По словам руководителя проекта, благодаря его коллегам Александру Гришканичу, Юлии Рузанкиной и Валентину Елизарову, которые приняли участие в разработке, в сжатые сроки был подготовлен масштабный пакет документов, без которых проект не стал бы одним из лучших на «Энергии молодости».
«Мы презентовали наш проект широкому кругу отечественных и иностранных специалистов из разных сфер науки и техники, экспертов организаций топливно-энергетического комплекса. Сама премия представляет собой грант, который необходимо потратить на развитие разработки и позже представить жюри результат», — отметил Сергей Кащеев.
Международная лаборатория «Лазерные системы» занимается системами дистанционной спектроскопии. В основном такие приборы нужны для дистанционного экологического мониторинга — с вертолетов или беспилотников. Сотрудники подразделения совместно с коллегами из Всероссийского нефтяного научно-исследовательского геологоразведочного института (ВНИГРИ) работают над созданием методических основ применения такой техники и разработкой специализированного программного обеспечения в рамках соглашения с Министерством образования и науки РФ. Лаборатория также выполняет цикл поисковых работ совместно с ВНИГРИ, головным заказчиком которых выступает Федеральное агентство по недропользованию. Сергей Кащеев добавляет, что на сегодняшний день также прорабатывается вопрос подачи заявки в Министерство промышленности и торговли. Сотрудничество с Минпромторгом позволит поднять вопрос поиска не только полезных ископаемых, но и опасных радионуклидов.
«Ранее мы разрабатывали аналогичный прибор для нужд дочернего предприятия „Газпрома“. Нынешний рамановский лидар, на базе которого мы ведем разработку поисковой системы, представляет собой второе поколение прибора, предназначенного для аэропоиска утечек газа из магистральных газопроводов», — отмечает Сергей Кащеев.
В поисках «черного золота»
Основной поток нефти, который добывается как в России, так и за рубежом, ведется в нескольких обширных месторождениях, которые в скором времени будут истощены. Страны-экспортеры нефти и продуктов ее переработки знают об этом и ищут новые залежи углеводородов. Однако найти их непросто: в большинстве случаев они значительно меньше по размеру уже разрабатываемых залежей полезных ископаемых. Для их обнаружения применяют ряд поисковых методов, среди которых сейсмо- и магниторазведки. Поисковые партии, состоящие из нескольких исследователей, доставляются в перспективный район, где, применяя геохимический анализ в приземном слое атмосферы или делая почвенные пробы, они составляют заключение о наличии или отсутствии залежей горючего.
«Над каждым месторождением дрейфуют характерные молекулы, которые, проходя через толщу породы в верхние слои почвы, постепенно скапливаются в нижних слоях атмосферы. Растительность на поверхности в некоторой степени защищает орел молекул от рассеивания ветром. Он и обнаруживается путем ручного пробоотбора или с помощью нашего прибора, установленного на летательном аппарате. Последний способ сокращает время и средства на первичный поиск», — рассказывает инженер лаборатории.
Если говорить о том, какие вещества свидетельствуют, что у вас под ногами находится нефть, сначала нужно вспомнить, что «черное золото» бывает разных сортов. Для каждого существует свой спектр характерных газов. Обычно это гомологи метана — насыщенные углеводороды пропан, пентан, этан, бутан и другие, а также их изомеры.
Соотношение насыщенных углеводородов в приповерхностном слое атмосферы для каждого месторождения является уникальным. Чем сложнее процентное соотношение выявленных на поверхности газов, тем больше шансов, что именно здесь могут быть залежи нефти того или иного сорта. Если же в облачке обнаруживаются лишь этан и метан, то перед исследователями, скорее всего, локальный заболоченный район или иной источник простейших углеводородов, выделяемых при гниении органических остатков. Как бы то ни было, окончательно определить потенциал исследуемой почвы может только бур, добавляет Сергей Кащеев.
Принцип работы рамановского лидара
На вертолете, летящем на высоте 100−200 метров, рамановский лазерный излучатель «стреляет» в область над изучаемой поверхностью. Если луч достигает облака из скопившихся газов, то система получает обратный сигнал, который представляет собой оптический сигнал, несущий информацию о газовом составе приповерхностного слоя атмосферы. Затем в спектральном блоке выделяются характеристические полосы искомых веществ, позволяющие судить не только о составе, но и о концентрации тех или иных компонентов в газовом ореоле. Кроме того, дополнение лазерной системы видео- и тепловизионной съемкой позволяет сохранять в памяти прибора изображения перспективной местности в нескольких спектральных диапазонах.
Как отмечает Александр Гришканич, есть множество видов дистанционного спектрального анализа, которые различаются физикой взаимодействия лазерного излучения с веществом. До разработки рамановского лидара с ультраспектральным разрешением большинство подобных систем были основаны на основе метода дифференциального поглощения либо флюоресценции. Но оба метода имеют фундаментальные ограничения — например, их не применить в случае низкой концентрации частиц. Если концентрация составляет одну-две молекулы на кубический метр, обнаружение частиц становится трудоемким, а иногда и невозможным делом. Вдобавок, этим методам присуще такое свойство, как «переналожение» спектров.
«Точность нашего прибора — способность обнаружить даже низкие концентрации молекул — очень высока. Для этого мы полностью ушли из оптического инфракрасного диапазона в ультрафиолетовый. Известно, что озоновый слой, который поглощает ультрафиолет на длине волны в 198−280 нанометров, обеспечивает полное отсутствие шума в используемом нами спектральном диапазоне (260−280 нм), чего нельзя сказать о видимом или ИК-диапазонах. Возникающее моментально после облучения молекулы лазерным излучением рамановское рассеяние, несмотря на очень низкую интенсивность (для этого) и потребовалась работа в „бесшумной“ области), несет уникальную для каждого химического соединения информацию. Это позволяет с высокой точностью определять количественный и качественный составы газовой аномалии», — поясняет Александр Гришканич.
Вероятность того, что молекулы будут взаимодействовать с лазерным лучом, крайне мала, и даже ниже, чем при методе флюоресценции. Есть так называемое сечение взаимодействия, определяющее, по какому механизму будут взаимодействовать частицы газов с излучением лазера. При методе флуоресценции среди облученных десяти секстиллионов атомов с лазером взаимодействует только один. Для рамановского излучения этот эффект ниже на несколько порядков, и именно из-за этого ученые используют ультрафиолет, высокочувствительные детекторы и узкоспектральные фильтры. Это позволяет «вытянуть» полезный сигнал рамановского рассеяния, чего ранее не удавалось другим из-за малой концентрации частиц, вступавших во взаимодействие. Однако, отмечают ученые, это не предел.
«Мы собираемся разработать второе поколение прибора, способного работать с еще более низкой концентрацией активных молекул. Если сейчас мы применяем спонтанную рамановскую спектроскопию, то в будущем намерены использовать метод когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии. С его помощью удастся задетектировать не одну молекулу на миллион, а одну молекулу на миллиард. Пока мы пытаемся подтвердить это экспериментально», — делится Александр Гришканич.
Полезный выхлоп
Анализ поверхности над предполагаемым месторождением с помощью метода лазерного зондирования проводится в несколько этапов. Сначала происходит грубая оценка, когда вертолет охватывает большую область земли. Если удается обнаружить нужные молекулы, вносятся изменения в характеристики полета: на следующий день вертолет начинает чаще кружить над местом, где была обнаружена искомая газовая аномалия. Такая система позволяет сэкономить время исследователей и затраченные на операцию средства. Методику, по которой ставятся требования к поисковым полетам, разрабатывают коллеги из ВНИГРИ.
«Стоимость первичных геологоразведочных работ при применении нашей разработки, по нашим грубым оценкам, сокращается в четыре-пять раз по отношению к обычным методам. Примерно на столько же снижаются временные затраты», — отмечает Сергей Кащеев.
Как добавляет Александр Гришканич, снизить стоимость в десятки раз позволит установка приборов на дроны. Но пока это дело будущего, так как в России еще нет беспилотников с достаточно емкой системой питания.
«Приборы такого типа могут использоваться не только для поискового, но и для экологического мониторинга. С их помощью можно следить за распространением различных опасных веществ, в том числе и радиоактивных. А такой мониторинг необходим. События недавних лет на АЭС Фукусима-1 в Японии показали, что у человечества до сих пор нет приборов, позволяющих следить за распространением опасных веществ в воде или воздухе. Поскольку прибор носит модульный характер, его можно „заточить“ под требования, необходимые заказчику», — заключил Сергей Кащеев.
Редакция новостного портала Университета ИТМО
