Петров  Дмитрий  Георгиевич.  Закончил
РХТУ  им.  Менделеева  (Российский  химико‐технологический
университет), г. Москва. Специальность ‐ ядерно‐химическая
технология.  Кандидат  химических  наук,  доцент.  5  лет
преподавал  в  Алтайском  государственном  техническом
университете  (АлтГТУ)  физическую  химию,  органическую
химию, стереохимию (имеет 30 научных публикаций).

Основы  существующих  в  энергетике  технологий  базируются  на  ряде  общих  принципов преобразования  энергии.  Топливо  (природный  газ,  уголь,  мазут,  дизельное  топливо,  бензин) сжигается в специальных устройствах, высвобождая химическую энергию горения в виде теплоты, нагревающей  газообразные  продукты  сгорания.  Далее,  в  зависимости  от  типа  устройства  или
агрегата,  продукты  сгорания  передают  часть  приобретенной  тепловой  энергии  в  систему, преобразующую  ее  в  полезную  работу.  В  котлоагрегатах  ‐  эта  энергия  передается  посредством теплообмена воде или водяному пару, которые далее несут ее в систему отопления или горячего водоснабжения,  либо  на  паровые  турбины.  В  газотурбинных  установках  и  ДВС,  нагретые газообразные  продукты  сгорания  топлива,  совершая  работу  расширения,  охлаждаются, передавая часть тепловой энергии механическим путем электрогенераторам. В любом случае, вне зависимости  от  степени  совершенства  преобразующих  энергию  агрегатов,  существенная  часть энергии  топлива  безвозвратно  теряется  в  окружающую  среду.  Это  обусловлено  особенностями термодинамики процессов, на основе которых работает та или иная система.
Следует  подчеркнуть,  что  совершенствование  преобразующих  энергию  агрегатов  имеет свой  теоретический  предел,  накладываемый  все  той  же  термодинамикой.  Даже  если  создать идеальный  агрегат,  в  котором  будут  отсутствовать  потери  тепла  через  стенки,  на  трение движущихся  узлов,  на  неполное  сгорание  топлива  и  пр.,  такой  агрегат  не  будет  в  состоянии
преобразовать  всю  энергию  топлива  в  полезную  работу.  Уходящие  газы  котлоагрегатов  можно эффективно  охладить  лишь  до  некоторой  температуры,  более  высокой,  чем  температура окружающей  среды.  Дальнейшее  охлаждение  приведет  к  тому,  что  из‐за  потери  тяги  придется тратить  дополнительную  энергию  на  их  перекачку,  и  общая  эффективность  системы  опять уменьшится.  В  турбогенераторах  и  двигателях  внутреннего  сгорания  оптимальная  температура отработавших  газов  также  существенно  выше  температуры  окружающей  среды,  поскольку  с понижением температуры уменьшается работа расширения газа.

Во  всех  случаях  критическое  ограничение  на  предельную  эффективность  использования топлива  накладывает  второе  начало  термодинамики,  согласно  которого  коэффициент  полезного действия  любой  термодинамической  системы  не  может  быть  выше  некоторого  теоретического значения, определяемого типом термодинамического процесса. Этот постулат напрямую связан с известной  термодинамической  функцией  состояния  –  энтропией,  изменение  которой  в  любом самопроизвольном  процессе  не  может  быть  отрицательным.  Если  бы  данный  постулат  можно было  нарушить,  появилась  бы  возможность  создания  вечного  двигателя  второго  рода,  который позволял  бы  получать  энергию  непосредственно  из  окружающей  среды,  что  невозможно  без
нарушения фундаментальных законов Природы. Сам термин «энтропия» был введен изначально в  химическую  термодинамику  для  объяснения  процессов,  протекающих  самопроизвольно  с поглощением тепла (например, растворением некоторых солей в воде), но впоследствии получил более  широкое  толкование.  Под  энтропией  в  классической  термодинамике  понимают  некую функцию  состояния  произвольной  системы,  дифференциал  которой  численно  равен  отношению бесконечно  малого  изменения  тепла  в  произвольном  процессе  к  абсолютной  температуре.  В более  общем  случае  энтропия  –  это  численная  характеристика  хаоса,  меры  неупорядоченности системы.  В  статистической  физике  под  энтропией  понимается  логарифм  всех  возможных микросостояний системы.  
Квантовая  полирезонансная  активация  (КПРА)  –  это  принцип,  позволяющий  практически управлять энтропией на молекулярном уровне без сложных внешних воздействий на какую‐либо систему.  В  термодинамике  газов  энтропия  напрямую  связана  с  теплоемкостью.  Если  процесс протекает  при  постоянной  температуре,  то  дифференциал  энтропии  численно  равен  бесконечно
малому  изменению  теплоемкости.  Это  важная  закономерность,  поскольку  во  всех  описанных выше процессах преобразования тепловой энергии эффективность такого преобразования зависит от  величины  тепловых  потерь.  Например,  КПД  котлоагрегатов  обычно  вычисляют  по  обратному балансу,  когда  из  100%  вычитают  сумму  потерь.  Основная  доля  потерь  приходится  на  тепловые потери с уходящими газами, которые определяют произведением массы газа в единицу времени на  его  температуру  и  теплоемкость.  Температуру  уходящих  газов  поддерживают  постоянной,  их масса также фиксирована, она определяется количеством сжигаемого топлива и коэффициентом избытка  воздуха,  который  также  поддерживают  постоянным,  обеспечивая  максимальную эффективность  сгорания.  Поскольку  в  теплотехнике,  принято  считать  теплоемкость  газа  (данного состава)  при  данных  условиях  –  константой,  то  получается  что,  основные  потери  тепла, определяющие  в  итоге  энергоэффективность  агрегата,  являются  при  максимальной эффективности  ‐  величиной  постоянной  ‐  поэтому  КПД  агрегата  не  может  быть  выше
максимального  значения  (меньшего  100%).  Однако,  если  принять,  возможность  снижения теплоемкости  уходящих  газов  ‐  без  изменения  прочих  параметров,  то  величину  потерь  можно снизить  (относительно  теоретически  возможной).  Вопрос  лишь  в  том,  можно  ли  снизить теплоемкость? Возвращаясь к взаимосвязи теплоемкости с энтропией, можно утверждать, что да, т.к. при снижении энтропии газа теплоемкость снижается пропорционально. А снижение энтропии означает  любое  упорядочивание  теплового  движения  молекул,  поскольку  обычно  оно  носит всегда  максимально  хаотический  характер.  Остается  решить  задачу  самопроизвольного упорядочивания теплового движения.
Продукты сгорания топлива – это многоатомные газы (в идеале ‐ трехатомные углекислый газ,  пары  воды  и  двухатомный  азот).  Тепловое  движение  таких  молекул  складывается  из поступательного,  вращательного  и  колебательного  движения,  причем  на  долю  каждого  из  них приходится  одинаковое  количество  энергии  пропорционально  числу  степеней  свободы движения.  Воздействовать  на  поступательное  и  вращательное  движение  без  серьезного внешнего  вмешательства  не  представляется  возможным.  Но  если  каким‐то  образом  вызвать синхронизацию  колебаний  атомов  в  молекулах,  то  число  колебательных  степеней  свободы уменьшится,  а  значит,  уменьшится  и  суммарная  энергия  теплового  движения,  что  при фиксированной  температуре  будет  означать  снижение  теплоемкости  газа.  Поэтому  снижение энтропии  автоматически  приводит  к  снижению  теплоемкости  –  ведь  синхронизация колебательного  движения  означает  повышение  упорядоченности.  Принцип  КПРА  как  раз  и позволяет добиться такой синхронизации.
Сама  идея  не  нова  –  и  лазеры,  и  молекулярные  квантовые  генераторы  СВЧ,  как  раз  и работают  на  принципе  преобразования  хаотических,  расфазированных  колебаний  в упорядоченные,  когерентные.  Это  происходит  за  счет  особенностей  взаимодействия  между колеблющимися  частицами,  которое  имеет  электромагнитную  природу.  В  своем  движении
молекулы  газа  непрерывно  сталкиваются,  поглощают  и  испускают  электромагнитные  волны. Согласно  принципам  квантовой  механики  поглощение  и  испускание  этих  волн  происходит порциями  (квантами)  со  строго  определенной  энергией,  определяемой  разностями энергетических  уровней  молекул  и  атомов,  которые  также  носят  порционный  (квантовый) характер.  Известно,  что  при  соударении  с  другой  частицей  или  при  поглощении  (испускании) электромагнитного  кванта  каждая  молекула  может  переходить  из  основного  энергетического состояния  в  возбужденное,  с  энергией  повышенной  на  определенную  величину.  Возбужденных состояний может быть множество, и в подавляющем большинстве случаев каждая молекула при отсутствии  внешнего  воздействия  самопроизвольно  переходит  на  более  низкие  уровни возбуждения, стремясь к основному состоянию. Среднестатистическое состояние большого числа молекул  определяется  временем  жизни  каждого  из  возбужденных  состояний,  которое  тем меньше,  чем  выше  уровень.  В  результате  в  каждый  момент  времени  совокупность  большого числа молекул характеризуется некоторым распределением по энергиям, причем максимальное число  находится  в  основном,  в  невозбужденном  состоянии.  Существуют,  однако,  молекулы  и атомы,  с  повышенным  временем  жизни  одного  (или  нескольких)  возбужденных  состояний  и  в определенных  условиях  распределение  по  энергиям  у  этих  частиц  иное  –  в  каждый  момент времени  количество  возбужденных  частиц  оказывается  больше,  чем  находящихся  в  основном состоянии.  Такие  частицы  и  используют  в  составе  рабочего  тела  лазеров  и  молекулярных генераторов.  Дело  в  том,  что  при  каждом  переходе  между  энергетическими  уровнями  эти частицы  излучают  или  поглощают  квант  электромагнитного  излучения  с  частотой  (энергией) равной  разности  энергий  уровней  перехода.  Причем,  если  частица  в  основном  состоянии поглощает  квант,  она  переходит  в  возбужденное  состояние,  но  если  частица,  находящаяся  в возбужденном  состоянии,  поглощает  квант  с  энергией,  равной  разности  между  этим возбужденным  состоянием  и  основным,  она  переходит  в  основное  состояние  и  при  этом испускает два одинаковых кванта. Важно, что оба эти кванта имеют одинаковую фазу колебаний.
Таким  образом,  если  создать  условия,  когда  более  половины  этих  особых  частиц  в  каждый момент  времени  будут  находиться  в  наиболее  устойчивом  возбужденном  состоянии,  будет происходить (с некоторой периодичностью) цепная реакция их перехода в основное состояние с испусканием большого числа электромагнитных квантов с одинаковой частотой и фазой. Обычно
это  когерентное  излучение  стремятся  вывести  из  рабочего  тела  и  сконцентрировать  с  помощью оптических  систем,  поэтому  в  лазерах  и  молекулярных  генераторах  рабочее  тело  делают прозрачным  для  выводимого  излучения.  Если  же  излучение  хорошо  поглощается  средой,  то  вся его энергия остается в системе, но за счет когерентности оно вызывает частичную синхронизацию колебаний  частиц  среды  на  нескольких  частотах,  кратных  основной.  При  этом  вся  среда становится  активированной,  с  пониженной  энтропией  за  счет  множественного  резонанса колебаний молекул. Отсюда и название – квантовая полирезонансная активация. Основным условием возникновения КПРА является энергетическое соответствие – средняя энергия  движения  частиц  среды  должна  быть  выше  псевдостабильного  уровня  возбужденного состояния  частиц,  вызывающих  КПРА.  Этого  можно  добиться  двумя  путями.  Первый, применяемый  в  лазерах,  называется  накачкой.  В  систему  вводится  энергия  (свет,  химическая реакция,  интенсивный  нагрев  и  т.п.),  с  интенсивностью  достаточной  для  непрерывного возбуждения  частиц  до  псевдостабильного  состояния.  Второй  способ  заключается  в  том,  что  в качестве  инициаторов  КПРА  используются  частицы  с  очень  низкими  уровнями  возбуждения,  и тогда  система  непрерывно  получает  накачку  от  тепла  окружающей  среды.  При  этом,  сколько энергии  поглощается,  вызывая  КПРА,  столько  и  высвобождается.  Наиболее  интересным  фактом является  то,  что  для  инициации  КПРА  требуется  очень  малое  количество  этих  специфических частиц, называемых квантовыми активаторами. Обычно для перевода в состояние с пониженной энтропией  достаточно  одной  частицы  активатора  на  миллиард  молекул  пассивной  среды.
Название  активатор  не  случайно,  поскольку  обычные  молекулы  имеют  более  высокие  уровни возбуждения  ‐  чем  необходимо,  поэтому  в  качестве  активаторов  используются  органические соединения  кластерного  типа  ‐  частицы,  состоящие  из  нескольких  однотипных  молекул.  Они имеют  вторичную  структуру  (наподобие  вторичных  структур  белковых  молекул)  благодаря внутренним  водородным  связям.  Такие  связи  и  обеспечивают  эффект  КПРА  при  относительно низких температурах (40 градусов Цельсия и выше), поскольку протоны водородных связей имеют очень  низкие  вращательно‐колебательные  уровни  возбуждения  –  это  первое  необходимое условие для инициирования КПРА.
Поскольку в одной частице активатора имеется несколько одинаковых по энергетическим характеристикам  внутренних  связей,  выполняется  второе  необходимое  условие  для инициирования КПРА ‐ вероятностное. Это можно объяснить на упрощенном примере. Допустим, у одной частицы имеется две одинаковых связи, 1 и 2, каждая из которых может находиться как в основном  энергетическом  состоянии  10  или  20,  так  и  в  возбужденном,  1*  или  2*.  Тогда  сама частица  может  иметь  следующие  состояния:    1020,  1*20,102*  и  1*2*.  Два  из  них  (1*20  и  102*) одинаковы  энергетически,  поэтому  вероятность  нахождения  всей  частицы  в  состоянии  1*20  или 102* вдвое больше (при одинаковом времени жизни), чем в основном состоянии 1020. На практике, из‐за  разного  времени  жизни,  приходится  использовать  более  сложные  частицы  с  большим числом одинаковых связей, но принцип остается.
Разработанные  активаторы  имеют  весьма  прочную  общую  структуру,  за  счет  чего способны активировать топочные газы при высоких температурах. Имеется и третье необходимое условие  инициирования  КПРА  –  концентрационное.  Дело  в  том  ‐  что  если  концентрация активатора  в  активируемой  среде  будет  выше  некоторого  предельного  уровня,  то  процесс активации не возникает, т.к. внутренней энергии среды перестает хватать для перевода большего числа  частиц  активатора  в  псевдостабильное  возбужденное  состояние.  При  недостаточной концентрации  активатора  ‐  интенсивности  когерентного  излучения  не  хватает  для  активации среды  на  кратных  частотах.  Поэтому  для  разных  сред  и  условий  существуют  два концентрационных уровня – нижний и верхний, в пределах которого процесс устойчив. Практическое  применение  принципа  КПРА  заключается  в  введении  необходимого количества  соответствующего  активатора  в  активируемую  среду.  Если  средой  является  жидкое углеводородное  топливо,  используются  активаторы,  хорошо  в  нем  растворимые.  Процесс активации  протекает  быстро  (минуты),  ограничением  является  скорость  распределения активатора в среде. Эта скорость существенно выше, чем обычная диффузия (за счет резонансных
явлений), но для вязких топлив в отсутствие принудительного перемешивания может занимать до нескольких часов.  Бензины и дизельные топлива, обычно подающиеся в камеру сгорания без подогрева) не меняют своих характеристик.

Процесс КПРА происходит в камере сгорания и распространяется на газообразные продукты сгорания. При этом снижение теплоемкости газов приводит к увеличению показателя  политропы γ (отношение теплоемкости при постоянном давлении Ср к теплоемкости при  постоянном  объеме  Сv,  поскольку  Ср‐Сv=R),  что  автоматически  приводит  к  повышению  КПД двигателей  внутреннего  сгорания  и  снижению  тепловых  потерь.  Таким  образом,  добавление  к топливу  сверхмалых  количеств  активатора  (порядка  100  миллиграммов  на  тонну)  вызывает снижение удельного расхода бензина и дизельного топлива на 10...15%.
Топочный  мазут,  который  хранится  и  используется  при  повышенных  температурах  (что приводит к его активации уже в жидком состоянии), теряет вязкость, а при сжигании происходит активация топочных газов, в результате чего наблюдается снижение удельного расхода до 15%.  Для  угольных  и  газовых  электростанций  возможно  применение  водного  раствора активатора,  который  инжектируется  в  топочное  пространство  котла  либо  во  вторичный  воздух. Наблюдается снижение удельного расхода топлива на 5...7% при расходе активатора порядка 0,5 граммов на тонну угля или тысячу кубометров природного газа.
Во  всех  случаях  не  требуется  изменения  настроек  агрегатов,  а  при  нарушении  расчетных дозировок  исключено  какое‐либо  ухудшение  параметров  процессов,  поскольку  без  КПРА энтропия максимальна и увеличить ее невозможно. Перспективно  использование  водных  активаторов  в  составе  котловой  воды  паросиловых агрегатов.  Химическая  инертность  и  сверхмалые  количества,  а  также  полная  испаряемость активатора при температурах выше 140 градусов Цельсия делают его абсолютно безопасным для внутритрубного  пространства  котлов  и  других  узлов,  соприкасающихся  с  котловой  водой. Активация  котловой  воды  приводит  к  снижению  энтропии  воды  и  перегретого  пара  без изменения  теплоты  парообразования  (конденсации),  что  дает  увеличение  КПД термодинамического  цикла  Клазиуса‐Ранкина,  лежащего  в  основе  работы  тепловых электростанций.
Сегодня  на  рынке  присутствуют  производители  продуктов  для    энергетики  с использованием  данного  эффекта,  основные  из  них:  «H2Oil»  (СА,  USA  ‐  продукт  eeFuel®),  ООО  «НПП «Адиоз» (Киев, Украина – продукт анамегатор® и анакларид®) и ОАО «Химический концерн «Халфрид» (Зеленоград, Россия – продукт ХАЛФРИД® ‐дизель, ‐мазут, ‐метан). Все перечисленные компании  уже  выпускают  активаторы  для  углеводородных  топлив  и  водных  сред  в промышленных  объемах,  т.к.  к  этому  времени  проведены  многочисленные  испытания, подтверждающие высокую эффективность технологии. Следует отметить, что НИОКР по изучению данного  эффекта,  а  также  тестирование  и  классификация  основных  свойств  продуктов,  выше перечисленных компаний проводились на мощностях лаборатории, предоставленной концерном «Халфрид».