ОТ КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ДО ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ЗАРОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
(01)
Самарский Университет
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
«ФИЗИКА И ХИМИЯ ГОРЕНИЯ»
В Самарском национальном исследовательском университете имени академика С.П. Королева в рамках мегагранта Правительства РФ создана и успешно работает международная научная лаборатория «Физика и химия горения».
Ученые Самарского университета ведут в лаборатории научные исследования и эксперименты мирового уровня совместно с известными учеными США и Германии.
В числе основных направлений работы лаборатории – изучение реакционной динамики и кинетики процессов горения и исследование истоков возникновения биохимических молекул – «кирпичиков», из которых состоят все известные формы жизни на Земле.
Возглавляет лабораторию профессор Международного университета Флориды (Майами, США) Александр Мебель, специалист в области физической и квантовой химии.
Лаборатория оснащена уникальным оборудованием, в том числе самой большой в мире экспериментальной установкой для изучения процессов горения.
(02)
Самарский Университет
«СЕРДЦЕ» ЛАБОРАТОРИИ – ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
В 2021 году в Самарском университете было завершено создание уникальной экспериментальной установки для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения. Это самая большая и наиболее точная в мире установка подобного типа.
Кроме самарской существует еще 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.
Размеры уникальной установки имеют важное значение: благодаря большому объему удается значительно повысить избирательность и чувствительность определения продуктов реакций и составлять более точные модели процессов горения, которые позволяют лучше предсказывать, как будет работать конкретный двигатель при конкретных условиях и как будут идти процессы, например, в камерах сгорания газотурбинных двигателей и что нужно сделать, чтобы увеличить эффективность сгорания топлива и уменьшить вредные выбросы.
Установка работает при сверхвысоких значениях вакуума – практически как в глубоком космосе, поэтому к ее сборке предъявлялись требования как для глубоководных или космических аппаратов – чтобы все соединения были абсолютно герметичны.
Для проекта были приобретены изготовленные в Японии специальные турбомолекулярные насосы, обеспечивающие сверхвысокий вакуум, и масс-спектрометр.

Главная часть установки – вакуумная камера. Ее размеры составляют два метра в длину и полтора в высоту, вес - около полутора тонн. Чтобы поднять ее в лабораторию на третий этаж был задействован строительный кран.
Установка рассчитана на автономную круглосуточную работу. В насосах установлены «вечные» подшипники на магнитной подвеске, не знающие износа и не требующие смазки. В случае неполадок умное оборудование само «сообщит» ученым об этом в мессенджере.
(02)
Самарский Университет
КАК РАБОТАЕТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Ученые Самарского университета и Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) используют для установки высокотемпературный химический микрореактор. Он установлен внутри вакуумной камеры и представляет собой трубку из карбида кремния. Карбид кремния крайне редко встречается в природе на Земле, но широко распространен в космосе в виде частиц «звездной пыли». Длина трубки – 20 см, внутренний диаметр – 1 мм.
Во время экспериментов в эту трубку поступает газовая смесь, содержащая инертный газ – гелий или аргон – и необходимые для изучаемой реакции реагенты. В разогретом микрореакторе происходит химическая реакция, продукты которой в виде молекулярного пучка попадают далее в сверхвысокий вакуум и ионизируются вакуумным ультрафиолетовым излучением, после чего масс-спектрометр, «поймав» получившиеся ионы, очень точно определяет массу, структуру и другие детали молекул, образовавшихся в результате химической реакции.
В числе уникальных возможностей установки не только определение спектра образующихся продуктов, но и измерение скорости химических реакций, что необходимо для построения кинетических моделей горения. То есть, ученые могут увидеть, в какой момент, как быстро и какие вещества появляются и расходуются. Для измерения химических реакций подобные установки ранее никогда не использовались.
(03)
Самарский Университет
ОТ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ К ЗАГАДКАМ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Установка позволяет проводить в лаборатории широкий спектр экспериментов, в том числе и с несколькими молекулярными пучками в вакуумной камере.
При проведении экспериментов со скрещенными пучками, когда летящие молекулы из разных пучков сталкиваются друг с другом, можно исследовать химические реакции, происходящие не только в околозвездном пространстве, где высокие температуры, но и в молекулярных облаках, которые находятся далеко от звезд и где, соответственно, очень низкая температура.
Подобные эксперименты позволяют лучше понять химическую эволюцию Вселенной и, возможно, пути происхождения самой жизни, поскольку многие биологически важные молекулы - такие, как аминокислоты - могут синтезироваться в космосе на поверхности звездных пылинок, образованных из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) .
На Земле ПАУ входят в число вредных загрязнителей и присутствуют в выхлопах любого двигателя на углеводородном топливе.
Если понять, как образуются ПАУ в космических условиях, как они переходят из газовой в твердую фазу и образуют твердые пылинки, можно понять как произошла жизнь во Вселенной, считают ученые.
В ходе проведенных в лаборатории исследований ученым Самарского университета первыми в мире удалось показать образование простейшего полициклического ароматического углеводорода индена при температурах, соответствующих условиям космоса.
Ученые определили, каким образом работают в космосе молекулярные «межзвездные фабрики», создающие органические молекулы, например, аминокислоты и моносахариды.
Была разработана улучшенная модель процессов горения, позволяющая детальнее понять механизм образования сажи и других вредных веществ.
С помощью университетского суперкомпьютера «Сергей Королев» ученые смоделировали механизм образования зародышей сажи и рассчитали константы скорости возможных химических реакций.

Результаты этого исследования помогают уменьшить уровень образования сажи в двигателях, использующих углеводородное топливо.
(04)
Самарский Университет
РАЗРАБОТКА УТОЧНЕННОЙ КОНЦЕПЦИИ ХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ МЛЕЧНОГО ПУТИ
Ученые Самарского университета им. С.П. Королёва принимают участие в проекте создания междисциплинарного Центра лабораторной астрофизики в Самарском филиале Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) РАН.
Центр лабораторной астрофизики создается в рамках мегагранта Правительства РФ «Происхождение и эволюция органических молекул в нашей Галактике».
В Центре построят установку нового поколения для изучения криогенных поверхностных процессов.
Испытания установки должны начаться в 2023 году, а первые эксперименты – в 2024 году.
С помощью установки на Земле воссоздадут условия космической межзвездной среды, в частности, Пояса Койпера, окружающего Солнечную систему и скрывающего в себе множество ледяных тел и комет.
Ученые будут экспериментально исследовать механизмы образования сложных органических соединений на покрытых льдом наночастицах в молекулярных облаках и в областях звездообразования.

Результаты исследований должны помочь в разработке уточненной концепции химической эволюции нашей Галактики. Их можно будет также использовать при создании новых перспективных материалов и покрытий для космических аппаратов и новых аналитических приборов для будущих космических миссий.
Экспериментальная установка
для изучения процессов горения
4 года
Разработка и создание установки велись с 2017 по 2021 годы
от +727 до +2227 градусов Цельсия
Диапазон температур проведения экспериментов
2х1,5 метра
Размер главного элемена установки – вакуумной камеры
1,5 тонны
Вес вакуумной камеры
Установка для изучения криогенных
поверхностных процессов
3 года
Разработка и создание установки запланировано на 2021 - 2024 годы
от -269 до +18 градусов Цельсия
Диапазон температур проведения экспериментов

  • Александр Мебель

    Руководитель международной научной лаборатории «Физика и химия горения», профессор, Индекс Хирша в базе Scopus 54

    Является известным в мире специалистом в области квантовой химии. В своих исследованиях ученый рассматривает строение и свойства химических соединений, реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе квантовой механики.


    mebela@fiu.edu

  • Ральф Инго Кайзер

    Руководитель Центра лабораторной астрофизики, профессор Гавайского университета в Маноа (США), Индекс Хирша в базе Scopus 58

    Является известным в мире специалистом в области астрохимии. В своих исследованиях ученый занимается астрохимическим моделированием, рассматривает низкотемпературные химические реакции в твердом теле, реакционную кинетику и динамику в экстремальных условиях - при сверхвысоких и сверхнизких температурах.


    pfizeke@gmail.com