Наука - энергетике

От паровых турбин до полётов в космос
08.04.2019
Пунто Апрельский

Академик Лев Арцимович как-то сказал, что «наука - это лучший способ удовлетворить личное любопытство за государственный счёт». В этой статье мы собрали свежие находки учёных, которые, не ограничиваясь любопытством, ставят и решают важные практические задачи.

Оси вращения

Сотрудники Московского энергетического института собрали обширные данные о работе паровых энергетических турбин и генераторов, действующих на территории всего бывшего СССР, заложили эти данные в компьютерную систему и пришли к любопытному выводу. Оказывается, проектировщикам электростанций не стоило игнорировать явления, связанные с вращением Земли: вероятность аварий турбогенераторов зависит от их ориентации по сторонам света.

Энергооборудование с ориентацией осей вращения «запад - восток» выходит из строя чаще, чем с ориентацией «север - юг». Как отметил научный сотрудник МЭИ Виктор Иноземцев, «быстро вращающийся массивный ротор представляет собой гироскоп, который входит во взаимодействие с вращением Земли, создавая дополнительные радиальные нагрузки на подшипники». Статистика это подтверждает: повышенная аварийность наблюдается как раз из-за механических проблем.

Подсмотрели у природы

Человек и млекопитающие животные получают кислород через лёгкие, включающие многочисленные альвеолы (пузырьки, опутанные лёгочными капиллярами). Альвеолы изнутри покрыты тонкой плёнкой жидкости. Если бы эта плёнка состояла только из воды, внутри альвеол действовали бы очень большие силы поверхностного натяжения. Дыхание было бы невозможно, так как стенки всех альвеолярных структур стремились бы схлопнуться. Чтобы этого не происходило, организм выделяет внутрь альвеол поверхностно активное вещество - лёгочный суфроктант.

В Апрелевском отделении ВНИГНИ увидели аналогичный момент в работе паровых котлов. В момент, когда вода в трубах котлов закипает, в ней образуется множество мелких пузырьков, которые стремятся схлопнуться под воздействием сил поверхностного натяжения. Как рассчитали учёные ВНИГНИ, путём двукратного снижения поверхностного натяжения можно в два-три раза снизить затраты тепловой энергии на испарение воды (но не нагрев!).

В настоящее время апрелевские учёные подбирают состав, который можно было бы добавлять в воду после её очистки для того, чтобы обеспечить энергоэффективное кипение. Важное требование - для снижения расхода поверхностно активное вещество должно быть термостабильным и существенно менее летучим, чем вода.

«Съедобные» выбросы

Биологи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе оценили ущерб, который будет нанесён нашей планете и её населению, если страны будут слишком усердно пытаться реализовать цели, обозначенные Парижским соглашением по климату. По мнению научных сотрудников кафедры экологии и эволюционной биологии университета, предлагаемые меры по сдерживанию эмиссии углекислого газа до 2050 г. отразятся на сельском хозяйстве самым катастрофическим образом.

«Вода и углекислый газ - это ключевые вещества, требуемые для роста органической зелёной массы, - объясняет заведующий кафедрой Карен Сиарз. - Зелёные растения могут извлекать углерод, необходимый для синтеза клетчатки, только из углекислого газа. Никакие удобрения, вносимые в почву, не способны компенсировать нехватку углекислого газа в атмосфере. И, сдерживая рост эмиссии углекислого газа на гигатонну, мы тем самым сократим возможный прирост зелёной массы на две-три гигатонны. Так что радикальные способы исполнения Парижского соглашения по климату опасны для растущего населения нашей планеты. Голодом дело не ограничится. Обострятся энергетические проблемы в тех странах, где жители широко используют дрова для отопления жилищ».

Вернуть энергию

«Роскосмос» пересмотрел концепцию создания многоразовых ракет-носителей. Решено обратить главные проблемы многоразовых разгонных блоков (высокую стоимость межполётного обслуживания и тяжёлую теплозащиту) в их преимущества.

Возвращаясь в плотные слои атмосферы, космический корабль сильно разогревается об воздух, который образует вокруг корабля «плазменный чехол». Чтобы при возвращении разгонный блок не сгорел в плазме, необходимо облицевать его прочными огнеупорными материалами в виде специальных керамических плиток. Нужно ли уточнять, что эти плитки добавляют лишние вес и стоимость? Кроме того, требования к надёжности космической техники таковы, что персоналу аэрокосмической компании приходится практически полностью разбирать, тщательно инспектировать и снова собирать разгонный блок перед его повторным использованием. Это настолько трудозатратно, что выигрыш на многократных запусках получить крайне сложно.

Академики РАН подсказали, что с экономической точки зрения имеет смысл возвращать не оборудование, а затраченную энергию. И на этот счёт у учёных есть целый ряд интересных предложений. Назовём только три из них. Первое предложение - синтез новых веществ в небольших капсулах, которые при входе ступени в атмосферу будут испытывать высокие температуры и давления. Второе предложение - плазменная обработка материалов, которая на земле требует больших затрат электрической энергии. Третье предложение - плазменная генерация потока электромагнитных волн (как в магнетроне) для дистанционного зондирования недр на нефть, газ, уголь и другие полезные ископаемые.

Желания сбываются

Как утверждают астрономы, Вселенная расширяется, причём в ускоряющемся темпе. Астрофизика пока затрудняется объяснить, откуда берётся энергия для рождения новой материи и ускорения огромных космических масс. При этом физики чаще всего исходят из того, что закон сохранения энергии выполняется, просто мы не всегда знаем, где конкретно она сосредоточена, куда и как перетекает.

Учёные из Университета Гренландии выдвинули гипотезу о том, что звёздная энергия возникает в результате трансформации биологической и психической энергии с очень большим «коэффициентом умножения». «Представьте себе повышающий трансформатор, - объясняет профессор Грасс Грин. - У него в первичной обмотке малое напряжение и большой ток, а во вторичной - большое напряжение и малый ток. По нашей гипотезе, нечто похожее происходит в случае, когда биологическая, психическая и умственная энергия, которыми наука физика не занимается, трансформируются в энергию, описанную в учебниках физики, - тепловую, световую, электрическую, ядерную и т. д. Мы ввели показатель "высота вибраций" VH (это матрица), который позволяет вывести коэффициенты взаимной трансформации энергии разных видов. Малое количество энергии с высоким VH может быть преобразовано в большое количество энергии с низким VH».

Профессор Грасс Грин напоминает о соревновании великих изобретателей Теслы и Эдисона на заре электротехники. Никола Тесла мыслил чётко и ясно, благодаря чему по его чертежам практически сразу можно было начинать производство новых изделий. Томас Эдисон не мог похвастаться столь чёткой проработкой идей, поэтому его фирма была вынуждена доводить свою продукцию до готовности постепенно, строя ряд прототипов. Особенности мышления Теслы помогали ему экономить огромные количества времени, труда и материалов, что в терминах профессора Грина говорит о высоком значении VH умственной деятельности великого изобретателя.

Группа учёных под руководством Грасса Грина пришла к выводу, что наблюдаемая Вселенная растёт тем быстрее, чем большее количество людей интересуется загадками и достижениями астрономии и астрофизики. Мы как бы притягиваем космические явления своим пристальным вниманием. Не зря существует замечательная поговорка: «Будь аккуратнее со своими желаниями: они могут сбыться!» Но есть и другая поговорка: «Апрель - никому не верь!»

Читайте другие наши материалы