Семь элементов, которые изменили мир

Заправляясь на бензоколонке или поворачивая газовый кран, большинство из нас редко обращает внимание на то, насколько зависима энергетическая инфраструктура от стали. Все звенья в цепи доставки энергии, включая разведку, добычу и очистку горючих полезных ископаемых и генерирование электроэнергии, во многом основаны на использовании железа. Но надежность добывающей техники и трубопроводов определяется не только его прочностью. Если бы «Тандер Хорс» была изготовлена из чистого железа, атомы которого легко скользят друг по другу, то она рухнула бы под тяжестью собственного веса. Прочность стали зависит от правильного баланса между железом и углеродом. Чистое железо отличается мягкостью, но углерод перестраивает пространственную решетку его атомов, в результате чего они утрачивают способность скользить друг по другу. Так и создается твердая сталь [26]. Но добавьте слишком много углерода, и получился в чугун, очень хрупкий и легко разбивающийся при ударе.

Веками сталь производилась в малых количествах с помощью дорогостоящих технологий, не допускающих масштабного применения. Но в 1856 г. случайное открытие английского изобретателя Генри Бессемера привело к созданию процесса, позволяющего соблюдать баланс между углеродом и железом в промышленном производстве. Это изобретение, используемое и в наши дни, оказало огромное влияние на развитие современной сталелитейной промышленности. Подобно многим новациям в металлургической промышленности, бессемеровский процесс возник из потребности в совершенствовании вооружений [27]. В 1854 г. Бессемер встретился с Наполеоном III, желавшим иметь более качественный металл для улучшения технических характеристик своей артиллерии. Для Бессемера, по его собственным словам, это стало «искрой, воспламенившей одну из величайших революций. Я непрерывно думал о том, как повысить качество железа для производства пушек» [28].

Все произошло летом 1856 г. Как-то раз Бессемер открыл дверцу экспериментальной печи с наддувом и заметил в ней несколько кусочков чугуна (железа с высоким содержанием углерода), лежавших у края печи. Они не плавились. Должно быть, температура недостаточно высока, подумал он и увеличил подачу горячего воздуха. Через полчаса Бессемер с удивлением обнаружил: кусочки чугуна с виду никак не изменились. Он взял кочергу, чтобы столкнуть их в ванну для расплавленного металла, но обнаружил, что они представляют собой тонкие скорлупки из чистого железа, из которого полностью удален углерод. Случайно оказалось, что подаваемый в печь воздух обдувал кусочки раскаленного чугуна, повышая температуру и удаляя из них углерод. Внешний источник тепла всегда считался необходимым, чтобы поддерживать в печи достаточно высокую температуру и не допустить застывания расплавленного железа. А вдруг, подумал Бессемер, направляя холодный воздух на расплавленный металл, удастся превратить весь хрупкий чугун в чистое железо?

В результате он построил другой экспериментальный конвертер с шестью трубками под днищем камеры для подачи воздуха. Он открыл вентили, и воздух начал продуваться через расплавленный чугун. Бессемер так описывает то, что произошло потом: «Все шло как обычно примерно десять минут. Но вскоре произошло быстрое изменение; фактически весь кремний оказался полностью поглощен, и кислород, соединяясь с углеродом, создавал все усиливающиеся потоки искр, после чего последовало несколько несильных взрывов, сопровождавшихся выбросами в воздух расплавленного шлака и металла, и мой аппарат превратился в подобие настоящего вулкана в состоянии активного извержения. Никто не мог подойти к конвертеру, чтобы перекрыть подачу воздуха» [29].

Когда извержение утихло, Бессемер слил расплавленный металл в форму. Металл остыл и превратился в прочный стержень. Он взял плотницкий топор и трижды ударил по стержню. Каждый раз топор глубоко проникал в мягкий металл, но не разбивал его вдребезги, как можно было ожидать в случае с хрупким чугуном. Бурная химическая реакция поддерживала высокую температуру в конвертере, делая ненужной подачу тепла извне. В результате образовывалась новая разновидность железа с низким содержанием углерода – так называемая бессемеровская сталь [30].