Баллонты II

ВОСКРЕСЕНЬЕ, 7 СЕНТЯБРЯ 2008 ГОДА

(Нет, «Баллонтов I» нет, но есть запись «Межпланетный зоопарк III», и её можно было бы назвать «Баллонты I»).

Думаю, баллонтам не помешало бы чуть больше внимания. Давайте начнём с небольшой иллюстрации их физики. Я отметил, что баллонты лучше работают в тяжёлых газах, а это означает, что в тяжёлой атмосфере для подъёма заданной массы вам требуется газовый пузырь меньшего размера, чем в лёгкой. Или же можно поднять более тяжёлый груз при том же объёме газового пузыря; принцип всё тот же. Итак, перед вами личинка миксоморфа. Родители снабжают её и газовым пузырём, и самим газом. Личинка просто плавает, подвешенная к газовому пузырю. (К слову, там есть полная версия изображения). Она пассивно плавает, пока не совершит посадку, а потом личинка может некоторое время поползать туда-сюда в поисках подходящего места для поселения, где она и останется до конца своей жизни. Конечно, настоящая личинка изображена лишь на одном из этих набросков: средняя. Тот, на котором личинка веретенообразная, демонстрирует последствия жизни в лёгкой атмосфере, а другой – её гипотетическая родственница из мест, где воздух тяжёлый.

Результатом исследования этого принципа становится целый ряд организмов с разных планет. В правом верхнем углу вы можете увидеть баллонта из лёгкой атмосферы. Он обладает большим газовым пузырём, а сам сильно уменьшился, чтобы парить по воле ветра. У него даже нет конечностей для перемещения по горизонтали, так как это было бы бесполезно. При движении вниз и влево газовый пузырь последовательно становится всё меньше. Эти животные живут в тяжёлой атмосфере, похожей на суп. Начинают появляться двигательные конечности, то есть крылья, и они прогрессируют от тонких слабых крыльев к более прочным формам. В конце, чуть выше серой линии, разница в плотности между газом и жидкостью уже не так велика, поэтому животное приобретает некоторые характеристики водных животных, вроде крыльев, которые выглядят почти как ласты.
Серая линия – это в буквальном смысле водораздел; ниже неё мы имеем дело с жидкостями, а скачок плотности настолько велик, что газовый пузырь может быть весьма небольшим. Фактически, он скрыт внутри животного и теперь мы знаем его как плавательный пузырь. Газовый пузырь или плавательный пузырь, крылья или ласты – на самом деле это одно и то же.

Оригинал статьи находится здесь.

---

Животные-аэростаты в рамках законов Ньютона (Баллонты III)

ПЯТНИЦА, 15 ИЮЛЯ 2011 ГОДА

Авторское право: Герт ван Дейк

У меня всегда была слабость к животным-воздушным шарам. Не к игрушечным воздушным шарикам, которые скрипят, когда их скручиваешь, делая из них фигурку, а к живым существам легче воздуха. Я бы хотел увидеть, как такие «воздушные шары» бесшумно и величественно парят над равнинами. Один из таких показан выше (ну да, тут их двое). Замечательный вид, верно? Я мог бы сделать экранные заставки, если кто-нибудь захочет такие.

Авторское право: Герт ван Дейк

Баллонты поменьше, размером менее метра, нравятся мне ещё больше. Они могут спускаться из полога тропического леса, чтобы выкачивать жидкости из трупов, или для чего-то такого же таинственного. Там нет ветра, так что эта среда может оказаться хорошей для них. Они могли бы также немного махать чем-нибудь.

Авторское право: Герт ван Дейк

Крошечные семена-аэростаты, дрейфующие с ветром по всему миру, образуя своего рода воздушный планктон, выглядели бы менее драматично, но были бы гораздо более распространёнными. В книгах по биомеханике совсем не упоминается полёт существ легче воздуха, но и радиальный полёт тоже не обсуждается, поскольку ни того, ни другого на Земле не существует. Обычный вопрос заключается в следующем: означает ли отсутствие животных легче воздуха на Земле то, что эволюция на настоящий момент забыла освоить это направление, или то, что эта идея просто «не взлетит»?
Ранее я уже писал о баллонтах (главным образом здесь и здесь), но на этот раз мы уделим основное внимание «точной науке», поэтому здесь будет несколько формулы и немного вычислений. Извините за это, но на самом деле это не так уж сложно. Цель состоит в том, чтобы увидеть, что необходимо для создания баллонта, способного поднимать красивое мощное тело на газовом пузыре как можно меньшего размера. Поскольку нам придётся кое-что объяснять, в этом сообщении мы не будем заходить дальше Земли.
Первый шаг – это осознать, что парение в воздухе работает точно так же, как и плавание в воде. Что касается «плавучести», вы найдёте материал о ней в учебниках по биомеханике (например, здесь и здесь). Всё начинается с закона Архимеда, который утверждал, что «сила, направленная вверх от объекта в воде, равна весу вытесненного объёма воды». Это справедливо и для воздуха, но давайте начнём с воды, потому что это немного понятнее интуитивно.

Занятно, но что с того? А то, что наличие величины g в формуле означает, что выталкивающая сила увеличивается прямо пропорционально гравитации. В мире, где гравитация вдвое больше земной, выталкивающая будет вдвое больше, чем на Земле. Одним из следствий этого является то, что плавающий объект всплывает быстрее, чем на Земле. Но будет ли он также поднимать большую массу тела, чего мы добиваемся? Как мы увидим далее, ответ отрицательный, но сначала мы должны рассчитать, какую массу может поднять воздушный шар. Первый шаг к этому – рассчитать собственный вес объекта. Мы знаем, как рассчитать вес: в конце концов, выталкивающая сила была весом воды:
вес объекта = g х Плотность объекта х Объем объекта
Итоговая сила получается путем вычитания одного из другого, что можно записать следующим образом:

Гравитационная постоянная g всё ещё на месте, но обратите внимание на остальную часть формулы. Если объект плотнее воды, итоговая сила направлена вниз – он тонет, а если объект менее плотный, он будет плавать. Независимо от того, что вы делаете с g, этот баланс не изменится. Без g формула описывает массу (плотность, умноженную на объём). Для чистого значения выталкивающей силы получающаяся в результате масса – это то, что может поднять объект:

Вот пример: предположим, что объект сделан из пробки плотностью 250 кг/кубический метр. Подставьте цифры для пробки и пресной воды, и вы получите (1000-250) х 0,0008 = 6 кг. Если вы привяжете массу в 6 кг к пробковому кубу, весь этот ансамбль просто останется на месте под водой, потому что его общая плотность теперь такая же, как у воды. (1) Всё, что нам нужно сделать, чтобы превратить это в формулу для газового пузыря баллонта, – это заменить «воду» на «воздух», а «объект» – на «пузырь»:

В уравнении по-прежнему отсутствует гравитационная постоянная g; хотя это и так, полная картина несколько сложнее: на плотность атмосферы, помимо иных факторов, сильно влияет сила притяжения, поэтому её влияние по-прежнему существует, но скрыто. Давайте уделим больше внимания плотности атмосферы, так как для баллонтов она окажется очень важной.
Плотность воздуха на Земле на уровне моря составляет всего около 1,2 кг на кубический метр, поэтому, чтобы баллонт смог взлететь, нам потребуются очень лёгкие материалы. Выбор ограничен. Гелий подошёл бы великолепно, но на планете земной группы его, вероятно, сложно найти, и изобретение биохимии для получения гелия может зайти слишком далеко. Водород легко найти, его можно вырабатывать, и он весит всего 0,0899 кг на один кубический метр. Теперь мы почти готовы к самому процессу.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке:
Радиус
Водород (объём)
Мембрана (масса)
Тело (поднимаемая масса)

На рисунке сверху показана простая схема баллонта. Она основана на приведённой выше схеме. А вот ингредиенты, которые должны работать при одной земной атмосфере и 20 градусах по Цельсию:

Вычтите две нисходящих силы из одной восходящей. Всё, что у нас осталось, – это то, какую массу может поднять газовый пузырь. Мы привяжем под ним тело, плотность которого в 1,1 раза больше плотности воды. (2)

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Масса воздушного шара как производная радиуса. Масса (кг). Радиус воздушного шара (м)
Вытесненный воздух
Поднимаемая масса
Масса мембраны
Масса водорода

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке:
2 метра
Радиус 1 метр поднимает 3,2 кг
Радиус 0,5 метра поднимает 0,2 кг

На приведённом выше графике показаны результаты для пузырей радиусом от 0,1 до 1 метра. Синяя линия (вытесненный воздух) – это то, что определяет восходящую силу, а мембрана (чёрная) и водород (зелёная) тянут вниз. Красная линия – это разница, и она определяет массу тела, которое вы можете подвесить к газовому пузырю. Хм; воздушный шар радиусом в один метр всё равно поднимает всего лишь около 3 кг, как показано на изображении под графиком (человек – это 3D-объект, который я нашёл в Интернете). И хотя 3 кг достаточно, чтобы создать интересное животное – вспомните о кошке! – относительные размеры газового пузыря и масса тела не радуют. Даже если мы приладим к телу несколько крыльев, животное всё равно окажется крайне подверженным действию малейшего ветерка. Это даже рядом не стоит с тем видом животных, который нам нужен. Думаю, нам нужно что-то лучшее. Даже протобаллонт должен получать хоть какое-то преимущество от своего газового пузыря, иначе дарвиновская эволюция не сдвинется с мёртвой точки.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Очень маленькие баллонты. Масса (кг). Радиус воздушного шара (м).

Возможно, сеянцам баллонтов повезёт больше, поэтому давайте проделаем эту работу для радиуса до 40 см. Но постойте: красная линия опускается ниже нуля, так что мелкие баллонты вообще ничего не могут поднять! Причина этого в том, что при небольших размерах их мембрана слишком тяжёлая. В ходе дальнейших рассуждений это становится понятным: масса мембраны увеличивается вместе с квадратом радиуса, а подъёмная способность (объём) – с его кубом. Для очень маленьких баллонтов масса мембраны может перевесить подъёмную силу! Увы, сеянцы баллонтов должны уйти. Их убивает не отсутствие дарвиновской приспособленности, а то, что они не укладываются в рамки ньютоновской вселенной.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Большие баллонты. Масса (кг). Радиус воздушного шара (м).

Давайте попробуем ещё раз с воздушными шарами радиусом от 1 до 5 метров. Так-то лучше: теперь мы можем поднимать сотни килограммов, что достаточно для внушительного животного, обладающего конечностями, пищеварительной системой, органом выделения водорода (каким бы образом он ни работал), щупальцами для обездвиживания и захвата пищи и т.д. Вы можете возразить, что мембрана слишком тонкая для животного такого размера. Я согласен, но даже при более толстой мембране, отсеках и т.д. эффект куба для объёма легко даст чистую подъёмную силу. К сожалению, воздушный шар с радиусом 5 метров всё ещё слишком велик и далёк от той формы, которую мы искали....
Таким образом, воздушному шару позволяет работать именно разница в плотности поднимающего газа в сравнении с окружающим воздухом. Возможно, это удивительно, но гравитация не определяет массу, которую можно поднять, или определяет её лишь косвенно, поскольку влияет на плотность атмосферы. Значение некоторых составляющих увеличивается пропорционально квадрату радиуса, а других – его кубу. Ранее мы видели, что это ограничивает размер наземных животных (начните знакомство с этой темой здесь). Для баллонтов дела обстоят как раз наоборот: чем больше, тем лучше – по крайней мере, в том, что касается поднимаемой массы. Жизнеспособно ли животное в дарвиновском смысле – это совершенно другое дело. Земля – это плохое место для баллонтов: всему виной Ньютон. Чтобы они оказались жизнеспособными, нам нужно манипулировать не баллонтом, а планетой! Подробнее об этом – в будущем.
(1) На самом деле тот объект, который вы привязываете под объектом, также обладает как весом, так и подъёмной силой. Цифра 6 кг включает разницу в массе между ними. (2) Тело также вытесняет немного воздуха, но его масса настолько мала, что мы будем игнорировать его подъёмную силу.

Оригинал статьи находится здесь.

---

Баллонты под давлением (баллонты IV)

СУББОТА, 30 ИЮЛЯ 2011 ГОДА

В предыдущей записи речь шла о физике воздушных шаров, с прицелом на то, что стоит учитывать при создании жизнеспособного животного с использованием конструкции легче воздуха. Главное, что выяснилось, и это не так уж и удивительно, – то, что воздушный шар заставляет работать разница в плотности между газом внутри него и воздухом снаружи. Также было ясно, что воздушные шары меньше определённого размера даже не отрываются от земли; для воздушных шаров чем больше, тем лучше. И это может вызвать затруднения, потому что как размножаются большие баллонты, если не путём появления маленьких?

Авторское право: Герт ван Дейк

Мы увидели, как маленькие баллонты создают проблемы, и вот одна картина из фурахской коллекции с маленькими баллонтами. Она была обречена на забвение вне зависимости от того, были ли жизнеспособными баллонты, которые на ней показаны. Это была одна из ранних картин; Шестиног (Caeruleacornu rubrum) слишком насекомоподобен, и мне больше не нравятся ни цвета, ни композиция. «Древо воздушных шаров» (Mollum trisiphonitum) – это миксоморф, использующий солнечный свет для создания небольших горячих точек, в которых происходят интересные тепловые реакции. Это дало мне хороший повод рисовать полупрозрачные пузыри, что всегда приятно делать. Моллумы запускают свой молодняк в воздух в виде личинок, подвешенных к мешочку в виде воздушного шара. Взрослый моллум надувает мешочек газами, выталкивая его вверх через один из своих сифонов. Как только мешочек выскакивает на свободу, клапан между мешочком и личинкой закрывается, и личинка плывёт в дикую голубую даль (или чуть поближе, в зависимости от обстоятельств). Предполагается, что личинка некоторое время ползает, прежде чем становится сидячей на всю оставшуюся жизнь.
Как вы можете увидеть, моллум несёт в себе некоторые из идей, упомянутых в комментариях к предыдущему сообщению – такие, как использование баллонта только для одной из стадий жизненного цикла существа или то, что его производит взрослая особь. А ещё там показано, какого рода баллонтов мне хотелось бы получить – то есть, довольно мелких... Ну что ж; теперь остаётся сделать лишь одно – поиграть со всеми множителями в уравнении баллонта, чтобы увидеть, как мы можем получить как можно большую массу тела при как можно меньшем газовом мешке.

Более тонкая мембрана
В расчетах мембрана состояла из вещества, похожего на майлар. Майларовые воздушные шарики для вечеринок, которые вы видите повсюду, используют металл, чтобы воспрепятствовать диффузии газов сквозь майлар. Могут ли животные поступать так же – неизвестно, но, когда рыбы сталкиваются с аналогичной проблемой для плавательных пузырей, их метод герметизации не подводит. Я изучил паучий шёлк, чтобы посмотреть, будет ли он лучше, но его плотность примерно такая же, как у майлара. Я не решился сделать мембрану тоньше 0,1 мм, что, как мне казалось, уже растягивало её (простите за это...).

Замените газ в баллоне
Чем легче газ внутри воздушного шара, тем лучше, а водород лёгок настолько, насколько это возможно. Единственный способ получить ещё меньшую массу – это нагреть водород: в конце концов, воздушные шары с горячим воздухом плавают, потому что один кубометр горячего воздуха весит меньше, чем один кубометр более холодного воздуха. Будет ли разница, если водород нагреть? «Закон идеального газа» прекрасно описывает соотношение между давлением, объёмом и температурой газа. После небольшого расширения модели баллонта эта модель позволила рассчитать, какую массу водорода можно было бы сэкономить при заполнении воздушного шара радиусом 1 метр для серии различных температур. И вот что получилось: этот гипотетический воздушный шар при температуре 15 градусов по Цельсию как внутри, так и снаружи мог поднять 4,8519 кг. При нагревании водорода до 25 градусов для получения того же давления требовалось меньше водорода, и поэтому воздушный шар мог поднять больше: дополнительные 12,4 грамма, если быть точным.
Что?! Некоторые дополнительные размышления прояснили, почему всё обстояло именно так. Горячему газу нужно меньше молекул, чтобы оказывать такое же давление, как более холодному газу, и разница в количестве необходимых молекул определяет разницу в массе, т.е. сколько он поднимает. Но водород весит так мало, что это уменьшение ни на что не повлияет. Влияние будет, если мы имеем дело с более тяжёлым газом, вроде воздуха. В воздушной среде нет особого смысла использовать воздушный шар с горячим водородом. Кстати, те, кто проектирует собственных баллонтов, должны убедиться, что газовый пузырь заполнен только водородом. Водяной пар значительно тяжелее водорода, поэтому газовый пузырь не должен быть «загрязнён» им!

Изменение состава атмосферы
Добавление в вашу атмосферу тяжёлых газов увеличит массу, которую может поднять баллонт. Земной воздух содержит в основном азот и кислород, но есть и более тяжёлые газы. Настоящими тяжеловесами являются благородные газы – такие, как криптон (3,7 кг на кубический метр) и ксенон (5,86 кг на кубический метр). Радон ещё тяжелее, но он радиоактивен. Вы можете помечтать о замене половины азота в земном воздухе ксеноном: плотность воздуха увеличилась бы в 2,4 раза, и подъёмная сила баллонта, наполненного водородом, тоже. Вся загвоздка здесь, конечно, в том, что тяжёлые элементы очень редки во Вселенной, поэтому в такой атмосфере было бы мало смысла. Могут помочь некоторые другие газы, такие как хлор, сернистый ангидрид или бензол. Большое их содержание создало бы приятную атмосферу для баллонтов. Не просите меня разработать биохимию, чтобы сделать такую атмосферу вероятной; я бы и не знал, как это сделать.

Изменение атмосферного давления
Ещё один способ – увеличить атмосферное давление. Газы можно сжать, и физика здесь не сложна. Скажем, некоторый объём воздуха на планете X будет иметь массу 1 кг; тот же объём водорода может иметь массу 0,1 кг. Таким образом, остаётся 0,9 кг, чтобы что-то поднять. Теперь мы увеличиваем давление вдвое. Тот же объём воздуха теперь весит 2 х 1 = 2 кг, и этот объём водорода весит 2 х 0,1 = 0,2 кг. Теперь разница составляет 1,8 кг – она также удвоилась. Таким образом, зависимость поднимаемой массы от плотности атмосферы будет линейной.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Поднимаемая масса. Атмосферное давление (в земных атмосферах). Радиус (м).

На приведённом выше графике показана поднимаемая масса; посмотрите в предыдущем сообщении, чтобы узнать, как она была выведена. Начало графика – на строчке для 1 атмосферы (то есть, это сама Земля). Если вы увеличиваете радиус своего воздушного шара, поднимаемая им масса увеличивается, причём тем больше, чем больше увеличивается радиус. Мы это знали. Переходим на следующую строку, для давления в две атмосферы, и получаем аналогичную кривую. Она просто будет выше.

Авторское право: Герт ван Дейк

На изображении сверху показано нечто подобное. Оно относится к воздушным шарам, описанным в предыдущем сообщении. У отметки «1 атм.» (где была бы Земля) находятся два воздушных шара, радиусом 0,5 метра и 1 метр. Под ними подвешены грузы, которые они едва способны поднять. Теперь давайте посмотрим, что произойдёт, если мы решим, что хотим от воздушных шаров поднятия тех же самых грузов, но при более высоком атмосферном давлении. Воздушные шары становятся меньше, но не настолько сильно, как вы могли бы подумать или захотеть. Например, воздушный шар, который при давлении в одну атмосферу был один метр радиусом, при давлении в две атмосферы может иметь радиус 79 см (этот радиус соответствует сфере половинного объёма относительно сферы радиусом в один метр – при удвоенной плотности их массы одинаковы; видите?).
Независимо от того, что вы делаете, этот эффект куба радиуса препятствует появлению маленьких баллонтов. Думаю, что я углублюсь в изучение возможностей атмосфер с давлением, в сотни раз превышающим Земное, в одной из записей далее. Здесь следует отдать должное «Юпитерианским парителям»; в книжном магазине «Новый Гадес» вы узнаете, что их существование предполагается для каждого газового гиганта, причём в таком изобилии, что это уже кажется скучным. Что ж, посмотрим ближе к делу.
Конечно, вы можете продолжать повышать атмосферное давление даже на планете земной группы, но у этого будут последствия; они всегда есть. Подумайте о силе ветра, подумайте о парниковом эффекте; вероятно, существует множество других факторов. Одним из них является «сопротивление среды», или сила, которая сопротивляется движению сквозь жидкости или газы. Если вы хотите, чтобы баллонт двигался против ветра, вам понадобится пузырь как можно меньшего размера, чтобы снизить лобовое сопротивление. При наличии огромного пузыря всё, что может сделать баллонт, – это плыть по ветру, сопротивление которому было бы бесполезным. В плотной атмосфере пузырь был бы меньшего размера, что сделало бы самоходного баллонта более осуществимым. Но с увеличением плотности среды её сопротивление также увеличивается; как я уже сказал, сложности существуют всегда, даже в простой ньютоновской вселенной.
В прошлом я немного поработал над физикой баллонтов, но не вдавался в детали. Эти ранние попытки заставили меня остановиться на давлении около двух земных атмосфер для Фурахи. Две атмосферы – это примерно то, что вы получаете под водой на глубине 10 метров на Земле. Человеческие тела могут адаптироваться к этому, о чем свидетельствуют подводные жилища. Ни тогда, ни сейчас, я не осмеливался повышать его, опасаясь последствий. Текущий более детальный анализ приводит к заключению, что для баллонтов меньшего размера, как бы это сказать, возможности существования исключены.
Но более крупные баллонты останутся – по крайней мере, на данный момент. Как размножаются фурахские баллонты и какова их эволюционная история – это темы, которые требуют немалых раздумий. Я не удивлюсь, если регулярные комментаторы решат эти проблемы задолго до того, как у меня дойдут до них руки...

Оригинал статьи находится здесь.

---

Баллонты на газовых гигантах («Баллонты V»)

СУББОТА, 17 АВГУСТА 2013 ГОДА

И снова баллонты? Ну, да: ранее я выяснял, можно ли создать сравнительно небольшую форму жизни, парящую за счёт того же принципа, что и аппараты легче воздуха, однако кое-что в этой истории осталось недосказанным. Поскольку последний из материалов был опубликован в 2011 году, возможно, было бы разумно кое-что припомнить (или продолжить свой путь отсюда, пройти здесь, и закончить на этом).

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Земной воздух; 1 бар; 20°С; Радиус: 62 см; Объём: 1 м³; H₂; Поднимает 0,53 кг

На рисунке сверху показана сцена, разворачивающаяся на Земле на уровне моря при температуре около 20 градусов по Цельсию. Некий местный разумный обитатель (давайте назовём его «Юлий») держит палку, обозначающую длину два метра. Есть также воздушный шар радиусом 62,03 см. Почему 62 см? Потому что он образует сферу объёмом ровно в один кубический метр (м³). Обшивка изготовлена из материала, похожего на майлар, толщиной 0,1 мм и массой 0,5802 кг. Воздушный шар заполнен самым лёгким из возможных газов – водородом. Водород имеет плотность около 0,0899 кг/м³ при 20 градусах, при том, что плотность воздуха составляет 1,2019 кг/м³. Таким образом, в воздушном шаре объёмом 1 м³ содержится 0,0899 кг водорода, тогда как масса соответствующего объёма воздуха составляет 1,2019 кг. Таким образом, воздушный шар может поднимать 1,2019-0,0899 = 1,1120 кг (этот момент необходим для понимания того, как работают воздушные шары). Поскольку масса кожи составляет 0,5802 кг, на построение красивого тела остаётся 1,1120-0,5802 = 0,5318 кг. Это вовсе не большое тело; если принять плотность тела равной 1,1 кг/м³, показывая тем самым, что наши тела чуть тяжелее воды, то мы можем подвесить под нашим воздушным шаром сферическое тело радиусом всего 4,9 см, и тогда ансамбль будет едва способен взлететь. Конечно, у настоящего животного были бы щупальца, конечности, ротовые органы и т. д.
Как уже говорилось выше, я хотел получить баллонтов с массой тела, скажем, 10 кг, но только с пузырём среднего размера. Как показывает приведённый выше пример, на Земле это исключено. Водород внутри воздушного шара нельзя сделать ещё легче, но мы можем изменить атмосферу снаружи него; в конце концов, это спекулятивная биология. Есть два способа сделать это: первый – накачать атмосферу очень тяжёлыми газами вроде аргона, но во Вселенной такие элементы довольно редки. Другой способ заключается в добавлении массы путём увеличения давления, так как это приведёт к втискиванию большей массы в тот же объём. Что ж, давайте исследуем газовые гиганты, где легко найти высокие давления.

ЮПИТЕР Стратосфера Дымка Тропосфера Аммиачный лёд Лёд из сернистого аммония Водяной лёд Капли воды/аммиака Газообразные водород, гелий, метан, аммиак и вода

САТУРН Стратосфера Дымка Тропосфера Аммиачный лёд Лёд из сернистого аммония Водяной лёд Капли воды/аммиака

УРАН Стратосфера Метановый лёд Сероводородный лёд Лёд из сернистого аммония Водяной лёд Капли воды, аммиака, серводорода

НЕПТУН Стратосфера Метановый лёд Аммиачный лёд Сероводородный лёд Лёд из сернистого аммония Водяной лёд Капли воды, аммиака, сероводорода

Источник: Университет Брайана Вандервенде, Колорадо

На рисунках выше приведена информация о «наших» газовых гигантах: состав атмосферы, температура и давление. Неудивительно, что атмосферное давление увеличивается по мере нашего погружения в атмосферу. Для нашей первой попытки нам, возможно, стоит быть несколько консервативными и действовать с оглядкой на биологию, основанную на жидкой воде. Температура в 20 градусов Цельсия не должна расстраивать Юлия; это то же самое, что 293 градуса Кельвина. Для Юпитера зона 293 градуса Кельвина означает атмосферное давление, примерно в 9-10 раз превышающее земное, поэтому начало выглядит неплохо. Вместо того, чтобы сразу окунаться в проблему, может быть проще делать это поэтапно, отталкиваясь от земной модели, показанной выше.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Юпитерианский воздух; 1 бар; 20°С; Радиус: 62 см; Объём: 1 м³; H₂; Не поднимает ничего!

На иллюстрации сверху показан первый шаг: земную атмосферу заменяем на юпитерианскую при давлении в одну атмосферу и 20 градусах Цельсия. Интернет-источники говорят, что атмосфера Юпитера состоит примерно из 86% водорода, 14% гелия и небольшого количества других соединений. Исходя из плотностей водорода (0,0899 кг/м³) и гелия (0,1664 кг/м³), плотность смеси водорода и гелия 86:14 должна составлять 0,1006 кг/м³. Оп-пааа! Это лишь чуточку плотнее, чистого водорода, которым нам нужно заполнить баллонта! Если вы думали, что земной воздух – это плохая среда для баллонтов, подумайте ещё раз. Итак, каковы же последствия? Ну, подъёмная масса составляет 0,1006-0,0899= 0,0107 кг. Помните, что масса кожи была 0,5802 кг? Для тела ничего не осталось, так что этот воздушный шар вообще не отрывается от земли.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Юпитерианский воздух; 10 бар; 20°С; Радиус: 62 см; Объём: 1 м³; H₂; По-прежнему не поднимает ничего!

Нашей целью было высокое давление, поэтому давайте увеличим давление до 10 атмосфер. Масса внутри воздушного шара будет в 10 раз больше, как и масса эквивалентного объёма воздуха. Таким образом, поднимаемая масса также становится в 10 раз больше: 10 х 0,0107 = 0,107 г. Это по-прежнему далеко от массы кожи, так что этот воздушный шар тоже не взлетает.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Воздух Урана; 50 бар; 20°С; Радиус: 62 см; Объём: 1 м³; H₂; Поднимает 0,66 кг

Давайте покинем Юпитер и поищем место, более дружелюбное к баллонтам. На Уране и Нептуне в диапазоне 293 градусов Кельвина атмосферное давление примерно в 50 раз превышает земное. Это лучше, и атмосфера Урана, похоже, тяжелее: в ней содержится 2,3% метана. Я принимаю плотность смеси с ним равной 0,1148 кг/м³ при 1 атмосфере и 20 градусах С. Таким образом, воздушный шар объёмом 1 м³ может поднять 0,1148-0,0899 = 0,0249 кг. Этого недостаточно, но при давлении 50 атмосфер подъёмная масса будет в 50 раз больше, или 1,2450 кг. При вычитании кожи остаётся 0,6648 кг. Наконец-то летучий воздушный шар! Ура!
Или, возможно, не «ура», потому что это лишь немногим больше, чем то, с чего мы начинали на Земле... Давайте дойдём до 200 атмосфер на Уране: поднимаемая масса при уже вычтенной массе кожи составит 4,4 кг, а при 500 атмосферах она будет равна 11,9 кг. Наконец-то мы получили то, что хотели!
Ну, не совсем; эти значения ещё не применялись в условиях более низких температур. Забудем про Юлия, потому что нам нужна совершенно новая биохимия. И вдобавок атмосфера теперь настолько густая, что вам не захочется думать о ветре или о движении в ней. В этих газовых гигантах таится ещё одна потенциальная катастрофа, добавляющая ещё больше проблем: это гравитация. Гравитационная постоянная Урана составляет 8,85 м/с², что немногим меньше, чем у Земли с её 9,8 м/с². Но у Юпитера её значение – свыше 25, так что, если вы думали, что вам сойдёт с рук славненький хрупкий баллонтик, размахивающий в воздухе своими тонкими усиками и обвивающий добычу тощими щупальцами, подумайте ещё разок: животному понадобятся крепкие конечности, подходящие для среды с 2,5 G.
Уже создаётся реальное ощущение, что Вселенная пытается устроить диверсию против баллонтов, верно? Для газовых гигантов действительно характерно высокое атмосферное давление, но тот факт, что атмосфера состоит из очень лёгких элементов, сводит его благотворное влияние на нет. Похоже, что единственный способ получить жизнеспособного (игра слов) баллонта на планете юпитерианского типа – это сделать баллонта невероятных размеров. Но именно с этого мы и начинали... Я начинаю думать, что поселение баллонтов на газовых гигантах, возможно, не несёт никаких заметных преимуществ, хотя в научной фантастике они просто кишат. Жить им там будет примерно так же плохо, как и на планетах земной группы, а это значит, что они фактически могут там жить, но они должны быть крупными, очень крупными. Возможно, на газовых гигантах у баллонтов есть и другие преимущества: на них, безусловно, много атмосферы, в которой можно порезвиться.
Могу ли я по-прежнему утверждать, что баллонты настолько широко распространены на газовых гигантах, что это даже становится скучным? Да, но обычно они будут большими; возможно, именно это и делает их скучными. Похоже, что лучший выход для мелких баллонтов предлагают планеты земной группы с тяжёлыми газами и высоким давлением: аналоги Венеры? Возможно, когда-нибудь появятся «Баллонты VI».

Оригинал статьи находится здесь.

---

Баллонты VI; шаг от края пропасти или всё ещё свинцовые воздушные шарики?

ПЯТНИЦА, 31 ИЮЛЯ 2020 ГОДА

На протяжении многих лет многие читатели выражали сожаление, узнав, что баллонтов, то есть формы жизни легче воздуха, практически невозможно создать на землеподобной планете. Единственный путь, который возможен для получения баллонтов в таком мире, – нужно придать ему форму по аналогии с настоящими воздушными шарами на Земле: они должны быть очень, очень большими. Чего мне бы хотелось всей душой, так это баллонтов в форме воздушного планктона, плывущего через леса, или мелких «сеянцев» баллонтов, которых выпускают их родители, или чего-то, скачущего по равнинам на кончиках пальцев, как в предыдущем посте. Такие баллонты могли бы стать неотъемлемой частью фурахского зверинца, пока я не уселся за подсчёты. Прочищающие мозг результаты можно найти здесь, здесь и здесь.

Памятуя об этом, я был очень удивлен, увидев на YouTube видео, где показан очень маленький воздушный шар. Я скопировал из него два кадра, чтобы показать вам, но советую вам посмотреть его на YouTube.
На видео показан очень маленький воздушный шар, такого размера, который очень хорошо подошёл бы для баллонта! Был ли я неправ, думая, что мелкие баллонты или, если уж на то пошло, маленькие воздушные шары невозможны? Диктор на видео говорит, что воздушный шар весит 0,3 грамма и ему нужно всего лишь «ноль целых, пятьдесят восемь тысячных литра гелия для взлёта». На видео показана рука, отпускающая нитку, или мы предполагаем, что это так, поскольку я не вижу нитку, о которой идёт речь, и затем изображение воздушного шара поднимается. Утверждение о том, что воздушный шар действительно поднимается в воздух, когда его отпускают, звучит убедительно. Но видео было снято в рекламных целях, а реклама и правда – это не лучшие друзья. Будьте осторожны: та часть, где воздушный шар поднимается после того, как был отпущен, выглядит скорее как анимация, чем как реальное событие, а в остальной части клипа нет реальных съёмок полёта воздушного шара.
К счастью, они показали цифры: на видео указан объём гелия, равный 0,058 л. Объёмы не зависят от веса или массы, поэтому я полагаю, что они имели в виду внутренний объём надутого воздушного шара, поскольку это кажется единственной вещью, что имела бы смысл. Мы можем легко установить, какой должен быть размер сферы, чтобы она вместила 0,058 л. Переведите это в кубические метры, примените уравнение для объема сферы (4/3 x пи x R³ , где R будет радиусом воздушного шара), и вы получите радиус 0,024 м, или диаметр воздушного шара 4,8 см. Это похоже на размер, который они показали в клипе. Очень хорошо, но какую массу на самом деле может поднять этот объем гелия?
Хорошо, при «нормальных» условиях, то есть, при 20 градусах Цельсия и давлении одна атмосфера, плотность гелия составляет 0,179 кг на кубический метр, а воздуха – 1,2019. Исходя из этого, легко рассчитать массу 0,058 л гелия и 0,058 л воздуха. Вычтите одно из другого, и это будет масса, которую вы сможете поднять. У вас получится 0,059 грамма. Это – практически ничто! И вспомните, что для того, чтобы воздушный шар полетел, он должен вначале поднять массу своей собственной оболочки. В этом случае масса оболочки должна быть МЕНЕЕ 0,059 грамма, иначе он не сможет полететь. Удачи вам в этом деле. Я начинаю думать, что воздушные шары в клипе удерживались в воздухе не отрезком нити, а куском жёсткой проволоки.
Тем не менее, мне было интересно, можно ли как-нибудь выйти из положения с физикой. В своих предыдущих моделях я воспользовался для оболочки воздушного шара характеристиками ПЭТ, потому что это прочный материал, который не пропускает даже газы. К сожалению, плотность ПЭТ составляет около 900 кг на кубический метр, поэтому его плотность лишь немного меньше плотности воды.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Подъёмная сила и массы воздушных шаров (ПЭТ оболочка)
Масса воздуха
Масса гелия
Масса оболочки
Поднимаемая масса (разница масс)
Радиус (см)

И вот опять моя старая модель. Ось x показывает радиус сферического воздушного шара в сантиметрах, а ось y показывает массу в граммах. Воздушный шар работает, если существует разница в массе между вытесненным воздухом и газом внутри воздушного шара. Если эта разница больше, чем масса оболочки, вы получаете подъёмную силу. На графике подъёмную силу показывает красная линия: если значения отрицательные, воздушный шар опускается, а если положительные – взлетает. Этот воздушный шар из ПЭТ не будет летать, если его радиус менее 25 см; это большой воздушный шар. На самом деле, он ЗНАЧИТЕЛЬНО больше, чем воздушные шарики, которые вы можете купить для вечеринок. Оболочка латексных шариков должна весить намного меньше, чем оболочка в моей модели.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Подъёмная сила и массы воздушных шаров (невесомая оболочка)
Масса воздуха
Масса гелия
Масса оболочки
Поднимаемая масса (разница масс)
Радиус (см)

Вот та же самая модель, но теперь мембрана чудесным образом полностью лишена массы. Это очень помогает! Имейте в виду, что третья степень по-прежнему создаёт трудности: воздушный шар радиусом 10 см всё равно может поднять лишь 5 г. Чтобы поднять всего лишь один грамм, вам потребуется радиус 6 см. Даже без такой невесомой мембраны вы не сможете получить по-настоящему маленькие воздушных шары. В связи с этим возникает вопрос: какова масса типичного детского воздушного шарика, и как небольшие производители могут их изготавливать?
Я задал вопрос производителям воздушных шаров, и они проявили достаточную любезность, ответив на него. Оказывается, гелиевые шарики размером 9 дюймов могут летать, а 5-дюймовые шарики – самые маленькие, которые способны летать. Но они летают с трудом и лишь недолго, потому что гелий просачивается сквозь латекс. Сейчас я отказываюсь от использования нелогичных средневековых единиц измерения, поэтому заменю 12,5 см на ширину пяти больших пальцев рабочего человека, прижатых друг к другу. Это радиус 6,25 см. Производитель сказал мне, что вес такого воздушного шарика составляет примерно 0,7 г, если он сделан из белого латекса. Окраска влияет на вес.
Что ж, это имеет смысл, если сравнить его с волшебной невесомой оболочкой: чудесная оболочка может поднять один грамм при радиусе 6 см, и теперь мы видим, что фактический вес оболочки воздушного шарика такого размера составляет 0,7 г. Это оставляет 0,3 г, которые можно поднять. Этого как раз хватит.
Сегодняшний урок заключается в том, что физика по-прежнему строит козни против баллонтов. Вторичный урок может состоять в том, что рекламщики могут впустую тратить ваше время. Я это уже знал. Вздох сожаления.
----------------------------------------------------------------
PS это дополнительная иллюстрация, которую я подготовил, но не опубликовал. Тем не менее, она так хорошо согласуется с комментарием Абби внизу, что я решил её добавить.

Авторское право: Герт ван Дейк

Подписи на рисунке: Подъёмная сила и массы воздушных шаров (очень лёгкая оболочка)
Масса воздуха
Масса гелия
Масса оболочки
Поднимаемая масса (разница масс)
Радиус (см)

Оригинал статьи находится здесь.

---

Свитки мёртвых IV (Архивы XIV, Баллонты VII)

ВОСКРЕСЕНЬЕ, 30 АВГУСТА 2020 ГОДА

Я подумал, что мог бы представить ещё одно сообщение, объединяющее старые рисунки, ну, или эскизы, главной темой которых будут баллонты. Причиной этого послужили комментарии к предыдущим записям, касающимся баллонтов. Если вы читали последнюю из них, то наверняка заметили, что самая неприятная часть физики воздушных шаров, та часть, которая препятствует появлению маленьких воздушных шариков, – это оболочка, заключающая в себе поднимающий газ. Для небольших воздушных шаров оболочка просто слишком тяжела для подъёмной силы, создаваемой тем небольшим количеством газа, который она окружает. Лучшим решением этой проблемы было бы придумывать очень крупных баллонтов, но в результате они, вероятно, оказались бы целиком во власти ветров. К сожалению, маленькие баллонты не смогли бы даже взлететь с земли. Тем не менее, вот несколько старых набросков.

Авторское право: Герт ван Дейк

Баллонты, какими я их впервые предположил для себя и представил здесь, были «полноценными» животными: это означает, что они обладали всеми органами, необходимыми им для жизни, в том числе органами пищеварения, оболочками, нервной системой и т.д. Но я также обыгрывал и другой способ использования баллонтов, и это была более ограниченная версия: они могли служить только для распространения семян или личинок. С этой точки зрения газ и оболочку создавал бы гораздо более крупный родительский организм, который сам по себе определённо тяжелее воздуха. На рисунке сверху показано одно из отображений этой идеи: мы видим нечто напоминающее водяную лилию, и большая часть организма скрыта от глаз под поверхностью воды. Но внутри него есть «баллонтородные» органы; вы можете увидеть одну личинку, которая только что высвободилась, а другая в это время находится в процессе наполнения своего баллона. Идея заключалась в том, что родительская особь надувает мешок, и что личинка, высвободившись, пассивно затыкает отверстия, через которые родительская особь вводила газ.

Авторское право: Герт ван Дейк

На изображении сверху показана очень похожая идея. Здесь большая часть родительской особи скрыта под песком этого болота, или пляжа, или где там это происходит. Несмотря на то, что по стилю этот рисунок напоминает работы Дали, я подумал, что этот эскиз визуально менее приятен, чем предыдущий.

Авторское право Герт ван Дейк

А здесь эта внешне схожая схема основывается на ином механизме формирования оболочки. Здесь своеобразный микробный мат под поверхностью воды и на ней обладает способностью выделять газ легче воздуха – возможно, метан. Газ будет выталкивать поверхностный слой мата вверх, образуя выпуклость. По мере увеличения объёма газа пузырь ещё сильнее приподнимает мембрану. Он может высохнуть и стать легче, а также сузиться в нижней части, образуя нечто вроде троса. Я признаю, что мне было не совсем ясно, какой должна быть оболочка, чтобы сохранять пузырь в целости. Если вы присмотритесь повнимательнее, то увидите, что внутри внешней слизистой плёнки находится чётко различимое круглое образование. Что это было и как это могло бы функционировать, было не совсем продумано: когда делается набросок, формы просто объединяются, и процесс контролируется сознанием лишь частично. Оглядываясь назад, в настоящее время я могу добавить одно слово, которое, возможно, могло бы решить эту проблему: пена. Но подробнее об этом расскажу в дальнейших записях.
Мне очень понравилась концепция своеобразного микробного ведьминого варева, образующего слизистые маты, которые в конце концов превращаются в красивого баллонта, уносящего всю культуру микробов туда, куда её забросит ветер.

Авторское право: Герт ван Дейк

Этот рисунок очень похож на предыдущий, только чуть больше проработан и более приятен глазу, если речь идёт о его потенциале для создания картины. (Не знаю, почему я подписал внизу «Colonia volitans»; это должна быть «Colonia volans», «летучее поселение».)

Авторское право: Герт ван Дейк

На самом деле, я не смог удержаться и потратил на него ещё 15 минут, по-быстрому добавив немного цвета, чтобы посмотреть, можно ли вдохнуть жизнь в этот старый набросок. Думаю, вышло не так уж плохо; что-то подобное может выйти удачным с художественной точки зрения.

Кое-что новое для этого блога
Хотя «удовольствие с художественной точки зрения», безусловно, важно при проектировании спекулятивных форм жизни, это не единственное, что требует художественного мастерства. Также должна присутствовать осуществимость с точки зрения биологии и физики, и это тоже нелёгкая работа. Пожалуйста, помните, что в основе показанных выше эскизов, к сожалению, лежала полная неосуществимость их с точки зрения физики, и именно поэтому они были отвергнуты. Из предыдущих записей и комментариев стало ясно, что мелким баллонтам действительно нужна «волшебная невесомая оболочка». Но «невесомое» – это уже «волшебное», вступающее в противоречие с понятием «физика».
Тем не менее, одному из комментаторов, Абби (сокращение от Аббидон (Abbydon)), пришла в голову гениальная идея. Он написал, что графеновые плёнки могут позволить создавать очень тонкие и почти невесомые оболочки. Будет ли синтез графена биологически правдоподобным или осуществимым процессом, ещё предстоит выяснить. Но мне понравилась мысль о том, что это может сделать баллонтов осуществимыми, как минимум, с точки зрения физики, поэтому я предложил Аббидону сделать то, чего я никогда раньше не делал, а именно – написать сообщение для этого блога. Имейте в виду, это не означает, что предыдущие комментаторы были не такими умными; просто мне никогда не приходило в голову просить кого-либо сделать свой вклад непосредственно в блог. Аббидон согласился, так что вы можете ожидать, что будущая запись «Баллонты VIII» будет сделана за его подписью.

Оригинал статьи находится здесь.

---

Баллонты VIII: В мыслях о голубых небесах (Часть 1)

ЧЕТВЕРГ, 10 СЕНТЯБРЯ 2020 ГОДА

Автор: Abbydon

В последние несколько лет я обнаружил в себе интерес к астробиологии, потому что она сочетает в себе мою детскую увлечённость астрофизикой и биологией одновременно. В связи с этим мне также нравится спекулятивная биология, хотя, к сожалению, мои художественные таланты удручающе скромны (для справки: я не создавал ни одной из иллюстраций, показанных ниже). По этой причине я с интересом следил за различными статьями об организмах легче воздуха (также известных как «баллонты»).
Как и многих других людей, меня огорчило то, что разработка правдоподобного маленького баллонта оказалась непростой задачей. Большие баллонты оказываются жизнеспособными из-за того, что они способны генерировать достаточную подъёмную силу, чтобы позволить летать и воздушному шару, и туловищу, однако баллонты меньшего размера не в состоянии оторваться от земли.
Это достойно сожаления, поскольку означает, что молодняк «больших» баллонтов не сможет плавать по воздуху, пока не вырастет достаточно крупным. Мелкие баллонты также интересны тем, что они могут составлять лишь часть жизненного цикла организма, что может позволить телу иметь неполную функциональность. Это может быть механизм рассеивания спор сидячим организмом – что-то вроде более сложной версии созревшей головки одуванчика. Или, напротив, это может быть приспособление исключительно для размножения – вроде взрослой подёнки, жизнь которой может измеряться минутами.
Как уже обсуждалось ранее в этом блоге, проблема для небольших баллонтов заключается в оболочке, необходимой для удержания подъёмного газа, который легче воздуха. Небольшой объем подъёмного газа без оболочки, конечно, взлетел бы, но он ничего бы с собой не взял. Следовательно, очевидно, что для отделения подъёмного газа от остальной атмосферы необходима оболочка того или иного рода. К сожалению, масса оболочки пропорциональна площади поверхности баллонта, тогда как подъёмная сила пропорциональна его объёму. Поскольку все оболочки обладают массой, это означает, что для небольших баллонтов масса оболочки обычно больше, чем подъёмная сила, создаваемая подъёмным газом.
Решение этой проблемы требует пересмотра вопроса о том, что можно было бы использовать в качестве оболочки, которая будет ближе к «волшебной невесомой оболочке», чем майлар. Майлар используется для долгоиграющих гелиевых шариков для вечеринок и имеет толщину 0,1 мм при плотности в 1,2 раза больше воды, что идеально подходит для больших баллонтов, но недостаточно для мелких.
На ум приходят две возможные идеи, которые могли бы добиться осуществления поставленной цели: первая из них будет обсуждаться в этой статье, а вторая зарезервирована для следующей. Первая возможность, которую следует рассмотреть, заключается в том, можно ли использовать мыльные пузыри. В Интернете есть много видеороликов, на которых видно, как образуются пузырьки легче воздуха, наполненные водородом, хотя обычно их существование заканчивается в пламени – а мы вряд ли хотим, чтобы это случилось с нашими бедными баллонтами.
Мыльные пузыри могут показаться не идеальной формой для баллонта, но толщина мыльной плёнки пузыря обычно составляет около одной тысячной доли миллиметра, а её плотность примерно равна плотности воды. Это гораздо ближе к невесомой оболочке, чем майлар, так что, возможно, она позволит существовать баллонтам меньшего размера. Баллонт не стал бы использовать мыло для создания пузырей в буквальном смысле, но использовал бы вместо него какое-нибудь альтернативное органическое химическое соединение.
В предыдущих статьях было показано, что гипотетический баллонт на основе майлара взлетает лишь при условии, что его радиус превышает 30 см, но приведённая ниже схема показывает, что наполненный водородом мыльный пузырь может дать подъёмную силу при гораздо меньших размерах. Для справки,

Авторское право: Abbydon

Подписи на рисунке: Одиночный пузырь с толщиной стенки 0,001 мм, наполненный водородом
Масса (г)
Радиус (см)
Масса воздуха; масса водорода; масса плёнки пузыря; масса, поднимаемая одиночным пузырём

Однако, хотя мировой рекорд из книги рекордов Гиннесса по размеру мыльных пузырей составляет чуть менее 100 кубических метров, мы не ожидаем, что реалистичные баллонты станут использовать одиночные пузыри такого размера. На следующей схеме показано, что пузыри меньшего размера, наполненные водородом, всё ещё способны поднимать несколько миллиграммов, если их радиус превышает 3 мм.

Авторское право: Abbydon
Подписи на рисунке: Одиночный пузырь с толщиной стенки 0,001 мм, наполненный водородом
Масса (г)
Радиус (см)
Масса воздуха; масса водорода; масса плёнки пузыря; масса, поднимаемая одиночным пузырём

Известно, что во имя науки учёные делают странные вещи, но, возможно, одна из самых странных работ, которые я читал, рассказывает о взвешивании 90 муравьёв-листорезов для определения их грузоподъёмности. Видно, что их вес варьировал от 1,2 до 36,8 мг при среднем значении 9,3 мг. Крайний нижний предел этой шкалы достаточно лёгкий, чтобы его мог поднять один пузырёк радиусом около 7 мм. Возможно, инопланетный муравей-листорез мог бы создавать пузырь, чтобы добраться до вершины дерева, срезать лист и использовать балласт, чтобы спуститься обратно. Такой «муравьиный баллонт» может выглядеть как медовый муравей с пузырьком вместо брюшка, как показано на наброске внизу.

Авторское право: Герт ван Дейк. Размер квадратов – 1 мм. На левой половине
изображены круг радиусом 7 мм и мелкий муравей-листорез. На правой половине
изображён продукт эволюции – муравей, удерживающий пузырь между задних ног.

Единственный пузырь мог бы быть подходящим решением для крохотных баллонтов вроде муравья, но он был бы слишком хрупким для крупных. Лучшим решением для крупных баллонтов было бы выделение пены из множества мелких пузырьков. Каждый из этих пузырьков сам по себе создавал бы подъёмную силу, а пенная масса создавала бы её в большем количестве. Этот подход был использован для создания парящих в воздухе букв из наполненной гелием пены в рекламных целях!

На приведённом ниже графике показано, что такая пенная масса создаёт меньшую подъёмную силу, чем один пузырёк такого же объёма, но сферическая масса пены радиусом 5 см, состоящая из отдельных пузырьков радиусом 0,5 см, всё равно способна нести чуть больше четверти грамма. Это опять кажется лёгким, но она, безусловно, может переносить щепотку семян или насекомое в несколько раз крупнее муравья. Вероятно, этого даже достаточно, чтобы нести позвоночное животное вроде лягушки длиной 7,7 мм (Paedophryne amanuensis) с растопыренными лапками, чтобы оставаться в контакте с пузырьками.

Авторское право Abbydon

Подписи на рисунке: Одиночный пузырь, наполненный водородом, против пены
Масса (г)
Радиус (см)
Поднимаемая масса без оболочки; поднимаемая масса одиночного мыльного пузыря; поднимаемая масса мыльной пены

Всё это говорит о том, что идея мыльного пузыря применима для создания в какой-то степени правдоподобного мелкого баллонта без лишних разглагольствований. Это возможно благодаря тонкой оболочке на водной основе, но у неё есть один существенный недостаток – короткий срок службы. Пузырь рано или поздно лопнет, в отличие от твёрдой оболочки. Ею можно управлять, если баллонту не нужно оставаться в воздухе бесконечно долго, возможно, потому, что это лишь часть жизненного цикла (как, например, семя или подёнка) или, возможно, потому, что он создаёт пену для полёта только ночью. В качестве альтернативы организм мог бы постоянно регенерировать пузырьки во время полёта, чтобы поддерживать подъёмную силу и даже управлять ею.
Но насколько долго может сохраняться пузырь? Говорят, что около ста лет назад шотландскому учёному Джеймсу Дьюару удалось получить пузырь диаметром 19 см, который продержался в герметичном контейнере более трёх лет, а пузырь диаметром 32 см – 108 дней. В реальных условиях это маловероятно, но опыты показывают, что это возможно.
Пузыри лопаются, когда оболочка становится слишком тонкой из-за того, что вода в оболочке стекает в нижнюю часть пузыря или попросту испаряется. И хотя условия низкой температуры и высокой влажности могут позволить баллонту на основе мыльных пузырей продержаться дольше, более целесообразным подходом является добавление химических веществ в смесь для создания пузырей, чтобы сделать оболочку более эластичной. Для домашних развлечений в Вики мыльных пузырей есть несколько рецептов такого рода.
Вопрос о том, насколько долго может сохраняться пузырьковая пена, остаётся открытым, но при помощи этих смесей домашнего изготовления для выдувания пузырей она держится несколько минут. Некоторые виды лягушек и рыб строят из пузырьков гнёзда, которые сохраняются на протяжении нескольких дней, однако они требуют ухода и могут быть слишком тяжёлыми для взлёта. Следовательно, можно предположить, что возможный с точки зрения биологии вариант между этими двумя крайностями мог бы давать пену из пузырьков, которая была бы достаточно лёгкой, чтобы взлетать, но сохранялась бы дольше, чем обычно. Она была бы идеальным вариантом для распространения семян, спор или личинок, когда родительская особь может создать сгусток пены радиусом 5 см, содержащий несколько сотен пузырьков, а затем отправить его в самостоятельное путешествие на новые пастбища. Это показано внизу, где мелкие личинки фурахских «брочо» взвешены в толще летучей пены, которая обеспечивает им более долгое путешествие, чем было бы возможно без неё.

Авторское право: Герт ван Дейк. Это эскиз к картине, которая
уже закончена и появится в Книге.

Авторское право: Герт ван Дейк. В Книге будет размещено много второстепенных
иллюстраций; эта будет находиться рядом с приведённой выше.

Подпись к иллюстрации: "наблюдатели за плотами" - это те, кто получает удовольствие, наблюдая за "парителями" и
определяя их; у них есть свой собственный словарь. Плоты разных видов различаются по форме и окраске, но очень изменчивы
внутри каждого вида, давая повод для многочисленных дискуссий. Личинки "брочо" взвешены в толще пены, чему способствуют
их крохотный размер, обтекаемая форма тела и длиные волоски, выпадающие, когда плот совершает посадку.

Эту статью завершит обсуждение альтернативного варианта мыльных пузырей для мелких баллонтов. Пожалуйста, расскажите нам, что вы думаете о баллонтах из мыльных пузырей, в комментариях под статьёй.
Поскольку людям, похоже, интересны мои мысли на по этим темам, я подумал, что мне, возможно, следует создать свой собственный блог. Поскольку я физик, а не художник, он будет совершенно не похож на блог о планете Фураха. Поэтому я начал блог Exocosm, в котором будут обсуждаться варианты планет вокруг других звёзд (т. е. экзопланет). Время покажет, смогу ли я постоянно писать стоящие статьи, хотя…

----------------------------------

Это был первый гостевой пост в данном блоге, и я надеюсь, что он вам понравился. Мы с Abbydon решили разделить его на две части; вторая уже написана, но прежде, чем её можно будет опубликовать, мне нужно создать дополнительную иллюстрацию.
Если кто-то ещё заинтересован в написании гостевого сообщения, напишите мне об этой идее, но полный текст пока не присылайте!
Зигмунд Настраззурро
(nastrazzurro AT gmail DOT com)

Оригинал статьи находится здесь.

---

Баллонты IX: В мыслях о голубых небесах (Часть 2)

ВТОРНИК, 13 ОКТЯБРЯ 2020 ГОДА

Автор: Abbydon

В предыдущей статье обсуждалась возможность использования мыльных пузырей для создания небольших организмов легче воздуха. Вторая возможность сложнее; она основана на чудо-материале – графене. Он был открыт в 2004 году двумя учёными из Манчестерского университета, которые впоследствии были удостоены Нобелевской премии за свою работу.
Графен состоит из плоского листа атомов углерода, поэтому он немного похож на двухмерный алмаз. Он обладает многими интересными свойствами, но больше всего известен своей высокой прочностью (в 100 раз прочнее стали) и низкой плотностью (менее 0,001 грамма на квадратный метр). Забавная иллюстрация этого была приведена в статье, описывающей открытие, удостоенное Нобелевской премии. Представьте себе графеновый гамак площадью один квадратный метр, привязанный между двумя деревьями. Он смог бы выдержать кошку весом 4 кг и не порваться, но весил бы всего лишь столько же, сколько один из усов этой кошки.
Каким бы впечатляющим это ни было, недавнее исследование подсказывает, что графен обладает ещё одним свойством, которое чрезвычайно важно для баллонтов. Графен ещё и непроницаем для газов. При такой удивительно низкой плотности он успешно образует матово-чёрную невесомую оболочку, даже если использовано нескольких тысяч слоёв.
Однако для жизни создание графенового пузыря без каких-либо дефектов было бы чрезвычайно сложной задачей. Более надёжный подход заключается в копировании концепции пузырьковой пены и использовании вместо неё массы маленьких графеновых «пузырьков». Удобно, что учёными был изобретён материал, чрезвычайно похожий на этот, под названием аэрографен. Он состоит из сложной трёхмерной сети из графена и углеродных нанотрубок, в которой большую часть объёма занимает воздух. По этой причине при измерении в вакууме его плотность оказывается немного ниже, чем у гелия, и составляет 0,16 кг/м³.

Авторское право неизвестно; источник здесь

Хотя аэрографен сам по себе не является воздухонепроницаемым, вполне возможно, что можно было бы получить подобный материал, содержащий множество небольших воздухонепроницаемых отсеков по аналогии с пузырьковой пеной. Если бы в этих отсеках содержался подъёмный газ, то вся конструкция могла бы взлететь. Упоминая аэрографен далее, я на самом деле имею в виду эту возможность, а не реальный материал. На приведенной ниже диаграмме показано, что и 1000-слойная графеновая мембрана, и «цельный» аэрографеновый баллон легко позволят запускать маленьких (или больших) баллонтов.

Авторское право: Abbydon

Подписи к рисунку: Сравнение подъёмной силы графенового и мыльного пузырей
Масса (г)
Радиус (см)
Поднимаемая масса без оболочки; поднимаемая масса мыльного пузыря; поднимаемая масса графенового пузыря; поднимаемая масса аэрографенового пузыря

(увеличенная версия изображения отсутствовала в первоисточнике - прим. перев.)

Это убедительно свидетельствует о том, что можно использовать «волшебный» материал, похожий на аэрографен, чтобы позволить существовать небольшим баллонтам. Поскольку у них не может быть мембраны, то всякий произведённый организмом аэрографен будет представлять собой внешнюю структуру, нарощенную снизу вверх, как волосы, и не может быть восстановлен, а только заменён. Дополнительный графен будет образовываться на нижней поверхности, где висит сам организм, и параллельно этому верхняя поверхность будет медленно разрушаться.
К сожалению, неизвестно, могла ли жизнь вообще создавать графен, поскольку жизнь на Земле, по-видимому, не производит его естественным путём. Промышленные процессы производства продуктов на основе графена обычно требуют температур, лежащих за пределами возможностей даже самых экстремальных экстремофилов. Однако бактерий Shewanella oneidensis можно использовать для получения графена из оксида графена – а это, как минимум, уже начало.
Я не химик, и это не тот блог, где уместно глубоко вникать в конкретный химический процесс, который могла бы использовать жизнь для получения графена при температуре окружающей среды. Однако есть одно оправдание этого процесса, которое позволяет считать его не слишком неправдоподобным. Было продемонстрировано вдохновлённое процессом фотосинтеза прямое превращение углекислого газа в графен при высоких температурах. Также было показано, что несколько иной подход работает даже при комнатной температуре.
В качестве примера того, какие возможности это открывает, можно сказать, что комок тёмно-серого аэрографена примерно шарообразной формы и радиусом 9 см может поднять около 3 г. Это могло бы поднять в воздух нечто вроде богомола длиной около 7 см, хотя, возможно, он мог бы быть длиннее и тоньше. Чашеобразное брюшко может содержать органы, вырабатывающие графен и водород, тогда как четыре длинных задних ноги частично охватывают сферу для поддержания сцепления. Четыре независимо работающих крыла могли бы обеспечить мобильность. При этом длинные пердние конечности давали бы хорошие хватательные способности для сбора пищи. Благодаря преимуществам аэрографена этот висячий богомол сможет парить в воздухе, даже если он маленький, и может вырасти до размеров, которые ограничивают только иные факторы.

Авторское право: Герт ван Дейк. Обратите внимание, что графеновое «летательное тело»
в верхней части более узкое, чем в нижней, потому что животное выросло за время, прошедшее
между формированием раннего верхнего и более позднего нижнего слоя графена.

Концепции мыльного пузыря и аэрографена не означают, что проблема маленьких баллонтов решена, поскольку на самом деле они просто призваны вдохновить других людей на создание собственных концепций баллонтов. В отсутствие на Земле каких-либо организмов легче воздуха для сравнения, по-прежнему остаётся много вопросов без ответов, которые необходимо рассмотреть, и всё это – часть того удовольствия, которое приносит спекулятивная эволюция.
Например, почему организм мог бы эволюционировать, чтобы стать легче воздуха? Всегда ли он легче воздуха или это только временно? Как он управляет своим движением, плавая в воздухе? Как он защищается от хищников? Как он питается? Может ли он восстановить или заменить свой баллон, если тот будет проколот? Как производится подъёмный газ? Насколько быстро подъёмный газ утекает из баллона?
Если бы нас интересовал исключительно дизайн существ, то всего этого было бы достаточно, чтобы вдохновить на создание целого ряда организмов на основе переливающихся мыльных пузырей или чёрного графена. Однако спекулятивная эволюция требует большего, чем эти выкладки. Демонстрация того, что физика поддерживает эту идею, и что существует правдоподобный способ, который позволяет живому организму реализовать эту идею, одинаково важны. Чтобы изучить проблему со всех сторон, важно также рассмотреть вопрос о том, мог ли предполагаемый организм эволюционировать через ряд правдоподобных шагов, а не просто возникнуть из небытия полностью сформированным.
Существуют различные способы, при помощи которых жизнь на Земле уже вырабатывает водород – например, путём ферментации, так что в этом моменте нет ничего необычного. Приготовление воды с добавками химических соединений для образования более долгоживущих пузырьков также довольно распространено, поскольку известно, что этим уже занимаются рыбы, лягушки, улитки и насекомые. Поэтому баллонт на основе мыльных пузырей, как показано в предыдущей статье, выглядит довольно правдоподобным.
С другой стороны, образование графена сложнее обосновать в виде серии шагов, и я не могу представить решение этой проблемы. Графен действительно обладает способностью успешно поглощать свет на всех длинах волн – в конце концов, именно поэтому он и чёрный. Вероятный эволюционный путь может включать в себя водоросли или растения в местообитаниях с низкой освещённостью, вырабатывающие графен по причинам, связанным с фотосинтезом. Поскольку водород может вырабатываться водорослями как часть процесса фиксации азота, возможно, в ходе эволюции могли бы возникнуть леса из чёрных, как смоль, растений легче воздуха. Однако это идея, о которой лучше поговорить в другой раз, но, возможно, она в конце концов появится в моём недавно созданном блоге. В нём описывается находящаяся в приливном захвате планета Хтония, которая вращается вокруг двойного красного карлика.
Наконец, я очень благодарен за возможность поделиться своими мыслями по этому вопросу в данном блоге, и надеюсь, что они вдохновят людей развивать свои собственные идеи в этой области. Пожалуйста, оставляйте комментарии, чтобы все знали, что вы думаете о графене и его возможностях.

Оригинал статьи находится здесь.

Перевод на русский язык: П. Волков, 2022