Slepé uličky vědy a techniky – ukázková kapitola.

Batyskaf

Víc benzín než ponorka

Kolik benzínu asi tak s sebou vozí ponorky? Valná většina samozřejmě ani jeden litr, a když už, tak ne v nádrži, ale v úklidovém kumbálu. Jaderné reaktory v největších vojenských ponorkách štěpí obohacený uran, kterého mají na palubě dostatek na mnoho let provozu. Tradiční diesel‑elektrické ponorky spalují v době, kdy jsou poblíž hladiny, naftu s atmosférickým vzduchem. Když hladinu po ruce při hlubinných operacích nemají, využívají jen elektrický pohon.

Benzín se pro pohon ponorek nepoužívá a moderní bezpečnostní předpisy by jej nikdy nepovolily. Zatímco bod vzplanutí nafty se pohybuje kolem 60 °C, benzín se vzduchem tvoří hořlavou směs i při -40 °C a sebemenší únik uvnitř ponorky by mohl způsobit bleskurychlou zkázu.

Dlužno dodat, že vodík je tedy ještě větší ďábel, a přesto jej v moderních vojenských a experimentálních ponorkách vídáme jako palivo čím dál častěji. Má ale jednu výhodu, kterou nemají ani jaderné ponorky – přeměna chemické energie vodíku a kyslíku na elektřinu je v palivovém článku dokonale tichá. A armády za ticho platí velice rády.

Na přelomu 19. a 20. století vzniklo několik benzínových ponorek, ale únik paliva u nich často způsoboval bleskurychlou zkázu. Už už to tedy vypadalo, že benzín do ponorky nikdo tankovat nebude a vznikne vlastně celkem nudná kapitola slepých uliček techniky o tom, že nafta je pro ponorky lepší než benzín, protože tolik nebouchá a má vyšší energetickou hustotu.

Jenže pak přišel slavný batyskaf Trieste, potopil se jako první plavidlo s lidskou posádkou do hloubky kolem 11 kilometrů na dno Mariánského příkopu a v nádržích si vezl 64 tun benzínu. Stejně jako u jeho předchůdců, experimentálních batyskafů FNRS‑2 a FNRS‑3, tvořil benzín přes polovinu celkové hmotnosti stroje.

Konstruktérem a vynálezcem batyskafu byl švýcarský experimentální fyzik a vzduchoplavec Auguste Piccard. Ten, ještě než se pustil do zkoumání hlubin moří, získal několik světových rekordů jako konstruktér a pilot vodíkových stratosférických balonů. Švýcaři moře nemají, a tak by si laik snadno mohl pomyslet, že tankovat benzín do ponorky může jen suchozemská krysa někde z Alp. Jenže Trieste krátce po prvních ponorech ve Středozemním moři zaujalo americké námořnictvo natolik, že jej odkoupilo za čtvrt milionu dolarů pro svůj projekt s kódovým označením Nekton. Do prohlubně Challenger Deep, nejhlubšího místa na Zemi, se v roce 1960 podíval Piccardův syn Jacques spolu s poručíkem Donem Walshem a po Trieste se dalšího půlstoletí na dno Mariánského příkopu nikdo nevydal. A jelikož tam také nikdo další nevozil benzín, můžeme batyskaf s klidem považovat za slepou uličku techniky.

Jak se dostat hluboko?

Toto není kniha o sportovních rekordech, ale abychom měli představu, zmiňme, že je v lidských silách vydržet těsně pod hladinou vody něco málo přes 10 minut nebo krátce přežít v hloubkách přes 100 metrů. To vše ale pouze za cenu extrémního několikaletého tréninku a jen pro jedince s perfektní genetickou výbavou. Limity běžného člověka jsou řádově menší než limity lovce perel.

Hlavní překážkou pro člověka při zkoumání hloubek je omezená kapacita jeho plic a tlak, kterým voda působí na hrudník. Těch několik litrů vzduchu v plicích totiž během ponoru není možné udržet ani přibližně v objemu jako nad hladinou, a plíce se tak deformují a kroutí. Až někde uslyšíte výraz barotrauma, vězte, že se pod něj může schovat několik různých typů rychlé i pomalé smrti, povětšinou pod vodou.

Malý (myšlenkový) experiment: Zkusme na hladině naplnit plastový sáček, kompotovou sklenici a plechový kanystr vzduchem, uzavřít je a ponořit těsně pod hladinu. Na první pohled se nic zvláštního a nečekaného nestane. Zvýšíme tedy sázky a jdeme do 10 metrů pod hladinu, kde už bude situace dost jiná. Objem vzduchu v sáčku se zmenší na polovinu a tlak vzduchu uvnitř se zdvojnásobí. Sklenice bude vypadat víceméně stejně a tlak uvnitř také; kanystr se trošku zdeformuje, jeho stěny se prohnou směrem dovnitř a tlak uvnitř nepatrně stoupne.

Pokud budeme pokračovat hlouběji, objem vzduchu v sáčku bude stále klesat. Kanystr se bude s rostoucím tlakem více a více prohýbat. Plech je relativně pružný a tlak uvnitř bude růst pomaleji, ale nakonec zkolabuje, protože rozdíl tlaků venku a vevnitř bude neúnosný. Sklenice pravděpodobně vydrží nejdéle, celou dobu bude uvnitř tlak stejný jako na povrchu, ale v jednu chvíli se bez varování roztříští.

Lidské plíce se umí přizpůsobit relativně velkým změnám a z těchto tří jsou nejblíže igelitovému sáčku. Kanystr i kompotová sklenice by mohly snadno sloužit jako primitivní ponorka pro hlodavce. Pro člověka to bude chtít něco objemnějšího.

Krok č. 1: Sud plný vzduchu

Jednoduché ponorky schopné udržet lidi naživu známe stovky let. Ty první byly v zásadě dřevěné nebo kovové sudy s maličkým skleněným okénkem a rozhodně bez periskopu, který byl vynalezen až ve druhé polovině 19. století. Šlo o poslední vojenské ponorky, na kterých měl kapitán dokonalý přehled o celé posádce a zároveň měl každý člen posádky absolutní soukromí a nemusel se dělit o palandu. Byly totiž jednomístné a rozhodně v nich nebylo možné přežít déle než pár desítek minut ve zdraví, nebo hodinku či dvě ve mdlobách.

Problém takového zařízení je, že samotný sud plný vzduchu se nepotopí. Bude mít menší celkovou hustotu než voda, a tudíž jsme vyrobili spíše nepraktickou loď. Dalším krokem tedy bude přidat závaží, aby klesl pod hladinu. Pro jistotu ale přidáme i nějaký mechanismus, kterým bude možné závaží uvolnit, abychom se dostali zpět. Vyrobili jsme zařízení, které udrží člověka živého a suchého pod vodou a umožní mu návrat. To je dobrý start!

Krok č. 2: Poháníme ponorku

Čechové hrdí na své vynálezce jistě vzpomenou na chrudimského rodáka Josefa Ressela, známého jako vynálezce lodního šroubu. První ponorky ale k pohonu používaly podobný systém v primitivnější formě již dříve. Všímavý čtenář jistě uzná, že kolesa, která poháněla parníky, plachty ani vesla se k pohonu ponorek nehodí, a tak jiná možnost než použít podvodní vrtuli vlastně ani nebyla. I my náš sud s okénkem tedy vybavíme velkým lodním šroubem, jehož hřídel bude uvnitř poháněna klikou.

Ještě všímavější čtenář by mohl připomenout nizozemského vynálezce Cornelia Jacobszoona Drebbela, který prý vybavil ponorku vesly už v roce 1620, což by byla krásná slepá ulička techniky. Historické prameny ale nejsou úplně jednoznačné a podle některých šlo o potápěčský zvon zavěšený pod veslicí.

Krok č. 3: Řídíme ponorku

S pouhým jedním šroubem se bude ponorka pohybovat přece jen dost chaoticky a nebude řiditelná. Zkusíme se tedy nejprve inspirovat tím, jak to řeší hladinová plavidla. Klasické lodě mají kormidlo a řídí jeho natáčením vlevo a vpravo. Katamarány, tedy lodě se dvěma trupy, mají obvykle dva nezávislé lodní šrouby a řídí tím, že se každý pohybuje jinou rychlostí nebo i opačným směrem. Pokud bychom našemu plavidlu přidali další šroub nebo kormidlo, sice si pomůžeme, ale brzy přijdeme na nedostatky takového řešení. Mezi ponorkou a hladinovým plavidlem je ještě jeden poměrně podstatný rozdíl. Běžné lodě totiž plují vždy vodorovně. Kdyby náhodou ne, zadělaly by si na problém, který by jim druhé kormidlo nebo třetí šroub vyřešit nepomohly. My naši ponorku chceme řídit ve všech třech dimenzích, tedy i nahoru a dolů, takže nám druhé kormidlo nebo třetí šroub do jisté míry pomohou, ale ne úplně.

Abychom mohli účinně řídit ponorku směrem vzhůru nebo dolů, musíme měnit její hustotu. Korkový špunt pluje na hladině, protože má menší hustotu než voda, a kámen z právě opačného důvodu klesá ke dnu. Kariéru si na tom postavil Archimedes ze Syrakus, který je považován za zakladatele hydrostatiky přesně od momentu, kdy mu začaly tyto souvislosti docházet během koupele. Legenda praví, že vyskočil z vany a radostí pobíhal celý mokrý a nahý po městě a vykřikoval „Heuréka!“, což je starořecký výraz, který bychom volně mohli přeložit jako „Kde tady prodávají ručníky?“.

V prvním kroku jsme se vybavili závažím a mechanismem, jak jej odpojit, ale to je jednorázové řešení. Nyní zkusíme něco opakovaně použitelného. Dolů to bude jednoduché. Uděláme do ponorky dírku, a jak do ní poteče voda, bude se hustota plavidla zvyšovat a začneme klesat. Pro cestu vzhůru by pak mělo stačit dírku ucpat a uvolnit závaží, ale lepší bude ponorku vybavit pumpou, abychom mohli vodu zase odčerpat ven, a vztlakové síly tak regulovat mnohem přesněji a hlavně opakovaně. Pumpa se navíc bude hodit i pro případ, že by se dírky ucpat nepodařilo, nebo kdyby začaly vznikat nové.

Máme tedy plně řiditelný jednoduchý stroj, který nám umožní pohybovat se pod hladinou, ale pořád máme před sebou jeden těžko překonatelný limit.

Krok č. 4: Klesáme do hlubin

Pokud se s naší ponorkou pohybujeme poblíž hladiny, nemusíme příliš řešit, z jakého materiálu je vyrobena a jak má tlusté stěny. V prvních metrech pod hladinou nám bude pro její konstrukci stačit laický odhad a metoda pokus-omyl. Problém nastane, pokud budeme chtít klesnout hlouběji, než by to zvládl běžný potápěč.

Tlak pod vodní hladinou stoupá neuvěřitelně rychle a představa, že se například vojenské ponorky běžně pohybují kilometr pod hladinou, je poměrně daleko od reality. Američané přišli v 60. letech o dvě špičkové jaderné ponorky USS Thresher a USS Scorpion včetně kompletní posádky proto, že klesly do hloubky přes půl kilometru, kde v okamžiku a bez varování implodovaly. Rekordmanem mezi vojenskými ponorkami byla sovětská K‑278 Komsomolec, která se ponořila do 1024 metrů. Šlo ale o unikátní stroj s extrémně odolným titanovým tělem. Použití titanu jako materiálu pro trup velké vojenské ponorky můžeme rovněž považovat za slepou uličku techniky, protože výhody ponorů do takových hloubek jsou pro účely námořnictva příliš malé, než aby vyvážily několikanásobnou cenu plavidla.

Operační hloubka	Charakteristika vojenských ponorek
100 m	Dobrý základ pro užitečnou ponorku, v dnešní době typické pro nízkorozpočtová plavidla, ve druhé světové válce standard.
200 m	Dnešní standard.
400 m	V této hloubce je jaderná ponorka se svědomitou posádkou prakticky nedetekovatelná.
800 m	Frajeřina vykoupená extrémně drahou a těžkou konstrukcí. Katastrofickou implozi může způsobit i snadno přehlédnutelná výrobní vada nebo nepatrné opotřebení trupu.

Ponorky jsou obvykle stavěné na 1,5násobek své typické operační hloubky. Počítá se s opotřebením, nedokonalostmi ve výrobě, a zároveň musí ponorka odolávat i případným vojenským útokům. Jejich hlavní devizou je ale neviditelnost; pokud ji nepřítel objeví, přichází o valnou většinu svých výhod.

Čím hlouběji chceme s naší ponorkou klesnout, tím tlustší musí mít stěny. Válcová nebo kapková konstrukce vojenské ponorky je přizpůsobena rychlosti na úkor odolnosti. Pro hlubokomořskou ponorku je optimální tvar koule, protože na kouli působí okolní tlak ze všech stran stejně. Pro ni by byl plášť ve tvaru válce zbytečnou komplikací.

Pokud bychom chtěli dostat člověka až na dno Mariánského příkopu uvnitř ocelové koule o průměru 2 metry, musela by mít (s nějakou rezervou) asi 12 centimetrů tlusté stěny. Ale raději o něco více, protože každé narušení ideálního tvaru koule – například nedokonalostí výroby, okénkem nebo vstupním průlezem – je vhodné patřičně naddimenzovat.

Imploze vs. exploze

Posádka ponorky obvykle nemá žádné varování, že dojde k implozi. Ani hodinu, ani minutu, ani sekundu předem. Pokud se v jednom místě naruší plášť ponorky, trhlina se šíří rychlostí zvuku, která je pro ocel nebo titan řádově vyšší než ve vzduchu nebo ve vodě. Během jedné nebo dvou setin sekundy selže celý trup a zhroutí se směrem dovnitř rovněž podobnou rychlostí. Tlak vzduchu uvnitř stoupne tak prudce, že se jeho teplota vyšplhá na tisíce stupňů. Nejprve stupňů Rankina, a poté i Fahrenheita, Celsia, Réaumura, Rømera a nakonec i Newtona ¹. To vše se s velkou rezervou stane během jedné desetiny sekundy. Vzhledem k tomu, že reakční doba člověka je vždy delší než celá imploze, nikdo z posádky nemá šanci si uvědomit, že k ní vůbec došlo, natož jakkoliv zareagovat.

Někdy může posádka slyšet podezřelé zvuky, které by mohly před implozí varovat. Pokud ale byli schopni toto svědectví sdělit dál, k implozi zjevně nedošlo. Mohlo jít například o odlupování nátěru z trupu nebo deformaci vnitřního vybavení ponorky, protože trup se může v extrémních hloubkách smrštit i o několik centimetrů. Tyto zvuky signalizují extrémní namáhání materiálu, ale neznamenají nutně, že trup selže. Skutečné strukturální selhání je tiché až do momentu, kdy je absolutní a okamžité.

Krok č. 5: Vracíme se zpět

Naše ocelová koule by při objemu 4 metrů krychlových vážila s příslušenstvím a posádkou 10 tun, a tak bychom nemuseli řešit, jak se dostat dolů. Ke dnu by klesala jako kámen. Dostat ji nahoru bude mnohem větším oříškem.

Řešením první volby by mohlo být zavěsit ji na laně nebo řetězu z hladinového plavidla a pomocí motoru ji pak vytáhnout zpět. Prakticky byl tento způsob použit víceméně jen pro hloubky do jednoho kilometru a absolutním rekordmanem je batysféra Benthoscope, která se podívala v roce 1949 do hloubky 1400 metrů pod hladinu moře.

Pro ponory do hloubky kolem 11 kilometrů bychom museli použít 25mm ocelové lano o hmotnosti 30 tun, které by motor o výkonu půl megawattu navíjel na pětimetrovou cívku několik děsivých hodin, protože lano by bylo na hranici fyzikálních možností. Lehčí a tenčí ocelové lano by prasklo těsně u hladiny ještě předtím, než by se batysféra odlepila ode dna. Během vyzvedávání by motor potřeboval asi tunu paliva a vygeneroval by 5 MWh tepla – tedy tolik, kolik potřebuje běžný rodinný dům v České republice za celou zimu. Bez dokonalého chlazení by se mohl v půlce cesty zadřít. Hrůzu z rychlé smrti implozí by vystřídala hrůza z pomalé smrti udušením v případě selhání navijáku, zadření motoru nebo přetržení lana. Každý z těchto případů by znamenal fatální selhání bez naděje na záchranu posádky, a to i kdyby měli 90 % cesty za sebou. Zřejmě proto se batysféra ani její kolegyně do větších hlubin nikdy nepodívaly. Jistě, pro klid duše bychom mohli použít tlustší a dražší lano, ale pak bychom potřebovali výkonnější a dražší motor, ještě mnohem větší cívku na jeho navinutí a mnohem mohutnější loď, která by to celé unesla.

V dnešní době bychom samozřejmě mohli použít moderní HMPE lano, které by při průměru 20 mm a délce 11 km vážilo pod vodou přibližně -50 kilogramů (díky vztlaku). Jeho reálná hmotnost by sice byla zhruba 3 tuny, ale hustota HMPE lana je menší než hustota vody, a tak by naviják tahal jen hmotnost samotné batysféry. Lano by mu vlastně pomáhalo a sloužilo jako plovák, který by ji nadlehčoval. S rezervou by nám stačil i 100kW motor, a pokud bychom pro klid duše lano předimenzovali, sice bychom museli zvětšit cívku, ale motor by si ještě více odpočal.

Tato moderní lana ale v 50. letech 20. století nebyla k dispozici. Batysféru bychom však mohli postavit i z jiného materiálu než z oceli. Již zmíněný titan by umožnil vyrobit podstatně lehčí kouli, která by vydržela podmínky v 11 kilometrech pod hladinou moře a byla by dostatečně lehká na to, aby se mohla odlepit ode dna a dostat se na hladinu vlastním vztlakem.

Tloušťka titanové i ocelové stěny by byla podobná, ale titan má menší hustotu. Peníze na takovou kouli by ovšem nesehnal ani švýcarský světový rekordman v balonovém létání. V půlce 20. století také nikdo neměl dostatečné znalosti a zkušenosti se zpracováním titanu, a dokonce ani s dnešními postupy by takové plavidlo nebylo příliš bezpečné. V hloubce 11 km bychom neměli téměř žádnou toleranci a sebemenší nepřesnost ve výrobě by mohla způsobit katastrofu.

Hliníková batysféra by měla překvapivě podobné vlastnosti jako ta titanová a podobnou limitní odolnost za cenu mnohem tlustší stěny. Jenže při extrémních tlacích by ve slané vodě hliník rychle korodoval, a stejný problém by nastal i s dražším hořčíkem, který by se navíc ve slané vodě začal doslova rozpouštět.

Když popustíme uzdu fantazii, taková hypotetická koule z monokrystalického diamantu nebo safíru by mohla mít stěnu 2 cm tlustou a vážila by jen pár set kilogramů. Výroba něčeho takového je ale čisté sci-fi a ještě dlouho bude.

Přesto se i u nás vyrábí a v domácnostech běžně používá materiál lehčí než hliník a v tlaku pevnější než vysokopevnostní ocel. Koule z tohoto materiálu by na dně Mariánského příkopu udržela atmosférický tlak s obrovskou rezervou a zároveň by vyplula na povrch vlastním vztlakem. Pasažér uvnitř by navíc měl dokonalý výhled, protože tím materiálem je sklo SIMAX z produkce sklárny Kavalierglass ve středočeské Sázavě. Všichni jej známe jako varné sklo nebo borosilikátové sklo, ale málokdo si uvědomuje, o jak mimořádně odolný a užitečný materiál se jedná. Výroba koule s 10 cm tlustou stěnou by ale přece jen byla extrémní výzvou. Odlitek by byl hotový během pár hodin, ale chladnout by taková tlustostěnná polokoule musela naprosto rovnoměrně a extrémně pomalu po dobu několika měsíců, jinak by hrozilo, že ve skle vzniknou nehomogenity a vnitřní pnutí. Sklo je sice odolné v tlaku, ale pouze v případě, že by šlo o dokonalou kouli bez jakýchkoliv výrobních nepřesností a tlak by byl rovnoměrný po celé ploše. Přesto je fascinující, že takto odolný materiál používáme běžně v kuchyni.

Kompozitní materiály jsou teoreticky ještě vhodnější. Jejich nevýhodou však je, že u nich není možné snadno identifikovat výrobní kazy, a ponorka je vždy jen tak odolná jako nejslabší místo jejího pláště. To se projevilo při nedávné nehodě ponorky Titan, která během expedice k vraku Titanicu do hloubky 3800 metrů implodovala.

Krok č. 6: Batyskaf

Po přečtení předchozích odstavců se může jevit, že Piccard stál před neřešitelným problémem. Všechny materiály, které přicházely v úvahu, byly těžké, drahé, křehké nebo neposkytovaly prostor pro sebemenší bezpečnostní rezervu. Možná jste si všimli malého pošťouchnutí během mé zmínky o HMPE lanu, které by mohlo sloužit jako plovák. Čím větší hmotnost by HMPE lano mělo, tím více by sféru nadnášelo.

Balonový letec Piccard tento materiál neznal, ale zato měl dokonale v malíku hydrostatický zákon a dělal jen to co dosud. Když může vodíkový balon vynést gondolu do dvaceti kilometrů nad mořem, proč by nemohl nějaký podmořský balon podobně vynést batysféru ze dna oceánu? Zbývalo jen vymyslet, z čeho ten balon vyrobí. Tedy spíše plovák.

Valná většina toho, co bychom jako plovák použili na hladině vody, funguje v hloubce jen omezeně. Tlak vody dřevo, polystyren nebo korek slisuje nebo úplně zničí, protože jde o porézní a velmi měkké materiály. Chce to něco těžko stlačitelného s menší hustotou, než má voda.

Předpokládám, že v tuto chvíli je všem jasné, že těch 64 tun benzínu v plechové nádrži sloužilo batyskafu úplně stejně, jako slouží vzducholodi nebo balonu vodík či hélium. Analogií ke gondole je u batyskafu ta „třešnička“ v podobě kulového tlakového tělesa. Benzín má asi 75 % hustoty vody a těch 64 tun tak mohlo vynést celou ponorku i s extra nádržemi. Batyskaf Trieste na první pohled připomíná podivnou ponorku, na druhý pohled možná vzducholoď a v principu je to kombinace obojího. Kolosální stotunový plovák s podvěšenou maličkou ocelovou klaustrofobickou gondolou. Výhled zajišťovalo okénko o průměru jen čtyři centimetry. Okolí batyskafu osvětlovalo několik relativně běžných obloukových lamp. Skoro všechno na Trieste bylo unikátní a na samé hranici tehdejší vědy a techniky – jen ty výbojky byly obyčejné a benzín byl také obyčejný.

Pro představu: Běžnému automobilu by 64 tun benzínu stačilo asi na 2 000 000 km a stál by kolem 2 500 000 Kč. Uznejte ale, že manipulace s ním musela být na lodi hotové bezpečnostní peklo. Pokud by benzín do batyskafu čerpali podobným čerpadlem, jako je na moderní benzínové pumpě, trvalo by plnění nádrží Trieste dva dny. Piccard si tyto problémy uvědomoval a jistě hledal nějakou vhodnější alternativu. Co měl v 50. letech k dispozici?

• Lithium – Kov, který má oproti vodě poloviční hustotu a je naprostým šampionem ve vztlaku. Naneštěstí je poměrně měkký, takže by nepřicházelo v úvahu vyrobit z něj samotnou ponorku. Šestitunový plovák z lithia by naši dvoumetrovou a desetitunovou sféru spolehlivě nadnesl, rozměrem by byl jen o něco málo větší, takže by batyskaf vypadal jako sněhulák vzhůru nohama. V dnešních cenách by takový lithiový plovák vyšel asi na 2 miliony korun, což je ve srovnání s ostatními náklady na konstrukci poměrně zanedbatelná částka. Nevýhodou lithia ovšem je, že jde o reaktivní kov, na vzduchu oxiduje a při kontaktu s vodou bouřlivě exploduje.
• Kapalný vodík – Má extrémně nízkou hustotu, ale existuje pouze při teplotách pod 20 K. Kulová nádrž kapalného vodíku by fungovala jako dokonalý plovák, ale na jejím povrchu by se velice rychle začala tvořit tlustá vrstva vodního ledu a plovák by ztěžkl. Led má sice také menší hustotu než voda, ale mnohem větší než kapalný vodík, takže by plovák fungoval čím dál hůř. Navíc by se pomalu zvyšovala teplota a tlak vodíku a plovák by explodoval.
• Zkapalněné plyny (propan, butan) – Látky, které jsou lehčí než voda a kapalné i při běžných teplotách kolem 0 °C (mají cca 60 % hustoty vody). Autocisterna s padesáti metry krychlovými kapalného propanu bude ve vodě velice dobře plavat a unese dalších 10 tun, než klesne ke dnu, takže pod ni můžeme pověsit naši ocelovou kouli. Plyny v autocisterně musí být obvykle pod tlakem, aby zůstaly v kapalném skupenství. Ve větších hloubkách ale bude naopak uvnitř cisterny nižší tlak než v okolní vodě. Pro sestup bychom tedy museli cisternu velice opatrně otevřít v takové hloubce a při takové teplotě, kde bude možné bezpečně tlaky vyrovnat. Vzduchová bublina uvnitř by jinak způsobila implozi. Vyrovnávání tlaku je však extrémně citlivé na jakékoliv nestability, při kterých celý systém buď exploduje, nebo imploduje. A jestli si myslíte, že by pomohlo naplnit cisternu až po okraj, tak nepomohlo. Na základní škole nám lhali – kapalina je stlačitelná! A každá trošku jinak. Při extrémních tlacích se objem propanu zmenší více než objem vody, a tak je potřeba, aby zespodu nádrže byla dírka, kterou dovnitř poteče voda, a teprve na ní bude „plout“ dvakrát lehčí propan.
• Čistý alkohol – Jeho hustota je asi 80 % hustoty vody, ale zato je kapalný i při běžných teplotách, a tak nebudeme muset používat tlustostěnnou cisternu. Pro alkoholový plovák bude stačit obyčejný velký plechový kanystr, opět s dírkou ve spodní části pro vyrovnávání tlaků. Kritickým nedostatkem alkoholu je však jeho dokonalá mísitelnost s vodou. Jak by se cestou v nádrži ředil, jeho hustota by nezadržitelně stoupala a batyskaf by ztratil vztlak potřebný k návratu. Získali bychom tak další námořní posádku, která skončila kvůli alkoholu na dně.

A to je prosím vše, co bylo s tehdejšími technologiemi reálné vyrobit a nestálo to miliony dolarů. Dobře, 6 tun lithia by stálo miliony dolarů, ale představa obří koule lithia explodující v moři mě prostě bavila.

Piccardův syn Jacques a poručík Don Walsh klesli v batyskafu Trieste do hloubky 11 kilometrů za necelých 5 hodin. Po dosednutí se bahno na dně zvířilo tak mocně, že se za těch 20 minut, co dole pobyli, nestačilo usadit. Ani jim tak moc nevadilo, že si s sebou nevzali foťák nebo mobil. Když se oba pánové několikrát vystřídali u okénka a zvířené bahno je začalo nudit, odhodili 9 tun zátěže a další tři a čtvrt hodiny stoupali vzhůru. Téměř všechen benzín, který si vzali na výlet, zase vrátili zpět.

Přibližně o 52 let později plul kolem kanadský režisér James Cameron ve své ponorce. Ten kameru nezapomněl.

Syntaktická pěna

V roce 1960 si lidstvo odškrtlo, že vidělo dno Mariánského příkopu, ale nikdo s návratem nespěchal, protože na obzoru byl mnohem lepší materiál – syntaktická pěna. Právě na tu spoléhá nová generace hlubokomořských ponorek.

O pár odstavců dříve jsme vychválili sklo SIMAX jako špičkový materiál pro výrobu koulí schopných odolávat extrémním tlakům, ale pouze za předpokladu, že půjde o dokonalá tělesa bez sebemenších defektů (čehož se u dvoumetrové sféry zatím dosáhnout nedá). Syntaktickou pěnu tvoří právě mikroskopické koule z borosilikátového skla zalité v epoxidové pryskyřici. Hustota takového materiálu může být i čtvrtinová oproti vodě a výsledný výrobek může mít víceméně jakýkoliv tvar, takže z pěny lze vylisovat strukturu celé ponorky.

Borosilikátové koule vznikají rozemletím skla na prach a smísením s nadouvadlem – sypkou látkou, která se ve vysokých teplotách rozkládá na plyn. Tato směs se prožene žhavou pecí, kde se sklo roztaví, nadouvadlo uvnitř vytvoří plynovou bublinu a sklo opět rychle zchladne. Vzniknou tak miliardy dokonalých mikroskopických dutých skleněných koulí, ale i značný podíl zmetků. Oddělit zrno od plev je naštěstí až zábavně jednoduché. Ve vodní lázni ty správné duté koule vyplavou na povrch a zmetky klesnou ke dnu.

Syntaktická pěna ale nemusí být jen borosilikátové sklo a epoxid. Jde obecně o kompozitní materiál, který má obrovskou budoucnost. A zatímco tato kniha je o slepých uličkách, syntaktická pěna je spíše jednosměrkou techniky. To bude zřejmě titul jedné z mých budoucích knih, ve které se zaměřím na naprostý opak slepých uliček. Za jednosměrku vědy a techniky považuji takové technologie a teorie, které otevřely tolik nových možností a jsou tak pohodlné, snadno použitelné a jednoduché, že není jediný důvod fungovat bez nich. Které by to mohly být? Po té šlamastyce s ponorkou Titan už určitě nikdo nebude zkoušet stavět hlubokomořské ponorky bez syntaktické pěny. A bez Pythagorovy věty.

Plachetnice USS R‑14: Apollo 13 mezi ponorkami

V roce 1921 přišla ponorka USS R‑14 o veškeré rádiové spojení uprostřed Tichého oceánu, stovky kilometrů od nejbližší pevniny. Diesel‑elektrická ponorka měla kompletně vybité baterie a do naftových nádrží se navíc chybou posádky dostala mořská voda, která palivo znehodnotila.

Námořníci pod velením poručíka Alexandra Deana Douglase během dvou dní vyrobili z paland, antény a jeřábu pro nakládání torpéd improvizované stěžně a z prostěradel, hamak, dek, závěsů a dalších textilií ušili plachty o ploše asi 150 metrů čtverečních. Celkem se jim ponorku podařilo urychlit na necelé 4 kilometry v hodině směrem k přístavu Hilo na Havaji, kam dopluli za 60 hodin.

Zprvu plula USS R‑14 čistě díky větru, ale strojníci na palubě dokázali zpřevodovat lodní šroub tak, aby mírně otáčel elektromotorem, a tím lehce dobíjel baterie. Na podobném principu funguje rekuperace elektřiny při brzdění u hybridních a elektrických automobilů. Posledních několik kilometrů do přístavu pak pluli na elektřinu, protože v členitých pobřežních vodách nebylo s tak primitivními plachtami možné manévrovat.

Něco takového by na dnešní vojenské ponorce bylo těžko představitelné z mnoha důvodů:

• Výtlak: USS R‑14 měla výtlak jen asi 500 tun, což je o řád nebo dva méně, než mají moderní vojenské ponorky. Norské lehké ponorky třídy Ula, specificky stavěné pro pohyb v náročných pobřežních vodách a fjordech, mají výtlak přes 1000 tun (lehčí stroje dnes staví už jen Írán nebo Severní Korea). Pro plavby na širém moři jsou z vojenského hlediska těžké ponorky mnohem výhodnější. Jsou tišší a hůře detekovatelné, protože jejich masivní motor lze lépe odhlučnit a lze použít větší pomaloběžný lodní šroub. Nejlehčí současná útočná ponorka USA má výtlak kolem 7000 tun a plachta by s ní pravděpodobně ani nehnula.
• Posádka a materiál: Před 100 lety měla i takto malá ponorka běžně 40 mužů na palubě, a díky tomu nalezli dostatek textilu pro sešití poměrně velké plachty. Moderní ponorky jsou automatizované, počítače palandy nepotřebují, a zmíněná dvakrát těžší Ula má posádku poloviční.
• Tvar trupu: Kapkovitý tvar současných strojů je optimalizovaný pro plavbu pod vodou, ale na hladině je zoufale neobratný. Ponorky před 100 lety měly trup podobný tehdejším lodím, takže byly na hladině stabilnější (čas pod vodou omezovala malá kapacita baterií, takže to jinak ani nešlo). Hladký povrch moderních ponorek navíc nedává prostor k bezpečnému uchycení improvizovaného stěžně.
• Generování elektřiny: I kdyby se podařilo urychlit moderní těžkou ponorku na 1 km/h, s obřím lodním šroubem by to zřejmě neotočilo, a žádnou elektřinu by si tak nevygenerovali.
• Redundance: Nejdůležitějším důvodem je však to, že všechny kritické komunikační systémy současných plavidel jsou zálohované. Kdyby moderní ponorka přišla o energii, vyrazily by k ní do pár hodin helikoptéry a remorkér.

Ironií osudu je, že USS R‑14 se do své prekérní situace dostala přesně ve chvíli, kdy se zapojila do pátrání po remorkéru USS Conestoga, ztraceném na cestě z Kalifornie do Pago Paga na Americké Samoi. Poměry tehdejší dopravy dokonale ilustruje fakt, že vrak Conestogy byl nalezen o století později jen několik kilometrů od San Francisca. Musel tedy ztroskotat ještě tentýž den, kdy vyplul. Pátrací operace nicméně započaly až o 3 měsíce později a probíhaly po celém Tichém oceánu. Je dost dobře možné, že bez improvizovaných plachet by USS R‑14 čekal podobně tragický osud.

Astronauti letu Apollo 13 dorazili bezpečně do Pago Paga na Americké Samoi 18. dubna 1970.

---

1. Kelvin je jednotka a nikoliv stupeň, ale nebudeme si kazit pěkný fórek takovým detailem.↩︎

Doteď probíhaly objednávky triček Dobré vědět a předobjednávky knížky všeliak, ale konečně jsem tomu věnoval pár dní a vyrobil e-shop a vlastně komplet novou webovou stránku, protože ta původní byla katastrofická.

I Dobré vědět by mělo mít alespoň základní web a protože jsem začal prodávat i nějaké knížky, kalendář a trička, tak tu bude i oficiální obchod Dobré vědět propojený přímo s Youtube.