В 1960 году исследовательская глубоководная подводная лодка «Триест» опустилась на дно Марианской впадины. На пути вниз, почти на дно, учёные услышали громкий, пронзительный «треск». Поднявшись на поверхность, они обнаружили, что одно из иллюминаторов разбилось под давлением, но всё ещё сохраняло герметичность. В противном случае, двое учёных на борту мгновенно превратились бы в кашу, когда вода хлынула внутрь.
До этого погружения господствовало мнение, что абиссальные глубины — мёртвая пустыня. Но погружение опровергло это полностью.
«Триест» был батискафом - принципиально иным аппаратом, нежели обычная подводная лодка. Его придумал Огюст Пикар, отец Жака и заодно физик, прославившийся рекордными подъёмами на стратосферных шарах. Он просто перевернул логику стратостата с ног на голову.
Конструкция строилась вокруг одного инженерного компромисса. Чтобы погрузиться, нужно быть тяжелее воды. Чтобы всплыть - легче. Решение: огромный поплавок, заполненный авиационным бензином (значительно легче воды), и балластные баки с железной дробью.
Сами учёные сидели в стальной сфере диаметром 2,16 метра со стенками толщиной 127 мм. Это не случайная форма - сфера является идеальной формой для сопротивления равномерному внешнему давлению. Нагрузка распределяется по всей поверхности без концентраторов напряжений. Именно этот принцип позволил двум людям выжить там, где давление в тысячу раз превышает атмосферное.
На каждые 10 метров глубины давление воды возрастает примерно на 1 атмосферу. На поверхности вас давит 1 атм. На глубине 100 м - 11 атм. На дне Бездны Челленджера - около 1086 атмосфер, или примерно 1100 кг на каждый квадратный сантиметр поверхности. Для сравнения это вес небольшого легкового автомобиля, опирающегося на площадь меньше ногтя большого пальца.
Именно здесь кроется физическая трагедия того хруста илюминатора.
Иллюминаторы «Триеста» были сделаны из оргстекла (плексигласа) и имели коническую форму. На самом деле это гениальное решение - чем сильнее давление снаружи, тем плотнее конус вжимается в своё посадочное место. Однако плексиглас не однородный материал.
Оргстекло или полиметилметакрилат - это аморфный полимер. В отличие от кристаллических материалов вроде металлов, его молекулярные цепочки не выстроены в регулярную решётку, а спутаны хаотично, как клубок макарон. Это даёт материалу оптическую прозрачность. Нет кристаллических границ, рассеивающих свет. Но это же становится его ахиллесовой пятой под давлением.
Когда на материал действует сжимающая нагрузка, энергия не распределяется равномерно по всему объёму, а концентрируется в точках молекулярных дефектов. Там, где цепочки переплетены плотнее или, наоборот, где есть микропоры, оставшиеся при отливке напряжения максимальны. Именно в этих точках и зарождаются крейзы - тонкие, нитевидные трещины, внутри которых молекулярные цепи не разорваны окончательно, а лишь вытянуты и ориентированы вдоль направления нагрузки.
Крейзы - не то же самое, что обычные трещины. Они не рассекают материал насквозь, а скорее «прошивают» его изнутри, сохраняя внешнюю целостность. Именно поэтому иллюминатор «Триеста» не разлетелся на осколки. Он был пронизан крейзами, как мрамор прожилками, но оставался единой деталью. Тем не менее, чуть что не так и иллюминатор бы разрушился, даже при кажущейся целостности.
Конический дизайн здесь работал именно в режиме сжатия, а не растяжения и это критически важно. Оргстекло, как и большинство хрупких материалов, переносит сжатие значительно лучше, чем растяжение. Под гидростатическим давлением конус вжимался в посадочное место, и основная нагрузка на материал была именно сжимающей.
Проблема возникла не там, где конус давило снаружи, а на внутренних поверхностях, где геометрия создавала локальные зоны растягивающих напряжений - изгиб профиля, края посадочного кольца, переходы толщины. Именно там крейзы и «проросли» в первую очередь.
Есть и ещё один интересный эффект, о котором редко говорят - это вязкоупругость. Оргстекло при длительной нагрузке ведёт себя не как твёрдое тело, а частично как очень густая жидкость - молекулярные цепи медленно перестраиваются и материал ползёт. За почти пять часов спуска «Триеста» иллюминатор не просто выдерживал давление, а медленно деформировался под ним, накапливая остаточные напряжения. Хруст, который услышали Уолш и Пикар, был звуком лавинообразного распространения крейзов. Критическая масса дефектов достигла порога, и порог микротрещин пробежал по толще стекла почти мгновенно, но не насквозь. Будь иллюминатор чуть тоньше или давление чуть выше - крейзы слились бы в единую магистральную трещину, и гидростатическое давление сделало бы остальное за миллисекунды.
К счастью, он не разлетелся на куски. Но структурно он был уже мёртв.
Если бы он лопнул полностью- вода под давлением 1086 атм хлынула бы внутрь со скоростью около 1500 м/с. Это не затопление. Это трагедия - за миллисекунды давление снаружи и внутри сферы выравнялось бы, мгновенно превратив всё биологическое внутри в однородную массу. Уолш и Пикар стали бы частью осадочных пород на дне. Но всё прошло вполне успешно. Во многом этот конкретный случай - пример невероятной удачи.
На дне Бездны Челленджера, под слоем светлого диатомового ила, Пикар заметил плоскую рыбу - предположительно камбалу длиной около 30 см. Жизнь там, где её по всем расчётам не должно быть. Под давлением, разрушающим большинство органических молекул. В абсолютной тьме и при температуре около +2°C.
Позже учёные установили, что у организмов, живущих на таких глубинах существует молекулярный антифриз против давления. У глубоководных рыб концентрация этого вещества прямо пропорциональна глубине их обитания и это живой барометр.
Помимо рыбы, Пикар зафиксировал присутствие красных креветок - организмов, которые буквально эволюционировали под другие законы физики.
Батискаф «Триест» давно стоит в музее. Но тот иллюминатор, треснувший в 1960 году на пути к самой глубокой точке планеты, изменил несколько вещей сразу.
Во-первых, науку. Жизнь оказалась не просто возможной на таких глубинах - она там процветает. Это переосмыслило вопрос о возможности жизни в экстремальных условиях в том числе на других планетах, где давление и тьма - норма.
Во-вторых, задача создать сферическую оболочку, выдерживающую 1100 атм, и вернуть её на поверхность целой, стала матрицей для разработки глубоководных аппаратов следующих десятилетий.
Ну и главное - двое людей в треснувшем шаре на дне мирового океана доказали, что самые невозможные места на Земле не просто достижимы, а стоят такого путешествия и таят множество загадок.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте!