«Наука в Сибири» № 6 (2591) 8 февраля 2007 г. ТЕПЛООБМЕН В Институте теплофизики СО РАН произошло неординарное событие. На заседании ученого совета доктор физико-математических наук Олег КАБОВ представил доклад о работе международной лаборатории теплообмена. Официальный статус новая структура получила в 2005 году, о чем свидетельствует соглашение, подписанное ректором университета Бельгии проф. П. де Маре и директором Института теплофизики чл.-корр. РАН С. Алексеенко. Международная лаборатория официально прописана здесь, в Новосибирске, в Академгородке, и там — в Брюсселе. Галина Шпак Раньше наши физики по собственной инициативе просто сотрудничали со своими иностранными коллегами в интересах науки. Напомним, что три года назад в «НВС» был опубликован очерк «Рельеф» и «Альфа» (МКС), в котором, в частности, рассказывалось о физических экспериментах в условиях микрогравитации, проведенных на борту самолета — летающей лаборатории. Работа международной лаборатории подтверждает реальность нового этапа в развитии интернационального сотрудничества, организации научных исследований. В последнее время появился даже термин «глобальная наука». Если специалисты изучают и спорят, к чему приведет всемирная глобализация, а люди во многих странах бунтуют против такой «кровожадной» экономики, то в науке скорее почитают за благо подобный процесс, потому что здесь его содержание все-таки другое. И от экономики, разумеется, не откреститься, когда речь идет о финансировании научных исследований, не говоря уже о глобальных научных проектах. К слову, мировое сообщество физиков-ядерщиков давно сообразило, в чем суть аккумуляции интеллекта и денег. Неизбежность «странного мира» подталкивает физиков сооружать гигантские ускорительные комплексы. В наше время не построить сепаратно, например, комплекс, подобный европейскому в ЦЕРНе (Швейцария). И эксперименты в космосе на борту Международной космической станции (МКС), которая первоначально, в проекте, называлась «Альфа», тоже носят глобальный характер. Во всяком случае, эксперименты, связанные с теплообменом. Для решения научно-технических проблем в данной области физики и создана международная лаборатория. По словам Олега Кабова, многолетнее сотрудничество настолько разрослось, что потребовалась некая упорядоченная структура, поэтому и решено было собрать «критическую массу» исследователей, идей и оборудования. Научная программа расписана по конкретным задачам. В числе основных — создание интенсивного конденсатора пара для земных и космических применений и системы охлаждения электронных компонентов на принципе испарения тонкой пленки. Чтобы сделать такие новые приборы, необходимо понимание фундаментальных процессов, происходящих в неоднородно нагретых пленках жидкости с фазовыми переходами (испарение и конденсация): как происходит формирование структурирующихся-самоорганизующихся течений жидкости? Разумеется, использование результатов исследований не ограничивается созданием малогабаритного конденсатора пара и эффективной системы охлаждения. Разговор в знакомом кабинете Казалось, ничего не изменилось за три года в знакомом кабинете. Олег Александрович занял свое место у компьютера, а я — рядом: для разговора не помешает видеоряд. Листая компьютерные страницы, мой собеседник показал снимок Брюссельского университета и напомнил, как в 1996 году впервые встретился с руководителем Центра по микрогравитации профессором Жан-Клодом Легро, о котором рассказывалось в очерке «Рельеф» и «Альфа». Не могу не упомянуть, что профессор Легро — ученик знаменитого бельгийского ученого Ильи Пригожина (1917-2003), Нобелевского лауреата по химии 1977 г. (родился в Москве). И, конечно, у меня разыгралась фантазия по поводу самоорганизующихся структур, когда Олег Александрович сообщил мне, что он и его сотрудники часто бывают в комнатах, где работал Илья Романович Пригожин. — Первая наша встреча состоялась в Институте гидродинамики в лаборатории Владислава Васильевича Пухначева. А сблизили исследователей любопытные эксперименты в Институте теплофизики и открытие ранее неизвестного явления в физике двухфазных потоков — эффекта возникновения регулярных структур при локальном нагреве стекающих пленок жидкости. Новое явление в физике жидкости получило серьезный международный резонанс. Суть эксперимента, казалось бы, проста: когда мы начинаем локально нагревать стекающую пленку жидкости, термокапиллярные силы создают сопротивление для ее движения. В результате возникает вал жидкости вблизи кромки нагревательного элемента. Но самое интересное, что при определенных тепловых потоках или числах Марангони, как называют физики, этот вал теряет устойчивость и возникает очень красивая структура, представляющая собой продольные волны на пленке жидкости — чередование валов жидкости с тонкой пленкой между ними с определенной длиной волны. За прошедшие годы мы провели полномасштабные исследования уникального явления. И сама по себе наша лаборатория, теперь уже международная, развивается очень динамично. Работаем быстро и качественно. Кроме того, занимаемся подготовкой аспирантов, их стажировкой, консультируем при выполнении диссертаций. Рассказывая о работе с научной молодежью, О. Кабов назвал имена своих иностранных аспирантов, недавно защитившихся на звание докторов философии, что соответствует званию кандидата физико-математических наук, принятому в России. Одна диссертация инициирована результатами исследований в Институте теплофизики и связана с изучением неустойчивости стекающих пленок жидкости и влияния термокапиллярного эффекта на неустойчивость. Другая работа — научно-методическая, конкретно направленная на подготовку экспериментов на Международной космической станции, включающих теоретические и численные исследования, а также наземные эксперименты в условиях микрогравитации. На борту летающей лаборатории. Слева направо — И. Марчук, Патрик Квиккерс, О. Кабов и А. Глущук. — Наши сотрудники быстро становятся высококвалифицированными специалистами, — сказал О. Кабов. — В 2005 году защитилась Елизавета Гатапова, а недавно — мой бывший аспирант Дмитрий Зайцев. Посмотрите, — Олег Александрович открыл знакомую картинку, — вот полет, совершенный три недели назад, самый последний эксперимент в районе Бордо на том же самом самолете и с тем же стендом, но модернизированным. Узнаете? Игорь Марчук, к.ф.-м.н. Он летает постоянно. Рядом — студент НГУ Андрей Глущук. В нашей команде и аспирант Юрий Люлин, выпускник НГУ. Он и в институте завершил успешно свои дела, и успел слетать в «космос» на летающей лаборатории в 2005 году. А инженер нашей лаборатории Сергей Чиков уже дважды был в Бордо и помогал нам в подготовке полетов. Руководил полетами, как всегда, Владимир Плетсер, который, кстати, неплохо говорит по-русски. — Интересно, как вы работаете вместе на расстоянии — здесь и там? — Сотрудники получают специальную финансовую поддержку от Европейского космического агентства и других организаций, таких, например, как известный фонд ИНТАС. Физики приезжают на определенное время. Плюс к тому, мы работаем с коллегами Центра по микрогравитации, постоянно вовлеченными в наши общие проекты. Отмечу, что международная лаборатория создана как хозрасчетная. Деньги, необходимые для исследований, мы должны сами заработать. Участвуя в крупных проектах, мы таким образом самофинансируемся. Поэтому в международной лаборатории работают сотрудники Института теплофизики и Свободного университета Брюсселя, имеющие постоянные позиции, т.е. получающие зарплату. Еще одна деталь — мы можем приглашать специалистов на те деньги, которые зарабатываем по проектам. Мы и объединились для усиления наших исследовательских групп, чтобы в конкурсах выигрывать крупные интересные проекты европейского масштаба. — В Европе действуют только по конкурсу? — Только так. Это в какой-то степени интересно. Есть элемент соревнования, как в спорте: победил — взял новую высоту. — С какими бы соревнованиями вы сравнили победу в научных конкурсах Европейского космического агентства? — Что-то близкое к чемпионату мира или Олимпийским играм. Очень высокий уровень организации научных исследований. Территориально штаб-квартира агентства находится в Париже. А его сердце, научно-технический центр, расположен в Голландии, в городе Нордвейк на берегу Северного моря. Там работает примерно пять-шесть тысяч сотрудников. Городок открытый, никаких секретов нет. Мы там бывали на конференциях, и семинары обычно проводятся несколько раз в году. И главное, чувствуется хорошее отношение к сотрудничеству с Россией. Мы, например, буквально через год после официального создания нашей лаборатории провели в Брюсселе первое крупное мероприятие — международный семинар «Двухфазные системы наземного и космического базирования», который финансировался Европейским космическим агентством, чтобы и другие исследователи России, вовлеченные в данную отрасль науки, смогли участвовать в семинаре, выступить с докладами. Наряду со всей Европой и Японией, Россия была очень хорошо представлена. — Что же нового отмечается в теплообмене, в исследованиях этого процесса? — Например, эксперименты исследователей из Дармштадта (ФРГ), направленные на создание теории кипения. — Разве такой теории нет? — Законченной пока нет. Существует много моделей. Под пузырьком, который возникает при кипении, на поверхности происходят очень сложные процессы. И, как ни странно, такие процессы трудно поддаются математическому описанию. Парадокс? Мы умеем очень точно рассчитать конструкцию самолетов, мостов, зданий, другие сложнейшие расчеты делать — летаем же в космос, а рассчитать процесс кипения математики до сих пор еще не могут! Эти процессы, во-первых, происходят на трехфазной границе — твердого тела, пара и жидкости, на границе контактной линии. Подобные эксперименты находятся в центре исследований в теплофизике. И, во-вторых, некоторые процессы при кипении происходят на микроуровне с характерными размерами меньше микрометра, т.е. на уровне нанометров. Новое направление научных исследований — микро- и наносистемы — очень быстро развивается, но пока еще не созданы математические модели. Другой класс результатов, который бы я отметил, связан с исследованиями в мини- и микроканалах. Часть из них проводится во Франции, в Марселе. Эта проблема была поставлена академиком Владимиром Елиферьевичем Накоряковым перед нашей молодой лабораторией еще в конце восьмидесятых. Мы активно этим занимаемся и нашли свое место в международном разделении труда. «САФИР» и лаборатория, заключенная в чип Развивая свою мысль, О. Кабов пояснил, что речь идет об исследованиях в микроканалах порядка 100 микрометров. — Сейчас установлено, что теплообменные аппараты, использующие такие микроповерхности, дают высокую интенсивность теплообмена и могут использоваться в различных отраслях техники. В первую очередь, происходит миниатюризация в энергетических системах. Особенно сильно это проявляется в химических технологиях, в фармацевтической, пищевой промышленности. Там, где раньше работали огромные аппараты, химические реакторы, в которых происходят массо- и теплообменные процессы с характерными размерами каналов 20-30 мм, начинают применяться компактные, в сто и даже в тысячу раз меньшие теплообменные устройствами. Происходит миниатюризация медицинских систем, например, контроля состояния здоровья человека, быстрого анализа крови. Очень важно проводить химический анализ различных объектов в реальном времени, допустим, воздуха, следов с багажа пассажиров в аэропорту. Все это требует новых знаний, нужны «lab on chip» — мобильные приборы, «лаборатории, помещенные в чип». — Что-нибудь существенное уже сделано? — Конечно, особенно в США. Там выделяются колоссальные средства на развитие микро- и минитехники. Допустим, создаются холодильные машины размером буквально в несколько десятков миллиметров. Словом, происходит глобальная миниатюризация во всех сферах производства. Любая вещь становится легче, компактнее. Яркий пример — переносные компьютеры, обладающие возможностью персональных машин и рабочих станций. — А замах — от записной электронной книжки до космоса! — Отталкиваясь от нашего международного семинара, скажу, что Европейское космическое агентство ставит своей задачей создать международную группу — «Topical Team» — для решения крупных научных проблем, чтобы по одиночке не изобретать велосипед, как говорится. В Европе очень хорошо используется международное сотрудничество и, тем самым, часто исключается дублирование научных исследований, экономятся средства на проведение экспериментов. И в то же время при обсуждении идеи или новой научной информации автоматически существует критический взгляд на перспективность проблемы и результаты. — И в Сибирском отделении придерживаются подобных принципов. — Так оно и есть. Но если мы говорим о крупных проектах, в Агентстве действует только принцип международного сотрудничества. — А что же произошло с космическим проектом «Рельеф», в котором вы участвуете? — Ситуация такая: три года назад этот проект только обсуждался, а сейчас можно сказать, что он принят и существенно расширен. Его название изменилось по инициативе Европейского космического агентства. Теперь это интегрированный космический проект «САФИР» — «Single fin condensation: Film local measurements». Политика Агентства такова: космос должен использоваться не только для космоса, но и для Земли, и это самое главное. Отмечу, и об этом рассказывалось на первом нашем международном семинаре, мы в 2005 году провели эксперимент по микрогравитации и получили пленку жидкости, движущуюся по нагреваемой поверхности, и это можно увидеть. Пленка жидкости в условиях микрогравитации. Результат параболических полетов Европейского космического агентства. Показывая картинку, Олег Александрович пояснял, как ведет себя пленка в условиях микрогравитации. — Видите, какое изображение? Здесь очень много волн. Общий вывод, по нашему мнению, такой, что пленки в условиях микрогравитации ведут себя по-другому, не так, как на Земле. И это связано с отсутствием гравитации, давления, которое их прижимает в земных условиях. В целом, на мой взгляд, пленочные процессы очень перспективны для космической теплоэнергетики и теплотехники. Пленки жидкости при очень малой массе могут создавать большие поверхности, и в них можно осуществлять высокоэффективные процессы массо- и теплообмена. Это идеальный способ организации тепло- и массообмена в условиях космического полета, когда за каждый грамм веса нужно платить большие деньги. — Вроде уже существуют проекты полетов на тот же Марс. Деньги деньгами, а каким образом будут получать энергию и тепло? — Так же, как на Земле — замкнутый контур. В одной части будет происходить кипение и производство пара, а в другой — конденсация. По принципу ТЭС, но с особенностями. Оборудование тепловых электростанций — крупногабаритное. Объем и масса настолько велики, что даже по железной дороге, например, конденсаторы перевозят в разобранном виде. И вот, возвращаясь к теме разговора, наиболее эффективным способом интенсификации процесса конденсации, т.е. сокращения объема аппарата, оказывается мелкоребристая поверхность. Ребра маленькие, размером не более миллиметра. Существуют теоретические модели, довольно точные, разработанные за последние 50 лет. Но нет достаточно точных экспериментальных данных, что происходит с пленкой жидкости, на данном маленьком ребре. Измерения очень сложные, а в космических условиях мы можем упростить задачу — увеличить размеры ребра до 30 мм. Грубо говоря, мы «убираем» гравитацию, чтобы она не экранировала главный эффект — влияние сил поверхностного натяжения. — То есть, вы проводите эксперименты, чтобы создать новый прибор? — Об этом я и говорю — достичь фундаментального понимания процесса пленочной конденсации пара на исследуемой поверхности. И эти же исследования будут важны для космоса, в путешествиях на другие планеты и, особенно, для жизни на других планетах. По-видимому, мощные энергетические установки будут строиться на принципах парожидкостного цикла, для чего потребуется компактный конденсатор большой мощности. — По размерам какой он будет? — По отношению к размерам земных конденсаторов пара минимум в 10 раз меньше, а, может быть, и в сто раз. — Кроме вашей лаборатории, какие научные группы заняты в проекте «САФИР»? — В проекте интегрируется несколько исследовательских тем, и мы, естественно, кооперируемся с несколькими европейскими и российскими партнерами. С группой Питера Штефана из города Дармштадта (ФРГ) будем изучать поведение пленок. В числе участников — группа из Франции, руководит которой Лунес Тадрист (Марсельский университет). Кроме группы Института гидродинамики СО РАН под руководством чл.-корр. РАН Владислава Васильевича Пухначева, с которым мы давно работаем, мы сотрудничаем с профессором Александром Франком из Красноярска (Институт вычислительного моделирования СО РАН). Он сильный теоретик, создает хорошие математические модели пленочных процессов. На мой взгляд, его модель, описывающая появление продольных волн в пленках жидкости, которые были открыты в Институте теплофизики в 1993 году, лучшая в мире. Посмотрите еще раз на снимок нашего недавнего эксперимента в Бордо. Этот эксперимент был очень важным для нас. Мы наконец-то обнаружили новый эффект. На фотографии видно, как формируются продольные волны. Насколько известно, подобного эффекта еще никто не наблюдал. Возможно, это важный фундаментальный результат — формирование структур в пленках жидкостей, движущихся под действием газового потока в миниканале. Сейчас основные наши усилия будут направлены на исследование этого нового эффекта. — Олег Александрович, хотелось бы прояснить тезис о «глобальной науке». — Кто в конечном счете выиграет, получит новую информацию, дивиденды? В данном случае информация совершенно открыта. Ею могут и будут пользоваться и в Европе, и в России, и, может быть, к сожалению, во всем мире. — Почему «к сожалению»? — Грубо говоря, мы работаем как бы на весь мир. Существуют определенные обязательства — публикации фундаментальных результатов наших исследований в международных научных журналах. Правда, без тонкостей этих исследований. К тому же, работа международной лаборатории теплообмена придает динамизм развитию Института теплофизики, а, значит, и Сибирскому отделению РАН. Мы вовлечены в мировой научный процесс, наши работы быстро становятся известными мировому научному сообществу. — Вы сказали, что разработка нового, интегрированного проекта «САФИР» началась еще в 2005 году… — Но весь следующий год ушел на то, чтобы «утрясти» детали. И, наконец, в начале 2007 года мы заключаем партнерское соглашение с Европейским космическом агентством. Соглашение подпишет директор Института теплофизики СО РАН чл.-корр. РАН  С. Алексеенко, а наша лаборатория завизирует этот документ как отдельный субъект сотрудничества. Можно сказать, состоялся теплообмен между партнерами. стр. 6-7