Creation of thermo-baromagnetic air separator and fuel combustion synergetic models, based on carbon dioxide and water absorption, compensating burnt oxygen

Zakharevich Vladislav Georgievich Doctor of Technical Science Professor, Vice-Chancellor of the South Federal University 344006, Russia, Rostov-on-Don, ul. B.sadovaya, 105 pr@sfedu.ru Matishov Gennadii Grigor'evich Doctor of Geology and Mineralogy Member of the Russian Academy of Sciences, Head of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences  344006, Russia, Rostov-on-Don, per. Chekhova, 41 ssc-ras@ssc-ras.ru

Shumeiko Viktor Ivanovich PhD in Technical Science Vice-Chancellor of Rostov State University of Construction 344022, Russia, Rostov-on-Don, ul. Sotsialisticheskaya, 162 rgsu@rgsu.ru

Одним из самых острых проявлений общего кризиса индустриальной цивилизации стало признание природоразрушающего характера созданного этой цивилизацией типа хозяйства – так называемой "рыночной экономики". Это признание стало итогом беспрецедентной Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992). Её генеральный секретарь Морис Стронг подчеркнул: "западная модель развития более не подходит ни для кого. Единственная возможность решения глобальных проблем сегодняшнего дня - это устойчивое развитие". А незадолго до этого было предложено и понятие: "Устойчивое развитие - это такое развитие, которое удовлетворяет потребности настоящего времени, но не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои собственные потребности"^[1].

Учитывая изложенное, «улавливание и захоронение СО2», в т.ч. в «геологических структурах, обеспечивающих безопасное и длительное хранение больших объемов СО2», несмотря на «исследование свойств и поведения захороненного СО2 при подземном хранении, влияющих на подповерхностные процессы», а также «разработку технологии геофизического и геохимического мониторинга», включая «оптимальные способы захоронения и переработки носителей парниковых газов для регионов», не есть решение проблемы удаления парниковых газов «и минимизации ущерба окружающей среде на региональном уровне», а является перекладыванием решения поставленной научной задачи на будущее поколение.

Именно поэтому в настоящем проекте предлагается синергетический подход в решении поставленной на Конкурс задачи, научный задел по которому принадлежит русским ученым С.А. Подолинскому (1850-1891) и академику В.И. Вернадскому (1863-1945), чьё наследие было развито многими учеными мира в прошлом столетии, и, как показывают результаты наших исследований, может быть реализовано в ХХI веке ^[1-5].

Первый, кто попытался оценить количество наличной энергии, приходящейся на одного человека в год на различных этапах развития общества, был немецкий ученый Эдуард Захер (1834—1903). По его расчетам дикарь располагал 3·106 ккал/чел. в год, кочевник - 6·106, крестьянин -14·106, а его современник в Центральной Европе конца XIX в. - 20,3·106 ккал/чел. в год. Богатство нации Э. Захер определял через величину энергии, возвращенной в общество, а настоящими капиталистами он считал растения, усваивающие солнечную энергию согласно законам природы: «растения-это единственный капитал, который растет согласно законам природы, все другие растут вопреки им» ^[2].

Говоря о капитале, способе производства и потребления Запада, как общей модели развития, Я.Тинберген сформулировал «Рио-де-Жанейровский отказ от рыночной экономики» следующим образом: «Такой мир невозможен и не нужен. Верить в то, что он возможен - иллюзия, пытаться воплотить его - безумие. Осознавать это - значит признавать необходимость изменения моделей потребления и развития в .. мире» ^[6].

Более подробно идеология индустриализма проанализирована в рамках гранта РГНФ ^[7], что позволит, с учетом результатов исследований последних лет ^[8-25], обобщить результаты фундаментальных и прикладных исследований в области безопасности жизнедеятельности, энергосбережения и рационального природопользования и доказать оптимальность предлагаемых моделей, сущность которых кратко изложена ниже.

В связи с неоправданной дифференциацией фундаментальных и прикладных наук в прошлом столетии, в XXI веке обретает актуальность синергетика ^[1,3,10,21], призванная устранить образовавшуюся «междисциплинарную и философскую брешь» между настоящим (из-за отсутствия «Диалектики техносферы» и необходимости обновления «Диалектики природы») и будущим («Диалектикой ноосферы»).

Дело в том, что человек постоянно стремится заменить техникой те функции, которые ему самому приходится выполнять, либо которые он не может выполнить совсем. Поэтому, применяя диалектический метод, нетрудно показать, что человек и техника представляют диалектическое единство противоположностей^[21]. Они едины: человек уже не может осуществлять свою жизнедеятельность без техники, которая является его «искусственными органами», а техника не может возникнуть, «жить и действовать» без человека. Но человек и техника не только едины, а и противоположны: идеи и труд человека материализовались в технике и прибрели форму объективной реальности, существующей вне и независимо от сознания людей. В гносеологическом отношении техника противостоит человеку и его сознанию, т.к. порожденная им, она приобретает относительную самостоятельность в своих действиях и движениях, независимость в своем бытии, причем ее независимость по отношению к человеку возрастает вместе с техническим прогрессом. И если мы видим, что «продукт научно-технического прогресса» (НТП) становится враждебным по отношению к природе и индивиду, т.е. приносит материальные и социальные потери, то за таким «продуктом» следует искать человека или социальную группу людей (разработчиков, законодателей, чиновников и т.д.), заинтересованныхв содеянном, или просто виновных - «по недомыслию» ^[1,3,21].

В связи с этим становится очевидным, что «разработка технологических решений по улавливанию и захоронению СО2 с использованием передовых технологий сжигания топлив в химических циклах», т.е. решение научных задач в области безопасности жизнедеятельности, и энергосбережения необходимо проводить не в соответствии, а вопреки современным тенденциям НТП, которые, к сожалению, не соответствуют фундаментальным наукам о природе, т.к. выражают развитие прикладных наук и техники, удовлетворяющих, в основном, потребительские парадигмы существующихобщественно-экономических формаций ^{[1,3,10,23-29]}.

Чуть более 100 лет назад компанией «Форд» были выпущены первые серийные автомобили, а сегодня 520 миллионов автомобилей, произведенных за последние 50 лет, выжигают ежегодно 11,89 миллиардов тонн кислорода из 56,63 миллиардов тонн воздуха, выбрасывая в атмосферу 10,91 миллиардов тонн углекислого газа и 4,46 миллиардовтонн воды ^[24]. Практически с такой же скоростью нарастало аналогичное «потребление и выделение» теплоэнергетикой ^[30]. Парадоксально, но факт – выжигание кислорода до настоящего времени не считается вредным, т.к. ни в одном государстве мира нет ни методологии оценок вреда от этого, ни экономических и физических мер по компенсации этих процессов, как впрочем, и по выбросам СО2 и Н2О ^[24,31]!

Мы построили модель автотранспортных выбросов с момента начала серийного производства автомобилей и получили практически одинаковый результат с моделью П. Джоунса и Томa М.Л. Уигли глобального потепления из-за «парникового эффекта» ^[31], если добавить к автомобильному транспорту - железнодорожный, водный и аэрокосмический, а затем удвоить результат, учитывая таким образом выбросы тепловой энергетики (рис.1)

Только «эффект парника» оказался совсем не причем, т.к. «простая арифметика» показывает, что прирост массы атмосферы «за счет сгорания геосферы»(топливо транспорта, ГРЭС и ТЭЦ), увеличиваясь ежегодно, составляет в настоящий момент 10,44 миллиарда тонн в год: 6,96 миллиардов тонн – транспорт и теплоэнергетика плюс ещё 3,48 миллиарда тонн – дыхание и питание 6-ти миллиардного населения планеты. После чего «простая физика» говорит: если за истекшие 100 лет среднее атмосферное давление (Р) не изменилось, а масса и, следовательно, объем (V) постоянно увеличивается, то в соответствии с уравнением Клайперона (Ван-дер-Ваальса - для реальных газов) должна увеличиваться температура (T):

PV = RT [или (P + a/V2)·(V – b)= RT],где R – газовая постоянная (1)

Рисунок 1. Модели «парникового эффекта» и выбросов автотранспорта

А дальше вступает в дело уже не «простая физика», а термодинамика, которой ничего не остается, как приводить нашу атмосферу в равновесное состояние, т.е. «перемещать и перемешивать» прибывающие массы выбросов вместо выжигаемого кислорода с помощью ветров, ураганов и бурь, выравнивая их концентрации и плотности, а избыток воды «сбрасывать нам на головы» в виде града, снега и дождя, в результате которых - наводнения, сели и снежные лавины, которые наносят обществу огромный социально-экономический ущерб, а воспринимаются - как изменения климата ^[23,32].

Сети дорог и тротуаров, покрытий зданий и сооружений, которые архитекторы и строители делают открытыми, имеющими значительные коэффициенты черноты, завершают формирование энтропии, поднимая турбулентность атмосферы своими конвективными потоками, не хуже, чем это происходит в «долине смерти» на стыке штатов Невада и Калифорния, или в «Аллее торнадо» районов Миссисипи и Огайо ^[4,9,23].

Предлагаемая в настоящем проекте синергетическая модель должна устранить основную причину происходящего, которая заключается, по нашему мнению в том, что все существующие в мире стандарты и нормы, ориентированы на рассеивание выбросов (транспорта, ГРЭС и ТЭЦ) с помощью устройств выхлопа отработавших газов и строительства «дымовых труб» соответствующей высоты. Этонарушает три основных природных цикла, обеспечивающих жизнедеятельность на нашей планете: суточно-сезонный цикл круговорота кислорода в системе атмосфера-биосфера-гидросфера, сезонно-годовой цикл круговорота воды в системе атмосфера-геосфера/гидросфера и семилетний цикл круговорота углерода в системе атмосфера-биосфера-геосфера/гидросфера, т.к. транспорт и ТЭЦ, «сжигая геосферу»(углеводородное топливо), выбрасывают воду и углерод (окислы углерода) в атмосферу ^[23,30,31].

Следовательно, модель должна включать в себя следующие основные блоки и компоненты:

законодательно-нормативный блок, регламентирующий, во-первых, процессы локализации, поглощения и переработки выбросов, а не их рассеяние, во-вторых, процессы возвращения углерода и воды в геосферу, в третьих, и это – главное, компенсацию выжигаемого кислорода, т.е. генерацию его в атмосферу в количестве равном использованному при сжигании топлива;

физико-химические компоненты, осуществляющие, во-первых, оптимальные процессы реакции топлива и окислителя (горения), включая необходимый контроль параметров до и после реакции, во-вторых, процессы поглощения и утилизации токсичных соединений и пылевых компонент в продуктах горения, а в-третьих, процессы переработки утилизированных химических элементов и соединений на предмет их вторичного использования;

технические компоненты, обеспечивающие, во-первых, процессы хранения, подготовки и подачи топлива в зону горения, включая необходимый контроль параметров до и после указанных процессов, во-вторых, процессы вывода продуктов горения в устройства поглощения и утилизации токсичных соединений и пылевых компонент, замены поглотителей и их регенерации, с соответствующим контролем, в-третьих, процессы сепарации утилизированных химических элементов и соединений на предмет их вторичного использования;

биотехнологические компоненты, реализующие, во-первых, локальное поглощение «биотуннелями» СО2 и Н2О, содержащихся в продуктах горения после устройств их «очистки», во-вторых, компенсацию выжигаемого О2, т.е. выделение кислорода «биотуннелями» в атмосферу в количестве равном использованному при сжигании топлива, в-третьих, биогумусную и биотермическую переработку биомассы от продуктов и сезонного опада деревьев и кустарников «биотуннелей», возвращающих углерод и воду в геосферу;

экономический блок, оценивающий, во-первых, эффективность процессов сгорания топлива (сокращения потребления топлива при оптимизации горения), во-вторых, эффективность локализации, поглощения и переработки продуктов горения, включая процессы сепарации утилизированных химических элементов и соединений на предмет их вторичного использования (себестоимости очистки и утилизации продуктов горения), в-третьих, эффективность процессов поглощения «биотуннелями» углекислого газа и воды с выделением в атмосферу выжигаемого кислорода, с учетом реализации продуктов биогумусной и биотермической переработки биомассы (рентабельности биотехнологий).

Таким образом, междисциплинарный характер поставленной задачи очевиден, в связи с чем, для её решения, необходим синергетический подход.

Поглощение СО2, и Н2О биосферой с восстановлением О2 в атмосфере является хорошо известным природным процессом. Однако применение специально выведенных в России растений (например, генетически измененных льна и бесгашишной конопли, поглощающих и СО2, и СО) и методика биотехнологической компоновки системы трубопроводов выброса с вечнозелеными и сезонными кустарниками и деревьями - в «биотуннель» (вместо трубы) для поглощения выбросов и компенсации выжигаемого котельными и ТЭЦ кислорода, является «ноу-хау» проекта ^[20], которое будет защищено патентом в ходе работы.

Так же «ноу-хау» проекта, реализующее хемосорбцию и окклюзию токсичных компонент отработавших газов, сажи, золы и шума, является применение пористого алюминиевого сплава, обладающего следующими свойствами ^[5,19]: пористость в пределах 50 - 70%; удельный вес 0,7 - 1,3 г/см3; коэффициент проницаемости 10-9-10-11 м2; грязеёмкость в 5-6 раз выше, чем у традиционных сетчатых материалов; шумопоглощающие свойства в диапазоне частот от 500 до 8000 Гц близки к значениям для поролона и минераловатной плиты; температурные нагрузки до 900ºС. При этом не исключено, что возможность регенерации «патронов» пористого алюминия обработкой сжатым воздухом, паром или водой под давлением, позволит реализовать, разработанную в рамках грантов и Программ Минобразования РФ ^[19,31], модель сепарации «утилизируемого ими дорожно-транспортного вреда» и вернуть в обращение сотни килограммов ценных металлов и химических элементов (таб.1), чем существенно повысить рентабельность предлагаемых методов и средств.

В реакциях горения топливно-воздушных смесей в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и котлах теплоэлектростанций (ТЭС), теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и паровых котельных (ПК), около 80% воздуха является «балластом», повышающим вред выбросов в окружающую среду в результате физико-химических процессов с ним (появление в отработавших газах СО, NOx, СnHm и т.д.). Поэтому, в ходе выполнения исследований по Межотраслевой программе сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и АО «АВТОВАЗ» ^[31], был разработан метод термомагнитной сепарации воздуха (ТМСВ) на кислород (парамагнетик) и азот с остальными газами (диамагнетиками), позволяющий подавать в зону горения только кислород.

Таблица 1. Данные по утилизации и сепарации дорожно-транспортного вреда в Ростове н/Д

Теоретическое обоснование и математическое моделирование оценки влияния температуры, сил трения, центробежных, электрических и магнитных сил, действующих на молекулы воздуха, текущего по каналу показали, что основным механизмом сепарации кислородной и азотной компоненты в воздушной смеси необходимо считать различную величину объемной магнитной силы, действующей на азот и кислород, протекающие в канале сепаратора при наложении убывающего «поперечного» магнитного поля (рис.2), которая приведет к установлению разного пространственного распределения объемных плотностей азотной и кислородной компоненты ^[18,31].

Рисунок 2. Схема расположения магнитов и элементов Пельтье в канале

В этом случае, в пренебрежении диссипации энергии в газовом потоке, вызванного силами вязкого трения, уравнение движения газа (уравнение Эйлера), через - поле вектора скоростей газа, p - давление газа, - магнитную поляризуемость отдельной молекулы и Н - напряженность магнитного поля, можно записать в следующем виде ^[33]

(2)

Считая движение стационарным и безвихревым (потенциальным), т.е. при и

, в силу известного векторного соотношения ,

имеем

(3)

Используя уравнение состояния идеального газа , выразим плотность газа через его давление , откуда следует

(4)

или, в эквивалентном виде

(5)

Считая скорость движения газа в канале сепаратора постоянной величиной

(6)

запишем выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана

(7)

где - потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающей пара- или диамагнитными свойствами, находящейся во внешнем неоднородном магнитном поле.

Для смеси газов с различными магнитными свойствами, в силу принципа детального равновесия, все сказанное выше справедливо для каждой отдельной компоненты смеси, т.е. распределению плотности каждой отдельной компоненты в смеси газов соответствует свое собственное распределение Больцмана, в которое входит магнитная поляризуемость отдельной молекулы определенной компоненты смеси газов, потенциальная энергия которой зависит от квадрата напряженности магнитного поля внутри канала сепаратора.

Таким образом, плотность молекул газа, обладающего парамагнитными свойствами, т.е. кислорода (O2), магнитная поляризуемость молекул которого положительна, будет увеличиваться в области сильного магнитного, а плотность азота (N2) и остальных атмосферных газов, обладающих диамагнитными свойствами, магнитная поляризуемость молекул которых отрицательна, будет уменьшаться. Следовательно, оставалось найти такую конфигурацию расположения магнитов в цепочке, чтобы обеспечить независимость квадрата напряженности магнитного поля от x - координаты, изменяющейся вдоль трубы.

В качестве исходной модели был разработан сепаратор, выполненный в виде алюминиевой трубы прямоугольного сечения с размерами 2х10 см., на внешней боковой поверхности которой, помещены магниты, с чередованием расположения магнитных полюсов так, что бы обеспечить одинаковое уменьшение величины квадрата напряженности магнитного поля по направлению к противоположной поверхности, на которой установлены термоэлементы Пельтье, охлаждающие канал сепаратора (рис.3).

Моделирование длины трубы кислородного сепаратора, достаточной для разделения кислородной и азотной компонент воздушной смеси, в предположении диффузионной модели установления термодинамического равновесия ^[31,33], составило для ДВС - 7 м., что позволило сконструировать компактный ТМСВ (рис.4), «закрутив канал в спираль» (для оптимизации геометрических размеров). При этом полное отделение О2 от остальных газов получалось в тонком слое (~1 мм.) у стенки с магнитами, в связи с чем было решено создать в канале «кислородный отсек» (в 20% от объема) с помощью продольной пористой «наноперегородки-мембраны», влияющей на диффузию двумя способами ^[18].

Рисунок 3. Магнитное поле внутри канала сепаратора и пространственное распределение квадрата вектора напряженности магнитного поля (в процентах).

Рисунок 4. Чертеж сепаратора

Мембранное разделение на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов, происходит вследствие так называемой кнудсеновской диффузии, для осуществления которой необходимо, чтобы длина свободного пробега молекул была больше диаметра пор мембраны, т. е. частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул, что возможно при использовании пористых перегородок с размером пор (5-30).10-3 мкм., и используется, например, для выделения азота ^[34]. При этом, поскольку средние скорости молекул в соответствии с кинетической теорией газов обратно пропорциональны квадратному корню их масс, компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями. В результате фильтрат (пермеат) обогащается компонентом с меньшей молекулярной массой, а концентрат (ретентат ) - с большей, с коэффициентом разделения смеси:

Кр = n1/n2 =- (М2/М1)0,5, (8)

где n1и п2- числа молей компонентов, с молекулярными массами М1и М2.

Поэтому, для получения полного разделение указанных компонент, при различных скоростях воздушного потока в канале ТМСВ, было решено на расстоянии 4 мм от поверхности с магнитами вдоль канала установить перегородку толщиной 1,0 мм. из того же пористого алюминия, проницаемость поверхности которого с одной стороны можно довести до молекулярного уровня, если применить технологию плазменного напыления с помощью емкостного поперечного разряда ^[35,36].

В этом случае появлялась возможность «замкнуть» молекулы кислорода в указанном отсеке, во-первых, за счет снижения вероятности прямого попадания их «в нанодырки», во-вторых, за счет «охлаждения» при ударах о «наноперегородку-мембрану», что снижает скорость и энергию молекул, и, в-третьих, за счет «выталкивания» из «кислородного» отсека более «мелких молекул-диамагнетиков» (водорода, гелия и азота, в частности), вероятность «прохода» которых «в нанодырки» выше, в т.ч. за счет кнудсеновской диффузии. И на такую модель с измененной конструкцией в виде витка (рис.5), из которого можно собирать сепаратор в виде «трубы» любой длинны, которую можно «закрутить» и в «спираль», и в «тор», и в «тор с шагом» - была подана заявка на изобретение ^[37].

Рисунок 5. Единичный виток сепаратора

С точки зрения использования передовых технологий сжигания для жидкого топлива, в проекте помимо ТМСВ планируется применить метод ультразвукового аэрозольного распыления (МУЗА) с помощью специальных форсунок с СВЧ-догревом аэрозолей до парогазовой фазы и сверхзвуковым впрыском её в устройство сгорания ^[38].

Экономико-юридический блок должен завершить создание синергетической модели, путем разработки проектов соответствующих методик, норм, стандартов и законодательных актов, описывающих и оценивающих (на предмет экономической эффективности) все указанные технологические процессы ^[9,18-31], включая необходимые затраты на обеспечение методов и средств безопасности (экологической, производственной, пожарной и т.д.). При этом уместно привести сопутствующую эффективность использования ТМСВ, который, помимо режима «бесконечного» источника кислорода, необходимого для полного сгорания топлива, реализует режим «бесконечного» источника охлажденного азота, который, являясь инертным и отличным огнетушащим составом, может быть использован и в системах охлаждения (ДВС, котлов и т.д.), и в системах противопожарной защиты, чторезко снизит вероятность пожаров и социально-экономических потери от них, т.к. в отличие от воды, азот не повреждает ни имущество, ни электрооборудование, ни радиоэлектронные приборы и компьютеры, в т.ч. в «соседних с пожаром» помещениях, и может ингибировать возникающую пожароопасную среду с оповещением о снижении концентрации кислорода в ней, не допуская тем самым воспламенения и пожара ^[39-42].

Синергетический подход будет использован и в самом экономико-юридическом блоке, по аналогии с приведенными моделями ^[21-25] и с использованием разработанных теорий, систем, подходов и комментариев ^[43-51], для дорожно-транспортной инфраструктуры в частности.

Дело в том, что дорожно-транспортные инфраструктуры представляют собой «смесь» публичных и частных благ. Социальная несправедливость «этой смеси» резко возрастает именно в условиях общественно-экономической формации капиталистического типа и рыночной экономики, т.к. на публичных благах, построенных за счет налогов: дорогах, подземных переходах, площадях, парках и т.д., начинают получать частные и коллективные блага (прибыли) отдельные лица и компании: платные стоянки, бензоколонки, рекламные щиты, рынки, торговые павильоны и ларьки, частный маршрутный и грузовой транспорт и т.д., нанося своей деятельностью вред, как самому публичному благу, так и окружающей среде, и, не компенсируя его при этом ^[24,44].

Однако, несмотря на то, что в современной экономической теории нет четкой границы между публичными и частными благами, закон Вагнера и мировая тенденция производства публичных благ свидетельствуют о том, что в течение последнего столетия их доля в ВВП стран стабильно увеличивается и к производству публичных благ (строительство дорог, парков и скверов, городской транспорт) все шире привлекаются частные компании ^[52,53]. Следовательно, дифференцируя «дорожно-транспортный вред и производящую (потребляющую) его инфраструктуру», можно, во-первых, ввести и определить понятия публичного, коллективного и частного вреда, во-вторых, найти критерии разделения публичных и частных благ и вреда внутри инфраструктуры, и, в-третьих, построить модели их оценки и компенсации так, чтобы себестоимости публичных (частных) благ (вреда) стали бы определены. Тогда вводя и оптимизируя по Линдалу адаптивный дорожно-транспортно-экологический налог (АДТЭН), величина которого изменяется для индивида в соответствии с произведенными и потребленными благами и вредом, и, распределяя средства «внутри дорожно-транспортной инфраструктуры», где налогооблагаемая база «живет и функционирует», получим искомый результат ^[24,44].

Нетрудно показать с помощью гипотезы Тибу и модели Бьюкенена ^[52,54], что АДТЭН должен быть только "местным налогом" ("клубным"-районным, городским, но не федеральным), зависящим от конкретной "дорожно-транспортной инфраструктуры" района, города. Тогда, в соответствии с моделями бюрократии Нисканена и Розенталя ^[52,53], резко изменяются граничные условия "существования чиновников от дорожно-транспортной инфраструктуры", а с помощью модели Буатье ^[55] может быть осуществлено городское регулирование цен на топливо и проезд в городском транспорте.

Если при этом решить задачу адаптивной маршрутизации и движения городского пассажирского транспорта в соответствии с плотностью пассажиров на остановках города, с использованием, например методов теории массового обслуживания и приближенного решения дифференциальных уравнений плотности транспорта на маршрутах ^[56-58], то появляется возможность реализации "бесплатного проезда" на городском транспорте (как публичного блага). Тогда, преобразуя "равновесную модель" экономики Эрроу-Дебре по аналогии с решением Стиглица, являющимся Паретто-оптимальным ^[52], и в соответствии с Линдаловским квазиравновесием ^[53], получим модель хронобиофизической экономики дорожно-транспортной инфраструктуры, как макросистемы ^[24,44].

Модель является инверсной к аналогичному решению Стиглица для модели экономики Эрроу-Дебре ^[52]:

E = {Y,[ui(ci), wi ]Ni=1}, (9)

где Y=(y1..yl) - множество возможностей производства дорожно-транспортного вреда;

ui(ci)=1/fi(A,D,C,D,E,F) -функция дорожно-транспортного вреда i-го агента;

wi - запасы «дорожно-транспортного вреда» i-го агента.

Аналогично продуктам рассматривается расширенное множество потребителей дорожно-транспортного вреда (минимум которого приводит к максимуму функции ui ):

{ 0,…,0 y, 0,… , 0 }

{ -1,…,0 w1 - c1, u1(c1),..., 0 }

{ … …., … ... } (10)

{ 0,…,-1 wN - cN, uN(cN),...,0 }

N l N

где {-1,…,-1 0,…,0 max,…,max }ÎZ - вектор ограничений;

ZÎRN+l+1– выпуклая замкнутая оболочка (огибающая векторов).

Функционалы fi(A,B,C,D,E,F) дорожно-транспортного вреда, которые характеризуют конкретную дорожно-транспортную инфраструктуру, выводятся после сбора данных и отработки решений следующей системы неравенств ^[31]:

где А1 – количество грузовых автомобилей, зарегистрированных в городе (единиц);

А2– количество легковых автомобилей, зарегистрированных в городе (единиц);

А3 – количество проживающего в городе населения (человек);

А4 – площадь города (кв.км.);

А5 – площадь существующих зеленых насаждений (гектар);

А6 – среднегодовое количество «сухих и солнечных» дней в городе (дней);

А7 – среднегодовое число ДТП в городе (происшествие);

А8 – количество зарегистрированных в городе водителей (человек);

А9 – количество зарегистрированных в городе предприятий и организаций (юр.лицо);

В1 – средний расход топлива грузового автомобиля в городе (л/км.);

В2– средний расход топлива легкового автомобиля в городе (л/км.);

В3 – количество «вреда ДВС» при сгорании условной тонны топлива;

В4 – уравнения образования «дорожно-транспортной» пыли в городе за год;

В5 – уравнения поглощения элементом ФАНГ «вреда ДВС» при сгорании топлива;

В6 – уравнения поглощения элементом ВФУ-ТМСВ «дорожной» пыли;

В7 – уравнения образования материального и морального ущерба от ДТП за год;

В8 – поглощение зелеными насаждениями «дорожно-транспортного вреда»;

В9 – уравнение «адаптивного дорожно-транспортно-экологического налога»;

Сi (i=1,…n)–извлекаемое содержание C,Ag,Co,V,Mo, Sr из топливной золы и сажи;

(i=n+1,…2n) – извлекаемое содержание тех же компонент из дорожной пыли.

Сj (j=1,…n) – удельное содержание C,Ag,Co,V, Mo, Sr и др. в топливной золе и саже;

(j=n+1,…2n) – удельное содержание тех же компонент в дорожной пыли;

Сk (k=1,…n) – число регенерационных циклов элементов ФАНГ по типам АТ;

(k=n+1,…2n) – число регенерационных циклов элементов ВФУ-ТМСВ по АТС;

Cl(l=1,.,,p) – плотность «целевой обсадки дорог l типом деревьев и кустарников»

Di (i=1,…n) – стоимость реализации C,Ag,Co,V, Mo, Sr из топливной золы и сажи;

(i=n+1,…2n) – стоимость реализации тех же компонент из дорожной пыли.

Dj (j=1,…n) – затраты на извлечение 1 кгC,Ag,Co,V, Mo, Sr и др. из золы и сажи;

(j=n+1,…2n) –затраты на извлечение тех же компонент из дорожной пыли.

Dk (k=1,…n) – затраты на демонтаж и установку элементов ФАНГ по типам АТ;

(k=n+1,…2n) – затраты на демонтаж и установку элементов ВФУ-ТМСВ по АТС;

Dl (l=1,.,,p)– стоимость «целевой обсадки дорог l типом деревьев и кустарников»

Ei(i=1,…m) – единовременные затраты на создание необходимых производственных мощностей по переработке «дорожно-транспортного вреда» в “m” районах города

Fi(i=1,…m) – удельные единовременные предпроизводственные затраты на создание производственных мощностей по переработке «дорожно-транспортного вреда» в “m” районах города, включая изготовление и установку на каждый автомобиль устройства ультразвуковой электрической обработки топлива (УЗЭТ), фильтра-адсорбера- нейтрализатора-глушителя (ФАНГ) и воздушного фильтра утилизатора-термомагнитного сепаратора воздуха (ВФУ-ТМСВ).

H- хронобифизический параметр экосистемы (время «набора проектной мощности целевой обсадкой дорог деревьями и кустарниками» в городе - 7 лет), обратная величина которого становится нормативным коэффициентом окупаемости единовременных затрат.

В 1-м неравенстве системы первые два слагаемых левой части характеризуют годовой доход от реализации «полученной продукции»: первое слагаемое - реализацию от «утилизированных ФАНГ компонентов вреда» при среднегодовых параметрах сгоревшего топлива и пробега грузовых и легковых автомобилей; второе слагаемое - реализацию от «утилизированных ВФУ-ТМСВ тех же компонентов вреда» при тех же среднегодовых параметрах; четыре следующих «вычитаемых» характеризуют годовые текущие затраты: третье – на извлечение «утилизированных ФАНГ компонентов вреда»; четвертое - на извлечение «утилизированных ВФУ компонентов вреда»; пятое – на регенерацию и восстановление элементов ФАНГ; шестое – на регенерацию и восстановление элементов ВФУ-ТМСВ; в правой, оптимизирующей части неравенства – сумма единовременных затрат умноженная на коэффициент окупаемости: первое слагаемое характеризует единовременные затраты с учетом «районирования» производственных мощностей по переработке «дорожно-транспортного вреда», в соответствии с ежедневной «плотностью водительского состава населения» в районах города, а второе – сумму единовременных затрат на проектирование, строительство и освоение «производства утилизации дорожно-транспортного вреда» через «удельные параметры», относимые к каждому автомобилю, т.к. включает в себя затраты на приобретение и установку в автомобиль комплекта: УЗЭТ, ФАНГ и ВФУ-ТМСВ.

2-е неравенство системы устанавливает условие сопряжения сроков окупаемости затрат, «выхода биообсадки дорог города на проектную мощность» поглощения «дорожно-транспортного вреда» и размеров АДТЭН:

- левая часть неравенства характеризует минимум затрат на «целевую обсадку дорог» в течение интервала времени «выхода ее на проектную мощность», в соответствии с «остатком вреда» не утилизированного существующей экосистемой;

- центральная часть неравенства характеризует прямой и косвенный материальный и моральный ущерб физических и юридических лиц города от ДТП, куда входят и «экологические потери», не учитываемые в настоящее время в полной мере;

- правая часть неравенства характеризует доход от «адаптивного дорожно-транспортного налога», вводимого вместо всех существующих, включая «автогражданку».

Вычисления осуществляются от граничного значения хронобиофизического параметра H=7(обратная величина которого является коэффициентом окупаемости затрат), характеризующего 7-летний срок круговорота атмосферного углерода через наземную биоту, до получения оптимальных параметров.

Принимая во внимание результаты проведенных исследований, были получены предварительные оценки (таб.1) рентабельности сепарации «дорожно-транспортного вреда» в г. Ростове-на-Дону и соответствующие коэффициенты (Ci,Cj,Di,Dj,Ei,Fi) ^[31,58].

Результаты имитационного моделирования существующей системы контроля и управления дорожным движением в г. Ростове-на-Дону в сравнении с городской макросистемой «КАСКАД» (упрощенный расчет для любого города доступен на сайте http://titan.ip.rsu.ru в режиме “on line”) приведены в таблице 2 ^[58].

Полученная в результате моделирования такая колоссальная эффективность - результат не только «виртуального» внедрения «биоархитектуры», новых технических средств и экономико-правовых мер, а в первую очередь доказательство «убыточности» существующей системы обеспечения безопасности дорожного движения, т.к. косвенный материальный ущерб, наносимый населению города и составляющий около 1 млрд. руб. в год (п.1.6.2/8 + п.1.6.2/9) - никем, нигде и никогда не учитывался. Это еще раз свидетельствует о несоответствии технических, административно-правовых и экономических мер компенсации вреда, наносимого городу его дорожно-транспортной инфраструктурой, дополнительным доказательством чему служит, на наш взгляд, моральный ущерб, превышающий 1,5 млрд. руб. в год (п.1.6.3/8 + п.1.6.3/9).

Введение адаптивного дорожно-транспортно-экологического налога (АДТЭН) позволит сформировать средства на создание, развитие и поддержание функционирования системы «КАСКАД» ^[57], размер которых составляет (таб.2) более 2,5 млрд. руб. в год (п.1.8/6,7,10,11), что в 27 раз превышает сумму существующих ежегодных налогов и сборов (п.1.9/4,5,8,9). При этом показано, что ни объем двигателя, ни «его лошадиные силы» (что общепринято в России и за рубежом) не могут определять транспортный налог, т.к. вред окружающей среде наносится видом и количеством сгоревшего топлива, а также весом, колесной формулой и скоростью передвижения транспортного средства ^[24,31].

Оптимальность и адаптивность АДТЭН заключается в четком разграничении, учете и компенсации дорожно-транспортного вреда «налогооблагаемой базой», а именно ^[44,58]:

продавцом (производителем) горючего - пропорционально виду и количеству реализованного горючего (компенсируется половина «стоимости вреда» за выпуск в обращение потенциально опасной продукции, наносящей вред при использовании),

владельцем автомобиля – пропорционально количеству тонно-километров пробега (компенсируется вред, наносимый дорожному покрытию) и израсходованному топливу (компенсируется вторая половина «стоимости вреда» за использование потенциально опасной продукции, наносящей вред),

владельцем дорог - пропорционально «дефектности дорожного покрытия» (компенсируется вред, наносимый владельцам АТ за неудовлетворительное качество дорожного покрытия),

водителем - суммой штрафов за нарушения Правил дорожного движения и других законодательных актов, регулирующих эксплуатацию АТС.

Полученные оценки (таб.2): суммарного среднегодового ущерба существующей системы обеспечения безопасности дорожного движения в г. Ростове-на-Дону, составляющего более 4,5 млрд. руб. в год (п.1.6/4 +п.1.6/5 +п.1.6/8 +п.1.6/9) и его снижения до 700 млн. руб. при внедрении «КАСКАД» (п.1.6/6 +п.1.6/7 +п.1.6/10 +п.1.6/11), помимо высокой эффективности разработанных моделей, свидетельствуют об отсутствии в существующей системе - учета прямого и косвенного материального и морального ущерба, наносимого владельцам автотранспортных средств, который «растворяется» в не учитываемых потерях «юридических и физических лиц» и составляет более 1,2 млрд. руб. в год (п.1.6.1/4+1.6.2/4+1.6.3/4+1.6.1/5 +1.6.2/5+1.6.3/5).

Таблица 2. Расчет эффективности «виртуального внедрения «КАСКАД» в Ростове н/Д

Аналогично расчету модели «КАСКАД» для любого города (района) в режиме “on line”, планируется алгоритмизировать модель АСПБЖД, начиная с прогноза применения ТБМСВ, как «бесконечного источника огнетушащего состава» (БИОТС):

- на автомобилях «скорой пожарной помощи» (АСПП), что уменьшит время прибытия к месту пожара, т.к. скорость движения АСПП (на УАЗах или ГАЗелях) в 1,5 раза выше автоцистерн легкого и тяжелого типа, а также сократит ущерб от пожаров, т.к. сепарированный азот, в отличие от воды, не повреждает ни имущество, ни электрооборудование, ни радиоэлектронные приборы и компьютеры, в т.ч. в «соседних с пожаром» помещениях [39-41,64],

- в сельских населенных пунктах и с/х объектах, удаленность которых от единственной ПЧ в районном центре достигает 50 км, и, следовательно, время прибытия измеряется уже не минутами, а часами ^[42],

- в автоматизированных системах противопожарной защиты объектов повышенной опасности (ТЭЦ, котельные и т.д.), т.к. сепарированный азот может ингибировать возникающую пожароопасную среду в оборудовании и технологических процессах, с соответствующим оповещением персонала о снижении концентрации кислорода в них, не допуская тем самым воспламенения и пожара [25-30,60,67].

Расчет социальных эффектов при «виртуальном внедрении» АСПБЖД в техносфере города (населенного пункта) по разработанным моделям (набор которых будет «включаться пользователем»), будет выполняться с помощью получения коррелированных распределений Эрланга (рис.6) из существующей статистики пожаров ^[28,67]:

Рисунок 6. Гистограммы и распределения Эрланга при коррелированной выборке данных о пожарах по времени свободного горения (до прибытия ПЧ).

F = 1 – (1 + 2t /ts +2t2/ts2 ) ·exр(-2t /ts), (12)

(13)

y = 4 ·t2 ·exр(-2t /ts)/ ts3,

(14)

где ts - арифметическая средневзвешенная времени выборки (обнаружения пожара, прибытия, локализации и т.д.), равная математическому ожиданию распределения Эрланга,

vi -значение вектора исследуемого параметра (пожар, гибель, ущерб и т.д.),

ti -величина интервала времени выборки,

i -интервалы времени выборки, начиная с нулевого,

n - количество интервалов времени с длительностью в геометрической прогрессии со знаменателем 2.

В этом случае эффективность применения ТБМСВ и других моделей решения оперативно-тактических задач, легко определяются разностью между первообразными функцями Fvi существующих и новых распределений Эрланга, у которых изменяются математические ожидания, в соответствии с сокращением соответствующих времён свободного горения (обнаружения, сообщения, прибытия и локализации пожара) ^[28].

В ходе выполнения проекта планируется алгоритмизировать и выставить на сайт в набор, «включаемый пользователем», модель зависимости пожаров и последствий от них от энергопотребления (рис.7), а также модели противопожарной защиты жилья (рис.8), включая модель системы противопожарно-энергетического налогообложения (САПЭН), с помощью которой они могут быть реализованы ^[25].

Рисунок 7. Корреляция потребления электроэнергии и последствий пожаров в Новороссийске

Рисунок 8. Источники и причины пожаров и потерь от них в Новороссийске

Обоснование целесообразности самостоятельного проведения исследований в указанных аспектах заключается в том, что, во-первых, используемые теории, модели и методы разработаны в России и не имеют зарубежных аналогов, а во-вторых, только предлагаемой кооперации ВУЗовской и Академической наук (естественнонаучных, технических, градостроительных и т.д.), по нашему мнению, «под силу» решение такой междисциплинарной проблемы.

Характеристика ожидаемого результата.

1. В результате выполнения работ будет доказана ошибочность ограничения выбросов так называемых «парниковых газов», в т.ч. концепции Киотского Протоколав части ограничения и «квотирования» выбросов на предмет торговли «квотами» между странами-участниками, и разработана новая био-транспортно-пожарно-энергетическая парадигма – «биоархитектура техносферы», позволяющая сократить на порядок социально-экономические потери в существующих дорожно-транспортно-энегетических инфраструктурах, а также уменьшить вдвое потребление углеводородного топлива в теплоэнергетике и на транспорте и главное - реализовать восстановление кислорода, выжигаемого из атмосферы ^{[3,8,13,18-30,57-59]}.

Эти доказательства будут вытекать из глубокого анализа фундаментальных и прикладных исследований прошедшего столетия и последних лет, которые позволят обосновать «бесконечность» источников углеводородного сырья на Земле [12-17,59], при условии извлечения их из недр планеты с установленной скоростью миграции ^[17], что можно трактовать как открытие, «закрывающее» общепринятое мнение об «энергетическом коллапсе и гибели человечества» через 100 лет, в связи с ограниченностью и истощением природных ресурсов, которое в условиях рыночной экономики (в «корыстных интересах или по недомыслию») «беспардонно толкает» фундаментальную науку на «ускоренное освоение» не безопасной атомной и термоядерной энергии.

2. В ходе выполнения проекта предполагается отработать и испытать схему и конструкцию макета термобаромагнитного сепаратора воздуха (ТБМСВ), который, во-первых, реализует режим «бесконечного» источника кислорода, необходимого для полного сгорания любого топлива, а во-вторых, режим «бесконечного» источника охлажденного азота, который, являясь инертным и отличным огнетушащим составом, может быть использован в системе охлаждения ДВС, в основных и вспомогательных подсистемах автомобиля (в газовой подсистеме тормозов, подкачки шин, пожаротушения и т.д.), что повысит долговечность и безопасность эксплуатации транспортных средств [2-5,9,19,21-24,31,44,58], оснащенных им, а также решит аналогичные проблемы экологической и пожарной безопасности» ТЭЦ ^{[10,11,18,20,25-30,39,50,60]}.

3. В ходе выполнения проекта предполагается разработать расширенное ТЭО создания системы «ПАРСЕК» (система Противопожарная, Адаптивная, Регулирования и Сепарации энергетического врЕда и Компенсации выжигаемого кислорода) для Ростовской ТЭЦ-3, как демонстрационного объекта применения ТБМСВ, ФАНГ и биотехнологий в теплоэнергетике ^[60].

4. В ходе выполнения проекта предполагается доработать расширенное ТЭО создания макросистемы «КАСКАД» (Коммуникационной Адаптивной Системы Контроля Автомобильного Движения) в г. Ростове-на-Дону, как пилотного проекта применения ТБМСВ, ФАНГ и биотехнологий для автотранспорта ^[58].

5. В ходе выполнения проекта будет создан (реконструирован) сайт с “on-line” расчетами ^[61,62]:

- энергосбережения и ущерба окружающей среде и населению района, города при «виртуальном внедрении» системы «ПАРСЕК» в котельной или ТЭЦ;

- энергосбережения и ущерба окружающей среде и населению при «виртуальном внедрении» макросистемы «КАСКАД» в дорожно-транспортной инфраструктуре города (населенного пункта);

- энергосбережения и ущерба окружающей среде и населению) при «виртуальном внедрении» адаптивной системы пожарной безопасности жизнедеятельности (АСПБЖД) в техносфере города (населенного пункта);

- социальных эффектов (суммированием набора предварительно рассчитанных систем) при «виртуальном внедрении биоархитектуры» города (населенного пункта).

6. В качестве оценки перспектив постановки прикладных НИР или ОКР (ОТР) на основе экспериментально подтвержденных результатов предлагаемого исследования, считаем возможным использовать выводы, проведенных НИР по данному направлению [2-5, 9-11,18-25,37-42,58,60-67]:

а) дальнейшая оптимизация метода термомагнитной сепарации воздуха, путем предварительной очистки воздуха вихревыми модулями Азарова при одновременном охлаждении ими канала сепаратора ^[63], с созданием градиента давления между «кислородным» и «азотным» отсеками, позволит повысить эффективность сепарации, а сепарированный азот применить в системах противопожарной защиты транспортных средств и объектов теплоэнергетики ^[39];

б) разработка мобильных модификаций ТБМСВ по использованию сепарированного азота для тушения пожаров, позволит, помимо создания автомобилей «скорой пожарной помощи» с «бесконечным» источником огнетушащего состава ^[41,64], может принципиально изменить всю существующую систему противопожарной защиты городов ^[40] и населенных пунктов ^[42], построенную на использовании противопожарного водопровода и других водоисточников, т.к. более 70% пожаров, происходящих в жилом секторе, могут быть локализованы и ликвидированы азотом, который, в отличие от воды, не повреждает ни имущество, ни электробытовые приборы и радиоэлектронику, ни драгоценности и вещи, в т.ч. в «соседних с пожаром» квартирах ^[25];

в) тиражирование систем «ПАРСЕК» на котельные и ТЭЦ регионов наиболее крупных эмитентов CO2, и макросистем «КАСКАД» - на региональные центры, крупные города и дорожно-транспортные инфраструктуры с интенсивным движением транспортных средств, позволит не только остановить деградацию атмосферы в России и сократить социально-экономические потери на порядок ^[58,60], но может существенно повлиять на климат планеты, что потребует проведения фундаментальных и крупномасштабных прикладных исследований.

7. За оценку социально-экономических эффектов от использования НТП, созданной в результате данного исследования, можно взять результаты НИР (таб.2) по дорожно-транспортной инфраструктуре Ростова н/Д ^[58] и результаты НИР (таб.3) по ТЭЦ ^[60].

В отличие от «затратной природы» реализации требований конкурсной документации (п.2.3.4. «общие затраты на удаление СО2 – не более 400 руб. за тонну» и п.2.3.5. «затраты на захоронение на уровне 100 руб. за тонну СО2»), которые, например, для дорожно-транспортной инфраструктуры Ростова н/Д составят (таб.2) 24,96 млрд.руб. в год (на удаление) и 6,24 млрд.руб в год (на захоронение) соответственно, в предлагаемом проекте единовременные затраты на «биоархитектуру» Ростова-на-Дону, оцениваемые в 14,49 млрд.руб. ^[58], и в 650,0 млн.руб. – на внедрение систем «ПАРСЕК» на всех Ростовских ТЭЦ и котельных ^[60], окупаются за 8,3 года.

Иными словами, предлагаемая синергетическая модель (в сравнении с конкурсными требованиями) только в Ростове-на-Дону «сэкономит» за 8 лет более 225,0 млрд.руб. на удаление углекислого газа («бесплатно уберет» дорожно-транспортную пыль и воду, а также восстановит выжигаемый кислород), и окупив за это время около 15,0 млрд.руб. единовременных затрат на своё создание, за счет реинвестирования адаптивных налогов (дорожно-транспортно-экологического и пожарно-энергетического), станет приносить ежегодную «прибыль» более 2,0 млрд.руб, сокращая число погибших и травмированных в техносфере города, а также материальные и экологические потери в ней^{[24,25,58,60,65-67]}.

Таблица 3. Сравнительные параметры котельных и мини-ТЭЦ с системой «ПАРСЕК»

Примечание: «+» - наличие; «-» - отсутствие

8. В выполнение проекта участники вкладывают собственные и привлеченные денежные средства, материальные и нематериальные активы в размере 2,9 млн.руб., что составит 23,4% от общего объема финансирования (12,4 млн.руб.), а именно:

ЮФУ – 1,8 млн.руб. в виде материальных и нематериальных активов (макет сепаратора, испытательный стенд и программное обеспечение к нему – 1,0 млн.руб., Фурье-спектрометр и программное обеспечение к нему - 0,5 млн.руб., отчет о НИР «БАКСАН» рег..№ 02.06.004 – 0,3 млн.руб.);

РГСУ – 1,1 млн.руб. в виде денежных средств – 0,5 млн.руб. и нематериальных активов – 0,6 млн.руб. (отчеты о НИР «ПАРСЕК» и АСПБЖД).

Головной исполнитель проекта – Южный федеральный университет, является крупнейшим университетом России, в научно-исследовательских организациях которого (НИИ физики, НИИ физической и органической химии, НИИ проблем углеводородного сырья, НИИ механики и прикладной математики, Институте геоэкологии и ЧС, НИИ геохимии биосферы, НИИ экономических и социальных проблем, Институте права и управления, НКТБ «Пьезоприбор» и «НПТЦ ОКТАЭДР») разработаны модели, методы и макеты, используемые в настоящем проекте;

Соисполнитель проекта – Южный научный центр РАН является ведущим научным центром на Юге России, разработавшим (совместно с учеными университета) метод, технологию и установку плазменного напыления в ёмкостном поперечном разряде, на которой будет формироваться «наноперегородка-мембрана» термомагнитного сепаратора воздуха;

Соисполнитель проекта – Ростовский государственный строительный университет является признанным лидером отечественных («гражданских») ВУЗов в области промышленной и пожарной безопасности (первый университет, который «разрушил военизированную монополию» МВД и МЧС в подготовке и выпуске инженеров по специальностям: пожарная безопасность, защита в чрезвычайных ситуациях, безопасность технологических процессов), выпускающий специалистов, в т.ч. высшей квалификации по инженерной защите окружающей среды, теплоснабжению и вентиляции и т.д., а также имеющий в своем составе научно-исследовательский институт проблем дорожно-транспортного комплекса - ДорТрансНИИ.

9. Структура цены (таб.4) соответствует условиям конкурса.

Таблица 4. Структура цены проекта