Рано или поздно человечеству придется научиться подолгу жить и работать на морском дне, чтобы всерьез воспользоваться минеральными и пищевыми ресурсами шельфа. А на больших глубинах, как показали опыты советских, французских и американских исследователей, гелиевый воздух пока незаменим. Биологи доказали, что длительное дыхание гелиевым воздухом не вызывает отрицательных сдвигов в человеческом организме и не грозит изменениями в генетическом аппарате: гелиевая атмосфера не влияет на развитие клеток и частоту мутаций. Известны работы, авторы которых считают гелиевый воздух оптимальной воздушной средой для космических кораблей, совершающих длительные полеты во Вселенную. Но пока за пределы земной атмосферы искусственный гелиевый воздух еще не поднимался.
Гелий в скафандре
У космобиологов уже давно сложилось убеждение, что нет и не может быть газовой среды, которая была бы в равной степени хороша для любых условии космического полета. «Земной» воздух - не исключение. Его достоинства самоочевидны, именно они - причина того, что атмосфера во всех наших «Востоках», «Восходах» и «Союзах» состояла из обычного воздуха. Но в некоторых условиях обычный и привычный земной воздух может из друга превратиться во врага или не очень надежного друга...
Уже при полете к Луне на космический корабль воздействуют три источника радиации: излучение радиационных поясов Земли, галактическое космическое излучение и корпускулярное излучение солнечных вспышек. Предусмотреть интенсивность последнего практически невозможно. Даже при надежной защите корабля обычный воздух в этих условиях может стать источником вторичной - наведенной радиации. Точнее, источником станут атомы азота, из которого атмосфера корабля состоит почти на 80%. Из этой ситуации может быть лишь два выхода: или намного усложнять и утяжелять средства радиационной защиты, или создавать внутри корабля атмосферу, в которой невозможно возникновение наведенной радиации.
В аварийной ситуации может проявиться и другой «минус» обычного воздуха. Космический полет проходит в условиях глубокого вакуума. При случайной непредвиденной разгерметизации корабля космонавт подвергнется сразу нескольким опасностям. От многих из них, в том числе и от острого кислородного голодания, его защитит скафандр. Но будут ли участники длительных космических полетов постоянно находиться в скафандрах?!
Наконец, третий недостаток обычного воздуха как среды обитания космонавтов состоит в том, что эта газовая смесь - далеко не самая легкая. Собственно, не так тяжел сам воздух. От замены его даже водородом (представим на минуту, что это возможно) вес корабля заметно не изменится. Но ведь воздух, которым дышат космонавты, надо постоянно регенерировать. Циркуляция и вентиляция требуют затрат энергии. Чем легче газ, тем легче вентиляционные устройства, тем меньше вес источников энергии.
Конечно, естественные достоинства земного воздуха с лихвой перекрывают эти минусы, но не считаться с ними нельзя - вопрос-то гамлетовский: быть или не быть. Поэтому не прекращаются поиски и исследования других вариантов воздушной среды, пригодной для жизни в космосе. И если без кислорода никак не обойдешься, то азот воздуха, не играющий в жизненно важных процессах большой роли, может быть изъят или заменен.
В отечественной и зарубежной научной литературе фигурируют пять реальных вариантов газовой среды для кабин космических кораблей. Первый - обычный воздух: 78% Na, 21% Oz; 1% - все остальное: водород, инертные газы, СОа и другие. Второй, третий и четвертый варианты предполагают полное или частичное удаление из обычного воздуха балластного азота. Но, как известно, чистым кислородом долго дышать нельзя. Чтобы избежать кислородного отравления, давление в кабине снижается (человеку в космическом скафандре это снижение давления, естественно, ничем не грозит), так что парциальное давление кислорода остается таким же, как в нормальных условиях.
Газовая среда, освобожденная от азота, позволяет существенно уменьшить вес кабин. Именно такая среда была в кабинах американских космических кораблей «Меркурий», «Джемини», «Аполлон».
В опытах, поставленных в нашей стране, были подтверждены почти все достоинства атмосферы пониженного давления. Ей действительно не свойственны недостатки естественной воздушной среды. Но у нее свои минусы. Во-первых, в сильно разреженной атмосфере нельзя находиться без скафандра или с открытым скафандром. Во-вторых, и при низком давлении чистый кислород все-таки раздражает верхние дыхательные пути. В-третьих, в атмосфере чистого кислорода, да еще при пониженном давлении, намного увеличивается вероятность пожара. Значит, нужно предусматривать на борту какую-то технику пожарной безопасности, а она тоже что-то весит...
И, наконец, пятый вариант-атмосфера, в которой весь азот заменен гелием.
Теоретически предпосылки для такой замены были обнадеживающими. Феноменальная химическая пассивность гелия должна была гарантировать неизменность направления и характера биохимических реакций организма.
Однако все эти выкладки нужно было подтвердить опытами.
В камеру, заполненную гелио-кислородной смесью, поместили несколько белых мышей. Животные получали нормальный корм, воду; необычный воздух тщательно регенерировался. За мышами вели постоянное наблюдение. Эксперимент длился больше пятидесяти дней. Никаких существенных изменений в поведении и жизнедеятельности животных не наблюдалось. В ходе опыта не погибла ни одна мышь, напротив, у одной из них родились мышата, и население камеры увеличилось. После окончания опыта исследовали ткани и органы животных, долгое время находившихся или даже родившихся в гелио-кислородной среде, но никаких изменений, причиной которых мог быть гелий, обнаружено не было.
Другое важное свойство гелия как заменителя азота - прочность и компактность его молекул. Есть все основания считать, что в гелио-кислородной среде опасность наведенной радиации практически исключена. Растворимость гелия в крови, моче, лимфе и особенно жирах намного меньше, чем азота. Это уменьшает опасность декомпрессионных расстройств при резких перепадах давления. Не случайно гелио-кислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов.
И плюс ко всему гелий намного легче азота.
Данные многих опытов на животных и с участием человека были за гелиевый воздух. Но все опыты на людях были кратковременны. Как скажется на человеке долгое пребывание в гелио-кислородной среде? Точный ответ на этот вопрос дали проведенные несколько лет назад опыты советских биологов профессора А. Г. Кузнецова и кандидата медицинских наук А. Г. Дианова. Было проведено два эксперимента продолжительностью один-22, другой-30 дней, в которых участвовали молодые, абсолютно здоровые люди. Первые два дня герметическая камера была заполнена обыкновенным воздухом. За это время медики сняли фоновые данные. На третий день произошла смена среды обитания. Сначала камеру провентилировали чистым медицинским кислородом, который не только вытеснил азот, но и «вымыл» этот газ из организма участника опыта. Когда концентрация кислорода в воздухе камеры достигла 97%, его подачу прекратили и начали подавать гелий. В этот жедень в камере установилась атмосфера примерно такого состава: 22,5% O2,76% Не и 1,5% N2. Все остальное-питание, режим, одежда - осталось неизменным.
В первые же часы пребывания испытателя в гелио-кислородной среде было зарегистрировано интересное явление. Сообщая о самочувствии он сказал, что все в порядке. Речь его была вполне разборчивой, но голос неузнаваемо изменился. Вместо привычного баритона слышался высокий, почти мальчишеский тенорок.
Подобные изменения голоса, правда не столь резкие, наблюдались и у водолазов. Объясняется это разницей в скорости распространения звуковых колебаний в разных средах, в результате чего звуковой спектр может сместиться почти на целую октаву.
Прошло еще несколько часов и испытатель сообщил, что в камере похолодало. Однако термометр не показывал изменения температуры - изменились теплоощущения испытателя. Высокая теплопроводность гелия сдвинула зону температурного комфорта. В условиях обычного воздуха эта зона- 18-24°С; в «гелиевом» воздухе- 24,5-27,5°С днем, когда испытатель бодрствует, и 26-29° С ночью. В дальнейшем опыт проходил в условиях комфортной температуры. Все дни ни на минуту не прекращались наблюдения, брались пробы, но никаких существенных отклонений в самочувствии, поведении, работоспособности испытателя, кроме тех двух, что были замечены в самом начале опыта, обнаружить не удалось.
Главным недостатком гелиевого воздуха оказалась все та же повышенная теплопроводность. В условиях разогрева оболочки корабля гелиевый воздух может не охлаждать, а перегревать организм (при температуре среды выше 36- 37° С. При меньших же температурах вентилировать космический скафандр гелиевым воздухом технически выгоднее, чем обыкновенным.
Во время полетов всех советских космонавтов в их кораблях поддерживалась «атмосфера № I» - обычный воздух, земное давление, нормальная влажность. Но это не значит, что во всех дальнейших полетах будет использоваться только такая атмосфера. У гелиевого воздуха есть хорошие шансы слетать в космос.
Свойства гелия
Газообразный гелий - инертный газ без цвета, запаха и вкуса. Жидкий гелий - бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа (760 мм.рт.ст.) 4,215 К (минус 268,9°С) и плотностью 124,9 кг/м3.
Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен, однако при высоких концентрациях в воздухе вызывает состояние кислородной недостаточности и удушье. Жидкий гелий - низкокипящая жидкость, которая может вызвать обморожение кожи и поражение слизистой оболочки глаз.
Атом гелия (он же молекула) - прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию (78,61 эВ). Отсюда следует феноменальная химическая пассивность гелия.
Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики - меньше, чем в любом другом веществе. По этой причине гелий обладает самыми низкими значениями критических величин, наинизшей температура кипения, наименьшей теплотой испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость, наоборот, мала.
Гелий, дирижабли, водолазы и ядерная энергетика…
Впервые гелий применили в Германии. В 1915 году они немцы стали наполнять им свои дирижабли, бомбившие Лондон. Вскоре легкий, но негорючий гелий стал незаменимым наполнителем воздухоплавательных аппаратов. Начавшийся в середине 30-х годов упадок дирижаблестроения повлек некоторый спад в производстве гелия, но лишь на короткое время. Этот газ все больше привлекал к себе внимание химиков, металлургов и машиностроителей.
Еще одна сфера применения гелия обусловлена тем, что многие технологические процессы и операции нельзя вести в воздушной среде. Чтобы избежать взаимодействия получаемого вещества (или исходного сырья) с газами воздуха, создают специальные защитные среды, и нет для этих целей более подходящего газа, чем гелий.
В гелиевой защитной среде проходят отдельные стадии получения ядерного горючего. В контейнерах, заполненных гелием, хранят и транспортируют тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. С помощью особых течеискателей, действие которых основано на исключительной диффузионной способности гелия, выявляют малейшие возможности утечки в атомных реакторах и других системах, находящихся под давлением или вакуумом.
В научных исследованиях и в технике широко применяется жидкий гелий. Сверхнизкие температуры благоприятствуют углубленному познанию вещества и его строения - при более высоких температурах тонкие детали энергетических спектров маскируются тепловым движением атомов.
Уже существуют сверхпроводящие соленоиды из особых сплавов, создающие при температуре жидкого гелия сильные магнитные поля (до 300 тысяч эрстед) при ничтожных затратах энергии. При температуре жидкого гелия многие металлы и сплавы становятся сверхпроводниками. Сверхпроводниковые реле-криотроны все шире применяются в конструкциях электронно-вычислительных машин. Они просты, надежны, очень компактны. Сверхпроводники, а с ними и жидкий гелий становятся необходимыми для электроники. Они входят в конструкции детекторов инфракрасного излучения, молекулярных усилителей (мазеров), оптических квантовых генераторов (лазеров), приборов для измерения сверхвысоких частот.
Гелиокислородные смеси стали надежным средством профилактики кессонной болезни и дали большой выигрыш по времени при подъеме водолазов. Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных данных, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается, и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота - подобно шампанскому при открывании бутылки.
Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, а все это вместе ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и в итоге - к смерти. Для того, чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно.
При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит. С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.
«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать таким воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании органов дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.
Еще не вечный, но уже безвредный
В Лос-Аламосской национальной лаборатории имени Э. Ферми (штат Нью-Мексико) разработан новый двигатель, который может серьезно изменить представления об автомобиле как одном из главных источников загрязнения. При сопоставимом с двигателем внутреннего сгорания коэффициенте полезного действия (30-40%) он лишен основных его недостатков: движущихся частей, нуждающихся в смазке для уменьшения трения и износа, и вредных для окружающей среды выбросов продуктов неполного сгорания топлива.
По сути, речь идет об усовершенствовании хорошо известного двигателя внешнего сгорания, предложенного шотландским священником Р. Стирлингом еще в 1816 г. Этот двигатель не получил широкого распространения на автотранспорте из-за более сложной по сравнению с двигателем внутреннего сгорания конструкции, большей материалоемкости и стоимости. Но термоакустический преобразователь энергии, предложенный американскими учеными, в котором рабочим телом служит сжатый гелий, выгодно отличается от своего предшественника отсутствием громоздких теплообменников, препятствовавших его использованию в легковых автомобилях, и в недалеком будущем способен стать экологически приемлемой альтернативой не только двигателя внутреннего сгорания, но и преобразователя солнечной энергии, холодильника, кондиционера. Масштабы его применения пока даже трудно представить.
