В стеклянном шаре — на дно океана

Как построить глубоководный аппарат, способный выдерживать колоссальное давление многокилометровой толщи воды? Океанограф Сильвия Эрл рассказала BBC Future, что ответ прост — надо строить из стекла.

По словам Сильвии Эрл, батискаф, погружающийся в глубины Марианской впадины, должен предоставлять пассажирам отличный обзор для наблюдения за местной фауной. «Мне как ученому важно видеть, что происходит на глубине, иначе какой смысл погружаться самой?» — говорит она. Сильвии также хотелось бы иметь в своем распоряжении нечто наподобие пылесоса, который захватывал бы глубоководные организмы, не повреждая их. Кроме того, аппарату необходим бесшумный ход, чтобы подбираться к обитателям океанских глубин, не спугнув их.

Сильвия мечтает о погружении на дно Марианской впадины на борту батискафа, прочный корпус которого был бы выполнен в виде цельного стеклянного шара. «При маневрировании аппарата будет создаваться впечатление, что вы сами скользите сквозь толщу воды, — говорит она. — Сидя внутри прозрачной сферы, человек сможет задействовать и периферийное зрение. Когда же просто смотришь наружу сквозь маленький иллюминатор, или видишь на экране лишь то, что попадает в объектив видеокамеры, не создается такого эффекта присутствия».

Мы привыкли думать о стекле как об очень хрупком материале. Однако под высоким давлением молекулярная структура стекла претерпевает изменения, что делает его более подходящим для исследований морских глубин, чем сталь или титан. «Стекло — оптимальный материал для океанографии», — говорит Тони Лоусон, технический директор компании Deep Ocean and Exploration Research Marine, занимающейся разработкой и строительством глубоководного оборудования. Однако изготовление огромного стеклянного шара представляется очень непростой технической задачей.

Лоусон заведует технической стороной работ над проектом создания батискафа «Глубоководный поиск» (Deep Search), который обещает стать кульминацией карьеры Сильвии Эрл — одного из самых авторитетных в мире морских биологов. В прошлом люди уже совершали погружения в районе Марианской впадины — в 1960-м ее дна достиг батискаф "Триест" с двумя французскими учеными на борту, а совсем недавно американский кинорежиссер Джеймс Кэмерон проводил там глубоководные съемки для фильма «Вызов бездне 3D». Но если мечта Эрл осуществится, она станет первым человеком на Земле, погрузившимся в пучины океана внутри аппарата из стекла.

И пилот, и ученый

Возможность создания стеклянного подводного аппарата рассматривалась Военно-морским флотом США еще в 1960-х гг., но выяснилось, что материал не отвечает ряду требований военных. «Стекло и взрывчатые вещества несовместимы», — говорит Лоусон. Хотя батискафы со стеклянными корпусами иногда используются для доставки научного оборудования на большие глубины, для пилотируемых спусков их никогда раньше не применяли. С другой стороны, альтернативные решения — например, видеокамеры, установленные на внешней поверхности аппарата — не дают Эрл той свободы, о которой она мечтает. «С тем же успехом можно наблюдать за картинкой с камеры, находясь на суше», — объясняет она.

Глубоководная рыба

Желание Эрл лично принимать участие в глубоководных экспериментах напоминает энтузиазм естествоиспытателей прошлого. «Я хочу, чтобы при погружении все мои органы чувств были полностью задействованы, — говорит океанограф. — В этом весь смысл присутствия на борту батискафа, особенно если ты сам же им и управляешь. Мне импонирует идея совмещения функций пилота и ученого, идея получения полноценного наслаждения от технологии, дающей человеку доступ к океанским глубинам».

Наблюдая за нынешним всплеском интереса путешественников к глубоководным погружениям, ученые начинают осознавать научный потенциал подобных экспедиций, пишет корреспондент Ребекка Морелл.

Лоусон признается, что первой его реакцией на техническое задание, с которым к нему обратилась Эрл, был скептицизм: «Она очень упорно настаивала на необходимости стеклянной сферы, и поначалу я сильно колебался. Стекло — старейший из известных человечеству материалов, но и один из наименее изученных». Однако по мере изучения имеющейся информации о поведении стекла под высоким давлением Лоусон изменил свое мнение.

Стеклянный корпус

В отличие от четко структурированных молекулярных решеток, характеризующих другие твердые тела, молекулярная структура стекла своей хаотичностью напоминает структуру воды. Когда стекло подвергается равномерному давлению со всех сторон (а именно это происходит на океанском дне), расстояние между молекулами сокращается, что повышает прочность материала. По расчетам, полая стеклянная сфера со стенками толщиной 10-15 см способна выдержать давление на самых больших океанских глубинах. «Такой шар будет очень трудно разбить», — говорит Эрл. Ему будут нипочем и возможные столкновения под водой, которые на суше привели бы к выбиванию осколков из стеклянной поверхности. «Стекло на глубине становится настолько прочным, что разбиться оно может лишь в результате очень сильного удара, — отмечает Лоусон. — И даже если отлетит фрагмент внешнего слоя, прочности всей конструкции будет достаточно, чтобы сфера не схлопнулась под давлением воды».

По технологии телескопов

Впрочем, некоторые типы нагрузок на стеклянную сферу все же могут представлять опасность, особенно если они действуют изнутри. Одна из самых технически сложных задач — врезать в стеклянный корпус дверь для входа и выхода экипажа. Наличие металлических креплений будет создавать усилия растяжения, поскольку поведение металла и стекла под давлением различается. В результате стеклянная кабина может растрескаться. Лоусон сейчас ищет варианты решения этой проблемы.

Изготовление гигантского полого стеклянного шара тоже будет задачей не из легких. По словам Лоусона, у разработчиков имеется некоторый задел, основанный на технологиях, применяемых для постройки огромных оптических телескопов. В этих устройствах используются гигантские зеркала, достигающие 10 м в диаметре, которые после отливки постепенно охлаждают в течение нескольких месяцев, чтобы сохранить их идеальную форму и при этом избежать образования трещин. Скорее всего, для изготовления огромной стеклянной сферы «Глубоководного поиска» придется прибегнуть к подобному процессу.

Сильвия Эрл и Леонардо ди Каприо

Лоусон уже проконсультировался с несколькими специалистами в области стекольного производства. Один из возможных вариантов — отлить шар целиком. Другой — залить расплавленное стекло в формы, а затем спаять две половинки сферы вместе таким образом, чтобы не оставалось ярко выраженного шва, который может стать слабым местом всей конструкции на большой глубине.

Эрл также понадобится некое подобие пылесоса, который аккуратно собирал бы морских существ для последующего изучения на суше. «Понятия не имею, как реализовать эту идею, но знаю, как уговорить инженеров ею заняться», — говорит она.

Эрл мечтает о том, чтобы сделать подводные путешествия доступными всем желающим. «Мне никогда не надоест погружаться в глубины океана, и я хочу делить это удовольствие со всем — с маленькими детьми, с коллегами-учеными, с официальными лицами, с поэтам и музыкантами, — говорит она. — Со всеми, кто способен испытывать радость от соприкосновения с океаном — экосистемой, поддерживающей жизнь на Земле. А техническая возможность погружаться на максимально возможную глубину означает, что на таком батискафе можно будет путешествовать под водой вообще где угодно, безо всяких ограничений».

Не пугает ли Сильвию перспектива спуска на дно океана внутри стеклянного шара? «Вообще-то нынешние батискафы гораздо безопаснее автомобилей, — отвечает она. — Я рискую гораздо больше, когда еду по шоссе».