Программа для анализа CO₂ поможет в космосе и на Земле

Санкт-Петербургский университетНаука

Контролируя неравновесность

Ученые СПбГУ создали современную программу для анализа неравновесных процессов в углекислом газе. Она помогает решать задачи как в космосе, так и на Земле.

Автор: Екатерина Заикина

Роскосмос, Федор Юрчихин

Углекислый газ — важная и сложная молекула, которая входит в состав газовой оболочки многих небесных тел. Например, на Красной планете концентрация СО2 достигает 95 %. Для сравнения — в атмосфере Земли его всего 0,04 %.

Такой высокий уровень диоксида углерода на Марсе значительно осложняет посадку на него космических кораблей. При входе в атмосферу планеты аппараты теряют тепловую защиту, что повышает температуру на борту и угрожает сохранности марсианских планетарных модулей. Чтобы избежать перегрева и сделать спуск безопасным, специалисты изучают процессы, протекающие в углекислом газе.

Команда ученых Университета — в авангарде этих исследований. В рамках междисциплинарного проекта им впервые в мире удалось создать программу для моделирования неравновесных течений диоксида углерода с учетом нескольких тысяч переходов внутренней энергии и химических реакций. Программа помогает рассчитывать параметры, необходимые для безопасного спуска космического аппарата на Красную планету и на другие небесные тела с высоким уровнем СО2 в газовой среде — Венеру и некоторые спутники Юпитера.

Программа исследователей СПбГУ также может помочь повысить эффективность новых методов переработки диоксида углерода для снижения его негативного влияния на экологическую обстановку и тем самым замедлить глобальное потепление.

Потеря связи

Елена Владимировна
Кустова,
исполняющая
обязанности декана
математико-
механического
факультета СПбГУ,
заведующая
кафедрой
гидроаэромеханики.
Архив СПбГУ

Как рассказала Елена Владимировна Кустова, исполняющая обязанности декана математико-механического факультета СПбГУ, заведующая кафедрой гидроаэромеханики Университета, неравновесные течения газов — это ситуация потери равновесия в системе, при которой время какого-то из внутренних процессов в потоке газа, например химической реакции, становится сравнимым со временем изменения характеристик течения: скорости, температуры, давления.

«Неравновесные течения газов возникают при полетах на больших высотах, при резком расширении или сжатии газа, а также в микро- и наноэлектронных устройствах», — приводит пример ученый.

По ее словам, в углекислом газе часто возникают ситуации потери равновесия из-за того, что в СО2 протекает много физико-химических процессов с разным характерным временем. «В одних ситуациях неравновесность выступает негативным фактором. В том числе во время посадки космического корабля на планеты с насыщенной СО2 атмосферой, — подчеркивает Елена Кустова. — Так, при входе аппарата в газовую оболочку Марса возникает ударная волна, которая сжимает и нагревает газ, что приводит к возбуждению молекул, повышению скорости их движения, приобретению заряда ранее нейтральными частицами, а также излучению энергии. При этом резко увеличиваются тепловые потоки в лобовой части корабля, что разрушает его тепловую защиту и ведет к перегреву».

Также неравновесные течения могут провоцировать образование вокруг аппарата заряженной газовой оболочки. Она не пропускает радиосигналы и создает так называемый communication blackout, из-за чего аппарат теряет связь с центром управления. Радиомолчание может длиться до 15–20 минут и привести к негативным последствиям для космической миссии.

Улучшить атмосферу

В других случаях создание неравновесных условий в углекислом газе является полезным. Например, это явление можно использовать для переработки СО2 с целью снижения его негативного влияния на окружающую среду.

«Углекислый газ, наряду с водяным паром, имеет самую большую концентрацию среди всех парниковых газов в атмосфере Земли. Огромное количество диоксида углерода выделяется при сжигании ископаемого топлива, твердых отходов, дерева и других биологических материалов, а также в результате некоторых химических реакций, протекающих, в частности, при производстве цемента», — объясняет ученый. Современней уровень углекислого газа в атмосфере Земли превышает на 50 % доиндустриальный и составляет около 420 частей на миллион.

Углекислый газ выделяется при сжигании ископаемого топлива, твердых отходов, дерева и других биологических материалов

Снизить это количество может помочь разложение CO2 на составляющие, которые не вредят экологической обстановке и не ускоряют глобальное потепление.

«Традиционные методы переработки углекислого газа требуют больших затрат энергии, что ведет к дальнейшему повышению температуры окружающей среды, — подчеркивает Елена Кустова. — В связи с этим сегодня создают и исследуют новые способы, основанные на неравновесных процессах. В одном из них, например, используется низкотемпературная плазма: распад CO2 происходит не термическим путем, а вследствие колебательного возбуждения молекул при низкой температуре». К сожалению, пока этот и другие методы не применяются на практике, так как не очень эффективны.

Разработанная учеными СПбГУ программа моделирования неравновесных течений углекислого газа стала полезной для решения обеих описанных проблем. В ней можно рассчитать нужные параметры для посадки космических аппаратов на Марс и условия для улучшения способов нетермического разложения диоксида углерода.

В тысячах формул

Чтобы создать программу, исследователи работали два года и преодолели много препятствий. Так, на первом этапе они собирали и анализировали данные о физико-химических процессах в углекислом газе и столкнулись с недостатком надежных сведений о коэффициентах скоростей различных процессов. «В CO2 протекают сотни тысяч реакций обмена колебательной энергией, а в смеси — миллионы, часть из них может произойти с большей вероятностью, часть — с меньшей, — объясняет Елена Кустова. — В нашем случае требовались значения всех этих вероятностей. Но экспериментальных данных и теоретических расчетов было очень мало». Поэтому ученым пришлось рассчитывать показатели для нескольких тысяч реакций самостоятельно, чтобы получить полную информацию.

Далее исследователи создавали код и внедряли в него все полученные ими сведения. Ученые учли все возможные виды обменов колебательной энергией в молекуле CO2, а также совместное влияние этих обменов и химических взаимодействий.

На следующем этапе специалисты изучили многочисленные схемы реакций и провели анализ чувствительности результатов. «Собрав все воедино, мы разработали детальный код с у четом всех возможных колебательных состояний для CO2. Такого раньше ни у кого не было и нет до сих пор», — подчеркивает Елена Кустова.

По ее словам, исследователи неделями проводили расчеты на персональных компьютерах. После долгого анализа они определили ключевые механизмы обмена энергией и смогли сократить несколько тысяч уравнений детальной модели до десятка. Так они получили современный программный инструмент в развернутом и сокращенном варианте, сочетающий в себе точные теоретические подходы и эффективные численные методики.

В космосе и на земле

Программа исследователей Университета позволила получить фундаментальные теоретические знания о процессах, происходящих в неравновесном углекислом газе, и и х влиянии на газовую динамику и теплообмен в различных условиях. Благодаря этим данным ученые смогли проанализировать характеристики диоксида углерода за фронтом ударной волны при входе космического аппарата в атмосферу Марса и узнали, какие процессы протекают у поверхности спускаемого корабля, как они влияют на аэродинамическое сопротивление и тепловой поток на поверхности. Полученные исследователями СПбГУ сведения помогут спланировать безопасную посадку на Марс, а также на другие планеты с похожей атмосферой.

Кроме того, с помощью своей программы исследователи определили условия для эффективной реализации низкотемпературного плазменного метода переработки диоксида углерода, что может помочь снизить концентрацию этого парникового газа в атмосфере Земли.

По словам Елены Кустовой, разработку можно использовать в нескольких направлениях. Не только д ля исследования структуры ударных волн в углекислом газе или расчета характеристик для его переработки, но и д ля проверки новых механизмов физико-химических процессов в CO2 при различных физических параметрах.

«Продукт является универсальным, так как позволяет моделировать любые неравновесные ситуации в газе с высокой степенью детальности, а также интерпретировать результаты экспериментов, полученных в ударных трубах и на аэродинамических установках», — рассказывает ученый.

В рамках исследования специалисты СПбГУ предложили также способ доказательства эффективности полученной программы д ля моделирования неравновесных процессов. А также проанализировали возможности применения методов машинного обучения д ля повышения ее точности, отобрали наиболее перспективные алгоритмы и наметили направления дальнейших исследований в этой области.

Интересно

Всеволод Васильевич Шаронов, выпускник Петроградского университета (ныне СПбГУ), занимался изучением серебристых облаков и принимал участие в шести экспедициях по наблюдению и изучению солнечных затмений, проводил фотометрические исследования Марса и солнечной короны — самого горячего слоя атмосферы Солнца.

Его супруга Надежда Николаевна Сытинская, выпускница ЛГУ, создала метод оценки масс метеорных тел по их яркости, усовершенствовала ряд методов фотографической фотометрии и применила их к исследованию Луны, Марса и других космических тел. Оценила оптические параметры атмосферы Марса и атмосферного давления на его поверхности.

Серебристые облака — самые высокие облака в земной атмосфере. Роскосмос, Сергей Кудь-Сверчков

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Ген памяти Ген памяти

Какие альтернативные накопители предлагают на рынке хранения данных

РБК
Британские ученые превратили жирберги (отбросы из канализации) в парфюм! Британские ученые превратили жирберги (отбросы из канализации) в парфюм!

Ученые превратили отбросы из канализации в косметику и парфюм

ТехИнсайдер
О чём пишут научно-популярные журналы мира О чём пишут научно-популярные журналы мира

Угроза от соли, раннее изучение иностранного языка и электрические самолеты

Наука и жизнь
Ветер с Востока Ветер с Востока

Принципы «Магической уборки» японской писательницы Мари Кондо

Лиза
Частная жизнь при абсолютной монархии. Отрывок из книги Марии Неклюдовой Частная жизнь при абсолютной монархии. Отрывок из книги Марии Неклюдовой

Как при Людовике XIV сформировалось понятие частной жизни

СНОБ
Как снизить тревожность и обрести уверенность: 3 техники от спортивного психолога Как снизить тревожность и обрести уверенность: 3 техники от спортивного психолога

Проверенные техники для борьбы с тревогой и укрепления уверенности в себе

Psychologies
Он же памятник! Он же памятник!

Как петербургские девелоперы проводят ревитализацию промышленных территорий

Собака.ru
4 признака того, что вы знаете своего партнера слишком хорошо 4 признака того, что вы знаете своего партнера слишком хорошо

Признаки того, что вы видите вместо своего партнера набор шаблонов

Psychologies
Рецепт ее молодости Рецепт ее молодости

Когда мне было 12 лет, по телевизору показали фильм «Рецепт ее молодости»

Afternoon Seasons of life
Не стать аутсайдером на растущем рынке Не стать аутсайдером на растущем рынке

Как бизнес превращает свои риски в стратегические преимущества?

Монокль
В гости к нам В гости к нам

10 зарубежных звезд, которые сыграли в советских фильмах

Лиза
«Я слишком ленив, чтобы измениться»: упражнение, которое поможет взять ответственность за свои чувства «Я слишком ленив, чтобы измениться»: упражнение, которое поможет взять ответственность за свои чувства

Как вы ощущаете свои эмоции — как хозяин или как гость?

Psychologies
Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы

Какова же средняя продолжительность жизни собак разных пород?

ТехИнсайдер
Как взлетает мирный атом Как взлетает мирный атом

О новых возможностях мирного атома и критических технологиях безопасности

Монокль
Стали не хватает строек Стали не хватает строек

Что повлияло на снижение производства стали в России в 2024 году?

Ведомости
Только не перезванивайте: 5 простых способов, как узнать, кто звонил с неизвестного номера Только не перезванивайте: 5 простых способов, как узнать, кто звонил с неизвестного номера

Как понять, что с незнакомого номера звонит злоумышленник?

ТехИнсайдер
Бабушкe на радость Бабушкe на радость

Уход за пенсионером: кому это выгодно и как стать опекуном

Лиза
К гадалке не ходи: за последние четыре года продажи карт таро выросли в семь раз К гадалке не ходи: за последние четыре года продажи карт таро выросли в семь раз

Как и почему растет «гадательный» сегмент в тиражах издательств?

Forbes
Андрей Житинкин: «Актер хуже слона! Он запоминает обиду на всю жизнь» Андрей Житинкин: «Актер хуже слона! Он запоминает обиду на всю жизнь»

Десять острых вопросов режиссеру Андрею Житинкину

Коллекция. Караван историй
Как завести отношения с помощью сайтов знакомств: 4 шага Как завести отношения с помощью сайтов знакомств: 4 шага

Найти отношения через сайты знакомств можно, но придется запастись терпением

Psychologies
«Хорошо, что ты все-таки родилась»: почему ребенок не должен знать, что мать планировала аборт «Хорошо, что ты все-таки родилась»: почему ребенок не должен знать, что мать планировала аборт

Нужно ли рассказывать о не совершенном аборте подросшему сыну или дочери?

Psychologies
Чудеса Кавказа: чем вас удивит этот край Чудеса Кавказа: чем вас удивит этот край

Кавказ хранит много тайн, и далеко не все они открываются путешественникам

Караван историй
Крещение Крещение

Крещение: история светлого праздника (и при чем тут обряд купания в проруби)

Лиза
Евгений Люлин: «Конкуренция между ветвями власти уравновешивает их» Евгений Люлин: «Конкуренция между ветвями власти уравновешивает их»

Какой путь прошел парламент Нижегородской области за 30 лет

ФедералПресс
Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона

Какую роль «Аватара» занял в истории кино и наших сердцах?

Правила жизни
Экскурсия Экскурсия

Бери что хочешь, если достанет силы... отпустить

СНОБ
Ученые назвали самый здоровый способ приготовить брокколи Ученые назвали самый здоровый способ приготовить брокколи

Как и приготовить брокколи правильно, чтобы получить пользу

ТехИнсайдер
Пережить декабрь: как растет спрос на адвент-календари и сколько денег они приносят Пережить декабрь: как растет спрос на адвент-календари и сколько денег они приносят

С чем связан тренд на адвент-календари и сколько на нем можно заработать?

Forbes
Самые опасные пищевые привычки россиян и чем вредна доставка Самые опасные пищевые привычки россиян и чем вредна доставка

Что происходит с пищевым поведением россиян?

Inc.
3 самые популярные пластические операции в России: рассказывает хирург 3 самые популярные пластические операции в России: рассказывает хирург

Какие пластические операции делают в России чаще всего?

VOICE
Открыть в приложении