То ли дело невесомость
24 января на Международной космической станции (МКС)* закончился длившийся с 1 декабря эксперимент DCMIX-2, который проводила международная исследовательская группа. Кроме двух зарубежных координаторов проекта по проведению серии экспериментов DCMIX, Валентины Шевцовой, профессора Свободного университета Брюсселя (Бельгия) и Зиада Сагхира, профессора университета Раерсона (Торонто, Канада), есть и российский — доктор физико-математических наук Татьяна Любимова, заведующая лабораторией вычислительной гидродинамики в Институте механики сплошных сред УрО РАН (Пермь) и кафедрой теоретической физики Пермского ГНИУ. Пермские исследователи участвовали в эксперименте совместно с представителями Комиссариата по атомной энергии (Гренобль, Франция), Высшей школы технической физики и химии (Париж, Франция), Центра исследования микрогравитации Свободного университета Брюсселя (Бельгия).
Зачем нам космос
— Целями серии экспериментов DCMIX являются проверка существующих и разработка новых теоретических моделей, получение простых количественных соотношений для определения коэффициентов переноса; разработка методов измерения и получение надежных данных по коэффициентам диффузии и термодиффузии (переноса вещества под действием перепада температуры) в многокомпонентных смесях, — рассказывает Татьяна Любимова. — Зачем нам понадобился космос, невесомость? Современные оптические методы обеспечивают и на Земле очень хорошую точность измерения коэффициентов диффузии и термодиффузии. При этом необходимым условием для них является отсутствие конвекции. Но есть смеси с аномальным эффектом термодиффузии, в них тяжелые компоненты перемещаются в более нагретые области, в результате чего в земных условиях (при наличии силы тяжести) возникает конвективное движение. Это их свойство и обуславливает необходимость проведения экспериментов в космосе. На космической станции, конечно, не чистая невесомость, остаточные статические ускорения и там не равны нулю, но они очень маленькие. В этом преимущество космического эксперимента.
Интерес к процессам диффузии и термодиффузии в многокомпонентных смесях имеет не только фундаментальная наука. Прикладное значение состоит в том, что точное знание исследуемых коэффициентов позволит описать и предсказать по поведению этих смесей состав месторождений углеводородов, что очень важно нефтедобывающим компаниям для разработки и добычи. Поэтому они активно участвуют в рабочей группе Европейского космического агентства, ведущей подготовку и проведение серии экспериментов DCMIX. В частности французская Total буквально «дышит в ухо» исследователям, участвует во всех дискуссиях по проекту. Пермские участники проекта готовятся к переговорам о сотрудничестве с ЛУКойлом.
С позиций фундаментальной науки, процессы диффузии и термодиффузии в многокомпонентных смесях в принципе очень мало изучены, считает Татьяна Любимова. Существующие теоретические модели этих процессов противоречивы. Эксперимент на МКС позволит получить подтверждение или опровержение различных теорий. Кроме того, в ходе наземной подготовки отрабатываются и совершенствуются экспериментальные методы исследования процессов переноса в многокомпонентных смесях и измерения коэффициентов диффузии и термодиффузии в них. Само знание этих коэффициентов для фундаментальной науки очень важно.
И вот результаты DCMIX-2 получены в виде интерференционных снимков. Количественная обработка еще впереди. Но исследователи, наблюдавшие меняющуюся в ходе съемок картину процессов, утверждают — эксперимент успешный. То есть, безусловно, даст результаты.
Полеты смесей
Роли в международной исследовательской команде разделялись так. Несколько групп, в том числе пермяки, выполняли математическое моделирование. Одновременно экспериментальные группы из разных стран проводили лабораторное моделирование. Результаты того и другого моделирования используются при выборе состава смесей и параметров, при которых будет проводиться эксперимент на МКС, разработке его сценария. Цель столь сложной и тщательной наземной подготовки — получить максимально полезную информацию в космическом эксперименте.
После того, как сценарий подготовлен, все отработано, жидкие смеси прошли испытания, они заливаются в блок ячеек и отправляются российским грузовым кораблем на МКС. Там астронавты устанавливают блок ячеек в герметичный контейнер, содержащий экспериментальное оборудование. Дальше эксперимент идет в автоматическом режиме. На Земле за ним следят из ЦУПов Европейского космического агентства. Данные об эксперименте по телеметрии доставляются на Землю и обрабатываются. Если нужно, сценарий эксперимента можно немного изменить. Когда кассета доставляется на землю, начинается обработка всех данных.
Дело выбора
Первый эксперимент серии DCMIX проведен в 2012 году и, по оценкам, вполне успешно. Тогда в качестве рабочих смесей были выбраны углеводородные смеси додекана, изобутилбензола и тетралина с различными соотношениями концентраций компонент. До 2017 года ученые планируют проведение еще трех экспериментов серии DCMIX. Пермские исследователи не первый раз участвуют в таких работах на МКС. В 2009 — 2010 годах был проведен эксперимент IVIDIL по изучению влияния вибраций на диффузию в жидкостях. В этом эксперименте тоже ставилась задача исследования процессов диффузии и термодиффузии, но в двухкомпонентных смесях. Кроме того, изучалось, как влияют на эти процессы контролируемые вибрации (с заданной амплитудой и частотой) и случайные вибрационные ускорения, которые неизбежно присутствуют на борту. Ответ ученые получили.
Серия экспериментов DCMIX продолжает исследования IVIDIL. Кроме DCMIX исследовательская группа, возглавляемая Татьяной Любимовой, участвует в подготовке международного космического эксперимента VIPIL по изучению вибрационных процессов в жидкостях. Его проведение на МКС запланировано на 2018 год.
Почему именно пермские исследователи работают на МКС? Европейское космическое агентство раз в несколько лет объявляет конкурс проектов на проведение экспериментов в космосе. Западные ученые формируют команды, приглашают в них и российских коллег, готовят проекты. В данном случае выбор пал на пермские научные площадки. Ученые Института механики сплошных сред УрО РАН и кафедры теоретической физики ПГНИУ давно и плодотворно сотрудничают с зарубежными учеными в рамках различных проектов. Подавляющее большинство научно-исследовательской работы, выполняемой на университетской кафедре теоретической физики студентами и сотрудниками, тоже проходит в рамках тесного межвузовского и международного сотрудничества. Выпускники кафедры ведут совместные исследования с зарубежными коллективами по всем направлениям деятельности кафедры.
Европейское космическое агентство выделяет отобранным проектам деньги на реализацию: изготовление оборудования, доставку груза и прочее. Кроме того, национальные космические агентства по контрактам финансируют работу своих групп по наземной подготовке космического эксперимента. С российской стороны проект DCMIX обеспечивают Российское космическое агентство и правительство Пермского края, которое с 2012 года реализует программу поддержки международных исследовательских групп, включающих пермских ученых и их зарубежных партнеров.