В июле 1999 года приобрела государственный статус американская "Национальная метан-гидратная план-программа исследований и развития". Это означает, что в мире появилась еще одна государственная программа, ориентированная на использование метана в качестве энергетического топлива.
Метановые гидраты это -- льдоподобные образования из воды и метана. Молекулы замерзшей воды образуют полости, которые заполняются метаном. Давления в десятки--сотни атмосфер и температурные условия, например, нашего приполярья, приводят к образованию этих кристаллогидратов. В России эти месторождения известны в северных водах, Охотском море, Якутии, на дне озера Байкал, в Черном море и многих других местах.
После выдающегося открытия природных залежей метангидратов, сделанного в Якутии в 70-тых годах Ю.Макагоном, А.Трофимуком, Н.Черским и др., в мире были разверныты широкие поисковые работы, позволившие обнаружить практически неисчислимые запасы метангидратов. По самой осторожной оценке, количество метана соизмеримо с количеством существующего в атмосфере кислорода. Возможно, человек нашел гораздо более чистое топливо, в сравнении, например, с углем. Сжигание угля, как известно, трудоемко и порождает ряд проблем, например, кислотные дожди. В настоящее время, за рубежом начали переход к преимущественному производству электроэнергии из природных газов. Сжигание газа в тубинах позволяет создавать легко адаптируемые и компактные схемы для выработки электроэнергии. Эти схемы успешно конкурируют с существующими, вызывая реструктуризацию электропроизводящей индустрии. В недалеком будущем угольная энергетика, по прогнозам американцев, останется в таких станах, как Индия или Китай.
Газ, добываемый в России, в настоящее время сравнительно доступен и недорог. Болшие запасы природного газа, видимо, позволяют нашей стране сделать переход на более широкое использование турбинного сжигания газа. Но газовое благоденствие может растянуться только на несколько десятков лет. Что же дальше? Вспомним опять про метан из газовых гидратов.
Сейчас как раз пора задуматься о создании безопасных технологий добычи метана из природных залежей. Проблема здесь в следующем -- если пробурить скважину, то произойдет уменьшение давления в пласте кристаллогидрата, и сложившееся за многие годы равновесие нарушится -- начнется выделение метана. Кажется, что задача решена. Однако, опасность начинает расти вместе с ростом объема дегазированного кристаллогидрата. Он становится неустойчивым, говорят -- метастабильным. Переход в стабильное состояние приводит к выделению энергии, достаточной для значительных преобразований в рельефе местности. Кроме порчи оборудования и гибели людей, подобные катастрофы приводят к выбросам метана в атмосферу, что увеличивает содержание парниковых газов в атмосфере. "Эффективность" метана в парниковом эффекте практически в 20 раз выше, чем у углекислого газа. И понятно, что знание безопасной границы метастабильных состояний метангидратов, т.е. состояний метангидратов, не приводящих к взрывной релаксации, имеет экономическую и экологическую составляющие.
Экспериментальных исследований частоты образования газовых пузырьков в твердом теле, необходимых для решения этой задачи, еще нигде в мире не проводили. Точнее сказать, проводили и назвали эту науку сопроматом, т.е. теорией прочности материалов и конструкций. Но эта теория рассматривает процессы с относительно низкой частотой образования газовых зародышей (зародышей микротрещин), тогда как в нашей задаче нужно знать взрывное поведение при разложении газогидрата на воду и газообразный метан. Последнее напоминает известное химикам вскипание перегретой жидкости в колбе при перегонке, а в нашем случае нужно наблюдать и количественно измерять "вскипание" (лавинное газовыделение) в метастабильных кристаллогидратах. Теория этих явлений имеет ряд принципиальных ограничений, не позволяющих делать количественные предсказания скоростей нуклеации.
Эта работа очень упростится, если применить предложенный и развитый в нашей лаборатории полуэмпирический подход к построению поверхностей скорости нуклеации. Основная идея проста до примитивности: поверхности частот образования зародышей новой фазы "растут" из линий равновесия, изображенных на диаграммах фазового равновесия. Диаграммы фазовых равновесий для метангидратных систем получают, например, в Институте неорганической химии СО РАН, в лаборатории, руководимой доктором химических наук Юрием Алексеевичем Дядиным и в нескольких других лабораториях мира. На базе этих диаграмм уже сейчас можно начать построения и анализ топологии поверхностей частот образования и разложения метангидратов. Правильное положение поверхностей частот нуклеации можно получить, измеряя экспериментально некоторое (небольшое) количество экспериментальных точек для частот нуклеации. Большую помощь в этой работе окажет обобщенный метод построения различных проекций фазовых диаграмм, основанный на применении теории графов, созданный Косяковым Виктором Ивановичем -- доктором химических наук из ИНХа СО РАН. Для экспериментов нужно создать экспериментальные устройства, не имеющие прямых аналогов.
У нас есть понимание, что нужно сделать. И все это нужно создавать в современных экономических условиях, когда практически нет права на реализацию ошибочных схем, влекущих безрезультатные затраты. В рамках борьбы научных направлений, к сожалению, еще имеется возможность невнятно представить результаты нетитульного для института направления или отразить вклад лаборатории только в списке научных публикаций института. Наша лаборатория поэтому не получила достаточной известности в Сибирском отделении РАН и не могла рассчитывать на сколько-нибудь значимое увеличение бюджетного финансировавния, даже для выполнения исследований в такой ключевой проблеме, как нуклеация в газовых гидратах. Мы надеемся, что после недавнего перехода лаборатории в Институт катализа имени Г.К.Борескова в оценке работы лаборатории произойдут изменения в лучшую сторону. Лаборатория уже сейчас чувствует нефомальный интерес и поддержку академиков В.Пармона и Н.Добрецова.
Отметим, что наши работы по нуклеации пересыщенных паров оказывают заметное влияние на общее развитие нуклеационных исследований в мире. Автор данных строк был приглашен в состав редколлегии международных журналов Journal of Aerosol Science, с 1986 года, и в Aerosol Science and Technology, с 1999 года. В мае 1998 года этому же автору выпала честь быть приглашенным на заседание Департамента энергетики США в качестве эксперта по нуклеации для обсуждения проблемы кинетики образования газообразного метана при разложении метангидратов. В лаборатории есть лауреат государственной стипендии и соросовские стипендиаты. Лаборатория ежегодно получает гранты РФФИ. Все это является непрямым свидетельством существования в лаборатории потенциала для количественного исследования скоростей образования зародышей газовой фазы при разложения метангидратов в сроки не позже, чем это сделают другие исследователи мира, что позволит дать точные исходные данные для создания безопасной технологии добычи метана из газогидратных залежей.
Вернемся к цифрам, которые обозначены в упомянутой выше национальной программе по газовым гидратам. В программе отмечается, что в период с 1982 по 1992 годы общая стоимость академических исследований и исследований в промышленности составляла не более 8 миллионов американских долларов. Для сравнения, в Японии пятилетняя программа имела более 50 миллионов долларов, т.е. более 10 миллионов в год. Принятая программа предполагает увеличить расходы на метангидратную проблему до 5 млн долларов в 1999 году, до 11 млн в 2001 и 12 миллионов в 2003 году. Общее финансирование метангидратной программы на десятилетний период планируется в объеме 150--200 миллионов долларов! Как видит читатель, эти цифры даже превышают аналогичные расходы в Японии. Принятый план дает надежду на успешное создание технологии для безопасного извлечения метана из природных залежей метангидратов. Однако план исследований имеет один принципиальный для России недостаток: он принят не в России, а в США...
Опыт совместных научных работ нашей лаборатории с американскими исследователями дает надежду на совместные исследования по этой проблеме. По понятным причинам, на этапе создания технологии, наши пути должны разойтись. В другом случае знания по этой проблеме останутся "вещью в себе" для России. Значимость данной проблемы для любого государства соизмерима, пожалуй, со значимостью, которая была в свое время у атомной проблемы. Государство, не владеющее эффективной технологией добычи метана из газогидратных слоев, будет иметь печальное будущее, вне зависимости от уровня его современного благополучия. Зависимость от уровня потребления энергии можно проиллюстрировать данными департамента энергетики США, где указывается, что после Иранской революции, повлекшей скачок цен на сырую нефть более чем на 50%, последовало падение реального валового дохода США на 7%.
Без развития национальных исследований метангидратов Россия рискует повторить известный сценарий, когда идея российского происхождения возвращается из-за рубежа за твердую валюту (если эта технология не будет закрыта для продажи). К сожалению, вероятность повторения названного выше сценария сейчас только увеличивается -- некоторые авторы открытия газовых гидратов уже ушли в мир иной, другие заняты поиском хлеба насущного. Например, профессор Юрий Макагон -- один из новосибирских авторов открытия, сегодня работает в Техасе и ожидает своей востребованности.
В настоящее время в СО РАН существует достаточное количество разносторонних специалистов (в математике, физхимии, газовой динамике, геологии, механике и т.д.), способных в короткий срок и относительно дешево провести все исследования и создать необходимую технологию. Нет нужды говорить, что должным образом запатентованная технология может быть дорогим товаром на рынке технологий. Было бы разумно в ряду уже существующих очень важных научных программ, поддерживаемых Президиумом СО РАН, создать мощную интеграционную программу Сибирского отделения для исследования метангидратов. Будущее России неизбежно будет зависеть от успехов Государственной программы России по газовым гидратам. Сибирское отделение РАН имеет шанс инициировать эту программу.
М.Анисимов, доктор физико-математических наук,
зав. лабораторией
аэрозольной нуклеации
Института катализа СО РАН.