Эйнштейн и Силард запатентовали холодильник после гибели семьи

Как трагедия в Берлине заставила двух физиков искать безопасный способ охлаждения — и почему их изобретение напоминает о проблемах современной фармацевтической холодовой цепи

Берлин, 1926 год: смерть, о которой написали газеты

В 1926 году Альберт Эйнштейн, уже получивший Нобелевскую премию и ставший одним из самых известных учёных мира, прочитал сообщение о трагедии в Берлине.

Семья погибла во сне из-за токсичного газа, проникшего в жилые помещения из неисправного холодильника. Согласно историческому обзору American Physical Society, причиной стала утечка через повреждённое уплотнение холодильной системы.

Сегодня подобное происшествие кажется труднообъяснимым. Холодильник воспринимается как один из самых безопасных бытовых приборов. Но в 1920-е годы массовое распространение механического охлаждения сопровождалось серьёзными техническими рисками.

В ранних холодильных установках применялись аммиак, диоксид серы и хлорметан. Эти вещества позволяли эффективно переносить тепло, однако их утечки могли вызывать тяжёлые отравления. Особенно опасными были неисправности, возникавшие ночью, когда люди не замечали появления газа.

Уязвимым местом становился механический компрессор — устройство, которое сжимает газообразный хладагент и обеспечивает его циркуляцию. Его работа требовала подвижных элементов и уплотнений, способных изнашиваться.

Эйнштейна заинтересовала не столько возможность усовершенствовать существующий компрессор, сколько принципиально другой подход.

Можно ли создать холодильник, в котором не будет деталей, износ которых способен привести к смертельно опасной утечке?

Когда физики решили изменить устройство обычной кухни

К поиску решения Эйнштейн привлёк молодого физика Лео Силарда (Leó Szilárd), работавшего в Берлине.

Силард занимался термодинамикой — разделом физики, изучающим превращение тепла в работу и закономерности передачи энергии. Именно эти процессы лежат в основе работы любой холодильной установки.

Эйнштейн тоже хорошо понимал инженерную сторону задачи. В молодости он работал экспертом Швейцарского патентного ведомства в Берне, где оценивал технические изобретения.

Вместе учёные начали разрабатывать несколько альтернативных холодильных систем. Одни использовали тепловые процессы и движение газов, другие предполагали применение электромагнитного насоса.

Общая идея состояла в устранении ненадёжных механических узлов, прежде всего подвижных уплотнений, через которые могли выходить опасные вещества.

16 декабря 1926 года изобретатели подали соответствующую заявку в Германии. Ровно через год, 16 декабря 1927 года, была подана американская заявка.

11 ноября 1930 года Патентное ведомство США выдало Эйнштейну и Силарду патент № 1 781 541 под названием Refrigeration — «Охлаждение».

Документ сохранился. В нём можно увидеть не только имена двух физиков, но и подробную схему установки с испарителем, конденсатором, генератором и системой соединительных трубопроводов.

Как можно получить холод с помощью тепла

На первый взгляд идея кажется парадоксальной.

Чтобы охлаждать продукты, изобретатели предлагали использовать нагрев.

Но противоречия здесь нет.

Обычный компрессорный холодильник переносит тепло из холодной камеры в окружающую среду. Для этого хладагент последовательно испаряется, сжимается и конденсируется. Процесс требует энергии, которую обычно обеспечивает электродвигатель компрессора.

Эйнштейн и Силард разработали вариант абсорбционного охлаждения.

Абсорбция — это поглощение одного вещества другим. В холодильной технике этот процесс позволяет организовать циркуляцию рабочих веществ без обычного механического компрессора.

В описанной патентом системе использовались три основных компонента: бутан, аммиак и вода.

Бутан выполнял роль охлаждающего вещества. Испаряясь внутри специальной камеры, он поглощал тепло из окружающего пространства.

Аммиак создавал условия, при которых бутан мог испаряться при сравнительно низкой температуре. Затем смесь газов поступала в другую часть установки, где вода поглощала аммиак, позволяя бутану конденсироваться.

Нагрев водного раствора вновь выделял аммиак, который возвращался в холодильный цикл.

Таким образом, энергия, необходимая для работы установки, поступала преимущественно в виде тепла.

В патенте также предусматривались движение жидкости под действием силы тяжести, её подъём за счёт нагрева и отвод тепла через охлаждаемые элементы конструкции.

Однако важно понимать: отсутствие компрессора не означало отсутствия энергозатрат. Для работы требовались источник тепла и эффективный отвод тепла в окружающую среду.

Более того, сама система не была полностью свободна от опасных веществ. Аммиак токсичен, а бутан воспламеняется. Безопасность предполагалось повысить прежде всего благодаря изменению конструкции и уменьшению риска утечек, а не полному отказу от потенциально опасной химии.

Насос, который должен был работать бесшумно

История холодильника Эйнштейна не ограничивалась абсорбционной схемой американского патента.

Параллельно физики разработали электромагнитный насос, который должен был перемещать жидкий металл без обычных механических поршней.

Именно это устройство стало одной из наиболее необычных частей их инженерного проекта.

Электромагнитное поле воздействовало на проводящую жидкость, заставляя её двигаться. Жидкий металл мог передавать давление рабочему веществу, заменяя механический поршень.

Для разработки насоса немецкая электротехническая компания AEG привлекла инженера Альберта Короди, знакомого Силарда ещё по учёбе в Будапеште.

Но возникла проблема, которую изобретатели первоначально не ожидали.

Вместо бесшумной работы насос издавал громкие звуки. Причиной была кавитация — образование и схлопывание пузырьков внутри движущейся жидкости.

В историческом обзоре American Physical Society приводится воспоминание современника, сравнившего звук установки с воем шакала.

Инженеры сумели значительно снизить шум, изменяя электрические параметры и конструкцию насоса. Однако технические трудности этим не исчерпывались.

Для работы использовали сплав натрия и калия — химически активный материал, требовавший особенно надёжной герметизации.

Получалась характерная для инженерии ситуация: попытка устранить один источник опасности порождала новые требования к безопасности других компонентов.

При этом электромагнитный насос и абсорбционная установка патента № 1 781 541 были разными техническими решениями в рамках общей программы Эйнштейна и Силарда. Их не следует считать одним устройством.

Почему холодильник Эйнштейна проиграл обычному компрессору

У разработчиков появились промышленные партнёры.

Шведская компания Electrolux приобрела права на часть их изобретений, а AEG участвовала в разработке электромагнитного насоса.

Были изготовлены экспериментальные установки. Но превратить их в конкурентоспособный массовый бытовой продукт не удалось.

Проблема заключалась не в том, что физический принцип оказался неправильным.

Предложенные системы действительно могли обеспечивать охлаждение. Однако их техническая сложность, энергопотребление и производственные затраты затрудняли конкуренцию с развивавшимися компрессорными холодильниками.

Затем изменился сам рынок хладагентов.

В конце 1920-х и начале 1930-х годов появились хлорфторуглеродные хладагенты, известные под торговым названием «фреон».

По сравнению с некоторыми ранее применявшимися веществами они имели значительно меньшую острую токсичность и позволяли уменьшить опасность бытовых отравлений при утечках.

Промышленность получила возможность сохранить привычную компрессорную архитектуру, одновременно снизив один из её основных рисков.

Экономическая ситуация тоже складывалась против изобретателей.

После биржевого краха 1929 года мировой экономический кризис резко ограничил финансирование новых разработок. В Германии положение осложнялось политической нестабильностью и усилением нацистского движения.

Эйнштейн и Силард, оба еврейского происхождения, вскоре были вынуждены покинуть Германию.

Ни одна из их холодильных конструкций не стала массовым бытовым прибором.

История, начавшаяся с попытки предотвратить гибель людей, завершилась коммерческой неудачей.

Когда безопасный хладагент оказался экологической проблемой

Спустя десятилетия история получила продолжение.

Хлорфторуглероды, помогавшие решить проблему острых отравлений, оказались опасными для окружающей среды.

Исследования установили, что некоторые из этих веществ разрушают стратосферный озоновый слой, защищающий Землю от значительной части вредного ультрафиолетового излучения. Кроме того, многие хлорфторуглероды являются сильными парниковыми газами.

Технологический выбор, казавшийся удачным в 1930-е годы, потребовал фундаментального пересмотра.

Интерес к альтернативным холодильным системам возобновился.

В 2005 году исследователи Ольденбургского университета в Германии построили действующую модель холодильной системы Эйнштейна и Силарда. В 2008 году исследователи Оксфордского университета также работали над прототипами, опиравшимися на их идеи.

Эти проекты не означали возвращения изобретения в массовое производство.

Они показывали другое: технические решения, проигравшие конкуренцию в определённых экономических условиях, могут вновь привлекать внимание при изменении требований к безопасности, энергоснабжению и воздействию на окружающую среду.

Впрочем, и современные абсорбционные системы нельзя автоматически считать более экологичными. Их преимущества зависят от состава рабочих веществ, эффективности установки и происхождения энергии, используемой для нагрева.

Почему эта история важна сегодня

Для фармацевтической отрасли охлаждение давно перестало быть просто инженерной функцией оборудования.

Оно стало частью системы обеспечения качества лекарственного препарата.

Вакцины, многие биологические препараты и отдельные диагностические материалы чувствительны к изменениям температуры. Несоблюдение условий хранения способно привести к потере активности, изменению свойств или сокращению допустимого срока использования.

По данным Всемирной организации здравоохранения, большинство вакцин требуют хранения при температуре от +2 до +8 °C. Некоторые препараты необходимо хранить в замороженном состоянии, включая температуры около -20 °C или значительно ниже.

При этом чрезмерное охлаждение также бывает опасным. Например, замораживание отдельных вакцин способно необратимо повредить их структуру.

Поэтому современная холодовая цепь — это не просто холодильники на складах, в машинах и аптеках.

Это система непрерывного температурного контроля на всех этапах движения препарата: от производства и транспортировки до хранения и применения.

Для фармацевтического производителя важно обеспечить стабильность препарата в пределах установленных условий. Для дистрибутора — подтвердить сохранение этих условий во время перевозки. Для аптечной организации — поддерживать необходимый температурный режим и своевременно выявлять отклонения.

В отличие от бытового холодильника, специализированное фармацевтическое оборудование должно обеспечивать не только охлаждение, но и контролируемость процесса: точность поддержания температуры, регистрацию её изменений, сигнализацию об авариях и возможность документально оценить нарушения режима.

Надёжность холодильной системы в таких условиях непосредственно связана с качеством лечения.

И здесь возникает параллель с задачей, которую Эйнштейн и Силард поставили в 1926 году.

Они пытались устранить конкретный механизм отказа оборудования, способный причинить вред человеку.

Современная фармацевтическая инженерия решает более широкий вариант той же задачи: как сохранить безопасность и требуемые свойства продукта при технических неисправностях, ошибках эксплуатации, перебоях электроснабжения и других непредвиденных обстоятельствах.

Важно, однако, не приписывать изобретению Эйнштейна прямого влияния на развитие современной фармацевтической холодовой цепи. Доказательств такой технологической преемственности нет.

Связь здесь прежде всего концептуальная.

Безопасность определяется не только тем, насколько хорошо устройство работает в нормальных условиях, но и тем, что происходит, когда оно отказывает.

Для производителей и поставщиков медицинской продукции это означает необходимость оценивать оборудование на протяжении всего жизненного цикла: от выбора технологии и её квалификации до обслуживания, мониторинга, резервирования и вывода из эксплуатации.

История Эйнштейна напоминает и о другом обстоятельстве: технология, устраняющая одну опасность, может создавать другие.

Именно поэтому современная оценка холодильных систем должна учитывать одновременно химическую безопасность, энергопотребление, экологические характеристики, эксплуатационную надёжность и последствия потенциального отказа.