Первую в мире индукционную печь для изучения извержений вулканической магмы разработали ученые ЛЭТИ вместе с коллегами из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН.
Фото: Дмитрий Борисович Лопух / СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Уникальную установку для изучения газодинамических и физико-химических процессов, происходящих при извержении вулкана, разработали ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ») при поддержке и участии представителей Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (ИВиС ДВО РАН). Технология позволяет моделировать движение газов под кратером вулкана и выбросы вулканических бомб. В будущем установка может помочь прогнозировать извержения вулканов.
Вулканическая активность крайне опасна для человека и окружающей среды. При извержении вулканов из кратера выбрасываются лавовые потоки и вулканические бомбы — сгустки расплавленной магмы, застывающие в полете. Они разрушают инфраструктуру и несут угрозу для летательных аппаратов. Вырывающиеся из вулкана газ и пепел загрязняют воздух, воду и почву и могут вызывать проблемы с дыханием у местных жителей. Из 1350 потенциально активных вулканов на планете около 170 находятся на территории России, в основном на Камчатке и Курилах, поэтому изучение и предсказание вулканической активности по-настоящему актуально для нашей страны.
Как исследовать поведение магмы, если во время извержения к вулкану почти невозможно подступиться? Чтобы решить эту проблему, ученые всего мира разрабатывают альтернативные способы изучения вулканизма.
Один из методов — физическое и математическое моделирование процессов, происходящих во время извержения, с помощью индукционной плавки в холодных тиглях (ИПХТ). В настоящее время эти исследования проводятся только в лаборатории ИПХТ кафедры электротехнологической и преобразовательной техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
Технология индукционной плавки в холодных тиглях позволяет в течение долгого времени удерживать расплавы сверхтугоплавких оксидных материалов, в числе которых — и вулканическая базальтовая порода, используемая для экспериментов по моделированию извержений. Подробнее о подходе рассказал корреспонденту «Научной России» руководитель лаборатории ИПХТ, кандидат технических наук, доцент кафедры электротехнологической и преобразовательной техники ЛЭТИ Дмитрий Борисович Лопух.
«Метод ИПХТ относится к электротехнологии — самому широкому научному направлению знаний, поскольку электроэнергия используется везде и преобразуется в термические, механические и химические процессы. При данном подходе электромагнитное поле высокой частоты и концентрации преобразуется в тепло, позволяющее получать расплавы тугоплавких веществ с температурами до 3700°С, — объяснил Д.Б. Лопух. — Технология ИПХТ дает возможность получать расплавы любых веществ (оксидов, стекол, металлов, карбидов, солей, боридов и др.), создавать особо чистые условия синтеза материалов и монокристаллов и долговременно удерживать химически агрессивные расплавы без изменения их свойств. Это происходит благодаря бесконтактному подводу электромагнитной энергии от индуктора и гарнисажным условиям плавки (у стенки тигля находится защитный слой твердого охлажденного расплава) в холодном (охлаждаемом) тигле».
Разработанная учеными установка в ее текущей версии позволяет моделировать поведение вулканической магмы при высоте ванны расплава 64 см и температурах расплава до 2400°C.
Фото: Дмитрий Борисович Лопух / СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Исследователи ЛЭТИ начали применять метод ИПХТ для изучения расплава магмы и его дегазации несколько лет назад по предложению директора ИВиС ДВО РАН, доктора геолого-минералогических наук, члена-корреспондента РАН Алексея Юрьевича Озерова. Перед специалистами была поставлена неординарная задача — создать установку ИПХТ с высотой ванны расплава магмы 3 м. Такие масштабы необходимы для более точного изучения газодинамических и петрургических процессов, происходящих в магме и на ее поверхности.
Текущий результат разработок ученых — индукционная печь для моделирования поведения магмы с высотой расплава 64 см при температурах расплава до 2400°С. Это максимально достижимые показатели при имеющемся у ученых источнике питания с мощностью 100 кВт. В 2023 г. исследователи ЛЭТИ получили патент РФ на печь ИПХТ (№224 в перечне публикаций на сайте лаборатории ИПХТ ЛЭТИ, с деталями документа можно ознакомиться в электронной базе патентов «Патентон»).
Исследователи расплавляют на установке вулканическую базальтовую породу, «возвращая» ее в состояние жидкой магмы. В печи также производится донное барботирование (простыми словами, пузырение) расплава газом. Это помогает смоделировать процесс дегазации (освобождения от газа), присущий магме во время природных извержений.
Разработанная установка ИПХТ позволяет приблизить испытания к реальным условиям извержения вулкана и дает возможность с бóльшей достоверностью изучать перемещение газа в высокотемпературном расплаве магмы и выбросы вулканических бомб и снарядов на больших скоростях в разных условиях.
Нужно ли, чтобы газ в экспериментах с печью был идентичен своему природному аналогу?
«В настоящее время для упрощения оборудования и экологических аспектов в установке используется барботаж расплава воздухом, — ответил на наш вопрос Д.Б. Лопух. — Свойства газа или парогазовой смеси могут влиять в основном на физико-химические процессы в высокотемпературном базальтовом расплаве магмы. На интересующие нас условия выбросов расплава магмы состав газа может влиять незначительно. Бóльшее влияние на этот процесс оказывает расход газа».
Как уникальная установка появлялась на свет? Сначала исследователи подобрали для печи материалы и спроектировали ее конструкцию таким образом, чтобы она могла в течение долгого времени удерживать расплав базальтовой породы камчатского вулкана Ключевская Сопка при максимально возможной высоте ванны расплава (подробнее — на сайте ЛЭТИ). Опираясь на экспериментальные данные и расчеты по математическим электродинамическим моделям, ученые вычислили параметры всех элементов системы: холодного тигля, индуктора, генератора и барботера для подачи газа. Чтобы результаты были более точными, разработчики учли протекающие в ванне расплава электромагнитные, тепловые и конвективные процессы. Это позволило установить, какие распределения температур и скорости движения расплава необходимы для успешного проведения экспериментов на установке.
Установка для изучения извержений вулканической магмы успешно прошла первые испытания.
Фото: Дмитрий Борисович Лопух / СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
После пилотных испытаний прототипа исследователи создали текущую версию печи. Учеными ЛЭТИ и ИВиС проводились тестирования установки, включая изучение стартового нагрева магмы, определение нужной частоты тока и температуры расплава, донный барботаж расплава. Основной этап работы — анализ свойств магмы для математического моделирования, проектирование и запуск печи для исследования дегазации магмы — реализован в рамках программы «Приоритет-2030».
«Первый тест по дегазации расплава магмы с высотой ванны 60 см проведен успешно. Реализован барботаж расплава магмы с выбросами бомб и снарядов расплава до двух и более метров», — сообщил Дмитрий Борисович Лопух.
Ученые уже опубликовали результаты экспериментов по погружному и донному барботажу расплава магмы с минимальными оценками выбросов расплава — бомб, снарядов и капель. Готовятся к выходу материалы об исследованиях дегазации расплава в разработанной установке.
В планах ученых — использовать печь для изучения сейсмических проявлений вулканизма вместе с коллегами из ИВиС ДВО РАН. Для эксперимента понадобятся специальные приборы для оценки вибраций и толчков, производимых выбросами магмы из ванны, а провести скоростную съемку процесса помогут быстродействующие видеокамеры. Кроме того, во время будущих испытаний планируется варьировать подачу газа для барботажа расплава, так как от нее зависят режимы выброса расплава магмы из ванны.
Как максимально приблизить эксперименты с печью к природным извержениям вулканов?
«Нужно обеспечить более высокую ванну расплава и повысить расход газа, что позволит увеличить выбросы моделируемых магматических бомб, приближая исследуемые процессы к реальным. Но для этого необходимо увеличить мощность установки, — пояснил Д.Б. Лопух. — На сегодняшний день, чтобы достигнуть высоты ванны расплава магмы 3 м при температуре 2400°С, что требуется для получения представительных результатов, необходима мощность источника питания около 600 кВт. При этом нужны дополнительные исследования для обоснования частоты тока, мощности и конструкции печи ИПХТ. Подобная работа может быть проведена в лаборатории ИПХТ ЛЭТИ на математических электродинамических моделях. Мы также работаем над моделированием условий барботажа для установки бóльших размеров».
Как рассказал Дмитрий Борисович, главной преградой на пути к цели остается недостаток финансовой поддержки: в настоящее время ученые не располагают средствами, чтобы приобрести источник питания (ламповый генератор) с мощностью, требуемой для более габаритной печи.
«Основное препятствие заключается в отсутствии достаточного финансирования работ. Это объясняется тем, что подобные разработки имеют экологический характер с точки зрения безопасности жизнедеятельности. Вулканы извергаются неожиданно и основные средства затрачиваются на ликвидацию последствий. Сейчас объединенная команда ЛЭТИ и ИВиС практически работает по собственной инициативе с подключением бакалавров и магистров», — сказал исследователь.
Д.Б. Лопух добавил, что при разработке более масштабной установки ее конструкция будет отличаться от текущего варианта, так как устройство этой высокотехнологичной системы определяется множеством параметров. По оценкам ученого, в будущем результаты уже проведенных и планируемых исследований с использованием печи могут сыграть важную роль в прогнозировании извержений вулканов.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: Дмитрий Борисович Лопух / СПбГЭТУ «ЛЭТИ»