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.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2012).