Материалы портала «Научная Россия»

От нано до велика

От нано до велика
Сегодня мы  расскажем о старейшем в азиатской части России техническом вузе – Томском политехническом университете (ТПУ). На этот раз наш путь лежит в Институт физики высоких технологий (ИФВТ). Технологии здесь разные, от наноразмерных, до космических.

Институт физики высоких технологий создан в Томском политехе 1 июня 2010 г. на базе научно-исследовательских лабораторий НИИ высоких напряжений и кафедр электрофизического, машиностроительного, химико-технологического факультетов и факультета естественных наук и математики. Возраст большинства из них уже перевалил за 100 лет.


Гроза в стакане
Думать надо о великом, это мы знаем. В лаборатории № 12 ИФВТ ТПУ думают о будущем всего человечества. Официально направление, в котором работают сотрудники лаборатории, называется «Исследование природы активации физико-химических процессов и веществ в импульсном электрическом разряде». Грубо говоря, ученые берут какой-то материал, хоть твердый, хоть жидкий, хоть газообразный, и воздействуют на него электричеством. В результате получается много интересного и полезного.
Одна из главных проблем, стоящих сейчас перед человечеством, – нехватка питьевой воды. Объем пресной воды в общем планетарном запасе составляет всего лишь 3,5%, и эта доля постоянно сокращается. За период, в течение которого число людей, проживающих на планете, выросло в три раза, объем потребляемой ими пресной воды вырос в 17 раз! По некоторым прогнозам, за ближайшие десять лет этот показатель увеличится еще втрое. Поэтому пора бить тревогу. И ее бьют. Различные проекты предполагают перенаправление крупных рек, создание плавучих ядерных опреснительных установок, буксировку айсбергов... А вот ученые из 12-й лаборатории предлагают нечто другое.

Установка для обеззараживания и очистки промышленно-бытовых сточных вод импульсным электронным пучком

Установка для обеззараживания и очистки промышленно-бытовых сточных вод импульсным электронным пучком

- Если быть честным, – рассказал нам старший научный сотрудник, ведущий инженер лаборатории Михаил Борисович Хаскельберг, – мы фактически подглядели все у природы, поскольку она все делает правильно. Мы просто воспроизвели в лабораторных условиях процесс естественной очистки. Получилась такая незатейливая, но очень эффективная, энергоэкономичная и экологически чистая технология.
Ученые назвали свою установку для очистки воды «Импульс». Происходящий в ней процесс выглядит примерно так: после предварительной грубой очистки с помощью самых обычных механических фильтров вода распыляется в аэрационной колонне наподобие мелкого моросящего дождика. Капли воды, попадая в зону электрического разряда, обрабатываются сопутствующими ему факторами: ультрафиолетовым излучением, озоном, гидроксильными радикалами, атомарным кислородом и т.д. При этом растворенные в воде загрязнения «слипаются» и превращаются в видимые частички, а микроорганизмы просто гибнут. Вода, разумеется, мутнеет, но только до момента окончательной фильтрации. Комки «грязи», включающие не только различные химические компоненты, но и убитые бактерии, легко отсекаются механическими песчаными фильтрами. В отличие от опреснительных установок, «Импульс» производит именно питьевую воду, в которой сохраняется оптимальный для человека солевой состав. Раньше такое «комкование» производили с помощью специальных реактивов, но это было отнюдь не безопасно, поскольку химреактивы не улучшают питьевые свойства. В более качественных установках воду озонировали, но применение разряда позволило вовлечь в процесс кроме озона другие полезные факторы. Да и по соотношению «цена/качество» «импульсная» обработка оставляет все другие способы далеко позади.
- Наша установка чрезвычайно ресурсоэффективна. – М.Б. Хаскельберг дает нам по стакану кристально чистой воды, еще недавно бывшей мутно-бурой. – Для обработки одного кубометра требуется всего 50 Вт/ч. Обычная лампочка потребляет больше. А себестоимость кубометра очищенной воды составляет порядка 30 центов. То есть литр стоит примерно одну-две копейки.

Человеку на сутки требуется порядка трех литров питьевой воды, в год получается примерно 1,1 тыс. л. Согласитесь, даже если взять верхнее значение, 22 рубля за годовую порцию питьевой воды, – это совсем не дорого.
Водоочистной комплекс Томского политеха может готовить воду не только для питья, но и для других нужд: бытовых, медицинских, производственных. Специалисты ИФВТ ТПУ уже выпустили более 120 «Импульсов», которые сегодня работают в разных частях России, в Китае и Германии. Комплекс собирается по модульному принципу, поэтому максимальная его производительность может быть ограничена разве что потребностями заказчика. Он активно используется в северных регионах страны: в Ямало-Ненецком, Ханты-Мансийском автономных округах, на севере Томской области, на Алтае. Кто жил в этих местах, знает, что органолептические показатели воды, вкус, запах, цвет, там, мягко говоря, оставляют желать лучшего, а содержание железа, марганца и органических загрязнителей часто превышает предельно допустимые нормы в несколько раз. Но стоит только один раз прогнать местную воду через искусственную томскую грозу, как все меняется кардинально. И всякому вкусившему впору почти в унисон Корнею Чуковскому продекламировать:
И в ванне, и в бане,
Всегда и везде –
Вечная слава томской воде!

=================== ИФВТ ТПУ: коротко о главном ===============

Научно-педагогический состав ИФВТ насчитывает 230 научных сотрудников, в том числе пять академиков и членов-корреспондентов РАН, 60 докторов, 130 кандидатов наук.

Среди преподавателей и ученых: лауреат Нобелевской премии Дан Шехтман (Израиль), Йиндрих Мусил (Чехия), Игорь Севостьянов (США), Валентин Попов (Германия), Юджин Эл Олевски (США), Элазар Гутманас (Израиль), Владимир Углов (Белоруссия), Сундер Рамасуббу (Индия) и др.

Только за последние пять лет центры и кафедры ИФВТ были оснащены современным лабораторным и технологическим оборудованием на сумму более 1 млрд руб. В своей работе ученые института используют просвечивающий электронный микроскоп, трехмерный лазерный виброметр, оборудование для световых и спектральных измерений, ресурсных циклических испытаний. Многие уникальные установки разработаны и собраны в стенах ИФВТ. Среди них - оборудование для электронно-лучевого и лазерного сплавления, 3D-принтер для печати непрерывно армированными полимерами, установки на базе импульсных ускорителей и другое.

Студенты проходят практику на ведущих российских и зарубежных предприятиях, в частности в Авиационной холдинговой компании «Сухой», АО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева, Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева, Концерне радиостроения «ВЕГА», ОАО «Дальневосточный центр судостроения и судоремонта», ОАО «Газпром», ОАО «Камаз», Nissan Motor Co., Ltd. (Япония), Lafarge SA (производитель строительных материалов, Франция) и многих других.

 

Взорвать в порошок
За окошком в установке металлическая проволока активно превращается во множество рассыпающихся искр. Такое бывает разве только при электросварке и при коротком замыкании. Но если замыкание – это аварийная короткотекущая ситуация, а при электросварке искры – побочный, нежелательный, а порой и опасный эффект, то в 12-й лаборатории ИФВТ ТПУ электрическое горение проволоки, а точнее ее электрический взрыв, может продолжаться часами, искры же — это и есть основной, желанный и дорогой продукт.

Получаемый в 12-й лаборатории мелкодисперсный порошок нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т

Получаемый в 12-й лаборатории мелкодисперсный порошок нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т

- Это другая сторона деятельности нашей лаборатории, – рассказывает научный сотрудник Владимир Вилорьевич Ан, – использование процесса электрического взрыва проводников, разрядной эрозии металлических материалов для получения нанодисперсных частиц размерами около 100 нм. Идея создания установки родилась почти случайно. Если взять сам процесс, электрический взрыв проводников, то его история насчитывает несколько веков. Еще на стыке XVIII–XIX вв. Майкл Фарадей впервые обнаружил, что при приложении к проводнику напряжения происходит его взрывное разрушение. Электрический взрыв – фактически мгновенное введение в проводник очень большой энергии высокой плотности. В результате получаются частицы, которые сохраняют в себе эту высокую энергию в метастабильном состоянии и при этом имеют высокую химическую активность. Процессы в них по отношению к обычным материалам ускорены в несколько раз. Наша установка позволяет получать такие материалы быстро и в больших количествах.
Установка «УДП-150» работает следующим образом. От высоковольтного источника питания заряжается емкостной накопитель энергии. Механизм подачи проволоки обеспечивает автоматическую установку взрываемого отрезка между двумя электродами. Как только он занимает нужное положение, происходит разряд накопителя на этот отрезок, отчего проводник взрывается, рассыпаясь на множество огненных металлических крупинок. Образовавшийся порошок собирается в накопителе, пассивируется и поступает на дальнейшую переработку. Взрывная камера, дабы разогретые до тысяч градусов нанокрупицы не вступили в ненужную реакцию, заполнена инертными газами, преимущественно аргоном.
Производительность установки «УДП-150» варьируется от 50 г в час для алюминиевой проволоки до 80 г для вольфрамовой и 100 г для медной.
- Такой нанопорошок, – продолжает свой рассказ В.В. Ан, – применяется для уменьшения трения и износа различных деталей механизмов и машин. В этой области сейчас получены очень хорошие результаты. Мы используем наши материалы для модифицирования известных смазок и сами делаем прототипные смазки, которые позволяют существенно снижать коэффициент трения и степень износа. Это происходит за счет использования нанослоистых частиц дисульфида вольфрама и молибдена, которые мы получаем. Они могут снижать коэффициент трения в паре до минимальных значений - порядка 0,02. А наночастицы меди позволяют использовать эффект металлоплакирования, когда частицы фактически «залечивают» трещины и царапины, которые возникают при трении. Это такой «ямочный ремонт», когда изъян заполняется пластичным материалом. Мы добивались фактического снижения износа на 98%. Это имеет огромное значение, особенно при использовании большегрузной техники, такой как карьерные самосвалы.

============== Гарант износостойкости ===================

Сегодня созданный в лаборатории № 12 ИФВТ ТПУ на основе полученных взрывным методом нанопорошков препарат «Гарант-М» (патент РФ № 2054030) позволяет:

увеличить ресурс работы двигателя в полтора-два раза;

восстановить компрессию в цилиндрах двигателя до 20%;

облегчить запуск и уменьшить шумность работы двигателя.

Препарат прошел эксплуатационные испытания на автомобилях АЗЛК, ВАЗ, УАЗ, ЗИЛ, КамАЗ, МАЗ, ЛиАЗ, БелАЗ, «Икарус» грузоподъемностью от 27 до 180 т.

 

Кроме того, металлические нанопорошки прекрасно показали себя как активаторы спекания. Добавка в спекаемую шихту от 0,1 до 5% позволяет существенно снизить температуру спекания материала, повысить характеристики изделий, а также снизить требования к чистоте исходного сырья.
И уж совсем экзотическим выглядит изготовление черного магнитного порошка для дактилоскопии. Полученный из железа, обладающий магнитными и «проявляющими» свойствами, он замечательно выявляет папиллярные линии в следах, оставленных на поверхностях многих материалов даже месяц назад.
- Вообще, применений у наших нанопорошков может быть множество, –подключается к разговору старший научный сотрудник 12-й лаборатории Сергей Петрович Журавков, отвечающий за работу установки. – Нами уже найдено порядка 10–15. Порошки могут выступать как носители новых свойств, с одной стороны, или в качестве катализаторов процессов – с другой. Уже опробовано применение оксидно-гидроксидных фаз алюминия в качестве сорбентов для очистки воды от ионов тяжелых металлов, от микробиологических загрязнений – бактерий и вирусов. Найти практические применения, которые были бы востребованы нашей современной жизнью, – самое сложное. Но и самое важное.

Инженер-исследователь лаборатории № 1 Михаил Журавлев электрическими разрядами легко очищает металлы от грязи и ржавчины

Инженер-исследователь лаборатории № 1 Михаил Журавлев электрическими разрядами легко очищает металлы от грязи и ржавчины

Не плазмой, так разрядом
В лаборатории № 1 ИФВТ ТПУ чистят не только воду, но и металлы, а нанопорошки получают прямо из воздуха. О работе лаборатории нам рассказал инженер-исследователь Михаил Валерьевич Журавлев.
- Одно из направлений, в котором работает наша лаборатория, – электронно-ионные импульсные пучки. Применяются они в самых разных сферах. Вот здесь стоит ускоритель, который мы сделали по контракту с ООО «Газпром трансгаз Томск» для обеззараживания воды. Зараженная вода распыляется через форсунку и облучается электронным пучком. В результате убивается до 100% микробов - в зависимости от дозы облучения. Причем доза убийственна для микроорганизмов, но совершенно безвредна для человека. И это не единственное применение подобных ускорителей. Например, мы используем их для синтеза нанопорошков из газовой фазы. Наполняем газом реактор и воздействуем на него пучком. В зависимости от созданных в реакторе условий это активизирует нужные нам плазмохимические реакции, результатом которых становится выпадение нанопорошкового осадка. Так мы получаем нанопорошки оксидов титана, кремния, которые используют даже в пищевых красителях.
Еще одно интересное направление – использование ионных ускорителей для модификации поверхностей. Мы ставим на пути пучка мишень. Ионы в ускорителе разгоняются и врезаются в эту мишень. При этом идет нагрев поверхности мишени плюс сами ионы внедряются в поверхность, образовывая в ней соединения и твердые растворы. Совокупность факторов при ионной бомбардировке уникальна, другими способами ее достичь невозможно. Мы насыщаем поверхность нужными ионами, меняем структуру за счет очень быстрого охлаждения. Один из вариантов применения такой технологии – упрочнение инструментов. Возьмем резец. Он имеет большую массу, он холодный, объемный. У него поверхностный слой нагрелся, но за счет теплопроводности это тепло быстро уходит, перераспределяясь по всему объему. За счет таких быстрых отводов тепла мы можем добиться на поверхности очень мелкой структуры, вплоть до аморфной. Если мы отведем тепло очень быстро, то кристаллизации у нас не будет. Получится аморфное железо, у которого нет кристаллической решетки. Срок службы такого резца увеличивается минимум в два раза. А если его сверху еще покрыть алмазным напылением, то и больше. Для такого покрытия мы используем плазму – ионизированный газ. На любой поверхности всегда есть оторванные связи. Вот на эту связь мы сажаем один ион, к нему цепляем другой, третий, таким образом, покрытие у нас растет. Оно может быть самых разных толщины и структуры.
Очень перспективны процессы дуговой или искровой очистки поверхности металлов. Они даже по себестоимости выигрывают у абразивной или механической чистки. Чтобы очистить квадратный метр черного металла с толщиной загрязнения 10 мкм, нам требуется всего 1 кВт•ч. Конечно, у такого метода есть свои ограничения: он сильно нагревает поверхность, и поэтому с тонкими материалами его использовать нельзя, минимальная толщина - 4-5 мм. Если необходимые условия соблюдены, то по эффективности лучшего аналога нет. В искре температура может достигать 40 тыс. градусов. Мы работаем при 20–30 тыс. градусов, но разогрев происходит локально. Взяли поверхность, ударили по ней разрядом, она разогрелась, но до следующего разряда успевает остыть в этом месте, и следующий разряд опять бьет по холодному. Размер пятна кратера не превышает диаметра 300 мкм, это почти точка. Соответственно, такая обработка не может привести к пережжению поверхности, геометрическая форма остается неизменной. Глубина воздействия составляет порядка 10 мкм. В сущности, на поверхности происходит небольшой взрыв, получается большая ударная волна, которая за счет механического воздействия отслаивает ненужные наслоения, такие как ржавчина или старая краска.

Очень высокая печать
Одно из самых молодых подразделений института - Научно-образовательный центр «Современные производственные технологии». Ему еще только-только исполнилось полгода. Однако и за этот короткий срок его специалисты уже успели сделать довольно много.
Сам центр был открыт в мае, в рамках мегапроекта ТПУ «Материалы для экстремальных условий». Вот тут мы и подошли к тем самым космическим технологиям, о которых говорили в самом начале. Большие перепады температуры, солнечная радиация – все это требует от материалов и конструкций особой прочности и особых свойств. Основная задача центра - создание полного цикла аддитивного производства на базе современных отечественных разработок. Сегодня в центре работают 18 человек, из которых большая часть – аспиранты и молодые ученые, т.е. штат молодежный, а значит, работы в центре нацелены в будущее.

Инженер НОЦ СПТ Юрий Донцов за установкой 3D-печати армированными композиционными материалами

Инженер НОЦ СПТ Юрий Донцов за установкой 3D-печати армированными композиционными материалами

- Мы выделили и реализуем в нашем центре наиболее перспективные аддитивные технологии, – рассказывает директор центра Василий Викторович Федоров. – Это электронно-лучевое спекание, селективное лазерное сплавление и 3D-печать армированными композиционными материалами. Занимаемся мы и неразрушающим контролем полученных образцов на уникальном оборудовании с трехмерной визуализацией и автоматической обработкой результатов в реальном времени, разработанными в ТПУ. Совместно с Санкт-Петербургским политехом и Массачусетским технологическим институтом готовится распределенная магистерская программа в области аддитивных технологий.
Сейчас в центре проводятся опытные работы по заказу РКК «Энергия». Говорить о результатах пока рано, заказчик предъявляет жесткие требования, в соответствии с которыми готовятся опытные образцы.
Опять за стеклянным окошком – россыпь искр, только поменьше, чем в 12-й лаборатории. Но теперь там, в вакууме, порошок выступает не продуктом, а сырьем для 3D-печати. Мощность этого 3D-принтера на базе электронно-лучевой пушки – 4 кВт. Управляет установкой техник Юрий Кушнарев. Аппарат печатает металлические детали послойно, по 100 мкм каждый слой. Принтер спроектирован и изготовлен в ИФВТ ТПУ, конкретно под нужды центра. Все агрегаты кроме вакуумного насоса – местной сборки.
Рядом – другой агрегат. Рассказывает инженер центра Юрий Владимирович Донцов:
- Нами создана система экструдирования (выдавливания через специальное сопло) пластика, при этом в него добавляется армирующая нить. Сейчас у нас идет кевларовая. Она входит в композицию, и получается пластмассовая пластина, армированная кевларом. Тем самым прочность увеличивается во много раз. Можно сказать, мы получаем бронированный пластик. Делаем и более дешевый, но тоже очень прочный вариант со стеклонитью. Можно добавить и другие варианты под другие задачи, у каждого будут новые уникальные свойства.
Аппарат планируется использовать на борту орбитальной станции для изготовления в условиях невесомости простейших образцов новых материалов, которые будут испытываться уже на Земле. В окончательном виде космический вариант установки по размеру будет умещаться в небольшой чемоданчик.
Разработки Научно-образовательного центра «Современные производственные технологии» были представлены на авиакосмическом салоне МАКС-2015 в Жуковском. Там же были показаны и другие разработки ТПУ: компактный электронный ускоритель, роботизированный модуль ультразвуковой томографии, тепловой дефектоскоп для контроля качества корпусов самолетов, промышленный томограф. Обо всех этих аппаратах мы читателям уже рассказывали. А о чем не рассказали – расскажем в следующих номерах. Например, об уникальном учебно-исследовательском реакторе и о том, какую коммерческую пользу можно извлечь из потока нейтронов.

                                                                                                                                                           Подготовил Валерий Чумаков

3д-печать ифвт нанотехнологии очистка воды тпу

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий