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

Фанни Фаталь Фанни Фаталь

«Когда кто-то на вас по-настоящему смотрит, вы забываете о камере»

Караван историй
Дмитрий Леонтьев: TANK 500 – 300 лошадей и странная реклама Дмитрий Леонтьев: TANK 500 – 300 лошадей и странная реклама

TANK 500: Бензиновый внедорожник, в котором, если порыться, можно найти гибрид

4x4 Club
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
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
Совы не то, чем кажутся: почему современное кино нельзя представить без Дэвида Линча Совы не то, чем кажутся: почему современное кино нельзя представить без Дэвида Линча

Как Линч стал одним из величайших режиссеров XX и XXI века

Forbes
Санкция на «церковную революцию» Санкция на «церковную революцию»

Как Ленину предлагали включить церковное движение в переустройство России

Дилетант
Под Землей есть две «горы», которые в 100 раз выше Эвереста! Интересные факты Под Землей есть две «горы», которые в 100 раз выше Эвереста! Интересные факты

Под поверхностью Земли, глубоко в недрах, скрыты гигантские «горы», пишут ученые

ТехИнсайдер
Узнайте о 3 типах хобби, которые помогут поддерживать психику здоровой! Совет экспертов Узнайте о 3 типах хобби, которые помогут поддерживать психику здоровой! Совет экспертов

Как подобрать хобби, которые сделают вас счастливее и здоровее

ТехИнсайдер
После вчерашнего После вчерашнего

10 приемов, помогающих избежать похмелья

Лиза
Стратегия успеха Стратегия успеха

Эффективные способы побороть застенчивость и стать увереннее в себе

Лиза
«Скромное обаяние позднесоветского интеллигента». Отрывок из книги о кино в СССР «Скромное обаяние позднесоветского интеллигента». Отрывок из книги о кино в СССР

Отрывок из книги антрополога Вадима Михайлина «Из глубины экрана»

СНОБ
5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией 5 женских поступков, которые мужчины считают пассивной агрессией

Замаскированная жесткость, которая причиняет мужчинам боль

Psychologies
Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога

Почему люди могут внезапно пропадать из круга нашего общения?

Psychologies
Маменькин престол Маменькин престол

Существовала ли в действительности папесса Иоанна?

Дилетант
Микроскопическая угроза Микроскопическая угроза

Ученые СПбГУ изучают сверхмелкий космический мусор

Санкт-Петербургский университет
Ветер с Востока Ветер с Востока

Принципы «Магической уборки» японской писательницы Мари Кондо

Лиза
Детский стресс повлиял на метилирование ДНК в сперматозоидах у взрослых мужчин Детский стресс повлиял на метилирование ДНК в сперматозоидах у взрослых мужчин

В сперме у мужчин с тяжелым детством уровень метилирования ДНК ниже

N+1
Ксерокс, термос и аспирин: 10 названий брендов, которые стали именами нарицательными Ксерокс, термос и аспирин: 10 названий брендов, которые стали именами нарицательными

Эскалатор, пинг-понг, фрисби — слова, которые раньше были названиями брендов

ТехИнсайдер
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
Британская жемчужина Британская жемчужина

О яхте Pearl 82 без пафосных слов

Y Magazine
Сети финансовой поддержки: как люди выручают друг друга в условиях кризиса Сети финансовой поддержки: как люди выручают друг друга в условиях кризиса

Как работает неформальная экономика во времена нестабильности

Forbes
Вытравливание буллинга Вытравливание буллинга

Что такое службы медиации и как они помогут справиться с травлей в школах

Ведомости
МХАТ и война: отрывок из книги Софьи Пилявской МХАТ и война: отрывок из книги Софьи Пилявской

Отрывок из переиздания книги Софьи Пилявской — «Грустная книга»

СНОБ
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
«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
Как победить прокрастинацию Как победить прокрастинацию

Не можете избавиться от привычки откладывать дела на потом?

ТехИнсайдер
«Смерть — единственная вещь, которая всех объединяет»: Никита Ефремов о буддизме, нейросетях и кризисе среднего возраста «Смерть — единственная вещь, которая всех объединяет»: Никита Ефремов о буддизме, нейросетях и кризисе среднего возраста

Актер Никита Ефремов — про буддистский взгляд на мир и работу в Голливуде

Psychologies
Ольга Хохлова: «Михалков зашел в гримерку, я так разволновалась, что кинулась ему на грудь и расцеловала...» Ольга Хохлова: «Михалков зашел в гримерку, я так разволновалась, что кинулась ему на грудь и расцеловала...»

Я учусь смиряться, принимать себя

Коллекция. Караван историй
Почему ваш голос звучит ужасно и как сделать его красивее: 6 шагов Почему ваш голос звучит ужасно и как сделать его красивее: 6 шагов

От чего зависит звучание нашего голоса и как можно эффективно его использовать

Psychologies
Книжные связи Книжные связи

Чтение снова в моде, а вместе с ним и читательские клубы

Afternoon Seasons of life
Открыть в приложении