Материалы портала «Научная Россия»

Звездное небо и нравственный закон

Журнал "В мире науки" о фундаментальном научном эксперименте, позволяющем сделать прорывные шаги в материаловедении, без чего развитие промышленности, биотехнологий, энергетики и медицины сегодня невозможно
Название изображения

Серией мощных взрывов, моделирующих процессы, происходящие в толще земных пород и внутри планет-гигантов, завершили уходящий 2016 г. президент РАН академик Владимир Евгеньевич Фортов и его коллеги. Предновогодний салют мощностью в миллионы атмосфер и несколько сот тысяч градусов невозможно вообразить себе нигде, кроме как на научном полигоне Института проблем химической физики РАН. Это фундаментальный научный эксперимент, позволяющий сделать прорывные шаги в материаловедении, без чего развитие промышленности, биотехнологий, энергетики и медицины сегодня невозможно.

Первый взрыв был организован сотрудниками лаборатории реологических свойств конденсированных сред при импульсных воздействиях ИПХФ РАН. Как пояснил профессор Сергей Владимирович Разоренов, заведующий лабораторией, существует она в составе отдела экстремальных состояний, основатель и научный руководитель которого — В.Е. Фортов.

Экстремальным называют состояние вещества, когда оно находится в условиях, совершенно невозможных в нашей обычной жизни. — при сверхвысоких давлении и температуре, достижимых путем очень сильного сжатия. Интересно, что абсолютного мирового рекорда такого сжатия — 100 млн атмосфер— недавно достигли российские физики из Федерального ядерного центра РАН в Сарове Нижегородской области. Подобные условия могут существовать в тысячах километров под нашими ногами, а также очень далеко в космическом пространстве, вблизи сверхновых или черных дыр. На поверхности нашей планеты такое состояние достижимо лишь с помощью специальных высокоточных экспериментов. «В отделе мы можем генерировать состояния, когда вещество и качественно меняет свои свойства, и даже может превращаться в плазму», — говорит С.В. Разоренов.

Профессор С.В.Разоренов

Профессор С.В.Разоренов

Зачем нужно это делать? Давно подмечено, что прогресс определяется прочностью материалов, которые человечество использует в своем движении вперед. Чем прочнее материалы, тем быстрее идет прогресс. Например, дамасская сталь, секрет изготовления которой передавался из поколения в поколение. По тем временам это была чрезвычайно прочная и дорогая сталь. Тогда у человечества не было электронных микроскопов, люди не знали, что происходит внутри материала, но эмпирически, путем многолетних экспериментов с материалом, поняли, как достичь такого качества.

«Сейчас это называется ЗD-ковкой или мультиковкой, — поясняет С.В. Разоренов. — Мы понимаем, что происходит с веществом внутри. Методы интенсивной пластической деформации позволяют получать широкий круг металлических материалов с гораздо более высокими прочностными характеристиками». Дело в том, что при сильной пластической деформации происходит измельчение внутренней структуры поликристаллических металлов — и это в разы увеличивает их прочностные свойства.

Название изображения

Жизнь в тротиле

«Сердце» лаборатории — взрывная камера, где экстремальные состояния достигаются с помощью энергии взрывчатого вещества. Эта работа началась еще в 50-е гг. прошлого века. Когда-то здесь был полигон по исследованию детонационных свойств больших зарядов. Такую работу невозможно было делать в центре Москвы, поэтому был найден военный полигон около подмосковной деревни Черноголовки. Именно вокруг этого полигона, который начал выполнять научные задачи, разросся научный центр, где сейчас базируется больше десятка институтов.

Взрывная камера, толщина стенок которой составляет 60 см, изготовлена из специального железобетона с наполнителем из гранитной крошки различной структуры. Сложно сказать, сколько килотонн тротила было тут взорвано за минувшие годы. Сегодня здесь работает множество научных групп, а вокруг камеры находятся ряд диагностических установок, помогающих исследовать свойства конденсированных сред и плазмы при экстремальных условиях

Одно из направлений исследований — реологические, или механические свойства вещества. Это прочность веществ при экстремальных условиях и скоростях деформирования, их упруго-пластические свойства, фазовые превращения при переходе из одного состояния в другое. Ведь если мы сильно сожмем вещество, оно может не только разрушиться — может измениться его кристаллическая структура.

«Скажем, если мы возьмем графитовый порошок и сожмем его примерно до 200 тыс. атмосфер, часть графита перейдет в алмаз, — рассказывает С.В. Разоренов. — Именно эти процессы происходят на большой глубине под землей».

Сегодня все знают о так называемых синтетических алмазах. Одно из направлений их получения — ударное сжатие. Это процесс с релаксацией различных параметров в веществе. В институте есть пилотная установка по производству таких алмазов — маленьких частиц размером всего в несколько микрометров. Ювелирное изделие такими не украсишь, лучшими друзьями девушек не назовешь. Но без них сегодня не может работать промышленность.

Название изображения

В эксперименте, свидетелями которого мы стали, исследовались механические свойства (прочность и характеристики упруго-пластического перехода) алюминия марки 5083 с ультрамелкозернистой, или наноструктурой: средний размер зерна в таком образце — порядка 400 нм. Это совместная работа ИПХФ РАН с Институтом физики металлов Уральского отделения РАН: там были изготовлены эти образцы и проведен подробнейший анализ их внутренней структуры после интенсивной пластической деформации. Ученые нагрузили образец ударом пластины со скоростью порядка 650 м/с. Это в два раза быстрее, чем скорость пистолетной пули. Иначе говоря, ультрамелкозернистый алюминий-5083 во время эксперимента должен сжаться под давлением порядка 100 тыс. атмосфер, а затем разрушиться. Но в течение нескольких десятков наносекунд он будет находиться в том самом заветном экстремальном состоянии, столь важном для ученых. В том и состоит смысл эксперимента— успеть зафиксировать это состояние, чтобы затем изучить. Для того чтобы такое стало возможным, исследователи используют самую современную диагностическую аппаратуру, в том числе так называемый доплеровский измеритель скорости с очень высоким пространственно-временным разрешением. 

В поисках братьев по разуму

Суть измерений в следующем. Когда ударная волна, которая генерируется при соударении двух тел, проходит по веществу, меняющему свою 

кристаллическую структуру или свойства, сама ударная волна тоже меняется. Именно по изменениям параметров ударной волны мы можем определить. что произошло с веществом при сжатии, а также посчитать все его характеристики. Лазерный доплеровский измеритель позволяет регистрировать полный волновой профиль, после анализа которого ученые получают всю информацию о веществе. Это очень ценно, потому что позволяет расширять наши знания о природе материального мира, в котором мы живем, а значит, и горизонт наших возможностей.

«Сегодня очень многие области человеческой деятельности— оборона, энергетика, в том числе атомная. — предъявляют крайне высокие требования к материалам, — подчеркнул академик В.Е. Фортов. — Материалы работают на пределе своих ресурсов. Есть общее в науке утверждение: чем выше температура и давление тепловой машины, тем выше коэффициент ее полезного действия и тем она более совершенна. Поэтому люди пытаются получить максимальные температуры, максимальные давления и использовать материалы, которые эти давления могут держать, с тем чтобы потом использовать их для создания технических устройств. А для этого мы должны знать, до какого предела материал может себя проявить и быть при этом стабильным».

Это то, что называется фундаментальной наукой. Вторая важная сторона дела— оборона. Здесь важно понимать, как оптимальным образом организовать взаимодействие стой или иной преградой, чтобы она держала импульсы нагрузки, не разрушаясь.

Третье направление исследований— астрофизика и в частности экзопланеты, которых сегодня открыто более 2 тыс. Это потенциальные претенденты на существование условий, подобных земным. Сегодня люди пытаются понять, как они устроены, может ли там существовать жизнь, как она образовалась и что она будет собой представлять. А чтобы все это понять, нужно уметь прогнозировать свойства вещества, понимать, как оно устроено изнутри. Причем не только в обычных

для нас условиях, но и при давлениях в миллионы. в миллиарды раз выше. Это знание дает также представление о том. как будет эволюционировать наша Земля, какое ее ждет будущее, как образуются полезные ископаемые, каковы оптимальные варианты эволюции человечества.

«Готов?» — «Готов!» — «Выстрел!»

Вообще ударная волна— это очень интересный физический процесс, напомнил В.Е. Фортов. Он был открыт около 100 лет назад, но применять его для исследования свойств вещества люди научились совсем недавно, около полувека назад. В такого рода исследованиях на лидирующих позициях находятся две страны. Это Россия, а именно Институт проблем химической физики РАН в Черноголовке. Объединенный институт высоких температур РАН и Федеральные ядерные центры в Сарове и Снежинске, и США. «Причем мы Америку обгоняем, и они это признают», — подчеркнул В.Е. Фортов.

О том. что дает эксперимент, ученые объясняли около часа: прежде всего информацию, как ведет себя алюминий-5083 при ударном нагружении, насколько его поведение отличается оттого, что он демонстрирует при обычных, статических условиях. Сфера использования алюминия — в первую очередь аэрокосмическая промышленность. Такой алюминиевый сплав очень прочен. «Его использование, — объясняет С.В. Разоренов. — может дать в том числе и экономию топлива, что крайне важно при нынешнем энергетическом и экологическом кризисе».

Еще один вариант использования таких материалов — медицина и биотехнология. По словам нашего собеседника, титановый шуруп, на котором крепился позвоночный диск олимпийского чемпиона Евгения Плющенко, сломался именно потому, что материал оказался недостаточно прочным. А будь этот шуруп из высокопрочного нанокристаллического титанового сплава, Плющенко мог бы получить золото, предположил С.В. Разоренов.

Узнали мы и о том. что в лаборатории занимаются не только инертными материалами, но и взрывчатым веществом, в том числе изучают так называемые суррогатные взрывчатые вещества, которые сейчас широко используют террористы. По словам В.Е Фортова. эта работа чрезвычайно актуальна: ученые подсказывают правоохранительным органам, как возможно избежать человеческих жертв и разрушений.

А вот сам взрыв длился буквально мгновение. «Владимир Евгеньевич, готов?»— «Готов!»— «Выстрел!»— и мы услышали мощный хлопок, донесшийся из взрывной камеры. Приборы, как положено. зарегистрировали ударную волну в виде стремительно бегущих кривых линий. Теперь ученым предстоит серьезная аналитическая работа.

Название изображения

Только в физике соль

А мы отправились на второй, еще более мощный взрыв, какой невозможно воспроизвести в условиях закрытого помещения, — для этого требуется целый полигон, спрятанный в заснеженном лесу. В.Я. Терновой, заведующий лабораторией экспериментальной теплофизики, доктор физико-математических наук, рассказывает, что полигон защищен от внешнего мира обваловкой — такие насыпные сооружения строили наши предки, когда возводили крепости. К нему ведет тоннель, а сама площадка окружена мощной железобетонной стеной, которой не страшна ударная волна, во время взрыва уходящая вверх.

На сей раз эксперименту подвергся газообразный водород, который предстояло многократно сжать и измерить его удельную проводимость. Для этого требуются давление порядка 15 млн атмосфер и температура до 11 тыс. градусов — параметры, которые обычному человеку сложно даже представить.

Название изображения

«Это важно еще и для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза, — заметил В.Е. Фортов. — Если ученым удастся зажечь термоядерную реакцию, которая идет на Солнце и благодаря которой, оно, собственно, и светит, энергетическая проблема человечества будет решена на ближайшие 5 млрд лет». В.Е. Фортов подчеркнул, что именно физикам предстоит придумать пути преодоления энергетического кризиса, как в свое время, разработав термоядерное оружие, они решили проблему Третьей мировой войны. И если она пока не разразилась, то лишь благодаря тому, что такое оружие у нас есть.

«Сегодня у нас в обществе сложилось какое-то странное отношение к фундаментальной науке, — с грустью констатировал президент РАН. — Однако я хочу подчеркнуть, что без ее развития, движения вперед, в том числе и по этому направлению, человечество окажется в тупике, причем довольно скоро. В тех областях, о которых сегодня речь, мы нисколько не уступаем остальному миру. Представители ведущих мировых научных центров приезжают к нам учиться. Мы тоже туда ездим, в Америку в том числе. И, несмотря на все санкции и эмбарго, мы никогда не были заложниками политических игр. Научное сотрудничество продолжается, причем с нарастающей скоростью».

Физики, они же лирики

Название изображения

Поговорили и о вечном. В.Е. Фортов процитировал слова великого немецкого философа Иммануила Канта о «звездном небе надо мной и моральном законе внутри нас». Со звездным небом понятно, но хотелось понять, что имел в виду президент РАН. рассуждая о моральном законе внутри нас.

«С одной стороны, обладая такими колоссальными, разрушительными энергиями, мы всегда должны помнить об огромной ответственности, которую как ученые несем перед человечеством, — пояснил В.Е. Фортов. — Достигнутые нами возможности, которые, надеюсь, станут еще больше, мы должны использовать только для его блага, а не для уничтожения. А с другой стороны... У нас был такой выдающийся соотечественник — Илья Пригожин, нобелевский лауреат. Я с ним был знаком хорошо, мы дружили. И уже перед самой смертью он сказал такую вещь: "Вот что я, — говорит, — не понимаю, достигнув научных вершин: как из громадного числа электронов и протонов образуются совесть, красота, любовь"... И я тоже этого не понимаю. Думаю, Кант имел в виду и это».

Поговорив о науке и любви, мы надежно укрылись в защищенных помещениях лаборатории, и тут вновь грянул взрыв. От второго взрыва показалось. что закачался бетонный пол. А когда мы вернулись на заснеженную площадку полигона, то увидели лишь черную гарь и остатки разметанной по снегу научной аппаратуры, которая, впрочем, успела сделать свое дело — передать все данные на лабораторные приборы. Возможно, в этот день мы стали свидетелями нового прорыва в материаловедении, который позволит человечеству сделать качественный рывок вперед.

Уезжали с полигона, рассматривая в окошко потрясающей красоты зимние пейзажи среднерусской полосы. Это в Москве снег тает даже в мороз, а здесь, под Черноголовкой, он лежит огромными сугробами: сделаешь шаг— и провалишься по колено. Ели и сосны тихо покачивались от падающих с неба хлопьев, будто им мешали спать.

Вдруг мы увидели трех оленей — отца семейства и маму с молодым олененком. Они мирно грелись на солнышке, лежа в прогалине, в сухой осенней траве. От шума наших машин даже не вздрогнули. Олени живут здесь, на полигоне, как в заповеднике. Людей мало, тишина и покой. Их подкармливают и не обижают. Правда, время от времени слышатся взрывы. Но они привыкли и не убегают.

 

взрывы ипхф ран

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий