Vodonik, helijum, vazdušni brod i nauka u kontekstu

Vazdušni brodovi bili su prve letilice koje su mogle da izvode kontrolisane letove između dve lokacije na površini Zemlje. Najviše su bili u upotrebi u prve tri i po decenije 20. veka. S vremenom je njihovo korišćenje bitno opalo (mada, nasuprot čestoj predrasudi, nikad nije sasvim prestalo), pošto su letelice teže od vazduha – avioni – nadmašile njihove performanse. Glavni uzrok tome je činjenica da su vazdušni brodovi imali niz nesreća visokog profila, od kojih je najpoznatija katastrofa Hindenburga koji se, kao što je dobro poznato, zapalio i izgoreo u Lejkhurstu, Nju Džersi, 6. maja 1937. godine.

Uspesi i katastrofe

Pre nego što nastavimo, jedna jezička napomena: vazdušni brodovi su poznati i kao dirižabli, od francuske reči dirigeable, što znači “upravljivi”. Prvi vazdušni brodovi su nazivani “upravljivim balonima” (engl. dirigible balloons), ali je tokom vremena reč “balon” izbačena iz fraze. Termin “cepelin” je uopštena robna marka koja se originalno odnosila na vazdušne brodove koje je proizvela nemačka Kompanija Cepelin (koju je osnovao grof Ferdinand Cepelin, a unapredio najveći vizionar letelica lakših od vazduha, dr Hugo Ekener). U savremenom žargonu, termini cepelin, dirižabl i vazdušni brod se koriste kao sinonimi za bilo koju vrstu krute letelice lakše od vazduha sa pogonom. Nasuprot vazdušnim brodovima, baloni su letelice lakše od vazduha koje se oslanjaju na vazdušne struje za let od jedne do druge tačke na Zemlji, iako se vertikalno kretanje može kontrolisati.       

Kada se pomenu ove veličanstvene letelice, najpre se pomisli na požar i katastrofu Hindenburga. Ovo je verovatno posledica toga što je ovo bila prva veća nesreća u istoriji čovečanstva gde su novinari bili prisutni na licu mesta i beležili bukvalno iz minuta u minut, gotovo iz sekunda u sekund, odvijanje tragedije (za razliku od, recimo, propasti Titanika, o kojoj i do danas postoje značajne nedoumice u rekonstrukciji događaja). Ono što je daleko manje poznato jeste (a) da je Hindenburg bio jedini putnički vazdušni brod koji je doživeo nesreću, te (b) da po broju izgubljenih ljudskih života (36) ovaj događaj zaostaje za nesrećama dva vojna vazdušna broda i to britanskog R-101 (srušio se u severnoj Francuskoj na putu za Indiju 5. oktobra 1930. godine uz smrt 48 članova posade) i američkog Akrona (pao u Atlantik blizu obale Nju Džersija 4. aprila 1933. uz gubitak 73 člana posade).

Činjenica je da su i pored ovih tragedija pojedini vazdušni brodovi sastavili impresivnu istoriju letova. Nemački vazdušni brod Graf Cepelin (LZ-127), na primer, leteo je preko milion i po kilometara, uključujući i prvi vazdušni obilazak sveta, bez povrede ijednog jedinog putnika. Štaviše, on je u par mahova demonstrirao i jednu zanimljivu prednost vazdušnih brodova nad avionima: kod manjih tehničkih kvarova popravke su savršeno uspešno (i bez potrebe za prevelikom žurbom!) obavljane u letu. Njegove luksuzne kabine i saloni sa nameštajem od mahagonija u kojima se slušala klasična muzika i džez iz „gramofona sa trubom”, ostale su i do današnjeg dana neprevaziđeni vrhunac komfora kada je vazdušni saobraćaj u pitanju.

Sila potiska: ključ za letenje

Kako dirižabl leti? Teorijski gledano, bilo koji gas koji je lakši od vazduha mogao bi biti korišćen u balonima ili vazdušnim brodovima. Ima desetak takvih gasova, od kojih je svega nekoliko onih koji nisu veoma egzotičnog karaktera (egzotični su, na primer, acetilen ili diboran). U praksi, samo dva gasa imaju bilo kakav tehnički i ekonomski smisao za korišćenje u letelicama lakšim od vazduha, a to su dva najlakša hemijska element, „predvodnici“ Mendeljejevljeve tablice,vodonik i helijum.

Njihove osobine se mogu sumirati na sledeći način:

Vodonik (H):

• Atomski broj (broj protona ili elektrona): 1
• Atomska težina (grubo govoreći prosečan broj protona i neutrona u jezgru): 1,007
• Cena: $10-15 po kilogramu.

Helijum (He):

• Atomski broj (broj protona ili elektrona): 2
• Atomska težina (grubo govoreći prosečan broj protona i neutrona u jezgru): 4,002
• Cena: $30-70 po kilogramu.

U oba slučaja, širok interval mogućih cena nije samo posledica normalnih promena na tržištu, već takođe i činjenice da postoje različiti nivoi čistoće za oba gasa. Kod vodonika, na primer, najjeftiniji, ali i najprljaviji je onaj koji se dobija iz prirodnog gasa (metana, CH₄), dok su skuplje, ali i kvalitetnije verzije one koje se dobijaju elektrolizom vode. Elektroliza vode zahteva mnogo električne energije za iole značajniju količinu vodonika, otuda i viša cena.

Kao što znamo sa časova hemije, atom vodonika u jezgru ima samo jedan proton, dok atom helijuma ima 2 protona i 2 neutrona. (Postoji i lakši izotop helijuma, helijum-3 koji ima 2 protona i 1 neutron, ali njega ima zanemarivo malo, baš kao i težih izotopa vodonika, deuterijuma i tricijuma.) Shodno tome, atomska masa helijuma je skoro 4 puta veća od atomske mase vodonika. Na prvi pogled, ovo znači da je vodonik mnogo povoljniji za punjenje balona i dirižabala, jer nam intuitivno izgleda daleko – 4 puta! – „lakši“. Međutim, utisak je varljiv.

Posmatrajmo jedan kubni metar – kocku sa stranicom od 1 m – na temperaturi od 15 stepeni Celzijusa i uobičajenom vazdušnom pritisku (legendarna 1 atmosfera). Naravno, zaključci koje ćemo izvesti ne zavise mnogo od ovih parametara. Kako idemo uvis, temperatura u opštem slučaju opada, kao i pritisak, ali dirižabli generalno ne idu na veoma velike visine (za razliku od stratosferskih balona), pa razlike nisu prevelike; sem toga, ova dva efekta teže delimično da ponište jedan drugi. U svakom slučaju, za čist vodonik u našoj kocki od 1 m³ imamo:

Pogledajmo sada kako isto to izgleda za čist helijum:

Gle! Razlika između potiska u dva slučaja je prilično skromnih 1138,5 – 1054,5 = 84 grama po kubnom metru. Ovo znači da je helijum tek za   84/1138,5 = 0,074 odnosno 7,4% slabija supstance za punjenje. Prilično neočekivano, zar ne? Sedam posto nije bogzna šta, a ako mogu da se izbegnu katastrofe slične onoj Hindenburga, čini se kao da je dilema rešena u korist helijuma.

Fizika, hemija i bezbednost gasova lakših od vazduha

To je ipak tek početak priče. Čak i malo smanjenje potiska se odražava mnogo ozbiljnije na ekonomsku isplativost korišćenja cepelina nego što skromni iznos od 7% govori. Počnimo sa činjenicom da svaki cepelin, nezavisno od toga čime je napunjen, ima fiksnu masu konstrukcije, tj. vreća sa gasom, aluminijumske konstrukcije, gondole, motora, rezervoara za gorivo, itd. isl. Ta fiksna masa dakle ostaje ista nezavisno od toga koji gas koristili. Samim tim, svako umanjenje potiska odnosi se direktno na umanjenje korisnog tereta ili ljudske posade i putnika. Pri čemu ne zaboravimo da je helijum znatno skuplji od vodonika – tako da smo u situaciji da je letelica punjena helijumom u startu skuplja, a nosi manje tereta ili putnika, tako da joj je još teže da se isplati.

Ali ima još problema. Svaki balon ili vazdušni brod mora da bude u stanju da smanjuje silu potiska da bi bio u stanju da se bezbedno spusti na zemlju ili uz pristanišni toranj po okončanju leta. Ovo je poseban problem za vazdušne brodove čiji motori neprekidno troše gorivo – i samim tim smanjuju masu letelice, koja bi, uz isti potisak, letela sve više i više kako let odmiče, što svakako nije poželjno! Letelicama punjenim vodonikom prilično je lako da smanje silu potiska: njihove posade jednostavno odvrnu ventil i oslobode se male količine vodonika. Vodonik je jeftin i lako ga je nadoknaditi!

Međutim, helijum je skup – i ako bismo morali da ga dopunjujemo za svaki novi let, bio bi ekonomski potpuno neodrživ. Umesto toga, inženjeri su se dosetili alternativnog rešenja da se na motore instalira komplikovana oprema koja onaj deo izduvnih gasova koji se sastoji od vodene pare pretvara u tečnu vodu koja se onda skladišti kao balast. Zvuči komplikovano? I jeste – ne samo što je komplikovano, već ta dodatna mašinerija nije nimalo lagana, već naprotiv, predstavlja značajnu masu i opterećenje za dirižable sa helijumom, što dodatno smanjuje njihovu ekonomsku efikasnost.  

Na kraju krajeva, ono što odnosi definitivnu prevagu jeste bezbednost. Helijum je inertan gas, koji se ni pod kakvim okolnostima ne može zapaliti, niti može na bilo koji način predstavljati problem za putnike i imovinu. Stoga je upravo analiza rizika ta oblast primenjene matematike koja je odlučujuća za široku primenu određenih tehnologija. Između ostalog, ona je odgovorna za činjenicu da se od 1950-tih godina praktično sve letelice lakše od vazduha pune bezbednim helijumom.

Ovo ima još jednu zanimljivu posledicu, pošto se analiza rizika može primeniti na različitim nivoima. Poslednjih decenija sve više se govori o klimatskim promenama – mnogi smatraju da je avionski saobraćaj sa svojim emisijama gasova staklene bašte značajan deo problema. Dirižabli bi, sa helijumom i novim konstrukcionim materijalima, potencijalno i korišćenjem sunčeve energije za pogon, mogli predstavljati staro-novo, a uistinu održivo rešenje. Stoga ostaje izvesna nada da će ove veličanstvene vazdušne lađe, čija pojava na sajmovima i aeromitinzima uvek izaziva opravdano divljenje i pažnju, ponovo biti deo našeg pogleda uvis. Jer, nebo svakako izgleda praznije bez njihove pomalo barokne elegancije i lepote.

Kako svet (stvarno) funkcioniše

Zašto ovde pričamo o ovoj temi? Čak i ako bi letelice lakše od vazduha ponovo postale aktuelne, nije baš da će sutradan nastupiti nova era vazdušnih brodova poput one iz perioda 1910-1937. Pouka je, međutim, daleko šira i opštije primenljiva. Osnovna nauka i na njoj zasnovana tehnologija ne postoje u vakuumu. Osnovna nauka nam može reći koliko ima protona u jezgru vodonika i helijuma, ali sastavni deo našeg znanja o tim gasovima je i njihova cena na tržištu. Dakle, stvari koje se odnose na nauku i na društvene okolnosti su višestruko povezane. Vratimo se na momenat na početak teksta i pokušajmo malo da uopštimo svaku stavku. Industrijska revolucija je dovela do nove potrebe: efikasnog prevoza putnika i robe kroz vazduh. Kako da to izvedemo? Prva stvar koja je ljudima pala na pamet su letelice lakše od vazduha. Šta ćemo da koristimo u njima? Pa, ima svega par gasova koji za tu svrhu imaju smisla. Itd. Itd.

Sve u svemu, imamo lanac uvida koji se može pojednostavljeno predstaviti na sledeći način:

ekonomske potrebe → tehnički zahtevi → fizika → fizička hemija → analiza rizika → inženjerska ograničenja → ekonomski efekti

Suština je da su ove stvari duboko isprepletene i nerazdvojive! Mada svako znanje pripada zasebnoj oblasti ljudske misli i delanja, nemoguće je staviti jedno iznad drugog ili ignorisati potrebu za nekom od karika lanca. I ovo je naravno tek sićušni primer, drugim primerima bavićemo se u drugim tekstovima, kao i na predavanjima u našoj školi, ali svi oni vode istim, široko primenljivim i za sam opstanak civilizacije važnim zaključcima.