Криогель, а точнее криотропный гель, – раствор полимера, который изначально напоминает кисель, а после цикла замораживания и оттаивания переходит в состояние упругого тела. Сырье для него – поливиниловый спирт. Он устойчив к действию масел, жиров, разбавленных кислот, щелочей, а кроме того, у него хорошие связующие свойства. Поэтому криогель препятствует выветриванию почвы, удерживает влагу, сглаживает температурные колебания. «На корнях растений образуется что-то наподобие шубки, позволяющей им хорошо переносить холода и развиваться», – говорит директор Института химии нефти Любовь Алтунина.
КЛЕВЕР В ПУСТЫНЕ
Томская разработка позволила вырастить газон в Салехарде
Эксперименты с криогелем идут с 2011 года по разным уголкам России – в Новом Уренгое, Ноябрьске, Лабытнанги... В Салехарде, где зимой столбик термометра не поднимается выше –20 °C, а нередко падает до –40 °C, только в этом году в подготовленную с помощью криогелей почву было высажено 400 саженцев.
«На Севере многие многолетние травы, деревья и кустарники не получается вырастить из-за холодного климата. Эту проблему мы и пытаемся решить», – рассказывает Любовь Алтунина.
Хотя, уверяет она, криогель может быть полезным не только на Севере: «У нас есть опыт работы в пустыне Гоби (находится на территории Монголии и Китая. – Прим. ред.). Там мы применили криогель для удержания влаги. Сухой участок пустыни всего за три месяца превратился в зеленый ковер из клевера».
Корни растений, «укутанные» в криогель, оказываются будто в шубке
Методика формирования криогеля такова: полимер смешивают с растворителем и подвергают «заморозке». Чем больше циклов охлаждения и оттаивания проходит материал, тем более упругим и прочным он становится. При этом с составом можно экспериментировать, вводя в него дополнительные элементы. К примеру, можно добавить в криогель, предназначенный для посадки растений, удобрение. Также ученые пробуют создавать пенокриогели, которые можно использовать в качестве утеплителя там, где бывают особо резкие перепады температур.
ИСПЫТАНИЕ АЛМАЗАМИ
«Криогель настолько безопасен, что им покрывают рыбу перед заморозкой», – говорится в рекламе одной из фирм, предлагающих этот продукт домохозяйкам. Действительно, основной компонент – поливиниловый спирт – абсолютно безвреден и даже входит в состав шампуней для детей (он там используется как загуститель). Криогель можно вполне применять в домашних условиях. К примеру, поместить в него новогоднюю елочку, а после праздника с этим же грунтом посадить в лесу.
Однако это простейшие составы. «Особенность криогелей заключается в том, что они не являются универсальными. Для каждой задачи требуется разработать свою особую рецептуру», – говорит Любовь Алтунина. «Адаптированные» таким образом криогели можно использовать не только в растениеводстве, но и в других проектах. К примеру, для укрепления почвы в регионах вечной мерзлоты, где из-за глобального потепления грунт сейчас «оттаивает».
Сначала добыча шла открытым способом, в итоге был вырыт гигантский карьер
В этом смысле тестовым полигоном стал город Мирный – «алмазная столица» России. Здесь с 1950-х годов идет разработка кимберлитовой трубки «Мир», одной из крупнейших в мире. Местные алмазы отличаются высоким качеством, их среднее содержание составляет порядка 3 карат на тонну.
Как рассказал Алексей Кульминский, заместитель главы института «Якутнипроалмаз», здесь возникла серьезная проблема: «В массиве начали образовываться открытые трещины. Сотни кубов воды, которые постоянно льются через них на голову, комфорта, мягко скажем, не добавляют. Да и сам массив размывается и ослабляется – его приходится укреплять, создаются сложности для работы техники, появляется необходимость в водоотливе. Это приводит к увеличению как временных, так и денежных затрат на добычу».
Появление воронок, подобных найденной в минувшем году на Ямале, – последствия таяния вечной мерзлоты. Отечественная разработка поможет защитить почвы от опасного явления
Побороть эти сложности решили с помощью криогеля. Для начала его испытали на открытом воздухе – налили в ведро и, проведя через необходимый этап «заморозки», посмотрели, что будет. Застыл он хорошо. «Когда же потом мы начали бурить скважины и заливать в них различные виды гелей, то некоторые из них сохраняли свою текучесть, а другие застывали, но не выдерживали напора воды. Возможно, это происходило потому, что наши условия (а это на момент испытаний температура массива от 0 до –1 єС, повышенная минерализация вод и высокая скорость их течения) не вполне соответствовали возможностям криогелей», – рассказал Алексей Кульминский. Так что оптимальный состав криогеля для этой задачи еще предстоит найти. А сейчас здесь используются тампонажные растворы на основе микроцементов и составы на основе полимочевин (это синтетический полимер, структурно схожий с полиуретанами).
КРИО-ИНФРАСТРУКТУРА
Однако криогели нашли и другое применение в Мирном – благодаря этим составам инженеры пробуют решить проблемы, связанные со снабжением города водой. Местное Иреляхское водохранилище было создано в 1960-х годах с использованием вечномерзлых грунтов. Его плотина является «земляной» с глинистым ядром и каменной наброской. В последние годы из-за потепления в теле плотины возникли трещины, через которые начала сочиться вода. Плюс зимы стали не такими снежными. Водохранилище начало мелеть, через основание плотины «уходило» порядка 3 тыс. куб. м воды в час при потреблении Мирного на уровне 2 тыс. куб. м.
В итоге было решено попробовать использовать для тампонажа фильтрующего основания криогели, разработанные томскими учеными. Результат положительный. «За время нашей трехлетней работы было затрачено около 2 тыс. куб. м криогеля, что привело к уменьшению фильтрации в 150 раз. Это позволило решить проблему и свернуть планы строительства новой плотины, что было очень дорогим вариантом решения проблемы», – говорит Любовь Алтунина.
Благодаря криогелю потеря воды через старую плотину снизилась в 150 раз
Строительство объектов инфраструктуры может быть еще одним перспективным направлением использования криогелей, полагают ученые. В этом году специалисты Инженерно-технического центра общества «Газпром добыча Надым» попробовали криогели для укрепления откосов и насыпей технологических дорог в районе Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения на Ямале. Почвы здесь содержат множество пылеватых частиц, которые слабо связаны в сухом состоянии, а в воде почти не набухают. В результате насыпи дорог постоянно размываются.
Один из способов применения криогеля – защита продуктов перед заморозкой
Обычно с этим борются, высаживая обычную траву, – она скрепляет почву. Однако на Ямале даже в самый благоприятный сезон это непросто из-за сильных ветров и вымывания семян водой. Поэтому здесь и решили попробовать криогель. Ранее похожий эксперимент уже проводили в пешеходной зоне города Лабытнанги, он завершился успешно. Но там нагрузка на дороги, понятное дело, совсем не такая, как в промышленном районе. Так что задача усложнилась.
Тем не менее на опытных участках, где был нанесен криогель, удалось получить положительный результат. Теперь эксперты Инженерно-технического центра подсчитывают экономический эффект от внедрения новой технологии – по предварительным оценкам, она может удешевить строительство насыпей и откосов примерно вдвое.
Ольга Михайлова
