Теплофизика: согревать дома и запускать космические корабли
В этом году научное сообщество отмечает 75-летие академика РАН . Более двадцати лет он возглавлял , превратив его в центр мировой науки. Помимо профессиональной деятельности, Сергей Владимирович увлекается фотографией и много путешествует, вдохновляя своим примером окружающих. Редакции журнала Leaders Today удалось взять эксклюзивное интервью у юбиляра.
LT: Какие самые актуальные вопросы ставят перед собой учёные в Институте теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН?
Сергей Алексеенко: Теплофизика — это один из самых обширных разделов естественных наук, поскольку без теплообмена не существует ни одного процесса — ни в природе, ни в человеческом организме, ни в технике. Институт теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН считается одним из главных институтов по теплофизике не только в Сибири и России, но и на мировом уровне. И, конечно, приложения наших исследований весьма обширные. Но, тем не менее, самое основное — это энергетика, без которой человечество уже не может существовать. Второе актуальное направление — изменение климата. Глобальное потепление неразрывно связано именно с антропогенным фактором, куда преобладающий вклад вносит энергетика на органическом топливе. Решать эти проблемы — тоже задача теплофизиков.
— Глобальное потепление действительно угрожает человечеству?
На традиционном для института я выступал с докладом «Экстремальные и катастрофические климатические явления. Взаимосвязи с энергетикой». Повышение температуры на нашей планете сложно однозначно измерить, но мы можем его явно ощутить через увеличение частоты экстремальных явлений: волн жары, лесных пожаров, ураганов, тайфунов, наводнений, ливней или засух. Для более опасных экстремальных явлений учёные ввели понятие tipping point или критическая точка, означающее порог, за которым изменения в климатической системе Земли становятся необратимыми. Самый известный пример — угроза остановки течения Гольфстрим, которое прогнозируют примерно к 2100 году. Сейчас Гольфстрим доходит до северной части Атлантики, но таяние льдов на севере и повышение объёма пресной воды может повлиять на это тёплое течение. Если оно не будет достигать Европы, то это окажет серьёзное влияние на климат по всей планете, а в окрестности Северной Европы температура может снизиться даже на 10 градусов. И таких критических точек сейчас насчитывается около 16, куда входит в том числе таяние вечной мерзлоты и Гренландского ледяного щита, массовая гибель тропических коралловых рифов и т. д.
Показано, что наша Земля может находиться в двух устойчивых состояниях: «тёплое» и «сноуболл», или ледяной шар. Сейчас мы находимся в тёплом состоянии, но это может измениться, если будут пройдены критические точки (точки бифуркации) или случатся катастрофические явления, как антропогенные, так и природные. Ещё в 1969 году академик Михаил Будыко посчитал, что если все ядерные заряды, накопленные человечеством, взорвать, то это приведёт к ядерной зиме и, возможно, состоянию снежного шара. Тот же эффект может вызвать извержение супервулкана, например, Йеллоустона. Хотя кроме него на Земле существует около 20 других супервулканов. Считается, что в истории человечества было три оледенения, когда Земля вся покрывалась снегом. А выйти из этого состояния ей помогали вулканы, выбрасывающие углекислый газ, который возвращал Землю в теплое состояние благодаря парниковому эффекту. Но надо понимать, что точно ничего предсказать нельзя, а только на вероятностном уровне. Поэтому можно сказать так: «С большой вероятностью будет и дальше глобальное потепление. С малой вероятностью будет ледниковый период на Земле». Вот как хотите, так и расценивайте.
— А есть ли у учёных решение, как отсрочить или остановить глобальное потепление?
Уже доказано, что на изменение климата влияет антропогенный фактор. Да, человечество выбрасывает всего около 4 % углекислого газа от общего объёма, остальная часть выделяется природой — это океаны, вулканы, флора. И многие спорят, что столь малая доля не может вызвать катастрофические изменения. Но дело в сложном механизме обратных связей. Всё, что выделяет природа, ею же и поглощается. А человек нарушает этот баланс, смещает равновесие. Углекислый газ никуда не девается вследствие большого срока жизни. Он накапливается, создавая парниковый эффект: даже небольшое увеличение температуры приводит к существенному увеличению влажности, и водяной пар (очень сильный парниковый газ) начинает работать, ещё больше повышая температуру. Малые антропогенные выбросы действуют как спусковой крючок. Поэтому, если мы хотим замедлить глобальное потепление, то должны снизить влияние на природу. 75 % антропогенной эмиссии парниковых газов приходится на энергетический сектор. Следовательно, нужно переходить на низкоуглеродную энергетику. Сейчас существует четыре основных подхода. Первый — это повышение эффективности сжигания. Чем больше КПД, тем меньше нужно топлива. Но, тем не менее, углекислый газ всё равно будет выделяться. Значит, надо сжигать так, чтобы вообще не выбрасывать СО2. И такие методы уже есть, но только на уровне опытных установок. Один из самых известных — цикл Аллама. Его предложил известный учёный, нобелевский лауреат мира Родней Джон Аллам. Идея заключается в том, что сжигать, например, природный газ нужно не в воздухе, где много азота, а только в чистом кислороде при высоких значениях температуры и давления. Тогда получаем смесь воды и СО2 в сверхкритическом состоянии, причём вода легко отделяется путем конденсации. СО2 не выбрасывается в атмосферу и полностью остаётся в установке. Конечно, нужно что-то делать с углекислым газом, но способ утилизации нам подсказывает сама природа: CO2 можно связывать с кальцием и складировать на морском дне. Это известный карбонатно-силикатный цикл, когда углерод постепенно попадает в магму через разломы в земной коре, а затем выбрасывается через вулканы наружу в виде двуокиси.
Следующая альтернатива — атомная энергетика, но её человечество пока ещё опасается, поэтому здесь прогнозы осторожные. Четвёртый вариант — возобновляемые источники: солнце, ветер, гидроэнергия, геотермальная энергия. И тут мы особое внимание обращаем на геотермальную энергетику, считая это направление наиболее перспективным.
— А что такое геотермальная энергетика?
В её основе — использование тепла из-под земли. Температура ядра Земли составляет около 4700 градусов, это запасённое тепло, кроме того, земля нагревается за счёт распада радиоактивных элементов, оставшихся с момента образования нашей планеты. США уже посчитали, что петротермальной энергии (тепла сухих пород на глубинах 3–10 км) с учётом эффективности извлечения хватит на 20 тысяч годовых потребностей всей страны. То есть это тепло практически неограниченно, оно может обеспечить нашу цивилизацию энергией до конца времён её существования. Но как же его извлечь? Способ с одной стороны очень простой, но на практике его реализовать довольно трудно. Мы должны пробурить две скважины примерно на 5 километров, где залегают сухие горячие породы, а между ними создать проницаемое пространство. После этого через одну скважину подаётся холодная вода, которая нагревается, а после в виде горячей воды или пара выходит из второй скважины. Выходящий пар подаётся на турбину, и таким образом генерируется электрическая энергия. Но пробурить глубокую скважину стоит очень дорого — до 70 % капитальных затрат на энергокомплекс. Вторая проблема — создание проницаемого резервуара, например, путём гидроразрыва пласта, как при добыче нефти. А потом ещё надо достаточно точно пробурить вторую скважину, чтобы получился замкнутый циркулярный контур. Американцы уже пробовали осуществить эту задумку в 1970 году, и первый раз промахнулись при бурении второй скважины, потеряв солидные деньги, но со второго — добились успеха. Сейчас в мире существует уже около 20 подобных станций, но пока они опытные и маломощные в силу огромных материальных затрат на бурение и создание проницаемого резервуара.
Тем не менее, уже появилась принципиально новая концепция — superhot rock (сверхгорячие породы). Тепло добывается на глубине 10–25 км или вблизи резервуаров магмы, что позволяет получать сверхкритические флюиды (> 374°C и > 218 атм). Предлагается революционный подход к сверхглубокому бурению — технология Quaise Inc., основанная на применении миллиметровых волн (MMW). MMW генерируются гиротроном и направляется к горячей породе по волноводам. Мировой лидер в разработке гиротронов — Институт прикладной физики имени А. В. Гапонова-Грехова РАН из Н. Новгорода (академик А. Г. Литвак). Если использовать гиротрон, то стоимость бурения скважины снизится в пять раз! Возможно обеспечить тепловую мощность >120 МВт на скважину, что в пять-десять раз больше, чем при использовании обычной геотермальной системы. Такое повышение удельной мощности может сделать геотермальную энергию конкурентоспособной с нефтью и газом.
Сейчас Институт теплофизики активно сотрудничает с коллегами из Нижнего Новгорода, чтобы развивать проект петротермальной энергетики. В России есть зоны, где горячие породы располагаются достаточно близко к поверхности и нет нужды бурить сверхглубокие скважины. Это позволит получить дешёвую чистую энергию при минимуме затрат. Кроме того, есть возможность развивать малую или распределённую энергетику, используя неглубокие скважины с невысокими температурами и органический цикл Ренкина (преобразование тепла в работу), применяя не воду, а легкокипящие вещества. Это бы позволило обеспечить теплом и электричеством небольшие населённые пункты. И эти идеи наш институт развивает прямо сейчас.
— В этом году вы отметили юбилей — 75 лет, и продолжаете активно работать. За что вы любите эту жизнь, что вам даёт силы и вдохновение?
Совершенно очевидно, что в жизнь влюбляешься тогда, когда тебе что-то действительно удаётся. Для меня жизненное счастье складывается из трёх составляющих: семья, работа и хобби. Последнее очень важно: именно хобби позволяет нам реализовать весь творческий потенциал, переключить мозг на другой вид деятельности, заставив его работать более интенсивно. Мои увлечения — это путешествия и фотография. В Институте теплофизики сейчас вы можете увидеть выставку моих фотографий, сделанных во время экспедиции с коллегами из нашего института на плато Путорана (на восток от Норильска). Этот пеший маршрут протяжённостью 75 км я разрабатывал сам. Экспедиция, занявшая у нас девять дней, пролегала по труднопроходимой территории, покрытой курумником (крупными камнями), с многочисленными озёрами, водопадами, снежниками, плоскими горными вершинами и разломами. Плато Путорана образовалось после извержения супервулкана 252 млн лет назад, вызвавшего великое Пермское вымирание. Лава извергалась целых 60 лет и сформировала базальтовые породы, именуемые сибирскими траппами. Рельеф впечатляет обширными скальными террасами и глубокими каньонами. Это настоящий затерянный мир, производящий огромное впечатление. И я рад, что смог запечатлеть его на фотографиях. И, конечно, такие путешествия вдохновляют работать над новыми научными задачами, поскольку в них мы получаем много новой информации и впечатлений. Без творчества нет науки.
— А вы сознательно решили связать свою жизнь именно с теплофизикой?
На самом деле это абсолютно случайность. В школе я мечтал заниматься астрономией. Я родился в Славгороде, в Алтайском крае. Ближайший институт, где преподавали астрономию, был в Екатеринбурге, и я нацелился именно туда. Но моя бабушка не хотела, чтобы я далеко уезжал, и попросила сперва попробовать поступить в НГУ, экзамены в котором начинались раньше. Как золотой медалист я сдал лишь два экзамена на отлично, особенно ни на что не рассчитывая, но меня сразу зачислили. Первые два курса в НГУ учиться было тяжело: мои одногруппники были в основном выпускниками из физико-математической школы, обладали глубокими знаниями, а я даже некоторые термины слышал впервые. Когда на третьем курсе настало время распределения по специализированным кафедрам, я долго не мог определиться, и меня записали на кафедру теплофизики по остаточному принципу. «А может, там интересно?» — подумал я и решил попробовать. Так я попал в лабораторию академика Владимира Елиферьевича Накорякова. Стал работать, проводить исследования, постепенно увлекаясь теплофизикой. Сначала на нашей кафедре было мало студентов, но, благодаря усилиям учёных и руководства, дополнительным мерам стимулирования, вскоре эту ситуацию удалось изменить. После защиты кандидатской меня пригласили работать в Красноярский университет. И я уехал, поскольку в то время КАТЭК (Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс) звучал на всю страну, он должен был стать базой для всей Сибири, требовались серьёзные научные исследования. Для меня это был полезный и интересный опыт. В конце 80-х, когда умер директор Института теплофизики Самсон Семёнович Кутателадзе, его место занял академик Накоряков. Владимир Елиферьевич позвал меня обратно в Новосибирск, предложил лабораторию энергетического профиля, и я согласился. С тех пор моя профессиональная деятельность была неразрывно связана с Институтом теплофизики им. С. С. Кутателадзе.
Институт теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН считается одним из главных институтов по теплофизике не только в Сибири и России, но и на мировом уровне. И, конечно, приложения наших исследований весьма обширные. Но, тем не менее, самое основное — это энергетика, без которой человечество уже не может существовать. Второе актуальное направление — изменение климата.
Мы расширили тематику научных исследований, начали заниматься энергетикой и энергосбережением, сжиганием органического топлива, возобновляемыми источниками энергии и атомной энергетикой. Я был директором института 20 лет, а после ушёл по собственному желанию, передав пост своему ученику Дмитрию Марковичу Марковичу, ставшему впоследствии академиком РАН, который вывел Институт на новый уровень развития. Институт имеет множество грантов, заключаются значимые контракты с крупнейшими компаниями, много внимания уделяется подготовке молодых специалистов совместно с ведущими вузами — НГУ, НГТУ, ТПУ, СФУ и другими. Институт активно участвует в разработке авиационных двигателей нового поколения, является соисполнителем проекта «Прорыв», цель которого — создание новой технологической платформы атомной энергетики на базе замкнутого ядерного топливного цикла с использованием реакторов на быстрых нейтронах и свинцовым теплоносителем. Недавно Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН и Томский государственный университет получили субсидии на создание научных центров мирового уровня. Размер финансирования центров на первые три года составит 960 миллионов рублей. Это не только огромный бюджет, но и трудоёмкая работа, требующая знаний и инновационных решений от наших учёных. Как видите, многое сделано, но впереди нас ждёт ещё больше фундаментальных исследований, прикладных разработок и, конечно, новых открытий.
Александра Дегтярева. Leaders Today