Вещество от дьявола
Еще в Китае задались вопросом, как сделать так, чтобы огонь горел без доступа кислорода. Если говорить научным языком, то порох — это многокомпонентная твёрдая система, способная к закономерному горению параллельными слоями без внешнего окислителя и ТРТ (твердое ракетное топливо — «Хайтек»), с выделением значительного количества энергии и газообразных продуктов. С одного квадратного метра пороха выделяется 60 МВт энергии. Это можно сравнить с газовой турбиной, которая вырабатывает аналогичную энергию за целый месяц. Порох взрывается, если его больше чем нужно, и выделяет очень большое количество энергии.
Изначально порох называли дистиллятом дьявола. Люди не знали, почему он горит, и приписывали это сатане и различным дьявольским явлениям. А еще в составе черного пороха есть сера — элемент дьявола, как тогда считали. Помимо того, что порох черный, лица у исследователей пороха всегда были в копоти. Они считались мистическими личностями, которые прикоснулись к чему-то неизвестному. Сегодня черный порох можно купить в охотничьих магазинах, если у вас есть охотничий билет — его используют для охоты на птиц или крупную дичь. Если открыть любую пулю, увидим зерна пороха.
В Китае черный порох создавался из самых доступных компонентов на тот момент — серы, древесного угля и селитры. Очень долго, в IX–X веках, китайцы не понимали, что делать с порохом, и катализатором этого процесса стал даосизм — религия дао. Они отнесли каждый компонент к инь и янь. Инь — это селитра, которая обладает негативными лунными качествами, а янь — сера, которая обладает позитивными земными свойствами. Китайские алхимики овладели тремя вещами из религии дао: наблюдение, эксперимент и очистка селитры. Благодаря этому они достигли успеха в пороходелии. Еще они приписывали пороху свойства бессмертия и искали элементы, чтобы продлить жизнь или жить вечно. В Европе алхимики были более меркантильными и искали элемент, чтобы превратить его в золото. В древнем Китае основное применение пороха — пороховые ракеты. Они научились делать десятки тысяч таких стрел в год и успешно применяли их при расширении своих земель и обороне. Естественно, не всегда эксперименты были успешными, часто происходили взрывы и неудачи, но китайцы их стойко преодолевали, пока один из императоров не устроил монополию на порох. Он запретил покупать что-либо из других стран и запретил продавать селитру и серу. Китайцы стали единственными пользователями пороха и покоряли все близлежащие страны в то время, пока на мировой арене в то время не появился Чингисхан. Сначала он пошел на запад, завоевывал Русь и другие государства, а затем обратил свой взор на восток. Сходу у него не получилось завоевать Китай, потому что у него не было пороха. Затем его дети и внуки овладели этим искусством и пошли на Китай с новыми силами и смогли отвоевать кусочек территории.
Порох — как основа европейской цивилизации
Путь пороха в Европу был тернистым, и никто толком не понимает, как он туда попал. Скорее всего, при помощи торговли — Марко Поло и другие торговцы ездили в Индию и Персию и обменивали шелка и другие богатства на порох. Первая дата, связанная с порохом, появляется в европейских летописях в 1267 году. Первое применение датировалось 1300 годом. 1331 год — первая формула пороха. Пионерами пороходелия в Европе считаются два человека — Бертольд Шварц и Роджер Бекон. Неизвестно, точно ли существовал Шварц или это всего лишь собирательный образ ученого. Шварц по-немецки означает «черный», и он как раз работал с черным порохом. Его считали чернокнижником и черным магом. Бекон же был революционером в науке в то время, описал первые виды пороха, придумал им формулу и различные комбинации. Благодаря этому начало пороходелию было положено именно в Англии. Король Эдвард III, обладая большими запасами пороха, начал применять его в различных битвах, в частности, в битве при Креси в рамках Столетней войны.
Никакого особого урона порох не наносил, однако звуки и запахи пугали людей, они бросали города и убегали. Революционеркой и первопроходцем в военном деле от Франции была Жанна д’Арк. Она недолго прожила, но обладала уникальным умением фантастического стратега — знала как расположить пушки, расставить орудия и куда их направить. На инстинктивном уровне обладала внутренней баллистикой. Как сейчас дети быстро осваивают гаджеты, так же быстро освоила пороходелие и д’Арк. После прорыва Жанны д’Арк французы начали отвоевывать свои земли назад. При правлении короля Карла VI была основана первая артиллерийская организация, ее основали два брата Бюро. Они выяснили очень много различных вещей, которые сейчас кажутся обыденными — например, что порох нельзя хранить на открытом воздухе и подвергать воздействиям окружающей среды и влаги. Когда Карл узнал об этом, то Франция совершила технологический прорыв. Их пушки наносили достаточно много повреждений тем же англичанам. Изначально пушки имели достаточно простую конструкцию, но позже они становились все больше и больше. В Германии придумали пушку — Брауншвейгскую Метту, которая весила 8,7 тонн и содержала металла в ядре почти на полтонны. Но стреляла такая пушка всего 12 раз, в этом и была проблема старых образцов, они были очень ненадежны, и порох подбирали чаще всего на глаз.
Первый теоретический трактат по артиллерии и пиротехнике датируется 1540 годом — итальянские самоучки собрали весь материал воедино и издали книгу. Помимо этого появилась необходимость минимизировать пушки, чтобы не брать по 700 человек с собой, а чтобы каждому из них дать маленькую пушку. Так начали делать стрелковое вооружение. Первым оружием этого класса стали аркебузы — у них был фитиль, который необходимо было поджигать, чтобы воспламенить порох. Появились мушкетеры, их прозвали так, потому что они таскали с собой мушкеты, которые весили порядка 30 кг каждый. Во Франции делали не только оружие, но и маленькие бомбочки, которые они прозвали петардами, что по-французски означало «вонючки», потому что при взрыве был очень неприятный запах серы. Конечно, все эти виды оружия были не очень удобны, потому что там был фитиль, который надо было вымачивать в специальной среде, чтобы он горел, и не позволять ему высыхать. На помощь пришел Леонардо да Винчи. Он придумал прообраз кремневого замка, который позволил избавиться от фитиля и вооружение пошло в массы. В 1515 году задокументирован первый несчастный случай при обращении с оружием. Мушкетер пришел в бордель и решил показать свой мушкет куртизанке и нечаянно выстрелил и прострелил ей подбородок. В то время порох начал становиться дорогим удовольствием, один выстрел был равен содержанию трех солдат. Естественно, это был удел богатых. Мелкие дворяне не могли себе этого позволить, и это привело к росту налогов. Если до XV века во главе угла стояли рыцари, то порох, благодаря возможности стрелять издалека, по сути убил рыцарство. Помимо королей порох любили и папы римские. Каждый папа считал, что нужно сделать пушку больше, чем у другого. Пушки они называли в честь матерей, сыновей и дочерей. Все верили, что пороху нужно придумать какую-то святую, и появилась святая Варвара, которая является покровительницей пороха.
В XVI–XVII веках начали развиваться морские путешествия, и встал вопрос, что лучше с собой вести — армию солдат или несколько пушек. Они подумали, что порох не нужно кормить, он не болеет и не бунтует. Так порох стал двигателем морских путешествий и завоеваний.
Япония одна из немногих стран, где не было пороходелия. Но там были очень жесткие традиции. Если у всех XVI век — это развитие пороходелия тоннами в год, то в Японии, наоборот, закончили выпускать порох и вернулись к своим сюрикенам и мечам.
Когда Колумб, Магеллан и прочие приплыли в Америку, они увидели, что у местных индейцев нет пороха, и они даже не знают, что это такое. Они их научили, привезли эти тонны пороха, и потом индейцы, научившись всему этому, начали формировать свои государства. Следующий континент, который надо было осовременить — это Африка. Порох занял третье место по экспорту туда, хотя это всячески запрещали и закрывали, но контрабанда — сильная вещь. В Европе в какой-то момент развитие застопорилось, и несмотря на то, что пушки стреляли, корабли плавали, ученые ломали голову, что все как-то не так, и нужен прорыв.
Первые теории и научная база пороходелия
В XVII веке Роберт Гук сформулировал первую осознанную теорию горения, в которой он отказывался от того, что огонь — это что-то магическое. Он говорил, что огонь — не элемент, а процесс. Кристиан Гюйгенс придумал пороховой двигатель. И даже сделал несколько опытных образцов, однако не нашел их развития. Тем не менее пороховой двигатель стал прообразом того, что установлен в автомобилях. В Англии начали выдавать королевские патенты на изготовление пороха, и теперь его нельзя было просто начать делать во дворе. По такому королевскому патенту изготавливали 250 тонн в год. 1627 годом датируется первое мирное применение пороха. В Италии он был использован для прорыва каналов и дробления породы.
Террористы в Англии решили сыграть по-крупному и взорвать весь парламент. Это был так называемый пороховой заговор. Примерно 36 бочонков пороха, каждый по 50 кг веса, заложили под парламент, этого хватило бы чтобы пять раз взорвать парламент. Человек под именем Гай Фокс не был инициатором или вожаком этого заговора, но был единственным, кто умел обращаться с порохом, и его почетной миссией было поджечь те самые бочки. Однако заговорщиков сдали и Гая Фокса поймали практически с факелом перед бочонками, арестовали, а позже прилюдно повесили. Однако он стал символом восстания и оппозиции. По статистике, самое сжигаемое чучело в мире — именно Гая Фокса.
Английский ученый Бенджамин Роббинс придумал баллистический маятник и в середине XVII века научился определять скорость пули. Так начали понимать, сколько нужно насыпать пороха, чтобы пуля полетела с нужной скоростью. Но главный толчок развитию именного черного пороха дал Антуан Лоран Лавуазье. Французский король поставил его во главу артиллерийского бюро и дал ему задачу за два года реформировать пороходелие во Франции. Лавуазье объявил конкурс на лучшие идеи в пороходелии и решил эту задачу за год. Фирма Дюпонт начала свое шествие в мире химии именно с производства черного пороха. А уже потом появились бикфордовы шнуры — средство воспламенения на дальнем расстоянии. В 1845 году они производили порох объемом 5 млн тонн в год.
К XIX веку парадигма знаний накопилась настолько, что кто-то должен был свергнуть черный порох с пьедестала. Химик Шон Бейн открыл нитроцеллюлозу. Он химичил у себя в лаборатории и разлил очередную смесь. Его жена вытерла пятно полотенцем, которое потом взяло и сгорело на открытом солнце. Он начал думать, в чем же дело, и понял, что это не просто целлюлоза. Она пронитровалась за это время. Нитроцеллюлоза может растворяться не только в ацетоне, но и в спирте. Если подобрать нитроцеллюлозу таким образом, чтобы в спирте она не растворялась, а набухала, можно получить пироксилиновые пороха. В 1846 году итальянский химик Асканио Собреро придумал такое соединение как нитроглицерин. Если его использовать в больших количествах, это достаточно опасное вещество, но крайне неустойчивое и может сдетонировать. Его нельзя перемешивать разными металлическими лопатками, а только стеклом. В малых дозах это лекарство. Альфред Нобель сколотил свое состояние на нитроглицерине. Он создал кучу заводов производящих нитроглицерин. Они принесли ему богатство и известность, но отобрали жизни его отца и брата, которые взорвались на производстве. До сих пор в Швеции на нитроглицериновых заводах можно работать технологом только семь лет, а затем тебя либо увольняют, либо переводят на более высоко стоящую должность. Нобель придумал соединить нитроглицерин с кизельгуром, это такое пористое вещество, и получил тем самым динамит. Динамит стал второй статьей его дохода. Его состояние легло в основу нобелевской премии, процент с его состояния — призовой фонд до сих пор. Нитроглицерин не только унес жизнь членов его семьи, но и спас жизнь ему: у него были проблемы со здоровьем и его лечили нитроглицерином.
Кратко про Русь
Дмитрий Донской первый, кто использовал порох. Он отбивался от хана Тохтамыша и применял бочки с порохом в качестве обороны. Иван Грозный копил очень много пороховых бочек, которые были и под Москвой, и под Казанью, и один из Московских пожаров в 1583 году был из-за того, что очень много пороха неаккуратно хранили. Всем известная Царь-пушка до сих пор находится в Книге рекордов Гиннеса, как пушка, стрелявшая самым большим калибром. Петр Первый не зря ездил в Европу, подсмотрел все самое лучшее и открыл в Питере крупнейший на тот момент Охтинский пороховой завод, который делал 1000 тонн пороха в год. В конце XIX века открыли крупнейший на данный момент Казанский пороховой завод. Менделеев тоже сделал кое-что для пороха. К нему обратился царь и попросил сделать хороший порох. Менделеев изучал, ездил во Францию, ученые его везде пускали и все показывали, и он придумал пироколлодийный порох. Однако его изобретение не нашло применения в России. Американцы до сих пор производят порох по его технологии. Александр Бакаев придумал баллистическую технологию в России, был награжден множеством орденов, был дважды репрессирован и дважды освобожден. Благодаря его технологии были созданы «Катюши», которые во многом принесли победу в Великой Отечественной войне и Второй Мировой войне. Также он придумал стабилизаторы для пороха.
В 50-х годах ХХ века создали смесевые твердые топлива, отошли от природных полимеров и перешли к синтетическим. Тот самый окислитель, который в составе пороха может быть неорганическим. Что общего у топлива и булочек? Проведем аналогию. Ни одна булочка не обходится без муки, в порохе мукой являются окислители. Это основа, из которой состоит порох. Если просто налить воды в муку ничего не произойдет, нужно как-то скрепить и придать форму тесту, на кухне это яйца, в нашем деле это пластификаторы, любому полимеру они нужны. В порохе он нужен для того, чтобы придать ему форму. Нужны стабилизаторы. Для булочки — это сода, для нас — более сложные соединения. Все же любят послаще и покалорийнее? Порох тоже бывает высококалорийным, от которого разносит в буквальном смысле. На кухне мы добавим сахар, на заводе мы добавляем металлы или взрывчатые вещества. Они, кстати, многие белого или коричневого цвета. Все это смешивается в смесителях, прямо как миксером на кухне. После того, как мы все смешали, нужно как-то придать этому форму. На кухне у нас есть скалка, на заводе — вальц-машины, получается пороховое полотно, которое дальше отправляется в шнек-машину. На кухне у нас это мясорубка. Все это мы применяем, для того чтобы изготавливать топливо различного назначения.
Одна из важнейших характеристик, зачем мы все это делаем — скорость горения. Чтобы ракеты летали дальше, мы добавляем различные катализаторы горения. Подбирая катализаторы мы можем регулировать скорость горения так, как нам это необходимо. Однако просто катализаторы сами по себе малоэффективны, но есть один секрет, как увеличить скорость горения, за него иностранцы готовы отдать кучу денег – это сажа, т.е технический углерод.
Существует сто способов применить порох в мирных целях. Один из примеров — использование пороха в системах аварийного спасения космонавтов. В ракетах типа «Союз», если пошло что-то не так, отстреливается капсула при помощи пороха, и космонавт спасен. Следующее не самое известное — магнитогидродинамические генераторы. Они проецируют очень много энергии. Их используют для сейсмо- и геологической разведки, поиска полезных ископаемых. Противоградовые ракеты имеют абсолютно неявное применение. Они используются в сельском хозяйстве, когда часто выпадает град и уничтожает урожай. Чтобы этого не было, пускают ракеты. Кстати, они — картонные, и их можно перенести легко в руках. Эти ракеты запускают вверх, в облаках они взрываются и образуется куча атомов йода, благодаря чему град падает где-нибудь в лесу, где не представляет опасности. Используется в импульсном пожаротушении, когда где-то происходит пожар, импульс передается на установку и вылетает состав, аэрозоль за 10 секунд полностью покрывает очаг возгорания и через 20 секунд горение полностью отсутствует.
Следующее очень важное направление — интенсификация нефти. Топливная шашка опускается в газогенераторе на глубину скважины и сгорает. Там образуется множество кислот, они растворяют пласт и тем самым нефть снова приходит в скважину. Еще несколько применений пороха — это пороховые домкраты, если нужно поднять что-то очень тяжелое, это подушки безопасности, где используют пороховые шашки. Еще есть пороховые тормоза, которые сокращают путь грузового поезда с 3 км до 900 м. Ну и самое красочное применение пороха — пиротехника. Она бывает различных цветов, комбинируя соли металлов можно получая уникальные цвета.