В феврале этого года новосибирский Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН получил мегагрант на проведение исследовательской программы в области энергетики. Название мегагранта для непрофессионала звучит угрожающе: «Перспективные методы управления теплопереносом в средах с фазовыми и химическими превращениями в энергетике, химической, электрохимической технологиях и микроэлектронике».  

Если вы не физик, в названии этого мегагранта вам будут понятны только предлоги. А между ширина и глубина проблематики этого проекта настолько велики, интересны и сулят возможность таких высокотехнологичных экспериментов, что новосибирцам можно только позавидовать. Речь идет о масштабной работе, конечной целью которой являются не только фундаментальные результаты, но и прикладные решения для энергетики, транспорта, ЖКХ и микроэлектроники. Но обо всем по порядку. 

Дама строгая и красивая

Давайте представим себе простую ситуацию: мы вышли из теплого дома на мороз и, естественно, замерзли. В этот момент наше тело совершило акт теплообмена с окружающей средой. Тело стало холоднее, а среда теплее. Количество энергии на единицу площади, которую теряет (или приобретает) объект, – это и есть теплообмен или теплоперенос. Понятно, что теплофизика, как наука о приключениях энергии, не может не быть прикладной по определению. Это тот случай, когда высочайшие тайны фундаментальной физики мы наблюдаем ежедневно во время варки супа или открывая форточку. 

Несмотря на свою простодушную очевидность, наука теплофизика – дама строгая, красивая и главное, почти всемогущая. Области ее приложений необозримы. Так или иначе, буквально все процессы на Земле сводятся к тому, что энергия переходит в теплоту (ученые называют этот процесс диссипацией). Дама по имени теплофизика терпеть не может дилетантизма: плата за него может быть огромной – от простого насморка до взрыва ядерного реактора. 

Проект новосибирцев, как и положено, объединяет фундаментальные и прикладные исследования. Это следует уже из списка участников проекта.  Коллектив исполнителей включает в себя несколько научных групп из Института теплофизики СО РАН, Сибирского федерального университета и Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (СибСТРИН). Все они входят во вновь создаваемую лабораторию, руководить которой будет известный ученый из Швеции профессор Бенгт Сунден. 

Кто пойдет за шапкой? 

Ключевым словом в названии проекта является даже не «теплоперенос», с которым мы уже немного разобрались, а «управление», то есть возможность контролируемого изменения скорости и интенсивности переноса теплоты. Собственно говоря, этим самым изменением скорости переноса теплоты мы заняты каждый день с рождения. Совсем простой пример: вы вышли на улицу, но забыли надеть шапку и замерзли. Чтобы стало теплее, придется совершить некие действия, например, вернуться домой за шапкой. Это и есть управление теплообменом. 

Беда в том, что далеко не всегда проконтролировать потерю или избыток тепла можно так просто. Чаще всего для этого требуются сложнейшие устройства и приспособления. 

Вообще-то, перенести энергию от одного объекта к другому можно только тремя способами: излучением (так свое тепло на Землю передает Солнце), теплопроводностью (горячий предмет отдает тепло холодному предмету, например, когда вы хватаетесь за раскаленную ручку чайника) и конвекцией, когда передача тепла осуществляется за счет движения газа или жидкости. Этот последний способ теплопередачи является не только самым распространенным (вы испытываете его на себе каждый раз, когда оказываетесь на ветру), но и самым сложным в управлении. 

Воздействовать на поток газа или жидкости можно множеством способов. Все зависит от места, где это происходит. К примеру, устройства, управляющие теплообменом в авиационных или ракетных двигателях, сильно отличаются от устройств, выполняющих ту же функцию в микроэлектронике. Но принцип их работы в сущности один и тот же. Он основан на повышении уровня турбулентности потока. Чем выше турбулентность, тем выше скорость передачи энергии. Ветер, особенно вихревой, - это та же турбулентность. Чем сильнее ветер, чем более он порывист, тем быстрее вы замерзнете. Это и значит, что процесс теплообмена ускорился. Усилить вихревые потоки в той или иной среде можно, установив преграду на пути. Такие преграды создают так называемые локальные отрывные зоны, которые заметно повышают теплоотдачу. 

Однако у всех этих методов есть один существенный недостаток: чем больше мы закручиваем потоки, тем больше энергии теряется по дороге. Теплофизики называют это явление гидравлическими потерями. Задача конструкторов любого оборудования, где работают теплообменные процессы, чаще всего сводится к одному: увеличить теплообмен, но при этом не сильно повысить гидравлические потери. Можно сказать, что это одна из главных проблем теплофизики. Ее решением занято огромное число научных и технических центров всего мира на протяжении последних ста лет. В проекте ИТ СО РАН ей тоже будет уделено много внимания. 

Спасти Гагарина 

Новосибирцы собираются сосредоточиться еще на одном аспекте этой проблемы. Дело в том, что наиболее интенсивно процессы теплообмена протекают в моменты фазовых превращений, когда вещество переходит из одного агрегатного состояния в другое. Например, когда вода кипит, испаряется, конденсируется, превращается в лед или обратно в воду. Этот процесс наблюдали все мы. Когда вода замерзает, она отдает тепло, когда тает, – забирает. В этом феномене проявляется то, что теплофизики называют скрытой теплотой фазового перехода. 

Представим себе, как Гагарин опускается на Землю и входит в атмосферу. Он смотрит в окно и видит бешеное пламя вокруг своего аппарата. Но сам он не испытывает жара. Как это стало возможным? Обшивка его корабля была устроена так, что она забирала основную часть энергии за счет тех самых фазовых переходов. Условно говоря, эта обшивка была сделана изо льда. Лед таял и забирал на себя энергию горения. Это и спасло Гагарина, а также всех космонавтов мира. 

Кстати, использовать свойства фазового перехода можно по-разному. Давайте представим, что стена вашего дома выполнена из материала, в который включены легкоплавкие элементы, к примеру, парафин. Днем, когда палит солнце, парафин плавится, забирая часть тепловой энергии. И дома прохладно. Ночью же, остывая, парафин вновь изменяет свое агрегатное состояние, но уже выделяя энергию обратно. И дома тепло. Такие системы называются фазоизменяемыми материалами (ФИМ). По всей видимости, очень скоро они получат широкое распространение не только в строительстве, но и для защиты электроники (смартфонов, ноутбуков и др.) от негативных воздействий при аварийных режимах работы. Изучение свойств этих самых ФИМов тоже стоит в планах новосибирских ученых. 

Примеров использования фазового перехода для охлаждения или нагрева существует много. Далеко не все возможности в этой области исчерпаны. Потоки новой информации постоянно ставят перед учеными новые задачи. Так недавно стало известно, что можно существенно уменьшить силу тепловых потоков при закипании жидкости, если  поверхность емкости будет не идеально ровной, а слегка шероховатой. Эти шероховатости разных типов и размеров теплофизики называют микротекстурами. Понятно, что экономические эффекты от использования подобных модифицированных поверхностей могут быть весьма значительными. И это еще одно из предполагаемых направлений работы новосибирцев. 

Термояд в смартфоне 

Следующей темой ученые выбрали проблему теплового предела, к которому уже подошли миниатюрные масштабы современной вычислительной техники. Дальнейшее уменьшение чипов становится невозможным. Предел размерности кибернетикам ставят все те же теплофизики. 

Дело в том, что мощность тепловых потоков в современных электронных устройствах достигает величин, сравнимых с таковыми при термоядерных реакциях на поверхности Солнца, - примерно миллион ватт на квадратный метр. Когда мы говорим по смартфону, внутри маленькой пластиковой коробочки разыгрывается целая тепловая драма, о которой мы даже не подозреваем. Величина удельного теплового потока, образующегося в микрочипах, огромна, но он существует в масштабах микрона. Сократить размер дальше нельзя. Все просто расплавится. Нетрудно догадаться, почему в больших компьютерах система охлаждения занимает такое большое место. 

Современная электроника со своими микро и нано масштабами вообще доставляет много проблем теплофизикам. Над ними работает огромное число организаций во всем мире. Одним из путей решения проблемы перегрева может стать изучение наножидкостей, удивительных по своим свойствам и потенциальным возможностям. Наножидкость представляет собой смесь чистых жидкостей (чаще всего это вода и спирты) и небольшого содержания наночастиц различных металлов, их окислов или углеродных нанотрубок (тончайшие листы графита, свернутые в длинные цилиндры. Их толщина может составлять несколько десятков наномертов, а длина – несколько сантиметров – ред.). 

Пока ученые не до конца понимают, насколько полезно использование таких жидкостей. Данные слишком различаются. Одни эксперименты показывают, что наножидкости во много раз эффективней обычных охлаждающих смесей. Другие – что, наоборот, они снижают охлаждающий эффект. Если все же окажется, что наножидкости обладают высокими охлаждающими свойствами, это может стать технологическим переворотом во многих областях промышленности. Разобраться с этим вопросом и собираются в Институте теплофизики им. Кутателадзе. 

Трудно перечислить все области науки и технологий, где могут быть использованы результаты работы в рамках мегагранта, которые получили новосибирские ученые. Осталось только заинтересовать реальный сектор экономики в перспективах использования новых методов совершенствования энергетического оборудования. 

Виктор Терехов, доктор технических наук, главный научный сотрудник лаборатории термогазодинамики Института теплофизики СО РАН при участии Ольги Андреевой 

Основные понятия теплофизики 

Тепломассообмен: дисциплина, изучающая распространение тепла и массы в природе.
Конвекция: передача тепла за счет движения газа или жидкости. Например, остывание или нагревание воздуха в комнате.
Теплопроводность: горячий предмет отдает тепло холодному предмету. Например, когда вы хватаетесь за раскаленную ручку чайника.
Излучение: способ переноса энергии от одного объекта к другому. Так свое тепло на Землю передает Солнце.
Ламинарное течение: спокойное и плавное течение, при котором жидкость или газ перемещаются слоями без беспорядочных быстрых изменений скорости и давления.
Турбулентность: хаотическое движение потоков воздуха. Чем выше турбулентность, тем выше скорость передачи энергии. Ветер, особенно вихревой, - это та же турбулентность.
Фазовые превращения: когда вещество переходит из одного агрегатного состояния в другое. Например, когда вода кипит, испаряется, конденсируется, превращается в лед или обратно в воду.
Горение: физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания. Сопровождается интенсивным выделением тепла.
Диффузия: если теплопроводность - это перенос тепла, то диффузия - это перенос компонентов вещества, например, распространение запахов или растворение сахара в стакане с чаем. ​

Похожие новости

  • 26/08/2021

    Вице-премьеру Дмитрию Чернышенко представили разработки СО РАН на Технопроме-2021

    ​​25 августа 2021 года на Международном форуме технологического развития «Технопром» Вице-премьер Дмитрий Чернышенко,  Первый заместитель председателя Государственной Думы Российской Федерации Александр Жуков,  Министр науки и высшего образования  Валерий Фальков, Губернатор Новосибирской области Андрей Травников ознакомились с достижениями институтов СО РАН.
    525
  • 30/08/2021

    Разработка российского аэромобиля с циклическими движителями займет четыре года

    Институт теплофизики имени Кутателадзе СО РАН совместно с Фондом перспективных исследований (ФПИ) намерен в конце 2021 - начале 2022 года приступить к разработке летающей машины с циклическими движителями "Циклокар".
    189
  • 12/02/2020

    ТПУ должен быть технологическим драйвером отраслей и территорий

    ​Проректор ТПУ по научной работе и инновациям Мехман Юсубов в своем интервью ко Дню российской науки рассказал о главных научных достижения политехников в 2019 году и вызовах на год 2020-й.— 2019 для университета в целом был разным.
    862
  • 18/12/2020

    Сибирские ученые сконструировали необычный летательный аппарат

    ​​На международном форуме "Армия-2020" большое внимание привлек необычный летательный аппарат, разработку которого ведет Фонд перспективных исследований в рамках проекта "Циклон".   Мы привыкли видеть дроны с воздушными винтами, а здесь вместо них цилиндрические роторы, напоминающие гребные колеса старых пароходов.
    1303
  • 21/09/2018

    В Новосибирске построят «Междисциплинарный исследовательский комплекс по аэрогидродинамике, машиностроению и энергетике»

     В рамках проекта «Академгородок 2.0» сибирские ученые предлагают построить центр коллективного пользования «Междисциплинарный исследовательский комплекс по аэрогидродинамике, машиностроению и энергетике».
    2431
  • 22/02/2019

    В Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН обсудили новейшие разработки для промышленности

    ​На круглом столе, организованном ИТ СО РАН совместно с департаментом промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска, представители науки и производства обсудили новейшие разработки института, а также вопросы и проблемы взаимовыгодного сотрудничества.
    1439
  • 15/06/2021

    Бороться с обледенением ветрогенераторов в Арктике поможет разработка новосибирских учёных

    Новосибирские учёные готовы внести свой вклад в освоение арктического побережья. Исследователи решили проанализировать, какой из существующих методов борьбы с обледенением самый эффективный. Проблема особенно актуальна для ветрогенераторов, которым эксперты прочат большое будущее в качестве альтернативного источника энергии на Севере.
    327
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    2053
  • 04/12/2018

    В новосибирском Академгородке внедрили инновационную систему освещения улиц

    "Установка новой системы наружного освещения в Академгородке - хороший пример эффективного применения разработок новосибирских инновационных компаний для городского хозяйства", - считает мэр Анатолий Локоть, который оценил преимущества нового светового оборудования в ходе выездного совещания.
    2640
  • 04/07/2019

    Сибирские ученые создают ветряк для нагревания воды

    ​Сибирские ученые создают ветрогенератор, который может работать при низкой скорости ветра и нагревать воду практически без потерь благодаря преобразованию механической энергии воздушного потока непосредственно в тепловую энергию.
    3677