2022, 4 июля. Метод охлаждения
Как позавчера, доктор Первый постучал по столу своим врачебным молоточком, изображающм судейский. И так же привлёк общее внимание.
– Здравствуйте, – сказал он, – кто был на предыдущем заседании, знает, я доктор Первый. Кто новенький, считайте, я как бы представился. Поскольку нас стало чуть ли не вдвое больше за счёт представителей патентных комиссий и фондов, выделяющих гранты на исследования, любезно согласившихся прибыть из других штатов или вообще относящихся к организациям федерального уровня, заново призываю оставаться незнакомыми, если, конечно, кто-то не знаком между собой уже. Участие в работе нашей комиссии лучше сохранять анонимным, ибо мы ведь не хотим подвергнуться осуждению всего человечества, если не справимся со своей задачей. Повторю для тех, кто не был позавчера. Вы приглашены потому, что вам поступали заявки от интересующей нашу анонимную комиссию группы студентов. Некоторые их удовлетворяли, некоторые – нет, но у всех могла сохраниться информация о работах этой интересующей нас студенческой группы в виде обоснований патентных заявок, или заявок на гранты и аналогичных документов. Задача нашей секретной анонимной комиссии – восстановить сделанное упомянутой группой крупное открытие, или даже ряд открытий и изобретений, имеющих колоссальную ценность для мировой науки и, что даже важнее, для национальных интересов Соединённых Штатов. Комиссия научная, но её создание инициировала ФБР. Из всей комиссии вы будете иметь дело со мной. Я отвечаю за взаимодействие с комиссиями по патентам и с фондами, выделяющими исследовательские гранты. Пока в деле не появилось следов, говорящих о заинтересованности разведок других стран, но это только результат везения. Такая заинтересованность может появиться в любой момент и носить любой характер, поэтому все вы обязуетесь хранить тайну научного расследования, проводимого комиссией, даже не щадя своей жизни, если потребуется.
– После этого предупреждения, к которому прошу отнестись серьёзно, – продолжал он, – назову также для новичков объекты нашего исследования, если кто невнимательно читал письма-приглашения. Хотя это было бы досадно, потому что в таком случае у вас нет с собой нужных материалов. Нас интересуют заявки, поданные тремя студентами третьего курса факультета инженерного дела Стэнфордского университета, мексиканкой Атле Ипан Теитта, индусом Виксетом Чалаком и единственным среди них гражданином Соединённых Штатов Джоном Фледжтом. Одна из задач комиссии – установить, откуда они взяли достаточно большие суммы, которые им пришлось потратить на разработку своего открытия на инженерной стадии. Если им предоставил их какой-то фонд, в распоряжении этого фонда должны иметься особенно подробные документы, касающиеся сути открытия. Но пока нам не удалось найти такого фонда. Если я ошибаюсь, прошу руководителя такого фонда откликнуться. Нет? Увы, как и позавчера, никого. Вообще, цель комиссии не в поиске виновных, из-за кого мы упустили важное открытие. А в его восстановлении. Нам нужно деятельное патриотическое сотрудничество… Перейдём к делу. Здесь должен присутствовать глава подкомиссии по оборудованию для получения низких температур федеральной патентной комиссии по изобретениям в области физики низких температур, выдавшей упомянутым студентам патент на криостат растворения, использующий, в отличие от известных до сих пор моделей таких криостатов, жидкий азот вместо жидкого гелия. Давайте называть его, в порядке выступлений… учитывая прошлое заседание, чтобы не запутаться потом в протоколах, введём сплошную нумерацию выступающих… доктор Восьмой. Доктор Восьмой, не расскажете ли вы нам об этом изобретении?
– Как известно, – не растерялся предупреждённый в письме-приглашении доктор Восьмой, что дало ему возможность подготовить доклад, – основные способы достижения низких температур представлены пятью основными схемами. Это испарение жидкостей, раз, дросселирование, или же эффект Джоуля-Томсона, два, расширение с совершением работы – соответствующее устройство называется детандер – три, адиабатическое размагничивание, четыре, использование эффекта Пельтье в термоэлектрических охлаждающих устройствах и, наконец, использование криостата растворения, или же рефрижератора растворения, которое нас и интересует в данный момент. Адиабатическое размагничивание, к слову, имеет особенно низкотемпературный вариант ядерного размагничивания. В последнем способе, а именно, рефрижераторе растворения, во всех известных моделях используется следующий эффект…
Доктор Первый отметил про себя, что способов понижения температуры получилось не пять, а шесть, а если учитывать два варианта размагничивания, то семь, но оставил эту поправку при себе. В конце концов, в данный момент их интересует один-единственный метод, да и то как вспомогательный вопрос.
– Предварительное охлаждение ниже 0,7 К смеси двух изотопов жидкого гелия, а именно 3He и 4He, вызывает самопроизвольное разделение фаз. Образуются фазы, обогащённые одним и другим из этих изотопов. Устройство рефрижератора таково – не буду его детально описывать – что в дальнейшем атомы 3He, проходя через границу раздела фаз, отбирают энергию у системы. Поскольку температура кипения гелия гораздо ниже температуры кипения азота, предложение использовать жидкий азот для охлаждения до сверхнизких температур было неожиданным. Главное преимущество, как все, безусловно, понимают, состоит в дешевизне жидкого азота – литр его стоит примерно четверть доллара, тогда как жидкого гелия – 22 доллара. Не говоря уже о том, что требуется не только обычный гелий 4, но и изотоп гелия 3. Который в 200 раз дороже обычного и уже в газообразном виде стоит 930 долларов за литр. Впрочем, для рефрижератора на жидком азоте тоже нужен не обычный азот, в котором изотопа 14 подавляющее большинство, а изотопа 15 всего около 0,6%, а смесь, в которой этих изотопов примерно поровну. Но та же тройка студентов, как нам стало известно, предложила заодно новый способ обогащения смеси азотом 15. Заявка была подана в другую комиссию, и деталей я не знаю…
– Всё верно, – сказал доктор Первый. – Они действительно предложили дешёвый способ обогащать смесь изотопов азота азотом 15. И эта заявка уже удовлетворена. В отличие от поданной вам, не в упрёк будь сказано.
– Ну, тут надо ещё по срокам подачи заявок смотреть, – начал было оправдываться доктор Восьмой, но Первый махнул рукой – сказано же, что это не упрёк, продолжайте. Так что он прекратил оправдываться и продолжил. – Возвращаясь к способу получения низких температур с помощью криостата растворения, работающего не на жидком гелии, а на жидком азоте, эта патентная заявка находится в стадии рассмотрения. На первый взгляд, идея странная, но не исключено, что она всё же окажется результативной. Главное затруднение понимания теоретического описания сводится к тому, что после замерзания азотной смеси изотопов охлаждение продолжается за счёт непрекращающейся диффузии атомов 15N. При этом коэффициент диффузии, вследствие квантовых эффектов, должен быть аномально большим для твёрдого тела и по величине характерным, скорее, для жидкостей. Это по утверждению этих студентов. Тогда как привычным носителем квантовых свойств мы привыкли считать жидкий гелий, и все расчёты в научной литературе делались для него. Думаю, всё же рано или поздно привлечённые эксперты справятся с расчётами студентов. – Доктор Восьмой безрадостно улыбнулся, предвидя противоречивые требования доктора Первого ограничить состав экспертной группы американцами, брать с них подписку о неразглашении, и, в то же время, пошевеливаться побыстрее. Тот, однако, если и имел какие-то замечания, отложил их на потом.
– Что уж там, «не исключено, что идея окажется результативной», – буркнул он вместо этого. – Если, как мы подозреваем, им удался их главный проект, для которого, собственно, необходимы рекордно низкие температуры, значит, уже оказалась. Впрочем, извините. Действительно, пока что нельзя исключить, что ничего им не удалось, а их исчезновение вместе с экспериментальной машиной обусловлено другими причинами. Например, это гигантский розыгрыш, устроенный ими самими, в ответ на пренебрежение со стороны научного сообщества и руководства фондов.
– Относительно их, как вы говорите, главного проекта, – сказал патентный работник, – я могу судить только по фразе в обосновании в патентной заявке на криостат растворения. И то эту фразу, по нашему настоянию, они из окончательной редакции заявки исключили. В нашу комиссию заявок относительно «главного проекта» они не подавали. Астронавтика не наша специализация. Мы исключительно по низким температурам… Возвращаясь к криостату растворения как таковому, всем, кто знаком с физикой низких температур, известно, что, хотя теоретически криостат растворения способен достигнуть сколь угодно низких температур, практически его успехи ограничиваются уровнем примерно 2 мК. Поскольку с понижением температуры рабочего тела его вязкость и теплопроводность увеличиваются, так что для уменьшения теплоты внутреннего трения в вязкой жидкости диаметры входного и выходного патрубков должны быть пропорциональны достижимой минимальной температуре в минус третьей степени, а для уменьшения теплопередачи длина трубы должна быть пропорциональна минимальной температуре в минус восьмой степени. Таким образом, для снижения температуры вдвое объём нужно увеличить в 214 = 16384 раза. При 2 мК каждый см3 требует больше 16 л на 1 мК. Рефрижератор становится очень большим и очень дорогим. Если замена гелия на азот окажется осуществимой, это поможет продвинуться в область низких температур, достигаемых данным способом, несколько дальше. До сих пор дальнейшее продвижение в область всё более низких температур производилось другими методами: парамагнитного размагничивания и ядерного парамагнитного размагничивания. Что касается этих методов, для них требуется высокая напряжённость магнитного поля, и, возможно, у студентов возникли с этим сложности. Отсюда попытка продвинуться дальше с помощью. рефрижератора. Собственно, у меня всё.
– Как – всё? – удивился доктор Первый. – А что насчёт второго метода охлаждения? Который должен подхватить эстафету там, где становится неэффективным описанный вами? Тот, что на основе индуцированного теплового излучения? Участники студенческого семинара, хотя и не поняли ничего в квантовомеханическом обосновании метода, всё же смогли его в общих чертах описать. Якобы, направляя на охлаждаемый объект со всех сторон особым образом сформированное коротковолновое излучение… по словам изобретателей, они применили восемь магнетронов, выломанных из СВЧ-печек одинаковой модели, подобранных на соответствующей свалке, представляете себе?., можно индуцировать соответствующее излучение от объекта. Примерно так, как это происходит в лазере, но этот фокус можно проделать чуть ли не с любым веществом, хотя поместить его в резонатор всё же придётся. В этих условиях можно добиться того, что общий баланс тепла будет не в пользу объекта, то есть он будет охлаждаться, так как энергия остаточных тепловых колебаний его частиц будет уноситься излучением. Неужели они эту заявку подали не в вашу комиссию, а в какую-то ещё? Это же ваша тематика! Причём, в отличие от криостата растворения, отличающегося от обычного только парадоксальным выбором рабочего тела, это совершенно новый метод сам по себе. И очень необычный. Можете ли вы нам рассказать что-то по этому поводу? Или они вообще не успели оформить и подать такую заявку? Было бы очень жаль. Тогда у нас остаются только смутные воспоминания студентов, слушавших доклад на семинаре. Притом нам не удалось найти никого, кто бы взял на себя труд законспектировать доклад или записать на диктофон.
– Должен сознаться, – начал потеть доктор Восьмой, – такая заявка была подана. Однако все эксперты единогласно высказались… Специалист по низким температурам менее, так сказать, эмоционально, а привлечённый специалист по лазерам – исключительно эмоционально… и прочие тоже… что это полный бред. Извините. Если говорить простыми словами, поместив что-то в СВЧ-печку, как всем известно, вы можете его нагреть, более или менее успешно, в зависимости от приложенной мощности, но никак не охладить! Так что да, тематика наша, вторая заявка была подана – и не удовлетворена. Исходя из ваших слов, теперь я понимаю, что, возможно, нужно было уделить ей больше внимания. Тем более что первая заявка гораздо более похожа на осуществимую. К сожалению, теперь поздно. Материалы по второй заявке отосланы авторам и ликвидированы из архива. К сожалению, у нас нет возможности хранить все присылаемые заявки, среди которых подавляющее большинство ошибочных.
– Да что же это у вас у всех места на дисках нет, – огорчился доктор Первый. – В «Артемисе» этой тоже всё удалили. А там был сам способ перемещения далеко в космос. Как раз с помощью низких температур. Ну ладно, это уже вас ни в коей мере не касается. Благодарю за краткий и информативный доклад по первой заявке. Только мне кажется, – не удержался он от шпильки напоследок, – дело не в недостатке места, а в простом человеческом стремлении не зарастать мусором. Диски бы вам выделили ещё, при соответствующем обосновании, но обладание горой несистематизированной информации хлопотно, а систематизировать её требует времени. Я вас понимаю. Хотя в данном случае вы поторопились. Хорошо бы ввести правило удаления неудовлетворённых заявок всё же не сразу, а после истечения некоторого времени, вдруг авторы куда-то нажалуются на необъективное рассмотрение, а у вас и материалов нет для спора.
– А они нажаловались? – забеспокоился доктор Восьмой.
– Да нет, им некогда было. Почему-то они очень торопились. Мы не выяснили, почему. А в первой низкотемпературной заявке не содержалось упоминания второй? Может, какие-то детали…
– Если бы содержались, мы бы порекомендовали их выбросить, – разочаровал его доктор Восьмой. – Хорошо обоснованной заявке не пошла бы на пользу ссылка на плохо обоснованную.
Доктор Первый опросил ещё нескольких руководителей комиссий и фондов, но ничего сравнимо информативного не получил.