Латинская пословица гласит: «Природа не терпит пустоты». Когда человек научился обращать пустоту себе на пользу, пословица утратила первоначальный смысл. Ещё в 70-х годах в Красноярском политехническом институте велись исследования под грифом «секретно». Тема, которую, в частности, разрабатывал Владимир КУЛАГИН (ныне д.т.н., заведующий кафедрой теплотехники и гидрогазодинамики, почётный работник науки и техники РФ), имела военно-прикладное назначение.
Вне конкуренции
— Сейчас это уже не тайна, — улыбается профессор. — Сведения опубликованы в открытой печати. А занимались мы исследованием движения тел в воде с большими скоростями. Речь о судах на подводных крыльях, в основном это торпедная тематика для ВМФ. Не без нашего участия была введена в строй и поставлена на вооружение атомных подводных лодок ракета-торпеда «Шквал». До сих пор её не превзошли в скорости ни немцы, ни американцы.
В головной части ракеты расположен кавитатор (кавитация — это процесс парообразования в потоке жидкости, от лат. cavita — пустота), и ракета движется как бы внутри пузыря из парогазовой смеси, не испытывая сопротивления трения с водой, а лишь так называемое кавитационное сопротивление, которое существенно ниже гидродинамического. Она достигает больших скоростей и способна нести ядерный заряд. Лодка может выстрелить такой ракетой из-за линии горизонта, и, оставаясь в безопасности, поразить цель. Скорость торпеды такова, что, если чужой корабль и успеет обнаружить произведённую по нему атаку, он не успеет сманеврировать.
Кавитационные технологии сегодня так же активно применяют в тепло- и гидроэнергетике, машиностроительной, строительной, пищевой, медицинской, сельскохозяйственной отраслях и других сферах.
Медаль Лейбница
В ноябре 2014 года профессоры СФУ Владимир и Татьяна Кулагины выступили с докладами в Ганновере на VIII Международном форуме Euro-Eco-2014 «Экологические, инженерно-экономические и правовые аспекты жизнеобеспечения». Симпозиум был организован Европейской академией естественных наук (ЕАЕН) и Европейским научным обществом.
В результате красноярские учёные были награждены памятными медалями Готфрида Вильгельма фон Лейбница «За выдающиеся заслуги и отличные научные исследования» и дипломами ЕАЕН о присвоении почётного звания «Заслуженный деятель науки Европы» за самоотверженное служение науке.
В Ганновере супруги Кулагины представляли кавитационную технологию, применимую во многих отраслях — машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве, к тому же экологически безопасную.
Взять хотя бы кондиционирование технических вод и очистку сточных. Результаты получены с помощью математического моделирования и эксперимента и изложены в двух диссертациях, выполненных под руководством Владимира Алексеевича Кулагина.
— Обессоливание природных вод, кондиционирование и очистка сточных вод — сегодня одна из самых актуальных тем в мире, — говорит профессор. — И даже Сибирь начинает испытывать дефицит воды — технической и питьевой, хотя у нас, в Красноярске, её вдоволь, и она очень чистая. Если мы добываем воду из-под земли, возникает проблема солей и, в частности брома, который вреден для организма и обычными способами его не извлечь. Как человечество с этим справляется? Опресняет морскую и очищает воду из подземных источников, но это достаточно энергоёмкие технологии, а рынок питьевой воды борется за каждый цент стоимости одного кубометра воды. Зато наша кавитационная технология обессоливания дешёвая и вполне конкурентоспособна.
— В чём её суть?
— При понижении давления в воде образуется кавитационный микропузырёк. В период роста внутрь него испаряется вода и газы, растворённые в воде. Пузырёк наполняется парогазовой смесью. Пока он растёт — ничего интересного из себя не представляет, а когда попадает в зону повышенного давления и начинает схлопываться — происходит разогрев содержимого и воды в области пузырька. Всё это сопровождается различными явлениями, достигающими высоких параметров. Если ударные волны — то это десятки тысяч атмосфер, если температура — то до плазменных состояний, 15 тысяч градусов! Когда таких пузырьков много — они становятся опасными для технических систем (насосы, гидротурбины и т.д.), вызывают эрозию, разрушают стенки трубопроводов.
Вот представьте себе: струйка воды диаметром в несколько микрон движется со скоростью до 500 метров в секунду, а при такой скорости вода — тверже алмаза. Ни один материал не выдержит такого воздействия! Однако мы работаем над тем, чтобы использовать эти «вредные» эффекты кавитации. Теперь вообразите не маленький пузырёк, а большую каверну (caverna — пустота) или пузырь. Внутрь него испаряется вода. Пары воды — это её молекулы в чистом виде, без солей. И эти пары мы специальным образом откачиваем из каверны и получаем чистую воду.
— А соли?
— С потоком жидкости они уносятся мимо пузыря… Вся проблема в том, чтобы создать эффективное малозатратное в энергетическом плане оборудование.
— Описанная технология где-либо опробована?
— Один из моих аспирантов проводил исследования на автомойке. Очищал стоки от мойки автомобилей и получал оборотную воду, которая вновь использовалась для мытья машин. Очистка происходила на специальной опытной установке — кавитационном реакторе, собранном в университетской лаборатории. Ресурсосберегающий, экологический эффект налицо.
Утилизация отходов ядерного топлива
В последнее время предметом научных интересов Татьяны Анатольевны КУЛАГИНОЙ, д.т.н., профессора кафедры инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности, стала одна из важнейших проблем современности — радиационная безопасность при обращении с отходами АЭС. Вместе со своими учениками на базе кавитационной технологии она получила ряд важных результатов, позволяющих существенно снизить затраты на переработку, утилизацию и захоронение отходов радиохимического комплекса.
В настоящее время на предприятиях ядерно-энергетического цикла во всём мире возникли проблемы по переработке высокоактивных отходов, которые были накоплены более чем за 40 лет. Время показало, что длительное хранение активных жидких отходов приводит к накоплению твёрдого осадка. Именно эта форма отходов является наиболее сложной с точки зрения переработки и утилизации.
Например, на Железногорском радиохимическом заводе, где хранятся и перерабатываются радиоактивные отходы, они в виде пульпы закачиваются в хранилища-накопители из нержавеющей стали 30-ти метров высотой и 10-ти в диаметре. Там накапливаются, образуя малорастворимые твёрдофазные осадки. Но в этих «баках» отходы хранить долго нельзя, потому что идёт накопление осколков делящихся материалов, повышается температура, что может привести к возникновению цепной реакции. Хранилище используют как промежуточное. В конце концов пульпу извлекают, превращают в твёрдое состояние, остекловывают и отправляют для дальнейшего захоронения.
Вся проблема в том, что химический метод извлечения осадков (с помощью смеси соляной и серной кислот при высоких температурах) полностью себя исчерпал, и дальнейшее его применение ведёт к снижению коррозионной стойкости хранилищ. Учёные предложили новый метод — использовать для растворения смеси на основе кавитационно-активированной воды. В результате эффективность процесса увеличивается в 1,5 и даже в 1,7 раза. Известно ведь, что вода самый лучший растворитель. На радиохимическом заводе Железногорска эта технология прошла успешную апробацию и рекомендована для производственного внедрения.
Наноматериалы
— Одна из последних наших совместных работ с к.ф.-м.н. Людмилой Васильевной КАШКИНОЙ и к.т.н. Олесей Павловной СТЕБЕЛЕВОЙ, ныне доцентом моей кафедры, — получение наноматериалов с помощью кавитационной технологии, — продолжает Владимир Алексеевич. — Это нанотрубки — графитовые материалы, которые используют, например, в электронике, в технике. С помощью кавитационных эффектов мы научились получать структуры типа астраленов, фуллеренов, углеродных нанотрубок из очень дешёвого сырья, к примеру, из древесной сажи. И эта технология достаточно дешёвая. Использование таких соединений в смазочных материалах приводит к снижению коэффициента трения в полтора раза. Изобретение востребовано в машиностроении и автомобилестроении, например, при эксплуатации и смазке двигателя. В стройиндустрии полученный таким образом материал (мы его назвали — КАУМ — кавитационный активированный углеродный материал) можно использовать в качестве присадки к цементным растворам и серобетонам. При этом получаем примерно в 1,7 раза увеличенную поверхностную прочность изделий.
Растениеводство без удобрений
Несколько лет назад в одном из совхозов Красноярского края провели эксперимент. Полученную на опытной установке кавитационно-обработанную воду использовали в теплицах для полива.
— Эффект был потрясающий — урожайность помидоров, огурцов и других овощей выросла как минимум на 25-30%, — вспоминает Владимир Алексеевич. — А заболеваемость растений резко снизилась. Технология дешёвая и применялась, пока работало хозяйство.
— За счёт чего повышалась урожайность?
— Всё дело в структуре воды. Когда эта структура разбивается, образуются водородные связи. Во-первых, вещество, которое обладает свободными водородными связями, легче входит в контакт и взаимодействие с веществами, имеющими в своей структуре водород. Во-вторых, в результате механо-химических реакций в воде образуются свободные гидроксильные группы: перекись водорода, свободный водород, кислород, озон. И поскольку в воде растворён воздух, то в результате этих реакций изменяется кислотно-щелочной баланс, физические характеристики воды, такие как электропроводность, поверхностное натяжение.
Такая вода, обладая увеличенной растворяющей способностью, легче попадает в корневую систему растений и способна эффективно донести кислород и растворенные в почве минеральные вещества до живой
клетки.
— Сейчас изобретение не востребовано?
— Мы, учёные, получаем результаты и готовы обеспечить консультацию, но стадии внедрения в производство сопутствует серьёзная конструкторская проработка. Должны быть подобраны материалы, изготовлены установки для серийного производства на продажу. Эти задачи для других специалистов.
Пока же проводим исследования в различных направлениях по мере своих сил и при помощи аспирантов и сотрудников лаборатории.
Денег net.ru
Куда же сегодня без финансирования? Ведь даже используя базу ЦКП СФУ, необходимо оплачивать химреактивы, амортизацию оборудования и т.д.
— Под такие работы грант особо не выиграешь, ведь они поисковые, носят фундаментальный характер, — делится Владимир Алексеевич.
— А что же представители бизнеса?
— Мы стараемся пропагандировать свои разработки, рассказывать о достижениях, но предприниматели пока не реагируют.
А вот у иностранцев интерес огромный. В 2014 году я ездил на конференцию в Данию. После доклада на меня вышла фирма «Альфа Лаваль» из Копенгагена, занимающаяся масложировым направлением. Их интересовала технология окисления длинных жировых цепочек с помощью эффектов кавитации. Мы договорились провести совместные поисковые исследования, но пока датчане медлят и не скрывают причину: ждут, когда изменится внешнеполитическая ситуация.
Год назад я читал лекции в Харбинском политехническом университете. И китайцы тоже заинтересовались нашими разработками, в частности, экономичными и экологичными водоугольными суспензиями (когда измельченный уголь, смешанный с кавитационно-обработанной водой, подаётся в топки). Мы договорились совместно продолжать исследования по совершенствованию и использованию этой технологии. Заключено соглашение о сотрудничестве и по другим направлениям.
Внедрением и продвижением нового вида топлива в России занимается предприятие из Новокузнецка «Сибэкотехника». Но результаты у них, похоже, больше востребованы не на родине, а... в Монголии. Новосибирский Институт теплофизики также разрабатывает эту тему — один из промышленных котлов они пытаются полностью перевести на водоугольную суспензию. Но это единичные примеры по России…
— Выходит, банк данных есть, разработки лежат, Запад и Восток подхватывают идеи и внедряют, а в родном Отечестве…
— … как говорится — нет Пророка… Но думаю, проблема внедрения особенно актуальна именно сейчас, когда внешние рынки ограничены, и на первый план выходит импортозамещение. Сфер применения кавитационной технологии множество: производство нового вида топлива для асфальтобетонных заводов, других экологически вредных предприятий; изготовление наноалмазов и использование их в качестве присадки к моторным маслам…
— Владимир Алексеевич, если бы у вашей рабочей группы вдруг появился источник финансирования, куда бы вложили средства в первую очередь?
— В строительство, гидротехническое строительство, санацию инженерных сооружений и многое другое. Очень интересны результаты, полученные нами по бетонам.
Судите сами: применяя кавитационную технологию, можно для изготовления этого стройматериала использовать цемент более низкой марки (например, не 400, а 300) либо брать его примерно на 30% меньше. Ресурс очень великий, учитывая растущий объём строительных работ в том же Красноярске и крае.
Медицина и кавитация
Кавитационная технология частично опробована и применяется в медицине, косметологии, например, для удаления жировых отложений — липосакции. Учёные изучают эффект «живой» воды в процессе лечения ожогов.
Кстати, в 80-х годах в Красноярске на базе НИИ медицинских проблем Севера проводились эксперименты по использованию кавитационно-обработанной воды и воздействию её на клетки человека. По словам профессора Кулагина, положительный эффект роста клеток был налицо. Однако исследование приостановили по медицинским же показаниям: если клетки стремительно растут, у них хорошая выживаемость и воспроизводство, не будет ли это стимулировать развитие рака? Пока вопрос остаётся открытым.
Перспективы
В настоящее время учёные изучают возможность использования кавитационных технологий в ядерной энергетике, в криогенной технике, а также для повышения скорости хода судов и в других сферах. Решение этих и многих других задач невозможно без обеспечения лабораторной базой.
Под руководством профессора Кулагина в 2012 году выполнен проект реконструкции и развития высоконапорной гидравлической лаборатории (ВГЛ) при плотине Красноярской ГЭС совместно с СКТБ «НАУКА» КНЦ СО РАН и Институтом теплофизики. Лаборатория, состоящая из комплекса крупномасштабных установок, не имеет аналогов в мире и предназначена для проведения фундаментальных и прикладных исследований в области гидродинамики больших скоростей. Иными словами — речь об исследованиях высокоскоростных течений жидкости и их взаимодействии с материалами и конструкциями (а это вопросы безопасности работы ГЭС). Владимир Алексеевич мечтает о создании на базе ВГЛ научного центра мирового значения на условиях государственно-частного партнёрства.
— Интеллектуальным продуктом лаборатории станут результаты научных исследований, проведённых в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации гидротехнического оборудования, надводных и подводных транспортных средств, комплексов морского базирования, энергетических систем, — поясняет учёный. — Если удастся продвинуться в этом направлении — считайте, что моя мечта сбылась.
Наталья КУЗНЕЦОВА