2000 №4

БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Весьма полезной для ряда областей науки, техники и медицины окажется новая разработка Центра естественно-научных исследований Института общей физики Российской академии наук (ЦЕНИ ИОФАН). В отделе диодной лазерной спектроскопии Центра создана лазерная система, с высокой точностью определяющая присутствие малых примесей в газовых смесях.

Используемый для этого метод называется спектральным анализом и основан на различии спектров поглощения оптического излучения разными молекулами. Применяется он достаточно давно, но главным образом в лабораторных условиях, поскольку большинство молекул хорошо поглощает излучение в диапазоне 2,5–5 микрон (так называемая средняя инфракрасная область), а перекрывающие эту область лазеры работают только при очень низких температурах и требуют специальных систем охлаждения. Куда дешевле обходятся те лазеры, которые функционируют при комнатной температуре, но они перекрывают лишь диапазон 0,8–2,5 микрона (ближняя инфракрасная область). А в нем молекулы поглощают излучение в сотни и даже тысячи раз слабее, чем в средней ИК-области. Соответственно во столько же раз оказывается слабее и чувствительность лазера.

Остроумный способ повысить эту чувствительность нашли специалисты ИОФАНа. Получаемое с обеих противоположных граней лазерного кристалла излучение направляют одновременно в два оптических канала — эталонный и аналитический. Оба заполнены однотипной газовой смесью, но в первом количество исследуемых молекул строго известно, а во втором — должно быть определено. Чтобы максимально увеличить поглощение молекулами излучения, его путь — чисто оптическими методами — многократно (иногда даже тысячекратно) удлиняется. Выход из обоих оптических каналов фокусируется на фотоприемниках и сравнивается.

При помощи такого лазера можно определить количество в воздухе углекислого газа даже при концентрации 1:10⁸.

При создании конкретных приборов возникла, однако, еще одна трудность — финансовая. Дело в том, что большинство изготовляемых сегодня дешевых лазеров на самом деле не совсем лазеры, поскольку генерируют не одну длину волны, а сразу несколько. Специалисты ЦЕНИ ИОФАН научились работать с такими лазерами, почти не проигрывая в чувствительности.

В результате были созданы приборы, способные улавливать среди миллиарда молекул воздуха десяток исследуемых — например, углекислого газа или метана.

И та и другая модификация работают уже сегодня. Первая из них проходит клинические испытания в реанимационном отделении Боткинской больницы, где помогает анестезиологам определить, поступает ли хоть какое-то количество углекислого газа при искусственном дыхании из легких пациента (то есть по сути дела: дышит ли он). Вторая опробована во время совместных с Томским институтом оптики исследований парникового эффекта, при определении разного рода утечек метана на газопроводах и в городе (с газозаправочных станций, на полях аэрации, из выхлопных труб автомобилей). Сейчас разрабатывается способ установки системы на вертолете — для обеспечения постоянного мониторинга газопроводов. Такому мониторингу мешает, однако, вертолетный винт, отгоняющий воздух вниз от корпуса, а следовательно, и от аналитической системы, и не исключено, что эту систему придется подвешивать на тросах.

А специалисты ЦЕНИ работают сегодня над новым вариантом лазерного анализатора, который должен определять наличие в салоне автомобиля молекул этанола (то есть паров алкоголя) и притом на значительном расстоянии. Уж очень заинтересованы в этом службы безопасности дорожного движения. Правда, не у нас, а в США: у наших на это пока нет средств.

Технологию рекультивации загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв разработали специалисты фирмы «Экойл» и научно-производственного объединения «Приборсервис» (г. Томск). Технология основана на использовании выделенных из местной микрофлоры углеводородоокисляющих микробов, которых специальным образом размножают, а затем вносят в почву при помощи так называемой экологической машины — «ЭМ-2М».

Эта машина устанавливается на любую способную перемещаться по заболоченной местности технику и производит полную комплексную обработку загрязненных земель. Разрыхляя почву, она одновременно разбрасывает с транспортера содержимое своих бункеров — удобрения, а также семена однолетних и многолетних трав вместе с культурой тех самых микробов-деструкторов.

Благодаря рыхлению в почву поступает больше кислорода, а нефтепродукты в ней распределяются более равномерно. Это создает оптимальный режим для микроорганизмов, разлагающих углеводороды до углекислого газа и воды. Помогает этому процессу и внесение в почву удобрений — азота, фосфора, калия, а также влажность, благодаря которой увеличивается активность микробов и ферментов и подвижность питательных веществ. И даже посеянные в загрязненную почву травы тоже способствуют разложению углеводородов: частично разлагают их сами, а в основном улучшают условия жизнедеятельности микроорганизмов. Разветвленная корневая система этих трав оптимизирует в почве газовоздушный режим, обогащает ее биологически активными веществами.

Четырехлетний опыт использования экологической машины на загрязненных территориях Тюменской, Томской и Иркутской областей доказал эффективность ее применения: за один сезон содержание нефти и нефтепродуктов в почве и воде удавалось уменьшить в 10–70 раз.

Уникальная технология сушки — акустическая — разработана в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН.

Сушка — один из наиболее распространенных технологических процессов, поскольку высушивать приходится самые разнообразные предметы и материалы. Иногда при этом возникают проблемы, связанные главным образом с длительностью процесса перераспределения влаги от центра вещества к его поверхности. Процесс этот можно ускорить нагреванием, но оно, к сожалению, не всегда допустимо. Древесина, скажем, при нагревании коробится и растрескивается, зерно теряет биологически ценные свойства, а многие лекарственные препараты просто приходят в негодность. Поэтому качественную древесину (например, для музыкальных инструментов) сушат в течение многих лет, а в фармацевтической и пищевой промышленности используется дорогостоящая вакуумная сушка, тоже, впрочем, не всегда эффективная.

И все же ускорить процесс сушки можно и без нагрева. Еще полвека назад было обнаружено, что капиллярно-пористые вещества способны терять влагу под действием сильного звука. Тогда же попытались, оснастив сушилки звуковыми излучателями, подобрать интенсивность и частоту звуковой волны, действенные для осуществления сушки. Но даже от звука, подобного реву реактивного двигателя, было больше проблем для окружающей среды, чем толку.

Конструкция сушилок, созданных в Институте теоретической и прикладной механики, разрабатывалась специально — с тем расчетом, чтобы энергия от источника звука использовалась максимальным образом. Полученная в результате пилотная установка позволяет высушивать материалы с куда меньшими энергозатратами, чем традиционная.

Акустическая сушка представляет интерес и как своеобразное физическое явление. Распределение влаги в древесине в процессе такой сушки было исследовано в международном томографическом центре СО РАН. Оказалось, что влага, изначально сконцентрированная в светлых частях годичных колец, почти сразу распределяется по всему объему доски и довольно быстро диффундирует к ее поверхности.

Что же касается экономии энергии, то она, по всей видимости, определяется при акустической сушке тем, что вода с поверхности образца удаляется не за счет испарения, требующего значительных энергозатрат, а в виде аэрозоля — мельчайших брызг, которые возникают в результате возбуждаемой звуком вибрации.

Центр порошкового напыления создан в г. Обнинске Калужской области для внедрения нового способа нанесения слоя металла практически на любой материал. В основе способа — эффект, обнаруженный когда-то новосибирскими учеными при исследовании обтекания тел сверхзвуковыми воздушными потоками. Оказалось, что многие из присутствующих в воздухе мельчайших пылевых частиц намертво закреплялись на лобовой поверхности обтекаемого тела.

Группа обнинских физиков нашла способ получать, используя этот эффект, высококачественные покрытия. Для реализации этой цели было создано ручное оборудование, в котором струю сжатого горячего воздуха разгоняют до сверхзвуковых скоростей, а затем впрыскивают в нее определенную порошковую смесь. Поверхность, на которую направлена такая струя, постепенно покрывается слоем металла, причем свойства слоя могут быть заданы заранее — подбором параметров струи и состава смеси. Этим способом можно легко наносить металлические покрытия на любые металлы, стекло или керамику, герметизировать течи и сварные швы, восстанавливать изношенные или поврежденные детали. Его применяют в ракетостроении для герметичного соединения несвариваемых материалов (например, нержавеющая сталь — алюминий) и для герметизации микротечей в изделиях из термоупрочненного алюминия. А в микроэлектронике наносят таким способом токопроводящие слои на керамику, в том числе — на пьезоэлектрическую. И, наконец, он просто незаменим там, где надо восстановить локально нарушенное антикоррозийное покрытие — в частности, в авторемонте.

Ведь, строго говоря, срочного ремонта с комплексом противокоррозионных мер требует любая царапина, а там, где защищенные от коррозии металлами (Al, Zn и т. п.) детали приходится сваривать, проблем возникает еще больше. Сварка разрушает антикоррозийное покрытие вокруг шва, нанесенное электролитическим способом, который при ремонте не всегда применим. Новый же не требует даже предварительной зачистки: сверхзвуковая газопорошковая струя успевает содрать ржавчину, краску, влагу и масло прежде, чем начнет создавать покрытие. Позволяет этот способ производить и такой ремонт узлов автомобиля, который раньше был просто невозможен, — например, герметизировать трещины двигателя и даже течи в выполненных из тонкого алюминия автомобильных кондиционерах.

Разогнанная до сверхзвуковых скоростей струя сжатого воздуха с впрыснутой в нее порошковой смесью способна наносить надежное металлическое покрытие практически на любой материал.