В мире существует 1350 потенциально активных вулканов, из которых около 170 находятся в России — в основном на Камчатке и Курилах. Извержения вулканов опасны: они могут повредить инфраструктуру и авиацию, а выбросы пепла и газов загрязняют атмосферу, воду и почву, вызывая проблемы с дыханием у людей.

Чтобы предотвратить последствия извержений, нужно уметь их прогнозировать. Но изучать поведение вулканической магмы сложно из-за экстремальных условий внутри и вокруг вулкана. Поэтому учёные ищут новые методы исследования процессов, происходящих при извержении.

Метод индукционной плавки в холодных тиглях (ИПХТ) позволяет получать и долговременно удерживать расплавы оксидных сверхтугоплавких материалов, таких как вулканическая базальтовая порода. Эти работы ведутся только в лаборатории ИПХТ кафедры электротехнологической и преобразовательной техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ».

Несколько лет назад директор Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук, член-корреспондент РАН Алексей Юрьевич Озеров предложил сотрудникам лаборатории разработать устройство для получения расплава магмы. С его помощью можно было бы быстро моделировать движение газов под кратером вулкана и выбросы бомб из расплава магмы в различных режимах.

Перед специалистами из ЛЭТИ стоит задача — разработать установку ИПХТ с ванной расплава магмы высотой 3 метра. Это позволит лучше наблюдать за процессами внутри ванны и на её поверхности.

В ЛЭТИ есть печь ИПХТ с ванной расплава магмы высотой 64 см и температурой до 2400 °С. Мощность установки ограничивает температуру.

Эксперименты показали, что физическое моделирование дегазации расплава вулканической породы в этой установке приближает исследователей к реальным условиям извержения вулканов. Это позволит более точно изучать вулканические процессы.

Об этом рассказал руководитель лаборатории ИПХТ, доцент кафедры ЭТПТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Лопух.

Исследователи из ЛЭТИ подбирали материалы и конструкцию печи ИПХТ, чтобы обеспечить удержание расплава магмы действующего Ключевского вулкана Камчатки. При этом температура расплава должна была составлять около 2500 °С, а мощность установки — 100 кВт.

На основе экспериментальных данных и результатов по разработанным 3D математическим электрогидродинамическим моделям были определены параметры элементов инновационной установки: холодного тигля, индуктора и барботера для подачи газа. В расчётах учитывались электромагнитные, тепловые и конвективные процессы в ванне расплава. Это позволило определить требуемое распределение температур и скорости движения расплава внутри ванны.

На основе данных моделирования и конструирования был разработан прототип установки для пилотных испытаний. После подтверждения соответствия устройства требованиям, учёные разработали индукционную печь с холодным тиглем. Высота расплава магмы — 64 см, температура — до 2400 градусов.

В ЛЭТИ были проведены тесты по изучению ИПХТ магмы: стартовый нагрев магмы (запуск печи), выбор частоты тока установки и температуры плавления, оценка свойств расплава для математического моделирования и донный барботаж расплава газом.

Мы с коллегами из ИВиС ДВО РАН проведём эксперименты с использованием сейсмических приборов и видеокамер. Приборы измерят вибрации и толчки при выбросе магмы из холодного тигля, а видеокамеры проведут скоростную съёмку этого процесса.

Во время экспериментов мы будем регулировать подачу газа, от которого зависит режим выброса магмы, — заявил Дмитрий Лопух.

Полученные результаты помогут предсказывать извержения вулканов.

Мы завершили работу по математическому моделированию и запустили печь ИПХТ для изучения дегазации расплава вулканической магмы в рамках программы «Приоритет 2030».

Индукционная печь для плавки вулканической породы получила патент РФ в 2023 году. Результаты исследований по плавке вулканических пород в этой печи опубликованы в научном журнале Russian Electrical Engineering.

В планах — публикация новых результатов исследований по дегазации расплава в разработанной печи ИПХТ. Мощность установки увеличат, чтобы приблизить условия тестов к реальным извержениям вулканов и повысить объём выбросов магматических бомб.

Фото: ЛЭТИ