elgavrilis's blog

Μοριακή δομή

Η φυσική και χημική συμπεριφορά των μορίων καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεσή τους (τον τύπο και τον αριθμό των ατόμων που περιέχουν και τους δεσμούς τους). Οι δομικοί τύποι μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη όχι μόνο της χημικής δραστικότητας ενός μορίου, αλλά και του μεγέθους και του σχήματός του, και σε κάποιο βαθμό της διαμόρφωσής του (της χωρικής διάταξης των ατόμων). Ορισμένα δεδομένα που παρέχουν τη βάση για τέτοιες προβλέψεις συνοψίζονται εδώ και στις εικόνες του κειμένου. Στην παρακάτω εικόνα, η L-διυδροξυφαινυλαλανίνη (L-ντόπα) χρησιμοποιείται ως παράδειγμα για να δείξει τον τρόπο με τον οποίο απεικονίζονται τα μόρια.

Α. Εικονογραφήσεις μορίων

Στους παραδοσιακούς δισδιάστατους δομικούς τύπους (A1), τα άτομα αναπαρίστανται ως σύμβολα γραμμάτων και τα ζεύγη ηλεκτρονίων εμφανίζονται ως γραμμές. Οι γραμμές μεταξύ δύο ατομικών συμβόλων συμβολίζουν δύο ηλεκτρόνια σύνδεσης και όλες οι άλλες γραμμές αντιπροσωπεύουν ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων, όπως αυτά που εμφανίζονται στα άτομα Ο και Ν. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια συνήθως δεν αναπαρίστανται ρητά (και αυτή είναι η σύμβαση που χρησιμοποιείται και σε αυτό το βιβλίο). Διακεκομμένοι ή συνεχείς κύκλοι ή τόξα χρησιμοποιούνται για να τονίσουν τα μη εντοπισμένα ηλεκτρόνια.

Τα μοντέλα μπάλας και ραβδιού (A2) χρησιμοποιούνται για να απεικονίσουν τη χωρική δομή των μορίων. Τα άτομα αναπαρίστανται ως χρωματιστές μπάλες (για την κωδικοποίηση χρώματος, δείτε το εσωτερικό εξώφυλλο) και οι δεσμοί (συμπεριλαμβανομένων των πολλαπλών δεσμών) ως γκρίζοι κύλινδροι. Αν και τα σχετικά μήκη και οι γωνίες των δεσμών αντιστοιχούν σε πραγματικές συνθήκες, το μέγεθος στο οποίο αναπαρίστανται τα άτομα είναι πολύ μικρό για να κάνει το μοντέλο πιο κατανοητό

Τα μοντέλα van der Waals που γεμίζουν τον χώρο (A3) είναι χρήσιμα για την απεικόνιση του πραγματικού σχήματος και μεγέθους των μορίων. Αυτά τα μοντέλα αναπαριστούν τα άτομα ως κολοβωμένες σφαίρες. Η ενεργός έκτασή τους καθορίζεται από αυτό που είναι γνωστό ως ακτίνα van der Waals. Αυτή υπολογίζεται από την ενεργειακά πιο ευνοϊκή απόσταση μεταξύ ατόμων που δεν είναι χημικά συνδεδεμένα μεταξύ τους.

Β. Μήκη και γωνίες δεσμών 

Οι ατομικές ακτίνες και αποστάσεις εκφράζονται συνήθως πλέον σε πικόμετρα (pm· 1 pm = 10-12 m). Η παλιά μονάδα angstrom (Å, Å = 100 pm) είναι πλέον ξεπερασμένη. Το μήκος των απλών δεσμών αντιστοιχεί περίπου στο άθροισμα αυτών που είναι γνωστές ως ομοιοπολικές ακτίνες των εμπλεκόμενων ατόμων (βλ. εσωτερικό εξώφυλλο). Οι διπλοί δεσμοί είναι περίπου 10-20% μικρότεροι από τους απλούς δεσμούς. Σε υβριδισμένα άτομα sp³, η γωνία μεταξύ των μεμονωμένων δεσμών είναι περίπου 110°. σε υβριδισμένα άτομα sp² είναι περίπου 120°.

Γ. Πολικότητα δεσμού

Ανάλογα με τη θέση του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα (βλ. σελ. 2), τα άτομα έχουν διαφορετική ηλεκτραρνητικότητα, δηλαδή διαφορετική τάση να προσλαμβάνουν επιπλέον ηλεκτρόνια. Οι τιμές που δίνονται στο C2 είναι σε μια κλίμακα μεταξύ 2 και 4. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή, τόσο πιο ηλεκτραρνητικό είναι το άτομο. Όταν δύο άτομα με πολύ διαφορετικές ηλεκτραρνητικότητες συνδέονται μεταξύ τους, τα ηλεκτρόνια σύνδεσης έλκονται προς το πιο ηλεκτραρνητικό άτομο και ο δεσμός πολώνεται. Τα εμπλεκόμενα άτομα φέρουν στη συνέχεια θετικά ή αρνητικά μερικά φορτία. Στο C1, η επιφάνεια van der Waals χρωματίζεται ανάλογα με τις διαφορετικές συνθήκες φορτίου (κόκκινο = αρνητικό, μπλε = θετικό). Το οξυγόνο είναι το πιο ισχυρά ηλεκτραρνητικό από τα βιοχημικά σημαντικά στοιχεία, με τους διπλούς δεσμούς C=O να είναι ιδιαίτερα πολικοί.

Δ. Δεσμοί υδρογόνου

Ο δεσμός υδρογόνου, ένας ειδικός τύπος μη ομοιοπολικού δεσμού, είναι εξαιρετικά σημαντικός στη βιοχημεία. Σε αυτόν τον τύπο δεσμού, άτομα υδρογόνου των ομάδων OH, NH ή SH (γνωστά ως δότες δεσμών υδρογόνου) αλληλεπιδρούν με ελεύθερα ηλεκτρόνια ατόμων δέκτη (για παράδειγμα, O, N ή S). Οι ενέργειες σύνδεσης των δεσμών υδρογόνου (10-40 kJ mol¹) είναι πολύ χαμηλότερες από εκείνες των ομοιοπολικών δεσμών (περίπου 400 kJ mol-¹). Ωστόσο, καθώς οι δεσμοί υδρογόνου μπορεί να είναι πολυάριθμοι στις πρωτεΐνες και το DNA, παίζουν βασικό ρόλο στη σταθεροποίηση αυτών των μορίων.

Η πορεία της αληθινής αγάπης δεν ήταν ποτέ ομαλή. Αυτό το σαιξπηρικό συναίσθημα ισχύει σίγουρα για μια από τις πιο ρομαντικές μορφές μεταφοράς – μετακίνησης του 20ού αιώνα: το ζέπελιν. Στις 5 Αυγούστου 1908, η γερμανική πόλη Έχτερντινγκεν γιόρτασε την πρώτη προσγείωση ενός ζέπελιν. Το κομψό, πλωτό αερόπλοιο φαινόταν να είναι η ενσάρκωση της υπόσχεσης μιας νέας εποχής. Σαν να προμήνυε όμως τη μελλοντική κατάρρευση των ζέπελιν γενικά, ωστόσο, η καταστροφή χτύπησε σχεδόν αμέσως. Το βράδυ του παρθενικού ταξιδιού, μια ριπή ανέμου τράβηξε το πλοίο από το υπόστεγο του. Ξαφνικά, στο γεμάτο με υδρογόνο φάκελο του κατεστραμμένου ζέπελιν ξέσπασαν φλόγες. Το αερόπλοιο καταστράφηκε ολοσχερώς.

Ατρόμητος, ο ομώνυμος κόμης Φερδινάνδος φον Ζέπελιν συνέχισε να κατασκευάζει τα αερόπλοιά του, μέχρι που περισσότερα από 100 από αυτά αποδείχθηκαν αξιόπλοα. Αλλά η καταστροφική έκρηξη του Χίντενμπουργκ στο Λέικχερστ του Νιου Τζέρσεϊ το 1937, η έλευση του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου και η άνοδος των αεριωθούμενων αεροσκαφών μετέτρεψαν το ζέπελιν σε σύμβολο μιας περασμένης εποχής. Οι άνθρωποι εξακολουθούν να βλέπουν περιστασιακά το αερόστατο, με το απλό φουσκωμένο σώμα του, να περιπολεί αθλητικά γεγονότα. Αλλά τα πιο σύνθετα ζέπελιν, με άκαμπτες εσωτερικές δομές μέσα στους γεμάτους αέριο φακέλους τους, εξαφανίστηκαν. Ή έτσι φαινόταν, μέχρι τις 8 Αυγούστου 1998.
Σχεδόν ακριβώς 90 χρόνια μετά το περιστατικό του Έχτερντινγκεν, ο ουρανός πάνω από την πόλη αυτή καλωσόρισε για άλλη μια φορά ένα ζέπελιν. Αν και αυτό διατήρησε την ίδια γενική εμφάνιση με τους προ πολλού χαμένους προγόνους του, ήταν από κάθε άλλη άποψη μια νέα δημιουργία. Με την ονομασία LZ N07, συνδυάζει τη χάρη και την οδήγηση των παλιών αερόπλοιων με την υπερσύγχρονη αεροναυτική και ηλεκτρονική τεχνολογία. Αυτό δεν είναι το ζέπελιν του παππού σας.

Σχεδιάζοντας από την αρχή

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1980, η εταιρεία που ίδρυσε ο Ferdinand von Zeppelin, Luftschiffbau Zeppelin, ασχολούνταν για περίπου 50 χρόνια με άλλες τεχνικές δραστηριότητες, όπως η κατασκευή κεραιών ραντάρ και εξοπλισμού κατασκευών. Εκείνη την εποχή, τα στελέχη της εταιρείας Max Mugler και Heinz Kollmann κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα σύγχρονα αερόπλοια μπορεί να έχουν μια θέση. Συγκεκριμένα, πίστευαν ότι τα ζέπελιν υψηλής τεχνολογίας θα μπορούσαν να βρουν ρόλους στη διαφήμιση και την περιήγηση στα αξιοθέατα, καθώς και στην προστασία του περιβάλλοντος, χρησιμεύοντας ως σταθερές πλατφόρμες για την παρακολούθηση περιβαλλοντικά ευαίσθητων περιοχών. Μηχανικοί και ερευνητές από άλλα τμήματα επιλέχθηκαν για να εργαστούν σε μια ατμόσφαιρα τύπου Lockheed skunk works – μια μικρή ομάδα, στεγασμένη ξεχωριστά, απαλλαγμένη από όλες τις εξωτερικές επιρροές και ενωμένη σε έναν μόνο σκοπό. Αυτή η ομάδα, της οποίας την ηγεσία ανέλαβε ένα στέλεχος της εταιρείας, διεξήγαγε μελέτες που εξέταζαν τη σκοπιμότητα δημιουργίας σύγχρονων ζέπελιν και καθόριζαν τις δυνατότητές τους στην αγορά. Η ανασκόπηση των εκτεταμένων αρχείων της Luftschiffbau Zeppelin επηρεάστηκε από τις αποφάσεις της ομάδας σχετικά με το σχεδιασμό. Πάνω απ’ όλα, φυσικά, ήταν η ασφάλεια. Αυτή η ανησυχία οδήγησε στο προφανές συμπέρασμα ότι το μη εύφλεκτο ήλιο θα ήταν το αέριο επιλογής.
Επιπλέον, το σκάφος θα χρειαζόταν κάποιο βαθμό πτητικής ικανότητας ακόμη και σε περίπτωση που η πίεση του περιβλήματος μειωνόταν. Μια άλλη εστίαση στην ασφάλεια ήταν το έρμα που δεν θα απαιτούσε απόρριψη. Ένα αερόπλοιο, ελαφρύτερο μετά την απόρριψη του έρματος, μπορεί να παρασυρθεί πιο εύκολα από τους ανέμους κατά την επιστροφή του στη βάση του. Το αερόπλοιο, επομένως, θα χρειαζόταν ένα σταθερό, ισχυρό βάρος.
Επίσης, στη λίστα επιθυμιών μας ήταν η μείωση του προσωπικού υποστήριξης. Τα αερόπλοια απαιτούν επίγεια πληρώματα 15 ή περισσότερων ατόμων για να πιάσουν κυριολεκτικά το πλωτό θηρίο και να το τραβήξουν στο έδαφος. Αυτή η εργασία είναι επίπονη και μερικές φορές επικίνδυνη – και η συντήρηση, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς, ενός μεγάλου επίγειου πληρώματος μπορεί να αποτελέσει σημαντικό κόστος στις επιχειρήσεις με αερόπλοια. Θέλαμε το νέο ζέπελιν να λειτουργεί με μια πολύ πιο αραιή ομάδα υποστήριξης μόνο τριών ή τεσσάρων ατόμων. Για να προσελκύσει πελάτες, το νέο ζέπελιν θα χρειαζόταν επίσης προφανή πλεονεκτήματα απόδοσης σε σχέση με τα αερόστατα: μεγαλύτερη ταχύτητα, ικανότητα πτήσης σε δυσμενέστερες καιρικές συνθήκες, μειωμένο θόρυβο και κραδασμούς στην καμπίνα και ευκολότερη λειτουργία για τους πιλότους.

Το 1990, η ομάδα skunk works ολοκλήρωσε ένα σχέδιο. Με την έγκριση της διοίκησης, ξεκίνησε στη συνέχεια να κατασκευάζεται ένα μοντέλο proof-of-concept. Όταν αυτό το μικροσκοπικό ζέπελιν μήκους 10 μέτρων (33 ποδιών) πέρασε τις απλές δοκιμές πτήσης του την άνοιξη του 1991, άρχισε να αντιμετωπίζεται η πραγματικότητα του σχεδιασμού ενός πρωτότυπου πλήρους μεγέθους. Αυτή η προσπάθεια περιελάμβανε κάποια εργασία ντετέκτιβ  για την εφεύρεση νέας τεχνολογίας.

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις μας ήταν η εκτέλεση του είδους των υπολογισμών που είναι συνηθισμένοι στη βιομηχανία σχεδιασμού αεροσκαφών – εκτιμήσεις αεροδυναμικής, τάσεων και ηλεκτρονικών συναρτήσεων για διάφορες επιλογές σχεδιασμού. Με τη σημερινή τεχνολογία υπολογιστών, γνωρίζαμε ότι υπήρχαν δυνατότητες για τεράστιες βελτιώσεις σε σχέση με τον κλασικό σχεδιασμό ζέπελιν. Αλλά η ανάπτυξη αερόπλοιων ουσιαστικά τελείωσε το 1940 και από τότε δεν είχε σημειωθεί καμία θεωρητική ή επιστημονική πρόοδος. Ψάξαμε σε όλο τον κόσμο για προγράμματα υπολογιστών ικανά να υπολογίζουν φορτία και τάσεις για διάφορους αεροδυναμικούς ελιγμούς και δεν βρήκαμε τίποτα. Θα έπρεπε να δημιουργήσουμε τη δική μας θεωρία και πρακτική σχεδιασμού ζέπελιν.
Δύο μαθηματικοί μηχανικοί από την ομάδα μας συγκέντρωσαν ό,τι φαινόταν χρήσιμο από την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Μαζί με μέλη του Ινστιτούτου Αεροδυναμικής και Δυναμικής Αερίων στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης, ανέπτυξαν στη συνέχεια προγράμματα υπολογιστών από την αρχή για τον υπολογισμό των συναρτήσεων των ζέπελιν. Το έργο περιπλέκεται από το γεγονός ότι το τυπικό ζέπελιν σε σχήμα πούρου πλήρους μεγέθους είναι κάτι περισσότερο από μια μεγαλύτερη έκδοση μικρότερων πρωτοτύπων δοκιμών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε προκαταρκτικές δοκιμές αεροδυναμικής σήραγγας για τη δημιουργία δεδομένων. Το ογκώδες σχήμα μεταφράζεται σε μια σειρά από διαφορετικές συμπεριφορές στο μεγαλύτερο μέγεθος. Για παράδειγμα, η ροή του αέρα πάνω από το πλοίο κατά τη διάρκεια των στροφών παρέμεινε δύσκολο να υπολογιστεί, ακόμη και μετά από δοκιμές σε αεροσήραγγα. Τα αεροπλάνα είναι στην πραγματικότητα πιο απλά στη μοντελοποίηση, με τις μικρότερες εκδόσεις αεροσήραγγας να παρουσιάζουν μια λογική προσέγγιση σε σχέση με τα μεγαλύτερα σκάφη. Το LZ N07 ​​πλήρους μεγέθους είναι επομένως τόσο το αποτέλεσμα του αρχικού μας προγραμματισμού και υπολογισμών όσο και, με 400 ώρες πτήσης τώρα στα βιβλία, ένα δοκιμαστικό όχημα για τη δημιουργία του είδους δεδομένων πραγματικού κόσμου που βοηθούν στη βελτίωση των μοντέλων υπολογιστών μας.

Τον Σεπτέμβριο του 1993 ιδρύθηκε μια ξεχωριστή εταιρεία, η Zeppelin Luftschifftechnik, για να κατασκευάσει ένα ζέπελιν σύμφωνα με το σχέδιό μας και να αναζητήσει και να προστατεύσει διπλώματα ευρεσιτεχνίας για τις πολυάριθμες εφευρέσεις που θα επέτρεπαν στο μοντερνιστικό σκάφος να απογειωθεί. (Όλα τα μέλη ενός μελλοντικού στόλου ζέπελιν θα έφεραν την γενική ονομασία «Zeppelin NT», για τη νέα τεχνολογία. Κάθε ένα θα είχε επίσης μια ονομασία «είδους», όπως το LZ N07, όπου το 07 αναφέρεται στον αρχικό όγκο αερίου των 7.000 κυβικών μέτρων [247.000 κυβικών ποδιών], αν και αργότερα επεκτείναμε το σχέδιο για να χωρέσει 8.200 κυβικά μέτρα.

Το σώμα μιας “ΝΕΑΣ ΜΗΧΑΝΗΣ”

Η άκαμπτη εσωτερική δομή που καθιστά ένα αερόπλοιο ζέπελιν αντί για αερόστατο θα ήταν κεντρικής σημασίας για την υλοποίηση πολλών από τις απαιτήσεις μας. Για παράδειγμα, οι κινητήρες θα μπορούσαν να στερεωθούν σε πιο ευνοϊκές θέσεις από ό,τι είναι διαθέσιμες με τα αερόστατα, όπου περιορίζονται στην κάτω γόνδολα. Μια τέτοια τοποθέτηση περιορίζει την ευελιξία και αυξάνει τον θόρυβο. Οι κινητήρες του νέου ζέπελιν φαίνεται να είναι προσαρτημένοι στο εξωτερικό του περιβλήματος, αλλά στην πραγματικότητα είναι συνδεδεμένοι με το κρυφό εσωτερικό πλαίσιο ακριβώς κάτω από το περίβλημα.

Τα θρυλικά αερόπλοια της αρχαιότητας, όπως το Χίντενμπουργκ και το Γκραφ Ζέπελιν, είχαν πολύπλοκες εσωτερικές δομές, απαραίτητες για να υποστηρίξουν το τεράστιο μέγεθός τους: το καθένα εκτεινόταν σε μήκος 245 μέτρα, με διάμετρο 41 μέτρα και όγκο 200.000 κυβικά μέτρα. Τριάντα έξι μακριές δοκοί, που ονομάζονταν longerons, εκτείνονταν από τη μύτη μέχρι την ουρά, και «δακτυλιοειδείς ενισχύσεις» κάθε πέντε μέτρα χρησίμευαν ως ενισχυτικές νευρώσεις. Θέλαμε να βελτιστοποιήσουμε σε μεγάλο βαθμό αυτό το είδος ανατομίας, το οποίο θα ήταν πολύ βαρύ και ακριβό για τα πλοία μήκους 75 μέτρων που είχαμε κατά νου. Επιπλέον, μια ελάχιστη εσωτερική δομή προσφέρει λιγότερες πιθανότητες για ζημιές σε ανώμαλες προσγειώσεις.
Στο LZ N07, επομένως, ο περίτεχνος σκελετός του προγονικού σκάφους αντικαθίσταται από ένα απλό τριγωνικό πλαίσιο, που αποτελείται από τρία μακρύτερα δοκάρια από κράμα αλουμινίου και μόνο 12 σετ ελαφριών, ισχυρών δοκών από σύνθετα ανθρακονήματα. Αυτή η διάταξη δίνει στο αερόπλοιο την παραδοσιακή ακαμψία των ζέπελιν, αλλά μόνο κατά μήκος του. Η ακτινική ακαμψία διατηρείται από την εσωτερική πίεση αερίου. Όλα τα εξωτερικά εξαρτήματα – κινητήρες, γόνδολα και επιφάνειες ελέγχου όπως πτερύγια και πηδάλια – συνδέονται με το πλαίσιο.
Το περίβλημα, ένα πολυστρωματικό έλασμα, συνδέεται συνεχώς με τα τρία μακρύτερα δοκάρια και περιβάλλει τόσο το αέριο ήλιο όσο και τα μπαλόνια, διαμερίσματα ρυθμιζόμενου όγκου γεμάτα με αέρα. Αυτά τα μπαλόνια μπορούν να εισέρχονται αέρα από το εξωτερικό του πλοίου ή να απελευθερώνουν αέρα, για να διατηρούν μια σταθερή εσωτερική πίεση στο κύτος κατά τη διάρκεια των αναβάσεων ή των καταβάσεων. Η τοποθέτηση των μπαλονέτ προς τα εμπρός και προς τα πίσω επιτρέπει επίσης ρυθμίσεις στάσης—η άντληση αέρα από το πίσω μπαλονέτ προς το μπροστινό, για παράδειγμα, ωθεί τη μύτη προς τα κάτω σε σχέση με την ουρά. Ολόκληρο το σύστημα ηλίου-αέρα διατηρεί επίσης μια σταθερή,
ελαφριά «υπερπίεση» μέσα στο περίβλημα, περίπου 4% υψηλότερη από την εξωτερική ατμοσφαιρική πίεση. Όπως και στα αερόστατα, η διατήρηση της υπερπίεσης σε χαμηλή τιμή είναι ένα χαρακτηριστικό ασφαλείας. Εάν η πίεση μέσα σε ένα περίβλημα είναι σημαντικά υψηλότερη από την εξωτερική πίεση, μια μικροσκοπική τρύπηση θα οδηγήσει σε καταστροφική βλάβη, όπως όταν ένας πείρος εκρήγνυται σε ένα μπαλόνι. Με χαμηλή υπερπίεση, μια παρόμοια τρύπηση οδηγεί μόνο σε αργή διαρροή εσωτερικού αερίου· ο πιλότος έχει άφθονο χρόνο για να προσγειώσει το αερόπλοιο με ασφάλεια. Στο LZ N07, το πλαίσιο και το περίβλημα στηρίζονται επίσης το ένα στο άλλο· το περίβλημα έχει τη δική του ακεραιότητα σε περίπτωση σπασίματος του πλαισίου, και το πλαίσιο εξακολουθεί να παρέχει στήριξη και κάποια αξιοπλοΐα εάν το περίβλημα χάσει πίεση.

Η επιθυμία για απαράμιλλη ευελιξία οδήγησε στην απόφαση χρήσης τριών κινητήρων. Δύο είναι εγκατεστημένοι αριστερά και δεξιά της ατράκτου, ακριβώς μπροστά από το κέντρο της πλευστότητας. Αυτοί οι κινητήρες κινούν έλικες ικανές να παρέχουν ώθηση σε ολόκληρο το εύρος των θέσεων των 120 μοιρών. Ο τρίτος κινητήρας τροφοδοτεί μια ουραία έλικα, η οποία έχει εύρος κίνησης 90 μοιρών. Μπορεί να παρέχει ώθηση οπουδήποτε, από ευθεία προς τα κάτω έως άμεσα προς τα πίσω. Η πίσω μονάδα περιέχει επίσης μια μικρή πλευρική έλικα, η οποία μπορεί να ωθήσει το πίσω μέρος του αερόπλοιου προς τα πλάγια – αυτό το ζέπελιν μπορεί να κάνει έναν κύκλο με τη μύτη του στο κέντρο. Οι λεπίδες και των τεσσάρων ελίκων μπορούν να μετατοπιστούν υδραυλικά ώστε να στρέφονται είτε προς τα εμπρός είτε προς τα πίσω, δίνοντας ουσιαστικά σε κάθε μονάδα πρόωσης τη δυνατότητα αλλαγής ταχύτητας προς τα πίσω.

Τα περιβλήματα από ανθρακονήματα όλων των μονάδων κινητήρα/έλικας βοηθούν στην απόσβεση του θορύβου. Επίσης, στην αθόρυβη οδήγηση βοηθά ένα σύστημα γραναζιών που μειώνει τις 2.750 στροφές ανά λεπτό (rpm) των κινητήρων σε πιο χαλαρές 1.250 rpm για τις έλικες. Οι κινητήρες είναι πιο αποδοτικοί σε υψηλότερη ταχύτητα, αλλά οι μακριές λεπίδες των ελίκων παράγουν επαρκή ώθηση στον
αργότερο και πιο αθόρυβο ρυθμό τους. Ο ευέλικτος χειρισμός του νέου ζέπελιν και η ικανότητα απογείωσης και προσγείωσης σχεδόν κάθετα καθιστούν δυνατή την περιορισμένη ομάδα εδάφους που αναζητούσαμε. Ένα φορτηγό με τηλεσκοπικό ιστό, που φτάνει τα 12 μέτρα σε ύψος, δένει το αερόπλοιο. Ο επικεφαλής του πληρώματος εδάφους πιάνει ένα σχοινί από τη μύτη του πλοίου και το ασφαλίζει στη θέση του μέσα σε ένα σύστημα βαρούλκου που είναι προσαρτημένο στον ιστό. Δεν απαιτείται άλλη φυσική επαφή με τα σχοινιά. Το βαρούλκο ρυμουλκεί το πλοίο στον ιστό, ο οποίος στη συνέχεια τηλεσκοπεί προς τα κάτω στο επίπεδο του εδάφους. Ο επικεφαλής του πληρώματος, ο οδηγός του φορτηγού και ο χειριστής του βαρούλκου αποτελούν ολόκληρη την ομάδα εδάφους.

Μια έκρηξη στην Οκλαχόμα City σηματοδότησε τη διττή φύση της ένωσης… και τη δική μας.

Είναι γνωστός ο ρόλος του αζώτου ως θρεπτικού συστατικού. Μετά τις εκρήξεις σε χώρους όπου φυλάσσονται λιπάσματα, μας δίνει την ευκαιρία να εξετάσουμε ξανά το άζωτο, αυτή τη φορά τη σκοτεινή του πλευρά, καθώς τα περισσότερα εκρηκτικά είναι αζωτούχα. Στην αρχή ήρθε το νιτρικό κάλιο KNO3, το απαραίτητο αζωτούχο συστατικό σε πειράματα που αναφέρθηκαν για πρώτη φορά τον ένατο αιώνα από έναν ταοϊστή αλχημιστή. Προειδοποίησε ότι ένα μείγμα νιτρικού κάλιου, θείου και μιας ανθρακούχου ουσίας (αποξηραμένου μελιού;) είχε κάψει χέρια και πρόσωπα «και ακόμη και ολόκληρο το σπίτι». Από αυτή την δονκιχωτική υπόδειξη, οι Κινέζοι τεχνίτες ανέπτυξαν την πυρίτιδα και πριν από το 1200 είχαν φτάσει μέχρι τις συσκευές που γνωρίζουμε ως όπλα και κανόνια. Η καθυστερημένη Δύση δεν άργησε να το καταλάβει, και σε μια επίδειξη της συναρπαστικής δύναμης της πραγματικότητας, ορισμένοι άγνωστοι σε μας σήμερα, ..αλλά ομότιμοι του παλιού ταοϊστή ολοκλήρωσαν τη δική τους συνταγή, λίγο πριν το 1300, με μια παρόμοια προειδοποίηση, στα λατινικά: «Απαγορεύεται να το φτιάξετε αυτό… κάτω από μια στέγη λόγω του κινδύνου». Το νιτρικό κάλιο χρησιμοποιούνταν από καιρό στην παλιά Κίνα στη μεταλλουργία και την παρασκευή φαρμάκων. Είναι ένα λευκό, ασβεστώδες φυσικό ορυκτό, που καλύπτει το έδαφος σε πολλές θερμές αλλά όχι πολύ υγρές τοποθεσίες στην Κίνα και την Ινδία. Η ένωση που αναζητείται είναι το νιτρικό κάλιο, εξαιρετικά διαλυτό. Η συλλογή του νιτρικού καλίου έγινε κρατική ανησυχία στην Ευρώπη, όπου το ορυκτό δεν είναι συνηθισμένο. Εκεί, μια λευκή κρούστα ξύθηκε από τους υγρούς τοίχους και τα πατώματα των αυλών και των στάβλων, όπου εμφανίστηκε μετά από μακρά έκθεση σε ζωικά και φυτικά λιπάσματα. Η πρώιμη χημική τεχνολογία γνώριζε πώς να καθαρίζει το σωστό υλικό συλλέγοντας τους κρυστάλλους του από ένα διάλυμα του ακατέργαστου νιτρικού καλίου. Η σχολαστική αλλά προσεκτική άλεση ενός συνδυασμού 75% λευκού νιτρικού καλίου κατά βάρος, με 15% μαύρο άνθρακα και 10% κίτρινο θείο σχηματίζει μια κοκκώδη, γκριζομαύρη, στενά αναμεμειγμένη πυρίτιδα, που εξακολουθεί να χρησιμοποιείται και σήμερα ευρέως. Η πυρίτιδα καίγεται γρήγορα χωρίς περιορισμούς, πολύ πιο γρήγορα περιορισμένη από ένα χαρτί πυροτεχνήματος, πόσο μάλλον από το δυνατό κράτημα μιας σφυρήλατης κάννης. (Δεν πρέπει να αγνοούμε τη θετική πλευρά της πυρίτιδας, καθώς τα πυροτεχνήματα εξακολουθούν να εκτοξεύονται και να γίνονται φλογερά για την ευχαρίστηση του κοινού κυρίως από το μείγμα, αν και συχνά λιγότερο πλούσιο σε νιτρικά άλατα από ό,τι προτιμούν οι πυροβολητές.) Καμία ασυνήθιστα υψηλή απελευθέρωση ενέργειας δεν διακρίνει ένα εκρηκτικό από άλλα καύσιμα. Είναι η ισχύς, ο ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας με την πάροδο του χρόνου, που κυριαρχεί. Ακόμα και ένα ισχυρό εκρηκτικό καίγεται με περίπου την ίδια απελευθέρωση ενέργειας ανά γραμμάριο όπως και τα καυσόξυλα. Η κλίμακα στην οποία αναμειγνύονται το καύσιμο και το οξειδωτικό είναι το κλειδί. Τα άτομα ενός φλεγόμενου θρυμματισμένου ξύλου πρέπει με κάποιο τρόπο να έρθουν σε επαφή με τα άτομα οξυγόνου του εξωτερικού αέρα. Στην πυρίτιδα, τα άτομα οξυγόνου του νιτρικού καλίου βρίσκονται μέσα, και η καθυστέρηση είναι μόνο για να επιτρέψει στα άτομα να διασχίσουν την απόσταση μεταξύ των μικροσκοπικών σωματιδίων του οξειδωτικού και του καυσίμου. Αλλά στα νεότερα ισχυρά εκρηκτικά, άτομα οξυγόνου, αζώτου, υδρογόνου και άνθρακα βρίσκονται μαζί μέσα σε κάθε μόριο. Είναι «αναμεμειγμένα» σε ατομική κλίμακα, ικανά να συγκρουστούν ταυτόχρονα μεταξύ τους κατά την εξάτμιση. Η ταχύτητα με την οποία η αντίδραση διαδίδεται σε ένα μακρύ εκρηκτικό δείγμα μπορεί να μετρηθεί. Μια ελεύθερη ακολουθία πυρίτιδας καίγεται γρήγορα, μερικά χιλιοστά ανά δευτερόλεπτο. Ο περιορισμός αυξάνει την πίεση, έτσι ώστε τα πρώτα αέρια προϊόντα να είναι πυκνότερα και θερμότερα. Κανένα μείγμα δεν είναι πραγματικά ομοιογενές. Θερμά σημεία συμπίεσης και συσσωμάτωσης, τοπικές φυσαλίδες αερίου, ακόμη και μικροσκοπικοί κρύσταλλοι, θα αναφλεγούν και θα καούν πρώτα. Καθώς η τοπική πίεση αυξάνεται, τα αέρια γίνονται ακόμα πιο πυκνά, σχηματίζονται περισσότερα θερμά σημεία, καίγονται περισσότερες φυσαλίδες αερίου, μέχρι που τελικά το σύνολο φλέγεται. Τα σύγχρονα προωθητικά, περιορισμένα σε όγκο, μπορούν να καούν με ρυθμούς έως και ένα χιλιοστό ανά μικροδευτερόλεπτο. Σήμερα δεν είναι σκόνες αλλά κόκκοι ομοιογενών νιτρωμένων οργανικών ενώσεων, που εξωθούνται από το σχεδιασμό με σχήματα και χώρους αερίου. Σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, το φορτίο μετατρέπεται σε πολύ θερμό αέριο, συμπιεσμένο μερικές χιλιάδες φορές από τον αρχικό όγκο της πυρίτιδας, αν και το μέτωπο αντίδρασης προχωρά μόνο με υποηχητική ταχύτητα.
Ο όρος «ισχυρή εκρηκτική ύλη» διατηρείται για συνθέσεις, όπως η TNT, της οποίας το μέτωπο έκρηξης εξαπλώνεται με υπερηχητική ταχύτητα. Η έκρηξη, μόλις ξεκινήσει, δεν αλλάζει πολύ από τον περιορισμό. Αυτές οι αντιδράσεις είναι πολύ πιο γρήγορες από αυτές των καλύτερων προωθητικών. Αυτά επιταχύνονται με περίπου έξι έως δέκα χιλιοστά ανά μικροδευτερόλεπτο. Τα περισσότερα—όχι όλα—τα εξατμισμένα άτομα παρέχουν μέγιστη ενέργεια επανασυνδέοντας άμεσα σε σταθερά μόρια όπως N2, H2O και διοξείδιο του άνθρακα. Η νίτρωση επιτυγχάνεται συνδέοντας ένα ή περισσότερα από τα απλούστερα οξείδια του αζώτου με ένα οργανικό μόριο. Αυτό το μόριο μπορεί να είναι ένα οικείο πετροχημικό προϊόν, όπως το τολουόλιο του οποίου ο μοριακός δακτύλιος άνθρακα και υδρογόνου αναδιαμορφώνεται με συμμετρική προσθήκη τριών ομάδων NO2 για να σχηματιστεί τρι-νιτρο τολουόλιο, TNT. Επιφανειακά μοιάζει με ένα συνηθισμένο διυλιστήριο πετρελαίου, η περίπλοκη σωλήνωση ενός σύγχρονου χημικού εργοστασίου μπορεί να σχεδιαστεί με ελεγχόμενα στάδια, θερμοκρασίες και πιέσεις που ταιριάζουν στους καταλύτες, για την παραγωγή νιτρικού οξέος από αμμωνία και οξυγόνο, νιτρικού αμμωνίου από νιτρικό οξύ και οξυγόνο, ή ουρίας, ενός ασφαλούς λιπάσματος, από αμμωνία και διοξείδιο του άνθρακα. Τα ισχυρά εκρηκτικά του στρατού – TNT στον Α’ Παγκόσμιο Πόλεμο, μείγματα RDX και TNT στον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, και τα νεότερα, πιο περίπλοκα εκρηκτικά του σήμερα – συνήθως παράγονται και σε τέτοιες εγκαταστάσεις, τροφοδοτούμενα με φυσικό αέριο ή πετρέλαιο. Τα οργανικά μόρια που επιλέγονται ως κύρια συστατικά διαφέρουν από το ένα εκρηκτικό στο άλλο, καθώς οι κατασκευαστές αναζητούν βελτιώσεις στην ενέργεια, την ευαισθησία, την ομοιομορφία και το συνολικό κόστος. Τα πρώτα ισχυρά εκρηκτικά ήταν η νιτρογλυκερίνη και το βαμβάκι, μια ολόκληρη οικογένεια πολυμερών, οι νιτροκυτταρίνες. Ο Άλφρεντ Νόμπελ βρήκε πώς να τιθασεύσει τη ρευστή νιτρογλυκερίνη, ισχυρή αλλά μη πρακτικά ευαίσθητη, απορροφώντας την και αραιώνοντάς την σε μια γήινη μήτρα. Ο δυναμίτης σε μια νέα έκδοση -μερικές φορές τιθασευμένος από υψηλής τεχνολογίας παραλλαγές της άμμου για γάτες- εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σε καιρό ειρήνης, αλλά το σύγχρονο εκρηκτικό που επιλέγεται ευρέως σε ορυχεία, λατομεία και δάση είναι το δημοφιλές λίπασμα κήπου, το νιτρικό αμμώνιο, διαλυμένο σε μικροσκοπικά σταγονίδια νερού και στη συνέχεια γαλακτωματοποιημένο σε βάση λαδιού: μοιάζουν με μεγάλα λουκάνικα τυλιγμένα σε πλαστικό – ασφαλές, απλό στη χρήση και φθηνό. Η πραγματικά σκοτεινή πλευρά των κόκκων νιτρικού αμμωνίου των κηπουρών έγινε γνωστή με πόνο. Καθώς τελείωσε ο Α’ Παγκόσμιος Πόλεμος, το πρώτο εργοστάσιο σύνθεσης αμμωνίας Haber Bosch έκλεισε. Είχε βοηθήσει στην κάλυψη των αναγκών αζώτου της εμπόλεμης Γερμανίας. Το μεγάλο απόθεμα νιτρικού αμμωνίου είχε συσσωρευτεί σε ένα ανοιχτό χωράφι κοντά. Μόλις υποχώρησε το οικονομικό χάος, οι διευθυντές προσπάθησαν να ανακτήσουν τον χώρο, ίσως να πουλήσουν το λίπασμα. Το 1921 άνοιξαν πολλές τρύπες στο σωρό και τοποθέτησαν εκρηκτικά μέσα για να τον διασπάσουν για να τον αφαιρέσουν. Αντ’ αυτού, ολόκληρη η μάζα εξερράγη, και μια τεράστια έκρηξη 4.500 τόνων, η μεγαλύτερη μέχρι τότε, σκότωσε περίπου 600 ανθρώπους στην περιοχή Oppau! Το μάθημα ήταν ζοφερό αλλά όχι ακόμη οριστικό. Το 1947, δύο πλοία φορτωμένα με νιτρικό αμμώνιο «ποιότητας λιπάσματος» εξερράγησαν σε κλίμακα κιλοτόνων στην πόλη του Τέξας. Η σκόπιμη έκρηξη τεσσάρων τόνων αυτής της ένωσης στην πόλη της Οκλαχόμα σηματοδότησε για άλλη μια φορά τη διττή της φύση – και μάλιστα τη δική μας. Τα πυρηνικά εκρηκτικά λειτουργούν σε εντελώς διαφορετική κλίμακα. Η ενεργειακή απόδοση αυξάνεται εκατομμυριαίο φορές, η ισχύς διπλασιάζεται. Όλοι γνωρίζουν ότι το είδος μας δεν μπορεί να αντέξει την πλήρη στρατιωτική χρήση της σχάσης και της σύντηξης. Η χώρα μας έχει την κύρια ιστορική ευθύνη μεταξύ των εθνών. Την αντέχουμε καλά σήμερα;