В этой статье представлена расшифровка первой части подкаста "Космический вакуум: когда кругом глубокая пустота". В ней Григорий Тарасюк, специалист в области вакуумной техники, инженер-исследователь НИЯУ МИФИ, дал основные определения и рассказал о бытовых применениях вакуума.
Что же такое вакуум на самом деле?
Вакуум – это разреженная среда в некотором замкнутом пространстве. Существуют различные степени вакуума. Абсолютный вакуум –это величина недостигаемая. Абсолютный вакуум – это некий замкнутый объем, где нет ни одной частицы. А чтобы утверждать, что существует место, где нет ни одной частицы, нужно это место найти, исследовав каждую часть космоса на предмет его существования. Но опять же, если мы говорим о космическом вакууме, в зависимости от того, где он измеряется, его степень будет различна. То есть вблизи каких-то там комет либо небесных тел будет более высокое давление, подальше от них будет более глубокий вакуум с более низким давлением, поэтому все крайне, крайне относительно.
Представим такую ситуацию: летит, летит комета. Значит, мы сели на комету, решили померить вакуум на поверхности кометы – это будет одно давление. Потом мы подпрыгнули и померили, там будет немножко другое давление. Если мы от этой кометы уйдем на километр, это будет третье давление. А почему? На поверхности кометы может быть замороженный газ. В процессе, если комета пролетать будет возле каких-то теплых тел, этот газ начинает нагреваться, испаряться. И, соответственно, что мы будем иметь? Повышенное давление на поверхности.
В космосе есть вакуум в разной степени. А вот у нас на земле? Мы его создаем для разных штуковин, наверное. А для чего, зачем?
Ну на самом деле вакуум, как и вакуумные технологии, это такая штука, без которой вообще ни в одной сфере жизни невозможно обойтись в принципе. Как пример, мы начнем с самых простых бытовых вещей.. Например, шприц для инъекции –как один из методов создания вакуума. В принципе шприц –это шприцевой насос, то есть это вакуумный насос. Без него вы не сможете сделать ни прививку, ни вколоть какую-то инъекцию. Сейчас, если вы идете на анализы, то раньше забор крови делался с помощью шприца. То есть создается некое давление для того, чтобы забрать кровь у человека. Сейчас очень тяжело встретить место, где у вас возьмут анализ крови с помощью шприца. Сейчас же используются вакуумные пробирки (заранее откаченная пробирка), с помощью которой и происходит забор крови. Это самый простой и примитивный пример вакуумных технологий. Если мы возьмем, например, какие-то бытовые вещи: вакууматор –это прибор, с помощью которого производится вакуумирование продуктов еды. В магазине вы покупаете в вакуумной упаковке колбаску, нарезку, еще что-то там.
В домашних условиях многие продвинутые пользователи, люди, которые любят баловать себя всякими гастрономическими вещами, покупают себе вакууматоры и делают различные заготовки, также вакуумируют и пользуются дома. Домохозяйки очень любят вакуумные контейнеры, потому что в них очень долго можно хранить различную зелень, продукты. То есть это обычный контейнер, пластиковый, в котором есть, скажем так, канал, с помощью простого, опять же таки, вакуумного шприца откачивается воздух, вот, и продукты хранятся намного дольше.
Если мы возьмем более глубокие технологические моменты, то начиная от каких-нибудь советских радиоламп, в которых есть вакуум, заканчивая производством энергосберегающих ламп, где сначала все прокачивается на вакуум, потом запускается газ, который ионизируется и дальше светится.
Если мы возьмем автомобильную промышленность: начиная от вакуумных насосов, вакуумных усилителей и так далее, все точно также используется давным-давно. На самом деле вакуумным технологиям с каждым годом находятся все новые и новые применения.
В начале Вы упомянули, что есть разные степени вакуума. А какие?
Ну все очень просто: как я сказал, абсолютный вакуум недостижим. Глубина вакуума –количество частичек, оставшихся в данном объеме. Если мы не будем вдаваться в очень глубокие научные подробности, есть бытовой вакуум: вакууматор, вакуумные пробирки и так далее. Это самая низкая степень разрежения –форвакуум – 1-10 мбар давления. Бытовой вакуум, который достигается дома в прямом смысле слова. Это условное разделение, в принципе, вакуумом уже можно назвать сосуд с давлением в нем ниже, чем атмосферное.
Если мы в гору поднимемся, там же будет ниже давление, это тоже вакуум?
Нет, не совсем так, там уже более разряженная атмосфера, но вакуумом это нельзя пока еще назвать. Под атмосферным давлением принимается среднее по атмосфере Земли.
А где атмосфера Земли кончается?
Атмосфера Земли заканчивается там же, где и заканчивается слой на высоте 10-15 км от поверхности. Дальше находится более разреженная атмосфера, она уже не пригодна для дыхания. Если мы рассматриваем различные истребители либо самолеты, там есть замкнутая система воздухоснабжения и воздух из атмосферы не забирается.
А что идет после бытового вакуума?
Дальше уже идут более глубокие степени вакуума. На самом деле, все эти градации являются условными. Их создали, чтобы быстро оценивать какие-то установки либо технические процессы: до 10-3 мбар – форвакуум, 10-3÷10-7 –это уже средний вакуум, 10-7÷10-10 –это высокий вакуум, и все, что ниже 10-10 мбар – сверхвысокий вакуум. Насколько известно, глубже, чем 10-13 мбар степени вакуума на планете Земля не получали либо не смогли измерить его. Опять же, это тоже отдельная задача: измерить глубину вакуума.
А как его можно создать?
Для создания среднего, высокого и сверхвысокого вакуума используются довольно специфические вещи, специфические насосы. Для создания форвакуума используются более простые насосы: механические, которые могут создавать перепад давления между атмосферным и откачиваемым объемом, достигать давления 10-2 мбар. Это могут быть пластинчато-роторные, масляные насосы, могут быть сухие насосы, спиральные, винтовые.
Идеология работы любого механического насоса –создать разность давления между входным и выходным потоками различными методами. Это может быть лопатка насоса с масляным уплотнением, которая с огромной скоростью будет забирать воздух из откачиваемого объема. Это может быть мембранный насос, где мембрана довольно быстро колышется и создает перепад давления. Помимо нее есть входной, выходной патрубки и обратный клапан. При всасывании открывается один клапан, на высасывание – другой. Таким образом происходит перекачка воздуха от одного до другого конца мембранного насоса. Это может быть винтовой насос. В нем шнековая пара, кто не знает, что это такое, но разбирал мясорубку хоть раз в жизни – это винт, который подает мясо в мясорубке. Когда два шнека крутятся друг относительно друга с очень большой скоростью, образуется разность давления на входе и выходе, так достигают вакуума определенной степени.
А что такое ионные насосы?
Это на самом деле очень интересные насосы. Кстати, довольно старая конструкция, впервые ими начали пользоваться в 30-х или 40-х годах. Принцип работы довольно простой и незамысловатый, но крайне интересный. Если быть более точным, насос называется магнито-разрядным, в нем происходит следующее. У нас есть некий материал, чаще всего титан, магниты и тоководы с высоким напряжением. Оговорюсь, что ионный насос не работает с атмосферным давлением. Для начала надо взять маломощный насос и откачать вакуумный объем, получить определенную степень разрежения, после чего подается высокий потенциал на токовод и загорается разряд плазмы, который начинает распылять, например, титан. При распылении титан захватывает молекулы азота, водорода и других газов, которые находятся в вакууме, потому что, как мы говорили, абсолютного вакуума не существует. Титан захватывает и осаждается в виде тоненькой пленочки на поверхности самого насоса.
А почему происходит осаждение?
Все очень просто. При распылении материал летит со стеночки на стеночку, сталкиваясь с другими частицами. При столкновении он «зацепляет» эти частицы и осаждается на стенках. Таким образом, количество молекул газа становится меньше и меньше.
Записала: Деримедведь Д.
Читайте продолжение, часть 2 и часть 3, в нашем блоге, слушайте этот и другие подкасты на ЯндексМузыке, во ВКонтакте или на удобной Вам платформе.
#инженерный_подкаст
#все_ответы_в_науке_МИФИ
#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
