Представьте, если можете, секретное общество, живущее под улицами Нью-Йорка, членам которого запрещено выходить на поверхность или как-нибудь сообщаться с ужасными жителями верхнего города. С этого начинается роман „Downsiders“ Нила Шустермана 1999 года. По сюжету книги, 14-летний даунсайдер Талон нарушает запрет и в конечном итоге влюбляется в 14-летнюю жительницу верхнего города Линдси. Вместе они раскрывают загадочное происхождение нижнего города: сто лет назад забытый изобретатель Альфред Илай Бич создал сеть туннелей.
Хотя книги на русском языке пока нет, это один из тех случаев, когда фантастика строится на научном факте, поскольку Шустерман вдохновлялся реальным человеком. Альфред Илай Бич хорошо известен за свое изобретение первой концепции нью-йоркского метро: Beach Pneumatic Transit, которое позволяло бы людям быстро перемещаться из одного места в другое на «машинах», толкаемых по трубам под давлением воздуха. Бич также был издателем известного журнала Scientific American с 1845 года, когда купил его (в возрасте 20 лет) с коллегой-инвестором.
Туннельные и пневматические транспортные системы входят в классику фантастических вымыслов, начиная с «Парижа в 20 веке» Жюля Верна, опубликованного в 1863 году, где автор представил поезда, бегущие по трубам через океан. В 1882 году Альберт Робида описал не только поезда в трубах, но и систему пневматической почты в своем романе «Двадцатый век». Представления этих авторов оказались пророческими: прототипы таких систем действительно были построены, некоторые из них существуют и по сей день.
Жители западных стран помнят когда-то бывшие популярными системы «живых банкоматов» и пневматические системы, по которым посылали металлические капсулы. Некоторые из таких систем существуют и до сих пор, несмотря на распространение банкоматов. Кое-где больницы, заводы и крупные магазины используют внутренние пневматические транспортные системы для быстрого перемещения физических объектов (лекарств, документов, наличных денег, запасных частей) из одного пункта в другой. Все это работало на вакууме — точнее, на физике вакуума.
Природа не терпит пустоты
Первые записанные эксперименты с существованием вакуума, по-видимому, проводил арабский философ Аль-Фараби в 9 веке нашей эры, используя ручные поршни и воду. Тогда он понял, что объем воздуха будет расти, заполняя любое доступное пространство. Позже ученые выяснили, как создавать все более и более качественный искусственный вакуум, благодаря уточнению принципа его работы. Он довольно прост: при увеличении объема данного контейнера давление падает и рождается частичный вакуум. Он временный и скоро компенсируется воздухом, проходящим внутрь под действием атмосферного давления, но если контейнер повторно запечатать, откачать воздух, снова расширить и снова запечатать, можно создать закрытую вакуумную камеру.
Вакуум измеряется в единицах давления. Технически стандартная единица давления — это паскаль, но ученые не терпят, когда вещи настолько простые, поэтому придумали новую единицу измерения вакуумного давления — торр, названный в честь итальянского физика 17 столетия Евангелиста Торричелли, известного за создание барометра. Он пытался выяснить, как поднять уровни воды с помощью всасывающего насоса больше чем на 10 метров (32 фута) в высоту — предел, которым были ограничены производители насосов того времени.
Казалось, что природа действительно не терпит пустоты, но Галилео Галилей нахально предположил, что это нетерпение распространяется только на 32 фута. Галилей кое-что знал о весе воздуха относительно других субстанций и решил, что это ограничение можно преодолеть, используя что-то более тяжелое, чем воду.
Вдохновленный озарением Галилея, в 1643 году Торричелли пришел к использованию ртути, которая в 14 раз тяжелее воды, в простом эксперименте: наполнил трехфутовую (метровую) трубу ртутью и запечатал ее на одном конце, а затем установил ее вертикально в бассейне с ртутью, погрузив открытый конец в вещество. Колонна ртути упала на 28 дюймов, оставив пустое пространство над ее уровнем — получилась ранняя версия длительного искусственного вакуума. После этого Торричелли понял, что а) ртуть будет подниматься на один и тот же уровень вне зависимости от того, как наклонена трубка, поскольку давление ртути будет уравновешивать вес воздуха, и б) высота столбика ртути падает и растет в зависимости от изменения атмосферного давления. Вуаля! Первый барометр.
Семь лет спустя немецкий ученый Отто фон Герике построил штуковину, известную как полушария Магдебурга — первый в мире искусственный вакуум. Он взял два больших медных полушария с краями, которые плотно прилегали друг к другу, запечатал края жиром и выкачал весь воздух. Чтобы это проделать, ему пришлось изобрести вакуумный насос; в его версии были задействованы поршень и цилиндр с клапанами, которые приводились в движение коленчатым рычагом, соединенным с насосом, с помощью людей. После того как из полушарий был извлечен весь воздух, они оказались стянутыми воедино посредством давления воздуха в окружающей атмосфере, поскольку искусственный вакуум внутри не оказывал противодействующего давления, уравновешивающего систему.
Магдебургские полушария оказались довольно сильными: фон Герике запряг по восемь лошадей на каждое полушарие, которые попытались разорвать медную сферу, но безрезультатно.
Новости эксперимента быстро распространились по всей Европе и достигли ушей Роберта Бойля, основателя современной химии, живущего в Англии. Мало кто из ученых смог повторить опыт фон Герике, поскольку он стоил довольно дорого. Но у Бойля был целый трастовый фонд в эквиваленте 17 века, поскольку он был сыном графа Корка, поэтому он бодро приступил к строительству собственного «пневматического двигателя», сколько бы тот ни стоил. Он заручился поддержкой Роберта Гука, на тот момент его скромного ассистента. Гук был настоящим гением в инструментах, поскольку конструкция Бойля была неуклюжей, сложно поддавалась управлению, и иногда только Гук мог наладить корректную ее работу.
Бойль провел много разных экспериментов по определению свойств воздуха, в частности и того, как «разреженный воздух» влияет на сгорание, магнетизм, звук, барометры и различные субстанции. Он подробно документировал свои наблюдения для потомков в толстенной книге с мощным названием «Новые эксперименты физико-механикальные, касающиеся потока воздуха и их эффектов (воплощенные по большей части в новом пневматическом двигателе)».
Засасывать и выдувать
Оставался лишь вопрос времени, прежде чем ученые и инженеры выяснят, как использовать вакуумные технологии для своих изобретений, знаменитых транспортных систем в пневматических трубах для доставки сообщений или небольших посылок. Шотландский инженер Уильям Мердок первым задумал эту систему в начале 19 века.
По мере того как 19 век подходил к концу, большинство крупных городов начинали использовать своего рода транспортную систему из пневматических труб. Одна из первых связала Лондонскую фондовую биржу с главной телеграфной станцией города в 1853 году; за ней Лондонская пневматическая диспетчерская компания связала Эустонскую железнодорожную станцию с главным почтамтом города. Берлин, Париж, Вена, Прага, Чикаго и Нью-Йорк — все обзавелись похожими сетями, многие из которых оставались рабочими до 1950-х годов. Парижская пневмопочта работала до 1984 года, а британская Палата общин до сих пор использует пневматическую систему труб.
Пражская пневматическая почта, вероятно, была последней подобной системой в мире, расположенной в пристройке к главному почтамту города. Построенная в 1899 году, это была сложная сеть пневматических труб, пронизывающих город под землей на протяжении порядка 70 километров. Первоначально ее использовали для передачи телеграмм из телеграфных служб в почтовые отделения, но позже сеть расширили, чтобы включить правительство и другие офисные здания.
На пике своей работы, в 1970-х годах, эта система обслуживала порядка миллиона посылок в год, хотя иногда эта цифра падала до мрачных 6000 или около того — да, это предприятие было не самым прибыльным, но довольно необычным для чешской истории. Увы, сильнейшее наводнение в Европе в августе 2002 года повредило систему, и ее пришлось закрыть; впрочем, она еще может вернуться. Часть проблемы заключается в том, что, поскольку эту механическую систему никогда не модернизировали, сложно найти компоненты для ее ремонта. (Берлинская фабрика, производившая детали для нее, закрылась 60 лет назад).
Современные системы пневматического транспорта могут отличаться сложностью, но по своей сути их идея довольно проста. У вас есть «передающая станция», — скажем, пункт работы кассира — связанная с приемной станцией, например, с закрытой коробкой в кабинете руководителя офиса, посредством трубы. К трубе прикреплен воздушный насос, который работает в двух основных режимах: засасывать и выдувать.
Если вы хотите отправить деньги на приемную станцию, вы просто загружаете их в металлическую капсулу, помещаете в трубу и закрываете дверцу, тщательно запечатывая трубу. Воздушный компрессор нужно включить в режиме «засасывать», чтобы он начал работать на манер пылесоса, всасывая воздух в трубе, создавая разрежение в передней части контейнера. Потом капсулу можно очистить и вернуть на передающую станцию с помощью режима «выдувать» — воздушный компрессор буквально протолкнет капсулу через трубу, выдувая воздух позади нее.
Возможно, в настоящее время у нас имеются более эффективные средства отправки сообщений (электронная почта, твиттер, эсэмэски и прочее), но некоторые считают, что система пневматических труб была бы полезной для, например, доставки еды по трубопроводу. Такова была идея Foodtubes, британского проекта, в рамках которого предлагалось создание высокоскоростных пневматических труб, связывающих каждый крупный город в Великобритании. Предметы пищи размещались бы в капсулах и проезжали по пневматическим трубам длиной в 4000 километров. Разумеется, на это понадобились бы внушительные инвестиции, но зато это существенно снизило бы число служб доставки, в настоящее время мыкающихся в лондонских пробках.
Пневматическое метро
В 1812 году человек по имени Джордж Медхерст предположил, что можно было бы «выдувать» вагоны, груженные людьми, по туннелям, но так ничего и не построил. Ему не хватало насоса достаточной силы, который создавал бы необходимое давление воздуха. В середине 1850-х годов было несколько рудиментарных «атмосферных железных путей» — в Ирландии, Лондоне и Париже — и хотя Лондонская диспетчерская пневматическая система занималась в основном посылками, она была достаточно крупной, чтобы двигать и людей. На самом деле, герцог Букингемский и несколько членов совета директоров этой компании проехали на пневматической системе 10 октября 1865 года, отметив таким образом открытие новой станции. Прототип пневматической железной дороги был выставлен в Хрустальном дворце в 1864 году, и были планы соединить Ватерлоо и Чаринг-Кросс, пустив ее под Темзой.
Эти ранние попытки в Лондоне вдохновили и Бича. В 1849 году он впервые опубликовал статью в Scientific American с предложением строительства подземного метро вдоль Бродвея в Манхэттене, используя конные экипажи для перевозки пассажиров. Затем он обнаружил пневматику: «Труба, автомобиль, вращающийся вентилятор! Нужно немного больше!», — воскликнул он в 1870 году. Идея заключалась в том, чтобы помещать людей в вагоны метро и толкать их по трубам, используя давление воздуха, генерируемое гигантскими вентиляторами.
Он первым построил прототип надземной модели, которая дебютировала на Американской ярмарке институтов в 1867 году. Она была немногим больше деревянной трубки (примерно шести метров в диаметре и тридцати метров в длину), способной вмещать небольшой транспорт на десять человек. Эта машина проталкивалась по трубе с помощью воздушного давления, создаваемого гигантским вентилятором. Но получить разрешение на строительство подземной системы у города Бич не смог.
Расстроился ли Бич? Не-а. Он все равно украдкой построил системы подземного пневматического метро, делая вид, что на самом деле строит систему пневмопочты, и сделал это прямо под носом у мэрии: под арендованным магазином через дорогу.
В феврале 1870 года Бич обнародовал свой шедевр, и к нему потянулась публика, учитывая роскошь станции: она могла похвастать роялем, люстрами и полностью укомплектованным рабочим фонтаном с золотыми рыбками. За длительную поездку он брал по 25 центов и ближайшие три года боролся, пытаясь получить разрешение на строительство, чтобы расширить свою линию. Увы, когда ему наконец удалось его получить, обвал фондового рынка разгромил его мечту навсегда.
Неудача Бича не мешала другим обсуждать потенциальную ценность так называемых «вакуумных поездов». Правительство США рассматривало одну возможность в 1960-х годах, думая запустить такие поезда (пневматические трубы, объединенные с технологией маглевов) между Филадельфией и Нью-Йорком, однако проект признали слишком дорогим и закрыли.
Инженер Lockheed Martin по имени Л. К. Эдвардс предложил вакуумную транзитную систему для Калифорнии в 1967 году. Но ее тоже не построили. Как и подземную систему Very High Speed Transportation, предложенную Робертом Солтером из RAND в 1970-х годах.
Возможно, Бич умер, так и не увидев свою систему построенной — подхватил пневмонию и скончался 1 января 1896 года, — но его планы до сих пор вдохновляют инженеров на поиск транспортных решений в 21 веке. К примеру, одним из последних заявлений на эту тему, всколыхнувшую весь мир, был проект Hyperloop, предложенный Элоном Маском, владельцем Tesla и SpaceX.
Возможно, когда-нибудь мир увидит пятую систему транспорта, а пневмопочта пройдет через второе рождение. И это будет уникальный, быстрый, эффективный и изящный способ доставить объект из пункта А в пункт Б.
Илья Хейль
