Кремний

Кремний

Недалеко от древнего города Акко на территории современного Израиля река Нааман, воды которой несут много ила, впадает в Средиземное море. Когда начинается отлив, обнажается чистый белый песок, богатый кварцем. Однажды здесь, как рассказывает Ванноччо Бирингуччо, средневековый мастер по выплавке металлов, группа купцов, «заброшенная сюда по прихоти моря», остановилась, чтобы перекусить [1]. Не найдя на берегу никаких камней, команда принесла с корабля несколько кусков самородной соды, чтобы установить на них котлы. «Готовя пищу, они увидели, что порода в этом месте превратилась в текучее, блестящее вещество. Этот случай дал начало производству стекла» [2].

Совершенно случайно купцы превратили зерна кварца, состоящего только из атомов кремния и кислорода, в предмет всеобщего восхищения. После этого открытия придумали много способов использования стекла: бусы в Древнем Египте, вазы на Ближнем Востоке и зеркала в Венеции [3]. «Благодаря многочисленным экспериментам, добавлению и изъятию различных ингредиентов, – пишет Бирингуччо, – сделано так много, что можно усомниться в возможности продвинуться дальше в этом искусстве. Ибо из стекла изготавливается бесчисленное множество красивых вещей» [4].

Истории стекла 5000 лет. Его уникальные свойства позволяли создавать оригинальные изделия высокой художественной ценности. Способность принимать требуемую форму – не результат использования каких-то особых инструментов, которые много столетий остаются теми же самыми. Метод выдувания изделий, изобретенный в I в. на Ближнем Востоке, по-прежнему остается тем же и сегодня. Непрерывные инновации в изготовлении декоративного стекла, скорее, следствие внутренней тягучести структуры стекла. Когда зерна песка сплавляются с углекислым натрием, возникающая масса настолько тягуча, что в процессе застывания атомы не могут достаточно быстро вернуться в нужное положение, чтобы образовать правильную кристаллическую структуру [5]. Кремний и кислород «вмерзают» в неупорядоченную структуру, напоминающую жидкость и поэтому принимающую практически любую форму [6]. Хаотичная атомная структура также допускает включение атомов других элементов. Добавив небольшое количество примесей, можно делать стекло с разными оптическими свойствами: прозрачное, полупрозрачное, непрозрачное и опаловое. И все это – в бесконечно многообразной цветовой гамме.

Превращение песка в стекло – всего лишь одна из величайших ролей кремния в истории человечества. Второй важный вклад, сделанный несколько тысячелетий спустя, обеспечен чистыми кристаллами кремния. Необычные электрические свойства позволили использовать их в фотоэлектрических элементах, превращающих солнечный свет в электроэнергию, и в транзисторах, составляющих основу компьютеров. Считается, что из всех применений кремния создание транзистора в наибольшей степени изменило мир, предоставив каждому невиданные ранее вычислительные и коммуникационные возможности.

Используя оптические и электрические свойства этого вещества, человечество создало предметы необычайной красоты и мощную технологию. Все это продолжает удивлять, радовать и воодушевлять людей. Но кремний на протяжении большей части 5000-летней истории ассоциировался главным образом со стеклом. А самое важное место в его истории принадлежит Венеции, где в эпоху Ренессанса достигло расцвета декоративное производство стекла как вид художественного творчества.

Стекло

Однажды, проходя солнечным апрельским утром мимо витрины антикварной лавки вблизи Кампо Санто Стефано в Венеции, я углядел кончик хвоста изящной фигурки слона, выполненной в стиле ар-деко. Лавка находится в очень узком переулке, и поэтому, окруженный толпами туристов, я не мог отступить назад, чтобы обозреть экспозицию. Сумев приблизиться к витрине, я медленно прошел мимо многочисленных ваз и кубков, прежде чем снова увидел черно-бирюзового слона [7]. Причудливый изгиб хобота ясно указывал, что фигура выполнена стеклянных дел мастерами с соседнего острова Мурано, где изготавливается основная масса венецианского стекла. Фигурки слонов, состоящие из множества деталей, которые необходимо тщательно подгонять друг к другу, относятся к числу наиболее трудных в исполнении. К тому времени я коллекционировал их почти пять лет. Впервые меня очаровали стеклянные фигурки животных в день, когда я встретился в Венеции с бывшим директором музея Лувр, собравшим огромную коллекцию этих художественных изделий. Прошло несколько лет, и я обнаружил, что мой партнер коллекционирует фигурки слонов – едва ли не самых благородных животных на планете, исключительно умных и способных устанавливать глубокие социальные связи. Объединив ее интерес к слонам с моей любовью к венецианскому стеклу, мы начали создавать общую коллекцию.

Еще до того, как я вошел в лавку, я уже знал, что куплю слона. Мое возбуждение, похоже, не осталось незамеченным владельцем магазина, и мне, вероятно, пришлось переплатить. Теперь я владею сотней стеклянных слонов, и мое стадо постоянно растет. Тот удивительный экземпляр был создан в 1930 г. Наполеоне Мартинуцци, работавшим в мастерских фабрики Венини. Под художественным руководством Мартинуцци Венини стал новатором в создании оригинальных типов и форм стеклянных изделий. Используя четкие и элегантные формы и новую гамму насыщенных цветов, он внес заметный вклад в возрождение стекольной традиции Мурано [8].

Производство стекла в Мурано началось после 1291 г., когда Большой Совет приказал перенести имевшиеся в Венеции стеклоплавильные печи на остров: они слишком часто становились источником городских пожаров [9]. Те же самые углекислый натрий и кварц, использовавшиеся египетскими и исламскими мастерами, привозили на Мурано с Востока по давно сложившимся торговым путям. Коммерческие связи обеспечивали и готовый экспортный рынок, что давало местным ремесленникам преимущество над конкурентами. В расположенных на острове мастерских ремесленники делали вещи необычайной красоты, используя те же трубки, щипцы и ножницы, что и по сей день.

В Мурано «делают лучшие стеклянные вещи», писал Бирингуччо. «Они красивее, разнообразнее по цвету и выполнены более искусными мастерами, чем где-либо в другом месте» [10]. Георг Агрикола, современник Бирингуччо, также высоко ценил художественные изделия муранских ремесленников. Во время праздника Вознесения он с восторгом разглядывал разнообразные предметы, выставленные на продажу: «Кубки, чаши, кувшины, флаконы, блюда и тарелки, оконные стекла, животных, растения и корабли» [11]. В ренессансной Венеции ремесло стекольщика превратилось в искусство.

Так как стекло получается из обыкновенного песка, то редкостью его не назовешь. Но редкое мастерство создания красивых предметов приводило к тому, что стекло ценилось столь же высоко, как и драгоценные камни.

Среди наиболее важных изобретений XV в. в Венеции был cristallo – тип стекла, «столь же бесцветного и прозрачного, как хрусталь» [12]. Примеси придавали изделиям неприятный желтоватый, сероватый или зеленоватый оттенок. Используя высококачественный кварц, добытый из измельченной речной кварцевой гальки, очищенную двуокись натрия и усовершенствованные плавильные печи, венецианские мастера создавали кристально чистые и высокоценные изделия [13].

Стеклянная война

К числу самых популярных товаров из Венеции относились и зеркала. Их делали, используя технологию cristallo. Стекло, особенно при нанесении на его поверхность тонкого покрытия, хорошо отражающего свет, давало возможность получать более качественные зеркала, чем из полированного металла [14]. Однако неровность стеклянной поверхности и плохая отражательная способность амальгамы часто вызывали неудовольствие покупателей: «Видишь [в зеркале] кого-то другого, а не себя», – отмечал комментатор XV в. [15]. Улучшив стеклянную основу и использовав новые материалы для амальгамирования, венецианские мастера смогли изготавливать «божественно прекрасные, чистые и не поддающиеся порче» зеркала, «но их стоимость была неимоверно высока» [16]. Прозрачное оконное стекло и покрытые амальгамой ртути зеркала из Венеции приобретали парижские и лондонские богачи. В XVII в. эти предметы роскоши находились на пике моды: они приносили свет в роскошные дворцы аристократии и отражали красоту их обитателей. Лучшие венецианские зеркала продавались за астрономические суммы. За одно из таких зеркал в серебряной оправе было заплачено в три раза больше, чем за картину кисти Рафаэля. Cabinets aux miroirs, комнаты с зеркальными стенами, стали одним из признанных чудес того времени, поскольку создавали удивительные оптические эффекты и демонстрировали богатство владельцев. Такие комнаты имели королевы Анна Австрийская и Екатерина Медичи.

Неспособные создать стекло такого же качества, французы были вынуждены тратить огромные суммы на импорт декоративных изделий из Венеции. Торговый баланс нарушился, и в 1664 г. французский государственный деятель Жан-Батист Кольбер попросил Пьера де Бонци, французского посла в Венеции, переманить венецианских мастеров в Париж. Бонци ответил: «Всякого, кто осмелится предложить им переехать во Францию, они могут сбросить в море» [17]. Венецианская республика осознавала экономическое значение стекольной индустрии и делала все для сохранения ее монопольного положения, не допуская утечки кадров и технологических секретов. Мастерам даровались огромные привилегии, например право носить небольшие шпаги и занимать почетные места во время торжественной процессии в честь праздника Вознесения, – и все для того, чтобы удержать их в Венеции. Даже дворяне, женившиеся на дочерях стеклянных дел мастеров, не утрачивали положения в обществе, что в целом нетипично для города, в котором социальный статус имел огромное значение. Но для защиты своей торговли венецианцы не полагались только на привилегии. Любого ремесленника, самовольно покинувшего Мурано, ожидали серьезные неприятности. Совет Десяти, тайный надзорный орган республики, постановил: «Если кто-то из работников или мастеров переедет работать в другую страну и не подчинится приказу вернуться, то все его ближайшие родственники будут заключены в тюрьму». Если это не поможет, то «специальные люди будут посланы убить его, и после его смерти его родственники смогут выйти на свободу» [18].

В конце концов Бонци нашел трех корыстолюбцев, за большие деньги готовых рискнуть и покинуть Венецию. В июне 1665 г. они прибыли в Париж и открыли мастерские на рю де Рейи. Вскоре их примеру последовали еще 20 мастеров из Мурано, соблазнившихся высокими заработками на Королевской фабрике стекол и зеркал, недавно открытой в Сен-Гобене, недалеко от Парижа. Венецианские власти пригрозили посадить в тюрьму семьи беглецов и конфисковать их имущество, но осуществить угрозы было непросто, так как уже слишком многие покинули Мурано. Кольбер даже организовал переезд жен нескольких умельцев в Париж. Однако в январе 1667 г. один из стекольщиков, перебравшихся в Париж, внезапно слег с высокой температурой и вскоре умер. Еще через три недели скончался другой, перед смертью жаловавшийся на сильные боли в желудке. По городу поползли слухи о том, что они были отравлены по приказу венецианских властей. Поверившие в это мастера начали возвращаться в Мурано. На какое-то время это затормозило прогресс на фабрике в Сен-Гобене, но ничего не изменило в принципе. Многие технологические секреты венецианцев уже стали известны французам, и производство стекла и зеркал шло полным ходом.

В 1682 г. король Людовик XIV использовал продукцию процветавшей отечественной стекольной промышленности для строительства самого большого из всех когда-либо созданных cabinet aux miroirs – зеркального зала в Версале. Семнадцать огромных зеркал заполняли гигантские арочные своды, при этом каждое состояло из 18 квадратных. «Зеркала представляют собой ложные окна, смотрящие на настоящие, и они многократно отражают в себе зал, так что пространство кажется бесконечным», – рассказывала газета Mercure Galant [19]. Зеркала становились все дешевле и больше, и в 1700 г. Королевская фабрика изготовила лист длиной три метра и шириной метр. Французское производство быстро догнало и перегнало венецианское, технологические секреты становились все лучше известны другим европейским странам благодаря усилиям шпионов и предателей. В 1680 г. венецианский посол жаловался: «Слезы наворачиваются на глаза, когда я вижу, как знания, дарованные нам Провидением, природой и упорным трудом, безнаказанно передаются на многочисленные фабрики немногими нашими недоброжелательно настроенными гражданами» [20]. В конце XVII в. венецианская стекольная индустрия находилась на грани краха. Муранские мастерские не поспевали за технологическими и стилевыми инновациями, такими как хрустальное свинцовое стекло, производившееся теперь на многих фабриках Европы [21]. Совет Десяти еще больше осложнил ситуацию, введя законы, направленные на защиту прав собственности производителей стекла и поддержку цен на их продукцию. Действуя таким образом, он сдерживал приток новых идей в Венецию и препятствовал инновациям.

В Великобритании известный парижский стекольных дел мастер Жорж Бонтам помог компании Chance Brothers из Бирмингема заполучить французских рабочих и их ноу-хау [22]. Позднее, спасаясь от Французской революции, он перебрался туда сам и принес на английскую землю свой уникальный опыт изготовления листового стекла [23]. Но, несмотря на приток специалистов и идей, по-прежнему сохранялось серьезное препятствие развитию британской стекольной промышленности. С 1746 г. стекло облагалось высоким налогом, и позволить его себе могли только богатые люди. Немногие домовладельцы тратили деньги на окна, особенно потому, что правительство ввело на них налог – «грабеж среди бела дня», по словам Lancet, «абсурдный налог на дневной свет», «один из самых безжалостных, которые правительство могло ввести в стране» [24]. Из-за него англичане больше болели. В 1845 г. налог отменили, и стекольная промышленность начала развиваться. «Производство листового стекла дает нам очередной пример выгод свободной торговли», – писал Чарльз Диккенс [25].

После внезапного появления дешевого стекла архитекторы начали экспериментировать в невиданных ранее масштабах.

«Хрустальный дворец»

30 000 зрителей стояли под стеклянной крышей «Хрустального дворца» в лондонском Гайд-парке. «Вокруг них, среди них и над ними демонстрировалось все, что есть полезного или красивого в природе или в искусстве», – писала The Times [26]. «Над ними возвышался свод, намного более величественный и просторный, чем даже своды наших самых знаменитых соборов» [27]. Толпы собравшихся ожидали прибытия королевы Виктории на открытие Всемирной промышленной выставки 1851 г. Когда королева проезжала в экипаже через ворота парка, ее взору открылось огромное здание дворца, построенное из стекла и железа, а с военного корабля на Серпентайне грянул салют. К счастью, опасения, что выстрелы пушек разрушат стеклянную крышу дворца и тысячи дам будут изрублены осколками на мелкие куски, не сбылись [28].

Внутри сводчатого сооружения должны были разместиться самые выдающиеся и удивительные творения рук человеческих со всего мира. Экзотические шелка, украшения и специи Востока соседствовали с новейшими научными изобретениями Запада. Новейшие пушки с литыми стволами Альфреда Круппа располагались рядом с образцами дагеротипов и калотипии Фокса Тальбота. Генри Бессемеру еще предстояло обратиться к усовершенствованию методов выплавки железа и стали, но он уже демонстрировал новейший вакуумный стол для облегчения процессов шлифовки и полировки стекла и разнообразные приспособления для получения сока из сахарного тростника [29]. На выставке было представлено 100?000 экспонатов. А в центре дворца располагался восьмиметровый фонтан из хрустального стекла.

Посетители платили за вход один шиллинг, что равнялось среднему дневному заработку рабочего. Многие, по-видимому, считали, что выставка того стоит, так как в итоге там побывало более четверти населения Великобритании, хотя путешествия в то время считались роскошью, а фотография находилась в зачаточном состоянии. Всемирная выставка оказалась не только парком развлечений, но и торгово-промышленной ярмаркой и маркетинговым мероприятием для изобретений эпохи промышленной революции, а прозрачный «Хрустальный дворец» служил гигантской витриной для конкурирующих товаров со всего мира. Высокопоставленный государственный служащий Генри Коул убедил принца Альберта, мужа королевы Виктории, провести в Лондоне Всемирную выставку и стать ее патроном. Он был поражен размахом и величием Выставки достижений Второй республики, состоявшейся в 1849 г. в Париже, и считал, что Великобритания должна пойти дальше и провести не национальное, а международное мероприятие. Оно, уверял Коул принца Альберта, подтвердит положение Великобритании как ведущей промышленной державы и укрепит ее авторитет в мире.

Дворец спроектировал инженер и архитектор Джозефом Пакстон. Получилось идеальное пространство, отвечавшее своей задаче. Солнечные лучи пронизывали его под самыми разными углами, что позволяло увидеть каждый экспонат при естественном освещении. В то время мало кто считал стекло строительным материалом, и Пакстон был одним из немногих инженеров, имевшим опыт его использования в строительстве; к тому времени он построил самую большую в мире оранжерею длиной 70 метров для герцога Девонширского в Чатворт-Хауз в Дербишире [30]. Но оранжерея казалась совсем маленькой в сравнении с дворцом. Здание длиной 600 метров и шириной 150 метров было построено с использованием 3300 стальных колонн и 300?000 листов стекла [31]. Компания Chance Brothers выиграла контракт на поставки не в последнюю очередь благодаря тому, что привлекалась к строительству оранжереи в Чатворте. Фирма получила особые похвалы от Бонтама и его коллег за внедрение новых европейских практик и «широту взглядов, знания и дух предпринимательства, продемонстрированных, невзирая на все затраты и риски» [32]. Производство стекла превратилось в поистине глобальную индустрию [33].

«Хрустальный дворец» заставил Лондон «до конца осознать значение стекла» [34]. Мир внезапно понял, это не только материал для художественных изделий, но и утилитарный строительный материал. Однако каждый лист стекла для «Хрустального дворца», как и раньше, был создан вручную – и силой человеческих легких. Чтобы изготовить листовое стекло для окон, сначала выдували сферы или цилиндры, затем их разрезали и раскатывали [35]. Это был дорогостоящий процесс, к тому же стекла часто получались с дефектами. Для изготовления больших листов расплавленное стекло выливали на ровную металлическую поверхность, но если она оказывалась не идеальной, то и поверхность стекла получалась шероховатой. Шлифование и полирование – дорогостоящий процесс, а в результате теряли почти половину продукции.

Чтобы начать широко применять стекло в строительстве, следовало дождаться некой выдающейся инновации. В 1952 г. Алестер Пилкингтон изобрел процесс изготовления так называемого флоат-стекла. Его получают, выливая расплавленную стекольную массу на слой расплавленного олова, чтобы стекло становилось ровным и не требовало последующей обработки. Процесс Пилкингтона позволял получать идеально чистое стекло с гораздо меньшими издержками по сравнению с традиционными способами [36]. Вскоре у многих новых городских зданий появились полностью застекленные фасады. Недавно построенный в Лондоне 310-метровый небоскреб, застекленный со всех сторон, выглядит как блестящее надкрылье жука [37].

Теперь стекло используется повсеместно: из него делают предметы и эстетически значимые, и утилитарные. Зеркала и окна доступны всем; мир словно покрыт прозрачными, отражающими свет поверхностями.

Сверкающие поверхности

На фотографии Хироси Сугимото «Урок музыки» показаны две восковые фигуры у клавесина. Над играющей женской фигурой висит зеркало в раме из черного дерева. Ее лицо отражается на фоне мраморного пола в шахматную клетку. В зеркале можно также увидеть нижнюю часть треноги фотоаппарата. Фотография по композиции напоминает картину Яна Вермеера с тем же названием [38]. На полотне, хотя и не совсем отчетливо, можно различить отражение в зеркале ноги и перекладины мольберта художника. Используя зеркало, и Вермеер, и Сугимото, указывая на присутствие художника, сознательно помещают себя рядом с персонажами. Зеркала обеспечивают альтернативный взгляд на изображаемую сцену, расширяя наши зрительные возможности и создавая ощущение реальности.

Может показаться даже, что изображение возникает благодаря зеркальной поверхности. В сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье» главная героиня развлекает себя тем, что притворяется, будто изображение в зеркале показывает происходящее в каком-то другом мире. Пройдя сквозь зеркало, она оставляет за собой реальный мир и входит в мир, который воображает. Джонатан Миллер, автор книги «Отражение» («On Reflection»), объясняет: «Помимо непосредственной чувственной привлекательности предметов, которые светятся, сияют, блестят, сверкают, мерцают и вспыхивают, отражения, как и тени, привлекают нас, помогая представить вещи, которые существуют иначе, чем видится в воображении» [39].

Самые первые зеркала удивляли и побуждали человека к самоанализу. Платон был первым западным мыслителем, размышлявшим об их феномене: «Можно взять зеркало и поворачивать его во всех направлениях: из ничего возникнут отражения солнца и звезд в небе, вас самого и других существ, предметов и растений и всех возможных объектов. Да, всего того, что есть в реальности, но не в зеркале» [40]. Платон был уверен: образ в зеркале – обманчивый и искаженный. Нарцисс спутал свое отражение в воде с реальностью и влюбился в него. Не способный оторвать взгляд от прекрасного существа, которое, как ему казалось, он видел за границей поверхности воды, он умер. Но, с другой стороны, Сократ утверждал: если юноша станет рассматривать себя в зеркале, он лучше себя поймет. Сегодня отражения в зеркалах дают ощущение благополучия. Немногие люди способны пройти мимо зеркала и не взглянуть туда. Интересно, на что была бы похожа жизнь без отраженных образов? Но стекло и зеркала сделали гораздо больше, чем просто изменили наше самовосприятие. Они также изменили и наш взгляд на самих себя во Вселенной.

«Если бы они видели то, что видим мы»

Летом 1609 г. Галилео Галилей, в то время живший в Венеции, услышал об устройстве, позволяющем «смотреть на удаленные предметы, будто они находятся вблизи» [41]. Прибор, о котором ему рассказывали, представлял собой трубку, на концах которой укреплены куски стекла с изогнутыми поверхностями. Галилео был заинтригован, но отнесся к новости осторожно: он знал, что стекла с изогнутыми поверхностями искажают изображение, а при объединении двух стекол искажение должно еще больше усилиться. Сам умелый мастер, Галилео купил стеклянные линзы у продавца очков и принялся конструировать телескоп. К концу лета первый экземпляр был готов. Он обеспечивал восьмикратное увеличение. Галилей продемонстрировал его венецианским законодателям и вызвал «безмерное удивление присутствовавших» [42]. Галилей рассматривал объекты, которые прежде не видел никто. Он нанес на карту неба сотни новых звезд и даже, к своему изумлению, разглядел горы на Луне и спутники Юпитера.

В то время считалось, что Земля находится в центре Вселенной. Круглые планеты и звезды вращаются вокруг центра в хрустальных сферах. Но представлениям о небесных сферах никак не соответствовали картины ночного неба, увиденные Галилеем. Более точные измерения орбит планет, проведенные с помощью телескопа, также не позволяли больше считать Землю центром. Наблюдения Галилея предоставили доказательства в поддержку новой модели Вселенной, предложенной Николаем Коперником в 1543 г. Центральное место во Вселенной занимает Солнце, утверждал Коперник [43]. Модель противоречила не только господствующей религиозной доктрине, но и обыденной логике: разве может Земля двигаться в пространстве без того, чтобы это движение не замечали люди на поверхности? [44].

Однако доказательства, представленные Галилеем, невозможно было проигнорировать. Впервые со времен Античности пространство ночного неба расширилось. А благодаря знаниям, полученным с помощью кремниевых линз телескопа, мыслители постепенно отказались от представлений о Вселенной, господствовавших со времен Аристотеля. «Если бы они видели то, что видим мы, – писал Галилей о живших до него астрономах, – они судили бы так же, как мы» [45].

Кремний позволил увидеть небесные просторы, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Людям постоянно хочется заглянуть все глубже и глубже во Вселенную. Изобретение Галилея дало импульс к созданию мощных телескопов. К середине XVII в. астрономы строили телескопы длиной в 50 метров: для управления ими требовалась сложная система опор и блоков. Увеличение длины телескопов – один из способов избежать размытости изображения, возникавшей вследствие кривизны поверхности линз [46]. В таких «телескопах-рефракторах» свет разных цветов, проходя через линзы, пропускался в разных количествах, что не позволяло получить четкое изображение. Исаак Ньютон справился с этой проблемой, создав «телескоп-рефлектор», в котором использовались не линзы, а зеркала. Они отражали каждую составляющую света одинаково, независимо от цвета, что делало изображение более четким. Ньютону телескоп служил еще одним доказательством того, что белый цвет состоит из семи цветов радуги.

Даже при использовании очень больших зеркал четкость изображения не пропадала. Чем больше зеркала, тем дальше позволял заглянуть телескоп. Живший в XVIII в. астроном Уильям Гершель довел использование этого принципа до крайних пределов [47]. Он сделал больше, чем кто-либо другой, для повышения мощности отражательных телескопов, сумел увидеть астрономические объекты за пределами Солнечной системы. «Великая цель, – писал он сэру Джозефу Бенксу, президенту Королевского научного общества, – увеличить то, что я назвал “силой проникновения в космос”» [48]. Шлифуя и полируя все более и более крупные зеркала, Гершель сумел в конце концов разглядеть, что некоторые мельчайшие световые точки на небе являются на самом деле распыленными объектами [49]. Некоторые из этих «туманностей», как было доказано позже, – это галактики, подобные Млечному Пути. С тех пор размеры отражательных телескопов значительно увеличились: в 1917 г. на горе Уилсон был установлен телескоп Хукера с зеркалом диаметром 2,5 метра, а в 1948 г. на горе Паломар – телескоп Хейла с зеркалом диаметром 5 метров. Сегодня телескопы с зеркалами диаметром более 10 метров, установленные на горных вершинах Канарских и Гавайских островов, позволяют с невиданной ранее точностью вести наблюдение за ночным небом.

Фотоны не только переносят информацию о соприродных им звездах, но переносят и энергию. Задолго до изобретения телескопов зеркала использовались, чтобы улавливать и фокусировать энергию света ближайшей к нам звезды – Солнца.

Солнечная энергия

В середине XVII в. Афанасий Кирхер, ученый-иезуит, установил пять зеркал, чтобы направить солнечный свет на мишень на расстоянии 30 метров. Температура воздуха около мишени была настолько высокой, что его помощник чувствовал себя рядом с ней крайне некомфортно. «Какого ужасного результата можно было бы добиться, – размышлял Кирхер, – использовав тысячу зеркал!» [50]. Кирхер, вероятно, был знаком с легендой об архимедовых зеркалах. В начале III в. до н.?э., когда римские корабли под командованием полководца Марцелла подошли к Сиракузам, Архимед велел находившимся на берегу солдатам разместить блестящие щиты таким образом, чтобы они направляли отраженные солнечные лучи на вражескую армаду. В результате концентрация тепла оказалась столь высока, что вражеские корабли загорелись. Действительно, хорошо зная геометрию, Архимед мог рассчитать, как сфокусировать лучи света и как нацелить метательные орудия, чтобы разрушить корабли противника до того, как они смогут подойти близко к берегу и высадить десант [51].

В книге «Pirotechnia», изданной в XVI в., Ванноччо Бирингуччо вспоминает о беседе с другом, изготовившим зеркало диаметром почти 70 сантиметров. Однажды, наблюдая за парадом войск в германском городе Ульме, этот человек стал развлекаться тем, что постоянно направлял отражаемый зеркалом солнечный свет на железные доспехи одного из солдат. В результате их температура повысилась настолько, «что стала почти невыносимой… а одежда под доспехами вспыхнула и сгорела, причинив ему ужасные страдания» [52].

В XVI в. Леонардо да Винчи придумал новое применение для солнечных лучей в мирных целях. Как всегда амбициозный, Леонардо намеревался изготовить вогнутое зеркало диаметром шесть километров, которое концентрировало бы солнечную энергию в точке главного фокуса, чтобы нагревать воду или плавить металлы [53]. Как и многие его изобретения, этот проект остался на бумаге. Лишь с наступлением промышленной революции в Великобритании появилась возможность изготавливать линзы и зеркала больших размеров, хотя и не таких, о каких мечтал Леонардо. В последние годы своей жизни Генри Бессемер построил солнечную печь для плавки металлов. Отражатель, установленный внутри башни высотой 10 метров, направлял солнечный свет на расположенное на крыше вогнутое зеркало площадью четыре квадратных метра. Зеркало направляло сфокусированный с помощью линзы поток света в нижнюю часть башни на тигель. Бессемеру удавалось плавить медь и испарять цинк, но в целом это весьма дорогое устройство оказалось не очень эффективным. Спустя несколько лет даже Бессемер «разочаровался в солнечной печи и отказался от ее использования» [54].

По другую сторону Атлантики, в Филадельфии, американский изобретатель Фрэнк Шуман обратил внимание на проблему концентрации солнечной энергии. На рубеже XX в., используя способность стекла удерживать тепло, он поднимал температуру воды в придуманном им «солнечном нагревательном резервуаре» почти до точки кипения, даже когда на земле лежал снег [55]. «Я уверен, что мое изобретение будет иметь успех во всех жарких странах, – писал он. – Оно принесло бы пользу и здесь в любой из солнечных дней, но сами знаете, какая у нас погода» [56]. В Египте, где погода более подходящая, его солнечные нагревательные резервуары нагревали воду для паровых машин, с помощью которых перекачивалась вода для орошения полей. Другой изобретатель, Обри Энеас, построил гигантские конические отражатели площадью в несколько квадратных метров, чтобы улавливать энергию солнца в таких солнечных штатах, как Калифорния и Аризона. Энеаса также воодушевили параболические вогнутые рефлекторы, изобретенные Джоном Эриксоном, американским инженером шведского происхождения, который построил броненосец Monitor во время Гражданской войны в Америке, а последние 20 лет жизни посвятил созданию устройств, использующих солнечную энергию. Бессемер и Эриксон, безусловные новаторы в производстве и применении железа, были озабочены тем, что запасы каменного угля для плавки железной руды и работы паровых машин постепенно истощаются, и поэтому искали альтернативные источники энергии. План Энеаса состоял в том, чтобы предоставить дешевый источник энергии жителям пустынь, не имеющим возможности закупать каменный уголь. Увеличив масштаб своих систем, оба изобретателя надеялись производить более дешевую солнечную энергию, но даже в этом случае системы ее концентрации не могли производить электричество, как на традиционных электростанциях. И здесь мало что изменилось и в наши дни. В Испании, на засушливых равнинах вблизи Фуэнтес де Андалусия, было установлено более 2500 зеркал площадью 120 квадратных метров, направляющих солнечный свет на башню в центре. Там расплавленная соль нагревается до температуры почти в 600 °С. Расплавленная соль может храниться в цистернах, пока не потребуется, чтобы привести в действие паровые турбины и выработать электричество. Но без значительных субсидий даже это современное предприятие неконкурентоспособно.

О солнечной энергии на время забыли и вспомнили о ней вскоре после Второй мировой войны, когда ученые из Белловских лабораторий в Нью-Йорке начали исследовать некоторые необычные свойства кремния. Исследования Джеральда Пирсона, Дэрила Чейпина и Калвина Фуллера привели в 1954 г. к созданию первого кремниевого фотоэлектрического элемента.

Фотоэлектрические элементы

Дэрил Чейпин получил задание от Белловских лабораторий разработать новый портативный источник электропитания для систем телефонной связи, предназначенных для работы в тропическом климате, где традиционные батареи из сухих гальванических элементов садятся очень быстро. Он начал исследовать в качестве возможных вариантов ветряные электрогенераторы, паровые двигатели и солнечную энергию. Вместо того чтобы улавливать энергию солнца с помощью зеркал и тепловых резервуаров, Чейпин решил исследовать возможность преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта.

Александр-Эдмон Беккерель, отец Анри Беккереля (прославившегося открытием радиации), обнаружил фотоэлектрический эффект в 1839 г. [57]. Беккерель помещал две латунные пластины в электропроводящий раствор и освещал его солнечным светом. Оказалось, что свет вызывает движение электрического тока в растворе между пластинами. Если можно использовать этот ток, значит, можно использовать и энергию солнца. Однако и через 100 лет ученые с помощью фотоэлементов могли уловить всего лишь одну двухсотую долю энергии Солнца.

Это не обеспечивало достаточной мощности для нужд Чейпина, и поэтому он занялся поиском вариантов. Слух об исследованиях Чейпина дошел до Джеральда Пирсона и Калвина Фуллера, также ученых из Белловских лабораторий, экспериментировавших с необычными электрическими свойствами кремниевых полупроводников. Они подумали: разрабатываемые новые материалы могли бы оказаться полезны для создания фотоэлектрических элементов. К всеобщему удивлению, идея не только оказалась правильной, но и позволила создать фотоэлектрический элемент, в пять раз превосходивший все существовавшие до сих пор [58].

В апреле 1954 г. Пирсон и Фуллер объявили о создании «Белловской солнечной батареи» и продемонстрировали журналистам, как она обеспечивает работу радиопередатчика. Новая батарея быстро доказала свою ценность в качестве надежного источника электропитания в тропических условиях. Однако настоящее признание солнечные батареи получили в 1958 г., будучи использованы в космической программе American Vanguard. В то время как химические батареи космического зонда быстро сели, солнечные батареи продолжали работать в течение нескольких лет полета. В космических аппаратах солнечные батареи получили первое широкое применение [59].

Даже сегодня солнечные батареи часто оказываются самым рентабельным средством генерирования энергии в удаленных областях, лишенных других источников энергии, поскольку позволяют избегать больших затрат на строительство линий электропередачи и подвозку топлива. Они могут монтироваться в виде изолированных энергетических установок. В 2001 г. я посетил Индонезию, чтобы познакомиться с тем, как BP реализует в сельском районе один из самых крупных на тот момент во всем мире проектов по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Небольшие панели из кремниевых фотоэлементов были установлены на 40?000 деревенских домов. Электрические насосы теперь использовались для полива полей, а электрическое освещение провели в дома, школы и медицинские учреждения. Солнечные батареи также положительно повлияли на образовательный процесс. Как я заметил, дети стали учиться не только днем, но и вечером.

В отличие от ископаемых видов топлива, рассредоточенных в недрах земли, солнце светит повсюду. В течение года от солнца на землю поступает больше энергии, чем может быть получено из всех месторождений каменного угля, нефти, природного газа и урана. Энергия, получаемая в течение одного дня, в 130?000 раз превышает общемировую потребность в электроэнергии. И при этом доля солнечной энергии в производстве электроэнергии составляет лишь десятые доли процента. Отчасти это обусловлено тем, что использование солнечной энергии печально знаменито низкой эффективностью. Слабый электрический ток возникает каждый раз, когда фотон поглощается кремниевым фотоэлементом. Это происходит потому, что в фотоэлементе энергия фотона передается электрону и его положительному антиподу, называемому «дыркой» [60]. Энергия фотона передается при поглощении, но в действительности поглощаются далеко не все фотоны. Чтобы произошло поглощение, фотон должен обладать достаточной энергией, а она есть лишь у малого процента фотонов. В результате даже в самых благоприятных лабораторных условиях солнечные фотоэлементы захватывают и преобразуют в электричество лишь 40?% падающего света. В фотоэлементах, используемых в обычных рабочих условиях, этот показатель составляет от 10 до 20?%. Это все равно делает их в несколько раз более эффективными, чем первые солнечные фотоэлементы, созданные в Белловских лабораториях в 1954 г. Улучшение, достигнутое в течение всего 60 лет, удивительно: ведь за миллиарды лет эволюции растения, преобразующие свет в энергию с помощью фотосинтеза, достигли эффективности преобразования всего в 3?%.

Однако самое большое препятствие к успеху солнечных фотоэлементов имеет не техническую, а экономическую природу: солнечные батареи производят дорогую электроэнергию, потому что их изготовление стоит больших денег. Ситуация начала улучшаться, по мере того как стали появляться новые технологии изготовления фотоэлементов. Стоимость производства также быстро пошла вниз во многом благодаря экономии от эффекта масштаба, достигаемой китайскими производителями на растущем китайском рынке. Несмотря на это, электричество, полученное с помощью солнечных фотоэлементов, не сравнялось по цене с сетевым. Ведь только в этом случае фотоэлементы смогут конкурировать с невозобновляемыми источниками энергии. Но этот момент становится все ближе. Производится все больше солнечных фотоэлементов, и они продолжают дешеветь; в 2011 г. производственные мощности предприятий, изготавливающих солнечные фотоэлементы, увеличились почти на 75?%, при том что средний рост в этой отрасли за последнее десятилетие составлял 45?%. Продолжающееся развитие будет иметь важное значение для перехода к экономике, использующей меньше энергии углерода [61].

Когда в 1954 г. появилось сообщение об изобретении в Белловских лабораториях кремниевых солнечных фотоэлементов, New York Times написала: это событие ознаменовало «начало новой эры, которая в итоге позволит реализовать давнюю мечту человечества об использовании практически неограниченной энергии солнца на благо цивилизации» [62]. Эта мечта может стать реальностью, и человечество сумеет избавиться от эмиссии парниковых газов. Но предстоит пройти еще долгий путь, прежде чем масштаб использования солнечной энергии станет сопоставим с масштабом использования энергии ископаемых видов топлива или атомного ядра. Однако из всех возобновляемых источников энергии оно выглядит на сегодня самым перспективным.

Компьютеры

Анкоридж, Аляска, 1970 г.: красные лампочки отчаянно мигают на панели управления. Только что сломалось устройство памяти компьютера на магнитных сердечниках. В те времена такая поломка была чисто механической: вращающиеся диски начинали цепляться друг за друга и в конце концов останавливались. Постоянные перезапуски компьютера делали выполнение даже простейшей программы крайне трудным. Мне предстояла долгая непростая ночь жесточайшего цейтнота. Я работал на первой инженерной должности в British Petroleum. Благодаря знаниям, полученным в Кембриджском университете, я был в те дни одним из немногих, знавших, как облегчить решение инженерных задач с помощью компьютера. Мой босс собирался на встречу с очень влиятельными людьми из нескольких еще более влиятельных американских нефтяных компаний. Они намеревались обсудить перспективы совместного освоения гигантского нефтяного месторождения Прюдо Бэй. Он хотел, чтобы я нашел ответ на некий важный вопрос и чтобы он, представлявший в то время довольно небольшую компанию, сумел произвести впечатление своей технической подготовленностью на другие, более крупные компании.

Непростая задача. Компании имели договоры аренды на разные участки земли на поверхности месторождения. Таким образом, то, чем владела каждая компания, в значительной мере зависело от распределения нефти на этой территории, очень, как оказалось, неравномерного. Во время раннего завтрака после бессонной ночи мне в голову неожиданно пришло нужное решение, и я отправился в офис. Да, работа по ночам иногда приносит пользу.

Я искал решение в единственном в Анкоридже «компьютерном бюро», которое возглавлял выпускник Стэнфордского университета Миллет Келлер. Здесь имелся всего один компьютер, IBM 1130 – последнее слово вычислительной техники на тот момент. Весь день Миллет писал коммерческие программы на языке программирования COBOL, предназначенные для составления отчетов местными банками. По ночам я получал возможность отлаживать собственные программы, написанные на языке FORTRAN. Этим языком программирования пользовались тогда многие ученые и инженеры. Благодаря использованию передовой техники IBM, выполнявшей 120?000 операций сложения в секунду, я мог моделировать состояние принадлежащих British Petroleum нефтяных месторождений на Аляске для облегчения их промышленной эксплуатации [63]. BP всегда была одним из лидеров в использовании компьютерных технологий. В начале XX в. она разработала программы для расчета наиболее экономичных маршрутов движения нефтяных танкеров. Но изобретение IBM 1130 предоставляло совершенно новые возможности для обработки информации в нефтяной отрасли. Будучи по образованию геофизиком, Миллет интересовался выполняемой мною работой и часто оставался со мной по вечерам, наблюдая за поведением компьютера или вводя в него перфокарты с изменениями в программе.

IBM 1130 был первым компьютером, с которым мне пришлось иметь дело по окончании Кембриджского университета. Он был менее мощным, чем установленный в университете Titan, но более компактным, дешевым и удобным. Titan занимал целую комнату и требовал для обслуживания целую команду лаборантов. IBM пыталась сделать компьютерные технологии более удобными для самых разных отраслей, в которых выполнение сложных расчетов становилось все более необходимым.

Сегодня разведка месторождений и бурение скважин без предварительных компьютерных расчетов кажутся немыслимыми. К тому времени, когда BP вела добычу нефти на месторождении Тандер Хорс, на котором одноименная нефтяная платформа едва не затонула в 2005 г. под ударами урагана «Деннис», уже использовались сейсмические и иные данные для построения трехмерных моделей месторождений глубиной в несколько километров [64]. Необходимая для этого обработка больших массивов информации стала возможна благодаря стремительному росту мощности компьютеров за минувшие 60 лет. А основу технологии обеспечил транзистор – крошечное устройство из кремния.

Кремниевый транзистор

В конце 1940-х гг. Уильям Шокли и его команда из состава группы, занимавшейся в Белловских лабораториях физикой твердого тела, изучала необычные электрические свойства группы полупроводников. В телефонных сетях компании Bell по-прежнему использовались механические коммутаторы, а усиление сигналов обеспечивали вакуумные лампы [65]. Техника была ненадежной и действовала медленно, и поэтому директор по научным исследованиям получил задание разработать альтернативу. Шокли полагал: решение могут дать полупроводники, на основе которых он надеялся создать новые коммутаторы и усилители [66]. Хотя теоретическая база выглядела безупречно, практические результаты оставляли желать лучшего. Его коллега Джон Бардин, блестящий физик-теоретик, также обратился к этой проблеме. Он догадался, что электроны удерживаются на поверхности полупроводника, а это, в свою очередь, останавливает движение электрического тока через устройство [67]. Вместе с Уолтером Бреттеном, чьи умелые руки служили прекрасным дополнением к мозгам Бардина, он сумел справиться с проблемой удержания электронов и, таким образом, перевел идею Шокли в практическую плоскость, что и обеспечило создание первого в мире транзистора [68].

Данный текст является ознакомительным фрагментом.