Тушим пожары по-новому

Пламя тушит ударная волна, возникающая при взрыве гидратной системы. После этого ледяная оболочка снижает температуру в очаге горения, а инертный газ вытесняет из зоны горения кислород. Результаты исследований, поддержанных федеральной программой Минобрнауки «Приоритет-2030», опубликованы в журнале Gas Science and Engineering (Q1, IF: 5.285).

«Газовые гидраты встречаются в природе достаточно часто, в основном в районах вечной мерзлоты либо на дне морей и океанов, — рассказал “Стимулу” один из авторов разработки доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Никита Шлегель. — Они представляют собой определенным образом выстроенную кристаллическую решетку, то есть на вид это обычный лед или снег, но отличается он тем, что внутри находится молекула газа, вокруг которой за счет водородных связей выстраиваются молекулы воды».

Доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Никита Шлегель

Предоставил Никита Шлегель

Не дать огню шансов

Лаборатория тепломассопереноса ТПУ занимается исследованием газовых гидратов и их применением в пожаротушении три года. В основе инновационного огнетушителя, разработанного томскими исследователями, — самоактивирующийся снаряд с гидратом двуокиси углерода. Для его синтеза ученые использовали поверхностно-активные вещества, такие как лаурилсульфат натрия, огнетушащий состав ОС-5, пенообразователь и полисорбат ТВИН-80. Они образуют пену в водных растворах, не наносят вреда окружающей среде и здоровью человека, к тому же и стоят недорого.

«Самоактивирующийся огнетушитель либо снаряд для тушения пожаров представляет собой емкость, выполненную из PET-пластика, в которую загружается газовый гидрат, — поясняет Никита Шлегель. — Этот газовый гидрат при нагреве начинает распадаться, из него выделяется газ. При достижении в емкости давления более 14 бар происходит разрыв. Разрыв емкости приводит к тому, что газовый гидрат разлетается по очагу возгорания и создает на поверхности пенную шапку за счет того, что в его составе присутствуют поверхностно-активные вещества. Эта пенная шапка не позволяет окислителю пройти в зону горения и тем самым способствует тушению. Кроме того, получается синергетический эффект: из газового гидрата выходит двуокись углерода, которая сама является инертным газом и вытесняет из зоны горения окислитель, что также останавливает горение. Синергетический эффект достигается и за счет того, что от очага возгорания забирается некоторое количество теплоты для оплавления самого газового гидрата, то есть температура снижается, а потом уже полученная вода тушит огонь и испаряется».

Для проверки огнетушителя ученые провели серию экспериментов: тушили древесину, ПВХ-панели, линолеум, кабельную продукцию, масла, спирты, горючие жидкости и другие материалы.

«Эксперименты показали, что время срабатывания огнетушителя можно регулировать, варьируя такие параметры, как масса гидрата и объем свободного пространства в огнетушителе, количество добавляемой воды и вид механического воздействия на огнетушитель (удар по самому огнетушителю или его соударение с другими предметами). Например, для увеличения скорости реакции можно добавить к гидрату от 25 до 75 миллилитров воды. В некоторых случаях это позволило в девять раз ускорить срабатывание огнетушителя. А механическое воздействие на огнетушитель снизило время его срабатывания на 20 секунд», — отметил Никита Шлегель.

По его словам, к очагу возгорания их планируется подавать с помощью летательных аппаратов. То есть БПЛА подлетает к окну, выстреливает этот снаряд — гидратный огнетушитель, и в помещении он срабатывает. Испытания системы запланированы уже в ближайшем будущем.

Предоставил Никита Шлегель

Альтернативный источник топлива

Газовые гидраты также называют замерзшим топливом будущего, потому что в природе это обычно гидрат метана, где преобладающее вещество — метан. И в одном кубометре газового гидрата находится около 180 кубометров метана. Запасы природного газа ограничены, а метана в гидратах сейчас в природе больше, чем природного газа.

Создание эффективной технологии термической конверсии топливных смесей на их основе позволит применять гидраты при выработке тепловой и электрической энергии с минимальным ущербом для экологии. За три года, которые лаборатория тепломассопереноса занимается исследованием газовых гидратов, удалось создать установки для производства и сжигания гидратов и провести детальный анализ процесса высвобождения газа из гидрата.

Помимо ТПУ лишь несколько лабораторий в России и во всем мире занимаются производством нового типа топлива — искусственных газовых гидратов с разным компонентным составом. Максимальная доля газа в готовом продукте, полученном томскими учеными, достигает от 13 до 26% в зависимости от его типа. В Томском политехе сконструировали установки по исследованию характеристик сжигания композиционных топлив с добавлением газовых гидратов. Аналогов подобным устройствам нет.

«Направление газовых гидратов в нашем коллективе начало развиваться в конце 2021 года. За короткий срок нам удалось спроектировать и создать две системы для изготовления искусственных гидратов из метана, пропана, этана, изопропанола, углекислого газа и фреона. Мы работаем с комбинированными составами гидратов с ориентиром на широкую группу приложений», — рассказал руководитель проекта, профессор Научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Павел Стрижак.

Системы, разработанные учеными ТПУ, отличаются механизмами, схемами и сроками производства, а также объемом и свойствами получаемого продукта. Так, в одной из установок гидрат «растет» в ледяном каркасе. Его производство занимает двое-трое суток, а концентрации газа в готовом продукте составляют от 13 до 26% в зависимости от типа состава. Вес одной порции равен примерно 100 граммам.

Производство гидрата во второй установке занимает 30‒40 минут. Он образуется на внутренних стенках устройства. Содержание газа в таком продукте достигает 9‒10 %, вес одной порции — 250‒300 граммов.

По словам ученых, для производства гидрата необходимы специальные температурные условия и высокое давление. Для каждого газа, исследуемого учеными Томского политеха, они разные. Например, для создания гидрата из метана необходима температура до −10 ℃ и давление до 60 бар.

«На первом этапе мы применяем известные рекомендованные показатели для производства гидратов. Следующим этапом наших исследований станет построение собственных режимных карт, которые позволят минимизировать расход газа и риски при производстве. Мы также намерены работать над созданием мультигидратов — гидратов, состоящих из двух или трех газов. Такой продукт можно будет “программировать” — задавать определенные свойства, что позволит увеличить эффективность действия, например при разделении сложных нефтехимических соединений и тушении пожаров. Результатов подобных исследований в мире пока очень мало, так как стабильно производить соответствующие газовые структуры объективно трудно», — отмечает Никита Шлегель.