Фантастические фильмы любят все: так, сага «Звездные войны» полвека притягивает внимание миллионов фанатов. Но о том, как воплотить в жизнь нарисованное на экране, как сконструировать неведомые доселе летательные аппараты, задумываются единицы. Это и есть настоящие ученые. Один из них – профессор кафедры горной механики Уральского государственного горного университета Владимир Макаров – рассказал о своих разработках в спецпроекте «Ума палата» об уральских ученых, которые меняют мир к лучшему, созданном объединенной редакцией «ФедералПресс» и GlobalCity при поддержке АНО «ИРИ».
Природоподобная соразмерность
Ваши разработки связаны с вентиляцией горно-металлургических и нефтегазовых комплексов, что актуально в нашем горном краю. Расскажите, в чем новизна технологии?
— У меня много патентов на изобретения – уже за 90. Все они проходят через рецензируемые статьи, которых около 300. Схема такая: по техзаданию заказчика, инвестора либо в рамках государственного гранта мы проводим научные исследования, патентуем результат, разрабатываем проектную документацию и публикуем в рецензируемых научных журналах. За рубежом используется ряд моих патентов. Полученный в 2023 году способ повышения эффективности сушки минералов в тепломассообменных аппаратах находится в Лондонской публичной библиотеке.
Это принципиально новый подход к процессу сепарации и теплообмена. Там происходит примерно то же самое, что в установках квантовой механики, токамаках, где плазму держат магнитным полем. Здесь уровень другой, но есть природоподобная аналогия. Мы заменили процесс взаимодействия в двухфазной среде газа и твердой частицы на взаимодействие в однофазной среде. Вокруг частицы создаем присоединение вихри, и в результате, с одной стороны, мы можем эффективно сепарировать частицы, что повышает экологичность процесса, а с другой стороны, увеличиваем эффективность теплообмена. Ну, это упрощенно.
Я дошел до понимания реальных физических процессов – оказывается, все едино и в квантовой механике, и в классической, если это рассматривать с точки зрения общей философии науки для обывателя. Этот подход называется конвергентным и базируется на природоподобной соразмерности. Тем, как эффективно использовать природоподобие в науке и технике, я активно занимаюсь последние пять лет.
Мною была высказана гипотеза, что циркуляция ускорения, то есть энергия вихря в каждой точке взаимодействия газообразной среды, в частности воздуха, с техногенным объектом, например с лопаткой турбомашины, крылом самолета, минералом в шахтной печи, должна стремиться к нулю, как и в природе. Мы нашли способ проверить эту гипотезу, верифицировали ее, что позволило нам создать принципиально новый профиль лопасти вентилятора. И сейчас аппараты воздушного охлаждения имеют КПД вместо 0,6 – 0,82
На базе этой гипотезы нами разработан радиально-вихревой прямоточный газоотсасывающий вентилятор, отличающийся высокой адаптивностью и увеличенной в 1,5 раза аэродинамической загруженностью.
Например, мы сотрудничаем с компанией из Казахстана – лидером по производству асбеста в мире, треть рынка принадлежит им. Они 10 лет бились с проблемой, как повысить энергетическую и экологическую эффективность шахтных печей сушки хризотил-асбестовой руды. У них были китайцы, заходили американцы – ничего не получается. Кто-то услышал обо мне, об идеях природоподобия. Пригласили меня. Я походил, посмотрел. А там 10 печей стоит высотой с 15-этажный дом. Осмыслил, как идет процесс. Организовали совещание. Сидят серьезные люди – слушают. Ребята, проблема-то вот здесь, объясняю им. Они озадачились, понимаете: им надо было принять решение, потому что достаточно большие капитальные затраты – переделать саму печь, а не «Циклонами» [аппаратами очистки руды] заниматься. И в процессе диалога они поняли, что мне самому интересно получить результат, не деньги, и согласились. Это был декабрь 2022 года, и в конце 23-го года мы уже включили эту печь. Теперь они в год экономят почти 5 миллионов кубометров газа, 600 тысяч киловатт электроэнергии, и у них уже в 35 раз уменьшился выброс пылевых частиц асбеста. Это и есть классический принцип природоподобного подхода к тепломассообменному оборудованию, когда в печи одновременно сушится руда и сепарируются частицы пыли, дополнительно увеличивая выход готового продукта. Фактически на первом этапе происходит сушка руды и создание пыли, а на втором этапе идет «борьба с пылью». Эта разработка, то, что она превзошла все ожидания, реально окрылила меня на десятки лет, дала стимул двигаться дальше!
От Европы до Китая
Насколько широко географическое распространение ваших изобретений?
— Могу сказать, что на сегодня нет ни одной газообильной шахты в Евразии, где бы не стояли мои газоотсасывающие вентиляторы. Когда я защитил докторскую, уже было 600 с лишним вентиляторов выпущено. А это 2006 год. Вот каталог 2016 года. Сегодня ничего не изменилось – их регулярно выпускают. Езжайте в Китай, езжайте во Вьетнам – куда угодно, везде, где расположены газообильные шахты, эти газоотсасывающие вентиляторы стоят. Их особенность в том, что они откачивают 100% метана, а обычная вентиляция только 1%.
Летать, как птица
Есть ли какие-то новые проекты или идеи, над которыми вы работаете, и к чему бы вы хотели прийти в будущем?
— Иногда думаю – вот огромный карьер, полкилометра глубиной. Если правильно построить устройство в виде трубы, можно, используя энергию вращения Земли, создать устойчивую целенаправленную систему присоединенных вихрей, создающих по аналогии с «управляемым торнадо» достаточную депрессию для очистки карьера от пыли. Мы с математиком Сергеем Баутиным проводили модельные испытания вихревой трубы для создания устойчивой депрессии за счет использования энергии вращения Земли и создали математическую модель.
А вторая, которую я обязательно реализую: природоподобный профиль для крыла самолета. Представьте, летят самолет и птица. В чем у них отличие? Траектория птицы меняется за счет того, что перья раскрываются, и нет отрыва крыла от воздушных вихрей.
Если самолет взлетает, что происходит? Предкрылок, закрылок, еще какие-то железки.
А что такое природоподобный профиль? Это когда, как я вам сказал, встречаются однофазные среды, газ и газ. Так вот, технология такая примерно: внутрь профиля крыла подается под давлением газ от двигателей. На профиле сплошные перфорации. И через них этот газ выходит. И вот направления этих струй соответствуют аэродинамике. Если к этому мы подключим искусственный интеллект, который посчитает каждую оптимальную точку перфорации, что обеспечит функцию сведения ускорения циркуляции к нулю, мы получим энергоэффективный профиль крыла, который при любом угле будет иметь максимальный КПД. И это позволит значительно сэкономить затраты топлива.
Напечатаем на 3D-принтере, будем испытывать эти профили. Я хочу сделать действующую модель и в аэродинамической трубе всем показать: вот она, смотрите! Пожалуйста, делайте новые самолеты!
Полученные результаты помогут существенно повысить энерговооруженность и маневренность БПЛА и коптеров.
Турбина для испытаний
Путь в науку – от производства
В какой момент своей жизни вы решили связать ее с наукой и почему вас привлекло именно это направление?
— Меня еще в школе интересовала авиация, отец какое-то время служил военным летчиком. Хотел пойти по его стопам, но мне друзья подсказали: займись наукой.
Я поступил в авиационный институт в Куйбышеве. Получил красный диплом и попал в фирму Королева. Фирма «Прогресс», она известна, делает ракеты-носители. Но давайте честно, у каждого человека есть амбиции. В тот период я считал, что в такой фирме, где только проектами занимается порядка 15 тысяч человек, а в целом на заводах порядка 120 тысяч, я растворюсь.
И я решил начать с малого. Родители жили недалеко от Артемовского, где вентиляторный завод, я пошел туда. Это ведь та же аэродинамика. И приехал на Урал. В 1984 году сделал кандидатскую.
Мои кандидатская и докторская шли от производства. Сначала пошла продукция. На момент защиты докторской уже 600 вентиляторов работали. Это наиболее эффективный вариант, я считаю.
Потом началась приватизация. Я погрузился во все эти длительные бизнес-процессы. Но считаю, что это было не мое. И с 1992 по 2003 мне было не до науки.
Хотя в это время я сделал подготовку для докторской, но это был просто результат тех работ, которые я до этого выполнял. У меня на заводе была первая в России лицензированная по британскому стандарту лаборатория. Огромная аппаратура аэродинамическая, построенная еще при социализме, я просто ее до ума довел. Все свои разработки до 2013 года я оттуда черпал.
Жизнь так сложилась, что я перешел в вуз, но я рад этому, это и есть мое. Правда, опять же с 2006 по 2016 год меня ректор попросил стать проректором по инновационной работе. И 90% времени я тратил на организационную работу. Мы были вторыми после УРФУ в нашем регионе с точки зрения малых инновационных предприятий, у нас их было больше 20, получали много грантов, все это было очень сложно. И науку я делал только по нужде, там 2–3 статьи в год. В 2017 году у нас прошли небольшие изменения в вузе, да и возраст уже. И вот с этого момента уже с накопленными знаниями я начал переосмысливать философию науки. Много читал в интернете, ездил, беседовал. И занялся аппаратами воздушного охлаждения. А поскольку уже был большой опыт, достаточно быстро выстрелили эти аэродинамические схемы. И сегодня, когда мне 70 лет, я считаю, что у меня наступил самый счастливый период в жизни.
Уральские институты развития
В Свердловской области действуют университеты, признанные на международном уровне. Как вы думаете, почему уральская земля считается плодотворной для научных открытий?
— Екатеринбург – в нем сконцентрирована тяжелая промышленность, есть определенная концентрация ученых – вузы, Уральское отделение РАН. И это уже само по себе позволяет делать открытия, результаты. Как и в квантовой механике, происходит переход количества в качество.
Нужно собрать в одном месте заказчика – того, кому что-то надо, и тех, кто может создать, изобрести. Только тогда возникнет нужный результат. Если этой концентрации недостаточно, сколько вы ни принимайте постановлений и решений – толку не будет.
Нужен бизнес, который бы хотел иметь реальную прибыль за счет инноваций как источника формирования нового технологического уклада, роста производительности труда, а не за счет интенсификации и в ущерб качеству. У нас есть институты развития, есть серьезные деньги, которые дают как инвестор, так и государство, прекрасно понимая, что именно сюда их надо.
На Урале эта школа еще перед Великой Отечественной войной начала формироваться – металлургическая, биохимическая, машиностроительная школа.
Как стать ученым?
— Во-первых, фактор трудолюбия должен быть. Второе – надо быть в меру коммуникабельным. И третье: если хочешь достичь каких-то результатов, ты должен понимать, что ты за это что-то все равно отдашь в жизни. И ты не должен об этом сожалеть. Понимаете?
У меня много было падений и ошибок. Они не были связаны с наукой, но они направили меня в нужное русло. Как говорил Форд, это ступенька к следующему успеху в любом случае. Кто такой эксперт или ученый? Это человек, который совершил максимум ошибок на данный момент.
А вообще, по-моему, Пушкин сказал: «Чтобы быть успешным, надо быть счастливым». Если ты не счастливый, у тебя не будет результатов, поверьте мне. Только наличие какой-то конкретной задачи, о которой ты точно знаешь, что получишь результат. И пусть на пути есть трудности – они решаемы. Вот это все в сочетании с тем, что у тебя крепкий тыл, семья, где тебя ждут. Не понимаю, как можно ходить на работу, как на каторгу.
Я рад, когда коллеги достигают успехов. Почему? А потому что я у них научусь. А другие, наоборот, завидуют. Говорят: «Зачем ты всех помощников включаешь в патенты, в том числе студентов?!».
Я отвечаю: может быть, обо мне потом вспомнят. Ну а студента включаю – может, замотивирую наукой заниматься. Чем больше ты даешь, тем больше ты получаешь. Это не пустые слова, поверьте мне.
Успех и счастье внутри каждого из нас, в разумном сочетании понимания основ науки, искусства и религии, как основных составляющих познания себя и мира.
Фото: ФедералПресс / Антон Федулов
