Игорь Кудинов: «Постижение нового – это процесс творческий»

– В родном для вас Политехе вы прошли путь от ассистента до профессора. Сейчас возглавляете кафедру «Физика», под вашим руководством был создан научно-исследовательский центр «Фундаментальные проблемы теплофизики и механики». Какими были ваши первые шаги в науку?

– На протяжении всей своей жизни я наблюдал за действиями отца, заведующего кафедрой «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика», доктора физико-математических наук, профессора Василия Александровича Кудинова. Он – человек несгибаемой воли – всегда в кропотливой работе, в самозабвенном поиске. Когда я учился в школе, знал, что отец исследует процессы теплопереноса, но, думаю, в полной мере не осознавал, чем же он конкретно занимается. Глядя на него, после школы я сначала поступил в Самарский технический лицей, а затем в Политех, на теплоэнергетический факультет. Учился там на инженера тепловых электрических станций. Однако в конечном итоге область моих научных интересов оказалась намного шире. В аспирантуре под руководством заведующего кафедрой «Прикладная математика и информатика», доктора физико-математических наук, профессора Владимира Павловича Радченко я занимался различными проблемами теплопроводности, гидродинамики, решением задач термоупругости, изучением процессов электромагнитных колебаний. Докторская же диссертация была посвящена математическому моделированию локально-неравновесных процессов переноса теплоты, массы, импульса
с учётом релаксационных явлений.

– Насколько я понимаю, результаты ваших исследований сегодня очень востребованы на магистральном направлении научной работы в университете – разработках в области водородных технологий.

– Безусловно. Генерация водорода из природного газа – это термический процесс: пиролиз метана (его разложение) протекает при нагреве до определённой температуры. Ввиду низкой теплопроводности газа для его эффективного прогревания нужно, чтобы он либо двигался с большими скоростями у поверхности нагрева, либо чтобы таких поверхностей нагрева в реакторе было много. И то, и другое достаточно сложно осуществить на практике. Для этого требуются компетенции теплофизиков. На кафедре «Газопереработка, водородные и специальные технологии» мы совместно с доктором технических наук, профессором Андреем Александровичем Пименовым работаем над модификацией реакторов генерации водорода. Вместе с коллегами предусмотрели специальное диспергирующее устройство, с помощью которого газ подаётся в расплавленный металл в виде мелких пузырьков, что позволяет увеличить поверхность и время контакта между ними. Таким образом, газ лучше прогревается, разлагается, и получается максимальная конверсия.

– Уже есть какие-то ощутимые результаты?

– Мы провели первые эксперименты на этих стендах и получили довольно интересные данные. Концентрация водорода на выходе из нашего реактора составила около 79 процентов в отличие от 70-процентной концентрации в обычных реакторах. Далее мы планируем выйти на показатель выше 90 процентов за счёт создания гибридных реакторов. Нам помогут их установить учёные из Московского физико-технического института – специалисты в области плазмохимической технологии. Метан будет предварительно проходить через плазму, в процессе чего будут образовываться свободные радикалы и углеродные наночастицы. Затем прошедший предварительную обработку газ будет подаваться в расплавы металлов или солей и подвергаться окончательной стадии пиролиза. Это позволит уменьшить энергию активации реакции и увеличить процентное содержание водорода на выходе. Сегодня в научном сообществе ставится задача получения водорода с чистотой 99,9 процента. То есть сверхзадача – разложить как можно больше метана, который участвует в реакции. Причём ценным продуктом пиролиза является не только водород, но и сажа. Это ценное сырьё, которое можно использовать в резиновой промышленности, в дорожном строительстве, в фармацевтических отраслях. Кроме того, при пиролизе образуются ещё и кристаллические нанодисперсные частицы углерода. Сейчас пробы таких углеродных отложений находятся в лаборатории. После исследования структуры мы сможем точно сказать, можно ли рассматривать их как наноматериалы.

– Как вы оцениваете перспективы всей этой работы?

– Речь идёт о научной проблеме, решение которой ищут по всему миру. В нём заинтересованы и крупнейшие российские компании. Например, НК «Роснефть» рассматривает наши стенды для испытаний технологии пиролиза не природного, а попутного нефтяного газа, который, как известно, сейчас сжигается в огромных объёмах, что наносит непоправимый экологический ущерб. На стадии подписания находится договор с Институтом катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН в рамках сотрудничества участников консорциума водородных технологий. Наша часть работы будет заключаться в испытании их катализаторов на наших стендах пиролиза в газовой фазе, в солях и жидких металлах. Помимо этих двух проектов, у нас планируется заключение прямого договора с ПАО «Газпром- нефть» на выполнение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной тематике, а также мы рассчитываем продолжить участвовать в различных конкурсах.

– Почему до сих пор не создана эффективная промышленная технология получения водорода?

– Потому что это крайне трудоёмкий и затратный процесс. Так, технология электролиза обходится во много раз дороже, чем паровая конверсия, а она, в свою очередь, приводит к возникновению оксидов углерода, которые, поступая в атмосферу, создают парниковый эффект, неблагоприятно влияющий на климат. Вектор научных исследований сейчас смещается в область низкоуглеродных технологий. Пиролиз метана – одна из них. Свою задачу я вижу в создании нескольких типов реакторов и проведении в них как можно большего числа натурных экспериментов. Это позволит выявить различные проблемы, о которых мы, теоретизируя, можем даже и не догадываться. Как говорил Ломоносов, «один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рождённых только воображением». Вообще, дальнейшее развитие этой отрасли будет идти очень быстрыми темпами, а значит, потребуются специалисты. Ведь после того как мы научимся генерировать водород, его ещё нужно будет научиться применять – в двигателях внутреннего сгорания, в газотурбинных двигателях, на тепловых станциях. Кафедра «Физика», которой я руковожу, общеобразовательная, но мы хотим начать выпускать своих студентов. Предварительное название образовательной программы бакалавриата для них – «Физические основы природоохранных технологий производства водорода» или «Водородные технологии в нефтегазовой промышленности».

– Вы ведёте исследования не только в области генерации водорода. Как продвигается совместная с китайскими учёными работа сотрудников возглавляемого вами научно-исследовательского центра «Фундаментальные проблемы теплофизики и механики» по гранту РФФИ-ГФЕН «Локально- неравновесные процессы теплопереноса в наноплёнках»?

– Этот международный проект завершился в середине 2021 года. А работа по индивидуальному гранту конкурса РФФИ «Стабильность» закончена в январе 2022 года. По её результатам мы совместно с Cadfem CIS на базе Ansys 2020 R1 создали компьютерную программу, позволяющую осуществлять трёхмерное моделирование быстропротекающих процессов теплопереноса в телах сложной геометрической формы. До нас этого никто не делал. Все модели, которые были созданы ранее, основывались на однородных телах без учёта их молекулярноатомного строения, что приводило к ряду проблем и ошибок: при проведении исследований экстремальных состояний вещества обнаруживалось большое несоответствие между теорией и экспериментом. Мы стремимся эту погрешность уменьшить. В области теплофизики, механики и материаловедения наш центр активно сотрудничает с представителями и науки, и реального сектора. В качестве внешних совместителей мы пригласили крупных учёных: главного научного сотрудника Института проблем химической физики РАН доктора физико-математических наук Сергея Соболева и начальника сектора аэрогазодинамики АО «РКЦ «Прогресс» Юрия Крюкова. Также ведутся совместные исследования с очень талантливыми и известными учёными из Ирана и Венгрии – Захрой Шомали, Питером Ваном, Робертом Ковачем. Вместе мы написали большую обзорную статью по локально-неравновесным процессам, которая принята к печати в международном журнале Continuum Mechanics and Thermodynamics.

– И этим тоже ваши научные изыскания не ограничиваются?

– Да, с 2019 года я занимаюсь моделированием быстропротекающих процессов, в частности, высокоэнергетического воздействия на вещество, с целью изменения его физико-химических свойств. Речь идёт о лазерных технологиях, о воздействии электронным пучком, о плазменном нагреве – тех процессах, которые классическими теориями описываются с очень большой погрешностью. Искомая величина – температура – меняется скачкообразно, и необходимы не просто описания диффузионных изменений функции, а новые математические модели. Решению этой проблемы была посвящена, в частности, моя докторская диссертация. Также вместе с моим соискателем, успешно защитившим в этом году диссертацию, руководителем испытательной лаборатории АО «РКЦ «Прогресс» Виталием Жуковым мы обнаружили, что разработанные нами локально-неравновесные модели гидродинамики позволяют точнее описывать процессы течения жидкостей, в том числе гидроудар. А ещё мы провели ряд исследований по колебаниям стержневых конструкций, также с применением локально-неравновесных моделей, и поняли, что это не менее перспективно. Наше резюме: для описания многих процессов переноса с помощью законов Фурье, Фика, Ньютона, Гука, Ома требуется их дополнительная модификация.

– Что вас подвигает вести столь разностороннюю научную деятельность?

– Очень интересно постоянно искать новые области исследований. Это позволяет расширять кругозор, раздвигать границы науки. Мне такой процесс даёт возможность для дальнейшего развития, я всегда рад работе, которая связана с постижением нового. Это занимательный творческий процесс. Как говорил гётевский Фауст, «в неутомимости всечасной себя находит человек».