Когда я впервые услышала об этом устройстве, то, честно говоря, отнеслась к информации с изрядной долей скепсиса. Подумать только: крохотный стеклянный цилиндр с двумя полосками металла внутри, который собрали еще в середине прошлого века, продолжает выдавать напряжение, словно и не было этих семи с лишним десятилетий. Моё воображение тут же нарисовало привычный пульт от телевизора, где батарейки дохнут в самый неподходящий момент, а тут — целая жизнь человека прошла, государства менялись, наука шагнула далеко вперед, а этот невзрачный экспонат все так же бодр. В Национальном техническом музее Бухареста, который носит имя своего основателя Димитрие Леонида, к нему относятся без лишней помпезности, но с огромным уважением, понимая, что хранят настоящую технологическую загадку.
Меня поразила не столько продолжительность работы, сколько сама личность создателя. Николае Василеску-Карпен, румынский инженер и физик, вовсе не был кабинетным чудаком, пытавшимся опровергнуть законы мироздания. Скорее, это был дотошный исследователь с блестящим академическим бэкграундом. Получив фундаментальное образование в бухарестской школе мостов, дорог и рудников, он отправился шлифовать свои знания в Париж, где в 1904 году защитил докторскую диссертацию, посвященную магнитным эффектам движущихся заряженных тел. Позже он преподавал в Лилле, а вернувшись на родину, встал у руля той самой инженерной школы. Его заслуги перед наукой были столь очевидны, что Румынская академия приняла его в свои действительные члены в 1923 году. Правда, политические вихри 1948 года вычеркнули его имя из списков, но справедливость восторжествовала, и в 1955-м академика восстановили в правах. Осознание того, что этот элемент возили на научные конференции в Париж, Бухарест и итальянскую Болонью еще при жизни автора, придает всей истории особую весомость.
Что скрывается за стеклом
Вопреки расхожему мнению, музейный экспонат — это не одна ампула, а две, соединенные последовательно в общую цепь. Именно их содружество и заставляет вращаться миниатюрный моторчик, служащий наглядной демонстрацией. Мне стало интересно, в чем же конструктивная изюминка, ведь секрет долговечности явно кроется в материалах. Оказалось, что Карпен пошел наперекор традиционной электрохимии. Внутри запаянной наглухо колбы плещется предельно чистая серная кислота, а электроды сделаны не из свинца или цинка, склонных к растворению, а из золота и платины. Это самые инертные металлы, которые только можно представить в подобных опытах, поэтому видимой химической реакции там практически нет. В обычной батарейке один электрод медленно разрушается, осаждаясь на втором, что и приводит к её гибели. Здесь же этот процесс сведен к почти неуловимому уровню, что и объясняет феноменальное долголетие.
Задолго до 1950 года, когда была собрана музейная версия, в 1924-м изобретатель получил французский патент на «электрическую батарею, превращающую тепло окружающей среды в электрическую энергию». И это была не единичная вспышка озарения. Меня восхищает его упорство: как минимум до 1949 года он продолжал публиковать в парижской Академии наук доклады об аналогичных элементах, работающих на кислороде и водороде. Он был глубоко убежден, что нащупал способ черпать энергию прямо из воздуха, и посвятил этому направлению десятилетия своей жизни. Это был системный научный поиск, а не случайная удача.
Тонкая инженерная мысль и странные замеры
Отдельного внимания заслуживает хитроумная система демонстрации. Инженеры, работавшие с батареей, понимали, что постоянный отбор тока может нарушить её хрупкий внутренний баланс. Они рассчитали, что пластинам необходима пауза для восстановления полярности. Поэтому к элементу приспособили моторчик с вращающейся деталью, которая на каждом втором полуобороте размыкала цепь, а на следующем — замыкала её вновь. Это было гениальное решение для наглядной демонстрации работы в эпоху, когда точных приборов для измерения сверхслабых токов еще не существовало. Когда я смотрю на это устройство, меня не покидает ощущение, что наблюдаю за очень медленным, почти медитативным дыханием механизма.
Но самое интригующее начинается, когда берешь в руки мультиметр. Если провести скучный академический расчет через стандартные электродные потенциалы золота и платины, такая пара должна выдать около 0,33 вольта. Две последовательно соединенные ампулы — примерно 0,7 вольта. Однако реальность оказывается щедрее учебников: приборы стабильно показывают 1 вольт. Это превышение над теоретическим предсказанием и породило лавину спекуляций. Первый замер был сделан в 1950 году, а следующий, о котором есть достоверные сведения, — лишь в феврале 2006-го. Почти все это время элемент пролежал не на витрине, крутя моторчик, а в музейном сейфе. Когда его наконец извлекли, специалисты подключили аппаратуру и увидели все тот же 1 вольт. Этот факт был зафиксирован в реестре Академии мировых рекордов как «батарея на жидком электролите с самым долгим сроком непрерывной работы», без всяких фантастических допущений о вечном двигателе.
В лабиринтах термодинамики
Сам Николае Василеску-Карпен утверждал, что его детище напрямую превращает тепло среды в электричество, причем без обязательной для классических тепловых машин разницы температур между двумя точками. Если бы это было правдой в буквальном смысле, устройство попирало бы второе начало термодинамики — тот самый незыблемый закон, который запрещает получать полезную работу из тепла одного-единственного резервуара без каких-либо иных изменений в системе. Физики называют такую гипотетическую конструкцию вечным двигателем второго рода, и именно отсюда растут ноги у легенды о батарее, делающей энергию буквально из ничего.
Большинство современных ученых в буквальное чудо не верят, но однозначного вердикта наука так и не вынесла. Элемент Карпена много лет скрупулезно изучали в университете Брашова и в Бухарестском политехническом институте, и выводы разных исследовательских групп до сих пор расходятся. Лично мне ближе рациональное объяснение, которое не требует отмены фундаментальных законов. Скорее всего, без микроскопической разницы температур между кислотой у самого электрода и окружающим воздухом элемент рано или поздно разрядился бы. Пока эта разница сохраняется, идет слабый эндотермический процесс: устройство забирает из среды немного тепла и за счет этого подзаряжается. Ведет оно себя при этом не как классическая концентрационная батарея, а скорее как электрический конденсатор с двойным слоем на границе металла и кислоты, и второму началу термодинамики такая работа нисколько не противоречит.
Истинная же живучесть, на мой взгляд, объясняется гораздо прозаичнее. В обычной батарейке разница концентрации электронов держится за счет бурных химических реакций, которые безжалостно расходуют металл. У золота и платины подобная деструктивная реакция почти не идет. Тот небольшой перепад потенциалов, что мы наблюдаем, возникает не из химии в привычном смысле, а из разной энергии связи электрона с атомами этих благородных металлов. Отдает элемент при этом считанные микроватты, и то ничтожное количество вещества, которое все же расходуется за десятилетия, просто невозможно зафиксировать без сверхчувствительного оборудования. В 1970-х годах этот экспонат едва не покинул Бухарест: французская сторона очень просила передать его для углубленного изучения, но музей наотрез отказался, решив не рисковать национальным достоянием. Сейчас батарея не стоит на открытой витрине, так как для этого требуется дорогостоящая охранная система, которой у музея попросту нет. Большую часть времени она проводит в сейфе, и её извлекают на свет лишь для того, чтобы в очередной раз прикоснуться щупами мультиметра и убедиться: 1 вольт все еще на месте, время над ней не властно.