ИОА СО РАН: Значимые результаты

   2014 год стал плодотворным для ученых Института  оптики атмосферы им. академика В.Е. Зуева, ими был получен ряд значимых результатов.

   Для решения задач доставки высокоплотной световой энергии и создания протяженных электропроводящих каналов в атмосфере в ИОА СО РАН развита прогностическая модель оптической нелинейности воздуха при распространении в нем импульсного (пикосекундного) мультитераваттного лазерного излучения в десятимикронном диапазоне длин волн.     Проведенные с использованием модели численные эксперименты впервые показали, что характерной чертой самовоздействия излучения является формирование протяженного и широкого в поперечнике высокоинтенсивного плазменного канала с аномально широким спектром (4–20 микрон). Определяющее влияние на длину канала оказывает влажность атмосферного воздуха (авторы -   д.ф.-м.н. Ю.Э. ГЕЙНЦ, д.ф.-м.н. А.А. ЗЕМЛЯНОВ).

   В ИОА СО РАН активно развиваются методы экологического мониторинга окружающей среды с использованием современных лазерных систем. В институте впервые решена задача дистанционного определения параметров аэрозоля средствами зондирования атмосферы фемтосекундными лазерными импульсами с использованием явления генерации суперконтинуального излучения. Методика дистанционного определения концентрации и размеров аэрозольных частиц разработана на основе технологии многочастотного лазерного зондирования атмосферы и использует оригинальный алгоритм решения обратных задач (авторы - д.ф.-м.н. Г.Г. МАТВИЕНКО, к.ф.-м.н. В.К. ОШЛАКОВ, к.т.н. А.Я. СУХАНОВ).

    В ИОА СО РАН на Фурье-спектрометре Bruker IFS 125 HR впервые, в диапазоне длин волн 2.1–2.5 микрон (коротковолновая инфракрасная область), зарегистрировано поглощение молекулярного водорода, находящегося в объеме нанопор аэрогеля, пористого материала из диоксида кремния, при атмосферном давлении. В обычных условиях водород не поглощает излучение в инфракрасной области, что связано с особенностью строения его молекулы; поглощение в газе, вызываемое столкновениями молекул между собой, проявляется при повышенных давлениях – от десяти атмосфер.

    В нанопорах аэрогеля с диаметром пор 20 нанометров молекулы водорода чаще сталкиваются со стенками, чем между собой, в результате формируется так называемое «эффективное» давление, которое в данном случае составило 12 атмосфер. Этого оказалось достаточным для появления поглощения в инфракрасной области. Полученные результаты имеют важное фундаментальное значение при исследовании взаимодействия газов с поверхностями, при определении свойств наноструктурных материалов оптическими методами, а в перспективе – для разработки топливных водородных ячеек (авторы - д.ф.-м.н. Ю.Н. ПОНОМАРЕВ, к.ф.-м.н. А.А. СОЛОДОВ, д.ф.-м.н. Т.М. ПЕТРОВА, к.ф.-м.н. А.М. СОЛОДОВ).

 

ИСЭ СО РАН: Новые высоты

Центральное место в научной деятельности Института сильноточной электроники СО РАН занимают импульсная энергетика и тесно связанная с ней физика экстремальных состояний вещества.

Важный результат в этой области получен в 2014 году в отделе высоких плотностей энергии (заведующий чл.-корр. РАН Н.А. Ратахин). В экспериментах на мегаамперном импульсном генераторе МИГ впервые показана возможность достижения сверхсильного магнитного поля на поверхности проводника без ее электрического взрыва за счет нанесения дополнительного тонкого слоя меньшей проводимости методом вакуумного напыления. Предложенная технология может быть использована при конструировании вакуумных передающих линий мегаамперных генераторов следующего поколения.

Специалисты отдела высоких плотностей энергии и отдела импульсной техники (заведующий академик Б.М. Ковальчук) совместно с коллегами из Чешского технического университета и Томского политехнического университета продолжили исследования по получению потоков нейтронов при сжатии плазменных лайнеров на крупнейшем импульсном генераторе ГИТ-12. Эти работы имеют прямое отношение к известной проблеме инерциального термоядерного синтеза.

Новые идеи и результаты продемонстрированы в области получения сверхмощных импульсов электромагнитного излучения СВЧ диапазона. В отделе физической электроники (заведующий д.ф.-м.н. В.В. Ростов) создан двухканальный СВЧ-генератор с твердотельными ферритовыми линиями-осцилляторами, питаемыми импульсами от общего высоковольтного источника. Два излучаемых фазированных наносекундных радиоимпульса складываются в луч, направлением которого можно управлять электронным образом. А общим достижением лаборатории высокочастотной электроники (заведующий д.ф.-м.н. В.И. Кошелев) и отдела импульсной техники стала реализация нового подхода к созданию источников сверхширокополосного электромагнитного излучения на основе многоэлементных антенных решеток. По эффективности созданные источники на порядок превысили известные аналоги. Сверхмощные излучатели предназначены для исследований устойчивости различных электронных систем к воздействию сильных электромагнитных полей.

Методы сильноточной электроники эффективны и при решении технологических задач создания материалов с новыми свойствами. В лаборатории вакуумной электроники (заведующий к.ф.-м.н. А.В. Батраков) под руководством старшего научного сотрудника к.ф.-м.н. А.Б. Маркова разработаны не имеющие мировых аналогов метод и оборудование, которое предназначено для формирования поверхностных сплавов с высокой адгезией на металлических изделиях сложной формы путем электронно-пучкового сплавления многослойной поверхностной структуры с основой. При эксплуатации изделий, обработанных таким образом, исключено отслаивание функционального покрытия.

В лаборатории плазменной эмиссионной электроники (заведующий д.т.н. Н.Н. Коваль) впервые продемонстрирована возможность достичь многократного повышения твердости и износостойкости поверхности силумина за счет применения пучково-плазменной обработки. А при комбинированной обработке поверхности титана, сочетающей электровзрывное легирование и облучение импульсным электронным пучком, удалось повысить ее твердость в 10 раз. Эти результаты важны для создания двигателей и  материалов для авиакосмической техники.

 

ИФПМ СО РАН: Томские материаловеды работают для космоса

В прошедшем году Институт физики прочности и материаловедения СО РАН совместно с РКК «Энергия» и НИ ТПУ существенно продвинулись в научных исследованиях и достижениях в области новых материалов, конструкций и технологий их создания для космических применений. Был выполнен комплекс работ по разработке методов сварки трением с перемешиванием и диагностикой сварных соединений корпусов космических аппаратов и ответственных конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов.

Удалось решить проблему защиты иллюминаторов космических аппаратов от микрометеороидов. Дело в том, что в космическом пространстве происходит непрерывная бомбардировка поверхности космических аппаратов мелкими твердыми частицами, движущимися с очень высокими скоростями порядка 5–50 километров в секунду, имеющими поперечный размер в пределах от 0,1 до 100 микрометров. В результате этого на поверхности оптических элементов происходит образование довольно крупных кратеров и царапин, а при достаточно длительном пребывании в открытом космосе происходит заметная эрозия поверхности стекла, существенно ухудшающая оптические характеристики иллюминаторов. Это приводит к появлению проблем при проведении оптических измерений и исследований космонавтами с борта космических аппаратов.

На основе многоуровневого подхода физической мезомеханики в ИФПМ СО РАН были разработаны ионно-магнетронные методы послойного нанесения многокомпонентных нанокомпозитных оптически прозрачных покрытий на кварцевые стекла, предназначенные для изготовления иллюминаторов космических аппаратов. Покрытия формируются на основе металлокерамической системы. Они имеют многофазную и многослойную аморфно-нанокристаллическую структуру.

Внешний поверхностный слой стекла с таким покрытием приобретает высокую твердость и упругость, имеет низкую теплопроводность и высокие температуру плавления и ударную стойкость. Такие покрытия способны противостоять ударному воздействию микрочастиц железа со средним размером 56 микрометров, движущихся со скоростями в интервале 5–8 километров в секунду. Проведенные испытания при этих условиях показали уменьшение поверхностной плотности кратеров более чем в три раза. Важно отметить, что эти покрытия защищают также экипаж от вредного ультрафиолетового излучения в космосе.

В конце 2014 года в Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королева было решено принять к освоению эту важнейшую разработку на вновь создаваемых модулях международной космической станции МКС и в рамках проекта перспективного космического корабля (2015–2020 годы).

 

ИХН СО РАН: Новые технологии для нефти «с характером»

Во многих нефтедобывающих регионах мира, в том числе и в России, снижаются объемы прироста запасов маловязких, так называемых «легких» нефтей. Поэтому возникает необходимость разработки эффективных технологий добычи, транспорта и переработки нетрадиционных источников углеводородов (высоковязких, аномально вязких нефтей, природных битумов, нефтеносных сланцев и пр.)

В Институте химии нефти СО РАН созданы новые эффективные нефтевытесняющие композиции для увеличения нефтеотдачи залежей высоковязких нефтей с низкой пластовой температурой. Композиции наиболее эффективны в карбонатных коллекторах, т.е. в средах, содержащих карбонат кальция. В 2014 году на пермо-карбоновой залежи высоковязкой нефти Усинского месторождения успешно проведены опытно-промышленные испытания новых «холодных» технологий с применением разработанных композиций.

Отличительной особенностью нетрадиционных видов сырья является повышенное содержание смолисто-асфальтеновых веществ, высокомолекулярных парафинов и полициклических углеводородов. Недостаточность полной и достоверной информации об их составе является одной из причин, которая сдерживает разработку эффективных способов глубокой переработки такого углеводородного сырья. Сотрудниками ИХН СО РАН установлены основные химические связи структурных фрагментов молекул, ответственные за деструкцию смолисто-асфальтеновых веществ в различных условиях. Полученные результаты являются научной основой для создания новых управляемых способов переработки тяжелого углеводородного сырья.

В 2014 году на Ишимбайском специализированном химическом заводе катализаторов прошло успешное внедрение технологии получения высококремнеземного цеолита, разработанной в ИХН СО РАН. Этот цеолит служит активным компонентом в составе сложных каталитических систем, используемых в процессах каталитического крекинга и депарафинизации для получения моторных топлив из тяжелых нефтяных фракций.

ИМКЭС СО РАН:  Секрет озоновой дыры раскрыт

  Уже более 20 лет площадь озоновой дыры, существующей в весенний период над Антарктидой, превышает 20 млн. км2: это в полтора раза больше самого материка! Значительное увеличение площади озоновой дыры произошло в начале 80-х годов прошлого века.

   Общепринятым считается, что основную роль в разрушении стратосферного озона играет утечка в атмосферу техногенных хлорфторуглеродов, так называемых фреонов. Эти соединения, устойчивые в тропосфере, попадая в стратосферу в тропических широтах, разлагаются под действием солнечного излучения до атомарного хлора. Переходя в процессе реакций в устойчивый хлорнитрат, он транспортируется в полярные регионы, где в условиях зимы в реакциях с хлороводородом на полярных стратосферных облаках высвобождается молекулярный хлор. Затем весной, с появлением солнечного излучения, запускается хлорный цикл разрушения озона.

   Однако в общепринятой техногенной гипотезе не учитывается тот факт, что непосредственно в Антарктиде есть свой природный источник хлора – активный вулкан Эребус. Ученые Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН детально исследовали влияние этого антарктического вулкана на образование озоновой дыры.

   В ходе ежедневной активности Эребус выбрасывает около 50 тонн хлороводорода. В зимне-весенний период его выбросы перемещаются в циклонах в антарктическую стратосферу, где весной в результате тех же реакций происходит разрушение озона. Циклональный подъем газовых выбросов вулкана Эребус подтвержден расчетами по модели NOAA HYSPLIT, при этом массы вулканогенного хлороводорода, попадающего в стратосферу, достаточно для формирования озоновой дыры.

   Аномально высокая активность вулкана Эребус наблюдалась в начале 80-х годов прошлого века, когда ежедневные выбросы в 3-5 раз превышали современный уровень. Этот фактор сыграл основную роль в существенном увеличение масштабов и глубины антарктической озоновой дыры. Эти результаты легли в основу кандидатской диссертации аспиранта ИМКЭС СО РАН Екатерины Савельевой,  успешно защищенной в декабре 2014 года (под научным руководством член-корр. РАН, проф. В.В. Зуева).