Вы здесь

Луч света в ледяном царстве

Швейцарская ежегодная международная выставка изобретений «Inventions Geneva» — место, где получили мировое призвание множество уникальных изобретений. В прошлом году в Женеве наша страна впервые представила мировой общественности уникальную технологию снижения ледовых нагрузок на инженерные сооружения, работающие в условиях ледяных шельфов, на основе применения мощных лазеров. Технология, получившая высокую оценку экспертного сообщества, стала обладателем золотой медали престижной выставки.

Судовой мощный лазерный комплекс

Ученые Национального центра лазерных систем и комплексов «Астрофизика» холдинга «Швабе» разработали технологию, которая облегчит работу на шель- фе Арктики

Преимущества технологии

  • Ледоколы, оснащенные СМЛК, смогут преодолевать более мощный ледяной покров, при этом увеличится ширина проделываемого во льдах прохода
  • Ликвидация разливов нефтепродуктов при их добыче и переработке будет осуществляться экологичным и безопасным способом
  • Применение технологии позволит уменьшить ледовые нагрузки на сооружения на шельфе, снизив аварийность
  • При помощи лазера создаются каналы во льду глубиной до одного метра
  • Прочность ледяного покрова в этом направлении значительно уменьшается
  • Лазер с непрерывноизлучаемой мощностью 30 кВт разрушает ледовый покров толщиной 1–2 метра
  • Ледоколы, оборудованные СМЛК, смогут преодолевать практически любой ледовый покров

Конструкция

  • Волоконный лазер
  • Волоконнооптический кабель
  • Установка наведения и фокусировки луча лазера
  • Система электропитания

При создании лазерных комплексов разрушения ледяных полей необходимо решить сложные научно-технические задачи—создать надежные мощные лазеры, разработать системы вывода и фокусировки лазерного излучения, энергоподвода, системы охлаждения и системы наведения мощного лазерного излучения.

Лазерный комплекс обеспечивает судам круглогодичную навигацию

 

озданный на предприятии макетный образец Судового мощного лазерного комплекса подтвердил принципиальную способность лазера резать (разрушать) ледовый покров толщиной 1 – 2 метра. Эта революционная технология позволит существенно увеличить возможности деятельности человека в суровой ледовой обстановке.

Освоение Арктики и Антарктики, отдаленных и северных территорий Российской Федерации—важнейшая государственная задача. Более 80% запасов нефти и газа страны сосредоточено на шельфах северных морей.

Значительно повлиять на развитие топливно-энергетического комплекса Дальневосточного региона может добыча разведанных в Охотском море запасов нефти и газа, что даст также дополнительное сырье для химической промышленности и позволит создать новые рабочие места.

Но есть сложность: транспортировка специальных платформ для добычи углеводородов в этом регионе затрудняется наличием значительного ледяного покрова, который полностью не исчезает даже в наиболее благоприятный для навигации сезон.

Резкое похолодание в один миг может сделать заложниками даже самые крупные корабли. Например, с 30 декабря 2010-го по 31 января 2011 года в Охотском море в ледовый плен попали 15 судов, на которых находилось около 700 человек. Благодаря помощи двух мощных ледоколов — «Адмирал Макаров» и «Красин»—операция по спасению из ледового плена судов прошла успешно. Последней на чистую воду была выведена плавбаза «Содружество». Стоимость операции составила порядка 200 миллионов рублей, на ее реализацию было израсходовано 6600 тонн дизельного топлива.

Анализ этапов развития Арктики показывает, что решающим условием для продления и тем более обеспечения круглогодичной навигации в этих широтах является развитие ледокольного флота, возможности которого определят потенциал и эффективность транспортного флота в целом.

Если решить задачу по преодолению ледоколами более мощного ледяного покрова, увеличению ширины проделываемого во льдах прохода, необходимого для транспортировки платформ, а также для безопасного функционирования инженерных сооружений, можно гораздо эффективнее и быстрее осваивать Арктику и Антарктику.

Самыми крупными ледоколами в мире являются атомные суда типа «Арктика», имеющие ледопроходимость до 2,25 метра. Дизельные ледоколы созданы в основном для работы во льдах толщиной до 1 – 1,5 метра. Но для обеспечения круглогодичной навигации, например, по Северному морскому пути, ледопроходимость ледокола должна быть около 3,5 метра.

И эта головоломка была решена российскими учеными. Специалистами холдинга «Швабе» был разработан мощный лазерный комплекс, который может устанавливаться на современных ледоколах, судах ледокольного класса, нефтяных платформах и даже инженерных сооружениях, обеспечивая им безопасность и эффективность проводимых работ. Мощность энергетических установок современных ледоколов, как атомных, так и дизельных, достаточна для электропитания мощного лазерного комплекса.

Оптическая система для наведения мощного лазерного излучения через атмосферный канал. Для передачи мощного лазерного излучения от лазера до фокусирующей оптики разработаны мощные волоконно-оптические кабели на диапазоны до 3 мкм и на диапазон 10 мкм с полыми каналами (фотонные кристаллы). Такой отдельный кабель передает 2 Квт на расстояние до 100 метров.

Освоение Арктики и Антарктики, отдаленных и северных территорий Российской Федерации — важнейшая государственная задача. Более 80% запасов нефти и газа страны сосредоточено на шельфах северных морей

Освоение Арктики с ее огромными запасами полезных ископаемых требует применения самых современных технологий.

По предварительной оценке, создание при помощи лазера каналов на льду глубиной до одного метра позволит увеличить ледопроходимость ледокола в два раза за счет уменьшения прочности ледяного покрова.

Стоимость ледокола с ледопроходимостью до 1,7 метра составляет приблизительно 100 миллионов долларов США, а стоимость атомного ледокола с ледопроходимостью до 2,3 метра — более 500 миллионов долларов. Цена нового лазерного комплекса, ориентировочно, составит до 4 миллионов долларов, то есть 0,8 – 4% от стоимости самого ледокола.

Таким образом, оснащение обычного дизельного ледокола мощным лазерным комплексом при незначительном увеличении его стоимости позволит отказаться от строительства более мощного и дорогого атомного ледокола и при этом обеспечит круглогодичную навигацию.

Создание мощных лазерных комплексов, обеспечивающих высокую эффективность разрушения твердых материалов, в том числе льда, позволит при размещении на ледоколе реализовать не только безопасную проводку во льдах крупногабаритных судов и платформ, но также обеспечить круглогодичность навигации, увеличить скорость продвижения по льдам.

При ограничении основных типов ледоколов толщиной льда 1–1,5 метра, применение лазеров, позволяющих проводить испарение льда до 0,5–1 метра, позволяет обеспечить двойное повышение ледоходности.

В настоящее время разработаны мощные лазерные установки в различных диапазонах. Одна из последних разработок — твердотельный лазер мощностью около 100 кВт весом около 1 тонны компании «Northrop Grumman». В России такие установки разработаны фирмой «ИРЭ-Полюс». Использование мощного лазерного излучения позволяет разрушать ледяные поля за счет испарения частиц льда. Обнаружено два режима испарения — конвективный, с выбросами пара, и взрывной.

В перспективе планируется работа по применению Судового мощного лазерного комплекса для ликвидации разливов нефтепродуктов при добыче и переработке нефтяных запасов. Это позволит на основе принципиально новых технологий удалять нефтяные пленки с различных поверхностей, в том числе осуществлять дистанционное удаление нефтяных загрязнений с водной поверхности, а также сбор нефтяных загрязнений под воздействием лазерного излучения.

Разработка отечественных ученых близка к практической реализации и, безусловно, имеет большие перспективы как в России, так и в странах, ведущих хозяйственную деятельность в полярных областях и других акваториях, где образуется лед.

Наталья Гусарова,
кандидат технических наук,

Сергей Попов,
доктор технических наук.

Создание при помощи лазера каналов на льду глубиной до одного метра позволит увеличить ледопроходимость ледокола в 2 раза за счет уменьшения прочности ледяного покрова

Все это стало возможно благодаря проведенным и зарегистрированным в реестре российских открытий экспериментам предприятия НЦЛСК «Астрофизика», входящего в холдинг «Швабе»:

Светогидравлический удар.

Данный эффект заключается в том, что при пропускании мощного лазерного излучения в среде возникают акустические волны с давлением, достигающим миллиона атмосфер. При этом происходят вспышка плазмы и выброс вещества. Структура вещества, расположенного вблизи излучения, подвергается сильным деформациям и разрушению.

Эффект самофокусировки.

При критической мощности светового пучка в среде его расходимость уменьшается и возникает самоканализация. При превышении критической мощности пучок сжимается, сходится в точку самофокусировки, и в результате пробоя происходит разрушение вещества. Физические причины этого эффекта кроются в изменении показателя преломления среды в сильном световом поле. Критические мощности самофокусировки относительно невелики и находятся в пределах 20–30 КВт/кв.см.