В Новосибирском государственном университете разработали способ борьбы с асфальтосмолопарафиновыми отложениями в нефтяных скважинах. Он позволяет не останавливать процесс добычи во время очистки оборудования и эффективно удалять парафиновые пробки, не повреждая трубы.
По словам авторов разработки, способ предполагает применение специального состава. Он представляет собой сухое горючее — многокомпонентное вещество, способное разогреваться в воде. По форме оно является тонким гибким наборным стержнем, состоящим из таблеток горючего. Он опускается в скважину и под собственным весом движется вниз, пока не достигает парафиновой пробки.
Под действием температуры асфальтосмолопарафиновые отложения разлагаются и вместе с буровым раствором поднимаются к устью скважины. Оттуда их можно без проблем удалить.
— Сергей Сухинин. Профессор кафедры гидродинамики механико-математического факультета Новосибирского государственного университета.
По словам Сергея Сухинина, применение состава не требует остановки скважины и подвода к ней дополнительных труб и агрегатов. Температуру его разогрева можно варьировать в зависимости от плотности пробок.
Ученые Уральского федерального университета совместно с коллегами из Института проблем химической физики РАН нашли способ в разы продлить срок жизни перовскитных солнечных батарей для космических аппаратов — от научно-исследовательских спутников до МКС. Для этого они модифицировали их европием (Eu): выяснилось, что добавление небольшого количества этого металла делает перовскит намного более устойчивым к космическим излучениям и продлевает срок его службы.
По словам авторов исследования, под действием солнечного света, тепла и космических излучений перовскит может разлагаться, выделять новые фазы химических компонентов и вещества. Из-за этого батареи начинают работать хуже, а срок их службы сокращается. В частности, из перовскита могут выделяться металлический свинец или его соединения, которые препятствуют поглощению света.
Чтобы защитить батареи от воздействия внешней среды, мы на этапе выращивания перовскита добавили в раствор с исходными компонентами немного солей европия. Этот металл внедряется в структуру перовскита и блокирует образование свинца, что позволяет повысить показатели батарей по фото- и радиационной стабильности в 1,5–2 раза.
— Никита Жидков. Заведующий лабораторией фотовольтаических материалов Уральского федерального университета.
Как показали исследования, перовскитные батареи, модифицированные европием, способны работать под воздействием солнечного света до трех лет без существенной потери свойств и сопротивляться радиации до десяти лет.
Научный коллектив продолжает совершенствовать разработку.
В Передовой инженерной школе Санкт-Петербургского политеха создали виртуальный стенд для испытаний газотурбинных двигателей. Он позволяет в режиме реального времени вносить в проект двигателя изменения и получать данные о том, как это влияет на параметры его работы.
По словам автора разработки, студентки Передовой инженерной школы Элеоноры Никольской, стенд представляет собой цифровую модель, в которой все параметры связаны динамически: изменение одного влечет изменение других.
При проектировании двигателя регулярно возникает необходимость оценки его характеристик — например, уровня вибрации, перемещений под действием нагрузок, прочности. Оценить их позволяют специальные программные комплексы и модели. При этом если в конструкцию нужно внести изменения — подкорректировать геометрию, нагрузку или материалы, — проводить расчеты и строить модели приходится заново.
— Элеонора Никольская. Студентка Передовой инженерной школы Санкт-Петербургского политехнического университета.
Виртуальный стенд, разработанный Элеонорой Никольской, позволяет не проделывать все необходимые процедуры с нуля, а вносить изменения в уже спроектированную конструкцию. Для этого нужно подкорректировать соответствующие строки в текстовом файле — модель отобразит правки и покажет, как они влияют на другие узлы и детали двигателя и как в зависимости от них изменится его работа.
Сейчас стенд позволяет динамически изменять около 50 параметров. В будущем их количество должно вырасти до нескольких сотен. Как отмечают в вузе, решения, предложенные Элеонорой Никольской, после проведения итогового тестирования будут использоваться при разработке программной среды для создания цифровых двойников авиадвигателей.
За счет ежедневного наблюдения за солнечным ветром китайские специалисты смогут обеспечить стабильную работу электросетей. С мониторингом солнечной активности им поможет один из крупнейших радиотелескопов в мире, который построили благодаря ученым Академии наук Китая.
Телескоп расположен на севере Китая, в автономном районе Внутренняя Монголия, сообщает информационное агентство Xinhua. На сегодня он успешно прошел испытания и в ближайшее время будет введен в эксплуатацию.
Радиотелескоп позволит следить за потоком заряженных частиц, которые вызывают изменения в магнитосфере и ионосфере Земли и могут негативно воздействовать на работу энергосистем, систем связи и навигационные приборы. Опасное воздействие на энергетические сети вызывают индукционные токи, возникающие в линиях электропередачи из-за колебаний магнитного поля. В результате усиливается намагниченность сердечников трансформаторов и выделяется тепло, которое может расплавить изоляцию обмоток. По этой причине в 1989 году в канадской провинции Квебек произошло массовое отключение электричества, затронувшее шесть миллионов человек.
Предполагается, что мониторинг с помощью радиотелескопа позволит своевременно готовиться к опасным изменениям. Получив сигнал о выбросах солнечной энергии, генерирующие компании смогут понизить рабочее напряжение в электросетях и ограничить нагрузку, чтобы обеспечить штатную работу подстанций.
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) — дальние родственники ветряных мельниц. Внешне ветрогенератор напоминает своих мукомольных предков, но в глаза бросается одно важное конструктивное отличие: у старинных мельниц было больше лопастей — четыре, шесть, а то и восемь. Почему же у подавляющего большинства современных ветряков их всего три и как конструкция ветрогенератора связана с олимпийским девизом «Быстрее, выше, сильнее»?
Выше
Ветроэнергетическая установка, даже небольшая, выглядит гигантом по сравнению с ветряной мельницей. ВЭУ стараются проектировать и изготавливать настолько высокими, насколько позволяет экономическая целесообразность. Чем выше, тем сильнее и устойчивее захватываемый лопастями ветер — и тем большее энергии вырабатывается.
Китайский ветряк-рекордсмен MingYang Smart Energy MySE 16-260. Фото China Three Gorges Corporation / ctg.com.cn
На сегодня высочайший и крупнейший в мире ветрогенератор установлен в Тайваньском проливе в Китае. Он называется MingYang Smart Energy MySE 16-260, где 16 — мощность установки в мегаваттах, 260 — диаметр вращающейся части в метрах. Сердцевина установки с машинным отделением расположена на высоте 152 метра. С учетом 123-метровой длины лопастей общая высота объекта достигает 275 метров. И это не предел: китайские специалисты трудятся над созданием установок мощностью 18 и 20 мегаватт — еще более крупных и высоких.
Средний «рост» современных ветряков гораздо меньше: обычно высота мачты достигает 70 метров, длина лопасти — 50 метров.
Сильнее
Чем сильнее ветер воздействует на установку, тем больше электроэнергии она выработает. Силу ветра нужно захватить и заставить выполнить полезную работу. Для этого предназначена лопасть, которая вращается воздушным потоком и тем самым генерирует крутящий момент. Эта физическая величина равна произведению силы на радиус вращения, то есть на длину лопасти: М = F*r.
Чем лопасти длиннее и чем их больше, тем больше общий крутящий момент. Значит, тем больше энергии ветра можно собрать и превратить в электричество. Однако количество энергии зависит не только от силы воздействия на лопасти: важна еще и скорость вращения.
Быстрее
Чем быстрее вертится ротор с лопастями, тем больше механической энергии передается генератору, тем больше сила тока и, соответственно, количество производимого электричества. При этом чем больше лопастей у ветряка и чем они длиннее, тем ротор тяжелее и тем труднее ветру его крутить.
Разработчики ветроэнергетических установок нашли сбалансированное решение — ротор с тремя лопастями. Двухлопастные быстро вертятся, но создают малый крутящий момент, и это снижает выработку электроэнергии. Ротор с четырьмя лопастями повышает крутящий момент по сравнению с трехлопастным, но ненамного, при этом замедляет вращение — и показатели работы установки не улучшаются.
Проектируя ветрогенератор, инженеры оперируют многими конструкционными параметрами: длиной лопастей, углом их наклона, формой, материалом и другими. При этом учитывают климатические особенности региона — в первую очередь, ветровые потоки и силу ветра. Всегда имеются ограничения по высоте мачты, мощности установки, размерам лопастей и другим факторам.
— Андрей Бритвин. Эксперт по технологическому развитию в сфере энергетики «Газпром нефти».
Вот одно из ограничений, которое, на первый взгляд, кажется парадоксальным: ВЭУ нужно обязательно защищать от… ветра. Если он слишком сильный, то может опрокинуть установку: его давление пропорционально площади ометаемой поверхности — площади круга, который описывают лопасти ветряка при вращении. Поэтому при слишком сильных порывах ветряк нужно остановить. Тогда давление ветра снижается в десятки раз, поскольку он воздействует на поверхность, равную сумме площади лопастей, — это гораздо меньше, чем площадь описываемого круга.
Пороговой величиной, на которую рассчитывают ВЭУ, стала скорость ветра 25 метров в секунду. По шкале Бофорта это 10 баллов со статусом «сильный шторм». Выше него только «жестокий шторм» (11 баллов, 26–32 метра в секунду) и «ураган» (12 баллов, 33 и более метров в секунду). При достижении скорости ветра 25 метров в секунду у ветрогенератора срабатывает автоматическая система буревой защиты — и вращение лопастей блокируется.
О дровах мы говорили вчера, когда рассказывали про европейские леса и их исчезновение. Дрова очень долгое время были основным топливом – даже первые пароходы и паровозы топили именно дровами. Потом их заменили углём, потому что уголь – топливо более «калорийное».
– Как это, «калорийное»? Его едят, что ли?
Нет, просто количество тепла, которое даёт тот или другой вид топлива, измеряется в калориях на килограмм...
– А что такое «калория»?
Калория – это такое количество теплоты, которое позволяет нагреть 1 грамм воды на 1 градус. Скажем, в литре воды – 1000 граммов. Сколько нам нужно тепла, чтобы вскипятить литровый чайник? От комнатной температуры (20 градусов) до кипения (100 градусов) – разница 80 градусов. Умножаем 80 на тысячу – и получаем, что понадобится нам 80 тысяч калорий, или 80 килокалорий.
У дров теплота сгорания в среднем составляет около 3000 килокалорий на килограмм (то есть килограмма дров хватит для того, чтобы вскипятить примерно 37 литров воды – обычная задачка на деление). А у угля теплота сгорания – около 7000 килокалорий на килограмм, почти в 2 с половиной раза больше, то есть сжигая 1 килограмм угля, мы сможем получить уже свыше 90 литров кипятка! Так что уголь – топливо более «горячее», более эффективное, и не зря уже в XIX веке на уголь перевели все паровые машины и водогрейные котлы.
Но... при этом дрова всегда оставались «запасным игроком в команде». Скажем, первый пароход, который совершил плавание из Европы в Америку.
"Сириус" в порту Нью-Йорка
Назывался он «Сириус». Запас угля на этом пароходе был огромный – 450 тонн! Почти 8 железнодорожных вагонов. Но этого запаса на путешествие не хватило – и капитан тогда приказал начать разбирать на дрова сам корабль! Чтобы доплыть до Нью-Йорка, «Сириусу» пришлось сжечь в топках все мачты, настил палубы, поручни и даже мебель из кают пассажиров! Этот анекдотический (но реальный) случай потом много раз обыгрывался в разных историях (например, в романе Жюля Верна «80 дней вокруг света», где Филеас Фогг сжигает половину парохода «Генриетта», чтобы дотянуть до находящегося слишком далеко порта назначения).
Итак, дрова долгое время служили людям в качестве основного топлива (да что там говорить, много где служат и сегодня). Но проблема заключается в том, что для рубки дров нужен лес. И чем больше мы рубим дров, тем леса становится меньше. Вспомните сказки братьев Гримм или Шарля Перро. В большинстве случаев там упоминаются люди, которые собирают в лесу хворост – то есть опавшие на землю сухие ветви и сучья.
Жан-Франсуа Милле. Собирательницы хвороста
Потому что уже 500 лет назад в Европе рубить лес на дрова разрешалось только избранным! Греться дровами имели право короли, графы и герцоги с баронами. Простым людям дозволялось только собирать хворост – а за самовольную рубку леса по законам того времени лесник имел право повесить на первом же суку...
А это Ван-Гог о том же...
Помимо хвороста люди придумали довольно много способов заменить дорогостоящие дрова. В тех краях, где леса и деревьев мало – в лесостепях, степях, полупустынях, высоко в горах – дрова заменяли кизяком, то есть высушенным навозом. В северной Африке, в центральной Азии, в Гималаях люди (в основном старики и дети, потому что работа не тяжёлая) ходили по пастбищам и собирали навоз – коровий, буйволиный, овечий, верблюжий, кое-где даже человеческий. Дальше этот навоз смешивали с соломой и лепили из получившейся смеси одинаковые «кирпичики». Полученные брикеты высушивали на солнце и складывали в кучи для хранения...
Топливные брикеты из навоза (Индия)
Килограмм сухого коровьего навоза при сгорании даёт около 2000 килокалорий. Это меньше, чем у дров или угля, но тоже вполне приличная цифра. Даже в наше время в некоторых странах – например, в Пакистане или Индии – на таком вот «биотопливе» работают целые электростанции!
А вот другой вариант биотоплива... Рыба!
В тех краях, где леса мало, а рыбы много – скажем, в Ростовской, Астраханской или Волгоградской областях России – ещё не так давно печи для обогрева и приготовления еды часто топили сушёной рыбой, той же самой воблой, чехонью и таранькой. А в Сибири в качестве дров использовали щуку – в реках её было невероятно много, а за еду её жители Сибири в те времена вообще не считали. У сибиряков даже поговорка была: «Рыбы нет, щука есть». Сушеную щуку складывали в поленницы, как дрова. Горит рыба благодаря высокому содержанию жиров – жиры вообще хорошо горят, как животные, так и растительные. Всопмните, как может вспыхнуть масло на сковороде...
Кто читал приключенческую книжку Майн Рида – «Затерянные в океане»? Там описывается использование в качестве топлива спермацета, то есть вещества, содержащегося в организме кашалота. Внутри огромной головы крупного кашалота хранится около 10 тонн спермацета. Так что неудивительно, что в XIX веке, когда китобойный промысел процветал, спермацет при необходимости использовали и для освещения, и для обогрева.
Жидкий китовый жир – ворвань – также очень долго использовали и в качестве «дров» (то есть горючего), и в качестве светильного масла, и даже в качестве смазочного масла в тех же паровозах, пароходах и первых автомобилях. Ради жира было убито огромное количество китов – в середине XX века ежегодно добывалось по 30-40 тысяч животных...
Кстати, чтобы вытопить жир из кита, тоже нужно топливо, те же самые «дрова». Но где их взять в море? Возить с собой на корабле? Очень дорого и неудобно. И тогда китобои южного полушария придумали использовать вместо дров... птиц! Обыкновенных пингвинов.
Мясо пингвинов – штука малосъедобная, прежде всего из-за огромного процента жира, так что при наличии любой другой еды ради мяса на пингвинов не охотились. Но вот горят тушки пингвинов – благодаря всё тому же жиру – очень хорошо, передвигаются пингвины медленно, характер у них доверчивый и неагрессивный, а потому китобои (а также участники многих антарктических экспедиций) несметное количество пингвинов перебили «на дрова». Скажем, когда европейцы открыли Фолклендские острова, их называли «царством пингвинов». Но к началу 80-х годов прошлого века пингвины там были истреблены почти полностью...
Пингвины Фолклендских островов. Их отстреливали на дрова десятками тысяч...
Пингвинов в тех краях спасли... точнее, спасла война. В 1982 году между Великобританией и Аргентиной началась война за Фолклендские острова. В ожидании британского десанта аргентинцы заминировали побережье – установили десятки тысяч противопехотных и противотанковых мин. Разминирование – процесс медленный и дорогостоящий, поэтому даже сейчас на тамошних берегах всё ещё находятся обширные минные поля, куда человеку (если он не идиот и не самоубийца) заходить категорически нельзя. А вот веса пингвина для срабатывания мины оказалось недостаточно – и под защитой минных полей пингвины снова стали размножаться, их популяция начала медленно восстанавливаться, сейчас численность фолклендских пингвинов приблизилась к миллиону особей.
А что ещё можно использовать в качестве «дров»?
Ну, бензин, керосин и природный газ – это понятно. Эти виды топлива очень эффективны, лучше дров. Теплота сгорания у природного газа и у бензина – около 10000 килокалорий на килограмм. А вот из необычных (во всяком случае, для нас в России) видов топлива стоит вспомнить про... этанол, то есть этиловый спирт!
В Бразилии этанол производят из сахарного тростника, причём в очень больших количествах, и используют вместо бензина – в качестве топлива для автомобилей. И на автозаправках там продают спирт! (Помните, на днях мы рассказывали, что бензин когда-то продавали в аптеках?)
По сравнению с бензином спирт при сгорании даёт меньше теплоты (примерно 7000 килокалорий на килограмм), так что заправлять «спиртовые машины» приходится чаще и пробег у машин «на спирту» (по-английски такие машины называются «многотопливными», «flex-fuel») немного меньше. Зато спирт в тех краях стоит существенно дешевле бензина, и при его сгорании выделяется меньше углекислого газа, так что это топливо более «экологически чистое».
Применяется как чистый спирт (топливо «Е100»), так и смесь бензина со спиртом (скажем, топливо «Е85» содержит 85% спирта и 15% бензина).
Ну а самое энергоёмкое в природе топливо, самые эффективные «дрова» во вселенной – это газ водород. При сгорании 1 килограмма водорода выделяется в 10 раз больше тепла, чем при сгорании дров, свыше 30000 килокалорий! Но вот добывать и хранить водород – удовольствие дорогое, так что пока более-менее широкое распространение водородное топливо получило только для ракетных двигателей.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета научились определять направление трещин в породе, чтобы эффективнее добывать природный газ. Они предложили метод анализа данных, которые дает сейсморазведка.
Большая часть крупных газовых месторождений России уже открыта и изучена, поэтому добывающие компании осваивают более мелкие и трудноизвлекаемые запасы газа. Чтобы увеличить объем добычи на таких месторождениях, применяется гидроразрыв пласта — технология, которая помогает «выдавить» газ на поверхность. При этом важно знать, в каком направлении расположены трещины в породе, чтобы процесс был эффективнее.
Сейсмическая волна распространяется вдоль трещин быстрее, чем поперек. Анализ скорости сейсмических волн под разными направлениями позволяет определить ориентацию трещин. Сам подход не нов, при этом исследователи подготовили подробное математическое обоснование метода, а затем проверили его эффективность на уникальном оборудовании, разработанном в университете. Для этого в вузе создали физические модели, имитирующие геологические слои с упорядоченными трещинами.
Сейчас идут переговоры о внедрении метода на отечественных нефтегазовых месторождениях.
Ученые Казанского федерального университета создали реагент для нефтяных и газовых трубопроводов. Он выполняет роль ингибитора образования гидратов — не дает воде и газу превращаться в похожие на лед частицы, которые могут слипаться друг с другом, создавать пробки и мешать работе оборудования.
По словам авторов разработки, новый ингибитор представляет собой полимер на основе малеинового ангидрида (C4H2O3). Это органическое вещество, которое очень быстро вступает в химические реакции и широко используется в промышленности: от нефтедобычи, производства труб и моторных масел до выпуска пищевых добавок и лекарств.
За счет фрагментов малеинового ангидрида и акриловой кислоты новый ингибитор способен в десятки и сотни раз замедлять образование гидратов. Благодаря этому флюид в трубах без проблем преодолевает сложные участки — например, проложенные в особенно холодных зонах, — не преобразуясь в гидраты.
По предварительным данным, новый ингибитор способен также препятствовать коррозии и образованию отложений минеральных солей в трубопроводах. Фрагмент малеинового ангидрида в воде преобразуется в кислоту, которая связывает положительно заряженные ионы металлов — кальция, бария и других. Благодаря этому отложения не будут образовываться.
— Роман Павельев. Ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории методов увеличения нефтеотдачи Казанского федерального университета.
Сейчас авторы разработки занимаются детальным изучением свойств полученного соединения.