Научные сотрудники Физического факультета НГУ проводят исследования в рамках проекта «Газовая динамика кластеров: кластерные струи и пучки новых форм, образование, взаимодействие, деструкция. Моделирование и эксперимент», поддержанного грантом РНФ. Также в реализации гранта участвуют ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, которые разработают теоретические модели формирования кластеров и энергообмена в них. Новосибирские ученые проверят эти модели экспериментально.
Ответственный за исполнение гранта научный сотрудник лаборатории молекулярной кинетики Отдела прикладной физики ФФ НГУ Кирилл Дубровин рассказал, что научные сотрудники отдела достаточно давно занимаются экспериментальными исследованиями в разреженных газовых потоках. Они необходимы для моделирования процессов истечения струй из двигателей космических аппаратов в открытом космосе.
— С появлением технологий создания ракет, способных выйти в разреженное пространство, возникла необходимость в установках, способных моделировать данные процессы, поскольку, чтобы запустить ее, нужно сначала произвести необходимые расчеты и экспериментальные исследования, а также пробные запуски. Моделирование ситуации на поверхности Земли при давлении в одну атмосферу особых сложностей не вызывает – его проводят в аэродинамических трубах. А вот смоделировать истечение газовых струй в вакуум, то есть в разреженное пространство, достаточно проблематично. Потребуется вакуумная установка достаточно крупных размеров для создания сильного разрежения, чтобы в них можно было бы поместить натурный объект. В данном случае – двигатель космического аппарата. Это довольно сложно технически и затратно финансово. Исследователи во многих странах стали искать способы «перехитрить систему» и пришли к выводу, что газовую струю с применением принципов подобия можно масштабировать до гораздо меньших размеров и провести эксперимент на компактном стенде в условиях лаборатории. При этом параметры этого модельного объекта должны соответствовать натурным, — объяснил Кирилл Дубровин.
Однако исследователи заметили довольно серьезные изменения некоторых параметров при работе с модельными объектами. В частности, температуры. При истечении газа из двигателя космического аппарата после сгорания жидкого топлива она составляет порядка 4 тысяч кельвинов, а на лабораторных стендах можно оперировать только комнатными температурами. При расширении любой газ охлаждается, но только если в первом случае его охлаждение почти незаметно, то во втором — значительно. Из-за вмешательства в моделирование процесса конденсации в холодных потоках могут образовываться кластеры – ассоциаты из нескольких атомов или молекул, объединенных между собой очень слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами. Иными словами, частицы газа слипаются между собой и объединяются в некоторые конгломераты.
— Именно эти кластеры, их влияние на поток и внутренний энергообмен мы изучаем в рамках данного проекта. Когда мы начали работать с моделированием и визуализировали газовый поток, выяснилось, что он значительно отличается от того, что мы ожидали получить. Это стало результатом вмешательства в процесс моделирования процесса конденсации. Происходит это примерно так: внутри газового потока образуются ассоциаты, связанные, пусть слабыми силами, в один единый объект, который начинает двигаться иначе, нежели одиночные частицы. Такой ассоциат начинает, во-первых, преодолевать ударные волны, а во-вторых – вмешиваться в газовую динамику потока, внося при этом дополнительные вклады в изменения некоторых важных параметров. Ранее ученые таких изменений не наблюдали, поэтому мы решили их подробно исследовать, — рассказал Кирилл Дубровин.
Проект направлен на фундаментальные исследования, объектом которых стало образование ассоциатов внутри газового потока. Чтобы продвинуться в понимании этого процесса, новосибирским ученым необходимо было подтвердить экспериментальные данные теоретической моделью, поэтому они обратились к исследователям Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого с предложением объединить экспериментальные и теоретические усилия. Коллектив ученых НГУ, имея в своем распоряжении специальный газодинамический стенд, взял на себя экспериментальную работу, а также изучение свойств образования газовых кластеров, в том числе под воздействием электронного разряда. Их санкт-петербургские коллеги занялись внедрением модели конденсации внутрь известных моделей газовой динамики. Ученые НГУ и Санкт-Петербургского политехнического университета сопоставили свои ресурсы, отыскали режимы истечения, достижимые и в лабораторных, и в расчетных условиях. Изучая поведение ассоциатов внутри газовых потоков, исследователи получают знания об их образовании, устройстве и свойствах в зависимости от изменения показателей конденсации. Это необходимо для того, чтобы найти прикладное применение фундаментальным знаниям.
— Не менее успешное направление исследований в нашем отделе направлено на нахождение эффективных применений газовым кластерам. В частности, их можно использовать для полировки поверхностей. Это может найти применение, например, в эндопротезировании, где важна идеальная гладкость поверхностей имплантов для их лучшей приживаемости внутри человеческого организма. С помощью газовых Ван-дер-Ваальсовых кластеров можно добиться гладкости полировки поверхностей на порядок выше, чем с применением традиционных способов. А все потому, что частицы связаны друг с другом в один ассоциат именно слабыми силами. При взаимодействии с поверхностью эти связи разрываются, ассоциат распадается, а поток частиц растягивается по полируемой поверхности, делая ее идеально гладкой. Это лишь один пример применения, но наверняка существуют другие, и мы их обязательно выявим, — сказал Кирилл Дубровин.
Публикацию подготовила Елена Панфило, пресс-служба НГУ
