2. ЗАВОЕВАНИЕ ХОЛОДА
Гниение

«Если вам станет легче, у меня две инженерные степени, и я изучал термодинамику у одного из ведущих ученых в этой области», – говорит Кип Брэдфорд. «Я мог сделать тонну отличных математических вычислений, но не имел ни малейшего представления о том, как работает холодильник».

Брэдфорд – инженер и соучредитель стартапа по производству систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Хотя его интерес заключается в изобретении будущего охлаждения, после того как я признался в собственном невежестве, он пригласил меня провести апрельское утро с ним в его гараже в городе Паутакет, штат Род-Айленд, и собрать старый добрый холодильник.

Охваченный восторгом от перспективы создать холод с нуля, я похвастался своими планами таксисту, который был впечатлен. «Если бы я знал, как сделать холодильник, я бы вернулся на Гаити и открыл свое дело», – сказал он и дал мне свою визитку, чтобы мы могли вместе начать сотрудничество. «Я буду заниматься импортом для вас, потому что знаю, как доставить вещи на Гаити», – сказал он. «А вы будете делать холодильники».

«Почему бы и нет?» – сказал Брэдфорд, когда я рассказал ему о своем новом перспективном предприятии. Он налил мне кофе, прежде чем мы приступили к работе, а затем жестом указал на верстак, заваленный блестящими медными трубками, зажимами и гофрированным алюминием. «Это до абсурда просто».

Такое беззаботное отношение стало бы шоком для многих поколений ученых, в том числе для многих знаменитостей – Леонардо да Винчи, Фрэнсиса Бэкона, Галилео Галилея, Роберта Бойля, Исаака Ньютона, – которые пытались и не смогли установить, откуда берется холод. Бэкон умер от простуды, когда пытался заморозить курицу с помощью снега; Бойль жаловался, что «никогда не занимался ни одной частью натурфилософии, которая была бы столь сложной и полной трудностей, как эта». В 1600-х годах холод был загадкой, последствия которой были мало изучены, а источник неизвестен. Одни считали, что он приходит с далекого севера, другие – что его истоки кроются в ветре, воде или глубоко под землей, третьи предполагали, что он является свойством невидимых «атомов-фригорификов» или «холодных корпускул».

Рене Декарт, сравнивший уверенность в существовании холода с уверенностью в существовании Бога, ближе всего подошел к нашему современному научному пониманию в своих «Медитациях», опубликованных в 1641 году. «Если верно, что холод – это просто отсутствие тепла, – утверждал он, – то идея, представляющая мне холод как нечто реальное и положительное, не будет неуместно названа ложной».

Два века спустя, когда ученые сформулировали первые два закона термодинамики, они поняли, что Декарт был прав – насчет холода, если не обязательно Бога. Холода не существует – это не вещь, не сила, не свойство, которое существует и измеряется само по себе. Холод, как полагал Декарт, – это отсутствие тепла; охлаждение, таким образом, – это ощущение потери тепла, поскольку оно передается в другое место. Создание холодильника не подразумевает создание холода, как я себе представлял – это просто вопрос поиска способа перемещения тепла изнутри контейнера наружу.

«Мы будем резать, гнуть, соединять, эвакуировать, а потом заряжать», – сказал Брэдфорд, освобождая место на верстаке перед нами, чтобы разложить внутренние органы нашего будущего холодильника. Над нами висела пара велосипедных рам, позади стояли лопаты для снега, секаторы и грабли. Любопытные воробьи запрыгивали и выпрыгивали через открытую дверь гаража, неистово чирикая. Наше занятие по строительству холодильника, как я быстро понял, больше походило на приготовление куриного пирога из жареной курицы, покупного слоеного теста и бульонного кубика, чем на приготовление всего этого с нуля. Брэдфорд заказал все компоненты по Интернету – нам оставалось только правильно соединить их вместе.

«Есть четыре детали, которые имеют значение, – объяснил Брэдфорд, представляя их мне по очереди. Компрессор – черный пластиковый цилиндр размером с банку пива, изготовленный компанией Samsung. Конденсатор, размером с книгу, из рифленого алюминия, был привезен из Таиланда. Испаритель представлял собой белесый прямоугольник размером с лист бумаги, похожий на сплющенную абстрактно-художественную версию печатной платы. Последний игрок в квартете холодильников был настолько мал, что я сначала не заметил его – маленькая спираль из тонкой медной проволоки, называемая капиллярной трубкой.

Отрезав несколько отрезков медной трубы и согнув их, чтобы соединить детали в петлю – компрессор, испаритель, капиллярная трубка, конденсатор и снова компрессор, – мы надели защитные очки. «А теперь самое интересное, – объявил Брэдфорд, размахивая синим пламенем своей оксиацетиленовой горелки, как кисточкой, чтобы загерметизировать все соединения. Чтобы убедиться в отсутствии утечек, мы создали давление в контуре, заполнив его азотом из баллона, который Брэдфорд держал в углу рядом с воздуходувкой. Затем он подключил вакуумный насос, который выглядел как сверхмощный фонарик и звучал как рой металлических пчел. После того как из системы был удален весь воздух, мы открыли небольшой водно-голубой резервуар с жидким 1,1,1,2тетрафторэтаном, более известным в промышленности как R-134a, и с шумом заправили весь контур хладагентом.

«Это именно то, что находится в вашем домашнем холодильнике», – сказал Брэдфорд. «Я могу прийти к вам домой, вырвать внутренности вашего холодильника и заменить его этим, и вы не заметите никакой разницы». Машины, охлаждающие холодильные склады, работают по тому же принципу, хотя и в увеличенном масштабе, и с использованием других компонентов и химических веществ для хладагента.

«Я собираюсь включить питание компрессора», – сказал Брэдфорд. «Вот где происходит волшебство – с минуты на минуту мы почувствуем холод». С тихим урчанием компрессор начал перекачивать хладагент по контуру, и меньше, чем через минуту капли кофе, которые я пролил ранее, застыли в ледяную коричневую слякоть. Пока Брэдфорд все настраивал и настраивал, я положил руки на испаритель и наблюдал, как белеют кончики моих пальцев. Это было похоже на самое близкое к колдовству ощущение, которое я когда-либо испытывал. -

T

Его система называется парокомпрессионным охлаждением, и хотя это не единственный способ получения холода, используемый сегодня, он, безусловно, самый распространенный. Испаритель – белая печатная плата – это та часть, которая находится внутри задней стенки холодильника и отводит тепло от коробки и всех находящихся в ней продуктов. Компрессор обычно располагается в отдельном встроенном шкафчике в задней части прибора и подключается к розетке. Конденсатор всегда находится снаружи, либо установлен на задней стенке в виде пыльного набора змеевиков, переплетенных взад-вперед по сетке, как металлический ткацкий станок, либо, в более новых моделях, спрятан за накладкой внизу.

Цикл опирается на три ключевых принципа, которые были смутно знакомы из школьных уроков естествознания: термодинамическая истина о том, что тепло всегда движется от более теплого к более холодному; закон физики, согласно которому молекулы жидкости поглощают тепло при кипении, изменяя свое состояние и превращаясь в газ; и, наконец, тот факт, что вы можете повысить или понизить температуру, при которой жидкость испаряется, повышая или понижая давление, под которым она находится. (Это то же явление, которое заставляет чайник кипеть при более низкой температуре в горах, где давление атмосферы ниже).

Процесс охлаждения на удивление прост. В тот момент, когда жидкий хладагент поступает в испаритель, он находится под очень низким давлением – настолько низким, что, вращаясь внутри задней стенки холодильника, он не может не начать кипеть. При кипении его молекулы забирают тепло из окружающей среды, чтобы двигаться быстрее и превращаться в газ. Этот тепловой градиент создает желаемый побочный эффект – охлаждение содержимого холодильника.

Пока все хорошо, но для того, чтобы холодильник оставался холодным, хладагенту нужно снова и снова выполнять один и тот же трюк, а значит, он должен снова стать жидкостью. Вот тут-то и вступает в дело остальная часть системы. Хотя R134a – это газ, когда он доходит до конца испарителя, это холодный газ – холоднее комнатной температуры. Брэдфорд объяснил, что R134a не может сбросить все тепло, полученное от холодильника, и снова остыть в жидкость, пока мы его не нагреем. Только когда R134a станет горячее, чем гараж, в котором мы стояли, тепло уйдет из хладагента в окружающий нас воздух.

Компрессор, по сути, выполняет работу по переносу хладагента вверх по склону, чтобы затем снова спуститься вниз по тепловому градиенту, поглощая тепло по мере продвижения. Подключенный к стене, маленький черный цилиндр получает энергию в виде электричества и использует ее для прокачки поршня вперед-назад внутри баллона, заполненного R-134a. Это повышает температуру и давление хладагента: скорость движения его молекул и скорость их столкновения. После того как компрессор выполнит свою работу, R-134a превратится в плотное облако перегретого пара.

Оттуда газ попадает в гофрированный алюминиевый конденсатор – внешний змеевик вашего холодильника. Вся эта площадь поверхности позволяет горячему хладагенту сбрасывать свою энергию в более холодный воздух помещения, так что к концу цикла его молекулы становятся достаточно вялыми, чтобы сконденсироваться в еще достаточно теплую жидкость. (Именно поэтому задняя стенка вашего холодильника или пол перед ним кажутся теплыми). «К тому времени, когда он выходит из компрессора, его температура составляет около ста сорока градусов», – подтверждает Брэдфорд. «К тому времени, когда он доходит до конца конденсатора, температура, вероятно, составляет девяносто градусов».

Затем он упирается в дроссель: расширительный клапан. Эта длинная и очень тонкая трубка ограничивает количество проходящего через нее хладагента, создавая область пониженного давления на другой стороне. Хладагент возвращается в испаритель в виде жидкости под низким давлением – достаточно холодной и с достаточно низкой температурой кипения, чтобы втянуть в себя все тепло внутри холодильника, когда он снова превращается в газ.

Пока в цепи нет утечек, а компрессор подключен к источнику питания, вы можете перемещать тепло изнутри коробки наружу вечно – по крайней мере, до тех пор, пока движущиеся части компрессора не износятся. «Компрессоры рассчитаны на пятьдесят лет», – заверил меня Брэдфорд. «Ваш холодильник будет работать, не требуя обслуживания, дольше, чем вы владеете своим домом».

Я понял, что холодильник – это недооцененное чудо инженерной мысли: надежный, относительно простой ящик, который без шума и шума использует силы природы для сверхъестественного эффекта, ежедневно совершая чудо задержки неизбежного разложения и смерти материи.

В декабре 2011 года сотни тысяч британцев наблюдали за тем, что происходит с едой, хранящейся в очень разных коробках. В рамках инициативы BBC под названием «После жизни: Странная наука распада», команда ученых, инженеров и техников построила муляж кухни, наполнила его едой, заключила в стеклянный куб и на два месяца поместила на звуковую сцену в Эдинбургском зоопарке. Получившийся в результате «ящик гниения», дополненный камерами с таймлапсом, нацеленными на его обитателей – микробов, плесень и личинок, – стал диаметральной противоположностью холодильника, наглядной иллюстрацией того, что происходит без холода.

Как объяснил биолог Джордж МакГэвин в последующем документальном фильме, «внутри – вся еда, которую можно было бы ожидать, если бы семья собиралась устроить вечеринку»: блюдо чили кон карне, немного вареного риса, тарелка с фруктами и овощами, сырая рыба и курица на противне и несколько гамбургеров в пластиковой обертке. «А еще внутри, – сказал МакГэвин, круглощекий биолог с легкой шотландской ноткой, – находятся бактерии и споры грибов, которые начнут процесс разложения». Потирая руки, он добавил: «Не могу дождаться, когда увижу, что произойдет!» Наблюдать за гниением пищи оказалось до странности завораживающим зрелищем, и в течение следующих восьми недель британская публика в зачарованном ужасе смотрела, прикрыв руками рот и сморщив нос от отвращения, как ящик для гниения оправдывает свое название.

Хотя в начале эксперимента дыни, сладкая кукуруза, салат-латук и клубника на кухне казались совершенно свежими, на самом деле, как только фрукт или овощ собран, он начинает портиться. В миске с фруктами персики и яблоки выглядели довольно хорошо, но их текстура, вкус и содержание питательных веществ уже начали страдать. Отрезанные от корней и листьев, которые снабжали их пищей и водой, фрукты уже прибегли к самоканнибализму, разъедая себя изнутри в отчаянной попытке поддержать клеточный метаболизм. Кукуруза и горох за первые несколько часов пребывания в ящике сожгли половину запасов сахара, а стебли сельдерея и салата-латука стали вялыми, истощив свои внутренние резервуары воды.

Через день миллиарды бактерий, воспользовавшись ослабленным состоянием растительных и животных клеток, начали свою собственную атаку. Бутерброды обвисли, а блестящая чешуя рыбы потускнела, став сначала липкой, а затем склизкой. Курица, в частности, выглядела одутловатой и вздутой, ее кожа окрасилась в пурпурный и желтый цвета. В комнате было влажно, жарко и, по словам МакГэвина, уже начинало вонять.

К концу первой недели плесень взяла верх. Грибки обычно растут медленнее бактерий, но они более адаптивны и устойчивы, что и привело к их окончательному триумфу. В деревенском ящике из реек овощи полностью погибли: опустошенные гнилью, они рухнули на землю и окутались пушистым одеялом плесени. Вблизи каждая белоснежная нить была усыпана похожими на чертополох головками спор, сверкающими, как кристаллы.