Гидрокостюм

Дедал увлекается подводным плаванием, но считает, что существующее снаряжение оставляет желать лучшего. Он предлагает противопоставить основным врагам подводника — холоду и отсутствию воздуха для дыхания — свое новое изобретение: гидрокостюм. Эту идею подсказали ему современные водоотталкивающие ткани, которые не смачиваются водой, но пропускают воздух. По расчетам Дедала, водоотталкивающая ткань с порами диаметром примерно в микрон останется водонепроницаемой даже при гидростатическом давлении в 1 атм. Поэтому он предлагает изготовить для гидрокостюма многослойную ткань из силиконовых волокон диаметром в 1 мкм. Такая ткань по внешнему виду и теплоизоляционным свойствам напоминает шерстяную, однако полностью непроницаема для воды (хотя пропускает воздух и водяной пар).

Костюм из такой ткани защищает тело подводника, а на голову надевается прозрачный круглый шлем, герметично соединенный с гидрокостюмом. Воздух поступает в шлем через множество тонких трубочек, соединяющих его с пористой поверхностью гидрокостюма. Как известно, тонкая пленка из силиконовой резины достаточно проницаема для газов и потому может служить «жабрами», впитывающими растворенный в воде кислород и выпускающими в воду углекислый газ. Дедал утверждает, что свободная поверхность воды в микроскопических порах ткани должна еще лучше пропускать эти газы, так что весь гидрокостюм за счет искривления поверхности жидкости в несмачиваемых порах (площадь поверхности жидкости в нем в несколько раз превышает площадь поверхности ткани) будет служить одной огромной «жаброй». Как лягушка, подводник будет дышать поверхностью всего тела; он будет чувствовать себя одинаково свободно в воде и на суше и сможет погружаться на глубину до 10 м, прежде чем водоотталкивающая ткань под действием гидростатического давления начнет пропитываться водой. Но даже и в этом случае миниатюрный баллон с кислородом, создающий избыточное давление в небольшом свободном объеме внутри гидрокостюма, позволит скомпенсировать действие внешнего давления воды и даст возможность погружаться на более значительную глубину. Впрочем, как и для других обитателей морских глубин, для подводника большую опасность будет представлять загрязнение воды поверхностно-активными веществами, которые ослабляют поверхностное натяжение воды. Вода станет проникать в поры гидрокостюма, и мокрый, продрогший подводник, хватая ртом воздух, постарается быстрее выскочить на поверхность.

New Scientist, November 25, 1976

Какой диаметр должны иметь поры, чтобы ткань не пропускала воду при избыточном давлении в 1 атм (Δр = 10⁵ Н/м²)? Величина поверхностного натяжения воды при 10° C равна у = 0,074 Н/м; таким образом, радиус отверстия в абсолютно несмачиваемой поверхности составляет r = 2y/Δр = 2 × 0,074/105 = 1,5 × 10⁶ м, т. е. диаметр равен 3 мкм. Ткань будет иметь примерно такие поры, если делать ее из волокна, имеющего 1 мкм в диаметре. Однако, вероятно, проще получить микропористую силиконовую пленку.

Какова должна быть площадь поверхности? Площадь поверхности наших легких составляет примерно 30 м². Вообще, легкие представляют собой просто влажную поверхность: кислород растворяется в воде, смачивающей эту поверхность, и диффундирует в кровь. (Когда наши далекие предки вышли из моря на сушу, они захватили с собой некоторое количество воды для дыхания. Мы по-прежнему получаем кислород из воды — просто эту воду мы носим в себе. Занятно!) Можно предположить, что для получения достаточного количества кислорода из воды нам понадобятся те же 30 м² смоченной поверхности. Заметим, однако, что температура легких равна 37° C; объемная растворимость кислорода в воде при этой температуре составляет всего 0,024, тогда как при 10° C она равна 0,038. Поэтому при более низкой температуре, когда концентрация кислорода в воде выше, можно обойтись меньшей дыхательной поверхностью: А = 30 × 0,024/0,038 = 19 м². Далее, кислород лучше растворяется в воде, чем азот, поэтому растворенный в воде воздух уже обогащен кислородом. Известный способ обогащения воздуха кислородом путем аэрации воды позволяет довести концентрацию кислорода до 35 % (в воздухе его содержание составляет 21 %). Поэтому поверхность может быть еще меньше: А = 19 × 21/35 = 11 м². Наконец, поскольку поверхность воды в порах имеет мениск, эффективная площадь поверхности практически удвоится, так что в конечном счете площадь поверхности гидрокостюма не должна превышать А = 5,5 м². На пошив обычного костюма идет, как правило, 2–2,5 м² ткани, — ясно, что не так уж трудно увеличить эту цифру вдвое за счет складок, сборок и рюшек.