Есть старинное выражение: «камнем пошел на дно». Однако оно не всегда бывает верно. Ведь встречаются камни, которые можно бросать утопающему, как спасательный круг. Это вспененные вулканическими газами минералы, главным образом кремнезем и глинозем, известные под названием пемзы. Есть сорта пемзы, которые легче сухой сосны и ели.
Каменная «пена» — древнейший, но не единственный из образцов для создателей новых сверхлегких материалов. Немало их создано и живой природой. Это не только газонаполненная кора пробкового дерева. Значительно легче ее, например, бальза, из гигантских стволов которой был сооружен знаменитый «трансокеанский» плот «Кон-Тики».
Начав со стеклянной пены, человек создавал постепенно множество материалов, наполненных газом. Правда, даже люди с техническим образованием часто не знают, что существуют два самостоятельных класса этих важнейших материалов. Любая пена состоит из мелких или крупных пузырьков, которые все наглухо «запечатаны». Примером может служить хотя бы мыльная пена, которая исчезает, как только нарушается герметичность пузырьков. Но пена ли микропористая резина, обычная поролоновая губка или мягкая набивка кресла в самолете?
Микропорка, поролон… — в самих их названиях упомянуто греческое слово «пора», что означает не пузырек, а отверстие. Вот, собственно, и все различие между двумя группами новых материалов. Одна группа — пенопласты, другая — поропласты. У первых все пузырьки запечатаны, у вторых они вытянулись, потеряли герметичность, стали лабиринтом мелких каналов, соединенных между собой и с внешним пространством. В технике, в быту огромное значение приобретают обе группы. Но сейчас рассказ пойдет о пенах.
В соревновании с синтетической химией природа потерпела полное поражение. И сравнение «легкий как пробка» в наши дни — мертвый архаизм. Ведь кубический метр пробки весит до 300 килограммов. А некоторые пены, превосходящие ее по ряду основных качеств, имеют объемный вес 0,001: куб с ребром 1 метр весит 10 килограммов. В 25—30 раз легче пробки!
Первые наши пенопласты, появившиеся в начале пятидесятых годов, были не очень еще хороши. Их получали вспениванием фенольных смол. Эти пены годились для тепловой изоляции зданий, немало пластин из них пошло на строительство МГУ. Но первые же попытки делать из фенольных смол спасательные круги окончились неудачей. Слишком хрупкими оказались такие пены. Кораблестроители отказались от них наотрез и продолжали утеплять борта и надстройки судов быстро загнивающей смесью крошеной пробки и дешевых каменноугольных смол.
Но все это уже в прошлом. Судостроители быстро переходят сейчас на сверхлегкую тепловую изоляцию — прочные и упругие пенопласты из акриловых и других смол. Рефрижераторные суда с такой изоляцией будут меньше расходовать энергии на поддержание в трюмах нужной температуры, ощутимо увеличится и их грузоподъемность.
Кстати, чтобы снабдить корабль новой изоляцией, совсем не обязательно привозить на него готовые пластины пенопласта, а потом крепить их изнутри к бортам. В 1963 году на Одесском судоремонтном заводе был успешно освоен, например, способ нанесения пенополиуретана прямо на внутреннюю поверхность корпуса и надстройки. Жидкий полимер, подаваемый мощными пульверизаторами, прилипает к металлу, вспенивается и образует сплошной теплозащитный слой нужной толщины. Эта изоляция послужит «шубой», предохраняющей нефть в стальном корпусе танкера от остывания — густую холодную нефть не берут никакие насосы. А летом в тропиках, особенно при перевозке бензина, когда металл раскален и бензин испаряется сотнями тонн, его можно охлаждать морозильной установкой под защитой той же пенопластовой «шубы».
Не менее важна проблема тепловой изоляции и на суше: для крупных холодильников, для наземных видов транспорта, да и для жилых помещений. А в последнем случае пенопласт становится еще и отличной звуковой изоляцией. Его можно не только устанавливать в виде готовых пластин и плит или наносить с помощью пульверизатора. Есть третий способ — наливать полимер с пенообразователем в пустоты между тонкими перегородками. И, заполнив все предназначенное для нее пространство, пена затвердеет там навсегда, упрочнит конструкцию.
Полимерные пены становятся все легче и долговечнее. Ученые, работающие в этой области, подбирают наиболее прочные смолы, стараясь создать пены, кубический метр которых весил бы всего 5—8 килограммов. Цель, вероятно, будет достигнута очень скоро. Но является ли такой вес пределом?
Все зависит от прочности смолы и технологии изготовления пены. Сейчас уже ясно, что создание полимеров, в несколько раз более прочных, чем самые прочные эпоксидные смолы, — выполнимая задача. А чем большие нагрузки выдерживает полимер, тем тоньше могут быть стенки пузырьков пенопласта, тем легче становится он сам. Не исключено, что только этим путем удастся создать пены, кубический метр которых весит всего килограмм.
Впрочем, реальный ли это прогноз, если газ, заполняющий пузырьки в таком кубе, должен весить столько же?
Да, реальный, потому что этот килограмм воздуха — «нейтральный». Вес куба определяет лишь количество сверхпрочного полимера. Больше того пенопласт можно еще значительно облегчить. Для этого следует использовать в роли наполняющего пузырьки газа водород или, чтобы не случилось пожара или взрыва, смесь водорода с гелием. В таком случае полимерная пена, имея в пузырьках газ с «отрицательным» весом, станет почти невесомой.
Нечего и говорить о том, какой это будет ценный материал для авиации, крупных искусственных спутников, для высотных зданий, наземного и водного транспорта и множества других целей.
Но даже такое облегчение полимерных пен — не предел.
А что если попробовать каким-либо способом изготовить пенопласт, у которого в пузырьках находился бы не газ, а самая «легкая» среда — глубокий вакуум?
Задача заманчивая, но как будто совершенно невыполнимая. Даже если создать в аппарате вокруг жидкого полимера вакуум, близкий к космическому, для получения пузырьков все-таки понадобится какой-либо газ, иначе они не зародятся и не расширятся до нужных размеров. Подать газ в налитый для реакции полимер можно. При вакууме, царящем снаружи, его понадобится чрезвычайно мало. Но удалить его потом из миллиардов мельчайших герметических пузырьков никаким способом не удастся. Выходит, заманчивая задача неразрешима. Так ли это?
В Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР пришли к выводу, что вакуумный пенопласт все же приготовить можно. Для этого нужно лишь подобрать два прочных полимера с далеко отстоящими друг от друга точками кипения. Если начать нагревать их смесь, составленную так, чтобы капельки низкокипящего полимера были взвешены в массе высококипящего, то менее теплостойкий полимер начнет переходить в газообразное или парообразное состояние. Масса достаточно хорошо вспенится. Этот процесс можно вести, например, при 300 градусах выше нуля. При понижении температуры до 200 градусов более теплостойкий полимер затвердеет настолько, что сможет сохранить свою форму неизменной. А уже при 150 градусах находящийся в парообразном состоянии второй полимер начнет осаждаться на внутреннюю поверхность пузырьков в виде тонкой, но прочной пленки, дополнительно укрепляющей пенопласт. Получаются вакуумные пузырьки в весьма надежных двойных оболочках.
Таким образом, появляется с виду фантастическая, но все-таки вполне реальная возможность создать пенопласт, кубический метр которого при нормальном давлении атмосферы будет весить меньше килограмма. Конечно, если удастся на практике изготовить вакуумный пенопласт, кубометр которого станет хотя бы на несколько десятков граммов легче кубометра воздуха, это будет большой и важной победой химической науки. Такой пенопласт, независимо от его количества и формы, сможет плавать в нижних слоях атмосферы. И пусть читатель сам представит себе удивительные сооружения, которые можно будет создавать из вакуумного воздухоплавающего пенопласта. Это будут легчайшие изотермические здания любой высоты, мосты без единой промежуточной опоры не только через реки, но и через морские проливы. Можно будет даже соорудить над пыльным нижним слоем атмосферы гигантские воздушные острова, своеобразные «высокогорные» курорты…
Фантастика? Нет! Химики говорят, что «коэффициент осуществимости» подобных идей весьма близок к единице, а срок их осуществления упорно стремится к нулю.
Инженер Ю. МОРАЛЕВИЧ