Наука и инновации

В ЛЭТИ разработали первую в мире индукционную печь для изучения извержения вулканической магмы

Данная установка, разработанная учеными СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при поддержке ИВиС ДВО РАН и участии его представителей, предназначена для исследования процессов с выбросами расплава магмы, которые происходят при извержении вулканов.

В ЛЭТИ разработали первую в мире индукционную печь для изучения извержения вулканической магмы

Сегодня в мире насчитывается 1350 потенциально активных вулканов, примерно 170 из которых располагаются на территории России, в основном – на полуострове Камчатка и в районе Курил. Их извержение в виде выброса магматических бомб и лавовых потоков приводит к повреждению инфраструктурных и летательных объектов, а потоки пепла и газов загрязняют атмосферу, воду и почву, а также вызывают проблемы с дыханием у жителей близлежащих к вулканам городов.

Поскольку данное природное явление представляет собой значительную опасность как для людей, так и для экологии, необходимо прогнозировать извержения и происходящие при нем высокотемпературные процессы. Однако, экстремальные условия внутри и вокруг вулкана затрудняют изучение поведения вулканической магмы. По этой причине научные коллективы по всему миру ищут альтернативные методы и способы для исследования процессов, происходящих при извержении вулканов.

Одним из таких методов является метод индукционной плавки в холодных тиглях (ИПХТ), который позволяет получать и долговременно удерживать расплавы оксидных сверхтугоплавких материалов. К таким материалам относится и вулканическая базальтовая порода, расплавляемая методом ИПХТ с барботированием (пузырением) и выбросами магматического расплава в виде вулканических бомб. В настоящее время такие работы ведутся только в лаборатории ИПХТ кафедры электротехнологической и преобразовательной техники (ЭТПТ) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». 

Несколько лет назад к сотрудникам лаборатории обратился директор Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИВиС ДВО РАН) член-корреспондент РАН, д.г.-м.н. Алексей Юрьевич Озеров с предложением разработать устройство для получения расплава магмы, с помощью которого можно было бы проводить физическое моделирование движения газов под кратером вулкана и выбросов бомб из расплава магмы в различных режимах на огромной скорости. 

Специалистам из ЛЭТИ была поставлена нетривиальная задача – разработать установку ИПХТ, обеспечивающую высоту ванны расплава магмы 3 метра в холодном тигле для более адекватного наблюдения за процессами, происходящими внутри ванны расплава и на ее поверхности.

«На данный момент у нас в ЛЭТИ имеется разработанная печь ИПХТ с высотой ванны расплава магмы 64 см и температурой расплава до 2400 °С, что ограничено только мощностью установки. Проведенные эксперименты показали, что физическое моделирование дегазации – освобождения от газа – расплава вулканической породы в разработанной установке способно приблизить исследователей к реальным условиям извержения вулканов. Это позволит более точно изучать вулканические процессы».

Руководитель лаборатории ИПХТ, к.т.н., доцент кафедры ЭТПТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Борисович Лопух

На первом этапе исследователи из ЛЭТИ занимались подбором материалов и конструкции печи ИПХТ таким образом, чтобы обеспечить долговременное устойчивое удержание расплава магмы действующего Ключевского вулкана Камчатки с наиболее высокой ванной расплава при температуре около 2500 °С и ограниченной мощности установки 100 кВт. Используя полученные экспериментальные данные и результаты по разработанным 3D математическим электрогидродинамическим моделям, были получены параметры всех элементов инновационной установки: холодного тигля, индуктора и барботера для подачи газа. При этом, в расчетах учитывались электромагнитные, тепловые и конвективные процессы в ванне расплава, от учета которых зависит точность расчетных исследований. Таким образом, расчетным путем было выявлено требуемое распределение температур и скорости движения расплава внутри ванны. 

Далее, на основе данных моделирования и конструирования был разработан прототип установки для проведения пилотных испытаний. После подтверждения соответствия заданным требованиям устройства, ученые разработали индукционную печь с холодным тиглем с высотой расплава магмы 64 см и температурой до 2400 градусов. 

Все тесты по ИПХТ магмы проводились в ЛЭТИ при изучении стартового нагрева магмы (запуска печи), выбора частоты тока установки и температуры плавления, оценки свойств расплава для математического моделирования и донного барботажа расплава газом. 

«Вместе с коллегами из ИВиС ДВО РАН мы планируем провести эксперименты уже с использованием сейсмических приборов для измерения вибраций и толчков, возникающих при выбросе магмы из холодного тигля, а также быстродействующих видеокамер, которые смогут проводить скоростную видеосъемку во время этих процессов», – подчеркнул Дмитрий Борисович Лопух

Также в рамках исследований планируется регулировать и контролировать подачу газа, от которого зависят режимы выброса магмы из ванны расплава. По оценкам ученого, в перспективе полученные и будущие результаты могут быть использованы для предсказания извержений вулканов.

Финальная часть работы по математическому моделированию и успешному запуску печи ИПХТ для изучения дегазации расплава вулканической магмы выполнена в рамках программы «Приоритет 2030».

Индукционная печь для плавки вулканической породы получила патент РФ (№2802941) в 2023 году. Результаты исследований по плавке вулканических пород в индукционной печи с холодным тиглем опубликованы в научном журнале Russian Electrical Engineering. Планируется публикация новых результатов проведенных исследований по дегазации расплава в разработанной печи ИПХТ с высокой ванной расплава магмы. Дальнейшее приближение условий тестов к реальным извержениям вулканов связано с повышением мощности установки для обеспечения более высокой ванны расплава и увеличения выбросов магматических бомб.