УСТРОЙСТВО ВЫЗЫВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ЛИВНЕВЫХ ДОЖДЕЙ Российский патент 2024 года по МПК A01G15/00 E03B3/00 

Область техники:

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для смягчения дефицита пресной воды и засухи, предотвращения опустынивания территорий и пополнения водохранилищ.

Уровень техники:

«Одной из глобальных проблем XXI века является дефицит пресной воды и опустынивание территорий. По данным ООН уже около 2,2 млрд человек страдает от дефицита пресной воды, усугубляющегося по мере роста населения Земли, развития экономики и изменения климата. Для устранения дефицита пресной воды обычно применяются системы опреснения морской воды, добычи грунтовых вод, очистки и вторичного использования муниципальных и поливных сточных вод. Однако дефицит воды, частые засухи и наступление пустынь продолжаются. По данным Межправительственной группы экспертов ООН «если не противостоять этому процессу, то к 2050 г. непригодными могут оказаться свыше 90% земель», что угрожает глобальным голодом». Применяются и радарные системы обнаружения облаков и искусственного увеличения осадков путем их засева с помощью авиационных, ракетных, артиллерийских и наземных генераторов кристаллизующих и гигроскопических аэрозолей.

Аналоги:

Известны также устройства создания искусственных облаков и осадков, предусматривающие стимулирование тепловой конвекции путем прогрева приземной атмосферы с помощью тепла искусственных пожаров, которые ранее устраивались в саваннах Африки и прериях Южной Америки, или тепла, выделяющегося при сжигании нефтепродуктов в факельном метеотроне (Дессенс А. Можем ли мы изменить климат? Пер. с франц. Л.: Гидрометеоиздат. 1969), огнеметном метеотроне Института геологии и геофизики СО РАН, метеотроне с центробежными форсунками Челябинского политехнического института (А.А. Кузнецов Н.Г., Конопасов. Метеотрон. Владимир: Изд-во ВлГУ., 2015. Книга 1. 167 с. Книга 2. 232 с.), метеотронах с реактивными двигателями Института Прикладной геофизики Госкомгидромета СССР (Вульфсон Н.И., Левин Л.М., Метеотрон как средство воздействия на атмосферу. М., Гидрометеоиздат, 1987. 131 с.), метеотроне c турбореактивным двигателем, ресивером и узлом для распыления воды с системой подачи подогретой воды или пара от автономного источника (Кушин В.В. и Демин Е.И., Описание полезной модели к патенту RU № 41123 U1 от 11.03.2004), метеотроне с реактивным двигателем, струю которого направляют вверх и в нее вводят три типа гигроскопических аэрозолей с целью подпитки энергетики струи теплом конденсации водяного пара (Абшаев М.Т., Абшаев А.М., Абдулла Ал Мандоус. Способ и устройство создания искусственных облаков и осадков. Патент RU № 2738479 от 14.07.2019).

Было предложено также создание искусственных облаков и осадков путем прогрева приземного слоя воздуха с помощью так называемых солнечных метеотронов, представляющих собой:

- покрытые асфальтом или черной тканью участки земной поверхности, хорошо поглощающей солнечную радиацию (Brenig L., Zaady E., etc. Cloud formation and rainfalls induced by artificial solar setting: A weather engineering project for fighting aridity. Geographical Forum. Year 7, No 7, 2008. P. 67-82);

- приподнятый над землей зачерненный экран, окруженный системой поворотных зеркал, фокусирующих солнечную энергию на экран (Орановский В.В., патент РФ № 2071243, 1997);

- искусственный аэрозольный слой, состоящий из аэрозоля оптимальной дисперсности для поглощения солнечной радиации (Абшаев М.Т., Абшаев А.М., Абдулла Ал Мандоус., патент RU № 2732710 от 11.04.2019);

- многоярусная гирлянда экранов с черной поверхностью, поднимаемых на аэростате (Павлюченко В.П., патенты РФ № 2462026 и № 2670059).

Известно также устройство инициирования кольцевого вихря воздуха с помощью 50-60 авиационных двигателей, расположенных по кольцу радиусом 800 м, и многочисленных распылителей морской воды внутри и снаружи этого кольца (Edmund S. Pomykala, Patent USA № 2740663. Method and Apparatus for making Artificial Rain. Application December 24, 1951, Serial No. 263,055 5).

Недостатки аналогов:

Ни одно из перечисленных устройств не нашло практического применения из-за низкой эффективности либо не были реализованы вследствие потребности больших затрат.

Прототип:

Наиболее близкими к заявляемому устройству являются следующие:

а) Устройство создания облаков и осадков с помощью вертикально-направленной струи авиационного реактивного двигателя, в которую вводятся три типа гигроскопических аэрозолей с целью энергетической подпитки струи теплом конденсации водяного пара (Абшаев и др., Патент RU № 2738479). Однако натурные испытания прототипа показали, что это устройство может создавать только небольшие облака и слабые осадки, что не решает проблему пополнения ресурсов пресной воды. Причиной этого является то, что теоретически ожидаемое усиление энергетики реактивной струи за счет подпитки теплом конденсации водяного пара на вносимых в струю трех типов гигроскопических аэрозолей оказалось слишком мало из-за отсутствия конденсации на двух типах аэрозолей при низкой влажности воздуха, свойственной засушливым регионам. Без такой подпитки мощность реактивной струи использованного двухконтурного турбореактивного двигателя Д-30 не хватает для инициирования глубокой конвекции и создания искусственных облаков, дающих серьезные дожди.

б) Способ создания искусственных облаков и осадков путем введения в приземную атмосферу направленной вверх струи водяного пара, имеющей начальную температуру 2400-3000°С, начальную скорость 3000-4000 м/с, расход 100-300 кг/с и внесения в струю водяного пара гигроскопического аэрозоля диаметром 5 мкм. Численное моделирование движения реактивной струи в реальной атмосфере на основе 3-Д гидродинамической модели FlowVision показало, что этот способ может инициировать развитие осадкообразующих облаков, если создать устройство для его реализации с применением аэрокосмического двигателя, создающего реактивную струю, мощность которой в десятки раз больше, чем у авиационного двигателя, использованного при испытании предыдущего прототипа.

Раскрытие изобретения:

В заявляемом изобретении предлагается искусственные ливневые дожди вызывать с помощью устройства, содержащего мощный аэрокосмический реактивный двигатель с направленным вверх соплом, распылитель гигроскопического нанопорошка NaCl/TiO₂, установленный на беспилотном летательном аппарате (БЛА), и комплекс метеорологических приборов, служащих для измерения параметров атмосферы и выбора благоприятных ситуаций. Мощность двигателя должна быть не менее 3 ГВт, начальная температура реактивной струи более 1000 ^оС, начальная скорость струи порядка 2000-4000 м/с, расход реактивных газов, состоящих из водяного пара и углекислого газа, не менее 2000 кг/с, время работы не менее 150 секунд.

Технический результат, заключающийся в вызывании искусственных ливневых дождей, может быть достигнут с помощью жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) типа кислородно-керосинового двигателя НК-33 или его аналогов (НК-43, НК-33А, НК-33/AJ26-58, НК-33/AJ26-59, НК-33/AJ26-62), имеющего тягу 154 тонн, время работы 365 секунд, длину 3705 мм, диаметр 1490,5 мм, сухую массу 1240 кг и надежность функционирования 0,9994.

Могут быть также успешно использованы кислородно-водородный двигатель типа РД-0120 и его аналоги, трехкомпонентные кислород-керосин-водородные двигатели типа РД-0750, РД-704 или кислород-метановые двигатели типа РД-0169.

В отличие от прямого назначения ЖРД должен быть установлен соплом вверх на прочной неподвижной опоре, так чтобы высокотемпературная реактивная струя создавала мощный восходящий поток, который инициирует образование искусственного конвективного облака, которые часто образуются при стендовых испытаниях таких двигателей (рисунок 1), несмотря на меры гашения энергетики струи. Время работы ЖРД должно быть не менее 150 секунд, чтобы создать конвективное облако объемом не менее 1 млн м³. При благоприятных условиях (слабый ветер и повышенная влажность приземного воздуха, заток холодного воздуха на высотах) такое облако может развиваться за счет вовлечения окружающего воздуха и конденсации водяного пара. Внесение в реактивную струю гигроскопического наноаэрозоля типа NaCl/TiO₂ диаметром около 5 мкм в концентрации не менее 10¹² частиц/с способствует ускорению процесса конденсации, выделению тепла конденсации, усилению восходящих потоков, укрупнению облачных капель и выпадению ливневого дождя.

Внесение аэрозоля осуществляется путем распыления нанопорошков с БЛА вертолетного типа (например, типа DJL-40), используемого для опрыскивания полей, зависающего в центре струи на высоте 300-500 м, где температура реактивной струи по данным бортового датчика станет ниже порога диссоциации вещества аэрозоля.

Таким образом, искусственные ливневые дожди вызываются устройством, создающим мощный восходящий поток, насыщенный гигроскопическим аэрозолем. Физической основой действия такого устройства является:

- кинетическая и тепловая энергия реактивной струи создает восходящий поток;

- высокая температура струи обеспечивает плавучесть восходящего потока;

- конденсация водяного пара на грубодисперсном гигроскопическом аэрозоле приводит к усилению восходящего потока, образованию искусственного конвективного облака и ускорению образования ливневого дождя.

Описание чертежей:

На фигуре 1 показаны примеры искусственных конвективных облаков, образующихся при стендовых испытаниях аэрокосмических двигателей в НПО Энергомаш в г. Химки (фигуры 1a, 1b и 1c) и в NASA и г. Канзас, штат Миссисипи (фигуры 1d и 1e). Фото на фигуре 1 заимствованы из открытых публикаций в Интернет (https://youtu.be/aXLZAfYgbM4 и др.).

Из фигуры 1a и 1d следует, что сильный ветер наклоняет реактивную струю и снижает высоту ее подъема. Когда ветер слабее, реактивная струя достигает больших высот и приводит к образованию более мощного конвективного облака (фигуры 1b и 1c), которое при благоприятных атмосферных условиях (повышенная влажность воздуха, наличие потенциальной энергии неустойчивости) продолжает развиваться и приводит к образованию ливневого дождя. Этому способствует вносимый в струю гигроскопический наноаэрозоль.

На фигуре 2 представлен эскиз устройства для вызывания искусственных ливневых дождей, содержащего ЖРД НК-33 или его аналог (1), закрепленный на станине-опоре (2), так чтобы сопло двигателя было направлено в зенит, бак для керосина (3) и криогенный бак для жидкого кислорода (4), которые соединены с входами (5) и (6) топливной системы двигателя с помощью гибких рукавов высокого давления (на фигуре не показаны).

На фигуре 3 приведена схема устройства создания искусственных ливневых дождей, которое содержит камеру сгорания (7), сопло, направленное в зенит (8), баки для керосина и жидкого кислорода (3) и (4), турбонасосы (9) и (10), подающие керосин и жидкий кислород в предпусковую горелку (11), после которой богатая кислородом смесь с помощью турбогенератора 12 по трубопроводу 13 поступает в камеру сгорания (7), а также БЛА (14), который на высоте 300-500 м вносит в реактивную струю (15) гигроскопический наноаэрозоль.

На фигуре 4 представлен комплекс метеорологических приборов, служащих для измерения параметров атмосферы, реактивной струи и искусственных ливневых дождей, на основе которых принимается решение о проведении операции по вызыванию дождя и оценка их эффективности, включая:

• БЛА (14) для распыления нанопорошка в реактивной струе (15);

• система радиозондирования атмосферы (16);

• автоматическая метеостанция типа WXR-536 (17) для измерения давления, температуры и влажности воздуха, направления и скорости ветра на позиции;

• лазерный профайлер типа Halo Photonics Streamline XR (18) для измерения трехмерных полей скорости и направления ветра;

• многоволновый радиометр типа HATRO (19) для измерения вертикального профиля температуры и влажности воздуха, водосодержания атмосферы и др.;

• инфракрасный сканирующий термограф типа ИРТИС-2000 (20) для получения структуры полей температуры и формы искусственных восходящих потоков;

• БЛА (21) для измерения скорости восходящих потоков в атмосфере и струе;

• метеорологический радиолокатор (22) для получения карты количества осадков в радиусе 100 км и измерения параметров искусственных облаков (24).

• метеорологический спутник типа Meteosat-10 (23), информация которого об облаках и осадках используется для оценки метеорологической ситуации;

• аппаратура фото- и видеорегистрации процесса создания облаков и осадков (на фигуре не показаны).

Осуществление изобретения

Устройство вызывания ливневых дождей (далее Устройство) монтируют на высоте 100-500 м над уровнем моря, чтобы инициировать восходящий поток из приземного слоя атмосферы, имеющего максимальное содержание водяного пара. Позиция размещения Устройства должна быть не ближе 1000 м от населенных пунктов, чтобы его шумовое воздействие не превышало допустимый санитарный уровень 80 дБ. Предпочтительно размещение Устройства на наветренном морском берегу или наветренном фланге возвышенности, где бризовая и орографическая циркуляции способствуют развитию искусственной конвекции, инициируемой мощной реактивной струей.

На выбранной позиции размещается станина Устройства, на котором крепится ЖРД, например НК-33 или его аналог, с соплом, направленным в зенит. На безопасном расстоянии от станины с ЖРД размещаются баки для керосина (топлива) и жидкого кислорода (окислителя), а также площадка для взлета-посадки БЛА и комплекс аппаратуры измерения параметров атмосферы, искусственных восходящих потоков облаков и осадков.

Следует иметь в виду, что искусственные ливневые дожди могут быть созданы только в дни с благоприятными атмосферными условиями. Теоретические и экспериментальные исследования (Abshaev, et al. Results of Field Experiments for the Creation of Artificial Updrafts and Clouds. Atmosphere 2023, 14, 136) показали, что благоприятными условиями для этого являются:

- скорость приземного ветра не более 2 м/с, а на высоте 1000 м не более 8 м/с;

- повышенное влагосодержание приземного и подоблачного воздуха;

- малая толщина приземных слоев инверсии температуры и влажности воздуха;

- наличие потенциальной энергии неустойчивости CAPE > 500 Дж/кг.

Наличие этих условий оценивается на основе систематического измерения параметров атмосферы до включения Устройства, в период и после операции до завершения проявлений эффекта действия Устройства.

Благоприятным временем суток для создания ливневых дождей является период максимального прогрева атмосферы с 15⁰⁰ до 17⁰⁰ местного времени, а также момент начала вторжения холодных фронтов в любое время суток. Продолжительность работы Устройства должна быть от 150 до 300 секунд в зависимости от достижения целевого эффекта.

Сведения о работоспособности и возможность реализации Устройства:

Очевидно, что предлагаемое Устройство может приводить к образованию мощных конвективных облаков, показанных на фигуре 1, даже при стендовых испытаниях аэрокосмических двигателей, когда ЖРД работают с направленным вниз соплом и приняты меры по гашению энергетики струи. Работа Устройства с направленным вверх соплом может значительно повысить мощность образующихся искусственных конвективных облаков. Этому будет способствовать также выбор благоприятных атмосферных условий, оптимальной позиции и времени проведения операций, а также применение достаточно мощного ЖРД, который вносит в приземную атмосферу более 2000 кг/с перегретых реактивных газов. Согласно данным теоретического моделирования (Abshaev, et al. Results of Field Experiments for the Creation of Artificial Updrafts and Clouds. Atmosphere 2023, 14, 136) такая высокоскоростная высокотемпературная струя может достигать уровня конденсации водяного пара и приводить к образованию искусственного конвективного облака. Выделение тепла конденсации приводит к усилению восходящего потока и дальнейшему развитию искусственного облака за счет вовлечения окружающего воздуха. Внесение в искусственное конвективное облако более 0,1-0,2 кг/с гигроскопического аэрозоля размером около 5 мкм может активировать процесс осадкообразования и выпадения ливневого дождя.

Возможность реализации предлагаемого Устройства не вызывает сомнения, так как оно может быть создано на базе имеющихся достижений (образцов) аэрокосмических двигателей, беспилотной авиации и нанотехнологий. Для широкомасштабного применения и удешевления Устройства может быть создан упрощенный вариант аэрокосмического ЖРД без элементов конструкции, необходимых для его применения на ракетах-носителях.

Затраты на создание действующего образца заявляемого Устройства составят порядка 180 млн. руб., включая стоимость имеющихся образцов ЖРД НК-33, стоимость бака для керосина, криогенного бака для жидкого кислорода, БЛА с полезной нагрузкой 40 кг и комплекта метеорологических приборов.

Стоимость одной операции продолжительностью 300 с по созданию ливневого дождя составит около 16 млн. руб., включая стоимость расхода 150 т керосина, 420 т жидкого кислорода и амортизации двигателя НК-33.

Таким образом, создание и применение предлагаемого Устройства требует ощутимых инвестиций. Но учитывая, что каждый ливневой дождь даст в среднем около 2×10⁶ м³ пресной воды (Абшаев М.Т. и др. Радиолокационные исследования водосодержания кучево-дождевых облаков. Известия РАН, Физика атмосферы и океана, 2009, Вып.45, № 6, с. 731-736. DOI: 10.1134/S0001433809060061), стоимость получаемой пресной воды составит в среднем 0,16 доллара за 1 м³. Как видно из таблицы 1, это в несколько раз дешевле опреснения морских и солоноватых грунтовых вод, очистки и повторного использования сточных и поливных вод.

Целесообразность применения предлагаемого устройства можно оценить путем сравнения капитальных затрат и стоимости воды, получаемой c помощью других широко применяемых и перспективных технологий, включая:

• традиционная очистка и водоснабжение из рек и озер;

• извлечение атмосферной влаги путем засева облаков и сбора туманной воды;

• сбор и очистка дождевой воды;

• добыча подземных вод, в том числе из береговых глубоких геологических формаций или морских водоносных горизонтов;

• очистка и повторное использование городских и дренажных сточных вод;

• очистка и повторное использование балластных вод, используемых в танках и грузовых трюмах судов для повышения их устойчивости на плаву;

• транспортировка айсбергов из арктических регионов в засушливые;

• опреснение соленой морской и солоноватой грунтовой воды.

Из таблицы 1, составленной по данным книги «Unconventional Water Resources. By Editors Qadir M. ets. United Nations University, Springer. hppt://doi.org/10.1007/978-3-030-90146-2», следует, что стоимость опреснения солоноватой и морской воды, очищения и повторного использования сточных городских и поливных вод составляет от 0,65 до 1,5 $/м³.

Таблица 1. Сравнение стоимости пресной воды, производимой разными методами

Альтернативное водоснабжение Стоимость воды $/м³ Затраты энергии (кВт⋅ч/м³) пределы среднее Традиционная очистка поверхностных вод 0,2 – 0,4 0,3 0,2 - 0,4 Регенерация воды 0,3 – 0,6 0,45 0,5 - 1,0 Не питьевое повторное использование 0,5 – 0,8 0,65 1,5 - 2,0 Прямое питьевое повторное использование 0,7 – 1,2 0,95 1,7 - 2,4 Опреснение солоноватой воды 0,4 – 1,5 0,95 1,0 - 1,5 Опреснение морской воды (обратный осмос) 0,5 - 2,5 1,5 2,5 - 4,0 Сбор воды из туманов 1,4 - 16,6 2,5 - Применение предлагаемого Устройства 0,15 – 0,18 0,16 0,005

Количество воды, выпадающее при ливневом дожде, созданном предлагаемым Устройством, сравнимо с суточной производительностью самых крупных водоопреснительных заводов Саудовской Аравии, ОАЭ, Израиля и Австралии, которые варьируют от 5×10⁵ до 1×10⁶ м³. Стоимость строительства каждого такого завода и системы его энергоснабжения, включая атомные электростанции и теплоэлектроцентрали, составила 1,5 – 2,0 миллиарда долларов США.

Важными преимуществами предлагаемого Устройства являются следующие:

1) Капитальные затраты на его создание в 300-500 раз меньше стоимости строительства устройств опреснения морской воды, добычи грунтовых вод, очистки и повторного использования городских и поливных сточных вод.

2) Производственные расходы и себестоимость искусственной ливневой воды в 3-5 раз меньше, чем при опреснении морской воды и добычи грунтовых вод.

3) Локальное воздействие на атмосферу и экологическая чистота, так как в атмосферу вносится водяной пар, из которого состоят естественные облака, и безвредный в таких количествах углекислый газ.

4) Возможность быстрого создания сети предлагаемых Устройств, могущей покрыть большие территории пустынь. Например, строительство 20 Устройств, размещенных через каждые 30 км вдоль всего побережья Персидского залива ОАЭ, потребует около 50 - 80 млн долларов и может быть выполнено за 1,5 - 2 года, в то время как строительство одного Викторианского опреснительного завода производительностью 5,5×10⁵ м³/сутки для водоснабжения города Мельбурн стоило 2,7 млрд долларов и продолжалось 3 года после еще более длительного проектирования.

Эти преимущества открывают возможность создания сетей таких Устройств для смягчения дефицита пресной воды и засухи на обширных территориях и защиты их от опустынивания. Наличие потребности в пресной воде множества стран может привести к необходимости серийного производства предлагаемого Устройства для широкомасштабного применения.

Однако следует отметить, что устройства опреснения морской воды, добычи грунтовых вод, очистки и повторного использования сточных вод могут успешно использоваться каждый день, зимой и летом, в то время как ливневые дожди могут быть вызваны только при благоприятных атмосферных условиях. Поэтому применение предлагаемого Устройства создает экономически выгодный, но дополнительный источник пресной воды.

Инвестиции в создание крупномасштабной сети Устройств вызывания ливневых дождей многократно меньше ущербов, наносимых засухой и опустыниванием земель. Создание таких сетей дает перспективу смягчения дефицита пресной воды и предотвращения нарастающей деградации и опустынивания плодородных земель, которые по данным Межправительственной группы экспертов по биоразнообразию и экосистемным услугам ООН уже охватили «около 75% суши на планете и угрожают безопасности 3,2 млрд человек».

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для сокращения дефицита пресной воды, смягчения засухи, предотвращения опустынивания территорий и пополнения водохранилищ. Устройство вызывания искусственных ливневых дождей содержит аэрокосмический жидкостный реактивный двигатель, емкости для жидкого топлива и жидкого кислорода, распылитель гигроскопического нанопорошка и комплекс приборов для измерения параметров атмосферы, реактивной струи и искусственных дождей. Аэрокосмический двигатель закреплен на неподвижной опоре с направленным вверх соплом и выбрасывает в зенит реактивную струю, состоящую из водяного пара и углекислого газа. Распылитель установлен на беспилотном летательном аппарате, который снабжен бортовым датчиком измерения температуры реакционной струи и вносит в реактивную струю гигроскопический наноаэрозоль. Предлагаемое устройство вызывания искусственных ливневых дождей расширяет арсенал средств подобного назначения, не требует больших площадей по монтажу устройства, обеспечивает экологическую чистоту ливневых дождей. 1 табл., 4 ил., 1 пр.

Устройство вызывания искусственных ливневых дождей, содержащее аэрокосмический жидкостный реактивный двигатель, емкости для жидкого топлива и жидкого кислорода, распылитель гигроскопического нанопорошка и комплекс приборов для измерения параметров атмосферы, реактивной струи и искусственных дождей, отличающееся тем, что аэрокосмический двигатель закреплен на неподвижной опоре с направленным вверх соплом и выбрасывает в зенит реактивную струю, состоящую из водяного пара и углекислого газа с температурой более 1000 °С, скоростью не менее 1000 м/с и массой не менее 1000 кг/с в течение не менее 150 с, распылитель установлен на беспилотном летательном аппарате и вносит в реактивную струю не менее 0,1 кг/с гигроскопического наноаэрозоля на высоте, где по данным бортового датчика температура струи меньше 300 °С, а комплекс приборов служит для выбора благоприятных атмосферных условий для вызывания ливневых дождей.