Познать непознанное: самарские ученые исследуют процессы горения
Горение - один из сложнейших и интереснейших физико-химических процессов. Несколько простых формул, известные нам со школы, раскрывают его лишь в самом общем виде. На самом деле соединение с кислородом молекул органического топлива - это сотни и сотни химических превращений, которые следуют одно за другим по цепочкам, где каждая следующая реакция зависит от результатов предыдущей.
Процессы горения изучаются десятками лет. Построены теории, и кажется, что главное уже известно. Но появляются новые данные, а с ними и новые вопросы, которые требуют точных и детальных ответов.
Зачем это надо
Особый интерес вызывают процессы горения углеводородного топлива. Результаты таких исследований имеют практическую ценность - можно повысить экономичность и экологичность двигателей, в частности, авиационных. Реально помочь инженерам-двигателистам создать более совершенные камеры сгорания. Дать химикам рекомендации по улучшению химического состава топлива, чтобы при горении выделялось больше энергии, а выхлоп был чище. Сократить количество вредных и опасных веществ в выхлопных газах. Вот для чего в Самарском национальном исследовательском университете имени академика С.П.Королева создана и успешно работает международная научная лаборатория "Физика и химия горения".
В фокусе внимания ученых находятся реакционная динамика и кинетика процессов горения. Они занимаются одним из перспективных направлений: изучают процессы образования и превращения сложных органических молекул - полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Это ключевые реакции, которые идут при сгорании, например, авиационного керосина. Они напрямую влияют на образование вредных выбросов, в частности, сажи.
В то же время превращения полициклической "ароматики" - это истоки возникновения биохимических молекул, "кирпичиков", из которых состоят все известные формы жизни на Земле. Сегодня известно, что подобные реакции идут в космосе, в межзвездном веществе, только не при высоких, а при сверхнизких температурах, и именно так во Вселенной могла зародиться жизнь. То есть в исследованиях ученых Самарского университета им. Королева соединяются физика, квантовая химия, инженерные науки и молекулярная биология. Земное и космическое. Сегодняшнее и вечное.
Рождение установки
Самарские ученые исследуют тончайшие процессы. Чтобы открыть что-то новое в кинетике химических реакций горения, необходимо сложнейшее дорогостоящее оборудование. Приобрести его стало возможно на средства мегагранта "Разработка физически обоснованных моделей горения", выделенного правительством России.
Уникальную экспериментальную установку для этих исследований начали создавать в 2017 году. В 2021-м она была собрана, и начался процесс тщательной настройки и калибровки. А в работу ее запустили в июле 2022 года.
Проект установки разработали ученые Самарского университета им. Королева и Самарского филиала Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН). На момент запуска это была самая большая в мире установка подобного типа, лидер по точности измерений параметров химических реакций.
"Результаты экспериментов на этой установке в перспективе позволят сказать новое слово в двигателестроении и будут использоваться при разработке более эффективного и экологичного "сердца" отечественных авиационных двигателей - камеры сгорания, которая по своим характеристикам будет способна конкурировать с мировыми аналогами или даже превосходить их, отвечая актуальным задачам импортозамещения", - рассказал первый проректор - проректор по научно-исследовательской работе Самарского университета им. Королева Андрей Прокофьев.
В установке создается сверглубокий вакуум - практически как в дальнем космосе, поэтому все соединения в ней абсолютно герметичны. Рабочая камера, способная удержать такой вакуум, изготовлена в России, а специальные турбомолекулярные насосы - японские. Размеры камеры: два метра в длину и полтора в высоту, масса - около полутора тонн. В лабораторию на третий этаж ее поднимали строительным краном.
Размер имеет значение: благодаря большому объему значительно повышается избирательность и чувствительность установки, а значит можно разработать более точные модели процессов горения.
Один из ключевых элементов - высокотемпературный микрореактор, разработанный учеными Самарского филиала ФИАН. Это трубка из карбида кремния, который крайне редко встречается 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 изучаемых реагентов, разбавленная инертным газом - гелием или аргоном.
В раскаленном микрореакторе идут химические реакции, продукты которых в виде молекулярного пучка подаются в вакуумную камеру, где они ионизируются ультрафиолетовым излучением. Пучок направляют на масс-спектрометр, который "ловит" получившиеся ионы и очень точно определяет массовый и изомерный состав полученных продуктов реакции.
В числе уникальных возможностей установки не только определение спектра образующихся продуктов, но и измерение скорости химических реакций. Такие опции в подобных установках ранее никогда не использовались. Это необходимо для построения кинетических моделей горения.
Благодаря микрореактору можно изучать химические реакции при температуре от 1000 до 1500 градусов по шкале Кельвина (1500К - это +1227°С). До пуска самарской установки подобные эксперименты при таких температурах не проводились.
Первые шаги, первые результаты
Запустив установку в июле 2022 года, ученые Самарского университета им. Королева нацелились прежде всего на чисто практические задачи: изучить химические превращения ПАУ при высоких температурах, чтобы дать рекомендации двигателистам.
"Группа молодых ученых под руководством профессора Валерия Азязова проводит исследования по окислению и разрушению сажи при температурах до 1500 градусов по шкале Кельвина. Главная цель - минимизировать образование сажи при сгорании топлива", - пояснил Андрей Прокофьев.
В камере сгорания двигателя за долю секунды происходят тысячи взаимосвязанных химических реакций. Чтобы смоделировать такой процесс, нужно понимать, как идет каждая из этих реакций. Самарская установка обладает уникальной возможностью воспроизводить отдельные реакции, меняя исходные условия.
"На установке по изучению кинетики процессов горения проведена серия экспериментов по росту полициклических ароматических углеводородов, то есть мы наглядно, детально и поэтапно изучали химические реакции роста ПАУ - так, как они, например, возникают в камерах сгорания двигателей. Это типичные реакции, здесь нет какого-то научного открытия, но эти реакции ранее изучались и подтверждались экспериментально при температурах лишь до 700 градусов по шкале Кельвина, а мы продвинулись по температурной шкале значительно выше - наши эксперименты проходили при 1200К. В таких исследованиях каждая дополнительная сотня градусов дается с трудом, а в России таких экспериментов ранее не проводилось", - рассказал директор Самарского филиала ФИАН, профессор Самарского университета им. Королева Валерий Азязов.
"Разбирая" реакции по отдельности, ученые словно останавливают то мгновение, за которое в двигателе происходит множество химических событий. Они изучают каждое такое событие и проверяют их на соответствие теории. Точнее, наоборот, определяют, подтверждается ли теория практикой.
По словам Валерия Азязова, пока экспериментально изучена лишь малая часть реакций, которые участвуют в образовании ПАУ. На практике основной массив данных получают расчетным способом. Эксперименты на уникальных установках - таких, как в Самарском университете имени Королева, - позволяют сделать эти расчеты более корректными.
С помощью университетского суперкомпьютера "Сергей Королев" ученые смоделировали механизм образования зародышей сажи и рассчитали константы скорости возможных химических реакций. А результаты первых экспериментов позволили улучшить кинетические матмодели процессов горения, более детально понять механизм образования сажи и других вредных веществ.
"Мы с помощью нашей установки, можно сказать, "препарируем под микроскопом" выбранную нами химическую реакцию, проверяя особенности ее течения на практике. Теоретики используют наши данные для проверки своих расчетных методов. Такой комбинированный подход позволяет распутывать механизмы образования сажи, которая начинает расти из простых циклических углеводородов. Поняв до конца эти механизмы, можно минимизировать вредные, канцерогенные выбросы двигателей", - подчеркнул Валерий Азязов.
