СИЛА ПРИТЯЖЕНИЯ НАУКИ

Человечество веками стремилось к звездам, но преодолело земное притяжение чуть больше 60 лет назад. В основе как первых, так и последующих разработок для космической промышленности лежат сотни, тысячи научных исследований. Сегодня они получают продолжение на более высоких переделах, и фраза «Есть ли жизнь на Марсе» уже не звучит так гротескно. Вклад в освоение космоса вносит и Беларусь: в стране производятся новейшие спутниковые приборы, оптические системы высокого разрешения и специальные зеркала для космических аппаратов, оборудование для дистанционного зондирования Земли. В числе академических организаций, задействованных в научном сопровождении этих процессов, — Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси. О работе в рамках космических программ Союзного государства, сотрудничестве с нефтехимическим комплексом и уникальности достигнутых результатов нам рассказывает директор ИТМО доктор физико-математических наук, академик Олег ПЕНЯЗЬКОВ.

НОВЫЕ ОРБИТЫ

— Олег Глебович, в прошлом году ученые Беларуси и России завершили совместную научно-техническую программу «Технология-СГ». Институт тепло- и массообмена выступал головной организацией исполнителей от нашей страны. Расскажите об этом проекте подробнее, пожалуйста.

— Это была программа Союзного государства «Разработка комплексных технологий создания материалов, устройств и ключевых элементов космических средств и перспективной продукции других отраслей» («Технология-СГ»). Она выполнялась в интересах аэрокосмической отрасли России и Беларуси. Проект стартовал в 2016 году и длился пять лет. Государственными заказчиками программы выступали Национальная академия наук Беларуси и госкорпорация «Роскосмос». Основная задача была связана с разработкой технологии снижения массогабаритных характеристик элементов и узлов ракетно-космической техники. Для ее решения от ученых и инженеров двух стран требовалось создать новую элементную базу, специальные материалы, измерительные приборы, датчики, тяговые микродвигатели и другие элементы бортовой аппаратуры, обладающие улучшенными техническими характеристиками и весом по сравнению с существующими аналогами. Для оценки: стоимость одного килограмма спутника — это примерно стоимость килограмма золота. Поэтому чем меньше вес спутника (без потери функциональных характеристик, естественно), тем больше его эффективность и дешевле стоимость вывода на орбиту.

В рамках программы участникам белорусской части проекта предстояло выполнить 26 заданий. Над ними работали представители 13 организаций: семь — относятся к системе Национальной академии наук Беларуси, три — к Министерству образования, две — из структуры Госкомвоенпрома, плюс ОАО «Интеграл».

Для нас это не первый опыт участия в программах Союзного государства. Поэтому могу сказать: преимущество таких проектов состоит в том, что они реализуются в ближайшие пять лет, причем с относительно хорошим финансированием, позволяющим довести разрабатываемые экспериментальные образцы изделий до достаточно высокого технологического уровня. В то же время это позволяет исполнителям заданий стабилизировать кадровый состав организаций разработчиков, совершенствовать его качество и создавать серьезные научно-технические заделы по другим направлениям. Это чрезвычайно важный момент, поскольку когда живешь короткими перспективами — полгода-год, то теряешь навыки ставить перед собой и решать долгосрочные задачи, требующие постоянного движения и планирования, начинаешь узко мыслить и, соответственно, действовать. 

 — Что в целом сделано в рамках этой программы? За какие направления отвечал ИТМО?

— Наш институт осуществлял контроль за ходом ее реализации в течение пяти лет и отвечал за выполнение основных целевых показателей, заложенных в технические задания исполнителей программы. Кроме того, ИТМО выступал исполнителем ряда отдельных заданий. В частности, совместно с Белорусским государственным университетом мы разработали уникальную аппаратуру — мультиспектральный термограф для измерения высоких температур в условиях неопределенности коэффициентов излучения поверхности. Этот прибор предназначен для контроля температурных полей поверхностей нагретых материалов в диапазоне от 1 200 до 2 500 градусов Кельвина. Причем он создавался на базе обычной дешевой камеры, работающей в видимом диапазоне длин волн. И вот результат: вы включаете обычную видеокамеру и на дисплее видите не изображение горячего объекта, а поле температур, которое создает объект. Еще одна особенность в том, что эта температура с помощью специально разработанных физико-математических алгоритмов восстанавливается с очень высокой точностью в каждой точке изображения.

До сих пор при создании и испытаниях различных изделий ракетно-космической техники актуальной остается задача очень быстрых дистанционных измерений температуры с микросекундным временным разрешением. Для ее решения в ИТМО был разработан высокотемпературный фотоэмиссионный пирометр — прибор, позволяющий производить с частотой до 1 МГц бесконтактные измерения температуры слабосветящихся объектом в диапазоне от 1 200 до 3 500 градусов Кельвина. Прибор аттестован и вошел в реестр средств измерений Республики Беларусь.

Ученые Института прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университета создали уникальное устройство для исследования атмосферы Земли из космоса. Трехдиапазонный спектрорадиометр МСР-09, не имеющий мировых аналогов, предназначен для исследований содержания малых газовых составляющих тропосферы нашей планеты с наноспутников путем измерения спектров поглощения солнечного излучения. Эта инновация расширяет возможности метеорологов и экологов по детальному изучению земной атмосферы. Благодаря получаемой информации они могут оценить скорость восстановления озонового слоя, выявить источники и пути переноса газов и аэрозолей, которые загрязняют приземной воздух и влияют на температурный климатический режим отдельных участков нашей планеты. Спектрорадиометр имеет габариты 10×10×10 см и может быть успешно интегрирован в малые космические аппараты и наноспутники.

В рамках программы с белорусской стороны был реализован ряд проектов по созданию микродвигателей для коррекции орбиты малых спутниковых аппаратов. Один из них выполнял Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. Итогом стали космические струйные микродвигатели с электростатическим разгоном капель. В этом двигателе системой создания тяги служат капли ионной жидкости, которые инжектируются в объем, ускоряются электрическим полем. Принцип работы двигателя в чистом виде основан на законе сохранения импульса: отбросили массу вещества — создали импульс. Капли как раз и выполняют роль этой массы. По сравнению с имеющимися аналогами, разработанными компаниями Accion Systems (США), Busek (США) и Inpulsion (Австрия), созданный в нашей стране образец электростатического струйного микродвигателя при сопоставимых размерах (100×100×90 мм), формируемой тяге (0,2 мН) и суммарном импульсе (до 1 000 Н·с) обладает меньшей массой, не превышающей 0,65 грамма, и меньшей себестоимостью. По тактико-техническим данным созданная система имеет очень хорошие параметры, в перспективе предполагается изготовление образцов двигателя, готовых к летным испытаниям. 

Сейчас на первый план выходят непростые вопросы адаптации применения в космосе всех созданных устройств, датчиков, элементов. Аэрокосмическая отрасль достаточно консервативна: она не так быстро принимает новинки, как «приземленные» сферы, потому что все, что начинает летать, должно сначала пройти длительный цикл испытаний. Тем не менее благодаря постоянному взаимодействию белорусских и российских ученых и инженеров различных организаций в рамках научно-технических программ Союзного государства постоянно создаются предпосылки к углублению взаимодействия двух стран и совершенствованию системы совместной работы для освоения космического пространства.

КОСМИЧЕСКОЕ БУДУЩЕЕ

— Белорусский космический конгресс, который традиционно проходит в Минске, перенесли с 2021 года на 2022-й. Какие вопросы повестки остаются главными для участников? 

— Этот конгресс всегда проходит под эгидой Национальной академии наук Беларуси. Как правило, в Минск приезжает международный пул ученых, космонавтов, а также специалисты, которые работают в сфере авиационно-космической промышленности, эксперты в области освоения космоса, в том числе представители Федерального космического агентства — госкорпорации «Роскосмос». В рамках конгресса обсуждаются задачи, которые стоят перед космической отраслью, в первую очередь Российской Федерации, презентуются новые достижения ученых и производственников, поднимаются проблемы международного сотрудничества и междисциплинарной кооперации.  

— «Мы созидаем космическое будущее» — так звучала тема одного из предыдущих конгрессов. Какие проекты в данном контексте рассматриваются сейчас?

— Большинство из них связано с позиционированием человечества как такового: что с нами произойдет через энное количество лет, возможна ли будет жизнь на Земле, если она, допустим, столкнется с большим астероидом и это приведет к деградации климата, каковы перспективы переселения на другие планеты… То есть на глобальном уровне рассматриваются некие способы спасения человечества.

США, например, изучают варианты строительства атомных электростанций на Луне и Марсе. По мнению американских специалистов, создание внеземных АЭС могло бы обеспечить долгосрочный источник энергии для поддержания жизни в суровых условиях космоса. Даже озвучена цель: к концу 2026 года разработать, собрать и подготовить к запуску реактор, систему управления полетом и посадочный аппарат. 

Еще один пример: ряд проектов, связанных с освоением как околоземного пространства, так поверхностей других планет, совместно реализуют Россия и Китай. Космические партнеры активно занимаются созданием базовой инфраструктуры для Международной Лунной исследовательской станции ILRS. Пока, правда, на Земле. Но в перспективе планируют иметь на ILRS орбитальный аппарат, жилую базу и несколько исследовательских роверов, то есть планетоходов.

В рамках масштабной программы рассматривается комплекс работ по возможности организации жизнедеятельности людей в условиях, существенно отличающихся от тех, к которым мы привыкли на Земле. На Луне достаточно жесткие климатические условия, большая разница температур на солнечной и теневой частях планеты, сила гравитации в шесть раз меньше, чем у нас, а главное — нет кислорода. Кроме того, нет и не может быть на Луне нефти, угля, природного газа, так как они имеют биогенное происхождение. А раз на планете нет ни атмосферы, ни органической жизни, то формирование привычных для нас минеральных ресурсов невозможно.

— Не знаю, как нефть, но кислород туда придется транспортировать, как думаете?

— Нет. Думаю, что лучше и эффективнее разработать и запустить технологии, которые позволяют химическим способом добывать кислород непосредственно на Луне с учетом состава ее реголита («лунного грунта») и залежей различных металлов. Кроме того, для поддержания жизни там необходима генерация энергии. Соответственно, предстоит создание новых источников питания, а также материалов, устройств, которые позволят обеспечивать жизнедеятельность хотя бы для начала жизни «под куполом». Для того, чтобы человек мог более или менее комфортно чувствовать себя на Луне, там должны культивироваться какие-то растения, готовиться еда, необходимо организовать систему элементарного коммунального хозяйства.

Как в хорошем фантастическом произведении образца прошлого века, сейчас эти процессы рассматриваются с точки зрения различных технических предложений. И это не такая уж и далекая перспектива, особенно с учетом того, что многое из создаваемого для космических экспедиций и предполагаемого обустройства жизни на других планетах находит успешное применение на Земле. И наоборот — с теми задачами и проблемами, которые сегодня решаются здесь, мы когда-нибудь столкнемся и там.  

Например, сейчас популярна зеленая повестка. Надо понимать, что рано или поздно зеленую экономику и промышленность придется создавать и «под куполом» на Луне или Марсе.

Но все это не отменяет жизнь на Земле. Тем не менее варианты переселения человечества на Луну должны рассматриваться как одно из окон возможностей для нас всех в будущем.

— Если вернуться к теме Белорусского космического конгресса, то VIP-гости ожидаются?

— Космонавтика сейчас не настолько эксклюзивная отрасль, какой была раньше. Я сам из космического поколения — родился в год первого полета человека в космос, в свое время прекрасно знал всех космонавтов по именам и в лицо, потом — всех генеральных конструкторов ракетно-космических систем. Но в наши дни их достижения перешли в разряд освоенных технологий. И когда сегодня называют фамилии космонавтов, я, честно говоря, теряюсь.

Для меня в настоящий момент знаковые фигуры, VIPы — это технари, которые разрабатывают и делают уникальные продукты и изделия, необходимые для освоения космоса. Они импонируют как единомышленники. Безусловно, на космическом конгрессе в Минске мне и моим коллегам будет с кем пообщаться.

ТОПЛИВО: ВОДОРОД VS МЕТАНОЛ

— Сотрудники ИТМО много внимания уделяют процессам, связанным с конверсией — термохимической, химической, каталитической, без которых не обходится практически ни одно предприятие нефтехимического профиля. В этой сфере еще есть резерв для научных исследований?

— Нефтехимия — это очень капиталлоемкая отрасль. Наша проблема в том, что практически все оборудование, которое необходимо заводам, не производится в Беларуси, а используемые технологии — лицензионные. Раз нет производственной части — нет и востребованности в научных разработках. Хотя, конечно, бывают ситуации, когда наши знания и умения становятся востребованными отраслью.

Например, в свое время мы по заказу завода «Полимир» ОАО «Нафтан» выполнили исследования, связанные с изучением возможностей и безопасностью утилизации попутных газовых смесей с высоким процентным содержанием водорода (до 50%). Завод планировал установить газопоршневые когенерационные агрегаты, благодаря которым можно было бы при сжигании метано-водородной фракции получать дополнительное электричество и тепло непосредственно на предприятии. Для принятия окончательного решения было необходимо разобраться с проблемами самовоспламенения и горения метано-водородной фракции в диапазоне температур и давлений, которые поддерживаются в планируемых к закупке газопоршневых агрегатах. Результаты наших исследований доказали, что эта смесь — прекрасное топливо и опасности с точки зрения горения в газопоршневых машинах не представляет. Так «Полимир» обзавелся четырьмя единицами передового австрийского оборудования, благодаря которому до сих пор производит электроэнергию для собственных технологических нужд, тем самым уменьшая издержки по выпуску продукции. 

— Как, по-вашему, должен происходить процесс декарбонизации нефтехимической отрасли? В чем его сильные и слабые стороны?

— Тема декарбонизации (фактически оптимизации энергопотребления, в том числе внутри энергетических комплексов нефтехимических производств) идет рядом с водородной повесткой, поскольку при сгорании водород не выделяет вредные парниковые газы — только водяной пар.

Резон есть — это инструмент для стимулирования энергосбережения и стремления к стабилизации климата, улучшения качества жизни человека. Слабой стороной этих вопросов является то, что, несмотря на рассмотрение водорода в качестве альтернативного источника энергии, он таковым не становится, так как любые способы его получения достаточно затратны. Элементарный пример. Есть старый и хорошо испытанный способ получения водорода — путем электролиза воды: под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород, в итоге водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Далее при сжигании в воздухе чистого кубометра водорода мы получаем некое количество энергии, которую можно потом конвертировать в электрическую, тепловую либо другую химическую. Так вот, на весь этот процесс необходимо затратить примерно в 1,3—1,4 раза больше энергии, чем ее получается на выходе. А с учетом других водородных переделов — доставки, сжатия, транспортировки — технология становится еще более невыгодной.  

В то же время водород — чрезвычайно важный агент. Он активно используется в том числе в нефтехимической промышленности: процессы гидрогенизации происходят на всех заводах, а водород естественным образом получается при обработке нефти. Но есть такие предприятия, как, например, «Гродно Азот», которое «живет» на природном газе, используя его в процессе пароводяной конверсии для получения аммиака с последующими переделами.

Со строительством атомной станции Беларусь получает довольно серьезный устойчивый, не подверженный, как природный газ, сезонным колебаниям источник генерации электроэнергии. АЭС способна в непрерывном режиме производить определенное количество электроэнергии, которую в промышленности можно использовать, например, для производства того же аммиака.

Это актуальная тема, ее уже подхватили в ряде стран. Так, ближневосточные и северо-африканские производители природного газа планируют строить крупные производства аммиака. Предполагается, что танкерами его будут перевозить в Европу. А дальше аммиак можно с помощью каталитического крекинга распустить на азот и водород, чтобы потом использовать водород, например, в топливных элементах для получения электроэнергии.

Поэтому создание и укрепление аммиачного производства, тем более при его наличии в Беларуси, с точки зрения зарождающейся водородной экономики представляет собой очень интересный перспективный проект. Ведь из аммиака можно получать ряд других ценных продуктов, в том числе метанол — жидкое топливо. Кроме того, NH₃ можно рассматривать и в контексте перевозки водорода от производителя к потребителю. Это будет более экономически целесообразно, нежели транспортировать водород в чистом виде.   

Дальнейшее развитие в стране атомной энергетики может стать основой возникновения серьезного нефтехимического, вернее, уже энергохимического комплекса, который с использованием электрической энергии от АЭС позволит получать широкую гамму химических продуктов, практически исключив из технологических переделов нефть и природный газ. Таким образом, отказ от нефти очевиден. Тяжелее будет расстаться с природным газом — от него мы лет еще 100—150 никуда не денемся. С другой стороны, и не надо: это чрезвычайно чистый вид топлива.

— Вы хотите сказать, что будущее нефтехимии — за новым сырьем и новыми продуктами?

— Тенденции таковы: для улучшения экологии нефтехимической отрасли однажды придется переходить на выпуск монотоплива либо создание специальных видов топлива, которые содержат кислород. Ведь обеспечить качественное сжигание бензина либо дизельного топлива чрезвычайно тяжело, потому что их фракционный состав содержит большое количество различных углеводородов и они всегда будут источником производства вредных примесей при горении. 

В то же время вряд ли мы откажемся от жидких видов топлива. С точки зрения компактности хранения энергии им нет равных. Я бы еще раз напомнил про метанол или диметилэфир — монопродукты, обладающие неплохим термическим КПД, конечно, чуть меньшим, чем у бензина, но при этом у них достаточно хорошая аккумуляторная энергия и очень неплохие химические возможности для обеспечения экологически чистого сжигания в двигателях.

Кроме того, я бы обратил внимание на различные технологические варианты пиролиза природного газа. Его можно разлагать, например, в плазме и получать технический углерод, который используется в шинной и химической промышленности. Вторая составляющая пиролиза — водород, о перспективах работы с ним мы уже говорили. Если кратко, то все научно-технические задачи и технологии, связанные с пиролизом природного газа — либо плазменного, либо термического, интересны. 

Вот что, по-моему, ждет нефтехимическую промышленность в ближайшие тридцать лет. 

— А что, кстати, мешает развитию безуглеродной энергетики?

— То, что на сегодня никто толком не знает, сколько углерода производится как в мировом масштабе, так и в Беларуси. Да, спутниковые группировки ежедневно собирают и передают на Землю информацию о выбросах углерода, метана, других веществ. Но насколько мы можем быть уверены в достоверности и объективности этих цифр? Для оценки и расчета данных показателей надо бы иметь собственные национальные системы регистрации антропогенных загрязнений. Мобильные датчики концентраций могут устанавливаться, допустим, на автотранспорт, который ездит внутри того или иного города (на промпредприятиях, уточню, установлены стационарные пункты). Таким образом можно картировать процессы и создать общую живую карту антропогенных примесей по стране и регионам. С одной стороны, в Беларуси она есть, но с другой — плотность получения информации оставляет желать лучшего. Основные источники расположены в больших городах, на крупных предприятиях, но при составлении балансов надо учитывать ситуацию в малых населенных пунктах, а также в лесных массивах, болотистых местностях. Без точной и подробной системы измерений сделать это невозможно.

По большому счету, речь идет об организации ноосферы по Вернадскому: это когда биосфера разумно управляется человеком. 

HEAT AND MASS TRANSFER

— Олег Глебович, 2022-й — год 70-летия ИТМО. Вы работаете здесь 38 лет, в том числе директором — 11. Есть ли у института аналоги за рубежом? В чем уникальность Института тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси?

— В свое время он создавался как институт энергетики Академии наук СССР — вот на стене висит приказ Сталина, датированный 1952 годом. Этому предшествовал успешный опыт исследований в области энергетики, которые с созданием энергосектора в Институте торфа АН БССР велись в Белоруссии с 1947 года. Тематика и объем исследований расширялись, поэтому сектор было решено вывести на самостоятельную работу. В Институт тепло- и массообмена научное учреждение было переименовано в 1963-м.

Мы и сейчас уделяем внимание энергетике, но это всего одна из составляющих наших научных интересов. Коллектив современного ИТМО занимается исследованиями в области переноса энергии вещества как процесса, а это достаточно широкая технологическая и междисциплинарная область. Она основана на том, что позволяет соединять достижения в отдельных научных дисциплинах — математике, вычислительной математике, физике, химии — для описания сложных процессов, которые происходят не только в звездах, под водой, под землей, в атмосфере, в различных технических устройствах, но и в человеческом организме.

Аналогичные научные центры есть в России — Новосибирский институт теплофизики, где даже названия лабораторий такие же, как у нас, и Объединенный институт высоких температур в Москве. Во Франции наши коллеги работают в похожем научно-исследовательском центре, он объединяет организации, сотрудники которых занимаются физикой горения, энергетикой. Отвечает нашей тематике и крупнейший в Европе центр, ориентированный на прикладные науки, — Институт системных и инновационных исследований Фраунгофера (Fraunhofer ISI) в немецком городе Карлсруэ. В США действует сеть национальных лабораторий, специалисты которых целенаправленно занимаются теми или иными аспектами создания энергоэффективных и экологически безопасных технологий и техники, аппаратов и приборов для энергетики и других отраслей. Но так, чтобы в названии было написано, как у нас, Heat and Mass Transfer, ни у кого нет.

Уникальность ИТМО имени А.В. Лыкова в том, что мы способны рассматривать и решать в комплексе сложные задачи, в которых задействованы и тепло, и химические реакции, и плазма, и очень низкие и очень высокие температуры. Есть ряд технологий, которые первыми в мире разработали сотрудники ИТМО. Одно из достижений последних лет — создание турбореактивного двигателя, совмещенного с кольцевой детонационной камерой сгорания. Это единственное в мире устройство с детонационным усилителем тяги, интегрированным в малогабаритный турбореактивный двигатель.

А основа успеха — «кадры решают все…» — это талантливые специалисты и инженеры, вокруг которых формируются лаборатории и научные направления.

ФОТО Виктория Анискевич-Клопоцкая, Сергей Дубовик