Созданная в Самаре установка поможет в разработке двигателей будущего и разгадке тайн "звездных колыбелей"

Это самая большая и наиболее точная в мире установка подобного типа.

Фото: Самарский университет

В Самарском национальном исследовательском университете имени С.П. Королёва создана самая большая в мире экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения. Она поможет в разработке эффективных и экологичных двигателей и раскрытии тайн возникновения биохимических молекул - "кирпичиков", из которых состоят все известные формы жизни на Земле.

Областное Правительство и лично губернатор Самарской области Дмитрий Азаров уделяют пристальное внимание научной и образовательной деятельности университета, "чтобы самые талантливые ребята выбирали качественное образование на территории региона". Огромная работа, проводимая университетом по созданию условий самого эффективного развития важнейшего для Самарской области проекта - научно-образовательного центра, также неоднократно отмечалась руководителем региона.

Новая экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения разработана и собрана в международной научной лаборатории "Физика и химия горения" в рамках мегагранта Правительства РФ "Разработка физически обоснованных моделей горения". Возглавляет лабораторию профессор Международного университета Флориды (Майами, США) Александр Мебель.

- В Самарском университете завершены работы по созданию экспериментальной установки для изучения процессов горения. Сейчас идет калибровка оборудования, начата подготовка к проведению первых экспериментов.
В настоящее время это самая большая установка подобного типа в мире. Кроме самарской существует еще три установки, но они меньше по объему: две есть в США, в Гавайском университете и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, и одна в Китае, в Университете Хэфэя. Наша установка обладает рядом уникальных особенностей и с ее помощью можно будет исследовать и моделировать не только процессы, происходящие в камерах сгорания газотурбинных двигателей, но и химические реакции, характерные для околозвездного пространства и молекулярных облаков, - рассказал Александр Мебель.

Разработка установки велась с 2017 года. Для проекта были приобретены изготовленные в Японии специальные турбомолекулярные насосы, обеспечивающие сверхвысокий вакуум, и масс-спектрометр производства США. Под компоненты установки и дополнительное оборудование в лаборатории выделен целый зал, хотя главная авансцена для экспериментов - вакуумная камера - размерами примерно метра два в длину и полтора в высоту.

Вес камеры - полторы тонны, и чтобы поднять ее в лабораторию университета на третий этаж, в свое время был задействован строительный кран. Поскольку установка работает при сверхвысоких значениях вакуума - практически как в глубоком космосе, то, по словам сотрудников лаборатории, к ее сборке предъявлялись требования как для глубоководных или космических аппаратов - чтобы все соединения были абсолютно герметичны.

Чтобы создать сверхвысокий вакуум, насосам необходимо проработать около трех суток, поэтому она рассчитана на автономную круглосуточную работу. Например, в насосах установлены "вечные" подшипники на магнитной подвеске, не знающие износа и не требующие смазки. В случае если что-то пойдет не так, умное оборудование само сообщит ученым об этом в мессенджере.

"Сердце" установки - высокотемпературный химический микрореактор в виде тоненькой трубки из карбида кремния, разработанный учеными Самарского университета и Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН). Карбид кремния крайне редко встречается в природе на Земле, но широко распространен в космосе в виде частиц "звездной пыли". Длина трубки - 20 см, внутренний диаметр - 1 мм.

Во время экспериментов в эту трубку поступает газовая смесь, содержащая инертный газ - гелий или аргон - и необходимые для изучаемой реакции реагенты. В разогретом микрореакторе происходит химическая реакция, продукты которой в виде молекулярного пучка попадают далее в сверхвысокий вакуум и ионизируются вакуумным ультрафиолетовым излучением, после чего масс-спектрометр, "поймав" получившиеся ионы, очень точно определяет массу, структуру и другие детали молекул, образовавшихся в результате химической реакции.

- Самая первая установка такого типа была создана в мире лет 15 назад, когда стали говорить о возможности использования фотоионизации для определения продуктов элементарных химических реакций. С каждой новой установкой набирается новый опыт, идет улучшение ее характеристик, поэтому установка в Самаре разрабатывалась с учетом опыта предыдущих.
И то, что это самая большая по объему установка такого типа в мире, очень важно - размер в данном случае безусловно имеет значение, потому что благодаря большому объему значительно повышается избирательность и чувствительность определения продуктов реакций. Поэтому можно будет составлять более точные модели процессов горения, которые позволят предсказывать, в частности, как будет работать конкретный двигатель при конкретных условиях и что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива и уменьшить вредные выбросы, - подчеркнул руководитель лаборатории.

По его словам, уникальность самарской установки еще и в том, что она позволяет измерять скорости химических реакций и создавать кинетические модели горения.

- Цель нашей установки - не только определение спектра образующихся продуктов, но и измерение скоростей химических реакций, что необходимо для построения кинетических моделей горения. То есть мы будем понимать, в какой момент, как быстро и какие вещества появляются и расходуются. И в этом действительно уникальность, потому что подобную установку именно для измерения химических реакций еще никто в мире пока не использовал, - сказал Александр Мебель.

В перспективе установку можно будет легко модернизировать, что расширит диапазон проводимых экспериментов.

- Наша установка сконструирована так, что на ее базе можно будет проводить эксперименты с несколькими молекулярными пучками. Когда мы делали установку, то еще на этапе чертежей предусмотрели возможности такой модернизации. Сейчас в вакуумной камере предполагается один молекулярный пучок, но конструкция позволяет установить источник второго пучка. Если проводить эксперименты со скрещенными пучками, когда летящие молекулы из разных пучков сталкиваются друг с другом, то можно исследовать химические реакции, происходящие не только в околозвездном пространстве, где высокие температуры, но и в молекулярных облаках, которые находятся далеко от звезд и где, соответственно, очень низкая температура, - рассказал Александр Мебель.

По мнению ученого, эти эксперименты позволят лучше понять химическую эволюцию Вселенной и, возможно, пути происхождения самой жизни - ведь, как доказано, многие биологически важные молекулы - такие, как аминокислоты - могут синтезироваться в космосе на поверхности звездных пылинок, образованных из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). На Земле ПАУ входят в число вредных загрязнителей и присутствуют в выхлопах любого двигателя на углеводородном топливе.

- Если мы сможем понять, как образуются ПАУ в космических условиях, как они переходят из газовой в твердую фазу и образуют твердые пылинки, мы сможем лучше понять происхождение жизни во Вселенной, - подытожил Александр Мебель.