Tomasz Zieliński	Para-nauka i obok
	strona 24

Rzecz o eksperymentach myślowych

Po co nam tarcie?

Odkąd w wakacje, tak jakoś między drugą a trzecią klasą podstawówki, przeczytałem szkolną książkę do fizyki, zacząłem sobie wyobrażać światy równoległe z nieco zmienionymi prawami natury. We wspomnianej książce opisano bowiem dykteryjkę na temat tego, co by było, gdyby nagle na świecie znikło tarcie. Trudno byłoby ustać na nogach, przemieszczanie się byłoby możliwe tylko za pomocą odepchnięcia od czegoś i takie tam.

Pamiętam, że już wtedy dostrzegłem bardziej znaczące konsekwencje – przede wszystkim nieuniknione karambole na skrzyżowaniach, parkingach czy autostradach nie skończyłyby się zgrzytem blachy i znieruchomieniem aut. Sprężystość ram i karoserii byłaby wystarczająca, żeby kontynuować ruch w jakimś – nomen omen – wypadkowym kierunku, na szczęście prawidłowo zapięte pasy bezpieczeństwa pomagałyby jak zwykle.

Malowniczych konsekwencji byłoby więcej – struny instrumentów szarpanych natychmiast wysupłałyby się z uwięzi, świeżo wylany beton przelałyby się przez szczeliny szalunku a we wszystkich sklepach towary pospadałyby z półek. Spychacze przestałyby działać zgodnie z oczekiwaniami. Odtwarzacze CD nie pokręciłyby płytą. Kucharka nie ukręciłaby kogla-mogla.

Nie wszystko jednak stracone. Brak tarcia otworzyłby zupełnie nowe działy techniki i nauki. Nie, nie mam tu na myśli produkcji wielkiej płyty mocowanej na pióro i wpust, choć może byłaby konieczna. Nowe możliwości otworzyłyby się przed spedycją i transportem publicznym. Ot, choćby znany z ulic San Francisco "Cable Car" [http://www.sfcablecar.com/] czyli tramwaj linowy. Tani, cichy, szybki (przy zatrzymaniu można wyczepić się z liny, magazynując energię kinetyczną w jakimś mechanizmie zamachowym).Idąc za ciosem, można do podobnych systemów trakcyjnych podłączyć samochody. Mniej spalin, brak wyprzedzania na trzeciego, same zalety.

Tak samo kolej. Pchnąć, ustawić zwrotnice i poczekać, samo się dotoczy. Pod górkę naturalnie podepchniemy – lokomotywy z zębatką są w użyciu i u nas [http://photos.thesapps.com/HM_Panama_Canal]. A dla bezpieczeństwa zamontujemy zderzak Łągiewki [http://www.racjonalista.pl/kk.php/s,2645] – dobrany masą pędnika do masy ładunku. Żeby nie pękł, rozerwany siłą odśrodkową, gdy energię zderzenia zamienimy bezstratnie na ruch obrotowy.

Łatwo wymyślimy bezwładnościowe układy symulujące opory toczenia. Bez sprzęgieł ciernych będzie trudniej, ale da się zrobić. Nie bardzo tylko wiadomo, co z samolotami. Intuicja mówi, że turbulencje i siła nośna by pozostały, ale czy na pewno? Czy w świecie bez tarcia wiatr porusza liśćmi? Eksperyment myślowy jeszcze bardziej grzęźnie przy zejściu na poziom atomów i elektronów, więc badania w tym zakresie odkładamy na przyszłość.

Z pewnością barwną opowieść da się snuć o świecie, w którym zmiana taka zachodzi stopniowo. Ludzie zamieniający sandały na quasi-śnieżne rakiety z kolcami, tory kolejowe z nacinanymi w pośpiechu zębatkami i tak dalej. Opowieść mogłaby opisywać także bardziej osobiste problemy pary młodych bohaterów, ale tu na pewno znalazłoby się – hm – satysfakcjonujące rozwiązanie.

Teoria braku tarcia nie broni się oczywiście, bo nie bardzo wiadomo, co miałoby być kryterium "jednolitości" substancji. Żeby klasyfikować, że piaskowiec się trzyma kupy, a babka z piasku rozsypuje na płaski placek. Albo drzewo się trzyma skały, ale wiatr wyciąga trawę z wydm. No to by musiało być zerojedynkowe, bo stopień pośredni oznaczałby jakąś tam formę oporu ciernego. Czyli rybka albo pipka. Ale posnuć historie warto, choćby dla samej tylko przyjemności intelektualnej. Zostawmy alternatywną fizykę, weźmy na tapetę jakiś temat katastroficzny. Na przykład: czy niewielka grupka zdeterminowanych ludzi dałaby sobie dziś radę bez energii słonecznej?

Po co nam Słońce?

Mówi się, że Słońce będzie świecić z grubsza tak jak teraz jeszcze przez jakieś 5 miliardów lat. Nawet, jeśli szacunek jest zawyżony dziesięć, sto albo i tysiąc razy, to ludzkość ma dość czasu, żeby położyć kres wszystkim wojnom i harmonijnie wzrastać przez dłuższy okres.

Ponieważ jednak nasze pytanie określa czas i miejsce akcji, przyjmijmy wariant najbardziej prawdopodobny – przylatują kosmici i zaczynają budować Wielki Kosmiczny Parasol zasłaniający nam Słońce. Odrzucamy medialnie atrakcyjną ideę zerwania Ziemi z więzów słonecznej grawitacji, bo wtedy zapewne z ziemskich więzów zerwałaby się atmosfera. A to już spory problem.

Tak więc kosmici przylatują i chcą zniszczyć ludzkość, ale bez brudzenia sobie rąk. Żeby skutecznie odciąć Ziemię od Słońca, trzeba sprokurować snop cienia o średnicy bez mała trzynastu tysięcy kilometrów. To całkiem dużo. Nasz Księżyc, wielki kawał skały o średnicy 3.5 tys. km, latający sobie ponad 350 tys. km od nas, rzuca stożek całkowitego cienia wystarczający do całkowitego zaćmienia koła o średnicy... 200 km. Albo i -200 km, jeśli jest w perygeum, wtedy mamy zaćmienie obrączkowe i całkiem ciemno się nie robi.

Prawdopodobne więc, że kosmici zaczną budować wielkie lustro. Tak dużą dawkę energii trudno byłoby wszak pochłonąć i gdzieś na boku wypromieniować, a rolę lustra może pełnić np. folia aluminiowa rozpięta na odpowiednio dużym stelażu. Kosmici mają też wystarczająco rozwiniętą technikę, by poradzić sobie z wiatrem słonecznym i utrzymaniem stałej pozycji lustra względem Ziemi. Nie będzie to aż takie proste, bo po pierwsze, trzeba zużywać energię na utrzymanie prędkości kątowej – orbita bliższa słońcu jest "szybsza" – jak i na przeciwdziałanie sile odpychającej wiatru słonecznego.

Tenże wiatr składa się z cząstek pędzących do 400 km/s, nie tak łatwo więc odchylić je i wykorzystać energię kinetyczną do stabilizacji położenia. A siła pchająca byłaby niebagatelna, w odległości 1 jednostki astronomicznej(dystans Ziemia-Słońce) wynosi około 9 niutonów na 1 km2 żagla słonecznego [http://en.wikipedia.org/wiki/Spacecraft_propulsion]. Przyjmijmy dla uproszczenia obliczeń, że kosmiczni złoczyńcy budują lustro w połowie dystansu między Ziemią a Słońcem, czyli ma ono średnicę jakichś 7500 km. Wychodzi ponad 44 miliony kilometrów kwadratowych, 44*10^6, razy kilogram ciągu na każdy km kw., co daje nam odpowiednik potężnej rakiety na paliwo stałe, której ciąg trzeba by jakoś w próżni non-stop równoważyć. No ale weszliśmy w dygresję, niepotrzebnie.

Więc przede wszystkim zrobi się ciemno. W najlepszym wypadku zostanie światło Księżyca, choć i tak odbija on raptem 7% padającego światła. W trochę gorszym wariancie kosmici przylecą, posypią widoczną stronę warstewką sadzy i tyle. W najgorszym cisną Księżycem o Ziemię, ale uznajmy, że im się nie chce. Tak więc w ciągu kilku/kilkunastu tygodni/miesięcy/lat światło słoneczne będzie słabnąć. Nie sposób przewidzieć, co się stanie z klimatem. To już nie będzie ruch skrzydeł motyla, to będzie tornado w Amazonii skutkujące apokalipsą w Teksasie. Po wiatrach i opadach można się spodziewać wszystkiego najgorszego. Morza raczej nie wzbiorą, chyba że nieuniknione zmiany w cyrkulacji prądów morskich stopią lody Antarktydy/Arktyki. Ale nawet jeśli, to nie na długo. Jedno bowiem wiadomo na pewno – temperatura spadnie i to ostro.

Będzie zimno. Dramatycznie zimno. Za mało mam wiedzy, by oszacować wydajność zjawisk wulkanicznych i przewodnictwo cieplne płaszcza Ziemi, jednak sądzę, że będzie wystarczająco ciepło, by tlen i azot nie skropliły się (cieplej niż -180 C), a jednak zimniej niż gdziekolwiek dotychczas (-82 C, stacja Wostok na Antarktydzie, 21 lipca 1983 [http://www.szkola.net/swiatnauki/?id=3895]). I wydaje mi się, że jedyna możliwość przeżycia to zejście pod ziemię.

Jak głęboko? Trudno powiedzieć. Syberyjska czy alaskijska wieczna zmarzlina sięga kilkuset metrów w głąb ziemi [http://przewodnik.interia.pl/artykul?aid=18656]. Z drugiej strony w wielu miejscach na świecie energia geotermalna kipi – dosłownie – na powierzchni ziemi. W szkole uczy się, że w litosferze temperatura rośnie o 1 st. Celsjusza na każde 33 m głębokości. Czyli spadek temperatury o 100 stopni w dłuższej perspektywie skompensuje dopiero wkopanie się na 3 km. A to wymaga czasu, jeśli pod ziemią ma powstać miasto dla ludzi a nie wyrobisko górnicze.

Musimy mieć bowiem cały czas na uwadze, że mówimy o strategii przeżycia(czyli reprodukcji) grupki ludzi. Jak dużej grupki, postaramy się oszacować w dalszej części. Miliardy mieszkańców planety umrą niestety wkrótce po tym, gdy spalone zostanie ostatnie krzesło, książka czy opona. Zamrożeni na sopel, będą trwać przez setki i tysiące lat, liczne mamuty tezę potwierdzają. Tak samo zginie wszelkie życie roślinne i zwierzęce na lądach, jeśli nie liczyć przetrwalnikowych form grzybów czy innych porostów. Z czasem, gdy lód skuje wszech ocean (nie do dna lecz warstwą grubą, więc wymiana gazowa ustanie), zginie także życie w morzach, z wyjątkiem kilku ekstremofilów przy podmorskich gejzerach – te zresztą nawet nie zauważą różnicy.

Tak więc mamy ideę utworzenia podziemnego miasta. Na pewno jest łatwiejsze do skonstruowania niż stacja załogowa na Marsie czy Księżycu. Przede wszystkim nie ma problemu z powietrzem do oddychania. Nie trzeba go recyklować, choć można, wystarczy czerpać przez rurę z zewnątrz. We współczesnych kopalniach działa to dobrze. Poza tym potrzeba jednak światła, ciepła, ubrania i jedzenia.

Z wszelkiego typu wyrobami przemysłowymi jest problem. Trudno wyobrazić sobie budowę podziemnej rafinerii, huty, fabryki procesorów czy chociażby zakładu zegarmistrzowskiego. A jednak coś takiego w dłuższym okresie musiałoby powstać, żeby utrzymać status cywilizacyjny. Czy też pójść dalej. Ten problem pozostawmy więc mieszkańcom a sami przyjrzyjmy się bardziej podstawowym problemom.

Elektryczność to podstawa. Energia wiatru odpada, nie da się za długo używać wiatraka wystawionego na skrajny mróz. Poza tym siła i samo istnienie wiatrów są niewiadomą. Ogniwa fotoelektryczne odpadają z powodu braku światła. Elektrownie wodne – z powodu braku ciekłej wody na powierzchni. Tak na dobrą sprawę zostają trzy możliwości: energia atomowa, geotermalna, opalanie węglem. Tę trzecią możliwość skreślamy od razu – nie da się planować przeżycia w oparciu o surowiec nieodnawialny, o który będzie coraz trudniej. Trzeba by zbudować towarową kolej podziemną albo przenosić z miejsca na miejsce elektrownię. Stworzyć wydajną, niezawodną wentylację albo filtry i oczyszczalnie spalin. No i węgiel jest na świecie dostępny w dość niewielu miejscach.

Energetyka jądrowa wymaga efektywnego chłodzenia. Choć w naszych warunkach jest uznawana z czystą i bezpieczną, to w warunkach głębokiego podziemia budowa i utrzymanie reaktora byłoby co najmniej problematyczne. Przy niewielkiej awarii zagrożony byłby byt całej populacji. Prawie same zalety ma za to energia geotermalna – jest tania, bezpieczna, czysta i tak dalej. Jest tylko jeden feler, nie jest nazbyt wydajna. Trzy współczesne polskie instalacje geotermalne dają w sumie ok. 30 MWh [http://wiedag.webpark.pl/], co starczy dla... 60 statystycznych mieszkańców kraju [http://www.ure.gov.pl/analiza/ile_zuzywamy_energii.html]. Największa tego typu elektrownia w USA – 500 MWh. Czyli tysiąc osób, większa wioska.

Oczywiście, takie obliczenia to nadużycie, bo wykorzystanie energii byłoby zgoła inne. Zakładając, że woda sama się sama przesączy i będzie jej pod dostatkiem, musimy zapewnić ludności jedzenie. Tak więc trzeba odbudować uproszczony łańcuch pokarmowy, w którym pierwszym ogniwem będą rośliny. Oświetlenie upraw o powierzchni 1000 m2 przez 20 h dziennie wymaga... 175 MWh na rok [http://www.ho.haslo.pl/article.php?id=1754]. Czyli mamy problem. Elektrownia musi być duża i wydajna, a prądu i tak wystarczy ledwo-ledwo.

Wygląda na to, że brak energii słonecznej to duży problem przy produkcji żywości. Sięgnijmy do historii. Amerykański eksperyment "Biosfera 2" [http://www.marssociety.pl/biosfery.html], mający na celu odtworzenie małego, samowystarczającego ekosystemu, polegał na wybudowaniu betonowo-stalowej szklarni o powierzchni 66 tys. m2. Nas interesuje fakt, że 2200 m2 upraw rolnych pozwoliło zaspokoić 80% potrzeb żywieniowych... ósemki uczestników eksperymentu. Przy takiej "obfitości" jedzenia nie ma szans na utrzymanie jakiejkolwiek trzody, menu będzie wegetariańskie i raczej monotonne.

W tym miejscu koncepcja przetrwania ludzkości trochę się sypie. Bo żeby cywilizacja techniczna (warunkująca przeżycie) przetrwała w tejże niewielkiej populacji, potrzebnych byłoby kilkuset płodnych i wykształconych mieszkańców, którzy urodzą zdrowe dzieci, odżywią je odpowiednio i przekażą całą wiedzę potrzebną do życia. Wiedzę rzetelną, bo jeśli drugie pokolenie będzie potrafiło wyłącznie konserwować maszyny, to trzecie nie doczeka już własnego potomstwa. Tymczasem rozwiązanie, które sobie wydumaliśmy, w najlepszym wypadku pozwoli na wegetację kilkunastu osób. Jeśli nic się w międzyczasie nie zepsuje.

Czyli albo wracamy do energetyki jądrowej, produkcji gigawatogodzin i życia na krawędzi, albo od razu owijamy w białe prześcieradło i udajemy niespiesznie w kierunku cmentarza. Ewentualnie przed nastaniem ciemności posyłamy na orbitę geostacjonarną (tam cień nie sięgnie) gigantyczne satelity-elektrownie słoneczne i montujemy na powierzchni instalacje do odbioru energii mikrofalowej. Teoretycznie mogą osiągnąć kilka-kilkanaście GW. Ale nikt tego jeszcze nie próbował.

Na zakończenie przydałby się akcent optymistyczny, bo skreślony powyżej obraz zanadto radosny nie jest. Literatura i film odnotowały już na szczęście wiele przypadków uratowania Ziemi przed kosmitami. Można przyjąć, że ci od Wielkiego Parasola umkną w popłochu, gdy ziemianie zaczną im wysyłać falami radiowymi muzykę rockową albo – co jest bardziej na czasie – forwardować oferty przedłużania członków i okazyjne propozycje nabycia generycznych odpowiedników Viagry(TM).

Tymczasem zaś, dopóki Słońce świeci, warto przejść się na spacer, podumać i zapisać, jeśli coś się wyduma.