Безопасность строительства в условиях Арктики требует современных подходов. Еще 20 лет назад многие объекты на Крайнем Севере строились с расчетом на то, что грунт под ними всегда будет оставаться мерзлым. Но климат меняется, и мерзлота отступает.

«Здание работает как сковородка, нагревая грунт под собой. Раньше там был лед, который служил цементом. Теперь лед тает, превращается в воду, вытесняется, и грунт теряет несущую способность. Начинаются просадки, которые угрожают целостности сооружений», – объясняет суть проблемы доцент кафедры криологии Земли Алексей Ишков.

Традиционно для охлаждения грунта под зданиями используют системы с аммиаком. Однако у этого хладагента есть ряд недостатков. Ученые ТИУ предложили альтернативу – диоксид углерода (CO2), который гораздо чувствительнее к малейшим перепадам температур. Система стабилизации вечномерзлых грунтов представляет собой замкнутую стальную установку. Под зданием проложен змеевик (испаритель), а на поверхности установлен конденсатор. Зимой, когда температура воздуха падает, жидкий CO2 в подземной трубке начинает забирать тепло из грунта. Происходит, на первый взгляд, парадокс: хладагент закипает даже при отрицательной температуре грунта (около -3°C) за счет давления насыщенных паров. Образовавшийся газ поднимается в надземный конденсатор, где отдает тепло в атмосферу, снова превращается в жидкость и стекает вниз. Цикл повторяется. 

«Система работает сама по себе, без электричества, только за счет законов физики – фазовых переходов и гидравлического напора. За холодный период система формирует достаточный запас холода в основании, чтобы сохранить требуемый температурный режим в теплый период», – рассказывает Алексей Ишков.

Эксперименты с 300-метровой установкой, проведенные совместно с Институтом криосферы Земли СО РАН и «Губернской академией», принесли неожиданные научные открытия. Раньше считали, что система работает по принципу «включено/выключено» (1 или 0). Но точные датчики показали, что при слабых тепловых импульсах система начинает реагировать раньше, совершая пульсации расхода хладагента (флуктуации).

«Мы увидели, что система уже начинает отводить теплоту на ранних этапах, формируя скрытый запас прочности несущей способности. Раньше мы не учитывали этот эффект в математических моделях, а теперь учет пульсирующего режима потенциально позволит повысить точность прогнозов, сейчас для этого уточняется математическая модель», – делится открытием ученый.

Одна из конструктивных вариаций разработанной установки применима не только для новых объектов, но и для спасения уже построенных зданий и нефтедобывающих площадок – систему можно интегрировать под существующие фундаменты. По оценкам экспертов, использование таких систем температурной стабилизации позволяет вести строительство в условиях Крайнего Севера на 53% дешевле и почти вдвое быстрее относительно вентилируемого подполья со свайным полем.

Сейчас команда Алексея Ишкова, в которую также входят специалисты кафедры криологии ТИУ под руководством Елены Устиновой и Геннадий Аникин из Института криосферы Земли СО РАН, занимается формализацией математической модели. Она может стать основой для оптимизации проектных решений и в будущем предлагать бизнесу готовые, экономически просчитанные решения для защиты инфраструктуры Арктики.