В ЛЭТИ разработали первую в мире индукционную печь для изучения извержения вулканической магмы

Сегодня в мире насчитывается 1350 потенциально активных вулканов, примерно 170 из которых располагаются на территории России, в основном – на полуострове Камчатка и в районе Курил. Их извержение в виде выброса магматических бомб и лавовых потоков приводит к повреждению инфраструктурных и летательных объектов, а потоки пепла и газов загрязняют атмосферу, воду и почву, а также вызывают проблемы с дыханием у жителей близлежащих к вулканам городов.

Поскольку данное природное явление представляет собой значительную опасность как для людей, так и для экологии, необходимо прогнозировать извержения и происходящие при нем высокотемпературные процессы. Однако, экстремальные условия внутри и вокруг вулкана затрудняют изучение поведения вулканической магмы. По этой причине научные коллективы по всему миру ищут альтернативные методы и способы для исследования процессов, происходящих при извержении вулканов.

Одним из таких методов является метод индукционной плавки в холодных тиглях (ИПХТ), который позволяет получать и долговременно удерживать расплавы оксидных сверхтугоплавких материалов. К таким материалам относится и вулканическая базальтовая порода, расплавляемая методом ИПХТ с барботированием (пузырением) и выбросами магматического расплава в виде вулканических бомб. В настоящее время такие работы ведутся только в лаборатории ИПХТ кафедры электротехнологической и преобразовательной техники (ЭТПТ) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». 

Несколько лет назад к сотрудникам лаборатории обратился директор Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИВиС ДВО РАН) член-корреспондент РАН, д.г.-м.н. Алексей Юрьевич Озеров с предложением разработать устройство для получения расплава магмы, с помощью которого можно было бы проводить физическое моделирование движения газов под кратером вулкана и выбросов бомб из расплава магмы в различных режимах на огромной скорости. 

Специалистам из ЛЭТИ была поставлена нетривиальная задача – разработать установку ИПХТ, обеспечивающую высоту ванны расплава магмы 3 метра в холодном тигле для более адекватного наблюдения за процессами, происходящими внутри ванны расплава и на ее поверхности.

«На данный момент у нас в ЛЭТИ имеется разработанная печь ИПХТ с высотой ванны расплава магмы 64 см и температурой расплава до 2400 °С, что ограничено только мощностью установки. Проведенные эксперименты показали, что физическое моделирование дегазации – освобождения от газа – расплава вулканической породы в разработанной установке способно приблизить исследователей к реальным условиям извержения вулканов. Это позволит более точно изучать вулканические процессы».

На первом этапе исследователи из ЛЭТИ занимались подбором материалов и конструкции печи ИПХТ таким образом, чтобы обеспечить долговременное устойчивое удержание расплава магмы действующего Ключевского вулкана Камчатки с наиболее высокой ванной расплава при температуре около 2500 °С и ограниченной мощности установки 100 кВт. Используя полученные экспериментальные данные и результаты по разработанным 3D математическим электрогидродинамическим моделям, были получены параметры всех элементов инновационной установки: холодного тигля, индуктора и барботера для подачи газа. При этом, в расчетах учитывались электромагнитные, тепловые и конвективные процессы в ванне расплава, от учета которых зависит точность расчетных исследований. Таким образом, расчетным путем было выявлено требуемое распределение температур и скорости движения расплава внутри ванны. 

Далее, на основе данных моделирования и конструирования был разработан прототип установки для проведения пилотных испытаний. После подтверждения соответствия заданным требованиям устройства, ученые разработали индукционную печь с холодным тиглем с высотой расплава магмы 64 см и температурой до 2400 градусов. 

Все тесты по ИПХТ магмы проводились в ЛЭТИ при изучении стартового нагрева магмы (запуска печи), выбора частоты тока установки и температуры плавления, оценки свойств расплава для математического моделирования и донного барботажа расплава газом. 

«Вместе с коллегами из ИВиС ДВО РАН мы планируем провести эксперименты уже с использованием сейсмических приборов для измерения вибраций и толчков, возникающих при выбросе магмы из холодного тигля, а также быстродействующих видеокамер, которые смогут проводить скоростную видеосъемку во время этих процессов», – подчеркнул Дмитрий Борисович Лопух. 

Также в рамках исследований планируется регулировать и контролировать подачу газа, от которого зависят режимы выброса магмы из ванны расплава. По оценкам ученого, в перспективе полученные и будущие результаты могут быть использованы для предсказания извержений вулканов.

Финальная часть работы по математическому моделированию и успешному запуску печи ИПХТ для изучения дегазации расплава вулканической магмы выполнена в рамках программы «Приоритет 2030».

Индукционная печь для плавки вулканической породы получила патент РФ (№2802941) в 2023 году. Результаты исследований по плавке вулканических пород в индукционной печи с холодным тиглем опубликованы в научном журнале Russian Electrical Engineering. Планируется публикация новых результатов проведенных исследований по дегазации расплава в разработанной печи ИПХТ с высокой ванной расплава магмы. Дальнейшее приближение условий тестов к реальным извержениям вулканов связано с повышением мощности установки для обеспечения более высокой ванны расплава и увеличения выбросов магматических бомб.