• Русский

Молодой ученый КФУ создает математическую модель, которая поможет и космос изучить, и свойства материалов улучшить.

Проект доцента кафедры радиофизики КФУ Александра Шемахина «Численное исследование течений неравновесной высокочастотной плазмы при пониженных давлениях» поддержан грантом РФФИ для молодых ученых.

Александр объяснил, каким образом разрабатываемая им  математическая модель может найти применение одновременно и в фундаментальной науке – использоваться для исследования  процессов в космосе, и в прикладной – использоваться для  усовершенствования характеристик материалов при их производстве.

«Чтобы понять процессы, которые происходят в разреженной плазме, в том числе и в космическом пространстве, необходимо их промоделировать,  так как натурные эксперименты дорогостоящие, – рассказывает А.Шемахин. — Межзвёздное пространство заполнено ионизованным квазинейтральным газом — плазмой. Из плазмы состоят и звёзды. В рамках нашего проекта мы  занимаемся исследованием плазмы в моделях экспериментальных установок, мы учитываем её заряженную и нейтральную компоненту, моделируем как течение электронов, так и нейтрального  газа, учитывая влияние высокочастотного электромагнитного поля. До нас никто еще такую модель не создавал. При соответствующей доработке, в перспективе, нашу модель можно будет применять для изучения  газоразрядных процессов в невесомости, для исследования  распределения полей в ионосфере и определения концентраций заряженных частиц. А пока, в рамках проекта, поддержанного грантом, мы сконцентрировали свое внимание на создании математической модели, предназначенной для промышленных целей».

Высокочастотная плазма пониженного давления используется при производстве различных материалов. Одним из эффективных способов усовершенствования характеристик материалов является их обработка (модификация) струей такой плазмы. Применяется плазма для модификации наноструктуры стали, титана, полиэтилена, кожи, меха, полимеров и других материалов. Такая обработка  способствует повышению  надежности, долговечности изделий, а также придает им качественно новые свойства. Например, при обработке  кожи плазмой увеличивается ее водонепроницаемость, а металлы становятся в 1,5 раза прочнее за счет образования нанослоя на поверхности, полиэтилен, композитные материалы  – приобретают новые свойства.

«Плазма в промышленности генерируется при помощи высокочастотного индукционного разряда. Мы впервые, кто разрабатывает математическую модель, учитывающую электродинамические параметры плазмы (напряженность электрического и магнитного полей), её газодинамические свойства (давление, температуру , скорость), а также концентрацию электронов и электронную температуру, — говорит ученый. — Все эти характеристики рассчитываются нами  для  плазмы, находящейся в условиях пониженного давления. Благодаря нашей математической модели параметры плазмы можно будет численно менять, это позволит усовершенствовать процесс обработки материалов,  выбирая оптимальные параметры,  и уменьшить  расход энергии».

Помимо научной составляющей, проект, рассчитанный на 2016- 2018 годы, предполагает создание рекомендаций по обработке материалов высокочастотной плазмой при пониженных давлениях. Молодой ученый говорит, что если, к примеру, обработать плазмой материалы, из которых состоит скафандр,  он будет лучше защищать космонавта  от радиации при выходе в открытый  космос. Защитные свойства обшивки корабля тоже можно усилить, если обработать материалы, из которых она состоит, плазмой.

Еще до того, как А.Шемахин подал заявку на грант, им совместно с профессором КНИИТУ-КХТИ В.С.Желтухиным и экспериментаторами из КНИИТУ-КХТИ был методами математического моделирования открыт эффект разогрева плазмы по краям струи. Этот эффект был подтвержден экспериментально, в рейтинговых журналах опубликованы  статьи, посвященные открытию. Сейчас одна из задач ученого – численно определить параметры плазмы, при которых эффект разогрева оказывает существенное влияние на условия обработки материалов.

«Я считаю, что будущее — за математическим моделированием процессов. Модели способны заменить сотни экспериментов,  экономят время и деньги. При наличии хорошей математической модели и мощного кластера суперкомпьютеров можно исследовать характеристики самых разных явлений  и прогнозировать результаты, – уверен Александр. — Математическое моделирование доказывает свою эффективность в различных областях науки!»