Порох. От алхимии до артиллерии: история вещества, которое изменило мир
Шрифт:
Селитра — это продукт жизнедеятельности двух бактерий из тех, что питаются разлагающейся органической материей. Предприимчивые микроорганизмы nitrosomonas и nitrobacter — непременные участники экологически чистого земледелия: благодаря им в результате гниения образуются любимые растениями нитраты, в том числе и селитра. Селитра растворяется дождевой водой, впитывается в почву и в результате испарения почвенной влаги выходит на поверхность. Остальные вещества, растворенные в воде, кристаллизуются быстрее, что позволяет нитратам накопиться на поверхности. Жаркий климат южного Китая, с его чередованием влажного и сухого сезонов, способствовал и стремительному разложению, и быстрому испарению. В результате в местах с благоприятными природными условиями селитра отлагалась в верхнем слое почвы, откуда
В нитратном анионе, который является основной частью молекулы селитры, три атома кислорода связаны с одним атомом азота. Это соединение образует соль с любым доступным металлом — например, с кальцием, натрием или калием. Из них для изготовления пороха лучше всего подходит нитрат калия — калийная селитра.
Она и стала основой «огненного зелья» — благодаря способности ярко вспыхивать, которую приходилось наблюдать китайским поварам. Стабильная в обычном состоянии, при нагреве до 335 градусов по Цельсию она распадается, высвобождая атомы кислорода, которые до этого были связаны с азотом. Суть механизма искусственного огня заключалась именно в высвобождении чистого кислорода, который мог теперь воспламенить любое находящееся рядом горючее. Сколько селитры должно быть в смеси — на этот вопрос можно было ответить только путем долгих проб и ошибок. Идеальная пропорция — три четверти от общего веса — была найдена лишь со временем; древнейшее же «огненное зелье», содержавшее меньшее количество селитры, ярко горело, но не взрывалось.
Дело было за легкодоступным топливом. Случайные взрывы опасных эликсиров, возможно, подсказали направление поисков. Алхимики давно знали о горючих возможностях серы. Этот элемент — один из немногих, которые встречаются в природе в виде простого вещества, — можно было найти в отложениях вблизи вулканов или получить путем нагревания сульфидных руд и последующего осаждения серных паров на холодных стенках сосуда.
Третьим компонентом смеси стал древесный уголь, который издавна использовался как источник тепла. Этот сложный материал получается при пережигании дерева в бедной кислородом среде и состоит из чистого углерода с примесью летучих углеводородов и других следов его органического происхождения. Примеси, равно как и ячеистая структура древесного угля, играют в действии пороха едва уловимую, но чрезвычайно важную роль, которую ученые не вполне могут объяснить даже сегодня. Истолченные в порошок каменный уголь или графит, будучи почти чистым углеродом, лишены подобных свойств, и из них нельзя приготовить эффективный порох.
Селитра, сера и древесный уголь, вступая в сложное взаимодействие, вызывают к жизни магию «огненного зелья». Первой на жар искры или пламени реагирует сера. Желтый минерал воспламеняется при относительно низкой температуре — 261 градус по Цельсию. Его горение выделяет тепло, которое поджигает древесный уголь и разлагает селитру, высвобождая из нее кислород. Этот чистый кислород ускоряет воспламенение все большего количества горючего. Древесный уголь при этом дает больше тепла, чем сера, что еще более ускоряет реакцию.
Большинство веществ при горении выделяет газы, объем которых многократно превышает объем самого горючего. Когда вспыхивает порох, газы выделяются мгновенно, а тепло, образующееся при реакции, заставляет их чрезвычайно расшириться. Стремительным расширением горячего газа и объясняются все эффекты «огненного зелья».
Конечно, эти химические подробности тогда не были известны — до открытия кислорода оставалась еще почти тысяча лет. Китайские алхимики разрабатывали теории, исходя из собственной концепции движущих сил мироздания, которая рассматривала мир как систему находящихся в равновесии противоположностей: инъ — пассивное, холодное, женское начало и ян — активное, горячее, мужское. Их взаимодействие считалось первопричиной всех явлений и изменений, которые можно наблюдать в мире.
«Селитра — князь, а сера — министр, — говорится в китайском историческом тексте XVI века. — Их взаимозависимость — вот что порождает их пригодность». Другой документ поясняет, что селитра «чрезвычайно негативна и обладает лунными качествами инь. Сера чрезвычайно позитивна и обладает солнечными качествами ян — то есть обращена вовне. Когда два
Судя по предостережению насчет взрывчатого эликсира, алхимики сначала считали «огненное зелье» опасной ошибкой. Его свойства не укладывались в набор привычных домашних функций огня — приготовление пищи, освещение и отопление. Это была странность, которой следовало избегать. В то время у алхимиков не было инструментов, которые могли бы заставить случайное открытие работать.
Если порох поджечь не в замкнутом пространстве, он сгорает с мягким хлопком и вспышкой пламени, оставляя облако плотного белого дыма, — чем не колдовство? Вероятно, подобные эффекты прежде всего и привлекли китайских алхимиков: вместо того, чтобы внять предупреждению, они увидели здесь возможности для публичных фокусов, которые могли бы поразить зрителей. Китайцы очень любили применять огонь в церемониях и развлечениях, а «огненное зелье» предлагало изобретательному импресарио мириады возможностей. Пиротехника стала первой областью, в которой нашло применение новое волшебное вещество.
Когда порох поджигают, химическая энергия, скрытая в нем, превращается в тепловую энергию пламени и механическую энергию сжатого газа. Чтобы заставить все это работать, достаточно простых приспособлений — сосудов той или иной формы. Похоже, что уже в то время ремесленники-пиротехники разработали четыре основных вида применения пороха, которые, по сути, не изменились со времен средневекового Китая до наших дней.
Заключим порох в закрытый сосуд, оставив только запальное отверстие, — и газы разовьют огромное давление, способное разорвать сосуд на куски. Чем прочнее емкость, тем больше энергии аккумулируется и тем сильнее будет взрыв. Треск хлопушки происходит оттого, что под давлением расширяющихся внутри газов внезапно лопается бумажная оболочка. Бомба — та же хлопушка, но с гораздо более прочными стенками.
Теперь насыплем порох в трубку, один конец которой открыт, — продукты горения будут вылетать из нее огненным дождем. Мастера пиротехнического искусства использовали это свойство, чтобы устраивать эффектные фонтаны из пламени. Цилиндрические сосуды для первых пороховых устройств удобно было делать из коленчатого ствола бамбука. Такие огненные трубки позже легли в основу некоторых видов древнего огнестрельного оружия.
Когда газы из такой трубки устремлялись наружу, пиротехники чувствовали, что какая-то сила давит в противоположном направлении. Случайно или умышленно, но они заставили эту силу работать. Горящий порошок теперь гнал трубку вперед, превращая ее в третье основополагающее устройство — в ракету. Рождение ракетной техники ознаменовалось инцидентом, который произошел в 1264 году, когда император Лицзун устроил в залах дворца праздник в честь своей матери Куншэн. Во время праздничного фейерверка во внутреннем дворе пиротехники подожгли «земляных крыс» — маленькие трубочки с «огненным зельем», которые сновали взад и вперед по земле. Одна из них пронеслась, едва касаясь пола, и взлетела по ступеням трона, сильно напугав императрицу-мать.
Снова насыплем порох в трубку с открытым концом. Сверху вставим объект, который почти полностью закроет отверстие. Когда порох загорится, расширяющиеся газы вытолкнут предмет наружу. При определенных условиях такое устройство эффективно преобразует химическую энергию пороха в механическую силу — из емкости на большой скорости выстреливается снаряд. Это четвертый и самый важный способ применения пороха: так появилась пушка.
Глубоко укоренившееся европейское предубеждение утверждает, что китайцы никогда не применяли порох в военных целях, что они использовали одно из самых эффективных изобретений в истории человечества только для праздного развлечения и детских хлопушек. Однако это абсолютно неверно. Представление о мирном характере отношений жителей Поднебесной с порохом отчасти объясняется западными предрассудками по поводу характера китайцев. Кто-то считал их дилетантами, которые случайно наткнулись на секрет пороха, но не смогли оценить его возможности, кто-то воображал, что эти миролюбивые мудрецы сознательно отвергли его разрушительные возможности.