15
Междисциплинарный комплекс позволит проводить исследования на стыке наук
Ученые предлагают создать междисциплинарный исследовательский комплекс аэрогидродинамики, машиностроения и энергетики. Планируется, что он объединит пять современных исследовательских центров: аэродинамический; геофизической гидродинамики; перспективных энергетических технологий; высокоэнергетических технологий и новых материалов; физико-химических проблем горения и аэрозолей.
Проект «Академгородок 2.0», инициированный губернатором Новосибирской области Андреем Травниковым, призван вдохнуть новую жизнь в Новосибирский научный центр и помочь ему укрепиться на лидерских позициях. Новосибирский Академгородок должен быть научным центром мирового уровня, каковым он являлся на протяжении десятилетий. Руководитель области убежден: все возможности для этого у нашего региона есть.
— Нам досталось уникальное наследство — мощный научный центр, созданный Михаилом Лаврентьевым и его сподвижниками, — сказал Андрей Травников. — Уже в современной истории здесь получен опыт создания новых форматов внедрения инновационных разработок малых и средних предприятий. Объединив опыт прошлого и настоящего, воплотив его в проекте «Академгородок 2.0», мы будем иметь все основания стать площадкой по отработке подобных моделей для применения на других территориях.
Напомним, что в конце августа на Международном технологическом форуме «Технопром» правительство области презентовало «Академгородок 2.0» Президенту России Владимиру Путину. Глава государства поддержал проект развития Новосибирского научного центра.
— Надеюсь, что все наши планы будут реализованы в срок и с должным качеством. Могу также сказать, что региональными властями, научным сообществом проделана серьезная подготовительная работа для реализации этих планов, — отметил Владимир Путин.
«Академгородок 2.0» включает в себя сразу несколько крупных проектов. Междисциплинарный исследовательский комплекс (МИК) аэрогидродинамики, машиностроения и энергетики — один из них. Как известно, сегодня самые громкие открытия происходят на стыке наук, а исследования наиболее успешны, если один и тот же процесс или явление одновременно изучают представители разных наук. К тому же, если объединить на одной территории дорогостоящие исследовательские установки и совместно использовать энергетические мощности, это позволит существенно сэкономить государственные деньги. Добиться наилучших результатов можно, лишь объединив усилия, и сибирские ученые стремятся это доказать.
Тайны океана
Ученые Института гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН убеждены, что экспериментальная установка для изучения течений вращающейся жидкости поможет не только изучать мировой океан, но и понять, по каким законам развиваются снежные лавины, цунами и даже песчаные бури.
Институт гидродинамики проводит широкий ряд исследований самой разнообразной тематики. Например, одно из направлений работы лаборатории детонационных течений — нанесение различных функциональных покрытий методом газового взрыва. Экспериментальная установка, предназначенная для этого, чем-то напоминает пулемет, только вместо пороховых газов применяется газовый заряд, а вместо пули — порошок. Покрытия позволяют решить различные задачи, такие как повышение прочности, электроизоляция, защита от воздействий агрессивных сред и так далее. Центр высокоэнергетических технологий и новых материалов откроет перед учеными новые горизонты.
Сотрудники лаборатории экспериментальной и прикладной гидродинамики занимаются изучением течений в стратифицированной (обладающей разной плотностью) и вращающейся жидкости. Сегодня здесь есть установка, позволяющая моделировать и, следовательно, исследовать процессы, протекающие в таких жидкостях. При помощи этой установки можно изучать цунами, снежные лавины, одиночные волны и многие другие явления, которые приводят к масштабным разрушениям и жертвам.
Энергия воды и огня
Комплекс высокотемпературных стендов для моделирования процессов горения топлива в камерах сгорания перспективных энергетических и транспортных газотурбинных установок поможет изучить процессы горения, а большой кавитационный стенд — исследовать кавитационную эрозию лопаток турбин гидроэлектростанций. Это вклад ученых Института теплофизики СО РАН в региональный проект «Академгородок 2.0», инициированный правительством области.
Одним из направлений работы сотрудников Института теплофизики является изучение процессов кавитации и кавитационной эрозии (износа). Исследования проводят на кавитационном стенде, он представляет собой замкнутую трубу, в которой вращается жидкость. В рабочем участке этой установки создают поток с определенными характеристиками, куда помещают так называемые гидрокрылья. Гидрокрыло — это лопатка, основная рабочая часть гидротурбины, которую обтекает жидкость, при этом возникает кавитация (образование и схлопывание пузырьков). Она приводит к разрушению лопаток, поэтому их приходится периодически менять, что и сложно, и дорого.
— Главная цель работ, которые мы ведем, — попытаться снизить вредный эффект от кавитационной эрозии, — рассказывает заместитель директора Института теплофизики имени Кутателадзе СО РАН по прикладной и инновационной деятельности кандидат физико-математических наук Артур Бильский. — Мы работаем как с реальными лопатками, которые используются, к примеру, на Саяно-Шушенской ГЭС, так и с моделями. В рамках междисциплинарного центра мы планируем создать большой стенд, который по масштабам будет в несколько раз больше того, который есть у нас, для продолжения наших исследований.
Также в Институте теплофизики изучают процессы горения газообразного топлива современными экспериментальными методами. Исследования проводят на специальном огневом стенде. Главная цель — понять возможности управления процессами горения для снижения вредных выбросов и повышения эффективности с перспективой применения на газотурбинных установках. В создаваемом междисциплинарном исследовательском комплексе ученые планируют построить высокотемпературные стенды для моделирования процессов горения топлива в камерах сгорания перспективных энергетических и транспортных газотурбинных установок. Результаты, полученные в ходе этих исследований, должны помочь увеличить КПД и срок службы производимых агрегатов, снизить вредные выбросы в атмосферу — словом, сказать новое слово в энергетике.
Полёт на гиперзвуке
Сверхсовременные аэродинамические трубы, которые предлагают создать ученые Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, позволят значительно продвинуться в изучении аэродинамических процессов, связанных с полетами на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях, а также решить проблему обледенения летательных аппаратов.
Институт теоретической и прикладной механики сегодня обладает самой мощной в системе РАН аэрогазодинамической базой, которая включает в себя комплекс аэродинамических труб, практически охватывающих диапазон скоростей современной авиации и ракетно-космической техники. Подобные установки работают так. В трубу помещают модель самолета или ракеты и создают воздушный поток. На основании того, как ведет себя модель, можно спрогнозировать, что будет с реальным летательным аппаратом в сходных условиях.
Сверхзвуковая и гиперзвуковая аэродинамические трубы были построены в девяностые-двухтысячные годы, то есть в самое сложное для нашей науки время. Но, чтобы двигаться вперед, нужны установки нового поколения. Ученые предлагают создать, например, климатическую аэродинамическую трубу, при помощи которой можно будет проводить фундаментальные и прикладные исследования по проблеме обледенения летательных аппаратов. На сегодняшний день в России такой пока еще нет, а между тем обледенение — это серьезнейшая проблема, без решения которой сложно говорить о перспективах развития авиации.
— Конечно, самим нам такую трубу построить практически невозможно, но в рамках реализации проекта «Академгородок 2.0» это вполне осуществимо, — отмечает заместитель директора по науке Института теоретической и прикладной механики кандидат физико-математических наук Андрей Сидоренко. — Всего мы планируем создать три исследовательские установки для изучения наиболее актуальных проблем современных авиационных и аэрокосмических систем. Сегодня приоритетами являются увеличение скорости — это гиперзвук и сверхзвук, удешевление коммерческих пассажирских перевозок, а также всепогодность. Климатическая аэродинамическая труба, а также две высокоскоростные гиперзвуковые установки как раз и предназначены для проведения исследований по вопросам обледенения, физики трансзвукового полета и так далее. Кроме того, с помощью таких установок можно будет испытывать реальные теплозащитные системы. Определенный научный задел по созданию подобных аэродинамических труб у нас уже есть.
Структура МИК аэрогидродинамики, машиностроения и энергетики
Аэродинамический центр — комплекс уникальных аэродинамических установок, предназначенных для решения проблемы обледенения летательных аппаратов и других вопросов, связанных с созданием авиационных и космических систем нового поколения.
Центр перспективных энергетических технологий — комплекс высокотемпературных стендов для моделирования процессов горения топлива перспективных энергетических и газотурбинных установок, а также комплекс стендов по исследованию детонации и горения.
Центр геофизической термодинамики — комплекс крупномасштабных установок для исследования гидродинамики неньютоновских жидкостей, суспензий, пен в трубах, а также платформа для изучения течения вращающихся и стратифицированных жидкостей.
Центр высокоэнергетических технологий и новых материалов — комплекс стендов по созданию и обработке материалов высокоэнергетическим воздействием, включая плазменные, лазерные и газодинамические технологии.
Центр физико-химических проблем горения и аэрозолей — комплекс стендов для исследований, связанных с горением топлива, моторными топливами, аэрозольными технологиями, пожаро- и взрывобезопасностью.
Нанолекарства будущего
Уникальные исследовательские установки Центра физико-химических проблем горения и аэрозолей помогут обезопасить шахты от пожаров и взрывов, изучить химические процессы, которые происходят в топливе при горении, продвинуться в создании современных лекарственных форм и многое другое.
Институт химической кинетики и горения (ИХКГ), по инициативе которого создается центр, занимается изучением вопросов, связанных с горением, а также с наноразмерными формами вещества. Наночастицы сегодня присутствуют буквально повсюду: это и медицина, и энергетика, и процессы переноса вещества в атмосфере, где наночастицы играют как положительную, так и отрицательную роль.
Иными словами, человек может вдыхать вместе с воздухом наночастицы какого-либо вещества, и это, безусловно, вредно. Но, с другой стороны, наноаэрозоли могут быть и лекарством, причем очень эффективным. Работает это так. В результате ингаляции наночастицы лекарственного препарата попадают непосредственно в альвеолы. По сути, это аналог инъекции. Но это безболезненное, неинвазивное воздействие, причем с мгновенным эффектом. Сегодня в ИХКГ изучают, как перевести в наноаэрозольную форму гипотензивные и нестероидные противовоспалительные средства, а также совместно с Институтом туберкулеза проводят исследования по противотуберкулезным препаратам.
Еще одно направление исследований учреждения — изучение сложных процессов, лежащих в основе подземных пожаров. Дело в том, что в шахтах во время работы выемочных комбайнов создается локальный перегрев. Из-за этого происходит испарение или кипение органических соединений, которые находятся в угле. Это приводит к тому, что образуются аэрозольные частицы в большой концентрации. По сути дела, это углеводороды, то есть топливо. Это очень сильно влияет на взрывобезопасность, так как, помимо метана, в шахте присутствует еще и большое количество топлива в виде аэрозоля. Этот процесс необходимо исследовать, и тут требуются совместные усилия ученых-геологов, химиков, физиков. Центр физико-химических проблем горения и аэрозолей, который ученые предлагают создать в рамках междисциплинарного исследовательского комплекса, как раз и поможет в решении этой задачи.
КОММЕНТАРИИ
Евгений ЕРМАНЮК, заместитель директора Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, доктор физико-математических наук:
— В рамках программы «Академгородок 2.0» мы предлагаем проект строительства установки для моделирования течения вращающейся жидкости. На данный момент самая крупная установка такого типа находится во Франции. Мы хотим создать установку более скромных размеров. Ее диаметр будет шесть метров, глубина — около двух метров, а скорость вращения примерно такая же, как у французского аналога, — от 0,06 до 12 оборотов в минуту. Ориентировочная стоимость — порядка трех миллионов евро. Мы должны знать, как устроен океан. Что же касается практического применения полученных знаний, то, например, сегодня Арктика освобождается ото льда, и, если удастся доказать, что через тридцать лет она большую часть времени будет свободна, Северный морской путь составит сильную конкуренцию обычному пути через Суэцкий канал. Значит, вложения окупятся с лихвой.
Андрей ОНИЩУК, директор Института химической кинетики и горения, доктор химических наук:
— Сегодня складывается уникальная ситуация. Перед нашей страной встают глобальные задачи — освоение Арктики, водного пространства, проблемы агропромышленного и оборонного комплекса. Их невозможно решать в рамках одного института. Объединение усилий дает нелинейный эффект — непропорциональное увеличение эффективности научных исследований.
