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

Александр Крайнов: «Нейросеть не заменит людей в общении, размышлении и умении договариваться» Александр Крайнов: «Нейросеть не заменит людей в общении, размышлении и умении договариваться»

Как нейросети повлияют на профессии и когда они станут привычным инструментом

РБК
Как улучшить настроение за 5 минут: простые, но отлично работающие способы Как улучшить настроение за 5 минут: простые, но отлично работающие способы

Несколько приемов, которые помогут быстро встряхнуться и улучшить настроение

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
18 известных актеров, о чьей смерти в 2024 году вы не подозревали 18 известных актеров, о чьей смерти в 2024 году вы не подозревали

Эти всем известные и даже знаменитые актеры умерли в 2024 году

Maxim
Как искусственный интеллект меняет бьюти-индустрию Как искусственный интеллект меняет бьюти-индустрию

Как технологии ИИ ежедневно помогают бьюти-мастерам в работе?

Inc.
Горчичники, банки и «звездочка»: чем лечились от простуды в СССР Горчичники, банки и «звездочка»: чем лечились от простуды в СССР

Домашние методы лечения из СССР: были ли они действительно эффективными

ТехИнсайдер
Секрет паштета Секрет паштета

Паштет: критерии свежести и качества популярной закуски

Лиза
«Сейчас очень много злобы и ненависти вокруг, а людям нужны простые человеческие чувства»: интервью с Евгением Писаревым «Сейчас очень много злобы и ненависти вокруг, а людям нужны простые человеческие чувства»: интервью с Евгением Писаревым

Режиссер Евгений Писарев — о своих спектаклях «Плохие хорошие» и «Тартюф»

СНОБ
Воротнички по моде Воротнички по моде

Минтруд представил детальный прогноз потребностей экономики в кадрах

Ведомости
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Как в научной фантастике появился сюжет о затерянных мирах

Наука и жизнь
Регистрация программного обеспечения: щит в мире цифровых идей Регистрация программного обеспечения: щит в мире цифровых идей

Почему интеллектуальная собственность так недооценивается?

Наука и техника
Онлайн – место рыбное Онлайн – место рыбное

Почему кибермошенники чаще взламывают системы Android, чем iOS?

Ведомости
Обгон, засада, ДТП: эти 9 сигналов дальним светом пригодятся в дороге Обгон, засада, ДТП: эти 9 сигналов дальним светом пригодятся в дороге

Народный световой код фарами широк – будет полезно запомнить несколько сообщений

ТехИнсайдер
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
Вредные советы Вредные советы

Какие ошибки способны превратить романтический вечер в кошмар?

Лиза
«Не могу остановиться»: как работают «газ» и «тормоз» сексуального влечения «Не могу остановиться»: как работают «газ» и «тормоз» сексуального влечения

Модель двойного контроля в сексе: что это такое и как она влияет на близость

Psychologies
Все хотят убить писателя Все хотят убить писателя

С жизнью Юрия Домбровского связано множество мифов...

Дилетант
«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
«Они дают сильную эмоцию, вызов и некий элемент соревнования»: почему мужчины любят стерв «Они дают сильную эмоцию, вызов и некий элемент соревнования»: почему мужчины любят стерв

Можно ли построить крепкие отношения со стервой?

Psychologies
Как мотивировать зумеров к обучению и развитию: советы психолога Как мотивировать зумеров к обучению и развитию: советы психолога

Как найти общий язык с зумерами, детьми и молодыми коллегами?

Psychologies
Нейронаука в фотографии! Как психология внимания формирует ваше мнение о снимках: факты и лайфхаки Нейронаука в фотографии! Как психология внимания формирует ваше мнение о снимках: факты и лайфхаки

Почему одни фотографии мгновенно привлекают внимание, а другие не замечаются?

ТехИнсайдер
Как привить себе новые привычки: советы ученых Как привить себе новые привычки: советы ученых

Освоение нового режима может быть пугающим, но это проще, чем многим кажется

ТехИнсайдер
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
Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов Как выбрать идеальный детский снегоход в 5 шагов

Детский снегоход: чем он отличается от обычного и как выбрать правильную модель

ТехИнсайдер
Катерина Мурашова: шанс на счастливую жизнь Катерина Мурашова: шанс на счастливую жизнь

Как справиться с кризисом подросткового возраста? Личная история

СНОБ
Герман на холме Герман на холме

Поколениями немцы пытались представить, от кого Арминий мог освободить Германию

Дилетант
Бабушкe на радость Бабушкe на радость

Уход за пенсионером: кому это выгодно и как стать опекуном

Лиза
Маленькая выставка большого художника Маленькая выставка большого художника

Почему выставка «Алексей Моргунов. Среди первых» не только о конкретном авторе

Наука и жизнь
Бэтмен, машинист и американский психопат: 10 фильмов с Кристианом Бэйлом Бэтмен, машинист и американский психопат: 10 фильмов с Кристианом Бэйлом

Вспоминаем десять лучших фильмов с участием Кристиана Бэйла

Правила жизни
Подкормка для экспорта Подкормка для экспорта

Россия второй год подряд увеличивает объемы поставок удобрений на внешние рынки

Ведомости
Открыть в приложении