Глава тринадцатаяот сонолюминесценции к ядерному синтезу в каверне

13.1. Кавитационная сонолюминесценция в потоке без ультразвука

Световой выход сонолюминесценции, как и химический выход звукохимических реакций, возрастают с ростом интенсивности Iзв ультразвука до некоторой ее оптимальной величины и обычно коррелируют друг с другом, хотя максимумы того и другого не всегда лежат при одной и той же величине Iзе [202]. Так, в [225] экспериментально выявлено, что для синтеза Н2О2 в воде, насыщенной кислородом, наблюдается параболическая зависимость этих выходов от IЗв при малых интенсивностях ультразвука (но больших пороговой величины перехода к развитой кавитации). А при наблюдается переход к линейной зависимости возрастания этих величин с ростом IЗв Возрастанию Iзв обычно соответствует возрастание выходов тоже примерно в 2 раза.
Но при высоких интенсивностях ультразвука, превышающих оптимальную, дальнейшее увеличение I3в приводит к быстрому спаду выхода как звукохимических реакций [226], так и потока сонолюминесценции [227,228].
Автор монографии [202] перечисляет несколько возможных причин этого.
1. Возрастание максимального радиуса кавитационных пузырьков, которые в результате этого не успевают "схлопнуться" за половину периода ультразвука. Аналогичный эффект получается и при очень высоких частотах ультразвука (более 10 кГц), так как при этом слишком мал период колебаний давления в воде.
2. Обнаруженное в [229] резкое уменьшение скорости звука в воде, содержащей большое количество кавитационных пузырьков. Так, для дисперсии газовых пузырьков в воде, имеющих диаметр ~ 0,1 мм, при 60 кГц скорость звука оказалось всего 5-10 м/сек, то есть много меньше скорости звука не только в воде, но и в газах! При этом падает эффективность передачи энергии от ультразвукового вибратора (излучателя ультразвука) к окружающей его среде из-за перехода к сверхзвуковому движению поверхности вибратора в этой среде. Кроме того, ширина фронта звуковой волны при этом становится меньше диаметра пузырька, который тогда столь быстро
попадает из зоны разрежения в зону сжатия, что не успевает сжаться.
3. При больших разрежениях в жидкости образуется много пузырьков, заполненных только паром. Их поведение становится близким к поведению пузырьков, образующихся в перегретой жидкости при ее закипании. Переход от
газовой кавитации к паровой, отмеченный в [230] с повышением IЗе, уменьшает эффективность как звукохимических реакций, так и сонолюминесценции. В [231] обнаружено, что, начиная с определенной, достаточно высокой интенсивности ультразвука, уменьшается и средняя амплитуда соновспышек. Все это ограничивает возможности повышения выхода сонолюминесценции и звукохимических реакций.
Но нас в связи с проблемами вихревого теплогенератора больше интересует не сонолюминесценция, вызванная воздействием ультразвукового генератора на воду, о которой говорилось до сих пор, а сонолюминесценция при кавитации в потоке, возникающая без ультразвука, например наблюдаемая за винтом моторной лодки, а также в вихревой трубе теплогенератора "Юсмар" в местах обтекания потоком воды пластин тормозного устройства.
Тот же И. А. Маргулис с соавторами в 1994 г. опубликовал работу [232], в которой представлены результаты изучения энергетического выхода сонолюминесценции при кавитации в потоке, возникающей без помощи ультразвука. Центробежным насосом производительностью в гидродинамическом контуре длиной 6 м создавался поток воды с напором 30 м водяного столба. Скорость движения воды при обтекании ею препятствия в кювете, имеющей форму трубы Вентури, поддерживали в сечении кюветы над препятствием в пределах от 10 до 22 м/сек.
Наблюдаемые в кювете соновспышки имели весьма низкую интенсивность свечения. Светогидродинамический КПД с определяли как отношение суммарной мощности световых квантов, излучаемых при кавитации, к общей мощности потока, теряемой им в объеме проточной кюветы. Последняя изменялась в пределах от 200 до 1000 Вт при изменении скорости воды от 7 до 11 м/сек. При этом величина с изменялась в пределах . Это на 5 порядков величины ниже светоакустического КПД при ультразвуковой кавитации. Причиной авторы работы [232] считают то, что если в ультразвуковом поле один и тот же пузырек может за время измерений совершить много пульсаций, то при гидродинамической кавитации в потоке возникающие пузырьки только однократно попадают в зону действия пульсации давления в потоке, который вскоре уносит их из этой зоны.
До последнего времени существовало мнение, что "лишняя" энергия в вихревом теплогенераторе "Юсмар" вырабатывается исключительно в процессе сонолюминесценции при гидродинамической кавитации на тормозном устройстве вихревой трубы за счет "высвечивания энергии физического вакуума" [159]. Но ни спектрографии излучения, ни измерений его интенсивности с помощью фотоэлектронных умножителей не проводилось. Изложенное же в предыдущей главе показывает, что слухи о высвечивании "энергии физического вакуума" из кавитационных пузырьков сильно преувеличены. Ни в одном из известных экспериментов по ультразвуковому воздействию на воду (в том числе и тяжелую) выход световой энергии при сонолюминесценции не превышал энергии, вкладываемой ультразвуковыми волнами в воду. Наоборот, коэффициент преобразования акустической энергии в световую всегда был до смешного низким.
Тщательная калориметрия воды при этом никем, к сожалению, не проводилась. А световой выход сонолюминесценции, как понятно из [202], обычно определяли лишь путем регистрации фотоэлектронным умножителем светового излучения, вышедшего из кюветы, в которой рождались соновспышки. Но ведь ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра при этом поглощались водой и стеклом кюветы! Поэтому то, что зарегистрировали, - лишь малая часть от лучевой энергии, излучаемой кавитирующим пузырьком. Остальное шло на нагрев воды и стекла.
Казалось бы, что учитывая это, надо бы осуществить тщательную калориметрию. Измерить мощность потока ультразвуковой энергии, вкладываемой в кювету, и сопоставить ее с суммой тепловой энергии, выделяющейся в кювете и идущей на ее нагрев, и световой энергии, излучаемой из кюветы. Да еще учитывать энергетический выход химических реакций, идущих в кювете. То есть подвести энергетический баланс в кювете.
Вместо этого исследователи звукохимических реакций и сонолюминесценции задались узкой целью изучить лишь химию процесса. А потому ввели понятие химико-акустического КПД и стали относить выход звукохимических реакций не ко всей поглощаемой в кювете энергии акустических колебаний Еа, а только к так называемой химико-акустической энергии Еха - энергии, затрачиваемой на образование свободных радикалов. К этому исследователей побуждало и то, что химико-акустический КПД ха для многих водных систем оказался величиной постоянной, что облегчало определение химико-акустической энергии и энергетического выхода продуктов многих звукохимических реакций [202]. Для неспециалистов, не разбирающихся в химии, утрируя, можно сказать, что искали вещь не там, где она могла находиться, а там, где было легче искать.
В результате было упущено самое для нас интересное - каков баланс энергий в кювете. Понятно, что никто из исследователей до поры-до времени и предположить не мог, что этот баланс может оказаться не нулевым, что выход энергии из кюветы (за вычетом выхода от химических реакций) вдруг окажется больше того, что вкладывалось в кювету ультразвуком. Ведь о возможности ядерных реакций в кавитационных пузырьках тогда еще никто и не помышлял! В общем, основательная калориметрия не проводилась.
Лишь Л. Г. Сапогин в [159] уверяет, что доктор Гарольд Путхов, директор Американского института изучения фундаментальных проблем, проводил калориметрию, которая якобы показала, что сумма выделяемой в кювете энергии в несколько раз больше подводимой звуковой, но необходимых ссылок на публикации Путхова, увы, не сделал.
К сожалению, и разработчиками вихревых теплогенераторов "Юсмар" не были сделаны попытки измерить отдельно тот вклад в суммарный тепловой выход, который вносят процессы кавитации, в том числе и сонолюминесценция. Установлено лишь, что вода греется до температуры, большей, чем нагрелась бы при джоулевом нагреве ее тем электрическим током, который потребляет электродвигатель насоса, подающего воду в вихревую трубу. А за счет чего греется и какой из возможных механизмов нагрева вносит наибольший вклад в долю "лишнего" тепла - только гадали, не пытаясь разделить их экспериментально. Это предстоит сделать следующему поколению исследователей, которое, будем надеяться, серьезнее подойдет к экспериментированию, ибо без ясного понимания этих вопросов трудно добиться дальнейшего повышения эффективности теплогенератора.
Поначалу под влиянием Л. Г. Сапогина разработчики вихревого теплогенератора полагали, что все "лишнее" тепло в нем появляется за счет сонолюминесценции. Но, как мы уже рассказывали, в [223, 224] и в других работах было выявлено, что с повышением температуры воды до 65°С сонолюминесцентное свечение обычно затухает. А эксплуатационщиками было подмечено, что при температурах воды выше 60°С эффективность работы вихревого теплогенератора повышается! Это как-то не увязывается и с представлениями, изложенными в работе [223] и поддержанными в работе [146], о диссоциации молекулярных ассоциатов воды как процессе, необходимом для сонолюминесценции.
Так, может, основным каналом наработки "лишней" энергии в вихревом теплогенераторе является не сонолюминесценция, а что-то иное?