От забав — к бизнесу

Вспомним знаменитый Ледяной дом, построенный по велению своенравной царицы Анны Иоанновны. Вот как повествует о нём автор одноимённого романа И. Лажечников, которого похвалил сам Пушкин: „Между Адмиралтейством и Зимним дворцом, как бы по мановению волшебного жезла, встало в несколько дней дивное здание, какого ни одна страна, кроме России, не производила и какое мог только произвесть суровый север наш с помощью жестокой зимы 1740 года. Всё здание было из воды. Фундамент клался из воды; стены, кровля, стёкла, украшения выводились из неё же; всё спаивалось водою; вода принимала все формы, какие угодно было затейливому воображению дать ей. И когда солнце развернуло свои лучи на этом ледяном доме, он казался высеченным из одного куска сапфира, убранного фигурами из опала“

Писатель не считал лишним посвятить читателя и в технологию изготовления причудливой забавы. „Самый чистый лёд, наподобие больших квадратных плит, разрубали, архитектурными украшениями убирали, циркулем и линейкой размеривали, рычагами одну ледяную плиту на другую клали и каждый ряд водою поливали, которая тотчас замерзала и вместо крепкого цемента служила. Таким образом чрез краткое время построен был дом, который был длиною в восемь сажен, шириною в две сажени с половиною, а вышиною вместе с кровлей в три сажени“. Для достоверности Лажечников ссылался на редкую книжицу „Подлинное и обстоятельное описание построенного в Санкт-Петербурге, в Генваре 1740 года, ледяного дома и всех находившихся в нём домовых вещей и уборов, с приложенными при том гридированными фигурами, также и некоторыми примечаниями о бывшей в 1740 году во всей Европе жестокой стуже, сочинённое для охотников до натуральной истории чрез Георга Волфганга Крафта, С.-Петербургской Императорской Академии Наук члена и физики профессора“.

А придумок ледовых было там немало. В печке ледяные дрова, намазанные нефтью, горели постоянно, почти не истощаясь от таяния. Перед домом стояло шесть выточенных из льда пушек с колёсами и станками, неоднократно стрелявших. „Напоследок в том же ряду у ворот стояли два дельфина. Сии дельфины помощию насосов огонь от зажжённой нефти из челюстей выбрасывали, что ночью приятную потеху представляло“.

Интерьер ледовой гостиницы

Возможно, пример царственных особ надоумил нынешних предпринимателей строить ледяные отели. На севере Швеции, в Лапландии, высится гордость мировой ледовой архитектуры — „Айсотель“. Сверкающие стены этой белоснежной гостиницы соперничают по яркости со сполохами северного сияния. Туристы едут в тундру, предпочитая пальмам и солнцу завывание вьюги. Постояльцам предлагают любые зимние удовольствия: от ночёвок на ледяном ложе до прогулок на собачьих упряжках.

Лёд, полученный из чистых вод реки Торн, очень прозрачен, а если его подсветить, он заискрится, словно бриллиант. Весь „Айсотель“ похож на прозрачный леденец. В номерах — кровати с морозными узорами, светильники-сосульки, выбитые во льду ниши-полки. Внутри не холодно: когда на улице минус тридцать, в ледяном помещении всего минус пять. Для согрева постояльцам выдают оленьи шкуры вместо простыней, а термоспальники заменяют обычные одеяла. В баре — своя экзотика, здесь облачаются в блестящие плащи для сохранения тепла, в ходу стаканы и блюда, высеченные изо льда. В отеле есть свой Колонный зал в ледяном исполнении, художественная галерея с ледяными скульптурами. Натуры творческие не упустят возможность поучиться ледяному ваянию, используя вместо кисти и красок пилу и топорик. Экзотичны здесь и оздоравливающие процедуры: в дополнение к шведской бане местные мастера делают массаж с кусочками льда. Кристальный кинозал создаёт прямо-таки интимную обстановку: в темноте видны только белые облачка пара, выдыхаемого зрителями. В отеле есть даже ледяная церковь, где устраивают помолвку, свадьбу или крещение. Если же роскошные апартаменты опустошат бумажник, можно переселиться в эконом-класс: бунгало-иглу, расположенное по соседству с отелем.

Ледяных гостиниц в мире становится всё больше. В Норвегии появился „Иглу-отель“ с ледяным храмом и снежной галереей искусств, в Финляндии — „Сноу-отель“ с замком, церковью, галереей, горкой и лабиринтом из снега и льда. Подобные развлекательно-увеселительные заведения стали появляться и на американском континенте.

Снежно-ледяные чертоги возводят даже в жарких странах. Среди барханов Аравийской пустыни на площади в 40 га построят куполообразный ледник с круговыми заснеженными горнолыжными спусками и высотными перепадами. Тут же вырастет волшебный зимний город с кафе, ресторанами, магазинами, рынками, ёлками, Санта-Клаусами. О высоте снежно-ледового чуда в пустыне пока не сообщается. Наверное, сложно рассчитать скорость таяния снега и льда в 40-градусную жару.

Лёд — вода, горная порода, стройматериал

Забавы подталкивали к изобретательству, но ещё больше идей подсказывала сама природа. Взять хотя бы плотины. Сколько людям приходилось наблюдать снежно-ледовых запруд в долинах рек, на ручьях в балках, оврагах! Особенно крупные случались в горах при продвижении ледников. Нередко природные ледовые сооружения грозили бедами. Задержанные водные потоки образовывали целые озёра. С наступлением весны плотины прорывало, и вода устремлялась вниз, неся разрушения и жертвы. Опасность представляли и ледяные мосты. Они образовывались на малых реках после ледостава, когда быстро падал уровень воды, и угрожали обвалом не только транспорту, но и пешеходам. Однако идея строительства плотин и мостов изо льда понравилась инженерам.

До недавнего времени лёд рассматривался исключительно как водный ресурс. А ведь это ещё и инженерно-строительная порода. Для успешного применения сооружений в высокогорье или высоких широтах мало знать те характеристики льда, которые определяют и для обычных стройматериалов. Модификации льда были описаны ещё П. Бриджменом в 30-е годы прошлого века, но поведение этого вещества при различных нагрузках всё ещё не исследовано до конца. Прежде всего нужно изучить его пластичность в зависимости от структуры, размеров, температуры окружающей среды. Мощным стимулом для этих разработок стали развитие гидроэнергетики и судоходства в холодных регионах, открытие нефти и газа под ледяными покровами.

В научных словарях появился термин „технический лёд“. Это не только тот материал, который выпиливают или выкалывают из естественных ледяных массивов для строительства, холодильной промышленности, транспорта, но и тот, что создают послойным или брызговым намораживанием, часто с добавлением армирующих компонентов — песка, гравия, древесноволокнистых материалов, стекловолокна. Так в арсенале строителей появились ледобетон, дереволёд, пенолёд, песколёд, пластолёд. Оказалось, что искусственный лёд, малозернистый и пористый, более прочен, чем естественный, да к тому же легко режется ножом бульдозера. Ледяной монолит оказывается особо прочным, если его создают из переохлаждённой воды (до –40°C). В этом случае между кристаллами льда образуются тонкие аморфные прослойки. Ещё лучше скрепить такие образования можно воздействием ультразвука. Но инженерам этого мало: они пытаются дополнительно увеличить прочность льда. Так, в Якутском университете успешно ведутся эксперименты по вмораживанию 5–10-миллиметровых шариков из полиэтилена в лёд для работы при больших нагрузках.

Ледовые дороги

А задачи у ледостроителей всё усложняются. От ледяных мостов и причалов они переходят к более замысловатым конструкциям, необходимым для строительства платформ, ледяных дамб, дорог-зимников. И для каждого ледяного сооружения нужны особые подходы. Так, для удлинения срока работы автозимников участки с ослабленным ледяным покровом укрепляют: намораживают на них дополнительный слой льда. Для этого по обеим сторонам намечаемой полосы насыпают валики из снега и внутреннее пространство послойно заливают водой. Часто лёд армируют тальником, жердями, досками.

Появилась потребность в ледяных платформах и островах для бурения морского льда и добычи полезных ископаемых со дна, погрузочно-разгрузочных работ, научных исследований. Однако они не слишком устойчивы к воздействию ветров, волн, течений и быстро разрушаются при потеплении. Поэтому инженеры строят комбинированные ледяные и гравийно-галечниковые острова. Их создают так же, как ледовые переправы или плотины. На ледовый покров насыпают привезённый материал, под его тяжестью лёд тонет, а затем на него намораживают дополнительные порции. Такой остров был сделан насосами близ северного побережья Аляски для установки буровой платформы.

Варианты ледогрунтовых сооружений разнообразны. Имеются даже проекты с системами охлаждения внутри ледяного массива. В этом случае промерзает не только вода, но и морское дно, так что ледяной массив смерзается с ним. Срок эксплуатации таких ледяных сооружений практически неограничен.

Особенно заманчивы проекты искусственных островов на арктическом мелководье. Плавучее ледяное поле прорезают насквозь по контуру будущего острова, а сверху намораживают воду. Под действием силы тяжести вырезанный участок постепенно опускается на дно. Затем в майну насыпают донный грунт и в него устанавливают замораживающие колонки. Таким образом, остров застрахован и от сдвигов, и от разрушения волнами или течением. Есть также предложения использовать для строительных целей плавающие айсберги.

Ну а довелось бы побывать господину Крафту, Санкт-Петербургской Императорской академии наук члену и физики профессору, устроителю Ледяного дома, на современном ледовом аэродроме, он бы онемел от удивления. Подготовка льда для взлёта и посадки самолётов и вертолётов — это ещё одно направление инженерной гляциологии. Лёд усиливают, армируют хворостом, тонкими брёвнами, проволокой, тросом. Затем для лучшего сцепления поверхности с колёсами посыпают абразивными материалами, обрабатывают боронами, шиповыми катками и другими орудиями. С трещинами борются, выпиливая во льду узкие каналы-швы и заливая их отработанным маслом или керосином. Лёд если и будет трескаться, то только по этим незамерзающим ориентирам, а нужный участок останется нетронутым. Только тот, кому приходилось бывать пассажиром на экстремальных авиалиниях Крайнего Севера или Антарктиды, может оценить труды гляциологов.

Патент на фирн

Среди авторов изобретений практически не бывает географов — не та наука. Тем не менее ещё в 1990-е годы доктор географических наук В.Г. Ходаков и кандидат географических наук А.В. Сосновский получили авторское свидетельство на „Способ опреснения морской и солёной воды“. Этот метод оказался полезен и в ледовом строительстве.

Искусственное намораживание льда — дело не новое. Его давно применяют, если нужно увеличить толщину льда на водоёмах или возвести зимой склады. Обычно для этого лёд на морозе поливают водой. Но как сделать этот процесс более интенсивным? Для этого были нужны дополнительные исследования. Руководитель лаборатории инженерной гляциологии Института географии РАН Владимир Георгиевич Ходаков рассказывал:

„Дело было в мае на Полярном Урале. Мороз –17°C, ветер, а на озеро из густого тумана падал… дождь. Конечно, искусственного происхождения. Гляциологи нашего института проводили эксперимент по намораживанию льда с помощью дождевальной установки. На высоту около 20 метров поднимался фонтан воды: 65 литров в секунду. На восходящей ветви траектории струя слегка расширялась, а на вершине разбрызгивалась. И шёл поток из капель, частично замерзавших на лету. Морозный ветер усиливал разбрызгивание, постепенно рос бугор с округлыми склонами. За 19 часов он поднялся на семь метров. Образовалось примерно 1200 тонн плотного зернистого фирна. За два месяца работы, с учётом неизбежных перерывов, можно сотворить таким образом целый ледник“.

За рубежом факельный метод получения льда впервые применили лет тридцать назад. Однако тогда микрокапельный факел получали с помощью разбрызгивателей (спринклеров) на выходе воды из агрегата. При этом используют только холод тонкого приземного слоя воздуха. Лёд образуется медленно, и материал получается рыхлым, больше похожим на снежную кашу. Он годится для лыжных трасс и трамплинов, но там, где требуется твердый лёд, подобный метод вряд ли применим. Отечественный способ намораживания, опробованный географами на Полярном Урале, охватывает больший слой воздуха, и скорость формирования льда резко возрастает.

Уже с конца 1970-х годов инженеры-гляциологи Института географии начали проводить лабораторные и натурные эксперименты по использованию отечественной дождевальной техники для быстрого получения льда. Временные небольшие сооружения удавалось намораживать садовыми разбрызгивателями, но более перспективными оказались дальноструйные установки. Одним таким агрегатом за четверо суток удалось увеличить толщину льда на Лене с 20 до 80 см и открыть ледовую переправу на месяц раньше обычного срока. Такой полуискусственный лед прекрасно выдерживал машины массой до 10 т.

Затем перешли к использованию этого метода для опреснения соленой воды вымораживанием. Ранее подобный эксперимент прошёл в США, на Аляске. Но там в массиве искусственного снега толщиной около одного метра, образовавшемся на значительной площади, большая часть пор оказалась заполненной солёной водой. Эксперимент прекратили, признав метод недостаточно эффективным. Наши географы и здесь оказались более изобретательными.

Дождевальная установка возводит ледяную насыпь — хранилище пресной воды

Подобным образом теперь получают пресную воду в засушливых районах развитого скотоводства и орошаемого земледелия. Разыскав артезианский бассейн, в нём бурят скважины с максимальным напором и расходом воды. Однако подземные воды нередко оказываются солёными. В таком случае вентиль перекрывают до зимы. Когда устанавливаются морозы до –20°C, кран открывают, и фонтанирующая вода начинает превращаться в искусственный фирн. Поскольку намораживание идёт непрерывно, фирново-рассольная смесь всё время поддерживается при температуре замерзания. При этом пресноводный кристаллический „скелет“ льда накапливается, а избыточный рассол свободно фильтруется сквозь фирн и стекает по уклону местности. Остаётся пресная глыба льда.

Один агрегат при хорошем напоре воды и температуре воздуха около –20°C откладывает свыше 1500 т льда в сутки. За три месяца вырастает полновесный ледник, к тому же почти пресный. В замкнутых порах пресного льда удерживается не более 10% исходной солёной воды. Даже при её солёностиводы 15 г/л полученная в итоге смесь отвечает санитарным нормам. Но не страшна и гораздо более солёная вода. После первых же весенних оттепелей пористый фирновый массив полностью промывается талой водой и превращается в источник пресной воды, вполне пригодный для водопоя скота, орошения сельскохозяйственных угодий, технического и бытового водоснабжения. Никаких затрат на получение воды больше не требуется. Если фирн тает слишком быстро, дополнительные средства понадобятся только для создания водоприёмника достаточного объёма либо для укрытия искусственного ледника теплоизолятором.

Гляциоэкология

В поле зрения инженерной гляциоэкологии — снег и лёд как среда обитания живых организмов и человека. Инженерные сооружения ускоряют таяние снега, человек нередко провоцирует появление наледей, таяние подземных и поверхностных льдов, образование провалов, а это может повредить растениям и животным.

Каковы перспективные задачи у инженеров-гляциоэкологов? Уже сейчас они участвуют в градостроительстве и обсуждают проекты городов в искусственных снежниках с коммуникациями, садами, парками, улицами в виде траншей и котлованов. Речь не о том, чтобы „свернуть шею“ Земле, сместив земную ось с помощью гигантского взрыва, как предлагал один из героев Жюля Верна для отепления Арктики. Разговор о вживании в естественные условия.

Снег в северных и горных регионах — это и основание для фундаментов, и материал для строительных конструкций, и среда обитания. Для возведения зданий специальные машины вырезают снежные брикеты. Снежные дома и склады-холодильники, если их правильно возвести и изолировать от внутреннего тепла, прослужат долго. Главное — избежать ползучести. В отличие от чистого льда снег сильно деформируется, причём снежная постройка может просесть под собственным весом. Ползучесть, или пластичность, льда намного меньше, хотя и его разрушение под действием тяжести нельзя не учитывать в строительстве. С другой стороны, со временем снежно-ледяная масса укрепляется, „спекается“ в монолит. Куски на стыках оплавляются и привариваются друг к другу морозным швом.

Сооружения из снега могут нормально функционировать и при положительных температурах, требуются только тщательная теплоизоляция, искусственное охлаждение и уплотнение снега. Тогда и снежная баба переживёт любое потепление. А вот целые поселения в сплошных льдах — это пока полуфантастические проекты.

Уже планируется проложить первую скоростную автомагистраль из сверхпрочного льда от Аляски до Шпицбергена через Северный полюс, с ответвлениями к Европе, Азии, Гренландии. „Мировая трасса номер один“ — так назвал её автор проекта Г. Хайнце, вице-президент американской нефтяной компании „Арк“. На роль „асфальта“ выбран гранулированный лёд, который ранее использовали для создания искусственных ледяных островов под буровые газонефтяные вышки. Технология его производства — разбрызгивание воды в очень холодном воздухе — неплохо освоена. Спрессованные ледяные частички дают прочный и вместе с тем упругий материал. Это необходимо, чтобы выдержать движение паковых льдов. Инженеров привлекает дешевизна и простота изготовления такого покрытия.

Магистраль будут строить с помощью машины, движущейся по дороге по мере её строительства, а воду для намораживания станут качать из-подо льда. С экологией в этом проекте как будто всё в порядке — если, конечно, удастся не загрязнять холодные арктические воды с их замедленным режимом обновления. А вот как преодолеть дрейф льдов? Или это будет временная дорога, наподобие зимников на замерзающих реках?

В реальности города Поулстар (Звезда Полюса) автор проекта убежден не меньше, чем в самой магистрали. Располагаясь на пересечении ледовых дорог, он станет крупным торговым центром. Питание жителей обеспечат местные ресурсы — рыба, креветки и гидропонная, то есть произрастающая в воде, растительность. Энергетические установки могли бы каким-то образом задействовать магнитное поле Земли или энергию, сконцентрированную в полярных сияниях.

С арктическими и горно-ледниковыми районами связано огромное количество заманчивых и дерзких замыслов. Например, есть грандиозный проект 1120-километрового тоннеля в Гренландии, который протянется от западного до восточного побережья через льды и горы острова. Его диаметр будет сравнительно небольшим, рассчитанным на одноколейное полотно электрифицированной дороги. Основная сложность — преодолеть движение льда, ведь в некоторых местах смещение достигает 20 м в сутки. Придётся, видимо, искать участки неподвижного материкового льда или предпочесть проходку в скальных массивах.

Видимо, лёд теперь будет постоянно привлекать к себе внимание нетрадиционно мыслящих инженеров. Сегодня гляциологам по силам управлять лишь отдельными элементами гляциосферы: усиливать таяние ледников и увеличивать их сток; покрывая тонким слоем веществ ледники, уменьшать их испарение и отступание; обстреливать лавинные склоны, тем самым обеспечивая дополнительное питание ледника. При этом необходимо чётко различать, где еще можно „командовать“ природой, а где силовые методы уже противопоказаны и человеку остаётся только подчиняться. Корректируя природу, нельзя забывать, что нарушения естественных законов развития могут повлечь за собой необратимые, а подчас и катастрофические процессы. Иначе хрупкая красота ледяного ожерелья планеты окажется под угрозой.

„Химия и жизнь — XXI век“

кандидат географических наук Ю. П. Супруненко