зготовить части, необходимые для завершения сборки.
Чтобы точно нарезать на заготовке спиральные борозды, придется установить на станине длинный ходовой винт, позволяющий двигать каретку равномерно, а в идеале соединить его зубчатой передачей со шпинделем, чтобы точно скоординировать их движение. И тут вам остается крепко надеяться, что вы найдете готовый ходовой винт, поскольку нарезка резьбы с постоянным шагом — задача дьявольски трудная. В человеческой истории появление первого металлического винта с резьбой, по образцу которого потом создали множество других, потребовало долгого процесса пошаговых усовершенствований, который вам совсем ни к чему повторять.
Собрав токарный станок, вы можете использовать его для изготовления частей других, гораздо более сложных машин, например фрезерного станка. В отличие от токарного, в котором резец подводится к вращающейся заготовке, фрезерный обрабатывает неподвижную заготовку вращающимся резцом и может выполнять широчайший круг операций: если у вас есть фрезерный станок, вы можете произвести практически любой механизм. Это как бы история технической цивилизации в миниатюре: простые инструменты помогают создать сложные, в том числе более совершенные версии самих себя, и этот цикл повторяется раз за разом, двигая прогресс.
Но что, если никаких чистых металлов, годных для ковки или литья, не осталось или все, что можно было собрать, вы уже израсходовали? Как добыть металл из горной породы? Основной принцип плавки: устранить кислород, серу и другие элементы, в смеси с которыми металл пребывает в руде. Для этого нужно топливо, создающее высокую температуру, агент-раскислитель и флюс. Древесный уголь (или кокс) отлично выполняет первые две задачи: он жарко горит и, сгорая в плавильной печи, выделяет угарный газ, мощный раскислитель, который оттягивает атомы кислорода, освобождая от них металл. Принципиальная схема простейшей плавильной печи — та же, что и у горна для обжига извести. В печь укладывают слоями уголь и измельченную железную руду. В руду подмешивают немного известняка — в качестве флюса, понижающего температуру плавления огнестойкой жильной массы (бесполезной части породы), чтобы в печи она перешла в жидкое состояние и абсорбировала примеси из металла. Флюс образует шлак, который отводится прочь, а из печи извлекается уже результат трудов — готовый металл.
Если пламя в печи недостаточно горячо, чтобы расплавить железо, придется извлечь металл в виде пористых глыб и затем бить и плющить его на наковальне, чтобы выжать оставшийся шлак и сконцентрировать железо. А чтобы оно стало достаточно твердым для изготовления орудий, это чистое кованое железо нужно вновь раскалить на пламени древесного угля, чтобы оно абсорбировало сколько-то углерода и получилась сталь, после чего вновь ковать. Раз за разом взбивая и расплющивая металл, вы, по сути, перемешиваете твердую материю, получая гомогенную сталь, которой затем придадите нужную форму. Для кузнеца это тяжкая и утомительная работа, и выход стали будет крайне низким. Современная цивилизация немыслима без умения производить сталь промышленными объемами. И вот как это возможно.
Решение состоит в том, чтобы нагнетать в печь мощный поток воздуха, существенно усиливающий горение. Такую печь уже к V в. до н. э. изобрели китайцы (на 1500 с лишним лет раньше европейцев), позже усовершенствовавшие конструкцию добавлением поршневых мехов с приводом от водяного колеса. Чтобы достичь еще более высокой температуры, нагнетаемый в печь воздух подогревают, используя для этого раскаленные газообразные отходы, удаляемые из печи. В доменной печи выплавленное железо абсорбирует много углерода, который понижает температуру плавления примерно до 1200 °C. Металл разжижается и вытекает снизу печи по прорезанным в ее дне каналам в литейные формы, где и застывает. Получаются чугунные чушки — они так называются, потому что средневековые литейщики уподобляли формы для отливки новорожденным поросятам, сосущим свиноматку-печь.
Это высокоуглеродное железо с пониженной температурой плавления можно вновь расплавить и, как горячий воск, залить в формы. По этой причине чугун весьма удобен для быстрого производства разных изделий, например кастрюль и сковород, труб или деталей машин, а в Викторианскую эпоху повсеместно производились чугунные строительные фермы. Но у чугуна есть один большой недостаток: высокое содержание углерода делает этот металл хрупким, и, например, чугунные мосты имели дурную привычку обрушаться, если какие-то их узлы подвергались растяжению или сгибу.
Поздние этапы промышленной революции стали возможными только после изобретения технологии быстрого превращения доменного чугуна в сталь. По содержанию углерода сталь находится между чистым кованым железом и чугуном (3–4 % углерода): от примерно 0,2 % углерода для твердых инструментальных сталей до приблизительно 1,2 % для особо твердых марок, идущих на подшипники и резцы для токарных станков. Но как же обезуглеродить чугун?
Конвертер Бессемера — это огромный грушевидный ковш, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом и подвешенный на поворотной оси, чтобы его можно было наклонять. Его заполняют расплавленным чугуном, а затем через амбразуры в нижней части закачивают воздух — это похоже на пузырьки из аквариумного аэратора. Лишний углерод реагирует с кислородом и улетучивается в виде углекислого газа, иные примеси тоже окисляются и вымываются в шлак. Удачно, что сгорающий углерод высвобождает достаточно тепла, чтобы все время процесса расплав оставался жидким.
Есть одна трудность: нужно точно все рассчитать, чтобы удалить почти весь углерод, но все же оставить чуть меньше 1 %. Способ выдержать нужное соотношение задним числом кажется очевидным: конвертировать расплав, пока не будет полной уверенности, что устранился весь углерод, а потом добавить его, сколько нужно, в чистое железо. Бессемеровский процесс стал первой в истории дешевой технологией массового производства стали, и пережившим апокалипсис нужно будет как можно скорее его возродить.
Стекло
Железо и сталь прославлены как строительный материал индустриальной эпохи, но и скромное стекло, о котором мы зачастую забываем (буквально глядя сквозь него), сыграло в прогрессе человеческой цивилизации ключевую роль. Стекло, один из первых материалов, созданных человеком, изобрели в Месопотамии, колыбели первых городов, где-то в III тыс. до н. э. Мы с вами увидим, как стекло с его уникальным сочетанием удивительных свойств послужило развитию науки. Но начать следует с базовых сведений о его производстве.
Вероятно, вы знаете, что стекло получают из расплавленного песка или, точнее, из очищенного кремнезема (диоксида кремния). Но если просто бросать песок в огонь, результата не будет: огонь погаснет. Дело в том, что кремнезем имеет чрезвычайно высокую температуру плавления, около 1650 °C. Это намного выше, чем можно получить в обычной печи, и потому сварить стекло, просто зная главный компонент рецепта, не удастся. Иногда стекло рождается естественным путем: в пустыне, порывшись в песке, если повезет, можно найти длинные полые трубки расплавленного кремнезема, зачастую похожие на сложное сплетение древесных корней. Эти образования называются фульгурит, или «окаменевшая молния», и возникают они, когда разряд молнии бьет в сухой песок. Электрический ток проходит сквозь почву и разогревает ее до такой высокой температуры, что крупицы кремнезема спекаются вместе и получается стеклянная трубка.
Поскольку обуздать и запрячь молнию вам не удастся, производя стекло, придется понизить температуру плавления кремнезема до той, которая достижима в печах, для чего используется подходящий флюс. Отличным флюсом послужит поташ или кальцинированная сода, но, как мы увидим в главе 11, вторую, если применить некоторые химические знания, гораздо легче производить в промышленных объемах. Поэтому без малого все выпускаемое сегодня стекло для окон и бутылок — натриево-кальциевое, раствор кальцинированной соды и известняка в песке, застывающий при обычных температурах.
Керамический тигель из огнеупорной глины заполняют крупинками кремнезема и кристаллами соды. В горячей печи карбонат натрия разлагается (выделяя углекислый газ) и растворяется в кремнеземе, понижая температуру его плавления настолько, чтобы в печи можно было получить стекло. Выделившийся углекислый газ в соединении с кислородом и азотом, который в исходной смеси связан, насыщает расплав пузырями, пенит его. Поэтому температура в печи должна быть достаточно высокой, чтобы расплав долго оставался жидким, и тигель нужно выдержать в огне, пока все пузырьки не выйдут и стекло не станет чистым. Однако стекло, изготовленное из кремнезема и флюса, растворяется в воде, что резко ограничивает его применение. Выход — досыпать в тигель еще один ингредиент, который сделает стекло нерастворимым: с этой задачей хорошо справляется оксид кальция — негашеная известь, с которой мы встречались в прошлой главе.
Кремнезем, основной компонент стекла, составляет более 40 % земной коры и мантии; это, безусловно, самое распространенное соединение в составе земных камней и скал. Но он часто пребывает в смеси с другими элементами (в том числе с металлами: в основном из кремнезема состоит шлак, выбрасываемый после плавки), а чтобы стекло вышло светлым и прозрачным, кремнезем должен быть как можно чище. Например, бурый оттенок, присущий большинству видов песка, объясняется присутствием оксидов железа, и готовое стекло они окрасят в зеленый цвет — что хорошо для винных бутылок, но не в оконном стекле или линзах телескопа. Наилучшим сырьем для прозрачного стекла послужит яркий белый песок или другой беспримесный кремнезем, например куски белого кварца, употребляемые для изготовления знаменитого венецианского «хрустального» стекла, или извлекаемая из мела кремневая галька, прекурсор английского «свинцового хрусталя» (то и другое, строго говоря, неверные названия, потому что атомы любого стекла перемешаны в полном беспорядке, без всякой кристаллической решетки).