СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ВУЛКАНА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ЕГО ИЗВЕРЖЕНИИ
METHOD TO REDUCE DYNAMIC EXPOSURE OF VOLCANO AT ENVIRONMENT DURING ITS ERUPTION

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к вопросам экологической безопасности, и может быть использовано при строительстве городов и инженерных объектов, а также при разработке полезных ископаемых вблизи действующих вулканов.
Актуальность изобретения
В прошлом году произошел взрыв вулкана в Исландии. Облако пепла на неделю прервало все полеты самолетов, что принесло убыток 4 млрд дол. и много неприятностей людям. Со всей фантастической техникой 21 века никаких воздействий на облако пепла по очистке воздушного пространства Европы не производилось.
Ученые точно спрогнозировали момент извержения и известили население. Но никаких рекомендаций по устранению облака пепла не дали. У нас на Камчатке много действующих вулканов и загрязнение воздушного пространства происходит чаще, чем в Исландии.
Обычно извержение вулкана сопровождается землетрясением, разбросом камней и глыб, истечением магмы и выбросом пыли и газа на высоту 2-3 км с образованием пылевого облака. Именно дисперсные частицы этого пылевого облака долго держаться в атмосфере, забивают и останавливают двигатели самолетов.
Но иногда извержение сопровождается более страшным явлением. По земле стелется горячий (более 100 градусов) ураган пепла, пыли с примесью сероводорода - так называемый пирокластический поток. Распространяется он на большие расстояния несколькими волнами. Именно от удушья этого потока погибают массы людей, в частности, так погибло население Помпеи и его окрестностей - нечем дышать.
Таким образом, создание способа снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду и, в частности, для очистки воздушной среды от облаков пепла и пирокластических потоков является актуальной задачей.
Известен способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, включающий комплекс исследований в полном объеме, согласно которому определяют возможный гипоцентр землетрясения и вероятный срок извержения вулкана, глубину залегания и напряженность блочной системы опорного пояса, глубину зоны скопления магмы и зоны возможного ее плавления, на основании полученных данных создают разрыхленную зону в склоне вулкана под пробкой кратера, при этом в зависимости от рельефа местности и глубины зоны скопления магмы, а также глубины залегания опорного пояса бурят скважины с поверхности или из штольни, проводимой для этой цели к центру вулкана, причем буровые скважины используют для предварительного ослабления горного массива на первом этапе путем гидроразрыва, а на втором этапе ослабления массива используют выщелачивание, после создания разрыхленной зоны создают канал отвода магмы методом направленного взрыва [1].
Данный способ в какой-то мере снизит сотрясательное воздействие извержения на поверхность земли, что совместно с повышением сейсмостойкости зданий сохранит близлежащие города. Излияние магмы тоже приведено в управляемое русло. Однако извержение вулкана сопровождается еще и разбросом камней и пепла на большие площади, а также пирокластическими потоками. Но вопрос снижения влияния этих факторов ни в этом способе, ни в других не рассматривается [2, 3].
Известен способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении [4], включающий создание разрыхленной зоны в склоне вулкана под пробкой кратера и канала отвода магмы методом направленного взрыва, отличающийся тем, что над жерлом вулкана монтируется фильтрационная установка, состоящая из мощной решетки с амортизаторами, установленная на железобетонных стояках с возможностью вертикальной податливости при сильном ударе. Вторым отличием является то, что на решетке уложены полимерные камеры, наполненные водой или жаропоглощающей жидкостью. И третьим отличием является то, что на стояках сверху смонтирован железобетонный свод с люком в центре, от которого проложен трубопровод с насосом для откачки смеси газа и пепла из-под купола в бассейн с водой.
При слабом извержении предложенная конструкция выполнит свое предназначение, а при мощном извержении, сопровождаемом землетрясением, мало вероятности что это сравнительно жесткое сооружение, построенное вблизи вулкана, не разрушится.
Целью изобретения является создание способа снижения влияния выброса камней и пепла в процессе извержения вулкана на окружающую среду, особенно дисперсных частиц пепла, которые разносятся на значительные расстояния и, находясь в атмосфере, препятствуют сообщениям аэрофлота, а также локализация или устранение такого явления, как пирокластические потоки. Данная цель достигается путем создания вокруг кратера вулкана АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ из полимерной пленки с элементами фильтрации внутри ее, которая поднимается на должную высоту с помощью воздушных шаров или стратостатов. При длине трубы в несколько сот метров внутри трубы за счет перепада давления будет создаваться сильный поток воздуха, который должен захватывать стелющиеся по земле пирокластические потоки и выдувать их высоко в атмосферу, при этом, проходя через систему электрофильтров, они будут очищаться от вредных составляющих.
Т.к. в аэродинамической трубе создается постоянно действующий сильный поток воздуха, то естественно возникает и другая задача - использовать энергию этого потока в мирных целях на преобразование его механической энергии в электрическую. С этой целью в устье аэродинамической трубы перпендикулярно воздушному потоку устанавливается ветряное колесо с генератором электроэнергии (или каскад ветряных колес). В качестве ветрового колеса могут быть приемлемы любые ветряки, соответствующие технико-экономическим расчетам и экологии окружающей среды.
В настоящее время известно много различных типов ветроэнергетических установок (ВЭУ). Широкое распространение имеют ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения [7].
Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса. Подразделение Google Energy заключило соглашение на использование электроэнергии, производимой трехлопастными ветроколесами ветряной фермой в Айове (США) [8]. Мощность таких ветроколес или турбин, например Enercon El26, достигает 6-7 мегаватт [9].
Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса [7]. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора, колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра 0,30-0,35 [10].
В последние годы начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье. Этот ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух-четырех изогнутых лопастей. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30-0,35.
Преимущества использования ветряного колеса в аэродинамической трубе по сравнению с другими ветряками очевидны:
- низкие затраты на приобретение, сборку и эксплуатацию ветроэнергетической установки;
- низкие затраты на аренду участка земли;
- ветроэнергетическую установку не надо поворачивать, а значит не надо поворотного механизма флюгера и видроз;
- отсутствуют дорогостоящие электрические батареи, выработанная энергия будет поступать в общегосударственную энергосистему;
- не будет настроечных на ветер операций;
- не будет простоев из-за отсутствия ветра;
- появляется возможность применять каскад ветровых колес в аэродинамической трубе.
Из всего многообразия полимеров в экстремальных условиях извержения вулкана наиболее приемлемы УГЛЕПЛАСТИКИ. Наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна, которые получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила нефтяных и каменноугольных пеков и т.д.
На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы, способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 град. Углепластики очень легки и в то же время прочные материалы [5]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол», обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 град., химическая инертность к окислительным средам, не горит, в 1.5 раза легче алюминия [11]. Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами [9]. За эту разработку российские ученые получили Нобелевскую премию в 2010 году.
Углеродные тонкие пленки, полученные из этих полимеров, могут быть использованы в качестве стенок аэродинамической трубы. Из тех же материалов могут быть изготовлены и ребра жесткости трубы в форме обручей, а также решетки и сетки фильтрационной установки.
Т.к. все углепластики хорошо проводят ток, то наэлектризованные фильтрационные элементы могут хорошо коагулировать и абсорбировать взвешенные микрочастицы пыли. При этом мощные решетки будут препятствовать разбросу камней на большие расстояния, а множество сеток будут фильтровать мелкие и дисперсионные частицы пирокластических потоков.
Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки. Каучук обладает способностью обратимо растягиваться до 900%. Из этих же материалов могут быть изготовлены и тросы, проложенные по стенкам аэродинамической трубы, с помощью которых конструкция крепится к воздушным шарам. На разных уровнях аэродинамической трубы закрепляются научная аппаратура, датчики, видеокамеры, передатчики видео- и телеметрической информации, источник электризации сетки и питания научной аппаратуры (ветряк). Подачу электроэнергии необходимо дублировать с земли по проводам, прикрепленным к натяжным тросам.
Грузоподъемность шаров практически не ограничена.
На фиг.1 представлен вертикальный разрез толщи пород, а также вид на аэродинамическую трубу сбоку. На фиг.2 представлен вид на конструкцию сверху (разрез по ветряному колесу).
Где: 1 - кратер, 2 - жерло, 3 - пробка, 4 - скопление магмы и газа, 5 - отводной канал магмы, 6 - опорный пояс, 7 - город, 8 - зона возможного плавления, 9 - зона разрыхленных пород, 10 - фильтрационная установка, 11 - полимерная труба с ребрами жесткости в форме обручей 15, ветровое колесо 26.
Фильтрационная установка состоит из предохранительной решетки 12, системы фильтрационных сеток 13. Снизу к ней прикреплен полимерный фартук 14 с ребрами жесткости 15 в форме обручей. Вдоль стенок всей конструкции проложены канаты 16, закрепленные одним концом на земле автоматическими натяжными устройствами 17, а другим концом на воздушных шарах 18. Снизу к шарам подвешивается аппаратурный отсек 19 с воздушной камерой наблюдения 23 и источником питания (ветряк для запуска ветрового колеса в аэродинамической трубе) 24, который записывает и перерабатывает информацию, поступающую от научно-инструментального пояса с датчиками 20.
На земле на должном расстоянии установлена наземная электроподстанция 27 с необходимой аппаратурой (контролер, инвертор, источник бесперебойного питания, трансформатор и т.д.), станция наблюдения со спутниковым ретрослятором 21. Фильтрационная установка имеет предохранительный клапан 25 (на случай полной заштыбовки сеток).
С момента пробуждения вулкана начинают подготовку к осуществлению проекта по охране окружающей среды, заранее разработанному, частью которого является реализация задач данного изобретения: определяют возможный гипоцентр землетрясения и вероятный срок извержения вулкана, глубину залегания и напряженность блочной системы опорного пояса, глубину зоны скапливания магмы и зоны возможного плавления магмы. На основании научных данных проводятся мероприятия по созданию разрыхленной зоны в целях облегчения выхода магмы на поверхность в нужном направлении, строится отводной канал, а также проводятся мероприятия по другим пунктам проекта.
Параллельно на ровной поляне вблизи вулкана собираются ветряк, конструкция фильтрационной установки и «сваривается» аэродинамическая труба из рулонов полимерной пленки. По стенкам трубы прокладываются канаты, которые одним концом закрепляются на машинах или тракторах, а другим - на воздушных шарах. На канатах закрепляются ветряк и фильтрационная установка. При заполнении шаров газом конструкция приподнимается от земли и перевозится к жерлу вулкана. Там канаты закрепляются с помощью автоматических натяжных устройств.
По склону и вокруг жерла вулкана прокладывается трубопровод с форсунками для вспенивающейся или жаропоглощающей жидкости.
На безопасном расстоянии в укрытиях вокруг кратера устанавливаются видеокамеры.
Данные с датчиков, видеокамер и аппаратуры автоматически поступают на наземный пункт наблюдения и передаются спутниковой антенной в пункт управления и всем заинтересованным научным центрам во всем мире. По мере пробуждения вулкана усиливается приток газа и пара. В зависимости от их давления и температуры воздушные шары с шатровой конструкции автоматически или по команде оператора могут подниматься или опускаться (подтягиваться натяжными устройствами).
Посредством видеокамер будет вестись наблюдение за подъемом шаров, и дистанционно управляемые натяжные устройства будут центрировать аэродинамическую трубу относительно жерла вулкана.
Фильтрационные сетки могут быть наэлектризованы от ветряка, установленного на аппаратурном отсеке. Электроэнергия от электрогенератора ветрового колеса по кабелю, проложенному по натяжным канатам, подается на электроподстанцию 27.
При выбросе камней и пепла из жерла вулкана прочная полимерная конструкция будет предохранять местность от их разброса. Чем более бурный выброс камней и пепла, тем выше будут подниматься шары с конструкцией, при этом высота подъема алгоритмически связана с датчиками давления и температуры.
Мощный поток воздуха, создаваемый в аэродинамической трубе от разницы давления у земли и в ее конце на большой высоте, будет увлекать в нее пирокластические пылевые потоки. Эти потоки, кроме вреда, будут приносить и пользу, раскручивая ветровые колеса, установленные в устье аэродинамической трубы и вырабатывая электроэнергию. В какой бы стадии извержения или спячки вулкан не находился, воздушный поток в аэродинамической трубе будет постоянным, а это значит, что и электроэнергия будет вырабатываться беспрерывно.
Создание разрыхленной зоны в толще пород - мероприятие высокозатратное с вероятностным положительным исходом. Создание же предложенной конструкции из полимерной аэродинамической трубы с элементами фильтрации - проще, реальнее и менее затратное. Данный способ позволит значительно сократить убытки авиафирм от облаков пепла, сохранить жизни людям, оградив их от пирокластических потоков пыли с сероводором.
Много неприятностей и затрат может принести извержение только одного вулкана. А их на Земле множество, есть и в России. Предложенное изобретение позволяет извлечь некоторую пользу из стихийного бедствия.
Источники информации
1. RU 2351964 C2, G01V 9/00, 2006.
2. RU 2231092 C2, G01V 9/00, 2003.
3. RU 2098850 C1, 1997.
4. RU 2408906 C1, 2011.
5. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. М.: Высшая школа, 2004.
6. RU 2343508 С1, 2009.
7. http://www.bellona.ru/Energy
8. http://www.mexico.spaceweb.ru
9.http://www.newchemistry.ru
10. RU 2392489.ru
11. http://highpol.com