Уявіть, якщо можете, секретне суспільство, яке живе під вулицями Нью-Йорка, членам якого заборонено виходити на поверхню або як-небудь спілкуватися з жахливими мешканцями верхнього міста. З цього починається роман “Downsiders” Ніла Шустермана 1999 року. За сюжетом книги, 14-річний даунсайдер Талон порушує заборону і в кінцевому підсумку закохується у 14-річну жительку верхнього міста Ліндсі. Разом вони розкривають загадкове походження нижнього міста: сто років тому забутий винахідник Альфред Ілай Біч створив мережу тунелів.
Це один з тих випадків, коли фантастика будується на науковому факті, оскільки Шустерман надихався реальною людиною. Альфред Ілай Біч добре відомий за свій винахід першої концепції нью-йоркського метро: Beach Pneumatic Transit, яке дозволяло б людям швидко переміщатися з одного місця в інше на «машинах», які штовхаються по трубах під тиском повітря. Біч також був видавцем відомого журналу Scientific American з 1845 року, коли купив його (у віці 20 років) з колегою-інвестором.
Тунельні та пневматичні транспортні системи входять в класику фантастичних вигадок, починаючи з «Парижа у 20 столітті» Жюля Верна, опублікованого в 1863 році, де автор представив потяги, що біжать по трубах через океан. У 1882 році Альберт Робіда описав не тільки потяги в трубах, а й систему пневматичної пошти у своєму романі «Двадцяте століття». Уявлення цих авторів виявилися пророчими: прототипи таких систем дійсно були побудовані, деякі з них існують і до цього дня.
Жителі західних країн пам’ятають колись були популярними системи «живих банкоматів» і пневматичні системи, за якими посилали металеві капсули. Деякі з таких систем існують і досі, попри поширення банкоматів. Подекуди лікарні, заводи та великі магазини використовують внутрішні пневматичні транспортні системи для швидкого переміщення фізичних об’єктів (ліків, документів, готівки, запасних частин) з одного пункту в інший. Все це працювало на вакуумі — точніше, на фізиці вакууму.
Природа не терпить порожнечі
Перші записані експерименти з існуванням вакууму, мабуть, проводив арабський філософ Аль-Фарабі в 9 столітті нашої ери, використовуючи ручні поршні та воду. Тоді він зрозумів, що об’єм повітря буде зростати, заповнюючи будь-який доступний простір. Пізніше вчені з’ясували, як створювати якісніший штучний вакуум, завдяки уточненню принципу його роботи. Він досить простий: при збільшенні об’єму даного контейнера тиск падає і народжується частковий вакуум. Він тимчасовий і скоро компенсується повітрям, що проходить всередину під дією атмосферного тиску, але якщо контейнер повторно запечатати, відкачати повітря, знову розширити й знову запечатати, можна створити закриту вакуумну камеру.
Вакуум вимірюється в одиницях тиску. Технічно стандартна одиниця тиску — це паскаль, але вчені не терплять, коли речі настільки прості, тому придумали нову одиницю виміру вакуумного тиску — торр, названий на честь італійського фізика 17 століття Євангеліста Торрічеллі, відомого за створення барометра. Він намагався з’ясувати, як підняти рівні води за допомогою всмоктувального насоса більше ніж на 10 метрів (32 фути) в висоту — межа, яким були обмежені виробники насосів того часу.
Здавалося, що природа дійсно не терпить порожнечі, але Галілео Галілей нахабно припустив, що це нетерпіння поширюється тільки на 32 фути. Галілей дещо знав про вагу повітря щодо інших субстанцій і вирішив, що це обмеження можна подолати, використовуючи щось важче, ніж вода.
Натхненний ідеєю Галілея, в 1643 році Торрічеллі прийшов до використання ртуті, яка в 14 разів важча за воду, в простому експерименті: наповнив метрову трубу ртуттю і запечатав її на одному кінці, а потім встановив її вертикально в басейні з ртуттю, зануривши відкритий кінець в речовину. Колона ртуті впала на 70 сантиметрів, залишивши порожній простір над її рівнем — вийшла рання версія тривалого штучного вакууму. Після цього Торрічеллі зрозумів, що а) ртуть буде підніматися на один і той же рівень незалежно від того, як нахилена трубка, оскільки тиск ртуті буде врівноважувати вагу повітря, і б) висота стовпчика ртуті падає і зростає в залежності від зміни атмосферного тиску. Вуаля! Перший барометр.
Сім років потому німецький вчений Отто фон Геріке побудував штуковину, відому як півкулі Магдебурга — перший у світі штучний вакуум. Він взяв дві великі мідні півкулі з краями, які щільно прилягали один до одного, запечатав краї жиром і викачав все повітря. Щоб це зробити, йому довелося винайти вакуумний насос; в його версії були залучені поршень і циліндр з клапанами, які приводилися в рух колінчастим важелем, з’єднаним з насосом, за допомогою людей. Після того як з півкуль було витягнуте все повітря, вони виявилися стягнутими воєдино завдяки тиску повітря в навколишній атмосфері, оскільки штучний вакуум всередині не чинив протидіючого тиску, який врівноважував систему.
Магдебурзькі півкулі виявилися досить сильними: фон Геріке запряг по вісім коней на кожну півкулю, які спробували розірвати мідну сферу, але безрезультатно.
Новини експерименту швидко поширилися по всій Європі та досягли вух Роберта Бойля, засновника сучасної хімії, що жив в Англії. Мало хто з учених зміг повторити досвід фон Геріке, оскільки він коштував досить дорого. Але у Бойля був цілий трастовий фонд в еквіваленті 17 століття, оскільки він був сином графа Корка, тому він бадьоро розпочав будівництво власного «пневматичного двигуна», скільки б той не вартував. Він заручився підтримкою Роберта Гука, на той момент його скромного асистента. Гук був справжнім генієм в інструментах, оскільки конструкція Бойля була незграбною, складно піддавалася управлінню, і іноді тільки Гук міг налагодити коректну її роботу.
Бойль провів багато різних експериментів по визначенню властивостей повітря, в тому числі й того, як «розріджене повітря» впливає на згоряння, магнетизм, звук, барометри та різні субстанції. Він докладно документував свої спостереження для нащадків в товстенній книзі з потужною назвою «Нові експерименти фізико-механікальні, що стосуються потоку повітря і його ефектів (втілені здебільшого в новому пневматичному двигуні)».
Засмоктувати та видувати
Залишилось лише питання часу, перш ніж вчені та інженери з’ясують, як використовувати вакуумні технології для своїх винаходів, знаменитих транспортних систем в пневматичних трубах для доставлення повідомлень або невеликих посилок. Шотландський інженер Вільям Мердок першим задумав цю систему на початку 19 століття.
У міру того як 19 століття підходило до кінця, більшість великих міст починали використовувати свого роду транспортну систему з пневматичних труб. Одна з перших зв’язала Лондонську фондову біржу з головною телеграфною станцією міста в 1853 році; за нею Лондонська пневматична диспетчерська компанія зв’язала Еустонську залізничну станцію з головним поштамтом міста. Берлін, Париж, Відень, Прага, Чикаго і Нью-Йорк — всі обзавелися схожими мережами, багато з яких залишалися працюючими до 1950-х років. Паризька пневмопошта працювала до 1984 року, а британська Палата громад досі використовує пневматичну систему труб.
Празька пневматична пошта, ймовірно, була останньою подібною системою у світі, розташованої в прибудові до головного поштамту міста. Побудована в 1899 році, це була складна мережа пневматичних труб, які пронизують місто під землею протягом близько 70 кілометрів. Спочатку її використовували для передачі телеграм з телеграфних служб в поштові відділення, але пізніше мережу розширили, щоб включити уряд і інші офісні будівлі.
На піку своєї роботи, в 1970-х роках, ця система обслуговувала близько мільйона посилок в рік, хоча іноді ця цифра падала до похмурих 6000 або близько того — так, це підприємство було найприбутковішим, але досить незвичайним для чеської історії. На жаль, найсильніша повінь в Європі в серпні 2002 року пошкодила систему, і її довелося закрити; втім, вона ще може повернутися. Частина проблеми полягає в тому, що, оскільки цю механічну систему ніколи не модернізували, складно знайти компоненти для її ремонту. (Берлінська фабрика, яка виробляла деталі для неї, закрилася 60 років тому).
Сучасні системи пневматичного транспорту можуть відрізнятися складністю, але по своїй суті їхня ідея досить проста. У вас є «передавальна станція», – скажімо, пункт роботи касира — пов’язана з приймальною станцією, наприклад, із закритою коробкою в кабінеті керівника офісу, за допомогою труби. До труби прикріплений повітряний насос, який працює у двох основних режимах: засмоктувати й видувати.
Якщо ви хочете відправити гроші на приймальну станцію, ви просто завантажуєте їх в металеву капсулу, ставите в трубу і закриваєте дверцята, ретельно запечатуючи трубу. Повітряний компресор потрібно включити в режимі «засмоктувати», щоб він почав працювати на кшталт пилососа, всмоктуючи повітря в трубі, створюючи розрідження в передній частині контейнера. Потім капсулу можна очистити та повернути на передавальну станцію за допомогою режиму «видувати» – повітряний компресор буквально проштовхне капсулу через трубу, видуваючи повітря позаду неї.
Можливо, в даний час у нас є більш ефективні засоби відправлення повідомлень (електронна пошта, твіттер, месеннджери та інше), але деякі вважають, що система пневматичних труб була б корисною для, наприклад, доставлення їжі по трубопроводу. Такою була ідея Foodtubes, британського проекту, в рамках якого пропонувалося створення високошвидкісних пневматичних труб, що зв’язують кожне велике місто в Великобританії. Предмети їжі розміщувалися б в капсулах і проїжджали по пневматичних трубах довжиною в 4000 кілометрів. Зрозуміло, на це знадобилися б значні інвестиції, але зате це суттєво знизило б число служб доставлення, які в даний час стирчать в лондонських заторах.
Пневматичне метро
У 1812 році людина на ім’я Джордж Медхерст припустив, що можна було б «видувати» вагони, навантажені людьми, по тунелях, але так нічого і не побудував. Йому не вистачало насоса достатньої сили, який створював би необхідний тиск повітря. В середині 1850-х років було кілька рудиментарних «атмосферних залізних шляхів» — в Ірландії, Лондоні та Парижі — і хоча Лондонська диспетчерська пневматична система займалася в основному посилками, вона була досить великою, щоб рухати й людей. Насправді, герцог Букінгемський і кілька членів ради директорів цієї компанії проїхали на пневматичній системі 10 жовтня 1865 року, відзначивши таким чином відкриття нової станції. Прототип пневматичної залізниці був виставлений в Кришталевому палаці в 1864 році, і були плани з’єднати Ватерлоо і Чарінг-Кросс, пустивши її під Темзою.
Ці ранні спроби в Лондоні надихнули й Бича. У 1849 році він вперше опублікував статтю в Scientific American з пропозицією будівництва підземного метро уздовж Бродвею в Манхеттені, використовуючи кінні екіпажі для перевезення пасажирів. Потім він виявив пневматику: «Труба, автомобіль, вентилятор! Потрібно трохи більше! », – вигукнув він у 1870 році. Ідея полягала в тому, щоб поміщати людей у вагони метро і штовхати їх по трубах, використовуючи тиск повітря, що генерується гігантськими вентиляторами.
Він першим побудував прототип надземної моделі, яка дебютувала на Американському ярмарку інститутів в 1867 році. Вона була трохи більше дерев’яної трубки (приблизно шести метрів в діаметрі та тридцять метрів в довжину), здатної вміщати невеликий транспорт на десять осіб. Ця машина проштовхувалась по трубі за допомогою повітряного тиску, створюваного гігантським вентилятором. Але отримати дозвіл на будівництво підземної системи у міста Біч не зміг.
Засмутився чи Біч? Ні. Він все одно крадькома побудував систему підземного пневматичного метро, вдаючи, що насправді будує систему пневмопошти, і зробив це прямо під носом у мерії: під орендованим магазином через дорогу.
У лютому 1870 року Біч оприлюднив свій шедевр, і до нього потягнулася публіка, з огляду на розкіш станції: вона могла похвалитися роялем, люстрами та повністю укомплектованим робочим фонтаном з золотими рибками. За тривалу поїздку він брав по 25 центів і найближчі три роки боровся, намагаючись отримати дозвіл на будівництво, щоб розширити свою лінію. На жаль, коли йому нарешті вдалося його отримати, обвал фондового ринку розгромив його мрію назавжди.
Невдача Бича не заважала іншим обговорювати потенційну цінність так званих «вакуумних потягів». Уряд США розглядав одну можливість в 1960-х роках, думаючи запустити такі потяги між Філадельфією і Нью-Йорком, однак проект визнали занадто дорогим і закрили.
Інженер Lockheed Martin на ім’я Л. К. Едвардс запропонував вакуумну транзитну систему для Каліфорнії в 1967 році. Але її теж не побудували. Як і підземну систему Very High Speed Transportation, запропоновану Робертом Солтером з RAND в 1970-х роках.
Можливо, Біч помер, так і не побачивши свою систему побудованою — підхопив пневмонію і помер 1 січня 1896, — але його плани досі надихають інженерів на пошук транспортних рішень у 21 столітті. Наприклад, одним з останніх заяв на цю тему, сколихнула весь світ, це був вже всім відомий проект Hyperloop, запропонований Елоном Маском, власником Tesla і SpaceX. Але це вже інша історія.
Можливо, коли-небудь світ побачить п’яту систему транспорту, а пневмопошта пройде через друге народження. І це буде унікальний, швидкий, ефективний і витончений спосіб доставити об’єкт з пункту А в пункт Б.
БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО: