Плазмохимия, научные эксперименты и при чем тут Fortran

Добрый день, я Александр Цымбалюк, работаю научным сотрудником в Киевском национальном университете имени Т. Г. Шевченко на факультете радиофизики, электроники и компьютерных систем (кафедра физической электроники). В этой статье я попробую немного рассказать о плазмохимии и работе нашего коллектива в этой увлекательной области. Я надеюсь, этот рассказ будет интересен людям, которые хотят узнать, чем занимаются исследовательские коллективы в нашем университете, студентам, которые, возможно, захотят выбрать смежную специальность, или просто заинтересованным людям.

Плазмохимия и с чем ее едят

На самом деле, наша группа не работает с веществами, которые можно есть, так что это, пожалуй, слишком громкий подзаголовок. Если посмотреть определение плазмохимии, то это раздел физической химии, изучающей химические и физико-химические процессы в низкотемпературной плазме. Правда, стоит сразу заметить, что термин «низкотемпературная плазма» может быть обманчив: например, плазма дугового разряда с температурой 10000 К — это низкотемпературная плазма. Вот такая вот забавная терминология.

Чем именно занимается наш коллектив? Одно из основных направлений нашей деятельности — исследование процессов плазмохимической конверсии биоэтанола в водород и синтез-газ. Почему именно биоэтанол привлек наше внимание?

Биоэтанол — обычный этиловый спирт, полученный из растительного сырья или отходов сельхозпродукции. И да, обычный самогон также можно назвать биоэтанолом. Это возобновляемый источник энергии, в отличии от ископаемого топлива (нефть, газ, уголь). Процесс его создания уже довольно отлажен, его удобно хранить, и он относительно не токсичен для человека. По этой причине именно биоэтанол привлекает исследователей в этой области. Уже никого не удивить заправочными станциями, на которых предлагают топливные смеси на основе бензина и этанола (для смесей Е5, Е7, Е10 практически ничего и переделывать в автомобиле не придется).

Да и с точки зрения «зеленой энергетики» использование такого топлива снижает выбросы углекислого газа в атмосферу. Тут получаем действительно практически нулевой вклад в течении года: сколько углекислого газа поглотили растения, столько примерно и выделиться при сгорании этанола.

Как говорится, на первый взгляд — одни плюсы. Но как всегда, есть парочка «но». Чистый этанол обладает все же меньшей энергетической ценностью, чем бензин, поэтому уже давно предлагают провести его конверсию в вещества с более высокой и скоростью горения, и температурой сгорания. Самый простой способ — это насытить смесь водородом или вовсе переработать в водород полностью. Как мы помним со школы, водород просто замечательно горит (главное подобрать правильную пропорцию). Но где этот водород взять? Так из спирта и возьмем. Взглянем на его формулу C2H5OH — тут же его просто море. Нужно просто разбить часть молекул спирта, и вот вам столь нужный водород. Например, используя реакцию парового реформинга этанола:

C2H5OH + 3H2O →6H2 + 2CO2

Но есть одна проблема. Я бы сказал, проблемища. Сама по себе такая реакция не идет. Она требует много тепла. И где его брать? Конечно, можно добавить кислорода и начать активно сжигать этанол, и тепла будет просто предостаточно. Но сжигать значительную часть топлива для его обогащения уже не звучит так хорошо. И вот тут на сцену и выходит плазмохимия. Дело в том, что в плазме очень легко получить большие электронные температуры, не вкладывая при этом значительные количества электрической энергии (мы же помним, что сжигать одно топливо для обогащения другого — идея так себе). И вот эти электроны и могут инициировать начало химических реакций без явного нагрева смеси. Правда, когда говорил легко, то слегка (да ладно, сильно) слукавил.

Плазма нужна неравновесная — это та, где температура электронов большая, а вот температура газа при этом не такая высокая. Дуговой разряд тут не очень хорош (нет, он замечательно работает, но требует столько энергии, что сама затея опять становится не очень актуальной), а остальные виды разрядов сложно контролировать при атмосферном давлении. Так что задача разработки плазмохимического реактора с высоким уровнем конверсии и относительно малым энергопотреблением — и интересная, и нетривиальная. И именно этим и занимается наша рабочая группа, куда вхожу и я.

Экспериментаторы и эксперименты

Плазмохимию можно смело относить к наукам практической направленности. А какая может быть практика без эксперимента? Никакой. На нашей кафедре разработали плазмохимический реактор с использованием вращающегося скользящего разряда. Его схема представлена на рисунке ниже.

Реакторы такого типа называются плазменно каталитическими. Дело в том, что в область разряда подается только воздух (воздух + водяной пар). На рисунке — нижняя часть (разрядная камера). Воздух в область разряда подают по касательной, что приводит к закручиванию воздушного потока (поэтому разряд и вращающийся).

Вращение разряда и небольшая вкладываемая электрическая мощность не дает перейти в дуговой режим горения разряда, что благотворно сказывается на ресурсе электродов и на величине электронной температуры. При прохождении воздуха через плазму, в нем образуются активные радикалы (О, О+, OH) которые обладают повышенной реакционной активностью. Разогретый в плазме воздух, в котором присутствует большое количество таких радикалов, подается в виде плазменного факела в реакционную область. Этот активированный воздух и инициирует начало реакций по конверсии этанола.

Именно поэтому такой тип реакторов называют плазменно каталитическими. Продукты плазмохимических реакций выступают в роли своеобразного катализатора для последующих реакций.

В реакционную камеру подается воздух, пары этанола и воды. Ввод сырья также производится по касательной, что приводит к активному газодинамическому перемешиванию активированного воздуха и сырья для риформинга. Продукты реакции выводятся из разрядной камеры через стальную трубку в центре верхней грани реактора. При работе выглядит довольно эффектно. Вот, например, фото работающего реактора.

В нижней части горит разряд, и поэтому плазменный факел отчетливо виден. Кварцевая трубка и представляет собой реакционную камеру, в которой протекает процесс конверсии.

В случае, если интересно видео работы реактора, то вот небольшая запись эксперимента:

Для исследования как режима работы реактора, так и продуктов конверсии, применяются термопары (для определения температуры), спектрометр (для контроля режима горения разряда) и газовая хроматография продуктов конверсии. Так, например, интересным вопросом является зависимость продуктов реакций от тепловой мощности реактора (столько тепла выделится при сгорании этанола). Полученные результаты представлены ниже:

Как можно видеть, получается не только водород и CO, но и целая гамма более тяжелых углеводородов. Присутствие метана также может оказаться полезным фактором, если нужно будет работать со стандартным газовым оборудованием. Ведутся исследования, направленные на изучение влияния водяного пара на продукты конверсии, так и влияния температуры, параметров разряда, геометрии и так далее. Можно сказать, что работы в экспериментальной области еще много, и она явно будет интересна.

Теория, и при чем же тут Fortran

Как видите, работа наших экспериментаторов не только увлекательна, но и довольно сложна. Слишком много свободных параметров нужно учитывать при создании и настройке установки. Это и скорость прокачки смеси, и температура, и состав, и вкладываемая электрическая мощность. Также важно понимать, какие именно элементарные реакции дают максимальный вклад в генерацию нужного продукта. Ведь можно подобрать напряженность поля и температуру для их оптимального протекания. И вот тут уже начинается моя часть работы.

Я занимаюсь численным моделированием плазмохимических процессов. Скорость каждой элементарной химической реакции известна. Да, их много протекает в процессе конверсии (тысячи одновременно), но вычислительные мощности современных ПК позволяют провести моделирование их протекания. Таким образом можно проследить эволюцию всей системы во времени. Понять, какие именно реакции и на каком периоде времени играют доминирующую роль, и как на это влияет температура системы и вкладываемая электрическая энергия.

Например, результат исследования конверсии этанола при плазмокаталитическом подходе. Да, согласен, результаты моей работы не выглядят столь эффектно, как у экспериментаторов :)

Пример эволюции концентрации основных компонент во времени

Можно видеть, что рост концентрации водорода — это двухступенчатый процесс. И отдельного рассмотрения требуют реакции как первой, так и второй стадии.

В своей работе я использую Fortran. Почему именно Fortran? Попытаюсь дать ответ на вопрос, который невольно был поднят в статье на DOU: кто в 2021 использует Fortran и почему :)

Как вы уже поняли, программирование — не самая весомая часть работы (математики и физики больше), поэтому написание программ должно быть простым, и самое главное — быстрым. И вот тут этот язык раскрывается во всей красе. Очень простой и интуитивный синтаксис, без подводных камней, делает реализацию основных вычислительных алгоритмов простой даже для непрофессионала в программировании.

Есть поддержка комплексных чисел из коробки и сложных математических функций (например, функции Бесселя). Я уже не говорю об удобстве работе с массивами. Компилятор языка генерирует оптимальный с точки зрения быстродействия код. Также существенный плюс — большое количество уже готовых библиотек. Например, для плазмохимии можно глянуть в сторону целого программного комплекса ZDPlaskin.

Так что первое, что стоит отметить, это легкость написания программ благодаря простоте синтаксиса и большого количества уже существующих решений.

Наверное, стоит указать особенности написания программ для научных исследований. Большинство из них пишутся на один раз, главное, чтобы программа была корректна с точки зрения заложенной в нее физмат-модели, а уж ее дальнейшее развитие и поддержка практически не предполагается (тут, как говориться, ты или первый, или никакой). Другими словами, написание программы — это всего-навсего один из этапов твоей работы. Но если появится желание сделать качественную библиотеку для вычислительных методов или для использования в других областях науки, то Fortran позволяет сделать и это.

Хоть язык и появился в 60-х годах прошлого столетия, но он не остановился в своем развитии, и в современных версиях поддерживает большое количество инструментария (да, уже есть ООП и возможность полуавтоматического распараллеливания задачи для циклов и массивов, асинхронный ввод-вывод). Есть модульность приложения, и сейчас активно развивается пакетный менеджер для этого языка.

Также большим плюсом является сохранение обратной совместимости: код, написанный на Fortran 77, скорее всего скомпилируется любым современным компилятором и будет работать без проблем. Если же нужно выйти за пределы сферы численных расчетов, то это можно сделать благодаря возможности вызова кода, написанного на С\C++. Это было одной из вещей, которым уделялось много внимания, начиная с Fortran 2003. Поэтому в текущей версии (Fortran 2018) это уже не проблема.

Итог

Fortran весьма неплох в сфере научного применения, когда написание программы для моделирования процесса или обработки данных не является конечной целью, а становится только промежуточным этапом, который нужно выполнить быстро и без ошибок, а потом приступать к анализу полученных результатов. С моей точки зрения, можно порекомендовать его изучение в 2021 году научным сотрудникам, инженерам и студентам, изучающим наукоемкие дисциплины, ну и конечно, просто заинтересованным людям. В качестве элемента саморекламы, могу предложить цикл видеолекций по Fortran на своем канале.

В тайне надеюсь, что эту статью прочитают студенты 4-5 курсов нашей специальности и придут писать диплом именно по численному моделированию плазмохимических процессов. И мне не придется лишний раз объяснять, почему я делаю это на Fortran :) Ну а если интересна экспериментальная часть, то двери лаборатории также открыты для всех желающих.

Хочу поблагодарить свою научную группу: экспериментаторов Федирчика И. ,Юхименко В., Юхименко К. и научного руководителя группы, проф. Черняка В.Я. за предоставленный материалы и оказанную помощь в написании статьи. С вами приятно и интересно работать!

👍НравитсяПонравилось8
В избранноеВ избранном0
LinkedIn
Допустимые теги: blockquote, a, pre, code, ul, ol, li, b, i, del.
Ctrl + Enter
Допустимые теги: blockquote, a, pre, code, ul, ol, li, b, i, del.
Ctrl + Enter

А из угля и воды можно делать метан? Реакция с катализатором.

Этот процесс уже давно исследован и применяется в промышленных масштабах. Это обычная газификация угля. Конечно на выходе не чистый метан, а смесь метана, синтез газа и так далее. Но такой газ отлично горит. И катализаторов никаких не нужно.

Вот если бы вместо угля углекислый газ? Как американские ВВС недавно предложили. Если не врут то делают керосин из воздуха.
ecologyofrussia.ru/...​yvat-toplivo-iz-vozdukha

В принципе любая химическая реакция обратима. Т.е. если когда то что то сгорело образовав при этом CO2 и H2O (про горение углеводородов), можно восстановить это из продуктов горения (тот самый СО2 и т.д.) другое дело, что это потребует энергии даже больше чем получилось при сгорании. Т.е. для производства такого топлива нужно потратить больше энергии, чем можно получить при его сгорании. С экономической точки зрения это бессмысленно.

Дерево грецкий орех превращает CO2 в ореховое масло.

Как немного переживающий за будущее моей страны(Украина) очень волнует вопрос полной энергетической независимости.

Вопросы:

1) Что думаете по поводу генерации «водород + тепло» из аллюминия в воде при помощи галлия (для остановки окисления). А потом востановления аллюминия из оксида аллюминия.

2) Термоядерные процессы при помощи ультразвуковой сонолюминесценции в воде с примесью водорода?! Выдумка или реальность?

3) Получение металлического водорода с дальнейшим использованием для декомпрессии + горения?

Добрый день. Я не являюсь экспертом в указанных вами областях, поэтому мое мнение скорее поверхностно и не обладает научной глубиной. Но попробую ответить на эти вопросы:

1) Возможно, но энергетически крайне не выгодно. Производство алюминия крайне энергозатраты процесс, то же самое для галлия. Что уже плохо, но для восстановления алюминия из оксида (при этом нужно еще решить задачу отделения галлия) также потребует больше энергии, чем его получиться из водорода. Также будут немалые потери этого самого оксида. Так, что это возможно удобный способ аккумулирования энергии, но уж точно не способ ее генерации.

2) С сонолюминисценцией в воде я хотя бы сталкивался. Правда давно когда еще в аспирантуре учился. Эти эксперименты проводились и в обычной и в тяжелой воде, но нигде не было зафиксировано следов термоядерной реакции. Также беглый обзор публикаций последних лет указывает на то, что прогресса в этой области нет. Те статьи авторы которых указывали на успех, в последствии или отзывались или эксперимент не смогли повторить независимые исследователи.

3) Металлический водород хоть и был получен, но явно не в промышленных объемах. Да и время его существования в лаборатории измерялось миллисекундами. Так, что это пока больше фантастический способ. Но, как говорится то что сейчас фантастика лет через 50 может стать реальностью.

Александр Цымбалюк

Наконец-то что новенькое на доу респект и уважуха за статью!!!

За установку конечно риспект. Два вопроса. Я читал что для производства спирта требуется затратить больше энергии чем будет получено при его сжигании. Собственно поэтому спирт и стоит минимум в четверо дороже бензина и солярки. Сможет ли ваша установка повысить топливную эффективность так чтобы это стало финансово оправдано ? И второй вопрос почему вам банально не воспользоваться математическим пакетом вроде GNU Octave, SAGE и т.п. вместо программирования на старичке Фортране ? P.S. Настоятельно рекомендую студентов фортрану не учить — а перейти на С/С++, или там Java, C# и т.д.

Ну тут вы преувеличили. Конечно по энергоэфективности этанол хуже бензина, ну не настолько же. Энергии конечно выделяется гораздо больше энергии чем при производстве. А вот про стоимость вы тоже зря, можно например процитировать туже вики
" В начале 2008 года рыночная цена 1 литра этанола была: в США — 0,43 $ (бензин — 0,55 $), в Бразилии — 0,4 $, в Европе — 0,72 $ (бензин — 1,5 $)"
Т.е. он обычно дешевле бензина.
А программирование на Fortran исключительно потому, что расчеты очень ресурсоемкие и Octave и т.д. будут просто слишком медленно работать. Как пример иногда симуляция 1 мс конверсии, рассчитывается 3 суток.

Собственно поэтому спирт и стоит минимум в четверо дороже бензина и солярки.

markets.businessinsider.com/...​commodities/ethanol-price
7/29/21 12:14 PM
Ethanol 2.22 USD per Gallon
RBOB Gasoline 2.00 USD per Gallone
Більша частина ціни спиртів складає базова речовина і вихід прямо пропорційний масовій частці цукру

Кроме того, метанол же дешевле этанола

В тайне надеюсь, что эту статью прочитают студенты 4-5 курсов нашей специальности и придут писать диплом именно по численному моделированию плазмохимических процессов.

За это хотябы десяточку платят? Иначе зачем заниматься настолько экзотической деятельностью. Что-то мне кажется веб разработчиком живется гораздо сытнее

Чтобы научится программировать естественно. Я студентом тоже по методам писал такие программулины на Delphi, делал человеческий интерфейс и интегрировал с SolidWorks и т.д. Вроде бы даже это пытались как то использовать. И формочки шлёпать не последний навык для таких программ, там они очень помогают и там их много будет. Так же как и визуализация и т.д. В общем ничуть не хуже бизнес приложений. P.S. Если у лаборатории грант или сотрудничество с зарубежными университетами там вполне неплохо зарабатывают.

Чтобы научится программировать естественно.

А зачем? Давно известно: навыки в программировании выше определённого уровня не приносят денег

Тут вы подняли довольно больную тему. У нас обычно не платят, поэтому приходится констатировать факт, что для многих студентов мы являемся своеобразным трамплином для релокейта за рубеж. Обладая образованием в сфере физики плазмы, и в такой области применения как топливные смеси для альтернативной энергетики они обычно успевают опубликовать пару тройку хороших статей к 5 курсу. И уже без труда получают визу практическую в любую страну (их просто приглашают) и покидают нашу. Это слегка печально когда 1 сентября узнаешь, что студент с которым ты работал переехал, зато приятно что наше научное сообщество таким образом расширяется :).

Это слегка печально когда 1 сентября узнаешь, что студент с которым ты работал переехал, зато приятно что наше научное сообщество таким образом расширяется :).

Ну а там-то они десяточку после налогов имеют? Что-то мне кажется нет. Без обид, но если ставить цель заработать денег побольше занятие этим вот делом поможет мало

Так нигде речи про заработать денег побольше и не было

Так в том-то и вопрос: зачем напрягаться больше, если денег не дадут? Я пишу парсеры, но за них платят хотя-бы

Ты бы щас не парсеры писал а копал бы огород если бы небыло энтузиастов которые двигают науку вперед.

скорость исполнения программ на fortran и c, собранных компиляторами одного производителя для своей же платформы (будь то интел или, скажем, айбиэм) неразличима. комплексная арифметика из коробки — пожалуй единственный значимый профит, остальное обычно предоставляется средствами платформенной матбиблиотеки, которая скорее всего написана на си и выполняет один и тот же код вне зависимости от того, откуда она вызвана. это я к тому, что если быстрая комплексная арифметика не нужна и нет необходимости переиспользовать самодельный пласт знаний, написанный за сорок лет на фортране, то особого толку от погружения в фортран не будет.

Да вы правы. Для работы мат. библиотек на С и на Fortran чаще всего используют один и тот же код (правда его пишут на ассемблере производители CPU) так, что разницы в производительности практически не будет. Вот почему существует немало научного софта написанного на C. И вот почему начиная с 2003 в Fortran активно работают, над облегчением интеграции с таким кодом. Мое личное мнение, что на Fortran просто удобнее, проще и быстрее писать именно вычислительные алгоритмы. Ну и более 40 лет наработок научного софта для меня также много значит.

производиели цпу на ассемблерах уже ничего не пишут :), intel oneMKL вот прямо сейчас набирает с\с++ людей. на фортране канешно писать проще и быстрее, единственная проблема — это физическое старение и вымирание тех, кто это умеет. в отличие от си. т.е. если стратегически смотреть вдаль, то начинать что-либо новое на фортране смысла нет, некому будет это развивать и поддерживать.

Под написанием кода на ассемблере я имел в виду саму базу этих библиотек (AVX инструкции и подобные для максимальной производительности для чисел с плавающей точкой и т.д.). А насчет устаревания тут вопрос спорный. Уже слишком многим языкам пророчили смерть, а они живы. Например я часто общаюсь со студентами, так они относят Fortran, C, Java к динозаврам и спрашивают — «а что на этом еще пишут?». И приводят тот же тезис, что начинать нужно на Rust или Go или еще чем то новом. Ну и как я и написал, что очень часто программы нужны на один раз, написал получил результат, обработал результат и все. Про развитие и поддержку речь даже не идет.

мой тезис несколько другой.
1. фортран и си обеспечивают неразличимую производительность при исполнении и имеют одинаковый доступ к стандартным матбиблиотекам
2. си де-факто является стандартным языком низкого уровня, его изучают 100% (то есть все) первокурсники компьютерных и околокомпьютерных специальностей, десятки тысяч людей в год (в масштабе страны).
3. фортран изучают некоторые (немногие) студенты/аспиранты естественнонаучных и технических направлений, десятки (не тысяч), ну может быть сотни людей в год.

откуда следует, что во всех случаях, где фортран-специфичные вещи не требуются или могут быть не слишком дорого реализованы средствами си, следует применять си. да и всех делов ;)

Так вы безусловно правы. Я же в статье так и писал, изучать Fortran стоит только тем самым научным сотрудникам, технарям и ученым (которых не так и много как вы заметили), и только для написания научного софта в указанных областях. Мне бы и в голову не пришло предлагать писать драйвера, части ОС, и иной другой софт на Fortran. Для этого есть C/C++, Rust и так далее.

Молодці студенти.

Я б напевне в новому житті також вчив раст і хакав людей, а не програми.

Когда студенты говорят что Go, Rust, D это то на чем сейчас пишут, отправьте их суда на раздел вакансии. И окажется что пишут на: JavaScript, Java, Python, C#/.NET, C/C++. А Go, Rust и D только стремящиеся в промышленную разработку. И частота их использования возможно даже хуже чем у фортран.

Подписаться на комментарии