Откупоривание шампанского – ключ к решению мировых энергетических проблем

​Когда мы откупориваем бутылку шампанского на Новый год, то не задумываемся, что в этот момент запускаем сложный физический процесс. А ведь его осмысление может привести к более эффективному производству энергии.

Пузырьки, которые придают игристому вину его текстуру, а иногда заставляют жидкость выливаться через край бутылки, являются углекислым газом, который под давлением растворён, но проявляется при открытии пробки.

Корни процесса хорошо известны, но конкретные законы, определяющие, как пузырьки газа возникают и взаимодействуют, до конца не изучены. Отчасти это объясняется тем, что пузырьки увеличиваются в размере от микронов до миллиметров.

Эволюция пузырьков на научном языке называется переконденсацией или Оствальдовским созреванием, по имени исследователя Вильгельма Оствальда, который и открыл процесс в 1896 году. Если вкратце, маленькие пузырьки поглощаются большими, потому что у последних более стабильное энергетическое состояние, пишет англоязычный сайт RT.

Обыватели становятся свидетелями этого процесса, имея дело с едой и напитками: при открывании бутылки шампанского на Новый год, банки с газированным напитком или даже кушая мороженое, где формирование кристаллов льда при застывании происходит по тем же законам.

Но созревание Оствальда встречается и в промышленности. На электростанциях часто используются котлы для преобразования воды в пар, который вращает турбины, а пузыри, образующиеся на поверхности, уменьшают эффективность так как снижают уровень теплоотдачи и медленно повреждают детали. Процесс также вредит судостроителям, так как пузырьки постепенно приводят к разрушению винтов.

Точное понимание того, как протекает процесс созревания Оствальда, поможет проектировать более эффективные паровые котлы и турбины, и именно этим занимается команда учёных из Университета Токио, Университета Кюсю и Института физико-химических исследований RIKEN. Результаты их исследований были опубликованы в издании Journal of Chemical Physics.

Исследователи провели эксперимент, но не с бутылкой шампанского, а с виртуальными молекулами, которые смоделировал суперокомпьютер в институте RIKEN – самый мощный в Японии и четвёртый по скорости обработки информации в мире. 4 тысячи процессоров этого суперкомпьютера помогли учёным смоделировали 700 миллионов частиц и проследить миллион шагов их развития во времени.

«Чтобы воспроизвести пузырьки необходимо гигантское количество молекул – порядка десяти тысяч», – поясняет Хироси Ватанабе, один из авторов доклада, почему задача не под силу обычному компьютеру.

Учёные подтвердили, что теория Лифшица-Слёзова-Вагнера, объясняющая, как пузырьки образуют пену, верно описывает процесс созревания Оствальда, несмотря на существование доказательств обратного.

«Честно говоря, наше текущее исследование является фундаментальным и не может сию секунду привести к увеличению эффективности устройств, – сообщил журналистам Ватанабе. – Но это первый шаг к пониманию, как возникают пузыри и как они взаимодействуют друг с другом во время формирования пузыря начиная от уровня молекулы».

Так что, когда вы в следующий раз откроете бутылку шампанского, то можете оценить в действии созревание Оствальда и произнести тост за этот процесс, понимание которого в будущем, возможно, поможет справиться с энергетическим кризисом.