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

Шкалик Шкалик

Анатолий живет очень скромно и пишет роман про старый газетный лист

Правила жизни
Онегин, любовь и роботы Онегин, любовь и роботы

Что было бы с героями литературы, окажись в их руках приложение для знакомств?

Afternoon Seasons of life
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
Как живет Ребекка Шаррок — человек с «идеальной автобиографической памятью» Как живет Ребекка Шаррок — человек с «идеальной автобиографической памятью»

Ребекка Шаррок — одна из немногих в мире, кто обладает гипертимезией

ТехИнсайдер
Многовековые развлечения: 5 лучших настольных игр Древнего мира Многовековые развлечения: 5 лучших настольных игр Древнего мира

Первые настолки появились еще в Древнем мире, а играли в них люди по всему свету

ТехИнсайдер
Princess S80. Чæстное мнение Princess S80. Чæстное мнение

Экстерьер, компоновка, отделка интерьера и ходовые качества Princess S80

Y Magazine
Школа с именем Школа с именем

Зачем футболисты открывают академии своего имени?

Ведомости
Good Day Today. До свидания, Дэвид Линч Good Day Today. До свидания, Дэвид Линч

Дэвид Линч был человеком без возраста и с особым чувством юмора

СНОБ
Турецкие сериалы, экстрасенсы и астрология: эксперты назвали самые популярные «постыдные удовольствия» россиянок Турецкие сериалы, экстрасенсы и астрология: эксперты назвали самые популярные «постыдные удовольствия» россиянок

Топ удовольствий, о которых стыдно говорить

Psychologies
Куда исчезли зеркала на крыльях автомобилей: вас давно мучает этот вопрос, но спросить было не у кого Куда исчезли зеркала на крыльях автомобилей: вас давно мучает этот вопрос, но спросить было не у кого

Зачем с кузовов автомобилей убрали мини зеркала

ТехИнсайдер
Первый обзор нового Hyundai Santa Fe в России. Особенности, опции и цены Первый обзор нового Hyundai Santa Fe в России. Особенности, опции и цены

Autonews познакомился с новым Hyundai Santa Fe в России. Названы плюсы и минусы

РБК
«85% кандидатов отказываются»: эффективна ли практика one-day offer «85% кандидатов отказываются»: эффективна ли практика one-day offer

Рекрутеры и HR-специалисты — о приёме на работу за один день

VC.RU
Альфрид Лэнгле — Forbes: «Кризис должен быть стимулом проживать жизнь по максимуму» Альфрид Лэнгле — Forbes: «Кризис должен быть стимулом проживать жизнь по максимуму»

Как справиться с чувством беспомощности? Объясняет Альфрид Лэнгле

Forbes
От Хичкока до Финчера: главные фильмы про маньяков в истории кино От Хичкока до Финчера: главные фильмы про маньяков в истории кино

Лучшие фильмы о маньяках: с высоким рейтингом и наиболее оригинальной концепцией

Forbes
Исследование: какие напитки заставляют вас ходить в туалет чаще Исследование: какие напитки заставляют вас ходить в туалет чаще

Рейтинг из девяти напитков, которые заставят вас бежать в туалет

ТехИнсайдер
Бабушкe на радость Бабушкe на радость

Уход за пенсионером: кому это выгодно и как стать опекуном

Лиза
Ляйсан Утяшева: «Мой идеальный день должен начинаться с объятий мужа и завтрака с детьми» Ляйсан Утяшева: «Мой идеальный день должен начинаться с объятий мужа и завтрака с детьми»

Мы сами способны выбирать оттенки, которыми будем писать картину своей жизни

Караван историй
Восток VS Запад Восток VS Запад

Сравним отношение к радостям жизни на Востоке и Западе!

Лиза
Самый грустный день в году: что такое «синий понедельник» Самый грустный день в году: что такое «синий понедельник»

Действительно ли существует самый грустный понедельник в году?

Psychologies
Не только словом Не только словом

Как поддержать близкого человека в трудные времена и найти правильные слова

Лиза
Мутации определяют ход биологических часов организма Мутации определяют ход биологических часов организма

Биологический возраст организма определяется накоплением случайных мутаций

ТехИнсайдер
Матрица судьбы Матрица судьбы

Восемь шагов к новой жизни: как приучить себя к переменам

Лиза
5 новых технологий, которые радикально изменят современный автопром 5 новых технологий, которые радикально изменят современный автопром

Современные автомобили давно стали гаджетами на колесах. Но что впереди?

РБК
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
Бодрое утро Бодрое утро

8 завтраков, которые быстро разбудят организм

Лиза
Чемпионские перстни: откуда взялась традиция вручать их победителям и сколько они стоят Чемпионские перстни: откуда взялась традиция вручать их победителям и сколько они стоят

Когда впервые изготовили чемпионские перстни и какова реальная их стоимость

ТехИнсайдер
Фридрих Шиллер Фридрих Шиллер

Почему Шиллера боялись трогать — не только же из-за трудностей перевода?

Дилетант
Звуковой удар Звуковой удар

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

Ведомости
Бытовая нумерология: почему мы одержимы числами и чем опасен подсчет шагов и лайков Бытовая нумерология: почему мы одержимы числами и чем опасен подсчет шагов и лайков

Чем опасен непрерывный мониторинг здоровья и продуктивности?

Forbes
Электрическая коробка-автомат – электропередача тепловоза Электрическая коробка-автомат – электропередача тепловоза

Продолжаем рассказ о тонкостях железнодорожного дела

Наука и техника
Открыть в приложении