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

Парижский чемодан полпреда Парижский чемодан полпреда

Невероятная находка в Париже: автограф Кузмина и тайны Серебряного века!

Дилетант
Двухминутная процедура по уходу за ногтями, которую надо делать каждый день: советы дерматолога Двухминутная процедура по уходу за ногтями, которую надо делать каждый день: советы дерматолога

Регулярный уход за ногтями — ключ к их быстрому росту и красоте. Как это делать?

VOICE
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
«Они ведь всегда хотят секса». Как в России мужчины становятся жертвами насилия «Они ведь всегда хотят секса». Как в России мужчины становятся жертвами насилия

Как мужчины справляются с травмой насилия

СНОБ
«Мы совершили инженерный подвиг» «Мы совершили инженерный подвиг»

Генеральный директор Группы ПТК — о создании путевых машин в России

Монокль
Книжные связи Книжные связи

Чтение снова в моде, а вместе с ним и читательские клубы

Afternoon Seasons of life
Что такое «эффект Микеланджело» в психологии отношений? Узнайте факт и совет от психологов Что такое «эффект Микеланджело» в психологии отношений? Узнайте факт и совет от психологов

Как «эффект Микеланджело» учит поддерживать друг друга на пути к самореализации

ТехИнсайдер
Перекрестье чувств Перекрестье чувств

Разбираемся, что такое синестезия – загадочная способность к смешению чувств

Вокруг света
Дорогу возрастным: почему бизнес все чаще берет на работу сотрудников старше 50 лет Дорогу возрастным: почему бизнес все чаще берет на работу сотрудников старше 50 лет

В чем пожилые специалисты превосходят молодых?

Forbes
Воздушные винты помогли ходячему роботу сохранить равновесие во время бега Воздушные винты помогли ходячему роботу сохранить равновесие во время бега

Робот KOU-III не может летать — он использует винты для равновесия

N+1
5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников 5 фактов о насилии, которые мы узнали из интервью Саши Сулим с жертвами домашних насильников

Пять фактов о домашнем насилии, которые важно знать каждому

Psychologies
50 вопросов, которые помогут построить более глубокие отношения 50 вопросов, которые помогут построить более глубокие отношения

О чем спросить человека, чтобы действительно узнать его лучше?

Psychologies
Как обработать фото, будто вы сделали его на пленку? Сохраните этот простой метод! Как обработать фото, будто вы сделали его на пленку? Сохраните этот простой метод!

Как сделать цифровые снимки похожими на пленку: инструкция

ТехИнсайдер
Как погиб хоккеист Валерий Харламов. Что случилось в аварии 43 года назад Как погиб хоккеист Валерий Харламов. Что случилось в аварии 43 года назад

Неожиданные факты об автокатастрофе, в которой погиб легендарный номер 17

РБК
Границы адаптации Границы адаптации

Как повысить работоспособность космонавтов

Санкт-Петербургский университет
«Шерсть дыбом: Медведи-взломщики, макаки-мародеры и другие преступники дикой природы» «Шерсть дыбом: Медведи-взломщики, макаки-мародеры и другие преступники дикой природы»

Зачем орнитологи взрывали птиц динамитом

N+1
От хлебного бунта до «банановых республик»: как еда меняла историю От хлебного бунта до «банановых республик»: как еда меняла историю

Как блюда и продукты становились поводами для войн и революций

Forbes
Как снег на голову Как снег на голову

Правила зимнего ухода за волосами

Лиза
Норма жизни: зачем министерству спорта 70 процентов занимающихся физкультурой Норма жизни: зачем министерству спорта 70 процентов занимающихся физкультурой

Что не так с методикой подсчетов спортивных граждан?

Forbes
Карельские медведи оказались самыми подвижными среди европейских Карельские медведи оказались самыми подвижными среди европейских

Свободнее всего в Европе пространство осваивают карельские медведи

N+1
Когда растает лед: принесет ли глобальное потепление войну в Арктике Когда растает лед: принесет ли глобальное потепление войну в Арктике

Арктика может стать предметом не только споров, но и открытого столкновения

Forbes
Как победить прокрастинацию Как победить прокрастинацию

Не можете избавиться от привычки откладывать дела на потом?

ТехИнсайдер
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
«Отец врет, берет кредиты и тратит на себя, а мать „сохраняет семью“ и жертвует собой»: треугольник Карпмана в жизни «Отец врет, берет кредиты и тратит на себя, а мать „сохраняет семью“ и жертвует собой»: треугольник Карпмана в жизни

На чем держится семья, если в ней проявляется чистый треугольник Карпмана?

Psychologies
Нина Чусова. Секундная сцена в спектакле может сделать из него хит Нина Чусова. Секундная сцена в спектакле может сделать из него хит

Нина Чусова о своем уникальном пути и работе с самыми лучшими артистами страны

Караван историй
История призрака: 17 оригинальных фильмов о потусторонней силе История призрака: 17 оригинальных фильмов о потусторонней силе

Как кино может разнообразно трактовать и исследовать сюжеты о привидениях

Правила жизни
Повсеместное использование камер наблюдения меняет работу мозга Повсеместное использование камер наблюдения меняет работу мозга

Видеонаблюдение влияет на работу мозга, причем на бессознательном уровне

ТехИнсайдер
Как социальные контакты могут сохранить здоровье вас и вашего мозга Как социальные контакты могут сохранить здоровье вас и вашего мозга

Почему быть социально активным — важный фактор здоровой жизни

ТехИнсайдер
7 ошибок, мешающих вам стать увереннее в себе 7 ошибок, мешающих вам стать увереннее в себе

Как поднять самооценку? Отказаться от вредного или отжившего себя старого

Psychologies
Знаковое место Знаковое место

Стильный, функциональный, авторский интерьер в духе timeless

SALON-Interior
Открыть в приложении