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 убытку 4 млард. дол и много неприятностей людям. Со всей фантастической техникой 21 века никаких воздействий на облако пепла по очистке воздушного пространства Европы не производилось.
У нас на Камчатке много действующих вулканов и загрязнение воздушного пространства происходит чаще, чем в Исландии. Однако работ по очистке воздуха загрязненного пылегазовым извержением не ведется. Некоторые меры, как поливка магмы водой из пожарных шлангов, являются не достаточными, а поэтому актуальность создания способа снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду и, в частности, для очистки воздушной среды от облаков пепла, 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. Но вопрос снижения влияния этих факторов ни в этом способе, ни в других не рассматривается [2, 3].
Известен также способ снижения динамических воздействий вулкана на окружающую среду [12], включающий создание разрыхленной зоны в склоне вулкана под пробкой кратера и канала отвода магмы методом направленного взрыва, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что вокруг кратера создается шатровидная конструкция состоящая из металлической наэлектризованной сетки с ребрами жесткости, которая с помощью воздушных шаров или дирижаблей поднимается на должную высоту вверх и управляется дистанционно посредством тросов с натяжными устройствами, дополнительно к нижней части конструкции по ее периметру прикреплен фартук из высокопрочных и жаростойких полимеров, что позволяет ограничить разлет камней, щебня и песка, а также отфильтровать поток пепла от дисперсных частичек. Другим отличием является то, что вокруг кратера и по склонам вулкана проложены трубы с форсунками, по которым нагнетается вспенивающая или жаропоглощающая жидкость, которая коогулирует частицы пепла и способствует их выпадению вблизи кратера.
Вышеприведенный способ направлен на решение задачи по очистке воздушного пространства от газопылевого облака, что соответствует и нашей цели изобретения, а потому и был взять нами в качестве прототипа. Предлагаемое изобретение является по сути его расширением.
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.
Предлагается способ снижения динамических и пылегазовых воздействий вулкана на окружающую среду при его извержении, включающий создание шатровидной конструкции, состоящей из полимерной пленочной трубы с ребрами жесткости в виде полых обручей, которая с помощью шаров или дирижаблей поднимается на должную высоту и управляется дистанционно посредством тросов с натяжными устройствами, отличающийся тем, что обручи ребер жесткости со встроенными форсунками используются для подачи и разбрызгивания водных растворов, коогулирующих с частицами пепла и взаимодействующих с газовыми компонентами воздушного потока, дополнительно в нижней части трубы установлена решетка для уменьшения разлета камней, в средней части трубы находится разбрызгиватель пены, очищающий воздушный поток от пыли, а в верхней части трубы расположена система наэлектризованных металлических сеток для очищения потока воздуха от дисперсных частичек пыли.
Шатровидная конструкция может достигать несколько сот метров, при этом грузоподъемность шаров не ограничена, а все элементы конструкции привязаны к прочным тросам. При такой длине полимерной трубы разница атмосферного давления на ее концах будет значительна, что обусловит возникновение постоянного воздушно потока внутри трубы. В связи с этим возникла побочная задача - использовать воздушный поток внутри трубы для выработки электроэнергии независимо от кратковременного момента извержения вулкана (да будет ли он вообще). С этой целью предлагается в устье трубы установить диффузор, внутри которого находится ветровое колесо, связанное с редуктором и электрогенератором, образующие ветровое устройство по выработке электроэнергии на постоянном ветровом потоке за счет разницы атмосферного давления на концах этой своеобразной аэродинамической трубы.
Запуск ветрового колеса производится от ветряка малой мощности, установленного на гондоле шара.
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. [5].
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 [6]. 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 (htt://highpol.com/). Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами (htt://newchemistry.ru/). Углеродные тонкие пленки, полученные из этих полимеров, могут быть использованы в качестве фартука указанной выше конструкции.
Т.к. все углепластики хорошо проводят ток, то наэлектризованный фартук,кроме оградительных функций, может сам коогулировать и абсорбировать взвешенные микрочастицы пыли.
Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки. Каучук обладает способностью обратимо растягиваться до 900%. На конструкции закрепляются научная аппаратура, датчики, видиокамеры, передатчики видно и телеметрической информации, источник электризации сетки и питания научной аппаратуры (ветряк). Подачу электроэнергии от ветряка на землю и далее в районную ЛЭП осуществляют по проводам прикрепленным к натяжным тросам.
Технология очистки воздуха от дисперсной пыли и газообразных вредных веществ [air-deaning.ru/d_metod_rev.php, watermarket.ru>frtikel/1250].
x
2
2
3
3
2
2
2
2
2
В крупных промышленных городах применяется традиционная технология очистки воздуха, в основном ограничивающаяся применением масляных и волокнистых фильтров, которые достаточно эффективно (не ниже 99%) очищают воздух от пыли и аэрозолей, однако не решают задачи очистки от вредных газов. В настоящее время разработано и опробовано в промышленности большое количество различных методов очистки газов от технических загрязнений: NO, SO, HS, NH, оксида углерода, различных органических и неорганических веществ: фотокаталитические методы, биохимические методы, озонные методы, термокаталитические методы, термическое дожигание, адсорбционный метод. Наибольшее распространение получили адсорбционные методы извлечения из, отходящих газов растворителей, в том числе хлорорганических. Это связано с высокой эффективностью процесса очистки газов (95-99%). Для эффективного применения водных абсорбционных сред удаляемый компонент должен хорошо растворяться в абсорбционной среде и химически взаимодействовать с водой, как, например, при очистке газов от HCl, HF, NH, NO. Для абсорбции газов с меньшей растворимостью (SO, Cl, HS) используют щелочные растворы на основе NaOH или Ca(OH). Промышленные катализаторы, изготавливаемые в виде колец и блоков сотовой структуры, обладают малым гидродинамическим сопротивлением и высокой внешней абсорбцией. Для нашей задачи можно применить создание контакта абсорбции путем распыления жидкости в массе пылегазоваго потока. Поверхность контакта и эффективность процесса в целом определяется дисперсностью распыленной жидкости - в нашем случае, воды с химическими добавками. С некоторой модернизацией в наших полевых условиях применим и каталитический метод с биполярным ионизатором. Очистка воздуха происходит точно так же как и в природе - заряженная пыль укрупняется и под действием электростатических сил осаждается на ближайшую поверхность с нулевым или противоположным потенциалом (в нашем случае, - на комплекте электрически заряженных металлических или из углепластика сеток). Остальные методы очистки применимы только в производственных условиях.
На фиг.1 представлен вертикальный разрез толщи пород и шатровидной конструкции; на фиг.2 представлен вид на конструкцию сверху на уровне ветрового колеса; на фиг.3 представлен вид на конструкцию сверху на уровне пенного разбрызгивателя, где:
1 - воздушный шар (дирижабль), 2 - воздушная видиокамера, 3 - ветряк для запуска ветрового колеса (стартер), 4 аппаратный отсек (гондола дирижабля), 5 - раструб, 6 - ветровое колесо, 7 - диффузор. 8 - система металлических сеток (электростатический фильтр), 9 - ребра жесткости, 10 - водоводы в виде полых обручей с форсунками 11, предохранительная решетка - 12, 13 - инструментальный пояс с датчиками температуры и давления, 14 - полимерный фартук, 15 - тросовая система управления, 16 жерло вулкана, 17 - натяжное автоматическое устройство, 18 - наземная видеокамера наблюдения, 19 - спутниковый ретранслятор, 20 - жилой массив, 21 - смеситель, 22 - разбрызгиватель пены, 23 - рама, 24 - гибкий шланг.
Предлагаемое изобретение - это объект двойного предназначения. В мирное, спокойное поведение вулкана объект используется как ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке за счет разницы атмосферного давления на концах аэродинамической трубы, а в «военное» время, в момент извержения вулкана является установкой по очистке воздуха.
Вначале следует выделить вулкан с пылегазовым характером извержения и спокойным щелевым истечением лавы. Период извержений большинства вулканов известен.
На основании научных данных разрабатывается технический проэкт и проводятся мероприятия по созданию предлагаемого объекта. В целях охраны населенных пунктов от затопления. магмой строится отводной канал.
Параллельно на ровной поляне вблизи вулкана собирается шатровая конструкция из готовых элементов. Конструкция проста и может быть собрана в короткое время.
Конструкция оснащается датчиками, научной аппаратурой, элементами слежения и автоматического управления.
В верхней части трубы монтируется ветровая установка. Шары (стратостаты или дирижабли) наполняются газом и вся конструкция поднимается в воздух на небольшую высоту, и тросами с помощью машин транспортируется к вулкану, и закрепляется с помощью натяжных устройств.
По склону и вокруг жерла вулкана прокладывается трубопровод и емкости для вспенивающейся или жаропоглощающей жидкости. Гибкие шланги разбрызгивателя пены 22 отклоняются под действием центробежной силы при его вращении под реактивным воздействием струи воды и покрывают пеной всю поверхность вулкана, заключенную внутри шатровидной конструкции.
На безопасном расстоянии в укрытиях вокруг кратера устанавливают видеокамеры.
Данные с датчиков, видеокамер и аппаратуры автоматически поступают на сборный пункт и передаются спутниковой антенной в пункт управления и всем заинтересованным научным центрам во всем мире.
Посредством видеокамер ведутся наблюдения за подъемом шаров, а дистанционно управляемые натяжные устройства будут центрировать шатер относительно жерла вулкана. Система металлических сеток (или из графина) может быть наэлектризована от батарей или ветряка,
Электроэнергия, вырабатываемая ветровой станций, передается на землю и далее в ЛЭП по кабелю, проложенному по тросам. При этом в целях устранения утечки заряда на землю или воздушный шар тросы закрепляются на шатровой конструкции через изоляторы.
При выбросе камней и пепла из жерла вулкана прочная шатровая конструкция будет предохранять местность от их разброса.
Пенная или водяная «баня», создаваемая истечением жидкости под давлением из форсунок, расположенных по ободу ребер жесткости в виде обручей, расположенных на всех уровнях аэродинамической трубы, способствуют коагуляции мелких фракций пепла и их выпадению вблизи вулкана. Химические добавки водного раствора должны нейтрализовать вредные компоненты пылегазового потока.
Наэлектризованная металлическая сетка способствует прилипанию к ней дисперсных частиц пепла, так досаждающих авиации: залепляются окна ограничивая обзор, выключаются двигатели. Создание оградительной фильтрующей конструкции не требует больших денежных вложений, но может значительно сократить убытки авиафирм от облаков пепла. Более того, использование шатровой конструкции в качестве ветровой электростанции прибыльно и экологично.
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 C1, 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
12. RU 2434096. ru