У лаборатории ударно-волновых воздействий Объединенного института высоких температур РАН есть огромные склады, забитые взрывчатыми веществами, и специальные взрывные камеры, в том числе самая крупная в мире, высотой с трехэтажный дом. Когда в ней что-то взрывают, во всех корпусах института дрожат стекла — от небольшого локального землетрясения, рассказывает руководитель лаборатории доктор физ.-мат. наук Александр Долгобородов. Недавно он был удостоен одной из самых престижных наград в своей области — почетной медали имени Б.Е. Гельфанда. Воспользовавшись этим поводом, мы поговорили с ученым о его лаборатории.
У обывателя взрывы привычно ассоциируются, в первую очередь, с войной и терроризмом. Но доктор Долгобородов быстро развеивает этот стереотип: изучение ударно-волновых воздействий имеет широчайший спектр мирных применений. «Бомбы мы здесь не изготавливаем. Конечно, военные задачи отчасти служат толчком для исследований. Но даже начиналась наука о взрывах с задач исключительно гражданских», — говорит ученый.
— Расскажите, пожалуйста, о вашей лаборатории
— У нас одна из самых больших лабораторий в Институте по количеству сотрудников, оборудования тоже очень много. Основное направление наших исследований — ударные волны в конденсированных средах и детонация.
— А что это, если говорить простыми словами, что вы изучаете?
Я отвечу так, как объяснял мне в свое время мой учитель. Представьте, что вы маленький комарик, а ударная волна распространяется снизу вверх: вам оторвало ноги, а вы этого еще не знаете. Так вот это сверхзвуковой процесс — вещество перед ударным фронтом не знает, что на него уже надвигается ударная волна. Информацию вещество получает за счет фононов, которые распространяются со скоростью звука, в воздухе это 300 м/с, в металле — до 5 км/с. А для ударных волн, которые мы создаем с помощью взрывчатых веществ, различных ускорителей, характерны скорости до десятков километров в секунду, то есть сверхзвуковые.
В то же время ударная волна способна вызывать физико-химические превращения вещества, это одна из наших основных тем. Допустим, у вас есть твердое вещество, во время взрыва оно превращается в газ, практически моментально, со скоростью детонации. Это очень быстрые процессы, быстрые изменения в веществе, которые мы должны зафиксировать. Ведь именно эти горячие, быстро расширяющиеся газы производят работу во время взрыва, и мы должны хорошо понимать, как это происходит.
Сложность заключается в том, что это действительно очень быстрые состояния, они длятся миллионные доли секунды. А если мы хотим еще и структуру этого процесса изучить, то нужно работать на уровне наносекунд. Это значит, что нужно иметь аппаратуру и методы, чтобы исследовать эти быстрые состояния. Если обобщать, то мы изучаем структуру ударно-волновых процессов и способы управления ими.
— Какие есть способы повлиять на этот процесс?
— Например, добавить что-то в вещество, чтобы повысить энергосодержание взрывчатого вещества. Допустим, добавили алюминий — повысилась температура продуктов взрыва, то есть получится более мощная ударная волна и затухающая на меньшем расстоянии от места подрыва. Добавляют для этого наночастицы, для этого есть несколько методов. По сути, добавляя наночастицы, мы увеличиваем суммарную поверхность, а значит, окислителю легче достигнуть материала, который горит.
Еще один способ повлиять на процесс — механохимические методы, это область непосредственно моей научной работы, а проще говоря, это когда мы вызываем химическую реакцию с помощью механического воздействия. То, что уже тысячи лет известно — взять в ступке и перетереть вещества. Так, например, с древних времен производился черный порох: селитра с углем и серой смешивались в мельнице с определенной скоростью. Вещество перемешивается и измельчается, снова увеличивается поверхность. Саму химическую реакцию мы изменить не можем, но мы можем значительно увеличить ее скорость. Сейчас мы занимаемся термитными смесями — это то вещество, которым покрыт, например, бенгальский огонь. Только мы делаем так, что оно не медленно горит, а взрывается.
— Где используются результаты этих исследований?
— Прежде всего в горной промышленности. Она без взрывчатых веществ жить не может. Вам нужно раздробить какую-то твердую породу, чтобы вывозить руду и ее измельчать. Нет более эффективного метода, чем целенаправленный взрыв. А в нашей самой большой взрывной камере мы изучаем взрывы газа. К примеру, так мы можем смоделировать взрыв метана в шахте, в лаборатории такие условия не воспроизвести.
Но мы помним о том, что ударная волна производит в веществе различные химические изменения. В частности, приводит к фазовым превращениям. Допустим, был у вас углерод в виде графита, вы воздействовали на него, и у вас получился алмаз — так и вправду можно получить алмазы, хоть и очень мелкие.
Еще одно применение — создание новых материалов. Допустим, у вас есть никель и алюминий. Если сделать из них интерметаллит, то он будет обладать новыми свойствами: термостойкость, легкость, высокая прочность. Получить его можно разными способами, взрыв — довольно простой способ. Засыпаем два порошка в специальную емкость, даем взрыв, ударная волна заставляет перемешиваться вещества, происходит химическая реакция, и мы получаем новый материал. Это отдельная область, ударно-волновая химия, которая была очень развита у нас в Советском Союзе. Тогда, например, ударной волной упрочняли железнодорожные стрелки и много других применений было у этих исследований. Можно ковать долго-долго, а можно поместить взрывчатый заряд, подобрать условия, и одним ударом мы упрочним материал.
Могу еще привести пример из космической отрасли. Есть довольно много задач, где нужно одноразовое применение: нужно один раз открыть антенну или отстрелить ступень. Не потащишь же в космос электродвигатель, вот для этих задач используются взрывы нужных характеристик.
— Тем мальчишкам, что во дворах все пытаются что-то взрывать — им, видимо, к вам надо идти работать.
— Да, так и есть. Я и сам был таким мальчишкой…
