Libmonster ID: UA-1662

 Автор: Материал подготовил А. К. МАЛЬЦЕВ

О монодисперсной технологии, ее применении в научном приборостроении, медицине, биотехнологии, энергетике, электронике, космонавтике и других отраслях рассказали ректор Московского энергетического института, научный руководитель Центра высоких технологий, член- корреспондент РАН Е.В. Аметистов и доктор технических наук А.С. Дмитриев, директор того же Центра.

Несмотря на то, что соответствующие исследования начали около 20 лет назад, основных успехов ученые добились недавно. В чем суть рассматриваемой технологии и почему она столь востребована сегодня?

В ее основе лежит применение сферических частиц (гранул) размером от 10 до 1000 мк с дисперсией 0,1-1,0 %, выполненных из различных материалов: от водных растворов и криогенных жидкостей до расплавленных металлов. Для их получения под руководством Е.В. Аметистова и А.С. Дмитриева были разработаны генераторы монодисперсных частиц и блочные агрегаты производительностью 10 4 - 10 6 гранул/с, позволяющие формировать сложные капельные структуры. Причем отклонение последних от сферичности составляет всего 0,5 %, их скорость в потоке - 3- 70 м/с, диапазон рабочих температур - 14-1500 К. Никакими другими известными до сих пор способами получить капли с такими параметрами просто невозможно, а они очень нужны.

Скажем, если каждой из образовавшихся сферических частиц сообщить один и тот же электрический заряд, то их можно рассматривать как некий аналог электронов и управлять образовавшимся их потоком подобно тому, как это происходит в электронно-лучевой трубке. Выходит, появляется возможность, изменяя сигнал возбуждения, регулировать движение капель после распада: пускать их непрерывной чередой, организовывать отдельные блоки с заранее заданным количеством частиц в любом из них, создавать потоки гранул двух различных размеров (так называемые сателлитные режимы) и т.п. Такие системы могут состоять из микрогранул различной конструкции (сплошные, полые, многослойные, пористые), разного фазового состояния (жидкие, твердые), созданных из всевозможных материалов (стекла, металлов, сплавов, полимеров, композитов и др.).

Среди наиболее перспективных направлений новых технологий - электрокапельные маркирующие устройства для нанесения буквенно-цифровой информации на различные изделия. В основе их работы лежит формирование потока монодисперсных капель красок или чернил, при образовании получающих извне одинаковый электрический заряд. Затем они пролетают мимо электродов, испускающих электрические импульсы по специальной программе, определяемой целями маркировки. В результате капли отклоняются на различные углы, оставляя на изделии точки, слагающие требуемую надпись.

Другой пример: монодисперсная технология, использующая генерацию прецизионных доз заряженных капель. На ее основе работают автоматизированные дозаторы вредных, токсичных или радиоактивных веществ, обеспечивающие недосягаемую ранее точность. В таких устройствах остро нуждаются медицинская, фармакологическая, электронная и другие отрасли промышленности. По принципу действия они по-

стр. 57


стр. 58


Схема работы электрокаплеструйного маркиратора для нанесения буквенно-цифровой информации на продукты и товары.

хожи на электрокаплеструйные, но управление полетом капель здесь значительно сложнее и регулируется встроенным процессором. Благодаря этому вещество сразу направляется в контейнеры, расположенные на плоскости или движущиеся по конвейеру, причем при необходимости в каждый из них можно подавать различные дозы препаратов, выбрасываемых из установленных в каждом конкретном случае монодисперсных головок. Скорость этого процесса очень высока и достигает 10 5 микродоз/с.

По такому же принципу созданы устройства для "сортировки" клеток и других биоактивных продуктов. Слабое облучение лазером позволяет бесконтактным способом диагностировать как их состав, так и возможные нарушения структуры. Таким способом можно производить экспресс-анализ крови и других биологических жидкостей, что крайне важно в наше время при участившихся природных и техногенных катастрофах.

Очень эффективны монодисперсные технологии в медицине - для изготовления лекарств. Дело в том, что прецизионное позирование позволяет создавать многокомпонентные препараты с заданным набором необходимых веществ в каждой грануле, скажем, поливитаминов, пищевых добавок.

Наконец, область, где рассматриваемые технологии весьма результативны, а иногда и безальтернативны, - космонавтика. Возьмем, к примеру, одно из, казалось бы, экзотических, но уже проверенных решений - разработку так называемых капельных радиационных теплообменников для съема тепла (охлаждения) спутников и внеземных станций. Суть процесса заключается в том, что тепло из внутреннего теплообменника летающего аппарата поступает в генератор капель, формирующий из них пелену Затем в виде паров с низким давлением они выбрасываются в космическое пространство. Пролетая десятки и сотни метров, капли охлаждаются и собираются в специальном коллекторе, после чего опять направляются во внутренний теплообменник, т. е. цикл начинается сначала.

По уровню теплосъема и отношению полезного веса системы к выделяемой теплообменниками мощности такие устройства превосходят все известные до сих пор аналоги. Они просто незаменимы, если мощность теплосброса с космического аппарата превышает 100-500 кВт. Пока им нет равных ни по массогабаритным характеристикам, ни по быстроте подготовки к работе, ни по неуязвимости от метеоритного поражения. Авторы отмечают, что они активно работают в этом направлении совместно с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша (ранее - НИИ тепловых процессов). Экспериментальный стенд - модель капельного космического радиатора с системами генерации, сбора капель и их диагностики - успешно прошла летные испытания на орбитальной станции "Мир".

Далее Е.В. Аметистов и А.С. Дмитриев привели примеры использования рассматриваемой технологии в недалеком будущем. Среди прочих - моделирование микрометеоритных явлений с помощью ускоренных монодисперсных частиц; системы бесконтактной заправки космических аппаратов, основанной на диспергировании топлива и окислителя на капли, охлаждении и замораживании последних, ускорении их потока в разгонном устройстве для доставки на заправляемый объект с низкой орбиты.

И еще. Сегодня на всех тепловых электростанциях топливо, прежде чем его сжечь, распыляют с помощью форсунок. Однако в применяемых сейчас устройствах частицы образовывались очень разные по размерам, что приводило к неполному их сгоранию и повышенному выде-

стр. 59


Схема прецизионного монодисперсного дозатора веществ.

лению вредных токсических веществ. Сконструированные на базе монодисперсной технологии форсунки образуют капли окислителя и топлива вполне определенного размера. Это способствует почти полному их сгоранию, повышает эффективность работы электростанции, резко уменьшает вредные выбросы.

Изыскатели не обошли вниманием и атомные электростанции. Оказывается, резко повысить их безопасность может использование ядерного топлива в виде монодисперсных гранул, что в принципе должно исключить аварии, подобные Чернобыльской. Объяснение простое: гранулированный тепловыделяющий элемент содержит топливо, окруженное защитными слоями пиролитического углерода и карбида кремния, прозрачными для нейтронов, но удерживающими радиоактивные продукты распада внутри ча-

стр. 60


Схема капельного космического радиационного теплообменника.

стицы. Она не разрушается даже в самой жесткой аварийной ситуации, ибо ее оболочка чрезвычайно прочна, и подобный реактор способен выдержать потерю теплоносителя без расплавления активной зоны.

Другой важнейшей проблемой АЭС стало создание таких условий, когда при увеличенной свыше заданной температуре ядерная реакция самопроизвольно прекращается. Поскольку высокая (8 МэВ/нуклон) энергия связи нуклонов в ядре делает течение реакции нечувствительной к температуре, то единственный способ добиться желаемого - построение активной зоны в виде сложной гетерогенной системы из моногранул топлива и графитового наполнителя. Их изготовление из диоксина урана, плутония и т. п. позволит не только справиться с проблемой безопасности, но и решить ряд других задач энергетики. В частности, при помощи монодисперсной технологии можно получать плутониевые сферы для новых поколений атомных реакторов, что превратит оружейный плутоний в материал, используемый в гражданских целях. Подобная технология, развитая Е.В. Аметистовым и А.С. Дмитриевым совместно со специалистами Всероссийских научно-исследовательских институтов химической технологии и неорганических материалов, практически готова к использованию.

Сейчас потребность в монодисперсных системах появилась в тех научных центрах, где работают циклотроны, синхрофазотроны и т. п. В большинстве этих ускорителей элементарных частиц применены корпускулярные мишени в виде нитей или пластин при криогенных температурах. Однако практика показала: сферические аналоги предпочтительнее, так как обеспечивают лучшую степень детектирования и практически экологически безопасны (здесь почти исключен вылет за пределы ускорительной камеры тяжелых осколков ионов при экспериментах со встречными пучками). А монодисперсные технологии как раз и позволяют создать корпускулярные мишени, в частности, водородные с криогенными температурами.

В Московском энергетическом институте совместно с учеными Института теоретической и экспериментальной физики (Москва) и Ускорительным центром Юлиха (Германия) разработан водородный криостат, внутри которого находится специальная система генерации и управления каплями с последующим их замораживанием. Для этого жидкий водород направляют в генератор, где образуется струя однородных капель диаметром 10-30 мкм, движущихся со скоростью 20-30 м/с через систему вакуумных шлюзов; там они замораживаются и превращаются в гранулы. Последние, проходя сверхпроводящий магнит, попадают в канал ускорителя, где часть из них взаимодействует с протонным пучком большой интенсивности и испаряется, распадаясь на ионы, которые фиксируются детектором. Остальные гранулы, миновавшие пучок, попадают в водородный сборник. Подобный метод можно применять и в термоядерном синтезе для создания сферических мишеней из тяжелого водорода. Там гранулы служат для подпитки атомным топливом

стр. 61


как термоядерных установок с магнитным удержанием плазмы (токомаков), так и получения мишеней, используемых в импульсном термоядерном синтезе (лазерном, пучковом). Сейчас во многих странах идут интенсивные поиски эффективных способов генерации сферических мишеней, что может стать основой большой энергетики будущего.

В последнее время набирает силу новое направление в энергетике, где в качестве топлива используют водород. Однако его применение далеко небезопасно, ибо при большом скоплении этого газа возникает угроза взрыва. Одним из решений проблемы стало изготовление прочных (например, пластиковых) сферических полых капсул, заполненных водородом при повышенном (и даже сверхкритическом) давлении. "Упакованное" таким образом топливо строго дозировано и абсолютно безопасно, идентичность полученных частиц по массе позволяет наносить на них одинаковые электрические заряды и управлять ими с помощью соответствующих полей, обеспечивая тем самым заданную подачу топлива и окислителя в камеру сгорания.

Поскольку материал стенок микрогранул выполнен из высокопрочных, но легко окисляющихся полимеров, сгорающих вместе с водородом, то это открывает перспективу разработки принципиально новых конструкций, например, двигателей внутреннего сгорания различного назначения, работающих на водороде. При этом топливо будет абсолютно безопасным, экологически безвредным, удобным для транспортировки и хранения.

Во многих технологических процессах главную роль играют различного рода теплообменники. Некоторые из них, скажем, регенеративные, предназначенные для криогенных газовых машин, надо изготавливать из редкоземельных сплавов. В нашем институте отработана технология получения соответствующих монодисперсных частиц на основе эрбия, гольмия, неодима, иттербия и т.п. Эта продукция пользуется большим спросом на американском и китайском рынках. Вместе с тем здесь исследуют возможность создания многокомпонентных композитных сплавов для авиации и ракетной техники, бронежилетов и хранилищ боеприпасов на основе полых металлических гранул, собранных в плотную упаковку и "связанных" специальной матрицей. Такие материалы обладают уникальными механическими и теплофизическими свойствами, чрезвычайно легки, выдерживают большие импульсные нагрузки.

И еще. Оказывается, нужные частицы можно получать не только методом расплава, но и с помощью нагрева соответствующего вещества до температуры плавления в кислой среде. Потом из образовавшегося раствора известным способом получают струи или однородные капли, которые замораживают в жидком азоте и затем направляют в специальную установку вакуумной сублимированной сушки, где они превращаются в твердые гранулы. Такая технология позволяет организовать производство высококачественных керамических порошков (пьезокерамика, магнитокерамика и т. п.), в том числе различного рода материалов сложного (многокомпонентного) состава.

Оценивая достижения отечественных ученых в области монодисперсной технологии, Е.В. Аметистов и А.С. Дмитриев считают, что она станет одной из основных, определяющих научно-технический прогресс в XXI веке.

Аметистов Е. В., Дмитриев А. С.

Новая отрасль науки и практики - монодисперсные технологии. - Вестник РАН, т. 71, N 9, 2001.


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ТЕХНОЛОГИИ-БУДУЩЕГО-РОЖДАЮТСЯ-СЕГОДНЯ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Бельбек ТахумовContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Scientist

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО РОЖДАЮТСЯ СЕГОДНЯ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 17.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ТЕХНОЛОГИИ-БУДУЩЕГО-РОЖДАЮТСЯ-СЕГОДНЯ (date of access: 28.11.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Rating
0 votes
Related Articles
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
4 days ago · From Україна Онлайн
Аварии на топливе Westinghouse случались и ранее, начиная с 1979 года, когда произошла крупнейшая в истории США авария на АЭС Три-Майл-Айленд, в результате которой зафиксировано расплавление 50% активной зоны реактора. Далее Westinghouse делала попытки торговать с Чехией, однако опасные эксперименты по замене оригинального топлива окончились досрочной его выгрузкой из 1-го энергоблока АЭС Темелин в январе 2007 года, по причине его сильной деформации. Вышедшие из строя вэстингхаусовские тепловыводящие сборки на 3-м энергоблоке Южно-Украинской АЭС были в экстренном порядке заменены на стандартные ТВЭЛовские.
Catalog: Экология 
5 days ago · From Naina Kravetz
HISTORY OF ROADS AND GROUND TRANSPORT ACCORDING TO ARCHEOLOGICAL DATA
Catalog: История 
7 days ago · From Україна Онлайн
BASIC UNIT FOR THE AMERICAN ACCELERATOR
8 days ago · From Україна Онлайн
TRANSITION TO CONTROLLED EVOLUTION OF THE BIOSPHERE
Catalog: Биология 
8 days ago · From Україна Онлайн
DEVONIAN PALEOSOILS OF THE ANDOMA MOUNTAIN
8 days ago · From Україна Онлайн
Безопасно ли брать кредит в Интернете?
Catalog: Экономика 
9 days ago · From Україна Онлайн
Знакомьтесь! Google: Платформа для маркетинга
9 days ago · From Україна Онлайн
Как узнать актуальный курс валют на сегодня?
Catalog: Экономика 
9 days ago · From Україна Онлайн
EUROPEAN NORTH: HISTORY OF EXPLORATION IN DOCUMENTS
Catalog: География 
10 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
ТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО РОЖДАЮТСЯ СЕГОДНЯ
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones