Химия и науки о материалах
12 мин.

«В России создается центр компетенций мирового уровня для исследования зарождения жизни во Вселенной»

Александр Мебель

Александр Мебель

Алексей Паевский/ИПХФ РАН

Самарский университет им. Королева стал победителем конкурса Правительства РФ на получение мегагранта по теме "Разработка физически обоснованных моделей горения". Для его реализации была создана международная научная лаборатория "Физика и химия горения" под руководством профессора Международного университета Флориды Александра Мебеля. Почему химические реакции, которые происходят при горячих температурах на Земле, идентичны тем, что идут в космосе? Каким образом ученые приблизились к пониманию механизмов возникновения жизни на Земле и во Вселенной? На эти и другие вопросы Александр Мебель ответил в интервью для нашего портала.

— В Самарском университете им. Королева под вашим руководством был реализован мегагрант правительства РФ "Разработка физически обоснованных моделей горения". Что вы считаете главными результатами этой работы?

— Главное, что в Самарском университете им. Королева появилось новое большое научное направление — исследование реакций горения. Для этого здесь в рамках мегагранта была создана и продолжает эффективно работать научно-исследовательская лаборатория “Физика и химия горения”. Сотрудники нашей лаборатории занимаются теоретическими расчетами, а затем сразу же могут проверить их экспериментально, возможности для этого у нас есть. Отмечу, что большинство наших сотрудников — молодые ребята: от бакалавров и магистров до аспирантов и перспективных ученых. С первого курса они начинают заниматься наукой под патронажем мировых лидеров в области горения.

— А сколько лабораторий, подобных “Физике и химии горения”, в России?

— Всего их четыре, они находятся в Москве и Новосибирске.

— Горение для обывателя не нуждается в объяснении: зажег спичку — дерево загорелось, металл не загорелся. А что такое горение с точки зрения физики и химии, почему его нужно изучать?

— Горение — очень сложный процесс. Ключевая его особенность — своего рода дуализм. Горение может быть безвредным и даже полезным — например, костер, который греет в холод и на котором можно готовить еду. Но в то же самое время горение может быть очень вредным. Мы занимаемся именно вторым направлением.

Если смешать топливо с окислителем — кислородом — которого в момент горения будет недостаточно, то вместо разложения углеводородов на углекислый газ и воду произойдет рост ароматических молекул. Они, в свою очередь, перерастут в полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), из которых затем образуется сажа — она выбрасывается в воздух.

— А сажа, как известно, вредная.

— Да. Вдыхая сажу, люди заболевают, так как ПАУ являются очень сильными канцерогенами. Поэтому нам и важно понимать, как происходит горение на уровне элементарных химических реакций.

— Для чего это нужно знать на таком микроскопическом уровне?

— Если мы знаем, что и каким образом горит, то мы можем составить предсказательные модели процессов горения.

— Для чего эти модели?

— Дело в том, что у разных автомобилей, самолетов и газовых турбин параметры давления и температуры отличаются. А для того, чтобы машина ехала, самолет летел, а газовая турбина давала электричество — нам нужно точно знать, или, говоря научным языком, точно предсказать, сколько для этого нужно энергии. Это один момент.

Другой — это выбросы вредных веществ. Мы должны разрабатывать модели горения так, чтобы все вещества сгорали с максимальным КПД. Полностью, говоря простым языком. Это позволит улучшить экологию, минимизировав выброс в воздух сажи. А для этого нужно знать, как эти процессы происходят на элементарном — атомарном и молекулярном — уровне. Зная это, мы сможем разрабатывать точные математические модели — “цифровые двойники” — которые предскажут, что случится, если изменить температуру и давление, состав топлива, размер или форму камеры сгорания. Разработка таких физически обоснованных моделей горения и есть цель мегагранта.

— То есть вы пытаетесь понять природу горения, чтобы выяснить, как топливу сгореть максимально эффективно?

— Именно.

— А топливо может сгореть совсем, до нуля?

— Мы имеем дело с химическим процессом — атомы не разрушаются, поэтому углерод никуда не денется. Самое чистое соединение, в которое может превратиться углерод — углекислый газ (СО2). Когда никто еще не начал изучать глобальное потепление, ученые считали CO2 безопасным и чистым газом. Сейчас же мы знаем, что это парниковый газ, который влияет на климат. Но пока мы пользуемся углеводородным топливом, СО2 продолжит производиться.

Самый чистый процесс — это горение водорода. Если мы перейдем на водородное топливо, то водород будет сгорать, и останется только вода. Но здесь, опять же, надо учитывать, что при производстве водорода тратится энергия. Значит, снова возникает углеродный след, который опять-таки влияет на окружающую среду.

— То есть, от углеводородной энергетики мы пока никуда деться не можем?

— Да, единственный способ — это полностью перейти на ядерную энергетику, но там свои проблемы с безопасностью.

— А насколько актуальны исследования процессов горения, учитывая, что будущее, как говорят, за электрическим транспортом?

— Ну, например, электростанции, которые производят электрическую энергию, будут жечь углеводороды еще сотни лет, а это значит, им нужны обоснованные модели горения. Автомобили, может быть, и перейдут на электричество — электродвигатели развиваются с бешеной скоростью. Есть у человечества и вариант перехода на атомную энергию, но здесь сразу же встают вопросы радиационной безопасности, хранения отходов — ведь они сохраняют опасность на протяжении нескольких миллионов лет, хотя и не имеют никакого углеродного следа. По моему мнению, будущее за комбинацией разных видов энергетики. Доля углеводородов по-прежнему будет велика, но они станут экологически чище.

— Ядром мегагранта, который вы курировали, является создание экспериментальной установки для исследования реакций горения. Расскажите, что она собой представляет?

— Созданная нами экспериментальная установка является самой большой в мире и предназначена для изучения процессов горения на атомарно-молекулярном уровне. Помимо Самары в мире есть всего три установки, но они меньше по объему: две работают в США, в Гавайском университете и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, и одна в Китае — в Университете Хэфэя. Самая первая установка подобного типа была создана в мире 15 лет назад — в тот момент начали изучать возможности использования фотоионизации, то есть воздействие светом на атомы и молекулы для определения продуктов элементарных химических реакций. Установка в Самаре разрабатывалась с учетом опыта всех предыдущих проектов.

— Почему так важен размер установки?

— Размер в данном случае имеет значение — благодаря большому объему установки повышается чувствительность определения продуктов реакций. Иными словами, можно составлять более точные предсказательные модели процессов горения, которые позволят прогнозировать с высокой точностью как и при каких конкретных условиях будет работать конкретный двигатель, и что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива и уменьшить вредные выбросы.

— Расскажите, как устроена экспериментальная установка?

— Под установку, компоненты и дополнительное оборудование в лаборатории Самарского университета им. Королева выделен целый зал. Здесь также находятся изготовленные в Японии специальные турбомолекулярные насосы — они обеспечивают сверхвысокий вакуум — и масс-спектрометр американского производства. Но главный элемент установки — наше детище — это вакуумная камера. Она работает при сверхвысоких значениях вакуума, то есть в условиях, идентичных глубокому космосу. Ее “сердцем” является высокотемпературный химический микрореактор — он представляет собой тоненькую трубку из карбида кремния. Его разработали ученые Самарского университета и Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН).

— Что для вас было главным вызовом в разработке этого сверхточного оборудования?

— Главный вызов — это как раз создание вакуумной камеры. Она сделана в России, с опорой на имеющийся в этой сфере мировой опыт. Начиная от чертежей — наши сотрудники ездили для этого в Гавайский университет в Маноа, где находится подобная установка — заканчивая монтажом в Самаре. При довольно “скромных” объемах — два метра в длину и полтора в высоту, ее вес составляет полторы тонны. Чтобы поднять ее в лабораторию на третий этаж, мы задействовали строительный кран.

Весной 2020 года мы “почистили” камеру ультразвуком. Это позволило достичь нужного нам вакуума. Сейчас мы занимаемся генерацией коротковолнового ультрафиолетового сигнала, который даст нам возможность проводить фотоионизацию молекул. Сигнал лазера скрещивается в вакуумной камере с молекулярным пучком, который содержит реагенты, несомые инертным газом — это может быть гелий или аргон, в зависимости от проводимого эксперимента. Также мы сейчас калибруем саму камеру и масс-спектрометр на специальные газы. Думаю, на реальный эксперимент мы выйдем в конце 2021 года.

— Что это будет за эксперимент?

— Первый эксперимент будет простейшим — мы хотим посмотреть, как одно кольцо ПАУ превратится в два кольца. Упрощенно этот процесс будет выглядеть так: химический микрореактор, та самая трубка, нагреется до экстремально высокой температуры в 1500 Кельвинов (+1226 градусов Цельсия), газ при этом будет выходить из реактора со сверхзвуковой скоростью и моментально охлаждаться. Лазер мы направим на молекулы, и они из нейтральных частиц превратятся в ионы — станут заряженными частицами. В этот момент масс-спектрометр детектирует сигнал и “считает”, сколько всего ионов прилетело. Этот эксперимент позволит нам определить продукты химических реакций на детальном уровне. Станет понятна не только масса, но и структура молекулы. Затем мы сравним итоги этого эксперимента с нашими первоначальными теоретическими расчетами.

— Над чем вы будете работать далее?

— На этом мы не остановимся — в дальнейшем мы будем определять не только продукты реакций, но и их скорость. Выяснение скорости реакций — это уникальная составляющая работы установки.

— А для чего нужно знать скорости реакций?

— В горении происходит множество реакций. Для того, чтобы понять, на каком именно этапе образуются те самые вредные выбросы, нужно измерить скорость реакций. Сделать это нужно при высоких температурах. Никто в мире этого еще никогда не делал. Те же установки в Беркли и Хэфее занимаются качественными измерениями, но не выясняют скорости реакций.

— А при какой температуре до сих пор измеряли скорости реакций?

— При комнатной. А при такой температуре реакция может идти совсем по-другому, чем при +1226 градусов Цельсия. Наши теоретические расчеты показывают, что исход реакции сильно зависит от температуры. Причем ученые Самарского университета и ФИАНа уже несколько лет специализируются на химической кинетике — то есть на измерении скоростей реакций, определяя не только какой продукт появляется, но и как быстро он формируется. Поэтому на основании полученного ими опыта и с помощью экспериментальной установки мы будем не только определять спектр продуктов, но и измерять константы скоростей химических реакций. Такого еще никто в мире не делал.

— Объясните, а для чего нужно знать скорости реакций в прикладном смысле?

— Как я говорил раньше, когда инженеры разрабатывают камеры сгорания, двигатели, они учитывают, какие внутри них будут идти химические реакции при выработке топлива. Если это двигатель внутреннего сгорания, то реакции идут при одной атмосфере. Если же это самолетный двигатель, то реакции идут от 10 до 100 атмосфер — давление значительно выше. На основании этих условий инженеры разрабатывают модели горения. Модели существуют уже десятилетия. И здесь важно понимать простую вещь: обычно скорости химических реакций подгонялись под какой-то эксперимент, то есть не были физически обоснованы. А когда существует подгонка под какие-то условия, то гарантировать, что эта же модель горения будет работать при других условиях, к примеру, в более эффективных и экологически чистых двигателях — нельзя. Наши теоретические расчеты, которые затем будут проверяться при помощи экспериментальной установки, позволят генерировать физически обоснованные константы. Такие модели будут иметь надежную предсказательную силу.

— Какие еще эксперименты вы планируете проводить на этой установке?

— Наша уникальная установка для исследования реакций горения еще на этапе чертежей была сконструирована таким образом, что на ее базе можно проводить эксперименты с несколькими молекулярными пучками. У нас в вакуумной камере пока можно работать с одним молекулярным пучком, но сбоку можно установить источник второго молекулярного пучка. Также мы планируем эксперименты в скрещенных пучках: вот летит молекула “а”, вот молекула “б”, и они сталкиваются. Эксперименты со скрещенными пучками позволят исследовать химические реакции, характерные не только для околозвездного пространства, но и для молекулярных облаков — это области, которые находятся далеко от звезд, где температура очень низкая.

— В рамках мегагранта вы изучали фундаментальные механизмы, одинаковые как для космоса, так и для Земли. В одной из научных статей вы заявили, что химические реакции, которые протекают при горячих температурах в пламени на Земле идентичны тем, что происходят в межзведной среде.

— Да. Если смотреть температуру, при которой они идут — от 1000 Кельвинов (+727 градусов Цельсия) до 2500 Кельвинов (+2227 градусов Цельсия), то химические реакции в околозвездной среде сходны с теми, что мы наблюдаем на Земле.

— Когда вы говорите об околозвездной среде, вы имеете ввиду Солнечную и подобные ей системы?

— Не обязательно, это актуально для всех сред, где есть звезда и источник ее нагрева.

— Что общего происходит в околозведной среде и в камере сгорания?

— Как я говорил раньше, на Земле вредные выбросы происходят от неполного сгорания углеводородов. Но, как оказалось, эти же ПАУ каким-то образом формируются и в космическом пространстве. И эти ПАУ, начиная от маленьких — таких как молекулы нафталина — до больших круглых молекул — таких как коронин — находят во многих метеоритах, упавших на Землю.

— И что выяснилось при обследовании таких метеоритов на Земле?

— Изотопный состав углеводорода, проведенный на Земле, доказывает, что эти ПАУ образуются именно в космосе, а не являются загрязнениями, который метеорит получает, падая на нашу планету. Изучаются учеными ПАУ и на расстоянии — с помощью телескопов. И в различных спектрах инфракрасного и ультрафиолетового излучения есть элементы, которые относят к молекулам ПАУ. Интерпретация этих астрономических спектров, полученных с различных телескопов, показывает, что во Вселенной очень много ПАУ. Если быть точнее, до 30% углеродного баланса во Вселенной содержится в виде ПАУ.

— Как это помогает понять происхождение жизни?

— Межзвездная пыль, частички которой есть в облаках разного типа, состоят либо из углеводородов (то есть из сажи), либо из силикатов (то есть из песка). И очень много химических реакций в астрохимии идет на поверхности межзведных пылинок, частички которых состоят из ПАУ. И, как говорят астрохимики, многие биологически важные молекулы, такие как аминокислоты, могут синтезироваться в космосе именно на поверхности таких пылинок без воздействия внешних источников энергии. Поэтому если мы сможем понять, как образуются ПАУ в условиях открытого космоса в околозведных оболочках и в молекулярных облаках, и затем связать это с процессом образования биологически важных молекул, то мы сможем лучше понять, как произошла жизнь во Вселенной.

— То есть углеводороды могут являться своеобразным реактором для простых биологических молекул?

— Углеводороды из ПАУ позволяют простым биологическим молекулам синтезироваться на своей поверхности — в одной из своих научных статей мы их так и назвали — биохимические фабрики.

— Можно ли сказать, что так и зарождается жизнь во Вселенной?

— Не совсем жизнь, так начинается формирование простых биохимических молекул. Жизнь, к примеру, на Земле, все-таки начинается с аминокислот. Но маленькие небиологические молекулы, собравшиеся на поверхности ПАУ, могут производить химическую “сборку” более сложных биологических молекул. Дрейфуя по межзвездному пространству на поверхности ПАУ, такие молекулы могут попадать в благоприятные условия, где на их основе возможно зарождение жизни.

— Ваш коллега — американский ученый Ральф Кайзер — в этом году получил мегагрант Правительства РФ. В рамках него на базе ФИАН вместе с учеными Самарского университета он займется созданием Центра лабораторной астрофизики. В рамках вашего мегагранта вы изучали фундаментальные механизмы, одинаковые для космоса и для Земли. Можно ли считать новый мегагрант продолжением работы в направлении исследования зарождения жизни во Вселенной?

— Мы всегда понимали, что процессы, которые мы изучаем, важны не только для понимания процессов горения на Земле, но и для понимания зарождения жизни во Вселенной. Когда мы только начали сотрудничать с Ральфом Кайзером, мы увидели очень много пересечений в наших исследованиях и стали смотреть на процессы с двух сторон: на то, что происходит на атомарном уровне при сверхвысоких и при сверхнизких температурах горения. С появлением Центра лабораторной астрофизики в Самаре мы сможем исследовать химические реакции в очень широком диапазоне экстремальных температур. Самая главная задача Центра лабораторной астрофизики — разработка уточненной концепции химической эволюции Солнечной системы и зарождения жизни на Земле. Так что можно сказать, что в России, в Самаре, на базе этих двух крупнейших лабораторий де-факто создается мощный и не имеющий аналогов центр компетенций мирового уровня для исследования зарождения жизни во Вселенной.