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

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. 

Установка 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.

Справочно

* Молекулярное облако, - тип межзвёздного облака, чья плотность и размер позволяют в нем образовываться молекулам, обычно водорода. В молекулярном облаке могут рождаться звезды и поэтому его иногда также называют "звездной колыбелью".

** Карбид кремния - химическое соединение кремния с углеродом. Крайне редко встречается на Земле, но широко распространен в космосе. Особенно много его в пылевых облаках ("звездная пыль") вокруг богатых углеродом звезд, а также в первозданных метеоритах .

Фото: Анар Мовсумов