Учёные и студенты МГТУ имени Баумана запатентовали изобретение, которое поможет сохранить вечную мерзлоту в Арктике и обеспечить безопасность транспортной, промышленной и жилищной инфраструктуры в условиях изменяющегося климата. Речь идёт о системе «Пермафрост», основанной на использовании фотоэлектрических или тепловых преобразователей солнечной энергии и тепловых насосов. Разработчики отмечают, что сочетание пассивных методов предотвращения нагрева грунта и активных методов его охлаждения в тёплое время года гарантированно обеспечивает отрицательные температуры на глубине уже в несколько дециметров. Это позволит продлить срок эксплуатации сооружений и сократить вероятность нанесения ущерба окружающей среде. О том, что из себя представляет данный проект и зачем он нужен, в эксклюзивном интервью NEWS.ru рассказал один из его создателей — заведующий лабораторией учебно-научного центра «Фотонная энергетика» Егор Локтионов.
— Егор Юрьевич, насколько активны изменения климата сейчас и как они влияют на инфраструктуру в России?
— Климат на планете меняется, а в Арктике эти процессы проявляются раза в два-три быстрее. Это приводит к тому, что мерзлота тает, а помимо этого системы термостабилизации, там, где они были построены для домов, нефтехранилищ, плотин и других объектов, начинают работать на нерасчётных режимах. Например, «Транснефть» выявила, что почти в два раза снизилась фактическая производительность этих систем по сравнению с расчётными значениями. Соответственно, это всё будет приводить к разрушениям объектов и прочим проблемам типа утечки нефтепродуктов в Норильске. К тому же резко снизится пропускная способность железной дороги из-за деформации рельсов вследствие подвижек грунта. У нас Транссиб и БАМ и так перегружены, а из-за этих процессов придётся существенно снижать скорость движения. У нас сейчас зашевелились хотя бы с мониторингом состояния вечной мерзлоты. Ну, увидят, что она действительно везде деградирует. А дальше-то что делать? В общем, мы стали думать о том, как эту проблему можно решить. Традиционные системы, которые сейчас есть, — это пассивные системы термостабилизации.
Следите за развитием событий в нашем Телеграм-канале
— А в чём заключается суть их работы?
— Один вариант — это располагать теплоизоляцию на определённой глубине, например, под железнодорожной насыпью. С одной стороны, эта теплоизоляция уменьшает поток тепла в грунт летом, но обратный эффект заключается в том, что и зимой она не даёт грунту промораживаться. А поскольку у нас есть положительный температурный тренд, то, соответственно, грунт под этой пассивной теплоизоляцией точно так же будет иметь тенденцию к нагреву.
Самый распространённый сейчас метод (с точки зрения строителей он активный, но с точки зрения энергетической — пассивный) — это сезонные охлаждающие устройства, или термостабилизаторы. Это такая труба, по которой циркулирует обычно жидкий теплоноситель и зимой закачивает холод вглубь грунта. То есть это система, которая позволяет накапливать природный холод. Но поскольку у нас зима становится теплее, а лето жарче и продолжительнее, то такой термостабилизатор не успевает за зиму накопить достаточное количество холода.
Такие трубы также замораживают грунт под сваями фундамента разных сооружений, то есть на большой глубине. Но проблема заключается в том, что оттаивание верхних слоёв они фактически не предотвращают. И, например, когда строят дороги, они расползаются в стороны, потому что заморозка грунта на глубине помогает не очень сильно.
Из-за таяния поверхностных слоёв возникает новая проблема — воронки газовых выбросов, как на Ямале. Ранее мерзлота сдерживала давление подземных газов, а теперь, когда грунт протаивает, его начинает выпучивать. Сначала появляется бугор, под воздействием солнца грунт окончательно протаивает и безо льда не может сдерживать давление. Затем газ прорывается и кроме создания дыры в поверхности земли он ещё, как правило, воспламеняется. Из-за этого начинаются тундровые пожары, а если это произойдёт рядом с каким-либо промышленным объектом, то последствия могут быть самые плачевные.
Поэтому сейчас всё чаще в летний период начинают применять холодильные машины. Это очень дорого, но в экстренных случаях, когда нужно остановить развитие оттаивания мерзлоты, приходится делать так. Привозятся машины, генераторы, цистерны с соляркой...
— Что из себя представляет проект «Пермафрост»? В чём заключается его уникальность?
— Изначально у нас проект был связан с энергоснабжением на железных дорогах с помощью солнечных батарей. Когда мы стали изучать тепловое состояние грунта под солнечными батареями и выяснили, что он охлаждается, железнодорожники сказали, что это может решить их давнюю проблему с вечной мерзлотой.
Есть ещё пассивные методы охлаждения, когда создаётся экран, чтобы солнце не светило на землю, а также отводятся осадки, с которыми в грунт тоже поступает довольно много тепла. На Тибете такие экраны хорошо работают, но там солнце ходит высоко, по ночам морозит, и такие экраны там помогли. У нас в Якутии пробовали, но эффект оказался недостаточным. Поэтому мы решили скомбинировать экраны и холодильные машины. Но энергию для холодильных машин мы берём не от ископаемого топлива, а от солнечных батарей, из которых предлагаем делать защитные экраны. Расчёты показали, что энергии, поступающей от таких элементов питания, будет вполне достаточно для того, чтобы охлаждать грунт.
Другой момент заключается в том, что мы охлаждаем не глубокие слои грунта, а поверхность, то есть просто не позволяем теплу пройти вглубь. Это особенно важно в районах интенсивной человеческой деятельности, поскольку из приповерхностных слоев мерзлоты вытаивают неизвестные науке вирусы и устойчивые к существующим антибиотикам бактерии.
— А насколько эта технология дешевле, чем система холодильных машин, работающих на сжигании углеводородов?
— Стоимость сопоставима с сезонными охлаждающими устройствами — около $200 за один квадратный метр. Самые дорогие элементы — это тепловой насос и солнечные батареи. Но стоимость солнечных батарей уже несколько десятилетий снижается на 25% в год, а тепловых насосов — примерно на 10% в год. Самое главное в том, что основной фактор, влияющий на растепление грунта, — это солнце, но чем сильнее оно будет светить, тем больше холода мы сможем произвести. Таким образом, эта положительная обратная связь позволяет нам не зависеть от изменения климата, в отличие от сезонных охлаждающих устройств.
Другое преимущество заключается в том, что сезонные охлаждающие устройства несут только одну функцию, а наш проект предусматривает дополнительные возможности.
Во-первых, всегда есть распределённый по всему защищающему объекту источник электроэнергии, что позволяет заниматься качественным мониторингом вечной мерзлоты. Сейчас этот мониторинг ограничен тем, что это отдалённые районы и там нет никакой связи, и чтобы оперативно передавать оттуда информацию, например, посредством спутниковой связи, нужна энергия. У нас эта энергия будет всегда доступна.
Во-вторых, тепло, которое мы отводим из грунта, мы можем не «выбрасывать» в воздух, а использовать по назначению. На севере всегда тепло нужно — либо для нефтегазовых технологических процессов, либо для отопления домов, либо мы ещё предлагаем вариант отводить тепло в теплицы. В Арктике, особенно в отдалённых регионах вроде Чукотки, имеется проблема с овощами и фруктами — их туда доставляют самолётами два раза в год, из-за чего и лук, и апельсины стоят по 900 рублей. А если тепло отводить в теплицы и условные помидоры, выращенные уже там, продавать не по 900, а по 500 рублей за килограмм, то в итоге вся предложенная нами система — и теплицы, и насосы, и батареи — окупится за один год. Если просто тепло продавать по текущей рыночной цене для отдалённых посёлков — за три года.
Наш способ также применим для стабилизации береговых обрывов, продления сроков существования зимников, предотвращения оползневых и термокарстовых явлений, сохранения ледников.
— Каковы перспективы внедрения запатентованных разработок на практике, когда будут устанавливаться первые устройства для термостабилизации? Есть ли какие-либо договорённости с арктическими регионами на этот счёт?
— Всё зависит от заказчика. Недавно мы получили грант от Российского научного фонда (РНФ) и скоро будем строить в Архангельской области экспериментальную установку — усовершенствованную версию той, которая уже доказала работоспособность нашего способа.
— А федеральные власти какую-то поддержку оказывают?
— С властями мы надеемся наладить взаимодействие через Агентство стратегических инициатив. Принципиально, мы готовы к запуску проекта в любой момент, потому что наша технология опирается на использование широко доступного оборудования. Солнечные батареи сейчас есть везде, тепловые насосы и холодильные машины — тоже. Технологии монтажа — инженерная сантехника, электрика — также повсеместно используются, и установки можно разворачивать в любых масштабах. Вопрос в том, кто осознает необходимость в нашей технологии и захочет попробовать. Мы считаем, что в первую очередь наша технология должна быть востребована у тех, кто обеспечивает контракты полного жизненного цикла, потому что они несут все риски, связанные с обслуживанием. Например, часто бывает, что дорогу построили и сдали, а дальше проектировщиков и строителей не волнует, во что будет обходиться её содержание и ремонт. А ремонты дорог в зоне вечной мерзлоты обходятся в миллиарды рублей ежегодно. Одни заинтересованы в том, чтобы эти деньги постоянно тратились из бюджета или ещё откуда-то, но другие — нет, если они взялись на 20 лет обслуживать, все эти затраты идут из их кармана. Соответственно, их нужно построить сразу так (даже если капитальные затраты будут больше), чтобы потом не тратить большие деньги на ремонт.
Например, в РЖД должны быть заинтересованы во внедрении контрактов жизненного цикла, потому что они замкнутая организация и для них это было бы выгодно, но пока там всё по старинке. Росавтодор уже перестраивается. Также мы установили контакт с инженерно-техническим центром «Газпрома», но пока там всё застопорилось. Видимо, у них сейчас более насущные проблемы.
— Не повлияют ли санкции в части ограничения поставок инновационного оборудования в РФ на продолжение работ? Можно ли говорить, что проект будет реализован силами внутренних ресурсов отечественной науки и промышленности?
— Вполне может быть реализован, потому что в России есть своё производство солнечных батарей, и их пока должно хватить. Плюс их выпуск прекрасно налажен в Китае, а Китай будет продолжать продавать свою продукцию всем, кто в ней заинтересован.
Что касается холодильных машин, то мы их всегда делали сами. Если, допустим, бытовая техника сейчас сильно зависит от импортных комплектующих, особенно в части компрессоров, то для промышленного холода в России всё производится.