без разрешения такие данные у кого-то из экспериментаторов он тоже не может, так как, судя по ссылкам в упомянутой статье на литературные источники, не в курсе последних достижений в области физики взрыва. Тогда остается последняя возможность - этот результат просто придуман автором статьи для подтверждения своих заблуждений, что для научной работы недопустимо. Интересно, куда смотрели рецензенты этого журнала, когда давали рекомендации на ее публикацию. Судя по опубликованному на сайте журнала списку рецензентов, к области компетентности которых относятся боеприпасы, взрывчатые вещества и физика взрыва, их там как минимум 5 человек.

Подробнее к содержанию статей А.И.Голодяева о боеприпасах, использующих в качестве взрывчатых веществ гидриды металлов и сплавов, попробую вернуться в третьей, надеюсь завершающей, части поста «Суета вокруг гидрида» в следующем году, когда в этом журнале появятся новые статьи о «взрывных устройствах огромной фугасной мощности» и других достижениях передовой инженерной мысли «соискателя на звание кандидата наук в ВГТУ».  

А теперь в виде бонуса для коллег, которые смогли дочитать этот пост до конца, предлагается текст статьи «Об энергии из «ниоткуда» д.ф.-м.н. Валерия Ивановича Тельнова, главного научного сотрудника института ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН. Статья опубликована в июле 2008 года в журнале «Наука и жизнь». В этой, как мне кажется, понятной широкой аудитории, статье уважаемый профессор моей альма-матер – Новосибирского Госуниверситета – доходчиво объясняет ошибочность взглядов М.К.Мурахтанова на возможность выделения энергии при «взрыве» металлов, которого А.И.Голодяев представляет как основоположника нового научного направления и его (заочного) учителя.

                Интересного Вам чтения, коллеги!

ОБ ЭНЕРГИИ ИЗ «НИОТКУДА»

Доктор физико-математических наук В. ТЕЛЬНОВ, главный научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН.

В 1998 году журнал опубликовал статью доктора технических наук академика Российской академии ракетно-артиллерийских наук В. В. Яворского «Энергия из “ниоткуда”» (см. «Наука и жизнь» № 10, 1998 г.). В ней сообщалось о загадочном эффекте взаимодействия бронебойных снарядов без взрывчатки со стальной плитой. Из экспериментов следовало, что количество выделяемого тепла больше кинетической энергии снаряда. Не ставя под сомнение закон сохранения энергии, автор задал вопрос: откуда берётся «лишняя» энергия?

Объяснение было дано в статье доктора технических наук, профессора МГТУ им. Н. Э. Баумана М. Марахтанова и аспиранта Калифорнийского университета (г. Беркли, США) А. Марахтанова (см. «Наука и жизнь» № 4, 2002г.). По их мнению, причина явления заключается в том, что при ударе о броню электроны начинают двигаться относительно ионов, их способность «склеивать» ионы уменьшается и снаряд разлетается за счёт кулоновского расталкивания ионов. При этом выделяется энергия, равная энергии связи в металле. В подтверждение теории авторы провели опыты по пропусканию токов большой плотности по охлаждаемому проводнику, показывающие, что для высвобождения энергии связи в вольфраме нужно совершить работу, составляющую всего 1/2000 энергии связи!

В предлагаемых мной заметках показано, что предложенный метод извлечения энергии из металлов противоречит основным законам физики.

О методе извлечения энергии из металлов за счёт кулоновского расталкивания ионов я услышал во время обеда в институтской столовой и чуть было не поперхнулся. Однако оказалось, что об этом написано в уважаемом журнале «Наука и жизнь». Более того, на изобретение Марахтановых в 1999году выдан патент Российской Федерации RU2145147 «Способ выделения энергии связи из электропроводящих материалов». Тут мне стало обидно за нашу державу, поэтому решил высказать своё мнение. Изобретать, конечно, нужно, иногда даже можно ошибаться (если не умышленно) — эксперты поправят. Однако в последнее время появляется много предложений прорывного характера, сулящих несомненные блага для человечества, типа новых источников энергии. Естественно, на их практическую реализацию запрашиваются большие деньги.

Однако, как бы убедительно ни был написан проект, даже подкреплённый экспериментальными данными, иногда беглого взгляда достаточно, чтобы увидеть грубые ошибки. Обычно они состоят в нарушении основных законов физики вроде закона сохранения энергии. Рассмотрим это на примере извлечения энергии из металлов. В статье и патенте М. и А. Марахтановых утверждается, что можно высвободить энергию связи атомов в металле и превратить её в тепло, то есть в кинетическую энергию испарённых молекул, путём некоего небольшого воздействия на электроны (удар снаряда о броню или пропускание тока).

Своё изобретение авторы интерпретируют следующим образом: «…электростатические силы притягивают ионы к электронам, и можно сказать, что электронный газ, как клей, скрепляет решётку… Но стоит хотя бы часть свободных электронов сгруппировать, “отвлечь” от роли клея, собрав, например, в направленный поток, как одноимённо заряженные ионы мгновенно покинут узлы решётки, отталкиваясь друг от друга. В этом и кроется постоянная готовность металлического кристалла к взрыву».

Звучит это странно, не правда ли? Все со школы знают обратное: для того чтобы разделить конденсированное вещество, будь то металл или вода, на молекулы—атомы (то есть испарить), нужно затратить энергию. Может быть, авторы забыли это? Да нет. В инновационном проекте, на реализацию которого запрашивается астрономическая сумма, профессор Марахтанов пишет: «Известно, что при естественных фазовых переходах твёрдого тела, например металла в жидкость, а затем в пар, энергия, необходимая для этого, может лишь поглощаться данным телом. Мы установили экспериментально, что если термодинамическое равновесие нарушить искусственно, то его массу можно перевести из твёрдого состояния в газообразное таким образом, что энергия металлической связи, скрепляющая твёрдые кристаллы, выделится из металла, а не поглотится им». То есть, если тело испаряется «естественно», энергия поглощается, а если испаряется «искусственно», выделяется.

Хорошо, давайте тогда совершим круговой процесс: испарим металл «искусственно», а сконденсируем «естественно» (при обычной конденсации тепло выделяется). В результате такого цикла мы вернёмся к исходному состоянию (металл при комнатной температуре) и при этом извлечём тепло (дважды), как видно, из ничего! На этом принципе можно сделать замечательный «вечный двигатель».

Для проверки своей теории авторы даже провели эксперименты по пропусканию больших токов через тонкие охлаждаемые металлические плёнки. При значениях тока больше некоторого плёнки взрывались, что якобы подтверждало теорию. Как уже цитировалось выше, было найдено, что для высвобождения энергии связи в вольфраме нужно затратить всего 1/2000 долю энергии связи. Увы, такого не может быть (см. выше). Очевидно, что эксперименты были проведены недостаточно грамотно и интерпретированы неверно.

Невозможность выделения энергии из металла следует из того, что энергия связи в металле отрицательна и не может перейти в положительную кинетическую энергию атомов. Кстати, в природе существуют источники энергии, в которых выделяется энергии намного больше, чем затрачено. Например, ядерная энергия. Тяжёлые ядра готовы взорваться за счёт распирающих кулоновских сил, но их удерживают ядерные силы. Стоит внести в такое ядро небольшую энергию (возбудить), как оно разлетается на два осколка с кинетической энергией, во много раз превышающей энергию возбуждения. В данном случае энергия берётся в основном за счёт электрического расталкивания осколков. Здесь с сохранением энергии всё в порядке. Энергия любой__покоящейся частицы E = mc² . Энергия связи нуклонов в исходном ядре E =(M_я – ΣM_n )c² отрицательна (масса ядра Mя меньше суммы масс свободных нуклонов M_n — протонов и нейтронов), энергия связи в осколках деления тоже отрицательна, но по абсолютной величине больше. Разница начальной и конечной энергий связи положительна, именно она выделяется в виде кинетической энергии ядерных осколков. Небольшая внешняя энергия E > E_акт здесь необходима, только чтобы преодолеть энергетический барьер, отделяющий исходное состояние от более низкоэнергетического конечного состояния.

Другой пример реакции с большим энерговыделением — взрывчатое вещество, где под действием небольшого внешнего возмущения начинается экзотермическая (с выделением тепла) химическая реакции между компонентами смеси.

Вернёмся снова к металлам. Откуда всё-таки может взяться дополнительная энергия при ударе снаряда о броню и может ли быть такое вообще? Речь идёт о скоростях снаряда порядка 1,5 км/с. По приближённой оценке, приведённой в статье В. Яворского, для снаряда массой 4 кг при скорости 1390 м/с выделившаяся тепловая энергия в четыре с лишним раза превышала кинетическую энергию снаряда. Температуру в эксперименте не измеряли, а оценивали «на глаз» по следам на поверхности (цвета побежалости), что очень ненадёжно. В тщательных экспериментах со снарядами массой 60 — 80 г, проведённых Яворским по просьбе научно-технического совета, тепловыделение измеряли с высокой точностью и дополнительное энерговыделение составило уже 20—50%.

В статье Марахтановых упоминается, что снаряды из обеднённого урана, применявшиеся американцами в Ираке и на Балканах, обладают повышенной пробивной способностью и что после пробивания брони в танк извергается горящее облако мелких, как пыль, частиц. Всё это могут объяснить сами артиллеристы, изучив более тщательно энергетику выстрела, физические и химические процессы при взаимодействии снаряда с бронёй. Здесь могут происходить весьма сложные процессы, сильно зависящие от свойств материалов и конструкции снарядов. При этом закон сохранения энергии, конечно, выполняется, в чём, собственно, артиллеристы и не сомневаются. Поэтому ограничимся только некоторыми общими замечаниями.

Начнём с того, что здесь имеются два источника энергии: горения пороха и горения (окисления) металла при взаимодействии с воздухом. Второй эффект очень важен для урана, поскольку уран загорается на воздухе при температуре выше 150—175°С. После прохождения брони урановый снаряд за счёт внутреннего давления разлетается на мелкие кусочки и порядка 70% его сгорает (по информации, приведённой в Интернете). Кинетическая энергия 1 кг снаряда при скорости 1500 м/с составляет 1125 кДж, а энергия, выделяющаяся при сгорании такого количества урана (окисляется до U₃O₈ ), составляет около 5000 кДж/кг, что в 4,5 раза больше кинетической энергии! Появление дополнительной энергии при сгорании металла на языке энергий связи поясняет рисунок вверху (в конце этого текста).

При использовании стального снаряда существенное отличие от урана состоит в том, что монолитное железо на воздухе не горит (хотя горит в чистом кислороде), так что небольшая дополнительная энергия может возникнуть только при окислении поверхности раскалённого металла. Если быть болееточным, очень мелкодисперсное пирофорное железо может на воздухе даже самовоспламениться (или загореться от искры при работе на наждаке), однако при ударе снаряда о броню этот эффект, вероятно, пренебрежимо мал.

Объяснить данные эксперимента Яворского со стальными (вероятно) ударниками (в статье материал явно не указан) их окислением в воздухе вряд ли возможно, поскольку они полностью застревали в стальной мишени, где воздуха практически нет. Одним из объяснений может быть нагрев ударника пороховыми газами внутри пушки. Для получения необходимого эффекта ударники должны быть нагреты в среднем до температуры 300—400 ⁰С, что совсем не исключено. Небольшой дополнительный нагрев могли также дать пороховые газы, поскольку стрельба велась из 23-мм пушки по броне, установленной на расстоянии всего 1 м от её дульного среза.

Вообще говоря, мои заметки посвящены не рассмотрению загадок в опытах артиллеристов. Здесь всё нормально: что-то непонятно — задали вопрос. Волнует другое — заведомо неверная интерпретация, данная людьми с высокими научными степенями. Ну ладно, кто не ошибается. Однако с момента__«открытия» способа превращения металлов в пар с выделением большого количества энергии

(вместо положенного поглощения) прошло уже девять лет. Его авторы уверены в своей правоте, и, что удивительно, в ведущем техническом университете страны, где работает М. Марахтанов, не нашлось грамотных людей, которые указали бы на очевидную ошибку. Кроме того, данное явление активно обсуждается на форумах в Интернете людьми с высшим образованием, но и они не могут поставить правильный диагноз.

К счастью, ситуация не безнадежна, поскольку есть Российская академия наук. Этот вопрос был затронут на заседании учёного совета Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, где сошлись во мнении, что проекты, содержащие различного рода «революционные» научные идеи, должны проходить экспертизу в РАН.

Наше правительство сделало крен на инновационную составляющую развития науки. Создаются технопарки и прочие инновационные центры. В этой связи очень важно позаботиться о системе экспертизы, поскольку сами инвесторы во многих случаях не способны разобраться в научных аспектах предлагаемых проектов.

Надеемся, что теперь читатели журнала «Наука и жизнь» станут немного более критически относиться к различным сообщениям о новых необыкновенных источниках энергии из «ниоткуда».

Некоторые графические пояснения автора статьи «Об энергии ниоткуда» к ее тексту

Энергия связи атомов в парообразном состоянии равна нулю, а в металле отрицательна. Для испарения металла нужно затратить положительную энергию Q, равную разности энергий связи в конечном (пар) и начальном (металл) состояниях.

При внесении в ядро урана энергии выше энергии активации Е_акт оно делится на две части. Кинетическая энергия осколков равна разности энергий связи нуклонов в ядре урана и осколках.

При горении урана (или другого металла) образуются окислы. Кинетическая энергия молекулы окисла (выделившаяся энергия) равна разности энергий связи атома в металле и в составе молекулы окисла.