УДК 532.5; 536.7; 537.5; 539.1; 620; 621; 662

В.Ю. СКОСАРЬ

Институт транспортных систем и технологий НАН Украины

КАВИТАЦИЯ: ОТ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРОВ ДО НЕЙТРОННЫХ ЗВЕЗД

Введение

Физические и физико-химические явления, которые сопровождают процесс кавитации, настолько сложны и разнообразны, что это создает перспективы для глубокого исследования кавитации и более широкого применения ее во многих отраслях промышленности, в составе передовых технологий. Например, применение кавитационных процессов дает возможность улучшить характеристики жидкого органического топлива [1], а это может использоваться как в энергетике, так и в самолетостроении и ракетной технике, что весьма актуально. Перспективным может оказаться изучение возможности ядерного синтеза в специальных кавитационных устройствах [2]. Интересные применения могут найти результаты исследований кавитации в квантовых жидкостях, таких как сверхтекучий гелий [3] или нуклонная жидкость в недрах нейтронных звезд.

Нельзя сбрасывать со счетов использование процесса кавитации в обычной воде.

1. Формулирование проблемы

В настоящей работе автор рассмотрит некоторые области исследований процесса кавитации. Целью работы является качественный анализ физических явлений, сопровождающих кавитацию, которые могут быть использованы в энергоэффективных технологиях, в самолетостроении, ракетной технике и других отраслях промышленности.

2. Аналитическая часть

Самым популярным рабочим веществом для исследования кавитации остается вода и водные растворы по причине наибольшей распространенности в природе. Вторая причина - многогранность физических и физико-химических явлений, сопровождающих процесс кавитации воды. До настоящего момента продолжаются исследования и ведутся разработки в направлении получения дешевой тепловой энергии в кавитационных нагревателях. И рабочим веществом в таких теплогенераторах чаще всего бывает вода. Некоторые разработчики кавитационных теплогенераторов рекламируют высокую тепловую эффективность своих устройств и даже их способность выдавать тепловую мощность выше, чем затраты на их работу, объясняя этот факт активацией дополнительных источников энергии в рабочей жидкости (см. анализ вопроса в [4]).

В одной из работ исследовательской группы А.А. Халатова получены следующие результаты для кавитационных теплогенераторов, использующих режим гидродинамической кавитации. При корректно поставленном теплофизическом эксперименте с надежной термоизоляцией, практически исключающей неучтенные тепловые потоки между кавитационным устройством и окружающей средой, наблюдается почти точный баланс между подведенной к теплогенератору энергией и выделившимся теплом. Однако, иногда фиксируются небольшие нарушения баланса, среди которых наибольший интерес представляет некоторый избыток тепла над количеством подведенной энергии. В этой же работе высказано предположение, что видимый избыток тепловой энергии возникает вследствие пониженной теплоемкости воды на выходе из кавитационного устройства, что и ведет к "излишнему" увеличению температуры воды (ошибочно принимаемому за избыток теплоты). Вода на выходе из кавитационного теплогенератора содержит газовую фазу и потому должна иметь пониженную теплоемкость по сравнению с водой на входе в устройство. Однако, при удалении от теплогенератора в течение достаточно короткого времени газовая фаза вырождается, и температура воды снижается, "уничтожая" видимый избыток теплоты. В результате, в зависимости от условий измерения температуры воды можно получить как "избыток" теплоты (в 3 раза) по сравнению с затратами на работу теплогенератора, так и соответствие выделяемого тепла и затрат энергии [4].

В работе Ю.А. Жулая [5] сделан расчет суммарных потоков тепловой энергии и их составляющих для генератора колебаний жидкости типа трубки Вентури, входящего в состав кавитационного теплогенератора. В такой системе есть возможность реализовать режим периодически-срывного кавитационного течения, наряду с обычным режимом стационарного течения без кавитации. В режиме кавитации расход жидкости Q, прогоняемой через устройство, составлял величину порядка 0,2 на 10 в степени "минус 3" м3/с, а частота f колебаний давления жидкости - порядка 2 на 10 в степени 3 Гц. Эта частота соответствовала частоте возникновения периодически возникающей на стенках трубки Вентури кавитационной каверны, которая затем отрывалась от стенок и схлопывалась [5]. Автором [5] сделан вывод, что режим периодически-срывного кавитационного течения более эффективен, чем режим стационарного течения по части выделения тепла, однако КПД теплогенератора даже при наличии кавитации не достигал 1, а составлял 0,9-0,94 [5]. Такие результаты, в общем, соответствуют результатам, полученным в [4]. Учитывая, что в [4, 5] исследовалась гидродинамическая кавитация, при которой не наблюдалось никакого превышения выделения тепла над затратами энергии на работу теплогенератора, можно считать, что для подобных режимов едва ли можно обнаружить явление активации дополнительных источников энергии в воде.

Если такое явление и возможно в других кавитационных теплогенераторах, то при условии одновременного возникновения и коллапса максимального количества кавитационных пузырьков в единице объема рабочей жидкости. Это должно усилить эффект от кавитации. Также имеет смысл искать активацию дополнительных источников энергии в рабочей жидкости в условиях кавитации одного стабильного пузырька под воздействием сфокусированного акустического поля, о чем будет сказано ниже. А сейчас оценим, сколько возникало и коллапсировало кавитационных каверн на единицу объема прогоняемой жидкости при работе трубки Вентури в условиях экспериментов [5]. Количество N кавитационных каверн на единицу объема прогоняемой жидкости равно: N = f/Q ~ 10 в степени 7 м-3, что очень мало. В условиях акустической кавитации, по данным М.А. Маргулиса [6], на 1 см3 обычно приходится от 10 в степени 3 до 10 в степени 5 кавитационных пузырьков, т.е. величина N в таком случае равна от 10 в степени 9 до 10 в степени 11 м-3, что на 2-4 порядка больше, чем в условиях гидродинамической кавитации в трубке Вентури. Кроме того, результаты исследований, приведенные в [6], демонстрируют богатство и многообразие физических феноменов, сопровождающих кавитацию, а также тот факт, что не существует единой модели, описывающей процесс кавитации, и единственного механизма преобразования энергии при этом. В частности, световое излучение (люминесценция) из объема пузырька может возникать не только при коллапсе, но и на стадии расширения пузырька за счет электрических микроразрядов. А при кавитации одного стабильного пузырька, возбуждаемой в особых условиях в фокусирующей акустической камере, достигается гораздо более высокая температура при коллапсе пузырька по сравнению с известной многопузырьковой кавитацией: (2-3) на 10 в степени 5 К против 10 в степени 4 К, а также наблюдаются новые явления. Давление в кавитационных пузырьках, в зависимости от множества условий, может достигать 10-100 МПа [6]. В фокусирующей акустической камере (при кавитации одного пузырька) удается достаточно длительное время поддерживать сферически симметричную форму пульсирующего пузырька, и это является решающим обстоятельством в достижение высоких температур внутри пузырька на стадии острого коллапса. Этим кавитация одного стабильного пузырька выгодно отличается от "обычной" многопузырьковой кавитации и от кавитации гидродинамической, при которых значительная доля кавитационных пузырьков быстро теряет сферическую форму и устойчивость, о чем подробнее рассказано в работе М.А. Маргулиса [6]. По данным И.К. Манько [7] отрыв кавитационной каверны в трубке Вентури в условиях гидродинамической кавитации часто сопровождался отщеплением от каверны нескольких маленьких пузырьков. Поэтому есть основания полагать, что максимальные температура и давление внутри каверны в трубке Вентури в момент коллапса будут принадлежать интервалу значений, характерных для многопузырьковой кавитации, при которой также наблюдаются деформации и расщепления кавитационных пузырьков.

Автор настоящей статьи на основании анализа, проведенного им в работе [8], предлагал исследовать активацию дополнительных источников энергии и проводить поиск дополнительного тепловыделения, связанного с обратимыми структурными изменениями в воде, как рабочей жидкости, а также с воздействием на воду бабстонов. Дело в том, что некоторые специалисты в области материаловедения ожидают обнаружить в воде структуры типа нанокомпозитов, которые уже обнаружены в ряде стекол и жидкостей, и которые содержат несколько аморфных фаз. Подобную (кластерную) структуру воды можно схематически изобразить, как модель с микро- и наногетерогенными областями, в которых заключены димеры, тримеры, тетрамеры молекул воды, и ассоциаты с еще большим количеством молекул [9]. На одну молекулу воды в каждом таком кластере приходится определенная средняя энергия, а между кластерами действуют связи Ван-дер-Ваальса. Характерное для воды быстрое переключение водородных связей внутри кластеров не разрушает долговременной стабильности самих кластеров [9]. На рис. 1 схематически изображены наногетерогенные области (овальной формы) с димерами, тримерами, тетрамерами молекул воды, находящиеся среди одиночных молекул воды. Кроме того, в воде почти всегда находятся растворенные атмосферные газы и газовые пузырьки - бабстоны. Речь идет о стабильных нанопузырьках воздуха, N2, O2, CO2 и др. газов, которые в виде устойчивых коллоидов могут влиять на структуру воды и которые снижают порог кавитации [9]. Даже в глубоко очищенной воде присутствуют ничтожные примеси (~10 в степени 9 см-3), которые не определяются аналитически и не влияют на физико-химические свойства воды, но участвуют в образовании поверхностного заряда на границе фаз: вода - газ (пар). Поэтому пузырьки в воде характеризуются некоторым поверхностным зарядом [6]. В работах Н.Ф. Бункина и др. показано, что в воде и слабых водных растворах электролитов (с плотностью ионов до 10 в степени 16 см-3) всегда присутствуют бабстоны - стабильные газовые нанопузыри радиусом 10-100 нм, стабильность которых обусловлена адсорбцией на их поверхности ионов одного знака (см., например [10]). В бабстонах наблюдается устойчивое равновесие сил поверхностного натяжения, стремящихся сжать пузырек, и кулоновских сил отталкивания. Эксперименты по рассеянию лазерного света и расчеты показали, что бабстоны в указанных жидкостях объединяются (коагулируют) в бастонные кластеры с характерным размером 0,5 мкм, которые включают в себя порядка от 10 в степени 2 до 10 в степени 3 отдельных бабстонов. Концентрация бабстонных кластеров в воде может достигать 2 на 10 в степени 6 см-3 [10, 11]. Бабстонные кластеры могут располагаться как в области одиночных молекул воды, так и в области с ассоциатами нескольких молекул воды. На рис. 1 это показано как бабстонный кластер 1 (среди Н2О) и бабстонный кластер 2 (внутри области с (Н2О)3). В процессе кавитации весь этот ансамбль кластеров и коллоидов должен перестраиваться и, по аналогии с фазовыми переходами, должны протекать соответствующие процессы преобразования энергии.

Рис. 1. Структура воды с наногетерогенными областями и с бабстонными кластерами

Сделаем оценку величины свободной поверхностной энергии бабстонных кластеров, которая может выделиться в виде тепла. Фактически свободная поверхностная энергия бабстонного кластера равна сумме свободных поверхностных энергий отдельных бабстонов, которую легко посчитать (коагуляция отдельных бабстонов в кластер не сильно меняет площадь раздела фаз и величину свободной поверхностной энергии, поскольку между пузырьками присутствуют прослойки воды).

Поверхностное натяжение воды и слабых водных растворов неорганических электролитов в диапазоне температур 0-100 град С составляет величину у порядка 7 на 10 в степени "минус 2" Н/м [11]. Наличие органических примесей в воде, как правило, сильно снижает поверхностное натяжение. Итак, свободная поверхностная энергия одного бабстонного кластера составляет M4рrrу, где M - число отдельных бабстонов в кластере, которое может достигать 10 в степени 3; r - радиус одного бабстона, который в среднем равен 50 нм. В процессе кавитации свободная поверхностная энергия бабстонных кластеров может превратиться в тепло. При восстановлении бабстонных кластеров по окончании кавитации тепло может обратно поглощаться. Поэтому тепловыделение носит обратимый характер. Максимальный возможный эффект достижим при полном переходе свободной поверхностной энергии бабстонов в тепло. Поскольку максимальная концентрация n бабстонных кластеров в воде ~ 2 на 10 в степени 6 см-3 [10, 11], то мы вправе ожидать максимального тепловыделения Q на 1 м3 воды: Q = nM4рrrу ~ 4,4 (Дж/м3). Соответственно, температурный нагрев Дt воды в этом случае равен: Дt = Q/(сC), где с - плотность воды, С - теплоемкость воды. Подставляя известные [12] значения теплоемкости и плотности, получаем Дt ~ 10 в степени "минус 6" К. Столь ничтожная величина лишь показывает, что бабстонные кластеры не определяют количество выделившегося тепла.

Вернемся к структуре воды, как модели с микро- и наногетерогенными областями (рис. 1).

Выше упоминалось, что в этих областях заключены ассоциаты молекул воды. И хотя о наличии дипольного момента у молекулы воды известно давно, но лишь относительно недавно экспериментально показано, что ассоциаты (кластеры) воды, содержащие от 3 до 18 молекул, также обладают большими электрическими дипольными моментами [13]. Если эти данные надежно подтвердятся, то мы получим еще один возможный источник выделения энергии при перестройке гетерогенной структуры воды, каждая область которой сильно взаимодействует с остальными через электрическое поле диполей. Здесь ожидаются новые интересные результаты. В случае успеха, кавитационные теплогенераторы можно заставить работать в режиме тепловых насосов, выделяющих тепло в зоне кавитации и поглощающих тепло в области, где нарушенная структура рабочей жидкости восстанавливается.

А сейчас рассмотрим возможность улучшения характеристик жидкого органического топлива путем обработки последнего в кавитационных устройствах. В работе [1] показана принципиальная возможность химической деструкции углеводородов по типу термического крекинга в малогабаритных установках в зоне кавитации при дополнительном воздействии сильным электрическим полем и дозированной подаче в кавитационную зону водных растворов электролитов. Как пишут авторы указанной работы, в кавитационных пузырьках в импульсном режиме достигаются необходимые условия (высокие давление и температура) для термического крекинга углеводородов. Путем наложения в зону кавитации электрического поля напряженностью свыше 10 кВ/см и введением разбавленных водных растворов NaCl (или других доступных электролитов) удается достичь заметного выхода продуктов реакции. По оценкам авторов [1], предложенный ими способ позволяет использовать около 4% подводимой энергии на химическую деструкцию - разрыв прочных С-С связей в молекулах углеводородов, причем возможно дальнейшее увеличение коэффициента полезного действия такой установки. В этой же статье [1] приведены некоторые другие примеры применения малогабаритных кавитационных устройств, разработанных другими авторами и позволяющих обрабатывать мазут, различные нефтяные фракции, газоконденсат, улучшая характеристики жидкого органического топлива.

В интернете можно найти ряд полукоммерческих публикаций, рекламирующих различные кавитационные устройства для обработки дизельного топлива, обводненных мазутов и даже обработки ракетного топлива (см., например [14]). Речь идет о малогабаритных установках массой до 12 кг и производительностью до 14 тонн/ч обработанного топлива [14]. На сайте завода Укрбудмаш (г. Полтава) размещен материал о технологиях обработки нефти и нефтепродуктов с использованием кавитационных установок [15]. В этом материале указано, что еще с 1960-х годов целый институт в Полтаве занимался указанной тематикой, и был разработан и запущен в производство ряд соответствующих установок для нефтехимии и др. отраслей промышленности. Особое внимание уделено технологии кавитационной обработки обводненного мазута, который используется для котельных. Такая обработка позволяет экономить до 20% условного топлива [15, 16]. Анализируя публикации [1, 14-16], можно высказать мнение, что основной трудностью, в настоящий момент препятствующей достижению высокой эффективности химической деструкции углеводородов в кавитационных установках, является неоптимальный режим подведения энергии кавитационных каверн на процесс разрыва С-С связей в молекулах углеводородов. Таким образом, при дальнейшем совершенствовании способов кавитационной обработки жидкого органического топлива возможно повышение эффективности соответствующих кавитационных устройств. А это должно привести к существенной экономии топлива и нефтепродуктов. В частности, это может найти применение для обработки авиационного и ракетного топлива.

Одним из интереснейших направлений исследования кавитации с практическим применением результатов могут стать опыты по ядерному синтезу в кавитирующих пузырьках. Недавно в журнале УФН появилась публикация [2], в которой изложены экспериментальные и теоретические основы пузырькового термоядерного синтеза, а также перечислены основные работы данного авторского коллектива по указанной тематике, начиная с конца 90-х годов. Суть такова. На колбу с дейтерированным ацетоном (С3D6O) при резонансной для данной системы частоте 20 кГц воздействовали сфокусированным акустическим воздействием, создавая в центре колбы относительно стабильный сферический кластер из паровых пузырьков. Этот кластер характеризовался диаметром ~10 в степени "минус 2" м и совершал объемные осцилляции. В стадиях острого коллапса кластер излучал импульсы термоядерных нейтронов с энергией 2,5 Мэв, производительностью 10 в степени 5 нейтронов в секунду. Параллельно с такой же производительностью шел синтез ядер трития (при реакциях D + D). По расчетам авторов [2], в центральных пузырьках кластера должны создаваться экстремальные сферические зоны, имеющие размер ~10 в степени "минус 7" м, температуру ~10 в степени 8 К, плотность ~10 в степени 4 кг/м3 в течение ~10 в степени "минус 12" с. За это время в сферической зоне образуется около 10 термоядерных нейтронов и ядер трития. Оказалось, что именно высокая молекулярная масса пара дейтерированного ацетона по сравнению с молекулярной массой пара дейтерированной воды (D2O), создающая низкую скорость звука в паре, является необходимым условием образования сходящихся сферических микроударных волн в центральных пузырьках кластера. Эти микроударные волны фокусируют энергию в центре пузырьков и создают условия для термоядерного синтеза. В данном эксперименте пока только выделяется термоядерная энергия, которая в 10 в степени 6 раз меньше, чем все затраты на осуществление термоядерной реакции. Если использовать D-ацетон и T-ацетон (С3D6O и С3T6O), то за счет термоядерной реакции дейтерия с тритием (D + T) можно увеличить выход термоядерной энергии на 2 порядка, по мнению авторов [2]. Кроме того, имеются уже перспективы дальнейшего повышения выхода термоядерной энергии за счет использования жидкостей с более высокой молекулярной массой и применения более мощных установок для акустической кавитации [2]. Указанные результаты были подвергнуты острой критике в [17], причем главным упреком было использование авторами [2] для генерации зародышей кавитации внешнего источника нейтронов энергией 14 МэВ. Этот внешний источник нейтронов и есть истинная причина некорректного результата по термоядерному синтезу, по мнению критиков. Однако авторы [2] смогли дать аргументированный ответ своим критикам, заключающийся в том, что им удалось строго отделить фон от внешнего источника нейтронов и сигнал от термоядерных нейтронов. Учитывая, что эксперименты по ядерному синтезу довольно сложны, и тот факт, что обсуждаемые результаты лишь недавно получены, еще рано делать окончательные выводы о перспективах "пузырькового термояда". Не исключено, что в ближайшее время сторонниками пузырькового термоядерного синтеза будут получены интересные результаты, которые найдут применение в новых ядерных технологиях [2]. Даже критики этого направления [17] согласны с тем, что физика схлопывающегося пузырька - достойный объект для исследований сложных процессов. На этом пути возможно получение множества "побочных" результатов, которые найдут практическое применение, как это уже произошло при исследованиях управляемого термоядерного синтеза, начиная с середины XX-го века.

Перейдем теперь к исследованиям кавитации в квантовых жидкостях. Вблизи абсолютного нуля жидкий гелий 4He и жидкий гелий 3He, как известно, проявляют сверхтекучесть и др. необычные свойства квантовых жидкостей. В квантовых жидкостях также можно наблюдать кавитацию, в частности, при воздействии ультразвуком.

Известны работы В.А. Акуличева по акустической кавитации в криогенных жидкостях, в том числе жидком азоте, водороде, гелии, а также в гелии сверхтекучем (см., например [18]). В 1970-е годы благодаря этим исследованиям в СССР удалось разработать ультразвуковую жидководородную пузырьковую камеру для регистрации треков частиц высоких энергий. Перейдем к сверхтекучему гелию. В журнале Phys. Rev. Lett. сообщалось о регистрации необычных "электронных пузырей" в сверхтекучем гелии (4He), на сосуд с которым воздействовали ультразвуком, сфокусированным в центре сосуда, и куда извне вводили электроны. Пороговая амплитуда ультразвука, соответствующая началу кавитации в гелии, определяла размер пузырей. Кавитация наблюдалась по рассеянию лазерного света. Было обнаружено три типа пузырей на диаграмме "температура-пороговое давление", причем два из них - электронные пузыри. Первый тип электронных пузырей (радиусом около 2 нм), который уже был известен и ранее наблюдался, представлял собой полости в жидком гелии вокруг попавших извне электронов; второй тип - электронные пузыри большего радиуса, прикрепленные к вихревым нитям в сверхтекучем гелии. Третий тип - самые большие пузыри неизвестной на тот момент природы, образующиеся при самых низких температурах и наибольшем порогом давлении [3]. Недавно в журнале Proceedings of National Academy of Sciences было опубликовано сообщение о продолжении этих исследований. Оказывается, в сверхтекучем гелии (и др. квантовых жидкостях) существует сложная, подвижная конфигурация вихревых нитей, имеющих размер "ядра" порядка 0,1 нм и квантовый момент импульса - квантованные вихри [19, 20]. Эти вихри перемещаются в жидкости, распадаются, соединяются и образуют узлы и сплетения. Электронные пузыри попадают в ловушки квантованных вихрей, поскольку вблизи вихря давление ниже, чем среднее давление в жидкости. Происходит прикрепление электронных пузырей к одному квантованному вихрю или целой системе квантованных вихрей. Последний случай и есть электронные пузыри третьего типа, которые наблюдались ранее в [3]. Итак, обнаружена новая интересная физическая система, способная реагировать на попавшие извне электроны и работающая вблизи абсолютного нуля температур. Существует высокая вероятность, что необычные явления в указанной физической системе, связанные с кавитацией в сверхтекучем гелии, найдут применение в новейших чувствительных детекторах для регистрации космических излучений и элементарных частиц. Эти детекторы могут применяться за бортом космических аппаратов вблизи абсолютного нуля температур.

А теперь обратимся к одному из самых загадочных явлений в наблюдаемой звездной вселенной - мощнейшим г-всплескам. Энерговыделение при вспышках г-излучения оценивается величиной до 10 в степени 52 эрг (или 10 в степени 45 Дж) и считается рекордно высоким в наблюдаемой Вселенной [21]. Загадочные г-всплески связывают с такими экзотическими космическими объектами, как нейтронные звезды, которые характеризуются чрезвычайно высокими плотностями вещества, сравнимыми с плотностью атомных ядер (2,8 на 10 в степени 14 г/см3). Конкретнее, с магнитарами - молодыми нейтронными звездами, у которых должны быть сверхсильные магнитные поля (свыше 10 в степени 14 Гс). Нейтронные звезды играют роль естественной астрофизической лаборатории, где можно наблюдать сверхплотные состояния материи (с ~ от 10 в степени 11 до 10 в степени 15 г/см3) при сверхвысоких давлениях (Р ~ от 10 в степени 23 до 10 в степени 27 МПа) и высоких температурах, а иногда и при наличии сверхсильных магнитных полей (магнитары), что в совокупности недостижимо в земных лабораториях [21, 22]. В недрах нейтронных звезд вещество находится в таком состоянии, которое напоминает одно атомное ядро с избытком нейтронов, причем радиусом в 10-15 км. Нуклоны (нейтроны и примесь протонов в количестве несколько процентов) внутри нейтронной звезды удерживаются мощными гравитационными силами, для описания которых необходимо учитывать эффекты общей теории относительности. Обычно нейтронные звезды характеризуются быстрым вращением вокруг своей оси и наблюдаются астрономами как пульсары - быстро вращающиеся "маяки", периодически светящие в сторону наблюдателя конусом электромагнитного излучения (периоды вращения составляют от миллисекунд до десятка секунд). Теория нейтронных звезд утверждает, что они образуются по окончании эволюции обычных звезд (более массивных, чем Солнце), когда израсходовано ядерное горючее. В результате сильного сжатия ядра обычной звезды достигается чрезвычайно высокая плотность вещества, происходит его нейтронизация, и звезда становится нейтронной [22]. Нейтронная звезда постепенно теряет свою энергию за счет излучения, остывает, замедляет вращение, и это считается причиной накопления напряжений в недрах звезды и сбросов этих напряжений в виде звездотрясений, аналогичных землетрясениям. При этом наблюдаются кратковременные сбои периода вращения нейтронной звезды. Звездотрясения связаны либо с изменением формы коры звезды (и разломами в коре), либо с фазовыми превращениями в ядре звезды, либо со взаимодействием нормальной компоненты и сверхтекучей компоненты вещества нейтронной звезды [22]. Теория нейтронных звезд утверждает, что у звезды должна быть кора: внешняя кора (толщиной несколько сот метров) в форме кристалла из ядер атомов и свободных электронов; внутренняя кора (толщиной 1-2 км) в форме кристалла из ядер атомов, погруженных в жидкость, состоящую из нейтронов и электронов. Причем нейтроны должны образовывать сверхтекучую жидкость. Ядро нейтронной звезды должно состоять из внешнего и внутреннего ядра, но о внутреннем ядре надежных сведений пока нет, поскольку здесь мы переходим границу нашего знания о состоянии материи при весьма больших давлениях и плотностях. Во внешнем ядре (толщина несколько км) отдельные ядра атомов уже не могут существовать, но все нуклоны образуют жидкость, а ультрарелятивистские электроны - газ. Нуклонная жидкость внешнего ядра представляет собой сверхтекучие нейтроны с примесью протонов. Наличие высоких температур в недрах нейтронной звезды не мешает возникновению там сверхтекучей жидкости, поскольку сверхвысокие давления оказываются решающими. Для внешнего ядра характерна плотность вещества ся ~ (1,4-5,6) на 10 в степени 14 г/см3 и давление Ря ~ от 10 в степени 25 до 10 в степени 27 МПа [21, 22].

Итак, в недрах нейтронной звезды должна присутствовать сверхтекучая жидкость из нейтронов, которая в принципе может испытывать кавитацию, и в которой есть зародыши кавитации (электроны, протоны). Автор полагает, что такое допущение выглядит естественным для внешнего ядра.

Вернемся к звездотрясениям. В пользу того, что звездотрясения и г-всплески причинно связаны, говорит распределение спектров г-всплесков по энергии, аналогичное распределению землетрясений по силе (закон Гутенберга-Рихтера). Поскольку речь идет о магнитарах, то нужно иметь в виду, что у них силовые линии сверхсильного магнитного поля "зацеплены" за кору звезды, и подвижка коры может спровоцировать перестройку системы силовых линий, что чревато мощным энерговыделением [23].

Автор полагает, что возможной причиной г-всплесков являются процессы выделения энергии вследствие кавитации в нуклонной жидкости нейтронных звезд (магнитаров) при мощных звездотрясениях. Для этого необязательно допускать слияние двух нейтронных звезд, как это предложено в известных моделях (см. обзор работ в [21]). Допустим, звездотрясение вызвано фазовым переходом во внутреннем ядре. Еще А.Б. Мигдал рассматривал возможность скачкообразного фазового перехода в ядре, например, пионной конденсации нейтронного вещества или перехода его в кварковую материю, что приведет к резкому уплотнению внутреннего ядра, громадному выделению энергии и даже, быть может, взрывному сбросу оболочки нейтронной звезды [24]. В настоящее время обсуждается несколько вероятных вариантов подобных фазовых переходов во внутреннем ядре [22]. Спровоцировать такой фазовый переход может аккреция вещества на звезду или та же перестройка системы силовых линий магнитного поля. Автор настоящей статьи полагает, что резкое уплотнение внутреннего ядра с громадным выделением энергии, аналогично подводному взрыву, может сопровождаться распространением ударных волн в нуклонной жидкости внешнего ядра от центра к периферии. Но как показали исследования подводных взрывов, отражение ударной волны от поверхности водоема создает вблизи границы жидкости зону резко возникающих в ней растягивающих усилий, и сопровождается кавитацией [25]. Относительно менее плотная кора над жидким внешним ядром нейтронной звезды играет роль отражателя над поверхностью жидкости. По аналогии с подводным взрывом, на границе внешнего ядра с корой должна создаваться зона кавитации, как это показано на рис. 2. А теперь рассмотрим собственно процесс кавитации в нуклонной жидкости. В настоящее время не существует хорошо разработанных моделей такого явления. Но, опираясь на то, что уже известно о кавитационных процессах, можно высказать следующие предположения. В момент острого коллапса кавитационных пузырьков в них развиваются чрезвычайно высокие давления. Эксперименты с подводными взрывами показывают, что эти давления не уступают повышенному давлению за фронтом ударной волны, отражение которой и вызвало кавитацию.

Грубую оценку давления Р в кавитационных пузырьках при коллапсе можно сделать, исходя из простой формулы для гидравлического удара: Р = сvзвv, где vзв - скорость звука на стенке пузырька, v - скорость стенки пузырька. Правда, при таком расчете не учитывается содержимое пузырька (газы, пары), не берется в расчет сжимаемость жидкости [26].

Рис. 2. Нейтронная звезда в разрезе. Схема возникновения кавитации при звездотрясении

В нуклонной жидкости скорость звука с ростом плотности в недрах нейтронной звезды может стремиться к скорости света (с), т.е. vзв ~ 10 в степени 8 м/с [22]. Если при коллапсе скорость стенки пузырька в нуклонной жидкости приближается к скорости звука (и скорости света), то расчетное давление Р во внешнем ядре в кавитационных пузырьках при коллапсе получается: Р стремится к ся с2 ~ 10 в степени 28 МПа. (Здесь не учитываются содержимое пузырька, сжимаемость нуклонной жидкости, релятивистские эффекты.) Такая величина давления переводит нас в неизведанную область параметров, характерных для внутреннего ядра нейтронной звезды с возможными процессами мощного энерговыделения и излучения. Оценить их сложно, но мы можем оценить излучение расширяющихся кавитационных пузырьков, в которых за счет резкого снижения плотности вещества и давления становятся возможными процессы, обратные нейтронизации вещества. Вероятно, в кавитационных пузырьках могут образовываться отдельные атомные ядра. В простейшем случае, например, происходит ядерная реакция захвата нейтрона протоном с образованием ядра дейтерия и излучением фотона в мягком г-спектре [27], что в общих чертах соответствует спектру г-всплесков. При одном акте указанной ядерной реакции излучается 2,23 МэВ [27], т.е. 3,6 на 10 в степени "минус 13" Дж. Если протоны и электроны в нейтронной жидкости рассматривать в качестве зародышей кавитации, то уже 1% протонной примеси достаточно для возникновения 10 в степени 42 пузырьков на м3 нуклонной жидкости (плотность ~10 в степени 14 г/см3). Сверхмощные г-всплески выделяют 10 в степени 45 Дж, но чаще наблюдаются средние и более слабые г-всплески энерговыделением порядка 10 в степени 34 Дж [23]. Отсюда можно оценить сколько кавитационных пузырьков должно принять участие в излучении и каков объем нуклонной жидкости, охваченной кавитацией. Условно будем считать, что в каждом пузырьке протон захватывает нейтрон. Тогда для сверхмощных г-всплесков нужно 10 в степени 58 пузырьков и 10 в степени 16 м3 нуклонной жидкости, для более слабых г-всплесков - 10 в степени 47 пузырьков и 10 в степени 5 м3 нуклонной жидкости, соответственно. Последние цифры выглядят правдоподобно, ведь получается, что для генерации наиболее часто наблюдаемых относительно слабых г-всплесков достаточно кавитации нуклонной жидкости всего лишь в объеме 0,1 км3 при километровых размерах внешнего ядра. Это г-излучение может выйти наружу нейтронной звезды при сбросе коры. Напомним, что сброс коры нейтронной звезды допускал еще А.Б. Мигдал [24].

Итак, автор полагает, что кавитация нуклонной жидкости нейтронных звезд и есть вероятная причина г-всплесков. Если такая догадка окажется плодотворной, то это еще более привлечет внимание исследователей к изучению кавитации в квантовых жидкостях и созданию моделей, полезных в сфере энергоэффективных технологий.

Заключение

На основании проведенного анализа можно сформулировать выводы:

- положительные результаты по разработке кавитационных теплогенераторов позволят использовать их как новый вид тепловых насосов;

- существенный выигрыш в энергетике, самолетостроении и ракетной технике может дать разработка эффективной технологии кавитационной обработки жидкого органического топлива;

- результаты изучения ядерного синтеза при кавитации одного стабильного пузырька, кавитации в квантовых жидкостях (сверхтекучий гелий, нуклонная жидкость) могут найти применение в энергоэффективных технологиях и в новейших чувствительных детекторах.

Литература

1. Деструкция углеводородов в кавитационной области в присутствии электрического поля при активации водными растворами электролитов [Текст] / А.С. Бесов, К.Ю. Колтунов, С.О. Брулев и др. // Письма в ЖТФ. - 2003. - том 29, вып. 5. - С. 71.

2. О термоядерных процессах в кавитирующих пузырьках [Текст] / Р.И. Нигматулин, Р.Т. Лэхи (мл.), Р.П. Талейархан и др. // Успехи физических наук. - 2014. - том 184, N 9. - С. 947.

3. Электронные пузыри в сверхтекучем гелии [Электронный ресурс] / УФН. Новости физики в интернете (2006) // Режим доступа: http://ufn.ru/ru/news/2006/2/ - 03.03.2016 г.

4. Вихревые теплогенераторы (термеры): проблемы и перспективы [Электронный ресурс] / А.А. Халатов, А.С. Коваленко, С.В. Шевцов, Н.В. Франко // Вiсник Академiї митної служби України. Сер. : Технiчнi науки. - 2009. - N 1. - С. 78. - Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/j-pdf/vamsutn_2009_1_15.pdf - 03.03.2016 г.

5. Жулай, Ю.А. Теоретическая оценка эффективности кавитационного теплогенератора [Текст] / Ю.А. Жулай // Авиационно-космическая техника и технология. - 2015. - том 125, N 8. - С. 58.

6. Маргулис, М.А. Сонолюминесценция [Текст] / М.А. Маргулис. // Успехи физических наук. - 2000. - N3/170. - С. 263-287.

7. Манько, И.К. Визуальные исследования кавитационных автоколебаний в гидравлической системе с прозрачной трубкой Вентури [Текст] / И.К. Манько // Кавитационные автоколебания в насосных системах: сб. науч. тр. Наукова думка. - К. 1976. - Ч. 2. - С. 113 - 118.

8. Скосарь, В.Ю. Возможные механизмы энерговыделения в кавитационных устройствах [Текст] / В.Ю. Скосарь // Авиационно-космическая техника и технология. - 2014. - том 114, N 7. - С. 27.

9. Рой, Р. Структура воды - новый взгляд с точки зрения материаловедения [Электронный ресурс] / Р. Рой, У.А. Тиллер, И. Белл, М.Р. Гувер. - Режим доступа: http://homeoint.ru/homeopathy/essence/structure_liquid_water.htm. - 03.03.2016 г.

10. Кластерная структура стабильных нанопузырей растворенного газа в глубоко очищенной воде [Текст] / Н.Ф. Бункин, Н.В. Суязов, А.В. Шкирин и др. // ЖЭТФ. - 2009. - N5/135. - С. 917.

11. Определение микроструктуры газовых пузырьков в глубоко очищенной воде по измерениям элементов матрицы рассеяния лазерного излучения [Текст] / Н.Ф. Бункин, Н.В. Суязов, А.В. Шкирин и др. // Квантовая электроника. - 2009. - N4/39. - С. 367.

12. Кошкин, Н.И. Справочник по элементарной физике, изд-е 6-е [Текст] / Н.И. Кошкин, М.И. Ширкевич // М.: Наука, 1974. - 256 с.

13. Moro, R. Electric dipole moments of water clusters from a beam deflection measurement [Электронный ресурс] / Phys. Rev. Lett. 97 (2006) // Режим доступа: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v97/i12/ e123401 - 03.03.2016 г.

14. Гидродинамический кавитационный диспергатор, гомогенизатор, эмульгатор, активатор топлива TRGA-10 [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.afuelsystems.com/ru/trga/trga10.html. - 03.03.2016 г.

15. Гидродинамические кавитационные технологии обработки нефти и нефтепродуктов с использованием потоковых кавитационных ультразвуковых установок (смесителей) [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ukrbudmash.org.ua/hydrodynamic.htm. - 12.05.2014 г.

16. Гидродинамические кавитационные технологии обработки нефти и нефтепродуктов [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://blending.globecore.ru/2015/02/14/hydrodynamic/ - 03.03.2016 г.

17. Говердовский, А.А. О перспективах термоядерной энергетики на основе кавитации пузырей [Текст] / А.А. Говердовский, В.С. Имшенник, В.П. Смирнов // Успехи физических наук. - 2013. - том 183, N 4. - С. 445.

18. К 75-летию В.А. Акуличева [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.poi.dvo.ru/?q=en/node/448 - 03.03.2016 г.

19. Berloff, N. Modeling quantum fluid dynamics at nonzero temperatures [Электронный ресурс] / Proceedings of National Academy of Sciences (2014) // Режим доступа: http://www.pnas.org/content/111/ Supplement_1/4675 - 03.03.2016 г.

20. В поисках "неопознанного электронного объекта". Дайджест новостей науки и техники [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://nauka21vek.ru/archives/57788 - 03.03.2016 г.

21. Фортов, В.Е. Экстремальные состояния вещества на Земле и в космосе [Текст] / В.Е. Фортов // Успехи физических наук. - 2009. - том 179, N 6. - С. 653.

22. Потехин, А.Ю. Физика нейтронных звезд [Текст] / А.Ю. Потехин // Успехи физических наук. - 2010. - том 180, N 12. - С. 1279.

23. Попов, С.Б. Магнитары и их активность: источники повторяющихся гамма-всплесков [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://elementy.ru/lib/25574/25575 - 03.03.2016 г.

24. Мигдал, А.Б. Судьба нейтронных звезд [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://kvant.mccme.ru/1982/01/sudba_nejtronnyh_zvezd.htm - 03.03.2016 г.

25. Физика взрыва [Текст] / Под ред. Л.П. Ор-ленко. - Изд. 3-е. - В 2 т. Т. 1. - М.: Физматлит, 2004. - С. 665.

26. Кнэпп, Р. Кавитация [Текст] / Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит // Редкол. В.И. Полежаев и др. - М.: Мир, 1974. - С. 177.

27. Гамма-астрономия [Текст] / Физика космоса: Маленькая энциклопедия // Редкол. Р.А. Сюняев и др, 2-е изд. - М.: Сов. Энциклопедия, 1986. - С. 203.

Поступила в редакцию

Рецензент: д-р технических наук, проф. В.А. Задонцев, ПАО "ВЕСТА-Днепр", Днепр.

КАВIТАЦIЯ: ВIД ТЕПЛОГЕНЕРАТОРIВ ДО НЕЙТРОННИХ ЗIРОК

В.Ю. Скосар

Проведено якiсний аналiз фiзичних явищ, якi супроводжують кавiтацiю, в таких рiдинах, як: вода, органiчне паливо, дейтерiрованний ацетон, надплинний гелiй, нуклонна рiдина нейтронних зiрок. Показано, що iснує перспектива роботи кавiтацiйних теплогенераторiв в режимi теплових насосiв, що видiляють тепло в зонi кавiтацiї i поглинають тепло в областi, де порушена структура робочої рiдини вiдновлюється. Зроблено припущення, що кавiтацiя в нуклонной рiдини може бути причиною потужного енерговидiлення в виглядi г-сплескiв. Результати аналiзу можуть бути використанi в енергоефективних технологiях, в лiтакобудуваннi, ракетнiй технiцi та iнших галузях промисловостi.

Ключовi слова: теплогенерацiя, кавiтацiйна обробка палива, кавiтацiя нуклонной рiдини, енергоефективнi технологiї.

CAVITATION: FROM THE HEAT GENERATORS TO THE NEUTRON STARS

V.Yu. Skosar

The qualitative analysis of the physical phenomena accompanying the cavitation in such liquids as water, organic fuel, deuterated acetone, superfluid helium, nucleonic liquid of neutron stars is carried out. It is shown that cavitation heat generators can work in thermal pumps mode, allocating heat in cavitation zone and absorbing heat in area where the broken structure of working liquid is restored. The assumption is made, that cavitation in a nucleonic liquid can cause powerful energy release in form of г-splashes. The results of the analysis can be used in power efficient technologies, in aircraft construction, rocket technologies and other industries.

Key words: heat generation, cavitation fuel processing, cavitation of nucleonic liquids, power efficiently technologies.

Скосарь Вячеслав Юрьевич - канд. физ.-мат. наук, с.н.с Института транспортных систем и технологий НАН Украины "Трансмаг", Днепр, Украина, e-mail: svu@westa-inter.com.

Март 2016 г.