Несвоевременная технология подземных лодок и геоходов
«Прекрасная эпоха» — это условное название периода в истории Европы, продлившегося от 1871 до 1914 года, то есть, от окончания франко-прусской войны до начала первой мировой войны. На Хабре этот период обычно затрагивается вскользь как эпоха невиданно плотного и быстрого технологического прогресса. Мне же особенно интересен небывалый полёт транспортных фантазий того времени. Вслед за всем известными автомобилями (1887), дирижаблями (1884), трактором (1896), самолётом (1903) экзотический транспорт наводнял фантастическую литературу. В частности, речь о машине времени Уэллса (1888) и об этеронефе Богданова (1908), фактически, представляющем собой космический корабль.
Удивительным образом на Хабре оказалась не рассмотрена ещё одна категория ретрофутуристических машин — подземных кораблей или лодок, которые проектировались на протяжении большей части XX века, преимущественно в США, СССР и Российской Федерации. Под катом — обзор этих проектов и их возможные перспективы.
Фантазии о подземных лодках существовали на протяжении большей части XIX века и позднее. Концептуально такая машина представлялась как развитие конструкции проходческого щита, впервые применённого Марком Брюнелем в 1825 году при прокладке первых тоннелей для проектировавшегося тогда лондонского метрополитена. В сущности, проходческий щит является не транспортной, а инженерной машиной. Он предохраняет выработку от обрушения, имеет длину до 80 метров, весит 150 тонн и позволяет удлинять тоннель примерно на 10 сантиметров в час.
В фантастической литературе гораздо более быстроходные машины такого рода появились в конце XIX века, на пару десятилетий позже, чем Жюль Верн описал подводную лодку в романе «Двадцать тысяч лье под водой» (1869) и путешествие к центру Земли в одноимённом романе (1864). В частности, подземный корабль фигурирует в романе «Подземный огонь» (1883) год. Подробнее о фантастических машинах такого рода рассказано в замечательной обзорной статье «Приближаясь к ядру», опубликованной в журнале «Мир фантастики» в 2006 году.
За пределами литературной фантастики обтекаемая подземная машина, названная по аналогии с «субмариной» словом «субтеррена» рассматривалась в основном как проект военного назначения. Предполагалось, что это должна быть разведывательная или диверсионная машина с небольшим экипажем, которая передвигалась бы в грунте не глубже, чем проходческий щит, причём, могла бы действовать как под землёй, так и под водой. В XIX веке были ещё довольно скудны знания о сопротивлении и прочности материалов, о реологических свойствах грунта, а также о механизмах и топливе (источнике энергии), которые могли бы обеспечить движение такой машины. Тем не менее, первый относительно реалистичный чертёж был предоставлен неким Петром Рассказовым, опубликовавшим его в английском журнале; сам проект назывался «механический крот».
Следы самого Рассказова теряются в 1918 году, возможно, он даже был убит немецким агентом, заполучившим его документацию. В СССР к идее подземной лодки вернулись в конце 1930-х, новую конструкцию такого рода предложил Александр Требелёв, о машине которого рассказано, например, здесь.
Конструкция Требелёва была самой настоящей бионической разработкой, работавшей по принципу крота. Инженер изучил, каким образом крот роет ходы в почве, как подземный образ жизни отражается на комплекции зверька, а также собрал рабочий прототип машины длиной 50 сантиметров.
Подземная лодка Требелёва предназначалась для мирных геологоразведочных работ, поэтому не бронировалась, не оснащалась оружием и не маскировалась. Корпус имел форму капсулы, спереди неё располагался бур. На внешней части корпуса предполагалось сделать широкие желоба, через которые было бы легче отводить грунт. Также машина имела ходовой винт, а работала на электрической энергии, которую можно было подавать как от аккумуляторов, так и через кабель с земли. Скорость движения машины Требелёва могла составлять до 10 метров в минуту.
Этот проект оказался нежизнеспособен (как и подобные ему немецкие и американские разработки, например, германская подземно-подводная машина «Змей Мидгарда») по ряду причин. В частности, машины могли бы перемещаться только в неглубоких рыхлых породах, а также не могли бы оставаться незамеченными, поскольку оставляли бы после себя кучи выработанного грунта, подобные огромным кротовинам. Работа двигателя сопровождалась бы сильным шумом и вибрацией, а маневренность аппарата оставалась бы минимальной. Уже к началу 1950-х стало очевидно, что подземные корабли, которые развивались бы по принципу «конвергентной эволюции» бок о бок с подводными лодками попросту нереализуемы. Субтеррена должна была бы не копать, а плавить себе путь и по принципу передвижения быть не столько «подземной субмариной», сколько подземной ракетой или подземной торпедой.
В 1970–1997 годах, когда шла активная разработка Кольской сверхглубокой скважины, было уточнено, что уже на глубине от полутора до двух километров показатели давления и температуры не допускают работы каких-либо неавтономных машин с прочностными показателями, близкими к приемлемым на поверхности.
Таким образом, субтеррена может представлять собой цилиндрическую машину длиной от десятков до сотен метров, впереди оснащённую плавящей и буровой установкой. Машина могла бы двигаться на гусеничном ходу, либо оставляя за собой пройденные тоннели, покрывающиеся изнутри застывающей коркой стеклопеска (этот процесс также называется «витрификация»), либо сразу засыпая их обломками и крошкой отработанной породы. Продолжая бионическую аналогию, такая машина в большей степени походила бы не на крота, а на медведку; прочный корпус машины можно сравнить с хитиновым панцирем этого подземного сверчка.
Субтеррена принципиально отличается от проходческого щита не только скоростью, но и мобильностью, и автономностью. Из применяемых ныне источников энергии такой машине, вероятно, подошёл бы только ядерный реактор, но теоретически она могла бы использовать и геотермальную энергию, о чём будет упомянуто ниже.
Подземная лодка могла бы прорезать скальные породы лишь при одновременном применении высокой температуры и очень высокого давления. По расчётам, проведённым к началу 1970-х, температура бура должна составлять 1300–1800 °C. При этом для размягчения породы по ходу движения машины должен был бы подаваться расплавленный литий, доводимый почти до точки кипения, то есть, до температуры свыше 1200 °C. В течение всей последней четверти прошлого века не ослабевал интерес к проектированию ядерных и ракетоподобных субтеррен. Давайте остановимся на них подробнее.
Ядерные субтеррены
Патенты на такую технику преимущественно подавались в США в 1970-е годы, но первая модель подземной лодки на ядерном ходу, по-видимому, была придумана в 1959 году учёным-ядерщиком Робертом Поттером. В начале 1950-х Поттер, будучи сотрудником ядерной лаборатории в Лос-Аламосе, участвовал в проектах по разработке вольфрамового и графитового ядерного реактора, а также в программе Dumbo по созданию ядерных космических ракет. Именно тогда Роберт Поттер заинтересовался высокотемпературными свойствами и буровым потенциалом вольфрама, задумавшись на основе уже сделанных наработок, можно ли при помощи вольфрамового сверла проделывать устойчивые туннели в толще базальта. Он даже предложил два варианта буровой части для описываемой машины — чтобы продвигаться через мягкие и твёрдые породы.
Машина для перемещения в песчаных или осадочных породах
Машина для продвижения в граните или базальте
Обратите внимание: на верхнем чертеже наконечники буровой установки называются «cutters» (резаки), а на нижнем — «penetrators» (пенетраторы, «проникатели»). Поттер предполагал, что раскалённый добела вольфрамовый наконечник при тщательно контролируемом нажиме мог бы просто разбрызгивать расплавленную породу. В патенте, поданном 8 января 1971 года (Роберт Поттер указан среди соавторов) указано, что для питания машины потребуется небольшой ядерный реактор. Для охлаждения такого реактора предполагалось использовать не воду (как в стационарном реакторе на АЭС), а расплавленные соли лития. Расплав поступает в теплообменник и далее к буру, который разогревается более чем до 2000 °C (температура плавления вольфрама составляет 3 422 °C).
При движении субтеррены окружающие породы должны были не только плавиться, но и сильно трескаться, однако специальные борозды и каналы, идущие от бура, позволяли бы заделывать эти трещины расплавленной породой, одновременно убирая её с пути и укрепляя тоннель. По мнению авторов патента, такие машины могли бы работать на глубине от 10 до 15 километров и позволяли бы не только искать залежи тяжёлых металлов, но и строить подземную инфраструктуру, а также разведывать и использовать геотермальные скважины.
В 1975 году был подан и другой патент, в котором была описана «машина для прокладки больших туннелей в мягких грунтах или влажных глинистых неуплотнённых пластах». Далее в этом патенте указано, что описываемая машина предназначена для выкапывания тоннелей 12 метров и более в диаметре. Предполагалось, что машина будет выстилать тоннель плотным стекловидным покрытием, а отработанная порода в основном будет передаваться по конвейеру в «кильватер» такой «лодки», то есть, оставаться позади неё.
Реалистичность и возможное применение подземных кораблей
К началу XXI века очевидно, что перспективы подземных судов оценивались чрезмерно оптимистично. Идея применять в качестве двигателя таких машин ядерный реактор (даже если вынести за скобки радиационную защиту экипажа) в целом логична и в итоге была воплощена при создании атомных подводных лодок, но достаточно компактного ядерного реактора с иным охладителем кроме воды пока не существует. Что касается самого процесса бурения, подземная лодка даже выигрывает у обычной буровой установки, поскольку буровая установка может проделывать только шахты и тоннели строго цилиндрической формы, а субтеррена (в особенности — состоящая из набора самостоятельных модулей и обладающая некоторой гибкостью) могла бы создавать подземные пустоты практически любой формы. Форма тоннеля во многом определялась бы формой и расположением пенетраторов. Учитывая, что такая машина даже в ходе обычной эксплуатации создавала бы множество трещин и каверн, в них было бы удобно запечатывать токсичные отходы или, например, отработанные топливные элементы.
В прошлом десятилетии в России силами Томского политехнического университета разрабатывается геоход — машина, по многим характеристикам близкая к описанным выше подземным лодкам. В интервью, которое в 2016 году дал журналу «Добывающая промышленность» Андрей Ефременков, один из руководителей этого проекта, геоход описан как автономная машина, предназначенная для винтового бурения разнонаправленных (в том числе, вертикальных) тоннелей в различных твёрдых средах. Возможно, именно в условиях вечной мерзлоты и сравнительно непрочных пород такая машина могла бы найти применение, в частности, как поисковая и спасательная, используемая в случае обрушения и подтопления шахт. Диаметр тоннелей, которые мог бы проделывать томский геоход, согласно этому источнику, составляла бы 3,2 метра, и работал бы он в разы быстрее проходческого щита. Тем не менее, у такого геохода нет никакой атомной составляющей, и он позиционировался как дистанционно управляемый робот, а не как пилотируемое транспортное средство.
Тем не менее, в условиях растущего дефицита энергии подземная лодка (геоход) неожиданно приобретает актуальность как средство для доступа к пока практически не распечатанным запасам геотермальной энергии. Аппарат, подобный геоходу, мог бы добираться до настолько глубоких горизонтов, где горные породы постоянно разогреты мантийным теплом. Геотермальная электростанция в таком случае сооружается как два параллельных вертикальных тоннеля, которые внизу соединены обширной полостью (на следующем рисунке не указана).
Холодная вода (или другой теплоноситель), подаваемая в одну скважину, доходит до полости, проложенной геоходом, превращается в пар, пар поднимается по соседней скважине, крутит турбину и вырабатывает электроэнергию. В настоящее время в мире уже работает несколько десятков геотермальных электростанций, но пока такие сооружения возможно строить только в районах, где разогретые породы доходят почти до поверхности земли. Многие из таких станций находятся в сейсмоопасных и труднодоступных районах, но с появлением геоходной прокладки тоннелей такой источник энергии мог бы стать гораздо доступнее.
Наконец, технология подземных буровых кораблей наверняка пригодится людям при освоении Марса и других планет, где придётся располагать постоянно обитаемые базы глубоко в толще пород или в пещерах, как для доступа к воде, так и для защиты от ионизирующего излучения и перепадов температур на поверхности планеты. Обсуждение этой сугубо научно-фантастической темы я, пожалуй, вынесу в комментарии.
