Годная крепость: «холодильник» для земли предотвратит разрушение зданий

Российские ученые разработали аппаратные комплексы для охлаждения земли. Они «выкачивают» тепло из грунта через зонды, которые расположены под зданиями и промышленными объектами. Это сохраняет твердость земли и предохраняет сооружения от разрушений в условиях глобального потепления. Полученное тепло разработчики предлагают направлять в систему обогрева или в теплицы для выращивания овощей и фруктов. Разработка позволяет снизить на 40% расходы на отопление домов и обеспечить жителей Севера свежими продуктами, богатыми витаминами.

Как предотвратить таяние вечной мерзлоты

Ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана разработали комплексы для активного охлаждения грунта. Такие установки помогают предотвратить таяние вечной мерзлоты под зданиями и промышленными объектами, которое происходит из-за глобального потепления, и избежать их разрушения.

Как объяснили разработчики, 63% территории России (11 млн кв. км) находится в зоне сплошной или прерывистой вечной мерзлоты. Для таких районов характерно наличие пород, которые имеют круглогодичные отрицательные температуры и содержат в своем составе лед.

В этих областях большинство сооружений в прежние времена было построено на свайных проветриваемых фундаментах. В них сваи поднимают здание над поверхностью, препятствуя передаче тепла от здания несущим грунтам, что предотвращает их оттаивание. По такому принципу возведены целые города. Однако сейчас вечная мерзлота стремительно отступает. Согласно официальным данным, за 10 лет ее граница сместилась на 40–80 км на север, а через четверть века эта цифра увеличится в 2–2,5 раза.

— В результате таяния грунты теряют прочность, превращаясь в вязкую массу, которая не может удерживать сваи. Вследствие этого фундаменты проседают, из-за чего здания перекашиваются и, в крайних случаях, разрушаются. Сейчас на восстановление таких объектов, по оценкам экспертов, ежегодно требуются десятки миллиардов рублей, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, заведующий лабораторией «УЦ Фотонной энергетики» МГТУ Егор Локтионов.

В отличие от прежних методов, новые комплексы закрепления грунтов, созданные в рамках проекта, дают возможность полностью окупить затраты на эксплуатацию системы. В основе предложенного подхода — активный отвод тепла в летний период с поверхности земли, что производится посредством тепловых насосов.

Они выкачивают тепло из почвы через специальные зонды, расположенные под зданиями, охлаждая грунт и сохраняя мерзлоту в стабильном состоянии. Полученное же тепло направляют на обогрев зданий или в теплицы. При этом энергию насосы получают от солнечных батарей. Панели с ними размещают таким образом, чтобы, кроме поглощения света, они также отсекали бы лишнее тепло от грунта.

Как бесплатно выращивать фрукты и овощи

Расчеты показывают, что представленная разработка позволит снизить операционные расходы на отопление зданий до 40%, пояснил ученый. Также внедрение комплексов даст возможность уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу в среднем до 1 тыс. т на объект за 20 лет.

Кроме того, тепло разработчики предлагают направлять в теплицы. Выращивание свежих овощей и фруктов в теплицах позволит обеспечить жителей северных районов свежими продуктами. В частности, из-за логистики цена на них в северных районах может доходить до 1 тыс. рублей и выше.

— Техническое задание на разработку системы было выдано после выявления неэффективности штатных систем охлаждения на одном из объектов в Ямало-Ненецком автономном округе. В рамках проекта были проведены инженерные обследования, цифровое моделирование и экономическая оценка внедрения с последующей передачей в сервис, — сообщил Егор Локтионов.

По его мнению, в случае масштабного внедрения технология может стать эффективной альтернативой традиционным решениям в условиях изменения климата и роста затрат на эксплуатацию северной инфраструктуры. В настоящее время система внедрена в виде экспериментальных площадок в Архангельске.

— Проблема стабильности многолетне-мерзлых пород под объектами строительства имеет очевидную значимость. Технологии охлаждения грунтов известны не первое десятилетие. Один из примеров — метрополитен в Ленинграде. Комплекс, о котором идет речь, представлен как сумма известных технологий, — прокомментировала разработку ведущий инженер лаборатории механики горных пород МФТИ Тамара Журавлева.

Она отметила, что предполагаемая экономическая эффективность системы очень высока. Остается надеяться, что расчеты выполнены корректно.

— Один из зарекомендовавших себя способов повышения несущей способности мерзлых грунтов — сезонные охлаждающие устройства (СОУ). Они выкачивают тепло из грунта зимой, когда температура воздуха ниже, чем грунта, а в теплый период они автоматически перекрываются. Однако с учетом интенсивного смещения границы оттаивания вопросы повышения несущей способности грунтов становятся всё более актуальными, и любые новые технологии, которые будут направлены на решение этой проблемы, будут востребованы, — сообщил проректор по проектной деятельности Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова.

По его словам, преимущество и, одновременно, недостаток новой технологии заключается в применении возобновляемых источников энергии (ВИЭ). С одной стороны, установки смогут работать не только в зимнее время, но и в весенний и осенний периоды. Это положительно скажется на несущей способности грунтов. С другой стороны, нестабильность ВИЭ усложнит задачу надежного прогнозирования работы устройств.

Вместе с тем заведующий лабораторией машинного обучения в науках о Земле МФТИ и старший научный сотрудник Института океанологии им. П.П. Ширшова (ИО РАН) Михаил Криницкий подчеркнул, что тенденции глобального потепления в ближайшие годы не закончатся. Поэтому проблемой таяния вечной мерзлоты необходимо заниматься.

Он рассказал, что даже с нулевым влиянием человечества повышение глобальной температуры атмосферы будет продолжаться еще порядка 20 лет с темпом около 0,1–0,3 градуса за десятилетие. При этом парадоксально, но даже полное прекращение выбросов аэрозолей от сжигания ископаемого топлива в первые годы может добавить к температуре еще около 0,1 градуса. Это произойдет за счет снижения экранирующего эффекта, привел данные эксперт. Далее на сроках от 20 до 50 лет прогноз по повышению температуры от аэрозолей укладывается в диапазон около 0,3 градуса.