Возможны ли космические технологии на транспорте?

Не знаю, возникает ли где ещё такой волнительный трепет при упоминании о "космических" или "военных" технологиях, но в России это работает. Всюду можно услышать как "космические", "военные" и всякие "нано"-технологии проникают в нашу жизнь, обещая чудесные избавления от проблем. И многие верят, что где-то там в каких-то советских тайниках и секретных военных лабораториях еще дремлют невиданные технические секреты. Нет, я горячий сторонник любой подлинной революции, отвечающей целям прогресса. Но как учёный я всегда и скептик. К сожалению, как правило, все эти сверх-технологии не просто мифологизированы, но и за десятилетия капитализма поставлены на рельсы банального коммерческого обмана. За ноу-хау выдаются разработки не первой свежести, а порой впариваются и банальные фейки. Потому без приведения убедительных доказательств не стоит верить в подобные "чудеса" (кому интересно насколько далеко лженаука может зайти - прочитайте эту увлекательную и поучительную заметку; также рекомендую канал TrashSmash на ютубе, где автор в оригинальной манере развенчивает самые разнообразные обывательские мифы).

Однако есть темы на хладотранспорте, в которых годами наблюдаются устойчивые "заблуждения", несмотря на то, что все уже многократно объяснено. Упертость, с которой сторонники этих заблуждений их отстаивают, подпитывается, как правило, очевидным экономическим стимулом. Ну правда, зачем проводить относительно дорогостоящие испытания на определение общего коэффициента теплопередачи кузова вагона или контейнера методом теплового баланса, когда есть якобы чудесное "избавление", а главное быстрое и дешевое, в виде тепловизора. И тут плевать на любые доводы о несостоятельности метода, благо и чиновники в основной своей массе ни черта не понимают, им лишь бы галочку поставить. Впрочем, о тепловизоре (кстати, отличном приборе, если использовать его по назначению) мы ещё поговорим в ближайшем будущем. А сейчас речь пойдет о самых настоящих космических технологиях!

Чудо-краска🤔

Рассмотрим КОРУНД (ссылка 1, ссылка 2 - ссылок на самом деле полно). По заверениям разработчиков этот "жидкий керамический теплоизоляционный материал" якобы успешно протестирован в космосе. Из информации в интернете, правда, не совсем понятно для теплоизоляции чего именно он использовался при проведении космических тестов - для тепловой защиты жилого модуля, для поддержания требуемого агрегатного состояния компонентов ракетного топлива или для предохранения от перегрева спускаемого аппарата? Впрочем, ниже мы рассмотрим все варианты.

Заметим, КОРУНД один из ряда подобных материалов на рынке. Вот, например, его украинский аналог. Маркетинг, кстати, с точностью повторяет все основные фишки - космос, СССР, восторженные оценки и результаты непонятных тестов. Потому все что я сейчас скажу про КОРУНД в полной мере можно отнести и к его аналогам.

Главный интересующий нас показатель - коэффициент теплопроводности, влияющий на необходимую толщину изоляционного слоя для достижения заданных параметров кузова транспортного средства, выражаемых через значение общего коэффициента теплопередачи (коэффициент K).

В соответствии с известным теоретическим уравнением для стационарной теплопередачи через плоскую неоднородную стенку имеем:

Очевидно, чем меньше коэффициент теплопроводности (обозначен в формуле как лямбда), тем меньшая суммарная толщина теплоизоляции (дельта) требуется (при неизменной теплоотдаче с наружной, альфа1, и внутренней, альфа2, поверхности ограждения). А значит конструкция изоляции кузова в целом будет проще, а вместимость и грузоподъёмность транспортного средства выше. Есть за что бороться.

Производитель заявляет, что у КОРУНД коэффициент теплопроводности 0,0012 Вт/(м*K). Да, я не ошибся порядком - примерно в 20 раз ниже самых лучших из известных пенополиуретанов! Вот сравнительная таблица производителя:

А вот результаты испытаний:

Убедительно? Однако замечу, что раньше рядом с заветной цифрой 0,0012 стояла звёздочка. Когда я примерно в 2011-2012 году позвонил в Волгоград (теперь, если верить их сайту, они занимаются неким покрытием БРОНЯ, но при ближайшем рассмотрении это еще один аналог КОРУНД), выяснилось, что звёздочка означает тот факт, что теплопроводность материала определена не по стандартной методике, а получена обратным пересчётом из исследованных условий применения этого материала. То есть если мы в формуле выше значения коэффициентов K, альфа1 и альфа2 измерим (в определенных, замечу, условиях), при известной толщине материала его теплопроводность можно элементарно рассчитать (и это будет значение, замечу опять, для определенных условий). На мой вопрос, почему теплопроводность не определили по стандартной методике, было заявлено, что стандартный метод тут не работает, потому что в условиях Земли все процессы теплопереноса работают иначе, чем для космического применения. Больше вопросов у меня не было, все стало понятно.

Надо отдать должное, в те времена консультанты хотя бы честно отвечали, если их прямо спрашивали. Забегая вперед, строго юридически ни производитель, ни продавцы КОРУНД (как и его аналогов) не заявляют в своей рекламе ничего такого, что можно было бы прямо опровергнуть. Речь идет не о лжи (например, я не согласен с мнением, высказанным тут во втором посте). Скорее, это пример недобросовестного маркетинга, когда сознательно эксплуатируются невежественные ожидания людей относительно сверх-возможностей неких космо-, нано- и прочих непонятных им технологий. Аналогичным образом действуют гадалки, рассказывая то, что клиент желает услышать. А когда мы слышим то что хотим услышать, истинно это или нет - для нас уже не важно. Вот тут, например, довольно правдиво говорится о реальном эффекте КОРУНД при утеплении стен зданий:

Покрытие с наружной стороны стены обеспечивает полную защиту ограждающих конструкций от:
> ультрафиолета - отражение 99%;
> лучистой солнечной энергии (85% потока отражается в атмосферу, тепловая нагрузка здания уменьшается);
> сплошная бесшовная мембрана, односторонней проводимости, плотно облегает поверхности здания, переходя на оконные и дверные откосы, ликвидирует все конструкционные и геометрические "мостики холода".
<...>
Корунд, наносимый с внутренней стороны стены, в ряде случаев применяется в практике защиты ограждающих конструкций.
85% теплового потока возвращается обратно в помещение, за счет механизмов отражения, утечка тепла блокируется, и оно нагревается быстрее.

Как видим, реально эффективно КОРУНД работает только с теплом, передаваемым излучением. Все остальное с различной долей хитрости попросту притянуто за уши. В условиях же эксплуатации хладотранспорта излучение составляет лишь незначительную долю в общем теплообмене. Но кому это все интересно, когда маячит перспектива совершить "революцию"?😏

Немного о теплофизике в космосе

Что думает среднестатистический человек, хотя бы немного знакомый с физикой, о космосе?

Все знают, что в открытом космосе вроде как ничего нет, там нельзя находиться без скафандра, потому что разорвет на части и очень холодно. Некоторые наверняка слышали, что температура космоса близка к абсолютному нулю (около минус 270 градусов Цельсия😱). В то же время стоит попасть под действие прямых солнечных лучей и можно готовить барбекю.😆

Также всякий бывавший в музее космонавтики наверняка обращал внимание, насколько тонкая обшивка жилого модуля космического корабля, внутри которого всегда поддерживается, заметим, комфортная для человека температура порядка плюс 20 градусов! Как такое возможно, когда за бортом минус страшно сказать сколько?

Если посмотреть на строение космического скафандра (в плане термоизоляции он, кстати, проще глубоководного, и это, как мы сейчас поймем, неспроста), выяснится, что человек находится внутри герметичной резиновой камеры (я не оговорился - резиновой), размещенной внутри силового каркаса. Строение скафандра напоминает в целом футбольный мяч. Иначе говоря, человек от космического холода отделен лишь тонкой резиновой оболочкой и каркасом! И в таких скафандрах космонавты часами (!) работают на орбите или, как в случае американских астронавтов, прогуливались по поверхности Луны на полтора километра пешком (!), а на ровере и вовсе уезжали на 7,6 км!

Я понимаю, у всех мозг уже вскипел, а потому давайте разбираться, что не так с космосом. Точнее, что не так с нашими обывательскими представлениями о нем.

С точки зрения современной физики температура тела это показатель степень хаотичности движения материи, заключённой в нем. Согласно кинетической теории газов, передача тепла теплопроводностью происходит в них путем молекулярного переноса энергии при соударениях. Чем движение частиц газа более беспорядочное и столкновений больше - тем теплопроводность выше. Для жидких сред имеем в целом схожее объяснение. В твердых телах теплопроводность делится на электронную (энергию переносят свободные взаимодействующие электроны) и решеточную (взаимодействие передается в виде упругих волн). Ключевым в понимании теплопроводности является наличие взаимодействующих частиц, обладающих энергией.

Поскольку научно не открыто никаких частиц вакуума, следовательно, для чистого вакуума понятий температуры и теплопроводности в привычном понимании не существует. Когда говорят, что в космосе очень холодно, имеют ввиду температуру очень разреженной среды. Поскольку в такой среде степень хаотичного движения редкой материи и ее взаимодействие очень малы (см. определение выше), потому и температура (мера этого хаоса) тоже мала. Но применительно к космосу это является, скорее, качественной, нежели количественной оценкой.

Всего в физике известны три способа теплообмена: теплопроводность (свойство любой материи, состоящей из известных науке частиц), конвекция (перемешивание различных сред) и излучение (излучает любое нагретое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля). Первые два способа теплообмена подразумевают наличие среды, состоящей из взаимодействующих частиц. В космосе эта среда столь разреженна, что первыми двумя способами теплообмена можно попросту пренебречь:

Внешний теплообмен в вакууме в таком скафандре настолько мал, что считается равным нулю, и при расчете учитывается только внутренний теплообмен

Для излучения, энергия которого может быть рассчитана в соответствии с законом Стефана-Больцмана (кстати, мы касались практического использования этого закона в статье Можно ли везти скоропорт в неспециализированных транспортных средствах), эффективно используется экранно-вакуумная защита, работающая на принципе отражения. Таким образом скафандры и "утеплены". Именно за счет очень низких значений параметров альфа1 и альфа2 в вышеприведенной формуле при отсутствии передачи тепла теплопроводностью и конвекцией (просто в силу отсутствия среды) и достигается такая низкая теплопередача в космосе. А низкое значение теплопроводности получается обратным пересчетом, что, конечно, неверно для земных условий.

Эффективной защитой от излучения может служить, кстати, обычная алюминиевая фольга и другие блестящие полированные поверхности. И толщина их не играет почти никакой роли. Именно таким образом и работает наша чудо-краска, предлагая просто более удобный способ нанесения в сравнении с фольгой. И именно потому производителем рекомендовано не наносить КОРУНД на толщину больше нескольких миллиметров. И правда, зачем?😂

В свете всего вышеизложенного становится понятно, почему в плане теплозащиты скафандры для продолжительных глубоководных работ должны иметь более сложную конструкцию, чем космические. На большой глубине температура воды всегда около нуля (по Цельсию), и это среда, вступающая во все известные виды теплообмена. Тут уже одной фольгой не отделаешься.

Но может продавцы КОРУНД имеют ввиду другие аспекты космических технологий - необходимость термоизоляции баков с компонентами ракетного топлива, а также термоизоляцию от воздействия пламени?

В первом случае термоизоляция и правда необходима в земных условиях (до старта ракеты и в момент непосредственного старта) и используется для этого - не удивляйтесь - пенополиуретан! Вот ссылка. Как видим, ничего лучшего на самом деле не придумали.

Во втором случае вполне может сгодиться наша чудо-краска, ведь жар от пламени - это тоже излучение. Можете убедиться сами - сядьте рядом с костром и, почувствовав жар, поставьте какой-нибудь блестящий лист металла между собой и огнем, жар сразу прекратится. Собственно, на этом принципе работает и известный в сети фокус (не поворачивается язык назвать иначе) с газовой горелкой, направленной на преграду, половина которой выкрашена нашей чудо-краской. После продолжительного воздействия горелки, фокусник (тьфу, "исследователь"🤣) кладет руку на ту часть, что была обработана КОРУНД, и не чувствует жара. Но нас уже этими фокусами не возьмешь, мы понимаем, что к условиям теплообмена при перевозке скоропорта это не имеет практически никакого отношения.

КОРУНД совершенно не подходит для термоизоляции вагонов и контейнеров?

Видимо, скорее "да", чем "нет". Несмотря на заявления продавцов этого "ноу-хау". Если внимательно изучить сайт крупных продавцов этого материала, станет понятно, что его действительно более-менее эффективное использование достигнуто в сетях отопления жилых домов и промышленных сооружений, а также для изоляции крыш и стен домов (особенно в местах с жарким климатом). Если очень пофантазировать, можно представить себе перевозку каких-нибудь сильно нагретых жидкостей в железнодорожных вагонах-цистернах или танк-контейнерах без штатной термоизоляции. Тут, наверное, можно покрасить котел цистерны и посмотреть что это даст. Или красить крытые вагоны и универсальные контейнеры, используемые для перевозок скоропорта в жаркие периоды года. Что-либо еще я даже не могу вообразить...

В теме КОРУНД, как и аналогичных материалов (а мы видели, их описание сделано под копирку), есть несколько фишек, призванных, видимо, запутать даже бывалых умников. Потенциально заявляемые особенности материала могли бы иметь эффект при использовании на транспорте, если бы не столь размытые и спорные формулировки, что в итоге они вызывают только больше вопросов у внимательного и по-настоящему вдумчивого читателя, чем что-либо объясняют.

Так, заявляется, что столь низкая теплопроводность материала достигается не только за счёт малых величин теплоотдачи с поверхности, но и за счёт большого числа закрытых ячеек, внутри которых находится разреженный газ (с намеками чуть не на вакуум). Давайте разберем эти два момента.

Насчёт количества закрытых ячеек. Действительно, на этом принципе работают все пенистые материалы (пенополистиролы, пенополиуретаны, например). И чем больше таких ячеек, тем теплопроводность ниже. Однако в современных пенополиуретанах этот показатель и так выше 90 %, то есть КОРУНД в этой части ничего необычного не предлагает.

Теперь о том, что вместо пузырьков обычного газа (нормальной для атмосферного давления концентрации) в ячейках находится разреженный газ.

Академическое определение разреженного газа говорит о таком его состоянии, когда длина свободного пробега молекул соизмерима с размерами сосуда, в котором он заключён. Иначе говоря, это такое состояние газа, когда его молекулы почти не взаимодействуют между собой и взаимодействуют только со стенками сосуда. В таких условиях теплопроводность газа действительно сильно и резко падает. Причем чтобы достичь такого падения теплопроводности, концентрация газа должна быть меньше определенного порогового значения, ниже которого и наступает указанное состояние разреженного газа. Все что выше не имеет большого значения.

Насколько должна быть мала эта концентрация? Тут всех любителей чуда ждёт большое разочарование - если нормальное атмосферное давление более 10^6 Па, то разреженный газ - это порядка 0,1..1 Па, то есть в сотни тысяч раз меньше нормальных для Земли условий.

Если честно, мне не понятно каким образом достичь подобного разрежения без специальной конструкции и вакуумного насоса.

Но даже если достичь такого технологического успеха и в порах материала будет действительно разреженный газ, логично встает вопрос о применимости этого наверняка капризного материала в условиях вибрации, соударений и влияния различных агрессивных сред. Все что имеет место во время перевозки железнодорожным транспортом.

Пенополиуретан, например, испытывает множественные деформации в процессе эксплуатации, что приводит к многочисленным микротрещинам и нарушению герметичности пор. Но незначительное нарушение герметичности пор в случае нахождения в них газа с обычной концентрацией не вызывает катастрофических изменений. Другое дело, когда внутри таких пор разреженный газ. Замена его газом обычной концентрации при масштабном воздействии быстро приведет к изменению теплопроводности на порядок.

Да, эксперимент!

Когда что-либо доподлинно неизвестно и нет возможности получить достоверную информацию, остаётся лишь проверить самостоятельно.

В 2012 году такая возможность предоставилась, прочем именно в отношении КОРУНД (потому я и взял его в качестве базового материала для написания данной статьи). Я не буду по понятным причинам называть компанию, которая заинтересовалась КОРУНД, и не буду публиковать протоколов испытаний, которые могли бы пролить свет на этот вопрос. Но ни у кого, надеюсь, нет причин сомневаться, что я честный учёный и не совру ни слова 😇.

К слову, не одна эта компания проявила интерес к "космическим" технологиям. Как минимум трижды в своей практике я сталкивался с подобными заблуждениями. Причина интереса очевидна - краска хоть и дорогая, но не то чтобы очень, мастерства в ее нанесении не требуется, толщина слоя должна быть малой, если пользоваться заявленными значениями теплопроводности (которые должны быть со звёздочкой, которую вначале упорно не замечали, а потом в битвах за рынок и вовсе потеряли). Главное же - не требуется сверлить обшивку вагона, осуществлять модернизацию и т.п. вещи, сопряженные со значительными издержками, в том числе финансовыми. Взял крытый вагон, покрасил его изнутри и - вуаля! - конкурент термосу! Или комбинированный способ - чудо-краска и пенополиуретан, который после обвала рубля в 2014-2015 годах еще и подорожал.

К нам в лабораторию попал как раз второй образец: КОРУНД (не помню сколько его там намазали, в протоколах тоже не указано, но из разговоров отложилось, что около 1 мм) + пенополиуретан (ППУ) поверх КОРУНД. Причем вагонов для испытаний было два - второй был утеплен только ППУ на ту же толщину, что и первый, но без КОРУНД. Таким образом была возможность сравнить и, хоть и грубо, оценить реальный вклад КОРУНД в снижение общего коэффициента теплопередачи кузова.

Результаты испытаний показали, что вагон с КОРУНД в плане теплоизоляционных качеств и правда отличался от вагона без КОРУНД (0,22 против 0,25 Вт/(кв.м.*K). Однако это отличие не столь значительное и утверждение, что 1 мм КОРУНД эквивалентен 50 мм обычного пеноизолятора не подтвердилось. Например, такая же эффективность была продемонстирована использованием дополнительного 10-миллиметрового слоя пенополиэтилена (материала явно не революционного) в ИВТ-У ЗАО "ТОЭК". На мой личный взгляд, основной эффект в вагоне с КОРУНД достигнут снижением конвективного теплообмена, но утверждать не могу, не хватает данных для утверждения подобного рода. Также невозможно установить, насколько два опытных образца были сделаны одинаково, ведь даже незначительная разница в качестве работ (вызванных, например, различной квалификацией бригад, осуществлявших монтаж термоизоляции) могла привести к той самой разнице в значении коэффициента K. Тем не менее, имеем то что имеем и другого у меня на сегодня нет, чтобы поделиться. По крайней мере видите, что я не занимаюсь подгонкой фактов под требуемый результат😏

Какова реальная перспектива совершенствования теплоизоляционных материалов, используемых в кузовах транспортных средств?

В данной статье мы поговорили о различных способах тепловой изоляции и будет полезным все вышесказанное обобщить и попытаться ответить на вопрос, вынесенный в заголовок.

Я не претендую на всеобъемлющий анализ в данной области и если кто меня дополнит, уточнит или исправит - буду только рад. Пишите мне, и если Ваше замечание будет обоснованно, могу выложить его апдейтом к данной статье.

Вакуум

Как мы уже обосновали теоретически, вакуум - самый эффективный способ термоизоляции. Теоретически, если создать полный вакуум и обеспечить полное отражение всякого излучения, через такую защиту теплообмен станет полностью невозможен и любое нагретое тело будет оставаться в первоначальном термическом состоянии вечно.

На практике же достичь полного вакуума невозможно, да и полного отражения излучения тоже. Таким образом описанный выше способ термоизоляции существует только в теории.

Разреженный газ

Что это такое, мы описали выше. Такие состояния газа достижимы и используются в качестве тепловой изоляции на практике.

Несмотря на то, что в промышленности разреженный газ в качестве термоизоляции широко используется, однако превратить целый вагон в сосуд Дьюара довольно нелегко. Необходимо создать две совершенно герметичные оболочки, одна внутри другой, с минимальным количеством мест крепления, а ещё лучше и вовсе без них. Насколько мне известно, в вагоностроении подобные задачи никто не решал. И стоимость такого термоса будет, по-видимому, совсем не 5-6 или даже 10 млн. рублей.

Отражательная изоляция

Собственно, рассмотрению сферы ее применения мы и посвятили данную статью. Основной акцент делается на отражении теплового излучения. Данный способ может быть очень эффективным для ситуаций, в которых основная масса тепла переносится посредством излучения (космос, горячие среды и т.п.). Для хладотранспорта это не так.

Вспененные материалы

Имеются ввиду органические и неорганические ячеистые материалы, в порах которых находится газовая смесь. Газовая смесь может отличаться химическим составом, но это не оказывает существенного влияния на теплопроводность.

Газовая смесь может иметь различную концентрацию, но чтобы снижение концентрации привело к заметному снижению теплопроводности необходимо достижение состояния разреженного газа, что является непростой задачей и накладывает существенные эксплуатационные ограничения.

Перечислим две основные группы этих материалов:

1. Пенополистиролы, которые делятся на ячеистые и экструдированные. Вторые отличаются бОльшим количеством закрытых пор, содержащих газовую смесь, более высокой механической прочностью. В промышленности плитам и блокам экструдированного пенополистирола придают, как правило, отличительный цвет для удобства коммерческого использования.
2. Пенополиуретаны и полиизоцианурат (PIR). По большинству параметров пенополиуретаны практичнее, чем пенополистиролы, допускают изготовление не только в форме плит или блоков, но и непосредственно на утепляемом объекте (заливка, напыление). PIR активно используется в космических технологиях (реальных, не фантазийных).
3. Пенополиэтилены. Часто имеют металлизированное покрытие, вследствие чего объединяют в себе качества вспененных материалов и отражательной изоляции.
4. Ячеистые бетоны. Используются в строительстве из-за высоких механических качеств и удобства обработки. Однако вследствие высокого веса на хладотранспорте не используются.

Все вспененные материалы в силу высокой механической прочности удобны при изготовлении кузова транспортных средств, они могут выступать в качестве несущих конструкций, если выполнены в виде панелей типа "сэндвич". Кроме того, указанные материалы относительно долговечны, недороги и имеют малый удельный вес. Этим и характеризуется повсеместное использование указанных материалов, в том числе и для термоизоляции кузова транспортных средств.

Волокнистые и зернистые материалы

Всевозможные материалы на основе минеральной ваты, всяких крошек и т.п. Имеют значительно более высокую теплопроводность в сравнении со вспененными материалами. Кроме того не обладают достаточной конструктивной прочностью, чтобы выступать в качестве несущих конструкций. Как правило очень сильно впитывают влагу, вследствие чего недолговечны. Данные материалы использовались на заре строительства хладотранспорта.

Все остальные материалы

На самом деле, любой материал в природе может выступать в качестве теплоизолятора, ведь ни один из материалов не обладает абсолютной теплопроводностью. Вопрос лишь в том, каков будет расход этого материала и, следовательно, целесообразность его использования на транспорте. В силу указанных факторов дальнейшее рассмотрение материалов мне представляется не имеющим смысла.

Вывод

Похоже, на данном этапе исторического развития хладотранспорт достиг известного технического предела в использовании вспененных материалов. Применение других технологий пока неоправданно либо с технических, либо экономических позиций. И, похоже, пенополиуретан и есть та реальная космическая технология, которая нам доступна.