Проблема получения энергии непосредственно из воздуха также издавна занимала людей. Уже Аристотель знал, что в воздухе происходят явления, которые мы называем грозами. Еще вплоть до XVIII столетия молнию, в согласии с учением Аристотеля, считали воспламенением горючих паров воздуха, благодаря взрыву которых происходит гром. И лишь благодаря Франклину, который в 1752 г. изобрел громоотвод, мы знаем, что воздушная атмосфера заряжена большим количеством электричества и что молния является электрическим разрядом между двумя облаками или между землей и облаками. Монье установил однако, что и при ясном небе существует разница между атмосферой слоев воздуха, близких к земле, и других, расположенных ближе к облакам. С тех пор было выдвинуто более 50 теорий для объяснения явлений атмосферного электричества. О размере сил, участвующих при грозовых разрядах в воздушном океане, дают представление измерения напряжения, произведенные проф. Линке на различных высотах: вблизи земли оно достигает 100–150 вольт, на высоте 1 500 м общее напряжение около 120 тыс. вольт и на высоте 8 000 м — приблизительно около 190 тыс. вольт. Общее напряжение между землей и большой высотой таким образом сравнительно невелико: на высоте 10 тыс. м оно достигает максимум 200 тыс. вольт.
В статье на эту тему инженера Мюллера в журнале «Мир техники» (1924 г.) мы читаем: «Вертикальный электрический ток между атмосферой и землей достигает над Берлином и Франкфуртом-на-М., например, лишь около двух миллионных ампера на квадратный километр, над всей Швейцарией — около 0,08 ампера, над всей Германией — около одного ампера и над всей земной поверхностью — приблизительно 1 000 ампер». Идущие по воздуху, как проводнику, электрические токи таким образом даже для очень больших поверхностей обладают незначительной силой. Они могли бы быть значительнее, если бы они были объединены в металлических проводниках, но и в этом случае, как показывают уже вышеприведенные цифры, они достигли бы сравнительно небольших величин, которые практически лишены всякого значения. Чтобы получить этим путем более или менее сильные токи, пришлось бы оперировать с чудовищными по размерам поверхностями. Независимо от этого, слияние атмосферного электричества в определенные потоки лишь в том случае приобрело бы постоянный характер, если бы к месту, в котором электричество получается из воздуха, существовал постоянный приток электричества. Непонимание необходимости обеспечить постоянное стекание электричества из воздуха к определенному месту влекла за собой до сего времени неуспех большинства попыток использования атмосферного электричества. Многие изобретатели занимались и продолжают еще заниматься в настоящее время вопросом практического использования атмосферного электричества, надеясь сконструировать все еще не дающийся в руки аппарат для постоянного получения электричества из атмосферы. Удастся ли им это, — судя по результатам произведенных в этой области исследований, — представляет большой вопрос. Ибо по вычислениям проф. Руппеля, одного из лучших знатоков в вопросах атмосферного электричества, электрическая энергия, накопляющаяся над 1 кв. км, достигает 0,04 клв-ч, иначе говоря, столь ничтожной величины, что для практического получения энергии она не имеет абсолютно никакого значения.
Ганс Гюнтер мечтает об использовании молнии. В своей небольшой книжке «Мечтания техники» он, между прочим, пишет по этому поводу следующее: «Если таким образом не приходится и мечтать об использовании нормального электрического заряда атмосферы, то во время грозы дело, возможно, обстоит иначе. Электрическое поле должно быть в этом случае, как это доказывают молнии, гораздо сильнее. Следовательно, нужно предполагать, что в этом случае с помощью токособирательных проводов можно уловить гораздо более сильные токи: по крайней мере, такой же мощности, как и молнии». Ход мыслей Гюнтера правилен. Но и здесь, как общее правило, чрезвычайно преувеличивается количество получаемой при этом энергии. Что может дать укрощение молнии? Пользуясь магнитными измерениями над базальтовыми скалами, пораженными молнией, пытались вычислить силу тока и напряжения подобных разрядов. При этом получали силу тока до 10 000 ампер и напряжение до 500 000 вольт. Другие вычисления, однако слабо обоснованные, дают гораздо более высокие напряжения, например для молнии длиной в 2 км 25 млн вольт. Если мы возьмем за основу эти цифры и силу тока в 10 000 ампер, то для молнии, продолжительность которой — в лучшем случае — достигает 0,01 сек., мы получим общую энергию в 700 клв-ч. Если предположить, что во время грозы в определенной местности произошло 100 разрядов молнии — сравнительно большое число, то гроза дает в этом месте 700 клв. В году в наших широтах может быть до 30 грозовых дней, откуда следует, что, если бы можно было уловить и использовать всю энергию грозы (что практически невыполнимо), соответствующая установка в лучшем случае дала бы в год 210 000 клв. Гюнтер в заключение приходит к выводу, что получение энергии этим путем также невозможно.
Проблема получения энергии из воздуха для силовых установок, конечно, будет разрешена еще не так скоро. Но имеются и другие пути, которые обещают атмосферному электричеству великое будущее.
Успехи, достигнутые химией со времен Либиха в области изучения сущности и строения нашего растительного мира, поразительны. Каждый сельский хозяин знает в настоящее время, что если он хочет получить большой урожай, он должен ввести в почву своего поля вещества, которые войдут в состав будущего растения.
Сильный прирост населения за последние годы и превращение прежних аграрных стран в индустриальные привели к необходимости возместить сокращение обрабатываемой площади хорошими урожаями с помощью искусственного удобрения. За этими, чисто внешними, бросающимися в глаза достижениями химии сплошь и рядом остаются в тени другие силы, которые способствуют росту и созреванию растений. Слишком мало уделялось внимания изучению вопроса о том, какой ущерб влечет за собой искусственное удобрение, дающее организму растений толчок к усиленному развитию. Многие врачи давно уже выяснили вредное влияние различных видов искусственных удобрений, неподходящих сточных вод и навозной жижи на растения, идущие в пищу человека. Каждому проницательному человеку должно быть ясно, что неосмотрительное удобрение наших полей материалами, получаемыми, быть может, от больных людей или животных, или из реторты химика, переносит зародыши болезней через пищу в человеческий или животный организм, вызывая различные заболевания.
Деревья и кусты растут в лесу без всякого удобрения. В вечном круговороте растут и цветут они здесь без всякого ухода. Факторами роста и оплодотворения являются здесь солнце, дождь и ветер. Земледелец хорошо знает, почему необходим лес для того, чтобы поля были плодородными.
Эрнст Буш в своей книге «Земной магнетизм, полярность и живое существо» говорит следующее: «Дождь производит весьма различные действия. Земледелец отлично знает, что существует большая разница между мелким дождиком и грозовым ливнем, в особенности если последний сопровождается молниями. Он знает также, что последний выгоняет грибы из земли, а первый, разумеется, полезен для посевов и побегов».
Итак, несомненно благоприятное влияние на рост растений оказывают главным образом атмосферные явления. Действительно, исследования последних лет показали, что искусственное удобрение имеет для растений лишь второстепенное значение, атмосферные же влияния для них гораздо важнее всякого удобрения.
И действительно, дождь обладает гораздо большим значением, чем мы вообще предполагаем. Несмотря на то, что он принадлежит к обычным явлениям природы, его настоящее происхождение все еще мало исследовано. Несомненно, при процессе превращения ничтожных, мелких капелек, парящих в облаках, в большие падающие на землю капли играет роль электричество. В настоящее время атмосферное электричество объясняется так называемой ионной теорией. Ионы представляют собою составные части молекул газа и способствуют восприятию и передаче электрических сил, причем в воздухе имеются в одинаковом числе ионы, заряженные положительным и отрицательным электричеством. Между обоими этими противоположными видами электричества происходят постоянные выравнивания — разряды, резкая форма которых носит название гроз, а длительная — северного сияния. Каждая туча так же заряжена или положительно или отрицательно, и таким же зарядом обладают и мелкие капельки тучи. Когда же туча теряет свой электрический заряд, мелкие капельки соединяются в большие капли, которые в виде дождя падают на землю. Разумеется, такие дождевые капли отнюдь не представляют собою химически чистой воды; напротив, вода в них насыщена рядом химических веществ, весьма полезных для сельского хозяйства. Химический состав дождевой капли зависит главным образом от атмосферных влияний. При грозе, например, в воздухе появляется озон, обладающий способностью соединяться с азотом воздуха в окисел азота; из водорода и азота образуются под влиянием электрических разрядов в атмосфере аммиачные соединения. Эти вещества затем с помощью дождя попадают в почву полей. Правда, эти вещества содержатся в дождевых каплях лишь в весьма незначительных количествах. Литр дождевой воды содержит в среднем 2 аммиачного азота и 5 азота в азотнокислом соединении. Но, как бы то ни было, общее количество этих удобрительных материалов, ежегодно с помощью дождя вносимых в почву, чрезвычайно велико. Поверхность Германии равняется приблизительно 500 тыс. км, и ежегодное количество выпадающего над ней дождя дает слой воды, который можно считать равным одному метру. В таком случае мы получим на квадратный километр 45 т соединений азота, или 7,5 т чистого азота. Для всей страны таким образом получается 3 750 000 т азота, вносимых в почву атмосферой. Германская азотная промышленность производит в настоящее время ежегодно в круглых цифрах 400000 т азота. Следовательно, при цене в 1,4 марки за килограмм азота, германское сельское хозяйство получает при помощи молнии и дождя атмосферного удобрения на 5 250 000 000 марок, что в 7,5 раз превосходит промышленную продукцию азота и в 38 раз превышает количество чилийской селитры, которое приходилось ввозить еще в 1913 г. Для всей Европы получается в круглых цифрах 150 млн т азота стоимостью в 210 млрд марок.
Напрашивается вопрос: нельзя ли искусственным путем сосредоточивать на полях огромные количества атмосферных ценностей? Кусты и деревья представляют собою до некоторой степени их собирателей, так как концы сучьев и листьев находятся в естественном контакте с атмосферой. После каждой грозы можно убедиться, что растения испытали прилив новых сил и толчок к усилению роста. Наблюдая эти явления, пришли к мысли сделать в концентрированной форме и для других растений доступными находящиеся в воздухе полезные вещества и таким образом избавиться от необходимости пользоваться искусственным удобрением. В конечном счете искусственное добывание азота из воздуха, толчок к которому дала война и которое является основой современной удобрительной промышленности, представляет собою не что иное, как процесс, который ежедневно сам собою протекает в растительном мире. Один владелец плантаций в Гватемале сумел проверить это наглядным образом на своих плантациях. По сообщению крупной американской газеты, он привязал к деревьям своих плантаций, в трех местах к каждому, медные проволоки, которые соединил узкими медными лентами. Острия медных проволок подымались в атмосферу, благодаря чему они находились в контакте с атмосферным электричеством. В результате плантатор получил с одного дерева гуавы два урожая плодов. Старое дерево лимет, которое уже не могло давать плодов, благодаря этому воскресло для новой жизни. Через две недели после грозы дерево омолодилось, зацвело и дало плоды в невиданных размерах.
Применение атмосферного электричества к растениям насчитывает много лет. Еще в октябре 1746 г. Мембрей впервые испытал влияние электричества на миртовые кусты, которые вслед затем, несмотря на позднее время года, дали новые ростки. Естествознание признает право на честь открытия атмосферного электричества наряду с Франклином и за Лемонье. В конце XVIII в. русский ученый Шпрехнев также добился крупных результатов с помощью сконструированного им электровегетоаппарата, получив весьма хороший урожай без удобрения.
Келер, Махе и Швейдлер, исследователи последнего времени, основывались при своих опытах на двух факторах, имеющих особое значение при исследовании атмосферного электричества: проводимости и падении потенциала. Келер в Потсдаме и Дарно в Давосе установили на основании своих исследований, что проводимость атмосферы утром достигает максимума, а в полдень — минимума. В виду того, что многочисленные опыты подтвердили, что растения реагировали только на проводимость атмосферы, стало совершенно ясно, что между растениями и электричеством существует связь. Роза Штоппель определяла проводимость и содержание ионов в атмосфере и установила, что интенсивность этих явлений при длительной темноте подвергается периодическому изменению в течение суток, причем наивысшей величины она достигает между 2 и 4 часами утра. Далее, опыты Штоппель установили, что при повышении содержания ионов и проводимости атмосферы усиливается процесс ассимилияци и дыхания в растениях. Таким образом теория Штоппель, согласно которой между растениями и атмосферой существует связь, вполне подтвердилась.
Аналогичную зависимость растительных процессов от атмосферного электричества установили и другие исследователи.
В последнее время стали применяться различные аппараты для электрокультуры. В Германии до войны приступили к опытам с искусственным получением электричества, которые не дали существенного успеха. Несколько лет тому назад французский земледелец Кристофло возобновил опыты, заменив искусственный способ получения электрического тока естественными источниками его. С этой целью он сконструировал электрокультиватор, который вызвал широкий интерес и дал доказательства успешности своей работы. При действии аппарата, вероятно, образуются азотная кислота — путем соединения кислорода, азота и водяного пара — и затем нитраты, благодаря действию азотной кислоты на углекислые соли (известь, поташ). Аппарат воздвигается в определенном направлении по картушке компаса на обрабатываемой площади, соединяется с землей и с проволоками, которые проводятся по бороздам поля и таким образом вступают в соединение с корнями растений.
Государственная лаборатория в Ганде (Бельгия) при анализе, произведенном в августе 1925 г. над двумя отдельными пробами песку, установила, что они в пересчете на 1 000 кг содержали:
Проба 1-я (неудобренная, но обработанная электрокультиватором).
0,84 фосфорной кислоты.
2,60 извести.
1,12 поташа.
0,35 азота.
Проба 2-я (неудобренная и необработанная электрокультиватором).
0,58 фосфорной кислоты.
1,60 извести.
0,43 поташа.
0,17 азота.
В Швейцарии, Бельгии и Франции с помощью электрокультиваторов и аналогичных аппаратов добились крупных успехов. В Бельгии в одном только прошлом году было установлено 300 аппаратов. Тем временем аппарат подвергся столь существенным усовершенствованиям со стороны германских изобретателей, что в сельскохозяйственную неделю в Берлине в феврале 1926 г. он привлек большое внимание.
Рис. 12. Электрокультиватор. Антены, притягивающие электричество из атмосферы.
На опытной станции в Альт-Глинике, вблизи Берлина, уже организованы германским обществом «Электрокультура» интересные опыты. Опытное поле «Электрокультуры» производит впечатление радиофицированной дачной местности. На контрольном поле можно ясно видеть, какое влияние оказывает атмосферное электричество на растения.
Другим родственным электрокультиватору изобретением является развитие культур путем применения так называемого радиокартона. Аппарат представляет собою картонную крышу, через которую проходят тонкие проволоки, питаемые током. Уже несколько лет тому назад руководитель опытной станции сахарных плантаций на Гавайских островах, Чарльс Эккарт, произвел первые крупные опыты с водонепроницаемым картоном. Он клал картон на землю, предварительно вырезая в нем отверстие, в которое затем просовывал растение. Эккарт стремился лишь к борьбе с сорной травой; ему удалось не только добиться успеха в этом отношении, но и получить лучшие урожаи сахарного тростника, ананаса, табака и т. д. Радиокартон обладает якобы тем преимуществом, что верхний слой почвы, нагретый на 2–3°, уменьшает высыхание земли и таким образом препятствует разрастанию сорных трав. Этот радиокартон действует как грелка, в связи с чем значительно уменьшается опасность замерзания растений. Изобретатель утверждает, что электрокультура прекрасно может сочетаться с подобным радиокартоном.
Судя по всем этим успешным опытам, от электрокультуры можно в будущем ожидать несомненно еще многого, несмотря на то, что эта область очень велика, отличается новизной и, к сожалению, представляет большие трудности.
Как показывает вышеизложенное, воздух как физический фактор является весьма упрямым, тогда как в химии он показал себя очень податливым фактором. Ему мы обязаны в настоящее время перестройкой нашего сельского хозяйства, создавшей возможность питания миллионов все увеличивающегося населения Европы. Чудо размножения хлебов превратилось в действительность лишь в XX веке, когда химии удалось добыть удобрение из воздуха способом, который получил особенный толчок благодаря военной промышленности. Что было бы с сельским хозяйством, если бы в настоящее время оно располагало только навозом, гуано, чилийской селитрой, калием и аммиачной водой — побочным продуктом, получаемым при перегонке каменного угля? Не только сельскому хозяйству пришлось бы вести жалкое существование и урожаи его были бы так же плачевны, как и раньше, но и человечество никогда бы не могло скопляться в столь громадные массы, каковые мы наблюдаем за последние 30 лет. Техника совершила это великое чудо с помощью воздуха, который, как известно, состоит на 4 / 5 из азота и на 1 / 5 из кислорода. Задача химии заключалась в том, чтобы химически связать ценный воздушный азот. Наряду с известным в Норвегии воздушно-селитряным методом получения азота из воздуха, наибольшей известностью и успехом пользуется метод Габер — Боша (аммиачный катализ), который обязан своим открытием проф. Нернсту. Этот метод заключается в том, что воздушный азот и получаемый из угля водород смешиваются в определенной пропорции и при высоком давлении и температуре подвергаются действию катализатора. Людвигсгафен-Оппау и огромные заводы в Мерзебурге в настоящее время изготовляют это ценное вещество. Оба эти предприятия могут ежегодно добывать из воздуха 500 000 т азота, для чего перерабатывается 570 млн куб. м воздуха. Эти цифры говорят сами за себя и наглядно показывают огромное значение этой отрасли техники для народного хозяйства. Наряду с этим методом, подобным же способом удалось за последние годы добыть ценное удобрительное средство — мочевину, а также значительно усовершенствовать прежние способы изготовления искусственного удобрения.
Наряду с методом Габер — Боша баденские красочные фабрики Химического треста располагают методом Франк-Каро, который дал прекрасные результаты. В то время как по методу Габер — Боша соединяют получаемый из угля водород под высоким давлением и при высокой температуре с азотом в аммиак, по методу Франк-Каро пользуются в качестве исходного материала кальцием-карбидом. В Баварии также проектируется добывание азота с помощью местных водяных источников энергии.
Путем лабораторных опытов в 1925 г. открыли возможность получать аммиак из элементов, бомбардируя электронами смесь из водорода и азота, метод, который до сих пор не выходит из стадии лабораторной работы, но возможно в будущем еще принесет большие плоды.
В будущем, по-видимому, суждено сыграть большую роль еще одному совершенно новому методу добывания азота из воздуха, — «Монт-Ценис», который, быть может, совершенно вытеснит прежние методы. Предприятию Монт-Ценис удалось найти катализатор, который под давлением до 100 атмосфер и при сравнительно низких температурах делает возможным соединение азота и водорода в аммиак. Как известно, проф. Нернст также работал при своих первых опытах с давлением в 70 атм., которое впоследствии было повышено проф. Бошем до 250 атмосфер. Дешевизна метода Монт-Ценис не нуждается в пояснении. Независимо от того, что при производстве требуется затрата меньших количеств энергии, открывается возможность рационально использовать газы коксовальных печей, из которых, как известно, может быть получен дешевый водород, и таким образом углепромышленности обеспечивается чрезвычайно широкое поле деятельности.
Огромное значение добывания азота из воздуха и угля уяснится особенно, если мы учтем то обстоятельство, что цена за него, вследствие непрерывных усовершенствований в техническом производстве, непрерывно снижается. В то время как цена азота до войны колебалась от 1,4 марки до 1,6 марки, в настоящее время она упала уже до 85–95 пф., благодаря чему чрезвычайно повысилось потребление азота. В настоящее время германская азотная промышленность значительно превзошла довоенную добычу чилийской селитры.
К огромным завоеваниям последних десятилетий принадлежит получение жидкого воздуха, которое открыло технике прошлого и настоящего времени большие возможности и, быть может, в будущем приобретет значение, которого мы в настоящее время еще не в состоянии предвидеть. До 1877 г. еще не было ясно, можно ли превращать все газы в жидкое состояние. Английский физик Фарадей доказал, правда, что все газы при соответствующей температуре и достаточном давлении могут быть превращены в жидкость, тем не менее до сих пор кислород, водород, азот и окись углерода сопротивлялись всяким попыткам в этом направлении. В 1877 г. женевскому врачу Пикте удалось уже добиться при низких температурах и высоком давлении сжижения кислорода, а французскому физику Кайе — сжижения водорода. Лишь в 1883 г. Вроблевскому и Ольшевскому удалось превратить в жидкое состояние азот и окись углерода. Все эти опыты однако носили, в сущности, чисто лабораторный характер. И только в 1895 г. удалось Линде добиться сжижения воздуха в широком техническом масштабе. С этого времени жидкий воздух оказал человечеству неисчислимые благодеяния. При спасении потерпевших от несчастных случаев, утонувших, в клиниках для обслуживания оперируемых, при нырянии, при восхождении на высокие горы и т. д. — жидкий воздух является необходимым средством.
Не подлежит сомнению, что техника с помощью преобразования воздуха проникла в область, ей до сих пор совершенно незнакомую; в ней в будущем техника, вероятно, встретится с немалыми неожиданностями, которые сильно облегчат человеку его борьбу за свое существование и покорение сил природы.