Проблема гигантского подводного города

Давеча в блогах мелькнула тема о «возможности гигантского подводного города в эпоху пара» от одного из моих любимых клованов ученых.

Мне сразу представился эдакий паропанкмир, в котором гигантская корпорация хочет добывать со дна окияна-моря какой-нибудь мифрил для строительства гигантских паропанковых дирижабле-линкоров, которые без мифрила не полетят. Ну ок, обоснование для строительства подводного города худо-бедно придумали. Описание возьмем у автора проекта.

Настоящая причина строительства нам тоже известна – основатели корпорации решили обрушить акции, скупить их по бросовой цене и сами всем владети, по схеме, которую нам продемонстрировали в едва ли не единственном сериале от российских сериалоделов, который можно назвать ГОДНОТА.

Что для этого нужно? Да немного, всего лишь взять всемирно известного ученого и поручить ему строительство подводного города, вбухать в это дело бабла, а когда город рухнет, погребя под собой стопиццот жителей, скупить рухнувшие акции. Потом заявить, что ученого подсунула враждебная корпорация или вообще он был иностранным шпионом…. Профит.

С лирикой закончили, теперь перейдем к вопросу, почему купол, построенный выдающимся ученым рухнет. Выдающийся ученый заявляет, что такой купол возможен, опираясь на опыт строительства римского Пантеона, а так же восхитительных конструкций из стали, чугуна и стекла, мостов и т.д. Ок, мы ему поверим.

Итак, у нас есть 500 метровый купол из чугуна и стали, причем на заклепках и болтах, потому как сварку еще не завезли.

Будучи инженером я немного удивился, когда прочитал в проекте, что освещение города предусмотрено через остекленный купол диаметром 100 метров. Оставим пока вопрос прочности, зададимся вопросом об эффективности этого решения. Увы, но на глубине освещенность сильно падает, на глубине в 100 метров интенсивность солнечного света полдневного освещения поверхности составит в зависимости от прозрачности воды в месте установки купола не более 10%, при смещении солнца из зенита сильно падает. Этим, кстати, объясняется нижняя граница обитания фитопланктона в морских водах (40-70 м в большей части океана, при понижении этой границы примерно до 100 метров в наиболее прозрачных водах). Учитывая же, что площадь светового фонаря составит всего 4% площади купола, жители будут бледные и будут страдать от недостатка витамина Д.

Еще одна проблема подводного купола – энергообеспечение. Основа энергетики паропанка – это сжигание ископаемого топлива. В подводном городе это будет немного проблематично, при этом энергии понадобится довольно много – город заявлен как промышленный, сообщение с другими городами, анклавами и, вероятно, континентом – посредством подводных лодок. Это означает необходимость подзарядки батарей. Кроме всего прочего, отмеченная выше проблема с освещенностью потребует массу электричества для освещения города (лампами накаливания в лучшем случае, а то и угольными лампами, потому как светодиоды в эпоху пара, ну так себе обоснование) в условиях отсутствия энергосберегающих технологий.

Разумеется меня ткнут носом в тепловые насосы с высокой энергетической эффективностью, но есть небольшая проблема – тепло, получаемое от геотермальных источников надо переработать в электричество. Даже с учетом отвода избыточного тепла в воды океана КПД наиболее подходящих для этого двигателей Стирлинга теоретически может быть около 30%.

Коэффициент трансформации современного теплового насоса составляет 2-4 в зависимости от разницы температур, то есть для получения 10 квт тепла нужно затратить 2.5-5 квт электроэнергии. В результате, если прикрутить к тепловому насосу двигатель Стирлинга, то он обеспечит работу теплового насоса, что называется, «сам на себя» только при коэффициенте трансформации не менее 3 и КПД двигателя Стирлинга 30 %. Это без учета потерь в генераторе, потерь при передаче электроэнергии по проводам и так далее. Оптимистично? Да, оптимистично.

Учитывая, что в мире паропанка у нас нет совершенных подшипников, что насосы, качающие теплоноситель в тепловом насосе имеют не самый высокий класс эффективности, электроэнергии будет едва хватать (при оптимистичном взгляде на вот это вот все) даже на работу систем вентиляции и промышленность. Это значит, что подводный город будет мрачным, малоосвещенным местом. Свет там будет стоить дорого.

Перейдем к прочности.

Купол предлагают строить без опорных колонн, то есть фермы должны выдержать не только собственный вес и вес покрытия (4 дюймовое стекло), но и давление воды.

Тут я немного засомневался. На глубине 100 метров (см. схему) давление воды составляет 10 кг/см2 или 100 т/м2. (чтобы не было сомнений в порядке чисел – это столб воды высотой 100 метров с основанием 1 м2, так что все верно). Площадь поверхности купола – 196250 м2. Итого давление на него составит 1962500 т, если поверхность ровная. Но она, зараза такая, не ровная, а представляет собой часть сферы, края которой уходят на глубину, что значительно повышает общее давление на купол, в зависимости от его кривизны общая нагрузка легко зашкалит на 2.5-3 млн тонн.

Мне трудно представить фермы, которые выдержат эту нагрузку, чесслово. Нагрузки на опорах торцов ферм будут больше, чем предел текучести стали.

Причем эти нагрузки не учитывают влияние морских течений.

Вот вам эпюра сил, действующих на купол при наличии течения. Купольные конструкции всерьез рассчитывают на сопротивляемость ветровым и снеговым нагрузкам, которые составляют доли процента от давления воды на глубине 100 метров и океанских течений. Вы можете возразить, что скорость течений ничтожна по сравнению со скоростью ветра, но так и плотность воды примерно в 800 раз больше плотности воздуха.

Да, есть вариант накачать в купол воздух под давлением, чтобы компенсировать нагрузку на купол от воды, но тут есть существенное но. Для компенсации давление на купол, размещенный на глубине 100+ метров давление под куполом придется держать не менее 10 атм. А это уже ведет к тому, что при использовании сжатого воздуха все обитатели купола будут страдать от азотной интоксикации, нервного синдрома высокого давления и т.д. Это не все радости от пребывания людей под высоким давлением, более подробно с этим вопросом можно ознакомится, например, в книге Френсиса Эшкрофта «На грани возможного: наука выживания» - познавательно и интересно. Причем не только о пагубном воздействии высокого давления.

То есть с точки зрения инженерии накачка купола воздухом для компенсации нагрузки – ок, а вот врачи не советуют. Можно, конечно, использовать вместо воздуха гелиево-кислородную смесь, они снимет вопрос азотного отравления, но проблему долговременного воздействия высокого давления не устранит. Зато добавит проблему инженерного характера – использование гелиевых смесей ведет к необходимости поддерживать высокую температуру в помещении, потому как его высокая теплопроводность приводит к быстрому охлаждению человеческого организма при дыхании. Как мы уже говорили, подводный город будет существовать в условиях недостаточности энергии, поэтому проблема нешуточная.

Разумеется, уважаемый ученый сказал бы (не будь я в черном списке), что я всего лишь жалкий критикан и скептик, а настоящие ученые и конструкторы придумали бы решения. Но мой вам совет – если вы окажетесь в паропанковом мире, где строят гигантский подводный город, держитесь от него подальше, особенно если его строят по проекту выдающегося ученого.

Теперь можете обзывать меня занудой, скептиком и вообще как угодно, но, увы, это не изменит ситуацию с подводными городами.