Экспериментальная установка для изучения реакционной динамики
и кинетики процессов горения
Это самая большая и наиболее точная в мире
установка подобного типа.
В Самарском национальном исследовательском университете имени С.П.Королёва создана самая большая в мире экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения. Она поможет в разработке эффективных и экологичных двигателей и раскрытии тайн возникновения биохимических молекул – «кирпичиков», из которых состоят все известные формы жизни на Земле.
Установка разработана и собрана в международной научной лаборатории «Физика и химия горения» в рамках мегагранта правительства РФ «Разработка физически обоснованных моделей горения».
Возглавляет лабораторию профессор Международного университета Флориды (Майами, США) Александр Мебель.
В Самарском национальном исследовательском университете имени С.П.Королёва создана самая большая в мире экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения. Она поможет в разработке эффективных и экологичных двигателей и раскрытии тайн возникновения биохимических молекул-«кирпичиков», из которых состоят все известные формы жизни на Земле.
В Самарском национальном исследовательском университете имени С.П.Королёва создана самая большая в мире экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения.
Возглавляет лабораторию профессор Международного университета Флориды (Майами, США) Александр Мебель.
В Самарском национальном исследовательском университете имени С.П.Королёва создана самая большая в мире экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения. Она поможет в разработке эффективных и экологичных двигателей и раскрытии тайн возникновения биохимических молекул-«кирпичиков», из которых состоят все известные формы жизни на Земле.
В Самарском национальном исследовательском университете имени С.П.Королёва создана самая большая в мире экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения.
Александр Мебель
Руководитель международной научно-исследовательской лаборатории «Физика и химия горения» (НИЛ-101) в Самарском университете, профессор
Она поможет в разработке эффективных и экологичных двигателей и раскрытии тайн возникновения биохимических молекул-«кирпичиков», из которых состоят все известные формы жизни на Земле.
В Самарском университете завершены работы по созданию экспериментальной установки для изучения процессов горения. Сейчас идет калибровка оборудования, начата подготовка к проведению первых экспериментов.
В настоящее время это самая большая установка подобного типа в мире. Кроме самарской существует еще три установки, но они меньше по объему: две есть в США, в Гавайском университете и Национальной лаборатории имени Лоуренса
в Беркли, и одна в Китае, в Университете Хэфэя.
Наша установка обладает рядом уникальных особенностей
и с ее помощью можно будет исследовать и моделировать
не только процессы, происходящие в камерах сгорания газотурбинных двигателей, но и химические реакции, характерные для околозвездного пространства
и молекулярных облаков.
В настоящее время это самая большая установка подобного типа в мире. Кроме самарской существует еще три установки, но они меньше по объему: две есть в США, в Гавайском университете и Национальной лаборатории имени Лоуренса
в Беркли, и одна в Китае, в Университете Хэфэя.
Наша установка обладает рядом уникальных особенностей
и с ее помощью можно будет исследовать и моделировать
не только процессы, происходящие в камерах сгорания газотурбинных двигателей, но и химические реакции, характерные для околозвездного пространства
и молекулярных облаков.
Александр Мебель
В Самарском университете завершены работы по созданию экспериментальной установки для изучения процессов горения. Сейчас идет калибровка оборудования, начата подготовка к проведению первых экспериментов.
В настоящее время это самая большая установка подобного типа в мире. Кроме самарской существует еще три установки, но они меньше по объему: две есть в США, в Гавайском университете и Национальной лаборатории имени Лоуренса
в Беркли, и одна в Китае, в Университете Хэфэя.
Наша установка обладает рядом уникальных особенностей и с ее помощью можно будет исследовать и моделировать не только процессы, происходящие в камерах сгорания газотурбинных двигателей, но и химические реакции, характерные для околозвездного пространства и молекулярных облаков.
В настоящее время это самая большая установка подобного типа в мире. Кроме самарской существует еще три установки, но они меньше по объему: две есть в США, в Гавайском университете и Национальной лаборатории имени Лоуренса
в Беркли, и одна в Китае, в Университете Хэфэя.
Наша установка обладает рядом уникальных особенностей и с ее помощью можно будет исследовать и моделировать не только процессы, происходящие в камерах сгорания газотурбинных двигателей, но и химические реакции, характерные для околозвездного пространства и молекулярных облаков.
Александр
Мебель
Мебель
Разработка установки
велась с 2017 года
велась с 2017 года
На создание сверхвысокого вакуума, понадобилось
около трех суток
Самая большая по объему установка
в мире
в мире
Разработка установки велась с 2017 года. Для проекта были приобретены изготовленные в Японии специальные турбомолекулярные насосы, обеспечивающие сверхвысокий вакуум, и масс-спектрометр производства США.
Под компоненты установки и дополнительное оборудование в лаборатории выделен целый зал, хотя главная авансцена для экспериментов — вакуумная камера — размерами примерно метра два в длину и полтора в высоту. Вес камеры — полторы тонны, и чтобы поднять ее в лабораторию университета на третий этаж в свое время был задействован строительный кран.
Под компоненты установки и дополнительное оборудование в лаборатории выделен целый зал, хотя главная авансцена для экспериментов — вакуумная камера — размерами примерно метра два в длину и полтора в высоту. Вес камеры — полторы тонны, и чтобы поднять ее в лабораторию университета на третий этаж в свое время был задействован строительный кран.
Поскольку установка работает при сверхвысоких значениях вакуума — практически как в глубоком космосе, то, по словам сотрудников лаборатории, к ее сборке предъявлялись требования как для глубоководных или космических аппаратов — чтобы все соединения были абсолютно герметичны.
Чтобы создать сверхвысокий вакуум, насосам необходимо проработать около трех суток, поэтому она рассчитана на автономную круглосуточную работу.
Например, в насосах установлены «вечные» подшипники на магнитной подвеске, не знающие износа и не требующие смазки.
Чтобы создать сверхвысокий вакуум, насосам необходимо проработать около трех суток, поэтому она рассчитана на автономную круглосуточную работу.
Например, в насосах установлены «вечные» подшипники на магнитной подвеске, не знающие износа и не требующие смазки.
В случае если что-то пойдет не так, умное оборудование само сообщит ученым об этом в мессенджере.
Яков Медведков
Руководитель международной научно-исследовательской лаборатории «Физика и химия горения» (НИЛ-101) в Самарском университете, профессор
«Сердце» установки — высокотемпературный химический микрореактор в виде тоненькой трубки из карбида кремния, разработанный учеными Самарского университета и Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН). Карбид кремния крайне редко встречается в природе на Земле, но широко распространен в космосе в виде частиц «звездной пыли». Длина трубки — 20 см, внутренний диаметр — 1 мм.
Во время экспериментов в эту трубку поступает газовая смесь, содержащая инертный газ — гелий или аргон — и необходимые для изучаемой реакции реагенты. В разогретом микрореакторе происходит химическая реакция, продукты которой в виде молекулярного пучка попадают далее в сверхвысокий вакуум и ионизируются вакуумным ультрафиолетовым излучением, после чего масс-спектрометр, «поймав» получившиеся ионы, очень точно определяет массу, структуру и другие детали молекул, образовавшихся в результате химической реакции.
Во время экспериментов в эту трубку поступает газовая смесь, содержащая инертный газ — гелий или аргон — и необходимые для изучаемой реакции реагенты. В разогретом микрореакторе происходит химическая реакция, продукты которой в виде молекулярного пучка попадают далее в сверхвысокий вакуум и ионизируются вакуумным ультрафиолетовым излучением, после чего масс-спектрометр, «поймав» получившиеся ионы, очень точно определяет массу, структуру и другие детали молекул, образовавшихся в результате химической реакции.
Самая первая установка такого типа была создана в мире лет 15 назад, когда стали говорить о возможности использования фотоионизации для определения продуктов элементарных химических реакций. С каждой новой установкой набирается новый опыт, идет улучшение ее характеристик, поэтому установка в Самаре разрабатывалась с учетом опыта предыдущих.
И то, что это самая большая по объему установка такого типа
в мире, очень важно - размер в данном случае безусловно имеет значение, потому что благодаря большому объему значительно повышается избирательность и чувствительность определения продуктов реакций.
Поэтому можно будет составлять более точные модели процессов горения, которые позволят предсказывать,
в частности, как будет работать конкретный двигатель при конкретных условиях и что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива и уменьшить вредные выбросы.
И то, что это самая большая по объему установка такого типа
в мире, очень важно - размер в данном случае безусловно имеет значение, потому что благодаря большому объему значительно повышается избирательность и чувствительность определения продуктов реакций.
Поэтому можно будет составлять более точные модели процессов горения, которые позволят предсказывать,
в частности, как будет работать конкретный двигатель при конкретных условиях и что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива и уменьшить вредные выбросы.
Яков Медведков
Самая первая установка такого типа была создана в мире лет 15 назад, когда стали говорить о возможности использования фотоионизации для определения продуктов элементарных химических реакций. С каждой новой установкой набирается новый опыт, идет улучшение ее характеристик, поэтому установка в Самаре разрабатывалась с учетом опыта предыдущих.
И то, что это самая большая по объему установка такого типа в мире, очень важно - размер в данном случае безусловно имеет значение, потому что благодаря большому объему значительно повышается избирательность и чувствительность определения продуктов реакций.
Поэтому можно будет составлять более точные модели процессов горения, которые позволят предсказывать, в частности, как будет работать конкретный двигатель при конкретных условиях и что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива и уменьшить вредные выбросы.
И то, что это самая большая по объему установка такого типа в мире, очень важно - размер в данном случае безусловно имеет значение, потому что благодаря большому объему значительно повышается избирательность и чувствительность определения продуктов реакций.
Поэтому можно будет составлять более точные модели процессов горения, которые позволят предсказывать, в частности, как будет работать конкретный двигатель при конкретных условиях и что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива и уменьшить вредные выбросы.
Яков
Медведков
Медведков
По его словам, уникальность самарской установки еще и в том, что она позволяет измерять скорости химических реакций и создавать кинетические модели горения.
Цель нашей установки - не только определение спектра образующихся продуктов, но и измерение скоростей химических реакций, что необходимо для построения кинетических моделей горения.
То есть, мы будем понимать в какой момент, как быстро
и какие вещества появляются и расходуются.
И в этом действительно уникальность, потому что подобную установку именно для измерения химических реакций еще никто в мире пока не использовал.
То есть, мы будем понимать в какой момент, как быстро
и какие вещества появляются и расходуются.
И в этом действительно уникальность, потому что подобную установку именно для измерения химических реакций еще никто в мире пока не использовал.
Александр Мебель
Цель нашей установки - не только определение спектра образующихся продуктов, но и измерение скоростей химических реакций, что необходимо для построения кинетических моделей горения.
То есть, мы будем понимать в какой момент, как быстро и какие вещества появляются и расходуются.
И в этом действительно уникальность, потому что подобную установку именно для измерения химических реакций еще никто в мире пока не использовал.
То есть, мы будем понимать в какой момент, как быстро и какие вещества появляются и расходуются.
И в этом действительно уникальность, потому что подобную установку именно для измерения химических реакций еще никто в мире пока не использовал.
Александр
Мебель
Мебель
В перспективе установку можно будет легко модернизировать, что расширит диапазон проводимых экспериментов.
Наша установка сконструирована так, что на ее базе можно будет проводить эксперименты с несколькими молекулярными пучками. Когда мы делали установку, то еще на этапе чертежей предусмотрели возможности такой модернизации.
Сейчас в вакуумной камере предполагается один молекулярный пучок, но конструкция позволяет установить источник второго пучка.
Если проводить эксперименты со скрещенными пучками, когда летящие молекулы из разных пучков сталкиваются друг с другом, то можно исследовать химические реакции, происходящие не только в околозвездном пространстве, где высокие температуры, но и в молекулярных облаках, которые находятся далеко от звезд и где, соответственно, очень низкая температура.
Сейчас в вакуумной камере предполагается один молекулярный пучок, но конструкция позволяет установить источник второго пучка.
Если проводить эксперименты со скрещенными пучками, когда летящие молекулы из разных пучков сталкиваются друг с другом, то можно исследовать химические реакции, происходящие не только в околозвездном пространстве, где высокие температуры, но и в молекулярных облаках, которые находятся далеко от звезд и где, соответственно, очень низкая температура.
Александр Мебель
Наша установка сконструирована так, что на ее базе можно будет проводить эксперименты с несколькими молекулярными пучками. Когда мы делали установку, то еще на этапе чертежей предусмотрели возможности такой модернизации.
Сейчас в вакуумной камере предполагается один молекулярный пучок, но конструкция позволяет установить источник второго пучка.
Если проводить эксперименты со скрещенными пучками, когда летящие молекулы из разных пучков сталкиваются друг с другом, то можно исследовать химические реакции, происходящие не только в околозвездном пространстве, где высокие температуры, но и в молекулярных облаках, которые находятся далеко от звезд и где, соответственно, очень низкая температура.
Сейчас в вакуумной камере предполагается один молекулярный пучок, но конструкция позволяет установить источник второго пучка.
Если проводить эксперименты со скрещенными пучками, когда летящие молекулы из разных пучков сталкиваются друг с другом, то можно исследовать химические реакции, происходящие не только в околозвездном пространстве, где высокие температуры, но и в молекулярных облаках, которые находятся далеко от звезд и где, соответственно, очень низкая температура.
Александр
Мебель
Мебель
По мнению ученого, эти эксперименты позволят лучше понять химическую эволюцию Вселенной и, возможно, пути происхождения самой жизни — ведь, как доказано, многие биологически важные молекулы — такие, как аминокислоты — могут синтезироваться в космосе на поверхности звездных пылинок, образованных из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
На Земле ПАУ входят в число вредных загрязнителей и присутствуют в выхлопах любого двигателя на углеводородном топливе.
На Земле ПАУ входят в число вредных загрязнителей и присутствуют в выхлопах любого двигателя на углеводородном топливе.
Если мы сможем понять, как образуются ПАУ в космических условиях, как они переходят из газовой в твердую фазу
и образуют твердые пылинки, мы сможем лучше понять происхождение жизни во Вселенной.
и образуют твердые пылинки, мы сможем лучше понять происхождение жизни во Вселенной.
Александр Мебель
Если мы сможем понять, как образуются ПАУ в космических условиях, как они переходят из газовой в твердую фазу и образуют твердые пылинки, мы сможем лучше понять происхождение жизни во Вселенной.
Александр
Мебель
Мебель
Экспертные мнения
Евгений Александров
заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов СамГТУ, кандидат химических наукActress
Установка рождалась длительное время, так как при ее конструировании нужно было учесть множество нюансов. К примеру, в Самарской области не было ни специалистов по сверхвысокому вакууму, ни соответствующей научной школы. Благодаря энтузиазму создателей установки, их открытости всему новому и опоре на мировой опыт из амбициозной и талантливой молодежи был сформирован слаженный научный коллектив, способный реализовать весьма сложный
проект.
До недавнего времени для решения загадок вселенной требовались космические аппараты и средства наблюдения. Теперь у человечества появляются новые инструменты, такие как большой андронный коллайдер и квантовохимическое молекулярное моделирование. Установка Самарского университета встает в один ряд с этими инструментами. Изучение механизмов реакций с ее помощью не ограничивается процессами в пламени и космосе. С ее помощью можно изучать стабильность материалов, катализаторы (ускорители химических реакций), фотохимические процессы (например, фотосинтез) и даже геномный материал.
Те закономерности, механизмы и эффекты, которые открываются с помощью этой установки, дают России конкурентное преимущество в определенной области науки. Сегодня эти результаты публикуются в наиболее авторитетных в мире научных журналах, а завтра они войдут в вузовские и школьные учебники. Думаю, накопление таких фундаментальных знаний со временем приведет к качественному скачку в развитии всего человечества.
проект.
До недавнего времени для решения загадок вселенной требовались космические аппараты и средства наблюдения. Теперь у человечества появляются новые инструменты, такие как большой андронный коллайдер и квантовохимическое молекулярное моделирование. Установка Самарского университета встает в один ряд с этими инструментами. Изучение механизмов реакций с ее помощью не ограничивается процессами в пламени и космосе. С ее помощью можно изучать стабильность материалов, катализаторы (ускорители химических реакций), фотохимические процессы (например, фотосинтез) и даже геномный материал.
Те закономерности, механизмы и эффекты, которые открываются с помощью этой установки, дают России конкурентное преимущество в определенной области науки. Сегодня эти результаты публикуются в наиболее авторитетных в мире научных журналах, а завтра они войдут в вузовские и школьные учебники. Думаю, накопление таких фундаментальных знаний со временем приведет к качественному скачку в развитии всего человечества.
Иван Антонов
старший научный сотрудник лаборатории физико-химической кинетики Самарского филиала ФИАН, кандидат физико-математических наук
Новая установка, созданная на базе Самарского университета, действительно уникальна по многим параметрам. Это пока первая в России установка подобного типа. Основное преимущество данного экспериментального метода - возможность сталкивать между собой молекулы нужного типа, а также в широких пределах и с большой точностью варьировать энергию их столкновения, а затем детектировать молекулы, образующиеся в результате реакции.
Этот метод позволяет определять не только тип молекул продуктов реакции, но и их внутреннюю и кинетическую энергию, а также направление разлета после столкновения. Таким образом, можно получать детальную информацию о динамике элементарных химических реакций и процессов энергообмена в различных системах, таких как двигатели внутреннего сгорания, атмосфера Земли и других планет, межзвездная среда и т.д.
Получаемые результаты также будут важны для фундаментального понимания динамики химических реакций и разработки теоретических моделей для различных систем. Работа на такой установке дает уникальную возможность для роста молодых ученых Самарского университета путем изучения новейших экспериментальных методов, работы со специалистами мирового уровня и публикации высоко цитируемых статей в мировых научных журналах. Это может послужить хорошим стартом для научной карьеры будущих академиков и нобелевских лауреатов.
Этот метод позволяет определять не только тип молекул продуктов реакции, но и их внутреннюю и кинетическую энергию, а также направление разлета после столкновения. Таким образом, можно получать детальную информацию о динамике элементарных химических реакций и процессов энергообмена в различных системах, таких как двигатели внутреннего сгорания, атмосфера Земли и других планет, межзвездная среда и т.д.
Получаемые результаты также будут важны для фундаментального понимания динамики химических реакций и разработки теоретических моделей для различных систем. Работа на такой установке дает уникальную возможность для роста молодых ученых Самарского университета путем изучения новейших экспериментальных методов, работы со специалистами мирового уровня и публикации высоко цитируемых статей в мировых научных журналах. Это может послужить хорошим стартом для научной карьеры будущих академиков и нобелевских лауреатов.
Николай Смирнов
заведующий лабораторией волновых процессов, заместитель декана механико-математического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор, доктор физико-математических наук, председатель Российской секции «Международного института горения», академик Международной академии астронавтики
В Самарском национальном исследовательском университете имени С.П. Королева создана самая большая в мире экспериментальная установка для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения в широком диапазоне давлений, включая высоковакуумные эксперименты.
Она поможет в изучении детальной кинетики химических реакций горения, используемой при вычислительном моделировании в задачах разработки эффективных и экологичных двигателей.
Процессы формирования звезд и туманностей из межзвездной среды начинаются со столкновений и взаимодействий молекулярных облаков, плотность материи в которых очень мала и составляет 10²²г·см³. Плотность же межзвездной среды примерно в 1000 раз меньше - 10-²⁵г·см-³.
А при столкновениях таких облаков плотность может в отдельных местах повыситься до 10-²º г·см-³, что уже характеризует возможность начала гравитационного собирания массы и формирования туманностей и звезд. Конечно, эти процессы сильно растянуты во времени и пространстве, но возможность изучать молекулярные взаимодействия в условиях высокого вакуума имеет большой исследовательский потенциал.
Она поможет в изучении детальной кинетики химических реакций горения, используемой при вычислительном моделировании в задачах разработки эффективных и экологичных двигателей.
Процессы формирования звезд и туманностей из межзвездной среды начинаются со столкновений и взаимодействий молекулярных облаков, плотность материи в которых очень мала и составляет 10²²г·см³. Плотность же межзвездной среды примерно в 1000 раз меньше - 10-²⁵г·см-³.
А при столкновениях таких облаков плотность может в отдельных местах повыситься до 10-²º г·см-³, что уже характеризует возможность начала гравитационного собирания массы и формирования туманностей и звезд. Конечно, эти процессы сильно растянуты во времени и пространстве, но возможность изучать молекулярные взаимодействия в условиях высокого вакуума имеет большой исследовательский потенциал.
Молекулярное облако
— тип межзвёздного облака, чья плотность и размер позволяют в нем образовываться молекулам, обычно водорода.
В молекулярном облаке могут рождаться звезды и поэтому его иногда также называют «звездной колыбелью».
В молекулярном облаке могут рождаться звезды и поэтому его иногда также называют «звездной колыбелью».
Карбид кремния
— химическое соединение кремния с углеродом. Крайне редко встречается на Земле,
но широко распространен
в космосе. Особенно много его
в пылевых облаках («звездная пыль») вокруг богатых углеродом звезд,
а также в первозданных метеоритах.
но широко распространен
в космосе. Особенно много его
в пылевых облаках («звездная пыль») вокруг богатых углеродом звезд,
а также в первозданных метеоритах.
