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

И на стволах растут плоды И на стволах растут плоды

Одни фрукты, висят на ветвях, а другие забрались на стволы. Интересно, зачем?

Наука и жизнь
Гудбай, Чимерика! Гудбай, Чимерика!

Как технологическая блокада Китая со стороны США отразится на мировой экономике

Монокль
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
Земную жизнь пройдя до половины, я очутился в сумрачном лесу Земную жизнь пройдя до половины, я очутился в сумрачном лесу

Жизнеутверждающий текст о торжественном вступлении во вторую половину жизни

Afternoon Seasons of life
Звуковой удар Звуковой удар

Датчанин Торбен Ульрих – один из самых оригинальных игроков в истории тенниса

Ведомости
Базальтовые бусины в невесомости подтвердили вклад трибоэлектричества в формирование планет Базальтовые бусины в невесомости подтвердили вклад трибоэлектричества в формирование планет

Зачем ученые отправили в суборбитальный полет кучку базальтовых бусин

N+1
Плавучие концлагеря Третьего Рейха: Печальный конец Плавучие концлагеря Третьего Рейха: Печальный конец

Об эвакуации главных концлагерей в связи с приближением британских войск

Наука и техника
Олег Маловичко: Мы живем в мире Пелевина, Гоголя, Булгакова, Кустурицы Олег Маловичко: Мы живем в мире Пелевина, Гоголя, Булгакова, Кустурицы

Почему у «Трассы» нет хеппи-энда и в чем «Лихие» спорят со «Словом пацана»?

Ведомости
Будет как новая: 5 способов очистить пластиковую разделочную доску Будет как новая: 5 способов очистить пластиковую разделочную доску

Несколько способов, чтобы почистить разделочную доску

VOICE
Фрэнсис Форд Коппола: «Я хотел сделать фильм, про который никто не мог бы сказать: “Нет, так нельзя!”» Фрэнсис Форд Коппола: «Я хотел сделать фильм, про который никто не мог бы сказать: “Нет, так нельзя!”»

Что для Фрэнсиса Форда Копполы значит его фильм «Мегалополис»

Правила жизни
Восток VS Запад Восток VS Запад

Сравним отношение к радостям жизни на Востоке и Западе!

Лиза
Эти популярные лекарства из вашей аптечки опасны уже в конце срока годности! Эти популярные лекарства из вашей аптечки опасны уже в конце срока годности!

Какие лекарства особенно опасны после истечения их срока годности?

ТехИнсайдер
«Хризапелия прыгает с ветки, расправив ребра» «Хризапелия прыгает с ветки, расправив ребра»

Где живут, чем питаются и как летают змеи — и почему у них раздвоенный язык

Weekend
Воротнички по моде Воротнички по моде

Минтруд представил детальный прогноз потребностей экономики в кадрах

Ведомости
«Сидим с бобром за столом»: в чем смысл песни и почему она так завирусилась «Сидим с бобром за столом»: в чем смысл песни и почему она так завирусилась

Почему трек «Сидим с бобром за столом» стал вирусным: разбор психолога

Psychologies
Спать надо всем Спать надо всем

Почему важно изучать сон водных млекопитающих?

Наука и жизнь
«У меня еще много незакрытых гештальтов» «У меня еще много незакрытых гештальтов»

Владимир Селиванов — о роли Вована в своей жизни и семейных ритуалах

OK!
В 2024 году британец плыл 62 часа в ледяной воде реки Юкон! Вот сколько километров он преодолел В 2024 году британец плыл 62 часа в ледяной воде реки Юкон! Вот сколько километров он преодолел

Ультрамарафонец Росс Эджли преодолел сотни километров по ледяным водам реки Юкон

ТехИнсайдер
Новая жизнь биткоина Новая жизнь биткоина

Почему государства проявляют все больше интереса к криптовалютам?

Монокль
Почему мозгу нужно ошибаться и можно ли этого избежать Почему мозгу нужно ошибаться и можно ли этого избежать

Почему мы попадаемся в ловушку собственного мышления

Inc.
Евгений Цыганов: «В конечном счете сериал не про глянец, а про выбор» Евгений Цыганов: «В конечном счете сериал не про глянец, а про выбор»

Евгений Цыганов — о Мастере и своей роли рефлексирующего сноба

Ведомости
Житница и здравница Кавказа Житница и здравница Кавказа

Обзор АПК Ставропольского края

Агроинвестор
Не дай себе замерзнуть! Не дай себе замерзнуть!

7 рабочих лайфхаков, которые помогут согреться в холода

Лиза
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
«Со мной может случиться только плохое»: 4 признака, что вы попали в ловушку вечного пессимизма «Со мной может случиться только плохое»: 4 признака, что вы попали в ловушку вечного пессимизма

Что такое эффект синей точки и почему он высасывает радость из нашей жизни?

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
Вглубь и вширь Вглубь и вширь

Как в Москве проходят раскопки и какие предметы удается найти археологам?

Ведомости
Как работа психологом или коучем может изменить вашу жизнь: 4 преимущества помогающих профессий Как работа психологом или коучем может изменить вашу жизнь: 4 преимущества помогающих профессий

Чем отличаются психолог и коуч: преимущества работы помогающим специалистом

Psychologies
Как искусственный интеллект меняет бьюти-индустрию Как искусственный интеллект меняет бьюти-индустрию

Как технологии ИИ ежедневно помогают бьюти-мастерам в работе?

Inc.
Что такое эмоциональное обслуживание и как не быть эмоциональным донором Что такое эмоциональное обслуживание и как не быть эмоциональным донором

Что такое эмоциональное обслуживание, как его выявить в себе и как избавиться

Psychologies
Открыть в приложении