ЗАГЛЯНУТЬ В БУДУЩЕЕ
«Когда речь идет о тех или иных направлениях в энергетике: возобновляемая или зеленая энергетика, распределенная энергетика, алюмоводородная энергетика и все прочее. — вопрос их использования скорее не научный, это вопрос рентабельности. А она связана с уровнем технологий.»
Когда ученые заглядывают далеко вперед, это хороший показатель. Так считает заместитель директора Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН, один из руководителей мегапроекта «Фундаментальные основы энергетики будущего» академик Олег Федорович Петров.
Проект осуществляется на выигранный в 2014 г. мегагрант размером почти 1 млрд рублей. В 2015 г. институт получил из них 300 млн руб., в 2016-2017 гг. — по 150 млн в год, еще 150 млн должны выделить в 2018 г. Плюс софинансирование со стороны ФАНО и самого института около 200 млн в общей сложности. Так что проект обеспечил институт очень приличным финансированием.
В настоящее время в проекте участвуют 245 сотрудников института, из которых 54% — до 39 лет. В классификации РНФ этот возраст указывается как «молодые сотрудники».
ПРАКТИЧЕСКАЯ ТЕОРЕТИКА
— Понятно, что «фундаментальные основы» — это что-то теоретическое. Но это все-таки теория, направленная на какие-то конкретные объекты. Что вы рассматривали в качестве этой «энергетики будущего»? Атомную энергетику, термоядерную, водородную, солнечную, какую-то другую?
— Ответ на этот вопрос дать не так просто. Я окончил московский Физтех, у меня в дипломе написано, как у нас шутили, «инженер минус физик». И ответ на ваш вопрос я попытаюсь дать не как футуролог или предсказатель, но именно как инженер-физик.
Сразу следует оговориться. Когда речь идет о тех или иных направлениях в энергетике: возобновляемая или зеленая энергетика, распределенная энергетика, алюмоводородная энергетика и все прочее. — вопрос их использования скорее не научный, это вопрос рентабельности. А она связана с уровнем технологий. Надо смотреть, насколько велики затраты на производство энергии, например, в алюмоводородной энергетике. Сейчас они очень велики. Но мы не знаем, какими они будут через 50 лет. когда, возможно, произойдет удешевление существующих технологий.
— Или когда появятся новые технологии…
— Поэтому ответить на вопрос, какой будет энергетика будущего, с позиции энергетико-экономического прогноза я не могу. Но как инженер-физик, конечно, постараюсь. Наш институт создавался как головной институт по проблеме магнитогидродинамических (МГД) генераторов. Там использовался так называемый эффект Холла. Суть его заключается в том, что поток плазмы в магнитном поле разделяется по зарядам на электроны и ионы. В результате, если мы поставим электроды, возникает разница потенциалов, дающая электрический ток. Это была большая программа, которая завершилась в 1991 г. отчасти по известным экономическим и социальным причинам.
— МГД-генератор — наше ноу-хау, российское?
— Не совсем. Подобные программы велись в США и в Японии. И сворачиваться они начали примерно в одно и то же время. Была идея использовать МГД-генератор для наращивания КПД тепловой станции. Там есть устройство, в котором сжигается топливо. Дальше разогретое до очень высоких температур рабочее тело (это мог быть газ), прежде чем попасть в газотурбинные агрегаты, проходило через МГД-канал. где «излишки» температуры превращались в дополнительную электроэнергию. И только потом уже остывшее рабочее тело поступало в газотурбинные установки, где вырабатывалась основная электроэнергия. Это была перспективная идея, даже строилась промышленная установка под Рязанью. Но в начале 1990-х гг. все работы были остановлены.
СТРАСТИ ПО ВОДОРОДУ
— Настало время их возобновить?
— Сейчас в этом нет смысла. Газотурбинные агрегаты сильно усовершенствовались, КПД значительно вырос и применение МГД-генератора существенной прибавки уже не даст. Но я хотел сказать. что в нашем институте исторически уже разрабатывались подходы, связанные с тепловой энергетикой. И многие из наработок последних десятилетий вошли в этот проект. Исследования велись по пяти направлениям. Одно из них называлось «Новые энергетические технологии с использованием альтернативных источников и накопителей энергии», руководил им доктор технических наук Е.И. Школьников.
Энергоносители можно разделить на первичные и вторичные. Первичные — это газ, нефть, они хорошо известны. А вторичным носителем может быть, например, водород.
— Почему вторичным? Он хуже нефти и газа?
— Дело не в том. хуже он или лучше, а в том, что его надо произвести, выделить. Водород можно получить в результате некоторых электрохимических процессов, например в течение суточного цикла, когда на электростанциях есть избытки энергии. Производя водород, мы эту энергию аккумулируем. Но дальше возникает сложность, связанная с опасным характером водорода него низкой плотностью. Необходимо создавать безопасные установки для хранения, транспортировки и использования. Здесь возникает целый комплекс проблем. Отчасти их можно решить с применением алюминия. Как и водород, алюминий может быть использован в качестве вторичного энергоносителя, либо непосредственно для производства электроэнергии с помощью воздушно-алюминиевых электрохимических генераторов, либо в качестве промежуточного энергоносителя для производства водорода на месте потребления. В последнем случае осуществляется реакция окисления алюминия в воде. В ходе реакции выделяются водород и тепловая энергия, которую также можно использовать для производства электроэнергии, в частности с помощью тепловых машин традиционного типа.
— Получается топливный элемент?
— Совершенно верно, именно топливный элемент. Созданием таких топливных элементов, в том числе для электромобилей, занимались в нашем институте. Группой Е.И. Школьникова была разработана и испытана оригинальная конструкция батареи воздушно-алюминиевых элементов. Ее можно использовать в электромобиле в качестве резервной, для подзарядки основных аккумуляторов в пути.
— Зачем, если уже есть основной аккумулятор?
— Удельная энергоемкость батареи 350Вт-ч/кг, это в три раза больше энергоемкости литий-ионных аккумуляторов.
— Так, может, сделать такой алюмоводородный аккумулятор основным, и все?
— Для него нужны топливные элементы, которые не везде можно достать. А стандартный аккумулятор можно зарядить от розетки в любой обитаемой точке планеты. Так что тут хороша работа именно в паре. Едет машина на стандартных аккумуляторах, заряд кончился, а до розетки еще несколько километров, активировал наш элемент — и проблема решена. Но подчеркиваю: в этом случае мы имеем дело не с первичным источником энергии, а именно с ее аккумулятором.
Есть и задачи, тоже связанные с водородом, но в другом контексте, в плане безопасности энергетики будущего. Водород опасен еще и тем, что может образовываться в аварийных ситуациях на атомных станциях.
— И тогда, если не рванет уран в реакторе, рванет водород? Эдакая почти водородная бомба?
— Такие процессы трудно поддаются моделированию, поэтому тут важен эксперимент. У нас в институте имеются уникальные взрывные камеры, в которых можно создавать заданные воздушно-водородные смеси.
— И взрывать их?
— Да. Это позволяет понять, как происходит взрыв в той или иной ситуации, как ведет себя взрывная волна, от каких поверхностей она хорошо отражается, какими, напротив, хорошо поглощается и т.д. Полученные результаты можно использовать, например, при проектировании и строительстве атомных, а потом и термоядерных электростанций. У нас есть большая взрывная камера диаметром 12 м.
— То есть внутри можно разместить четырехэтажный дом?
— Четырехэтажный вряд ли, а вот компактную трёхэтажку — можно. Эта камера позволяет работать с большими объемами. Есть и камера поменьше, объемом 110 м3.
— Это получается куб со стороной почти 5 м? Тоже неплохо.
— Работы по водородной безопасности, безусловно, востребованы и также проводятся в рамках проекта.
НЕ ПЫЛЬНАЯ РАБОТА
— Но перечисленные задачи ориентированы не на самое далекое будущее.
— Есть в рамках проекта задачи, нацеленные и на значительно более отдаленные перспективы. Связанные, например, с эксплуатацией термоядерных реакторов.
— Вы говорите про французский ITER?
— Только не французский, а международный. У России там доля такая же, как и у других стран. Кроме того. ITER— это, в сущности, большой токамак, тороидальная камера с магнитными катушками, созданная в середине прошлого века академиками А.Д. Сахаровым и И.Е. Таммом. И совет по ITER возглавляет академик Е.П. Велихов. У нас в институте решается для ITER задача, связанная с воздействием плазмы настенку реактора. В токамаках используют магнитное удержание плазмы, тем не менее там присутствуют достаточно сильные тепловые потоки, воздействующие на графитовую стенку в результате чего происходит ее эрозия и в плазму выбрасываются заряженные частички пыли. Такие «пылинки» резко ухудшают свойства плазмы и создают проблемы для функционирования аппарата.
— Много ли проблем могут создать пылинки?
— Достаточно, если учесть, что в процессе эксплуатации нарабатываются килограммы такой пыли. Однако в нашем институте работы в области пылевой плазмы ведутся уже довольно давно, и накопленный опыт здесь оказывается востребован,
— Насколько я знаю, вопрос управляемого термояда токамаками не исчерпывается. Американцы давно уже пытаются «зажечь» термоядерную реакцию мощными лазерами…
— В нашей программе также присутствуют задачи, связанные с лазерным термоядом. У нас есть лаборатория, занимающаяся моделированием воздействия на мишень мощных лазерных потоков.
Кроме того, в рамках мегагранта есть еще связанное с лазерной накачкой направление— изучение воздействия на вещества фемтосекундных импульсов.
— У вас есть фемтосекундный лазер? Сим- пульсом длинной одна квадриллионная секунды?
— У нас есть прекрасно оснащенная лаборатория и центр коллективного пользования по фемтосекундным лазерам.
— И все это создано в рамках мегагранта?
— Нет. РНФ не выдает средства на обновление парка. Средства идут на решение задач. Наоборот, мы выиграли этот проект в том числе благодаря научному заделу, который был бы невозможен без приличного приборного оснащения. Если бы у нас этой аппаратуры, этих лазеров не было, вряд ли бы мы выиграли. В фемтолазерной лаборатории еще за предыдущие годы были созданы уникальные стенды и установки. Что-то мы, безусловно, модернизировали уже в рамках мегагранта. Но основное железо было приобретено и установлено до него.
КОРОТКО, НО МОЩНО
— Одна из важных для энергетики задач — устойчивость материала на различные нагрузки. В случае ITERмагнитным полем плазму можно удержать, но у установки есть, например, стенки, которые нагреваются до высоких температур. В других случаях, ядерных реакторах и пр., высокотемпературные газовые потоки также воздействуют на стенки. Возможны и внештатные режимы, экстремальные ситуации.
— Взрыв?
— В том числе и взрыв. В этих случаях важно знать, каковы возможности конструкционных материалов. как они на этот взрыв отреагируют. Фемтосекундные лазеры здесь оказались удивительно востребованы. Они за счет коротких импульсов могут создавать интенсивную ударную волну, и вы получаете возможность изучить различные материалы, их прочностные характеристики.
— То есть получается очень мощный, но очень короткий, а потому безопасный фемтосекундный взрыв?
— Скорее пикосекундный, на порядки более длительный, на уровне триллионных долей секунды. Такие задачи у нас решаются. Вообще, эксперименты с фемтосекундным лазером ориентированы на задачи в области физики высокой плотности энергии, а это неотъемлемая часть энергетики будущего.
В современном мире очень важное место занимают компьютерные системы, которые используются для масштабных численных расчетов и моделирования. В физике высоких плотностей энергии можно модулировать ударные волны, воздействие их на вещество и т.д. В ОИВТ РАН был создан гибридный суперкомпьютер на основе отечественного интерконнекта «Ангара». Это, по-видимому, первый пример открытого использования в российской практике импортозамещающих технологий такого ключевого компонента суперкомпьютеров, как интерконнект. Появление системы ускорило все работы. А первым результатом было объяснение сложного характера диффузии в трансформаторных маслах.
— Ну да, трансформаторные подстанции — тоже часть структуры энергетики будущего…
— И немаловажная. Есть задачи по моделированию и более сложные. Они связаны с термодинамикой веществ и материалов в широком диапазоне температур. Поскольку в энергетике используются самые разнообразные компоненты, важно знать их термодинамические свойства. У нас в институте база данных по термодинамическим свойствам начала создаваться еще с 1970-х гг. Работа продолжается и сейчас. А использование вычислительных методов позволяет получить новые результаты. Теперь мы можем не только экспериментально получать данные, но и заниматься прогнозированием различных режимов.
ИЗ ЛАБОРАТОРИИ — НА МАРС!
— Я читал, что у вас проводятся чуть ли не эксперименты с антивеществом.
— Краткий ответ такой: с антивеществом не проводятся. Антиводород, безусловно, представляет собой уникальное топливо для энергетических установок будущего. В том числе для ракетных двигателей будущего. Современные ракеты работают на твердом или жидком топливе, при этом в них две трети массы составляет топливо. При аннигиляции вещества и антивещества вся масса этих объектов переходит в энергию.
— Е = МС2 в чистом виде.
— Энергия колоссальная. Нескольких миллиграммов антивещества достаточно для того, чтобы долететь до Марса. К сожалению, на данный момент в лаборатории можно получить всего несколько атомов антиводорода. Но одна из наших групп сформулировала предложения по модернизации существующих установок для получения большого количества антивещества. Оказалось, что основным препятствием для захвата антиатомов выступает сильное магнитное поле в ловушке. Кроме того, у нас есть лаборатория, в которой реализовано ультраохлаждение атомов.
— Ультраохлаждение — это как, до абсолютного нуля?
— По шкале Кельвина комнатная температура — это примерно 300°. температура жидкого азота — -77°. жидкого гелия — — 4° К. Анаши исследователи достигают температуры 10 6 градусов Кельвина. Речь идет о температуре атомов. Если вы окунете палец в жидкий гелий, вы это почувствуете и даже можете получить ожог. А почувствовать температуру 10-6 градусов Кельвина вы не сможете, потому что количество атомов там пренебрежимо ничтожно. Отдельные атомы и молекулы мы не чувствуем.
— Но как можно достичь таких температур?
— Лазерным охлаждением. Установка представляет собой ловушку, в которой атомы определенным образом тормозятся.
— Тормозятся — значит охлаждаются. Но, вообще, интересно: уже не в первый раз мы заговорили об охлаждении и о сверхнизкой температуре. И где? В Институте высоких температур!
— На это есть старая шутка. Еще в советское время название нашего института ИВТ сотрудники часто расшифровывали как «Институт всяких температур». У нас здесь действительно был сильный криогенный отдел. Но лазерное охлаждение— вопрос отдельный. Члены группы, которые им занимаются, изучая ультрахолодные высоковозбужденные атомы лития-7, дают хороший вклад в понимание того, как можно в будущем накапливать и использовать атомы антиводорода.
— Литий и антиводород — где связь?
— По некоторым характеристикам они очень похожи. Литий в таблице Менделеева— один из самых близких к водороду, а значит и к антиводороду, элементов. Подобные эксперименты позволят также модернизировать существующие установки для захвата большого количества атомов антиводорода. В отдаленной перспективе полученный антиводород может быть использован в качестве топлива для фотонных двигателей.
— На сегодня все это выглядит достаточно фантастично.
— Хорошо, что есть люди, которые над этим работают. и работают увлеченно, с полной самоотдачей. Когда ученые заглядывают так далеко вперед— это хороший показатель. Критерий здесь только один: не должно быть никакой лженауки.
ОДНИ — ДЛЯ ВСЕХ
— Кроме увлеченности немаловажна и другая заинтересованность. В рамках проекта будут защищаться патенты или результаты работы станут доступны всем?
— Нет. в рамках этого проекта речь шла именно о научных результатах, которые под патентное право не подпадают. Когда мы подавали заявку, как индикаторы ставили в основном научные достижения. Что касается патентов, в основном эта работа делается по другим контрактам. Есть на сегодня гранты, объявляемые Министерством образования и науки, которые имеют ярко выраженный прикладной характер, но там необходимо участие еще и индустриального партнера. В рамках нашего проекта патенты могут появляться. но основной продукт — научные результаты, публикации в серьезных научных журналах.
— То есть вы это делаете, в принципе, для всего человечества?
— Да, это и политика фонда, он поддерживает только те работы, которые могут быть опубликованы. И это действительно получается общечеловеческое достояние. В свое время произошла ставшая уже хрестоматийной история, как термояд стал международным проектом. Вначале работы имели ограниченный, секретный характер. Но был доклад, который сделал академик И.В. Курчатов на одной международной конференции.
— Зачем?
— Люди пришли к выводу, что решить эту проблему для одной страны весьма затруднительно и надо объединять усилия. Так и произошло. Сегодня это ярко выраженный международный проект. Генерация новых знаний выгодна всем. Мы свой посильный вклад делаем.
Мы выиграли этот мегагрант в рамках конкурса, который проводил Российский научный фонд. В отличие от других грантов, которые сейчас выделяются разными фондами и организациями, он по размеру самый масштабный. С его помощью нам удалось дать импульс многим работам, которые без него не были бы реализованы.
Это создание и исследование вещества в экстремальных условиях предельно высоких давлений и температур, которые существуют в недрах Солнца, звезд, планет-гигантов и экзопланет, то есть планет, которые похожи на планеты Солнечной системы, но вращаются вокруг других звезд. Здесь удалось организовать исследование вместе со знаменитым Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики в Сарове. В результате этих работ там сейчас получены рекордно высокие давления — порядка 115 млн атмосфер и температур до многих тысяч градусов. Это максимально высокое давление, которое удавалось получить в лабораториях в земных условиях.
Удалось также развернуть работы вместе с Курчатовским институтом по так называемой ридберговской материи. Тут фигурируют предельно низкие (нанокельвины) температуры, но тоже экстремальные. Реализованы экзотические условия, когда, облучая атомы щелочных металлов, удается получить сильно возбужденное состояние вещества, с квантовыми числами порядка 400 и больше. Это новое состояние вещества, и здесь мы достигли лидерства в экспериментальной части, что особенно трудно в российских условиях.
Наконец, третье, что я бы отметил, — это работы, которые выполняются сейчас по пылевой плазме. Удалось получить конденсацию плазмы, образование кулоновских кристаллов, что тоже раньше сделать не удавалось.
И последнее — экспериментальные работы по плазменным фазовым переходам. Мы знаем, что плазма— это самое неупорядоченное состояние вещества. Тем не менее можно создать специальные условия таким образом, чтобы она закристаллизовалась — «замерзла». Получается кулоновский кристалл. Это тоже новое интересное состояние вещества. Кроме того, в обычной плазме при давлении приблизительно 1,5 млн атмосфер получается новый тип фазового перехода с конденсацией плазмы в сильно неидеальное состояние. На такую необычную возможность десятилетия назад указывали всемирно известные теоретики — Л.Д. Ландау, Я.Б. Зельдович, А.А. Абрикосов и др. И вот сейчас эти превращения подтверждены нашими совместными экспериментами с Всероссийским научно-исследовательским институтом технической физики им. академика Е.И. Забабахина (РФЯЦ-ВНИИТФ).
Все эти работы (а я назвал только немногие из них) опубликованы в престижных журналах самого высокого класса, они представлены на международных конференциях, где становятся предметом пленарных и обзорных докладов. Поэтому мегагрант наглядно показывает, сколь многого можно добиться, если появляется реальное финансирование.
Подготовил Валерий ЧУМАКОВ.
Опубликовано в № 3 журнала «В мире науки» за 2018 год.
Источник: https://scientificrussia.ru/articles/zaglyanut-v-budushchee-v-mire-nauki-3-2018
Новое на сайте экопросвещения ЭКО.ЗНАЙ http://ecoznay.ru/publ/intervju/zagljanut_v_budushhee/2-1-0-1530
