Продолжение. Начало здесь:

Музыка науки

ПАРТИТУРА ДЛЯ СУПЕРКОМПЬЮТЕРА

Ловлю себя на том, что что-то все это мне напоминает. Что-то такое, не менее сложное, но более понятное, поскольку воспринимается не разумом, но чувствами. Да - это музыка. Вот композитор наигрывает на рояле, все более совершенствуя поначалу невнятный замысел. Таким образом создается клавир будущего произведения, общее представление о том, каким оно станет. В науке этому, наверное, соответствует математическая модель явления. Затем композитор переходит к компьютеру и в музыкальном редакторе создает партитуру - распределяя (а точнее, разделяя) между различными инструментами их роли в создании целостного музыкального явления. В науке - численное решение математической модели. Казалось бы, все. Но произведение не зазвучит, пока не будет исполнено. И это можно уподобить заключительному эксперименту. На языке ученых - верификация всего предыдущего.

Собственно говоря, наверное, поэтому в некоторых подзаголовках я счел уместным воспользоваться музыкальными терминами.

Итак, мы переходим к наиболее трудной для описания части нашего повествования. К тому, что связано со счетом.

В воспоминаниях академика Бориса Чертока, соратника Сергея Королева, рассказывается о том, как осуществлялся полет Юрия Гагарина. Бортовых компьютеров в то время (в Советском Союзе, по крайней мере) не существовало. Программа полета задавалась счетно-решающим устройством. Упрощенно говоря, что-то похожее на механизм механического пианино. Вращающийся барабан со шпеньками, каждый шпенек нажимает в нужное время свою клавишу. Шпеньки (реле) ракетчики называли «уставками». Каждая из них выполняла свою единственную роль. Таких «уставок» на весь полет было введено в счетно-решающее устройство более пятисот.

И опять-таки не удержусь от аналогии с музыкой. В то время и композиторы писали ноты карандашом на нотной бумаге. Это теперь музыкальный редактор открывает совсем иные возможности, вплоть до того, что можно тут же прослушать написанное. Понятно, что и в науке исследования приобрели совершенно другой характер.

- Вычислительная техника становится все лучше, - рассказывает П.Г. Фрик. - Прогресс настолько стремителен, что у многих встает вопрос: зачем строить экспериментальные установки, пытаться измерять разными датчиками какие-то там течения, если в машине все можно посчитать? Или как на Западе говорят, просимулировать. Этот термин, кстати, даже более точный. Они говорят: numerical simulation (численное моделирование). У нас переводчики переводят как calculation (вычисление). А это принципиально разные вещи. Это именно симуляция процессов или состояний. То есть, допустим, течения (воды, нефти, газа в трубе) нет, а просто компьютер симулирует, воспроизводит то, что может происходить в реальном течении. (То же - и в музыке. Можно прослушать написанную симфонию в музыкальном редакторе, на компьютере. Звучание различных инструментов будет похоже на натуральное. Но все же это будет симуляция).

Как это делается? Необходимо предварительно узнать многое. Параметры канала, свойства жидкости, скорость течения, температуру и много чего еще. В нашем рассказе многие значения получены в предварительных экспериментах на водяных торах (водяных прототипах). Перенос магнитного поля изучался на текстолитовом торе, заполненном жидким галлием (это исследование мы опускаем, поскольку наш рассказ и без того разросся до непомерных размеров). На основе этих данных создавалась математическая модель или «цифровой двойник»: набор уравнений, которыми описывается явление. Но сами уравнения ответа не дадут, их надо решить. Решаются они на компьютере длительными вычислениями, процесс и методы расчета производятся под руководством человека.

ИНТЕРМЕЦЦО

Родион Александрович Степанов. Окончил Лицей №1 при Пермском государственном техническом университете (политех) в 1991 году, стал студентом кафедры математического моделирования.

С 1995 года начал активно заниматься научно-исследовательской работой в лаборатории физической гидродинамики Института механики сплошных сред УрО РАН под руководством профессора, д.ф.-м.н. Фрика Петра Готлобовича.

Темой научной работы стал вейвлет-анализ данных наблюдений фарадеевских мер вращения плоскости поляризации радиоизлучения внегалактических источников с целью определения структуры магнитного поля Галактики.

После окончания с красным диплом ПГТУ в 1997 году поступил в аспирантуру ИМСС. В 2000 году защитил кандидатскую диссертацию по специальности «Механика жидкости, газа и плазмы». За истекшие годы выполнил широкий круг физических исследований. Среди результатов можно выделить вклад в построение теории генерации магнитных полей турбулентными потоками проводящей жидкости, разработку новых моделей развитой мелкомасштабной турбулентности, модели эволюции галактических магнитных полей.

Докторская диссертация была подготовлена и защищена в 2009 году.

- Динамо-экспериментом я заинтересовался давно. Кто-то делает эксперимент, но ничто не мешает взять и посчитать эту задачу. Это же не монополия, это открытая наука, - рассказывает Р.А. Степанов. - Был такой Вольфганг Доблер, мой ровесник. Я был аспирантом здесь, а он - в Ньюкасле. Он считал для рижского эксперимента. Я увидел его статью, говорю, давай для тора посчитаем. И вот втроем - я, Петр Готлобович и Вольфганг - считали эту задачу для тора. Но это были такие тестовые, тренировочные задачи. Мы считали, что течение задано. То есть, само течение мы не рассчитывали. Потом выяснилось, что результат очень сильно зависит от того, из чего сделан тор, какова его толщина. Эти нюансы, оказалось, очень сильно влияют на критически важные параметры, на порог устойчивости. Мы поняли, что это нужно обязательно исследовать, и по сути дела, когда шел проект МНТЦ, я как раз изучал вопрос о том, из какого материала, какой толщины сделать тор, чтобы мы могли достигнуть такого эффекта. Там ведь еще вопрос, поскольку у нас нестационарное течение, эффект появляется, а потом исчезает. Нужно, чтобы эффект себя проявил выше уровня значимости. Чтобы он был достаточно сильным, чтобы исключить все другие возможные эффекты, которые могут усилить магнитное поле. Это очень важный момент. Скажем, проявился какой-то похожий эффект, а потом докажи, что это динамо, а не просто какое-то временное усиление. И я года три-четыре занимался чисто расчетами динамо с учетом реальных условий эксперимента.

Но все же, что это такое - считать?

- Наука, как и вся наша жизнь, уходит в постмодерн. Как в жизни мы доверяем компьютерам и соцсетям, так и в науке начинаем доверять численным решениям иногда больше, чем экспериментальным, - поясняет Р.А. Степанов. - В эксперименте ты ограничен какими-то параметрами, ты не можешь создать в точности какие тебе хочется условия. А в численном счете, если ты взял матмодель, систему уравнений, с которой все согласны, то возникает только вопрос - как найти решение? Найти решение можно численно. Тут тоже уже есть общепринятое, то что все знают. И дальше, если мы решаем численно эти уравнения, получаем решение, то вот это решение кажется более надежным, чем то, что могут сделать экспериментаторы. Это решение лучше отображает ту теоретическую модель, которую мы закладываем в соответствующей науке.

Но тут есть еще один нюанс, очень сложный. Есть матмодель, с ней все согласны. Но оказывается, что в решении, полученном численно, компоненты системы обладают свойствами, которые не присущи исходной математической модели.

Вот, например, мы берем уравнения для невязкой жидкости, решаем численно, и решение получается такое, будто жидкость вязкая. То есть, иногда численные решения, не только вопрос ошибки. А в том, что эта ошибка себя проявляет, как реальное свойство жидкости. И если мы заранее знаем о том, что жидкость не вязкая, и если мы получили вязкое течение, то это какая-то ерунда. И надо выкинуть это решение. А представьте, мы изучаем объекты, свойства которых мы не знаем. Мы решаем численно, обнаруживаем какой-то эффект и начинаем радоваться, мы обнаружили новое. А на самом деле это свойство результат численного решения.

Численная модель и математическая модель очень часто начинают спорить - вот в чем для меня, например, главная проблема.

Да, общение с людьми, чей мозг сызмальства обогащен математикой, дело непростое, впрочем, интересное. И даже простой вопрос требуется уточнять, чтобы добиться простого же ответа. Как внушал мне мой знакомый программист еще на заре массовой компьютеризации 90-х годов: «Компьютер делает то, что ты потребовал, а не то, что тебе хочется на самом деле». Вот мой простой вопрос Родиону Степанову:

- Четыре года вы считали тор, а на чем?

- В каком смысле?

- Ну, не на персональном же компьютере? Наверное, тут нужен был суперкомпьютер?

- Что значит суперкомпьютер? Я могу дать определение. Суперкомпьютером называется та многопроцессорная техника, которая вам доступна с той скоростью и в том ресурсе, что необходимы для решения задачи. Когда-то для меня суперкомпьютером был компьютер, который стоит в нашем институте. Это кластер на 500 ядер (процессоров). Потом, когда у меня появился доступ в Институт механики и математики УрО РАН в Екатеринбурге, он стал для меня суперкомпьютером, а этот - не супер. Там 2000 ядер. Затем я получил доступ в МГУ, там 5000 ядер. А потом в МГУ доступ закрылся. Они сказали - давай, гони отчеты, раз мы тебе дали доступ, давай результаты! А у меня не было результатов на тот момент, я их не успел получить. И меня закрыли. И он перестал для меня быть суперкомпьютером, потому что я на него не имею доступа. Сейчас у меня доступ есть на кластер в Саудовской Аравии. Называется он Шаен (Shaheen). Там 100 000 ядер. И для меня именно он сейчас суперкомпьютер.

- Было бы любопытно узнать, сколько времени этот гигант считал вашу самую сложную задачу.

- Самую сложную? Сейчас скажу. Мы там сделали около 100 расчетов по 20 часов на 10 тысячах ядер. Умножаем. Что получаем? 20 миллионов. 20 миллионов часов. То есть, мы решаем задачу, которая на обычном компьютере, (скажем, процессор новый, но один) решается 20 миллионов часов. Или 833 333 суток, или 2283 лет.

-Что же это за задача?

- Это задача о спиральной турбулентности несжимаемой жидкости. Здесь свойство спиральности меняет свойства турбулентности существенно. То, что мы обнаружили, называется эффект обратного каскада. Это, кстати, задача прошлого года. И вот это можно считать топовым достижением последнего времени. Статья называется: «Эффект обратного каскада энергии в спиральной турбулентности». Вот если это сказать специалисту, он сразу поймет, о чем речь, и скажет: круто!

Поделился Родион Александрович и своей тайной мечтой. Его мечта - решить динамо-задачу в листе Мебиуса. Лист Мебиуса - хитрая поверхность. Ее фишка в том, что она односторонняя.

- И вот теперь представьте, - говорит он. - что этот лист движется, он течет. И представьте, что это электропроводящая жидкость. Вопрос - возникнет динамо в таком объекте или нет? В 2008 году мы предприняли первую попытку решить эту задачу, и решили очень приближенно. Есть статья в «Физикал ревью». Но на самом деле это у нас был не лист, а толстая лента, причем она еще и эллиптического сечения, но по-другому мы не смогли решить. А я хочу ее решить в приближении тонкого листа. Почему это интересно? Есть человек, который доказал теорему, что если это тонкий лист, то динамо на такой римановской поверхности невозможно (П.Г. Фрик: Этот человек -Я.Б. Зельдович!). Как бы вы ни изгибали такую поверхность. Эта теорема запрещает генерации работать на двумерных поверхностях. А мебиус - он не римановский. Я не могу точно заключить, но я допускаю, что на односторонней поверхности динамо будет работать. Это такой эффект самозамыкания, когда магнитные поля сами себя усиливают. То, что мы 10 лет назад решили, с большим трудом, но добили эту задачу, это не удовлетворяет меня, потому что это не в чистом виде двумерная поверхность. Потому что толстая. Еще и эллиптическая. Представьте колбаску из теста, которую сверху скалкой чуть раскатали, чтобы была похожа на плоскую, а потом концы соединили, повернув один конец на 180 градусов. Вот я решил задачу на такой ерунде. А мне хочется решить ее честно, в точном приближении. По сути дела я хочу сказать, что электрический ток может существовать только в плоскости этого листа. Ему запрещено течь поперек. А в той штуке, которую я решил - там трехмерный электрический ток. Нечестно.

- И в каком состоянии эта задача?

- А пока ни в каком. Потому что нет времени. И приходится из одного проекта в другой перепрыгивать. Вот в этом вся и беда. Я скажу так, что у меня уже разработан метод, я уже знаю как ее решать . Вопрос только в том, чтобы сосредоточиться.

БРОНЗОВАЯ БАРАНКА

- А я помню, кому принадлежала идея, - говорит старший научный сотрудник Виталий Иванович Носков. - Первым идею реализации подобным образом мощного течения, а значит и реализацию динамо, высказал Сережа Денисов. Запишите, Денисов Сергей Анатольевич, кандидат технических наук - это его идея. Сейчас уже год, как он на инвалидности. Очень талантливый человек. Он появился в нашей лаборатории в 70-х годах с группой Стаса Хрипченко, Они втроем вначале сюда пришли - Веня Долгих, Стас Хрипченко и Сергей Денисов.

С идеей получилось так. Сережа высказал способ получения мощного импульсного течения. Мне она очень понравилась. Сходу. Дело в том, что история моего экспериментаторства была длительное время связана с эксплуатацией импульсных лазеров. И я знал, чем импульсный способ возбуждения хорош по сравнению со стационарным. В импульсном способе можно малыми вложениями энергии получать очень высокие мощности, за счет уменьшения времени вложения этой энергии. Много споров было, много копий было поломано, пока мы все-таки не вдохновились и сделали первую модель на воде. Увидели - все работает чисто, все хорошо.

ИНТЕРМЕЦЦО

Виталий Иванович Носков, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук. Закончил физический факультет Пермского госуниверситета, аспирантуру физфака МГУ.

Научные интересы: Экспериментальные исследования МГД-явлений в турбулентных потоках жидких металлов (Ga, Na), геометризация классической электродинамики.

Около 120 публикаций по квантовой механике, импульсной лазерной химии, гидродинамике, магнитной гидродинамике и геометризации классических полей.

В.И. Носков - большой поклонник вакуума в эксперименте. Молодые сотрудники вздрагивают, услышав его требование «вакуумной гигиены».

- А что вы хотите? Люди не привыкли с вакуумом работать, - поясняет Виталий Иванович. - Эксперимент хорош только тогда, когда его можно повторить или воспроизвести. Вы что-то получили, кто-то другой повторил - и у него не получилось. Что о вас подумают? А без вакуума ничего даже измерить толком невозможно. Пример. Тот же самый торообразный канал. И у вас задача поместить туда натрий. Если вы возьмете и напихаете в канал бруски, потом расплавите, вы получите очень грязный расплав натрия вперемежку с окислами. Эти окислы потом из-за мощности течения, турбулентности и прочего распределятся по всему объему. Они вам испортят проводимость, ухудшат электрический контакт со стенкой, а он необходим. Другой пример. Допустим у вас бруски натрия хранились на складе, вы их расплавили и запустили в тор. А другие бруски у другого экспериментатора хранились в других условиях. Будет воспроизводимость эксперимента? Нет. Вот для того, чтобы ее реализовать, нужен вакуум.

За счет вакуума вы можете все очистить. И сам бронзовый канал тоже. Поверхность любого металла покрыта окислами. Либо куча любой другой грязи, связанной с химическим взаимодействием металла с окружающей средой. Можно долго мыть, чистить и полировать канал. Он станет красивым и блестящим. Все хорошо? Нет. Там еще несколько тысяч атомарных слоев сорбированной воды, которую никакими тряпками не удалишь. А натрий с водой очень охотно реагирует. И вот когда вы сделаете канал герметичным и начнете откачивать воздух, много чего интересного увидите. В какой-то момент у вас сорбированная вода начнет испаряться, полетит в вакуум, нужно, чтобы температура поверхности, с какой она летит была бы повыше, требуется подогрев, потому что силы притяжения между молекулами воды довольно приличные.

Экспериментальный тор решили строить из хромистой бронзы. Она немагнитна, электропроводна почти как медь, у нее наилучший контакт с натрием (электрические токи, которые возникнут при движении натрия в затравочном магнитном поле должны замкнуться на оболочке). И наконец, по прочности не уступает нержавейке.

Все предыдущие торы вращались в вертикальной плоскости, как велосипедное колесо. С бронзовым возникли вопросы. Что будет, если он каким-то образом сорвется с оси? В возникшей дискуссии о такой возможности и ее последствиях, как водится, не обошлось без апокалиптических сценариев: пробьет стенку, улетит к плотине Камской ГЭС и сделает в ней дыру.

Преувеличение было не слишком большим.

- Я вам сейчас объясню, - говорит В.И Носков. - Масса тора с залитыми в него 120 килограммами натрия более 800 килограммов. Раскручивать его для достижения необходимых параметров надо до 50 герц (оборотов в секунду). Прочностные расчеты мы сделали, стенка тора выдержит, конструктивные элементы тоже просчитаны. Но все же. Если тор сорвется с оси, то полетит со скоростью снаряда. И эта величина, помноженная на массу, плотину, может быть, и не пробьет и, скорее всего, до нее не долетит, но бед может наделать немало.

Чтобы у читателя создалось более наглядное впечатление, надо перейти от угловой скорости к линейной. При диаметре внешнего обода этого колеса в полтора метра, мчаться оно будет, если запустить его по дороге, со скоростью 848 километров в час.

Установку спроектировали с горизонтальным расположением диска. Долго искали завод, который изготовит бронзовые заготовки для тора (для понимания, это начало 2000-х, многие помнят, в каком адском состоянии были промышленность и бизнес). Такой завод («Красный выборжец», единственный, кстати, кто мог в то время выполнить этот заказ) нашелся в Санкт-Петербурге. Наконец, пришли две толстые плиты: заготовки под половинки тора. Растачивали канал на Мотовилихинских заводах в Перми. Установку расположили в глубокой яме, обшили яму стальными 10-миллиметровыми листами.

Разумеется, возник вопрос, как балансировать вращающуюся часть установки весом почти в тонну. Для этого часть из 24 болтов, скрепляющих половинки, изготовили из нержавейки, другую часть из титана. Эти болты переставляли в нужные места.

- Как определяли эти места?

- Ну, мы с Родионом Степановым довольно долго экспериментировали, - говорит В.И. Носков.- Наконец, он написал простенькую программку. Я внизу около установки смотрел показания датчика вибрации, он сидел на третьем этаже и в своем компьютере анализировал показания. И командовал: такой-то болт надо переставить туда-то. Все болты мы пронумеровали. Переставляли, смотрели: амплитуда меньше - переходим к следующему болту.

Наконец, подошли к пробному раскручиванию. Когда эта штука начинала вертеться, весь институт это сразу узнавал. Многие приходили полюбопытствовать. В помещение для тора их, конечно, не пускали, можно было только заглянуть в бронированное окошко. Но мощь и сила чувствовалась и за стеной. А что ощущает человек, стоящий вблизи? В.И. Носков говорит: это производит такое впечатление, будто все мыслительные процессы тормозятся, кроме одного: возникает непреодолимое желание уйти. Энергия, которая стоит за этим процессом, измеряется миллионами джоулей. И чтобы было понятно много ли это, поясним так. Один мегаджоуль вырабатывается при движении автомобиля весом в 1 тонну со скоростью 160 километров в час. Таких мегаджоулей было около пяти.

Но раскрутка - не самый эффектный момент. На той же оси что и тор, жестко закреплен тормозной диск, чуть меньше диаметром, чем тор. По окружности расположены 12 специально спроектированных и изготовленных тормозных суппортов (ВАЗовские здесь оказались бы слабы). Главный тормозной цилиндр также рассчитан и спроектирован специально под установку, и изготовлен в мастерских института. Над его штоком подвешен на электромагните груз весом в тонну. Нажатием кнопки электромагнит обесточивается. Груз падает с чудовищным грохотом. Тор тормозится в течение одной десятой секунды. Поднимается облако черной пыли от фрикционных накладок. С чем сравнить? Говорят, по звуку похоже на движущийся трамвай, проезжающий мимо копра для забивания свай, при условии что «баба» угодит прямо в трамвай. И тишина... Все это в помещении, ограниченность которого умножает эффект.

... Все, конечно, происходило не так быстро, как может показаться. С момента получения гранта прошел не один год. В 2005 году прошла в ИМСС международная конференция «Пермские Динамо-дни».

- Я тогда еще был совсем зеленый, - вспоминает Илья Колесниченко, в то время еще младший научный сотрудник. - В ее организацию мы все, молодые, были тоже вовлечены. Встречали в аэропорту гостей. Приехал весь цвет научного сообщества - того, что занимался динамо. Это впечатляло. В Перми и вдруг - Карл Хайнц Редлер, другие, не менее выдающиеся, все, кто свои динамо-эксперименты делали. Помню, кто-то хотел приехать, да не смог попасть, какие-то проблемы с визой. Конечно, провели для них экскурсию. Показали водяные и галлиевый торы. Бронзовый - но его еще только начинали крутить. Все это обсуждалось и общее мнение было, что у нас одна из самых эффективных установок. На этот бронзовый тор все и приехали. Он притягивал внимание. И он не может не притягивать внимания. Не свойственная природе структура. Чего только стоит тороидальная система координат. Или там система уравнений в тороидальной системе координат...

В этом монологе я (автор, то есть) хотел бы обратить внимание на одно слово - ЭКСКУРСИЯ. Как ни странно, экскурсия по лаборатории очень часто затем оказывалась ключевым моментом, для развития дальнейших событий, ставших определяющими в научной жизни лаборатории. Это касается и привлечения молодых научных сил. И перспективных направлений работы. Но сохраним интригу до того момента, когда настанет время рассказывать о них.

А пока перейдем к печальным событиям. Бронзовый тор не удалось запустить.

Прежде, чем залить в бронзовый тор натрий, решили испытать его на воде. Залили воду, вакуумировали. Подали давление. И обнаружились фонтанчики.

- Даже фотографии есть у нас, - рассказывает В.И. Носков. - Сначала самый крупный увидели, а потом еще несколько. Чуть увеличишь давление, они жизнерадостно начинают брызгать во все стороны из верхней крышки.

Убрали воду, пригласили специалистов из «Протона». У них есть специальные методы определения дефектов. Специалисты подготовили внутреннюю поверхность тора, почистили его и покрыли специальной эмульсией. Эмульсия высохла, и трещины проявились. После этого сразу стало ясно, что использовать тор невозможно.

- Как вы отреагировали, когда увидели фонтанчики? - спрашиваю у В.И. Носкова.

- Это было давно... Эмоций было много... В общем, это была специфическая лексика. Специфическая русская лексика. Для всех это был удар страшной силы! Для всех. Начиная с Петра Готлобовича и дальше - до самого низа. Мы ведь хотели уже натрий туда запендюрить. Канал был подготовлен, чистый. По-моему даже отвакуумирован был. Но вот что-то нас остановило. Решили проверить герметичность канала.

Что выяснилось? На заводе отлили две заготовки. Одна получилась нормальная, другая - с каверной. Слитки потом раскатали в плиты. При раскатывании каверну расплющили. Когда стали точить канал, трещины не заметили. Бронза - материал вязкий, трещины «замазались» резцом. Предъявить рекламацию заводу, заставить его изготовить другую плиту, не представилось возможным. Говорят, к тому времени завод перестал существовать.

Перестал существовать в России и фонд МНТЦ, субсидировавший это исследование. Россия вышла из него в 2006 году. Российский грант тоже получить не удалось, их давали только под результат.

- А какой мы предъявим результат, даже если эксперимент состоится? - говорит П.Г. Фрик. - Только ответ: да или нет. Отечественной экономике такой результат пользы не принесет.

Несколько лет тор стоял без дела. Это был как больной зуб. На собраниях лаборатории регулярно поднимался вопрос - что с ним делать? Возникла идея поискать что-то, чем можно залить трещины. Взялись за это Илья Колесниченко и Руслан Халилов. Они нашли информацию о том, что есть такие анаэробные герметики для вакуумных систем.

Им было по тридцать, спортом занимались, наверное, им было интересно попробовать сделать то, за что никто не брался. Сэр Алекс Фергюсон, главный тренер английского клуба Манчестер Юнайтед, всегда придерживался мнения, что ничего нельзя выиграть без молодых игроков: «Для молодых не существует ничего невозможного, они готовы делать попытки снова и снова и даже перелезть изгородь из колючей проволоки, когда те, кто постарше, пытаются найти калитку». Это про футбол. Но применимо повсюду.

ИНТЕРМЕЦЦО

Колесниченко Илья Владимирович, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией технологической гидродинамики ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук. Завершает докторскую диссертацию.

Научные и практические интересы связаны с математическим моделированием и экспериментами в разделах: магнитная гидродинамика жидких металлов и электролитов, вихревые структуры и свойства турбулентных течений, тепломассоперенос в жидких металлах, кристаллизация жидких металлов и сплавов, сопровождающаяся течениями, созданными путем бесконтактного воздействия электромагнитными силами. Организация и проведение физического эксперимента: разработка и конструирование научных экспериментальных установок, организация работ по их изготовлению. Прикладная магнитная гидродинамика, связанная с процессами в аппаратах для металлургической и атомной промышленности.

Закончил школу №9 г. Перми. Поступил в Пермский государственный технический университет на специальность «Математическое моделирование».

И.В. Колесниченко: «Были регулярные ЭКСКУРСИИ всех студентов в ИМСС. Показывали лаборатории. Самое главное - это то, что ученые, которые здесь работают, у нас преподавали. Это были выдающиеся завлабы, которые в ИМСС и сейчас. Курс механики сплошных сред читал Анатолий Алексеевич Роговой. Юрий Львович Райхер читал физику с уклоном в магнетизм, в магнетики. Олег Борисович Наймарк - курс по прочности, связанный с поведением дефектов в твердых телах. Петр Готлобович Фрик читал турбулентность. Этот курс произвел на меня впечатление».

***

Халилов Руслан Ильдусович, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук.

Научные интересы: магнитная гидродинамика, электродинамика, тепло- массоперенос, численные методы, вихревые структуры, турбулентность

Учился в Гамовской и Кондратовской сельских школах Пермского района. К математике и физике тянуло с детства. Поступил в лицей №1, затем в Пермский государственный технический университет на специальность «Математическое моделирование».

Р.И. Халилов: «Петра Готлобовича я узнал на третьем курсе. Он меня свел с Станиславом Юрьевичем Хрипченко, ведущим научным сотрудником лаборатории. С.Ю. Хрипченко занимается МГД-приложениями - магнитными перемешивателями, насосами, электролизерами. У него я тогда получил первую свою научную задачу - расчет электромагнитного перемешивателя.

В чем заключалась работа по восстановлению работоспособности тора. Сначала перепробовали кучу разных герметиков на маленьких кусочках меди. Выбрали лучший. Потом откручивались 24 болта, полутонную верхнюю крышку поднимали тельфером, переворачивали, заливали трещины. Ждали пока полимеризуется герметик. Эта процедура занимала полдня. Потом все в обратном порядке - тельфер, болты, затяжка. Потом давить компрессором и смотреть. Потом снова поднимать, и так с десяток раз. И вот, вроде справились. В один прекрасный момент барометр показал, что давление в 10 атмосфер держится. Не подарок, конечно, на критических режимах надо 50. Но хоть что-то.

Все-таки вопрос состоял в том, чтобы понять: сможет это все хоть в каком-то виде работать. То есть, надо было пусть не получить динамо, но показать, что эта система жизнеспособна, может работать, может генерировать поле, что есть что измерять и есть чем измерять.

Жидкий натрий туда залить можно? Пробуем. Стали заливать натрий. Для натрия есть специально построенный танк (бак), но он уже задействован для экспериментов на титановом торе. На два тора натрия уже не хватало. Решили залить дополнительный натрий в этот танк, а потом из него набрать в тор. Сколько заливать? Сосчитали. Благо, масса натрия практически равна объему полости. Купили для этого весы. Приступили к вакуумированию. Вакуумируется долго: должны отлететь все остатки грязи, масла, спиртов. Затем тор нагрели до 120 градусов. Еще несколько часов вакуумирования при высокой температуре. И вот установилось очень низкое давление - примерно 10 в минус четвертой степени тора (тор равен 1мм ртутного столба) - это предел форвакуумного насоса. Давление не повышается, значит тор держит. Залили натрий через технологическое отверстие с пробкой с конической резьбой. Раскрутили сначала потихоньку, потом довели до 20 герц. Провели некоторые доступные исследования. Опробовали систему измерений - за десять лет в этой области изменилось многое. Родион Степанов, например, передал из своего французского проекта, как он рассказал, «суперкрутую беспроводную систему измерений магнитный полей». Это такая коробочка, которую можно установить на вращающийся тор, пусть даже очень быстро вращающийся. Внутри коробочки - модули ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Коробочка записывает полученные сигналы и передает по Wi-Fi непосредственно на компьютер. На этом исследования были приостановлены.

- Есть три эксперимента в мире, где получили динамо, - говорит Родион Степанов. - Но получить динамо-эффект чистый, такой который реализуется в космосе, в межзвездной среде пока не удалось. Три эксперимента - они все модельные. Это как бы прототипы. Это имитация какого-то механизма, его упрощенная версия. Это как моделька для упражнения. А вот так, чтобы это была турбулентная бурлящая среда, которая - бац! - и создаст крупномасштабное поле, - такого нет. Везде и всюду либо что-то крутится, либо бежит по специальным трубам. Американцы обещают что-то сделать. Но пока у них ничего еще не получилось и неизвестно, получится или нет.

Наш бронзовый тор крайне интересен даже с точки зрения топологии, продолжает Р.А. Степанов. Течение, закрученное в торе, очень похоже на аккреционные диски, или джеты - мощные струи плазмы, формирующиеся у черных дыр, квазаров, и нейтронных звезд. Любая звезда, черная дыра - вокруг них формируются эти аккреционные диски. Их очень любят показывать на научно-популярных каналах телевидения. То есть, материя, когда падает в черную дыру, не может сразу упасть, она закручивается, как вода в раковине, и центробежная сила препятствует этому коллапсу материи. Там происходят всевозможные неустойчивости, в том числе и динамо-неустойчивость, которая ускоряет процесс аккреции (падение вещества под силой гравитации) на гравитационный центр. Наша топология интересна тем, что она воспроизводит некие топологические свойства реальных астрофизических объектов. А если посмотреть на «карлсруэвские» шнеки и трубы, по которым гоняют натрий, сразу станет понятно, что с астрофизикой там нет ничего общего. Или, например, в Кадараше, это Франция, там такие две тарелки, как в стиральной машине крутятся, между ними натрий. Это тоже очень трудно сравнить с тем, что существует во Вселенной.

П. Г. Фрик:

- Ну это, конечно, очень болезненный момент. Но тор не выброшен же. Он стоит в своем помещении. Ждет своего времени. Какого? Это от большого количества факторов зависит. Пока что наука в России, да и во всем мире, по такому пути идет, когда на каждую, даже маленькую работу, надо обязательно пообещать, что вот ты за год получишь такой-то результат. Есть области науки, которые в такой грантовой системе вообще не выживут. Очень яркий пример - программы, скажем, астрофизических наблюдений. Ну, например, про Солнце мы достаточно много знаем. А звезд - миллиарды. Интересно же, каким образом они устроены. Такая программа была когда-то принята в Америке, Гарвард ее, в основном, тянул. И они сумели наладить в течение 30 с лишним лет наблюдения более сотни звезд. Это очень долгосрочная, тяжелая, затратная программа, и они ее вели. В конце концов, там тоже не выдержали, и закрыли ее. И это очень обидно, потому что каждый год приносил новое. Вот сотни бы лет понаблюдать, вообще было бы классно!

Что ж, остается только надеяться, что благоприятное время все же наступит, и не через сотню лет. Многие считают, что очередные эксперименты по динамо, которые готовят немцы и американцы, если они станут удачными, всколыхнут мировое научное сообщество и вновь возникший интерес побудит кого-то к выделению средств. Всего-то и надо - изготовить другую бронзовую крышку. Денег на это требуется не так уж и много. Но это смотря в каком кармане считать. Килограмм хромистой бронзы, как объявляет интернет, стоит около 900 рублей. А еще надо выплавить и раскатать заготовку, выточить с высокой точностью требуемую конфигурацию. Затем обновить оборудование, средства измерения. И не забыть о том, что труд научных работников тоже должен быть оплачен. Эксперимент на уже полностью готовой установке, говорят, займет никак не меньше полугода времени.

Профессор Дмитрий Дмитриевич Соколов:

- Я стал интересоваться динамо-эффектом давно. Этой темой плотно занимались Яков Зельдович и Александр Рузмайкин (ныне профессор, живет и работает в США, Калифорния). Правда, в таком астрофизическом измерении, причем, далеком - галактики и все такое. С Петром Фриком я познакомился довольно случайно. Мой соавтор Анвар Шукуров в середине 1990-х предложил поехать в Пермь. Говорит, там интересная конференция. Там я и познакомился с этим замечательным ученым, очень ярким человеком. Мы с Петром Готлобовичем довольно быстро нашли интересную задачу, которую можно было бы решать. И так все это потянулось. Появилась отличная приоритетная статья в европейском журнале «Астрономия и Астрофизика». Начали совместно работать.

В Перми прекрасный научный коллектив. Институт нацелен на науку высшего класса. Мне кажется, что московский истеблишмент недооценивает реального положения дел в таких городах, как Пермь. Ситуация здесь на самом деле намного лучше, чем во многих московских институтах.

Что касается конкретно лаборатории физической гидродинамики ИМСС, здесь есть не только много очень хороших работ, но есть и фундаментальные достижения. Впервые здесь удалось (и это до сих пор пока что ноу-хау), измерить один из ключевых моментов в явлении динамо - такую штуку, которая называется альфа-эффект. В свое время Штееенбеком, Краузе и Редлером она была предложена, но это была такая теоретическая вещь, которую никто не мог измерить. Здесь, в здании ИМСС, альфа-эффект впервые был измерен. Никому и никогда этого не удавалось.

Второе фундаментальное достижение - это работа по вейвлетам, с которой мы начали сотрудничать с Фриком, это первый опыт использования в астрономии, впервые мы забежали вперед других. Обычно научные достижения долго не живут, их сменяет что-то более новое. А тут забиты колышки довольно прочно. Речь о том, что есть анализ Фурье, который позволяет изучать периодические процессы. У него есть разные ограничения. Они были преодолены достаточно просто в теоретическом плане, и в результате появилась современная версия анализа Фурье в вейвлет-анализе, и она постепенно стала распространяться и в астрономии - трудами П.Г. Фрика и других ученых.

На снимках:

1. Р.А. Степанов.

2. Лист Мебиуса.

3. Так выглядит тор.

4. В.И. Носков.

5.Бронзовый тор и создатели.

6. Бронзовый тор.

7.. Дивертор для бронзового тора.

8. Бронзовый тор в яме, в теплозащитном кожухе.

9-10. Участники Динамо-дней в Перми.

11. И.В. Колесниченко.

12. Р.И. Халилов.

Продолжение следует: