Научная
деятельность
Университет ИТМО

Для любителей похолоднее: эксперты Университета ИТМО рассказали о последних достижениях физики низких температур

На улице жара! Самое время подумать о холоде. К тому же повод не один: 10 июля 1908 года впервые был получен жидкий гелий, который используется в качестве хладагента. Сделать это удалось Хейке Камерлинг-Оннесу, голландскому физику, за что он и удостоен Нобелевской премии в 1913 году. Получение жидкого гелия привело к самой настоящей революции в физике и дало толчок для ее дальнейшего развития. О криогенных  технологиях  и самых актуальных разработках с их использованием рассказали директор мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем Университета ИТМО Игорь Владимирович Баранов и доцент факультета энергетики и экотехнологий Олег Всеволодович Пахомов.

Началось все  действительно  с гелия. Кстати, на установке, изготовленной Камерлинг-Оннесом, было получено около 60 мл жидкого гелия за 12 часов. И только в 30-х годах прошлого столетия Петр Капица создал установки по сжижению гелия с производительностью два литра в час. Интересно, что впервые гелий был обнаружен на Солнце, а не на Земле, и сделать его жидким было очень сложно.  В отличие от многих других газов, которые переходят в жидкое состояние в результате простого сжатия, гелий требует особых условий — низких температур. Сейчас криогенными принято считать температуры ниже 120 Кельвинов (температура конденсации природного газа). А 2,173 Kельвинов — та самая температура сверхтекучего гелия под вакуумом. Ниже этого диапазона начинается область сверхнизких температур. А вот достигнуть абсолютного нуля нельзя — это доказанный факт. 

<p class="show_photo_comment">Хейке Камерлинг-Оннес. Источник: commons.wikimedia.org</p>
<p class="show_photo_comment">Хейке Камерлинг-Оннес. Источник: commons.wikimedia.org</p>

Важно, что низкие температуры изменяют свойства веществ и позволяют наблюдать совершенно другие, порой неожиданные эффекты, например, сверхпроводимость и сверхтекучесть. 

Сейчас  криогеника широко используется во многих отраслях промышленности и науки. Материаловедение, квантовая и ядерная физика, судостроение, освоение космоса, медицина, электроника — всем этим областям не обойтись без синергии с физикой низких температур. Хотя исторически одной из первой практической причиной для получения искусственного холода было все-таки хранение продуктов. Особенно остро эта проблема встала в годы Первой мировой войны: всеобщая мобилизация привела к  серьезной необходимости обеспечивать питанием огромное количество людей и делать это быстро. 

«Не будет преувеличением сказать, что все Нобелевские премии по физике за последнее время так или иначе были связаны с достижениями криогеники. Ведь, например, гравитационные волны были зарегистрированы с помощью точнейших сверхпроводящих датчиков, премии Гинсбургу и Абрикосову за развитие теории сверхтекучести и сверхпроводимости, Капицы  — за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур, Ландау — за исследования в теории конденсированного состояния, в особенности жидкого гелия», — рассказывает Олег Пахомов.

<p class="show_photo_comment">Олег Пахомов</p>
<p class="show_photo_comment">Олег Пахомов</p>

Зеленый свет «зеленым» технологиям

Заботиться о природе сейчас в тренде. В конце 2020 года в Университете ИТМО был создан новый факультет энергетики и экотехнологий ― Гринтех. Его выпускники станут инженерами для «зеленых» предприятий нового поколения.

«Экологические стандарты становятся все более жесткими с каждым годом. Гнаться только за эффективностью теперь недостаточно: важно, чтобы энергетика была  “зеленой”. А альтернативные и водородные технологии не проигрывают традиционным источникам энергии по эффективности, но при этом не наносят вреда окружающей среде и не выбрасывают углекислый газ в атмосферу», ― объясняет Игорь Баранов. 

<p class="show_photo_comment">Игорь Баранов</p>
<p class="show_photo_comment">Игорь Баранов</p>

Именно чрезмерные выбросы углекислого газа приводят к проблеме глобального потепления. Но выход есть. Криогенные технологии позволяют улавливать углекислый газ так, чтобы потом его можно было безопасно утилизировать или использовать повторно, например, для получения сухого льда и приготовления газированных напитков. Поддерживать низкие температуры принципиально важно для правильного хранения вакцин от коронавируса. Отличие всего в несколько десятых градуса является критическим:  активные вещества погибают и свойства вакцины пропадают. Российская разработка ― Спутник V ― не такая прихотливая: для ее сохранности достаточно поддерживать температуру порядка -24 градусов Цельсия, а вот европейские вакцины требуют температуры около -78 градусов Цельсия. 

«Зелеными» становятся и транспортные средства. Уже разработан первый автомобиль Aurus, полностью работающий на водородном двигателе.  А в Китае и Японии уже курсируют поезда на магнитном подвесе с использованием эффекта сверхпроводимости. Такие поезда на магнитной подушке могут соперничать по скорости с самолетами  и достигать 420 км/ч, но в отличие от них полностью лишены вредных выбросов в атмосферу. 

Сауна «наоборот» и как заморозить болезни 

Оказывается, холодом можно лечиться! Приведем актуальный пример. Из-за коронавируса дышать стало нечем в прямом смысле: вирус поражает легкие, поэтому обеспечивать кислородом пункты с больными ― важная задача. Для этого используются специальные кислородные станции. В основе их работы лежит криогенная технология для разделения компонентов воздуха и выделения самого ценного и жизненно необходимого ― кислорода. Такая технология очень своевременна и жизненно необходима: например, в это воскресенье власти Сингапура направили в Индонезию корабль с баллонами медицинского кислорода на борту.  

Но низкие температуры в медицинских целях применяются и напрямую. Очень высокотехнологичным и трендовым направлением является криохирургия. Дело в том, что если заморозить «здоровые» и «больные» клетки, то из-за различия теплофизических свойств они «замерзнут» по-разному. Тогда их можно будет отличать друг от друга. А после точечной заморозки с помощью специальных медицинских приборов ― криодеструкторов ― зараженные клетки легче отделяются от здоровых тканей. Подобным способом лечат раковые заболевания и удаляют опухоли. Данные работы проводятся в сотрудничестве с Федеральным медико-биологическим агентством. 

<p class="show_photo_comment">Криосауна, разработанная совместно с компанией &laquo;Крион&raquo;</p>
<p class="show_photo_comment">Криосауна, разработанная совместно с компанией &laquo;Крион&raquo;</p>

Еще один пример криомедицины ― криотерапия. Специальный медицинский аппарат ― криогенная сауна ― обеспечивает физиотерапевтическое воздействие криогенным газом на всю кожу  пациента. При температурах около -170 градусов Цельсия организм человека испытывает стресс и запускает процессы, которые способствуют восстановлению при заболеваниях и стимулируют иммунную систему. Подготовка  специалистов в этой сфере ведется на мегафакультете биотехнологий и низкотемпературных систем в рамках направления подготовки «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения». 

А еще такие криосауны, разработанные совместно с компанией «Крион», использовали спортсмены из Англии и Японии во время чемпионата мира по футболу в России в 2018 году. Такое «охлаждение» помогает снимать боль, ускоряет процессы регенерации тканей и восстановление после тяжелых тренировок. 

«Холодный» компьютер и невидимые ЛЭП

Телефон мы не выпускаем из рук ни на секунду. А ведь за это тоже нужно благодарить криофизику. На самом деле, для того чтобы производить любые устройства микроэлектронной техники, нужны особые «чистые» вакуумные камеры. Внутри такой камеры поддерживается экстремально низкая температура ― около 20 Кельвинов. В таком холоде вымерзает все: вода, масла и нежелательные молекулы газов. 

Кроме того, в настоящее время ведутся разработки компьютеров, где для элементов памяти используют эффект Джозефсона на высокотемпературных сверхпроводниках. Но не стоит думать о привычных высоких температурах, ведь в криофизике они совсем другие. Например, самые «горячие» сверхпроводники имеют критическую температуру около -105 градусов Цельсия. 

Для представления информации в виде классической последовательности 0 и 1  в таких компьютерах используются «нормальное» и сверхпроводящее состояния. А главное, «холодные» компьютеры потребляют на два порядка меньше энергии. Это важно в том числе для работы с большими объемами данных. 

<p class="show_photo_comment">Производительность &laquo;холодных&raquo; компьютеров. График из презентации Олега Пахомова</p>
<p class="show_photo_comment">Производительность &laquo;холодных&raquo; компьютеров. График из презентации Олега Пахомова</p>

Не стоит забывать, что Санкт-Петербург ― культурная столица России. Вряд ли найдется кто-то, кто скажет, что провода ЛЭП добавляют городу красоты и эстетичности. Криопровода или сверхпроводящие токовводы ― совместная разработка Университета ИТМО и коллег из НИИЭФА им. Д.В. Ефремова ― позволят не только в прямом смысле «спрятать» некрасивые провода, но и способствовать их охлаждению. 

Уникальное образование для уникальных специалистов

Узнать про эти и другие интересные применения криогенных технологий, а также непосредственно участвовать в разработках с их использованием можно в Университете ИТМО ― на направлении  «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения». На мегафакультете биотехнологий и низкотемпературных систем есть образовательные программы для всех уровней: от бакалавриата до аспирантуры. Кроме того, студенты магистратуры могут получить сразу два диплома на совместной образовательной программе с Казахским национальным университетом имени Аль-Фараби. 

<p class="show_photo_comment">Жидкий азот</p>
<p class="show_photo_comment">Жидкий азот</p>

«На нашем факультете очень сильная научная школа по низкотемпературным технологиям и теплофизике. В 2020 году по специальности “Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения” было проведено всего восемь аспирантских защит в России. И все эти новоиспеченные кандидаты наук ― выпускники Университета ИТМО», ― отмечает Игорь Баранов. 

Учить уникальных специалистов надо тоже по-особенному. И в Университете ИТМО есть такая возможность: преподаватели мегафакультета являются академиками, членами-корреспондентами Международной академии холода, а техническая оснащенность и крепкие корпоративные связи позволяют студентам получать практический опыт уже с первых лет обучения в университете. 

Особенная гордость факультета ― уникальная учебная лаборатория «Физика низких температур». Она базируется на универсальном лабораторном стенде, который разработан совместно с факультетом программной инженерии и компьютерных технологий Университета ИТМО. На одном таком стенде  можно провести 12 лабораторных работ по исследованию свойств при криогенных температурах.  

<p class="show_photo_comment">Лабораторный стенд. Фото предоставлено учеными</p>
<p class="show_photo_comment">Лабораторный стенд. Фото предоставлено учеными</p>

У мегафакультета есть коллаборации как с иностранными компаниями ― Mitsubishi, Daikin,  Danfoss, Carel, так и с отечественными наукоемкими предприятиями и научными центрами ―  АО «ЛенНИИХиммаш», АО «Компрессор»,  НПО «Гелиймаш», ООО «Бюро техники». 

Требования к студентам мегафакультета очень высокие, ведь подготовка сотрудников для работы с такими серьезными индустриальными компаниями ― большая ответственность для всех: и для преподавателей университета, и для предприятий, и для самих будущих специалистов.  

«Студенты, обучающиеся на нашем мегафакультете, могут работать везде: от сферы ракетостроения до ядерной физики. Ценность нашего образования в том, что оно является не просто инженерным, а именно физико-техническим. Такие специалисты получают глубокую теоретическую базу, не оторванную от реальных коммерческих проектов. Наши образовательные программы действительно очень органично “подружили” физику и технику», ― комментирует Олег Пахомов. 

Текст: Ирина Воронцова