Наряду с развитием и совершенствованием существующих технологий перед человечеством стоит сложная и амбици - озная задача – создание принципиально новых технологий и систем использования энергии, то есть замена сегодняшнего конечного энергопотребителя системами, воспроизводящими объекты живой природы.
Николай Макаров, заведующий кафедрой горной механики УГГУ, доцент, кандидат технических наук
Технологии без ущерба энергобезопасности и экологии.
Современный мир, в котором главенствующую роль играет человек с созданной им уникальной цивилизацией, все чаще задаётся вопросами решения задач энергобезопасности и экологичности, которые напрямую влияют на экономику стран. Предел ресурсов нашей планеты существует однозначно. Пока он ощущается незначительно, но уже в ближайшее время возникнет ряд критичных моментов.
Тема развития природоподобных технологий в дискурсе первых лиц России появилась относительно недавно. В частности, Президент Владимир Путин несколько неожиданно затронул ее, выступая на 70-й Генеральной ассамблее ООН 28 сентября 2015 года. Тогда, говоря о возможных путях снижения воздействия человечества на климат, он заявил, что стратегическим решением будут новые, природоподобные технологии, «которые не наносят урона окружающему миру, а существуют с ним в гармонии и позволят восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой».
Конвергентные (природоподобные) технологии – процесс и результат взаимопроникновения пяти групп технологий: нано-, био-, инфо- когно-, социо-гуманитарных технологий. Причем перечень технологий открытый.
Известно, что наука в современном ее виде существует приблизительно 300 лет. Ключевую роль в ее «оформленности» когда-то сыграл Ньютон. В те времена была фактически только одна научная специальность – натурфилософия (естествознание) и только один «тип» ученого – натурфилософ (естествоиспытатель), который изучал мир, единую и неделимую природу, непонятную на том уровне знаний и поэтому зачастую обожествленную.
Затем по мере роста наших знаний о природе, развития исследовательского инструментария человечество начало искусственно делить единую природу на сегменты для их более легкого понимания, изучения. Так возникли физика, химия, биология, геология и т.д. В результате этих процессов человечество постепенно сформировало узкоспециализированную систему науки и образования, которая существует и успешно функционирует до сегодняшних дней. Такой принцип устройства науки привел в том числе и к отраслевому принципу организации промышленности.
Наступает время НБИКС-технологий. Выражаясь просто: природа сама по себе очень «экономный» пользователь энергии, она правильно самоорганизованна и ей с лихвой хватает «маломощной энергетики фотосинтеза». В нашей современной жизни мы используем искусственно созданные нами машины и механизмы, потребляющие колоссальное количество энергии. Для их энергоснабжения в принципе не может хватить возможностей экономичных, «природоподобных» энерготехнологий. Наряду с развитием и совершенствованием существующих технологий перед человечеством стоит сложная и амбициозная задача – создание принципиально новых технологий и систем использования энергии, то есть замена сегодняшнего конечного энергопотребителя системами, воспроизводящими объекты живой природы.
По принципу земляного червя.
Горнопромышленный комплекс одним из первых столкнулся с проблемой оптимизации процессов в толще породы: неблагоприятные условия подземной деятельности и быстро меняющиеся внешние факторы среды стали требовать внесения коррективов. Умение природы грамотно расходовать ресурсы и энергию пришло на помощь учёным, и именно поэтому технологии природоподобного стали применять при добыче полезных ископаемых. Одним из первых подверглись изменениям горнодобывающие машины: их сравнили с земляными червями, прокладывающими себе путь, и создали максимально выгодную и эргономичную форму аппарата, который, подобно этим беспозвоночным биологическим существам, дробит породу. Большое количество различных изобретений горнопромышленного комплекса подверглось конвергенции и приблизилось к природоподобному.
Научная гипотеза в турбомашиностроении.
3 ноября 1891 года был сделан первый шаг к созданию теоретических основ аэродинамики. В этот день на заседании Московского математического общества физик Николай Жуковский представил доклад «О парении птиц», в котором дал теоретическое обоснование фигурных полетов, в том числе так называемой мертвой петли, которую потом практически исполнил русский летчик Нестеров. Эта работа в числе прочих трудов Жуковского послужила основой науки аэродинамики, позволившей рассчитывать конструкцию летательных аппаратов тяжелее воздуха.
Конструктивные решения, принятые на основе природоподобия, уже сейчас применяются в технологиях человечества. Сравнение крыла самолёта и крыла птицы и их аэродинамических показателей позволяет совершенствовать как самолёты военной промышленности, так и гражданские авиалайнеры.
Ученые нашего университета активно изучают конвергентные технологии, находясь в тренде научных исследований, обозначенных руководством страны как приоритет, в частности, занимаются изучением вопросов повышения энергоэффективности вентиляторных установок для горного и нефтегазового производства.
Важным для реализации конвергентных технологий в турбомашинах является задача разработки и реализации критериев природоподобной соразмерности. Каким образом возможно сопоставить биологию и аэродинамику? Вопрос непростой, но ответы на него есть. Глубокий анализ аэродинамики птиц-парителей позволил нам выдвинуть и доказать научную гипотезу: «Доминантой управления аэродинамическим природоподобием процесса преобразования механической энергии вращения рабочего колеса турбомашины во внутреннюю энергию воздушного потока является соотношение между циркуляцией скорости и циркуляцией ускорения потока вокруг профилей решетки их лопаток как основного органа взаимодействия с потоком».
С учетом предложенной гипотезы, принципа гидродинамической аналогии, вихревой дорожки Кармана, метода конформных преобразований получены формулы природной соразмерности турбомашин с аэрогазодинамическими профилями.
Критерии аэродинамического подобия характеризуют адекватность аэродинамического процесса взаимодействия с решеткой профилей лопаток рабочего колеса турбомашины с воздухом, соответствующим процессам в живой природе, в частности при полете птиц.
Подобно тому, как крыло птицы, изменяя свою форму при взаимодействии с потоком воздуха, обеспечивает эффективное безотрывное обтекание, система присоединенных вихрей, создаваемых вихревыми камерами аэрогазодинамического профиля турбомашины, являясь посредником во взаимодействии потока воздуха межлопаточного канала с лопатками, обеспечивает также их безотрывное обтекание.
Если уже устали от аэродинамики и ее терминов, то, проще говоря, копирование крыла птицы возможно, по нашему мнению, за счет сложных каналов внутри лопаток рабочих колес, которые будут иметь выходы к наружной части и за счет клапанов открываться и закрываться в необходимый момент (как клавиши на трубе), создавая идеальный профиль лопатки, схожий с изменениями крыла птицы при различных стадиях полета: взлете, равномерном движении, парении. Технология дорогая и требует апробации. Но с каждым годом ее создание становится реальным. Здесь важную роль в ее осуществлении сыграют цифровые технологии.
Стоит отметить что уже сейчас нашей командой реализован предвестник, прототип указанных выше задумок.
На базе систематизации результатов исследования вентиляторных установок большой быстроходности нами построена аэродинамическая схема вентиляторной установки ОГМ ВУ 2.7– 1.8К4 с природоподобными профилями лопаток рабочего колеса OVP100 ТН, отличающимися максимальным смещением точки максимальной толщины профиля к его входной кромке и участком постоянной толщины, соответствующим нулевой локальной циркуляции ускорения.
Указанная вентиляторная установка обладает удельной энергоэффективностью e=0,79, что на 13 % превышает энергоэффективность наиболее совершенных аппаратов воздушного охлаждения газа и нефти французской фирмы «Krezo-Luar», являющейся мировым лидером в данной отрасли.
Подобный принцип проектирования турбомашин с использованием критериев природоподобия может быть применен при «модернизации» существующих шахтных турбомашин. За счет представленных принципов с использованием информационных систем и наноматериалов возможно обеспечение оптимального перераспределения давления по профилю лопаток турбомашин. Заменяя тем самым машущее крыло птицы.
Перспективы природоподобного.
Природоподобные технологии – это, возможно, «новая парадигма развития цивилизации, принципиально новый подход к формированию техносферы в целом».
Потенциал природоподобных технологий в теории безграничен, его возможности могут превзойти даже атомно-космический проект.
Важнейшим приоритетом государства в этой связи должна быть поддержка формирования новых индустрий и типов бизнеса на базе современной экосистемы трансфера технологий, создаваемой институтами и инфраструктурами коммерциализации инновационных разработок на рынки.
Конвергентные технологии должны всесторонне развиваться в интересах общества, бизнеса, сферы образования и науки.
Экономия энергоресурсов, снижение экологической нагрузки, повышение качества жителей планеты в целом – все это выйдет на новый, более качественный уровень.