ISSN: 2658-2740

Adam Cebula „Kres możliwości technologii, czyli o ratowaniu własnej du…”

Para-Nauka Adam Cebula - 22 kwietnia 2020

Foto: pexels.com

Mam trochę kłopotu z ustaleniem, ile procentów ma mieszanina azeotropowa dla alkoholu etylowego – 95 czy 97 „woltów”. Ale coś około tego. Zapewne rozbieżności wynikają z temperatury spirytusu. W każdym razie w normalnych warunkach nie da się więcej, nie można uzyskać stężenia stuprocentowego. Z tej samej przyczyna prosta aparatura bez rektyfikatora, jedynie z chłodnicą, daje gdzieś w okolicy 70 procent.

Jest sobie opowieść o tym, że przeciętny czy inżynier (czy jakikolwiek inny wytwórca, konstruktor) wie, że technologie mają swój kres. A oto inna opowieść (mocno odległa od życia codziennego) o uzyskiwaniu wysokiej próżni: aby lampy elektronowe mogły pracować, ciśnienie gazów w ich wnętrzu musi być mniejsze niż kilka milionowych części słupa rtęci. Oczywiście nie da się do zmierzenia takich ciśnień (a właściwie gęstości gazów) użyć manometru rtęciowego. To urządzenie przestaje działać już gdzieś w okolicy ułamka milimetra – czyli sto tysięcy, milion razy większych. Aby mierzyć takie gęstości gazów (taką próżnię), stosuje się metody elektryczne. Zupełnie inną technologię niż w stacji meteorologicznej.

Tak zwana pompa rotacyjna potrafi odpompować urządzenie do poziomu jednej tysięcznej milimetra słupa rtęci. To i tak niezwykły sukces. Dlaczego? Na drodze stoi objętość resztkowa. Tłok pompy musi sprężyć zassane z pompowanego układu gazy do ciśnienia atmosferycznego, żeby wyrzucić je na zewnątrz. Niestety, zawsze istnieje jakaś minimalna objętość, do jakiej da się je ścisnąć: kanalik zaworu, luzy pomiędzy tłokiem i cylindrem (zwykle stosujemy tzw. pompy rotacyjne z wirującym tłokiem, ale to inna sprawa). Gdy już sobie dobrze odpompujemy coś, w czym chcemy mieć próżnię, dochodzimy do momentu, że aby cokolwiek wypchnąć z pompy na zewnątrz, trzeba gaz ścisnąć do mniejszej objętości niż najmniejsza, jaką uzyskujemy w naszej pompie. Tak w technice objawia się klątwa objętości resztkowej: dochodzimy do pewnego ciśnienia i mniej już nie da się. Nie pomaga nawet kaskadowe łączenie pomp. Czemu? To już trochę zawiła sprawa.

Dajmy pokój technicznym zawiłościom istota jest taka, że pompujemy pompujemy i nic. A jak przyjdzie inżynier , czy taki jak ja marny laborant i popatrzy co ktoś robi, powie, że koniec, osiągnęliśmy kres możliwości pomp mechanicznych, możesz stawać na głowie i tak dostałeś ciśnienie jakiś milion razy niższe niż atmosferyczne, ale dalej już nie pójdzie. Nawet nie musisz rozumieć, czemu tłoczki i zawory już nie zadziałają, uwierz temu laborantowi, trzeba zmienić technologię.

Aby lampa elektronowa ruszyła, trzeba użyć pompy dyfuzyjnej – czegoś, co na pompę zupełnie nie wygląda. Żadnych tłoków i zaworów, działa zupełnie inaczej, nie widać, że działa nawet trudno zrozumieć, że może działać, ale działa, ktoś pomyślał, zrozumiał, że trzeba zrobić całkiem inaczej niż się wydaje.

Kilka razy pisałem już, że bywa czasami opowiadana historia o tym, jak to Japończycy przed II wojną światową chcieli zwędzić Anglikom technologię budowy lamp elektronowych. Anglicy pokazali im wszystkie etapy produkcji za wyjątkiem właśnie działu pompowania. No i zdechł pies Japończykom, musieli zapłacić za licencję. Może jest w tym część prawdy, może to tylko wymyślona historia, ale morał z niej płynie jak najbardziej słuszny. Jeśli chcesz przekroczyć krytyczne parametry, musisz zmienić technologię. Chcesz podróżować szybciej? Zamień powóz na parowóz. Chcesz poruszać się szybciej niż jakieś 300 km/h? Lepiej zostawić pojazdy naziemne, bo w tej okolicy siły aerodynamiczne zaczynają się równać z siłą ciężkości.

A gdy chcesz mocny spirytus, to musisz zamienić zwykłą chłodnicę na kolumnę rektyfikacyjną.

Ludzie tracą zwykle mnóstwo czasu, nim zrozumieją, że trzeba zmienić technologię. To naturalne, oczywiste: zazwyczaj tę nową technologię trzeba wymyślić od podstaw. Najpierw trzeba zrozumieć, z czego wynikają ograniczenia metod, które stosujemy, potem trzeba wpaść na to, jak sobie z nimi poradzić. To zazwyczaj jest już bardzo trudne.

Jak zwiększano szybkość pojazdów? Najpierw do powozów zaprzęgano coraz większą liczbę koni. Mocno wątpię, czy konstruktorzy sprzed czasów Newtona wiedzieli, co robią. Aby wyliczyć, co można uzyskać, potrzebne są takie pojęcia jak siła i moc. Ale intuicyjne działania i tak miały kres w postaci szybkości swobodnego zwierzęcia, które niczego nie ciągnie.

Była przynajmniej jedna spektakularna porażka w technologii kopalnianej, która doprowadziła do ważnych odkryć. To nieudane próby konstrukcji pomp, które ciągnęłyby wodę z głębokości większej niż około 10 metrów. Co się wtedy dzieje, pokazało doświadczenie Torricellego. Od tamtej pory wiemy już, że wodę do smoka pompy wciska ciśnienie atmosfery.

Nicolas Léonard Sadi Carnot jest niewątpliwie autorem tzw. cyklu Carnota. To teoria, która wyjaśnia, ile maksymalnie pracy można wydusić z maszyny cieplnej: parowej, silnika Stirlinga, turbiny parowej czy silników spalinowych wynalezionych dużo późnej niż ów cykl. Czy pracował na zlecenie fabrykantów branży włókniarskiej, czy też właścicieli kopalni, czy jeszcze jakichś innych, nie potrafię odpowiedzieć z całą pewnością. Ważne jest, że ten zwolennik teorii cieplika, posługując się tymże nieistniejącym cieplikiem, podał prawidłową formułę na maksymalną sprawność silników. Dzięki niej wiadomo, co zrobić, żeby na litrze benzyny przejechać więcej kilometrów: trzeba podnieść różnicę temperatur pomiędzy kotłem a chłodnicą silnika. Inna sprawa, że musimy się nieźle nagłówkować, co jest tym kotłem i chłodnicą w silniku spalinowym Otto.

Te przykłady pokazują, że aby zrozumieć, dlaczego nie wychodzi, czasami zrozumieć, czemu już lepiej się nie da w ogóle, potrzebne są wręcz epokowe odkrycia w naukach podstawowych. Czasami jednak, pomimo że tych odkryć już dokonano, osobom, które mają chyba po prostu nie dość w głowie, piekielnie trudno zrozumieć, że jak będziemy powtarzali zabiegi, które już doprowadziły nas do jakichś rezultatów, to jednak nie ruszymy z miejsca – właśnie z tych zasadniczych powodów. Na przykład dlatego, że w przestrzeni, którą obserwujemy, lata za mało fotonów.

Na forum fotograficznym stoczyłem dyskusję, która zmusiła mnie do „pouczających” wyliczeń. Ich rezultat jest dość pesymistyczny: nie da się już podnosić czułości aparatów fotograficznych, ponieważ dojechaliśmy do sytuacji, że na jedno zliczenie przetwornika analogowo-cyfrowego w aparacie cyfrowym od stosunkowo dziś niskich czułości w okolicy ISO 800 przypada jeden foton. Dokładnie jest tak, że ów układ zlicza elektrony wygenerowane przez fotony, ale na jedno wychodzi. Jeden foton wybija jeden elektron, są pewne straty, czasami energia fotonu zmienia się w ciepło. Lecz sedno sprawy jest takie, że na jeden „piksel” sensel pada owych fotonów za mało. Ponieważ zachowują się losowo, aparat zaczyna przy stosunkowo jeszcze dobrych warunkach oświetleniowych rejestrować kwantowy szum.

No i to właśnie wywołało dramatyczne protesty, że niemożliwe, żeby firmy nie poradziły sobie z prawami fizyki, że przecież ciągły postęp i tak dalej. Kicha, ściana – nie da się. Praw fizyki pan nie zmienisz.

Strony: 12

Mogą Cię zainteresować

Adam Cebula „Moralizowanie o wysadzaniu komet”
Para-Nauka Adam Cebula - 9 lutego 2015

Jak już wcześniej pisałem, współczesna popularyzacja nauki z lubością sięga do wizji apokaliptycznych –…

Adam Cebula „Na początek pewna nudna przypowieść techniczna”
Felietony Adam Cebula - 15 czerwca 2016

Wbrew pozorom wcale nie chodzi o akumulatorki. Ani o bateryjki. Oto Adam Cebula i jego poszukiwanie…

Adam Cebula „O sensie samym w sobie”
Para-Nauka Adam Cebula - 4 listopada 2015

Niezbędnym sprzętem każdego poszukiwacza rzeczy istotnych powinno być możliwie gęste sito. Za jego…

Do NOT follow this link or you will be banned from the site!