ЛЕДЯНАЯ МЕЧТА ЖОРЖА МУЖЕНА: АЙСБЕРГ |
|
Почти четверть населения нашей планеты испытывает дефицит пресной воды. Некоторые эксперты даже предполагают, что именно этот жизненно важный ресурс в будущем может стать причиной серьезных конфликтов. Между тем на Земле существует совершенно неосвоенный источник воды – айсберги. К сожалению, их нелегко доставить в нужное место.
|
|
Я стою на палубе океанского буксира и смотрю на огромный столовый айсберг, возвышающийся позади. Толстенный канат, натянутый как струна, уходит по направлению к ледяной горе, которая по сравнению с судном даже на таком расстоянии кажется просто гигантской. Погода отвратительная: с неба падают то ли капли дождя, то ли хлопья снега, а судно изрядно болтает на волнах. Меня уже слегка укачало, а ведь впереди пять долгих месяцев пути от Ньюфаундленда к Канарским островам. «Хотите, позовем кита? – говорит мой сопровождающий и нажимает на кнопку пульта. – Вот он, смотрите!» И действительно, чуть в стороне с совершенно удивительной для своей массы грацией из воды выпрыгивает кит и, красиво перевернувшись в воздухе, почти без брызг входит в воду. Впечатляет. Я делаю шаг в сторону и… натыкаюсь на стену. Ведь на самом деле я нахожусь вовсе не в Северной Атлантике, а в Велизи, пригороде Парижа, в центре виртуальной реальности Dassault Systemes, где сотрудники компании с помощью очков и шести проекторов демонстрируют мне степень совершенства трехмерной визуализации пакета программ 3DVIA и проработанность реального научного проекта «Ледяная мечта» – Ice Dream.
Мечтатель
Идея использовать айсберги, которые образуются в процессе сползания ледников в океан, в качестве источника пресной воды насчитывает уже много десятилетий. Но всерьез проблемой транспортировки ледяных гор заинтересовались только в середине XX века американские военные. Правда, айсберги их интересовали не столько как источник пресной воды, сколько как плавучий аэродром. Однако и мирные применения не остались без внимания некоторых энтузиастов.
Жорж Мужен, родившийся во французской Бретани и выросший в суровом северном климате канадского Ньюфаундленда, где его отец держал мастерскую по ремонту рыболовных судов, был с детства заворожен ледяными гигантами Арктики. В 1947 году, после окончания Парижского политехнического института ENSAM (Ecole Nationale Superieure d’Arts et Metiers), он переоборудовал одно из списанных американских судов и занялся исследованиями Арктики и Антарктики. Тогда ему и пришла в голову идея полезного использования айсбергов. Намного позднее, накопив опыт и поработав в Арктике и Антарктике, вместе со знаменитым французским полярным исследователем Полем-Эмилем Виктором он предложил саудовскому принцу Мохаммеду Аль-Фейзалу дерзкий проект. При поддержке принца в 1975 году друзья основали ITI (Iceberg Transport International) – компанию, которая в течение нескольких лет занималась исследованием возможности подобной транспортировки, изучая дрейф айсбергов у берегов Антарктиды. Но из-за недостатка знаний и высокой цены экспериментальных исследований в 1981 году проект заглох.
Но в 2003 году он возродился на новом уровне – за прошедшие годы появились и спутниковые технологии, и модели атмосферы и течений, и суперкомпьютеры, позволяющие строить точные прогнозы, и морские буровые платформы. Однако вопросы реализуемости проекта по-прежнему были неясны. Помог счастливый случай: в 2009 году Жорж посмотрел 3D-фильм Khufu Revealed («Секреты Хеопса»), созданный при активном участии компании Dassault Systemes, разработчика систем автоматизированного проектирования и трехмерной визуализации. Мужен был впечатлен моделями египетских пирамид и возможностями, которые предоставляют современные технологии компьютерного моделирования, и обратился к руководству Dassault Systemes с предложением рассмотреть ситуацию транспортировки айсберга. Как говорит Менди Тайоби, директор по маркетингу и интерактивным стратегиям Dassault Systemes, «проект показался достаточно сложным и безумным, чтобы нам стало интересно им заняться».
Как тает айсберг
В качестве объекта виртуальных экспериментов Жорж Мужен после консультаций со специалистами предложил выбрать столовый айсберг (с плоской поверхностью). На первом этапе команда Dassault Systemes во главе с руководителем проекта Седриком Симаром должна была изучить взаимодействие айсберга с окружающей средой. Варьировались условия, с которыми айсберг мог столкнуться в реальном путешествии: океанские течения, ветер, температура воздуха и воды, волны и многие другие параметры. Результатом этого моделирования стала карта, показывающая основные области теплообмена ледяной горы и океана.
Эти данные стали вводными для следующего этапа – моделирования процесса таяния в программе SIMULIA. Как выяснилось, тает айсберг вовсе не равномерно: надводная часть, хорошо отражающая солнечные лучи, подвержена этому в гораздо меньшей степени, чем подводная, омываемая водой. А особенно быстро таяние происходит на ватерлинии и вертикальных стенках, содержащих глубокие трещины. Чтобы уменьшить потерю льда, Жорж Мужен предложил использовать «юбку» из геотекстиля, которая крепится к плавающему на поверхности воды поясу, защищающему ватерлинию на 6 м вверх и вниз. В пространстве между «юбкой» и айсбергом образуется слой холодной пресной воды, который препятствует доступу теплой воды к поверхности льда, выполняя роль дополнительного теплоизолятора.
Полярный конвой
После нескольких месяцев изучения тепловых моделей команда приступила к моделированию течений и буксирования айсберга. В качестве научных консультантов выступали директор норвежского Полярного института профессор Олав Орхейм, руководитель Группы физики океана факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета профессор Петер Вэдэмс, бывший директор по науке института IRD и специалист по физической океанологии Бруно Вуатюрье и Тина Йенсен, руководитель проекта «Вода и лед» правительства Гренландии.
Начальные условия, введенные в программу Dymola экспертами Dassault Systemes, предусматривали старт конвоя около Ньюфаундленда и финиш около Канарских островов. Было изучено множество вариантов буксировки с разным количеством буксиров и различной силой тяги, разные маршруты и возможные обстоятельства в виде тайфунов. Учитывались многочисленные параметры течений, влияние вращения Земли (эффект Кориолиса) и т.п.
Моделирование одного маршрута с учетом статистики погоды в данной области океана в указанное время года занимает всего около двух минут, а затем среди всего множества предстояло выбрать оптимальный. «Это как научная видеоигра, квест, – говорит Седрик Симар. – Можно изменить какой-нибудь параметр и посмотреть, что произойдет. Скажем, если на пути конвоя встретится тайфун, его можно обойти с одной стороны – это приведет к уменьшению времени транспортировки, и айсберг достигнет финиша намного раньше. А если попытаться обойти его с другой стороны – так и вовсе не дойдет до места назначения, растаяв или расколовшись по дороге».
Краш-тест айсберга
Немаловажный фактор, влияющий на успех всей миссии, – стабильность буксируемого айсберга как целого. Внутренняя структура айсберга неоднородна и к тому же неизвестна заранее, а лед – достаточно хрупкий материал, склонный к растрескиванию при положительных температурах. К тому же во время буксировки айсберг подвергается очень интенсивной эрозии под воздействием теплой воды, волн и штормов. В результате он фактически в любой момент может расколоться на несколько частей, что сразу же значительно уменьшит вероятность добраться до финиша (или даже вовсе сведет ее к нулю). «Этот процесс сложно моделировать, потому что он почти непредсказуем. К сожалению, на него влияет слишком много факторов, – объясняет Седрик Симар. – Жорж Мужен считает, что его можно будет упростить с помощью тщательного отбора айсберга. Во-первых, будет выбран именно столовый айсберг, потому что такой тип менее других подвержен растрескиванию. Во-вторых, предполагается, что каждый кандидат на транспортировку будет тщательным образом обследован на наличие неоднородностей и трещин. И надводная часть, и подводная будут тщательно осматриваться специалистами-гляциологами, а внутренняя структура будет выявляться с помощью ледовых радаров. Фактически должна быть построена полная структурная силовая карта айсберга, и вот тогда мы сможем уже более-менее уверенно моделировать его структурную целостность во время буксировки».
Тем не менее кое-какие краш-тесты можно было сделать и на основе предполагаемых данных. С помощью программного пакета SIMULIA Abaqus специалисты Dassault Systemes попытались смоделировать некоторые наиболее типичные сценарии, характерные для раскалывания айсбергов: один из осколков уходит под воду, прежде чем вновь вынырнуть, а второй демонстрирует противоположное поведение, после чего, «потанцевав» таким образом, оба занимают новое равновесное положение. Моделирование оказалось необычайно эффектным: оно показало, что в приведенном сценарии локально возникают волны высотой втрое выше надводной части айсберга, который возвышается над водой на 20 м, то есть высота гребней может достигать 50 – 60 м, а скорость потоков – 60 – 80 м/с. «Понятно, что такие явления представляют уже не просто риск провала для всей миссии, но и серьезную опасность для буксира, – говорит Седрик Симар. – Поэтому такие ситуации необходимо отслеживать заранее, чтобы обезопасить экипаж».
Осуществимый проект
Как вспоминают участники проекта, результаты удивили даже оптимистически настроенного Жоржа Мужена. Ведь одно дело – предполагать, и совсем другое – получить результат четкого научного моделирования, тщательно проработанный на компьютере. Вердикт инженеров гласил: с помощью обычного океанского буксира с тягой в 130 тонн силы столовый айсберг массой в 7 млн тонн можно отбуксировать от Ньюфаундленда к Канарским островам, стартовав 7 июня, по оптимальному маршруту всего за 141 сутки. Средняя скорость при этом составит менее 1 узла (всего 1,5 км/ч), а расход топлива – 4000 т. Расчеты показали, что увеличение количества буксиров не слишком влияет на общую продолжительность миссии, повышая лишь расход топлива, поскольку, как говорит Седрик Симон, основную работу выполняет вовсе не буксир, а правильно выбранные океанские течения. При этом по прибытии к месту назначения айсберг все еще сохранит в твердом виде 62% своей массы. Так что вполне возможно, что жителям Канарских островов в ближайшем будущем удастся попробовать на вкус канадский лед. И не только в виртуальном, но и в реальном мире.
Видео: Ледяная мечта Жоржа Мужена
Рубрика: Технологии |
Добавлено 26.01.12
Почти четверть населения нашей планеты испытывает дефицит пресной воды. Между тем на Земле существует совершенно неосвоенный источник воды - айсберги. К сожалению, их нелегко доставить в нужное место.
Февраль 2012
Автор: Дмитрий Мамонтов
|
|
|
|
|
|
|
Айсберг (CATIA)
Работая вместе с Франсуа Мовилем, правой рукой Жоржа Мужена, команда Dassault Systemes создала в программе CATIA виртуальный айсберг массой 7 млн тонн, размерами площадки 240х190 м и осадкой 165 м. Форму айсберга выбрали исходя из данных о подобных объектах, снабдили его крупномасштабными неровностями, а затем обтянули текстурой. На каждом этапе модель проверялась научными консультантами.
|
|
|
|
|
|
|
Тепловая модель (SIMULIA)
Используя программное обеспечение SIMULIA, инженеры построили тепловую модель айсберга. Как показало моделирование, разные части тают по-разному. Надводная – медленнее всего, поскольку хорошо отражает прямые солнечные лучи. Подводная часть подвержена гораздо большей тепловой нагрузке, особенно вертикальные зоны с глубокими трещинами и район ватерлинии, поскольку вода вблизи поверхности теплее.
|
|
|
|
|
|
|
Защита от таяния (CATIA)
Чтобы защитить айсберг от таяния и максимально сохранить его массу, Жорж Мужен предложил использовать свое изобретение – «юбку» из геотекстиля. Вокруг айсберга разворачивают пояс, состоящий из вертикальных поплавков, который защищает ватерлинию на 6м ниже поверхности воды и на 6м над поверхностью. К нему крепится «юбка», которая простирается на глубину от 200 до 300 м.
|
|
|
|
|
|
|
Варианты маршрутов (dymola)
С учетом всех возможных факторов, которые могут подстерегать конвой на подобном маршруте, – погодные условия, скорость и температура течений на различных глубинах, форма и тепловая модель айсберга, – инженеры с помощью программы Dymola могли наблюдать за всеми этапами. Выбрав дату и место старта, они получили возможные маршруты, время перехода, расход топлива и остаток массы айсберга.
|
|
|
|
|
|
|
Буксировка (SIMULIA)
Предполагается, что под айсберг будет заведена огромная сеть, распределяющая силу тяги по поверхности, но ее все равно придется соединить с буксиром толстым тросом. Натяжение троса из-за различных факторов меняется, что приводит к неравномерному износу. Специалисты Dassault Systemes смоделировали усталостные и износные факторы троса, свитого из 256 стальных стренг (прядей), и оценили время его службы.
|
|
|
|
|
|
|
Раскол айсберга (SIMULIA)
Некоторые айсберги сохраняют свою целостность годами, а другие раскалываются, причем делают это в самый неподходящий момент. Чтобы оценить, насколько этот процесс будет опасен для буксира, с помощью программы SIMULIA Abaqus было проведено моделирование раскалывания айсберга на две части методом конечных элементов. 20 секунд такого моделирования требуют решения 426 млрд уравнений.
|
|
|
|
|
|
|
Из пункта А в пункт Б
В финальной модели маршрута для программы Dymola команда должна была принять во внимание несколько основных критериев. Во-первых, метеорологические и океанографические данные на всем протяжении маршрута.
Во-вторых, гидравлическую и тепловую модели, описывающие таяние и эволюцию айсберга. И наконец, физические явления, влияющие на динамику дрейфа и ледового конвоя: ветер, течения, волны, силу тяги буксира, трение о воду, сопротивление воздуха, силу Кориолиса и т.п.
|
|
|
|
|
|
|
Результат моделирования
показал, что айсберг массой 7млн тонн при тяге буксира в 130 тонн силы, начав свой путь 7 июня, пройдет маршрут за 141 сутки, потеряв при этом 38% массы льда и потратив 4170 т топлива.
|
|
|
|
|
|
|
Северным маршрутом
В конце 1970-х компания ITI изучала антарктические айсберги, но в рамках проекта Ice Dream Жорж Мужен решил смоделировать доставку ледяной горы с севера – от берегов Ньюфаундленда. Причин тому несколько. Во-первых, неподалеку находится природная «фабрика» айсбергов. Во-вторых, здесь существуют развитые системы наблюдения за айсбергами (Международный ледовый патруль и Канадская ледовая служба). В-третьих, местные океанские течения благоприятствуют проекту доставки. И наконец, здесь есть соответствующая портовая инфраструктура и буксиры нужного класса.
Конечным пунктом Жорж решил выбрать Канарские острова. Здесь наблюдается дефицит пресной воды, который в настоящее время восполняется с помощью различных технологий опреснения. Так что это вполне подходящий рынок для испытания, пусть пока и виртуального, альтернативной технологии.
|
|
Зарегистрируйтесь сейчас и получите 100 баллов себе на счет!
А разместив ссылку на этот материал Вы получите дополнительные баллы за каждый переход по ней.
Подробнее об условиях акции читайте в правилах.
|
|
| ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ |
|
|
|
ReadMe
|
|
|
|
МАГАЗИН ПМ
4
