Российские учёные совершили открытие нового физического явления, которое позволит повысить эффективность управления межконтинентальными баллистическими ракетами, построить космические корабли, способные летать в экстремальных условиях далёкого космоса и создать автономные ядерные энергетические установки для работы в труднодоступной местности, например, в Арктике. По мнению ряда экспертов, практические результаты научного исследования настолько впечатляют, что оно вполне достойно получить статус «открытия года».
Не секрет, что сегодня большинство учёных во всех странах мира занимаются, прежде всего, проектами, направленными на повышение эффективности тех или иных процессов. Настоящие прорывные открытия в полном смысле этого слова происходят не слишком часто. Одно из них в конце прошлого года совершила группа профессоров из Санкт-Петербургского горного университета и Физико-Энергетического института (Обнинск).
Название их совместной работы, которая продолжалась с 2010 года, вряд ли что-то скажет неспециалисту. Она была посвящена «фазовому превращению аморфного мелкодисперсного углерода в двумерную графеноподобную структуру, интеркалированную цезием, в среде низкотемпературной газоразрядной цезиевой плазмы». Но для тех, кто понимает, о чём идёт речь, завершение изысканий в данной области означает настоящий научный прорыв. В том числе и для военных.
Например, благодаря своему открытию, отечественные учёные первые в мире решили проблему «термоэмиссионной тепловой защиты гиперзвуковых летательных аппаратов за счёт снижения температуры теплонапряжённых элементов на тысячу градусов». К числу таких аппаратов, как известно, относятся и межконтинентальные ракеты класса «земля-земля».
Они летят на высоте нескольких десятков километров со скоростью до 8 километров в секунду. В таких условиях носовая часть и крылья нагреваются до нескольких тысяч градусов, из-за чего на них образуется плёнка плазмы, которая выступает в роли электромагнитного экрана и искажает радиосигналы. Операторы теряют возможность управлять ракетой, в том числе на траектории спуска, что ведёт к отклонению от цели. Военные во всех странах мира сегодня тратят огромные средства на исследования, которые позволили бы исключить появление плазмы, но первым этого удалось добиться именно российским учёным.
Естественно, их открытие может быть использовано в самых разных сферах, а не только в военной. Например, с его помощью полёты в глубокий космос станут более безопасными и менее затратными. Ведь новый класс приборов плазменной энергетики, созданный под руководством петербургских и обнинских профессоров, способен работать в экстремальных условиях более эффективно. То есть электроника звездолёта будет гораздо лучше защищена от негативных воздействий высоких температур при старте и входе в плотные слои атмосферы, радиационных потоков в безвоздушном пространстве и прочих негативных воздействий.
Ещё одна область применения – автономная ядерная энергетическая установка прямого преобразования тепловой энергии в электричество. Образно говоря, это небольшая АЭС «на колёсах», которая может использоваться в труднодоступных районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, куда проблематично тянуть линии электропередач. По мнению авторов проекта, «водяной реактор бассейнового типа с термоэмиссионным преобразователем позволит существенно увеличить показатели надёжности и безопасности станции по сравнению с корпусными конструкциями».
Кстати, аналогичная установка может обеспечить электро- и теплоснабжение морских газо- и нефтедобывающих платформ. Она будет размещена в воде и интегрирована в состав энергетического и технологического оборудования. Такая схема позволит уменьшить долю углеводородов, применяемых для самообеспечения добычи и перекачки сырья и, тем самым, увеличить, экспортный потенциал месторождения. Впервые реализовать эту идею на практике планируется при разработке Штокмановского месторождения, которая, впрочем, пока приостановлена.
«Научная значимость открытия заключается в установлении физического механизма превращения аморфного мелкодисперсного углерода на металлической подложке в кристаллическую графеноподобную структуру после воздействия активационного процесса с газоразрядной цезиевой низкотемпературной плазмой, содержащей КВС цезия. И, тем самым, управляемого получения аномально низких значений работы выхода электронов вплоть до отсутствия плазмы. Наше исследование уже получило положительное заключение экспертов ФТИ имени Иоффе, в декабре прошлого года нам вручили Международные дипломы на открытие, а Горному университету – почётное свидетельство, подтверждающее, что это открытие сделано именно в петербургском вузе», - пояснил доктор физико-математических наук, профессор Санкт-Петербургского горного университета Александр Мустафаев.
Работы этого учёного печатают самые престижные российские и зарубежные научные журналы, он автор более 500 методических трудов, обладатель 12 патентов, а теперь - ещё и одного открытия. За цикл особо важных трудов по космической ядерной энергетике и плазменным нанотехнологиям он удостоен шести премий Президиума РАН. Является экспертом РОСАТОМА, ряда крупных компаний и университетов, членом Американского физического общества. Его приглашают для чтения лекций ведущие высшие учебные заведения Франции, Германии, Англии и других стран.
С 2010 года Александр Мустафаев руководит совместной с Принстонским университетом (США) международной научной программой по энергетике и плазменным технологиям. При этом, его американским коллегам пока не удалось продвинуться в разработке методов диагностики плазмы так далеко, как россиянам.
«Современные технологии обработки плазмы основаны на очень точном контроле функций распределения скоростей ионов и электронов для изготовления наноструктур. Техники измерения этих показателей в различных средах профессора Мустафаева уникальны и, по сути, не задействованы в США», - отметил ведущий научный сотрудник лаборатории физики плазмы Принстонского университета Игорь Каганович.
Этот вуз, расположенный в штате Нью-Джерси, занимает тринадцатое место в глобальном рейтинге одного из наиболее авторитетных агентств QS (Великобритания), а по версии Times Higher Education и вовсе признан седьмым в мире после Оксфорда, Кембриджа, Стэнфорда, Калифорнийского технического института, Массачусктса и Гарварда. В числе тех, кто финансирует исследования учёных этого университета, - Министерство энергетики Соединённых Штатов.
«Научные достижения, ежегодно демонстрируемые Санкт-Петербургским горным университетом на международных форумах Американского Физического общества по плазменной энергетике, за девять лет существования совместной научной программы с Принстонским университетом, по праву ставят этот вуз в один ряд с международно-признанными научно-образовательными центрами», - прокомментировал успех российских учёных экс-вице-директор Министерства по научной работе профессор Марк Кёпке.
По мнению Александра Мустафаева, внедрить новую технологию на практике первыми могут металлурги. Ведь фундаментальное научное положение, установленное российскими учёными, позволяет создать новые перспективные производственные цепочки получения алюминиевых и силиконовых сплавов. Работа над ними уже началась, в ней принимают участие ряд крупных частных компаний, а также Министерство промышленности и торговли РФ.
