Швейцария и ее упущенные шансы в области геомеханики

Оползни и наводнения могут иметь фатальные последствия. Технологии, разработанные в Лозаннском Политехе (EPFL), помогут качественно решить вопрос стабилизации почвы. Keystone

Геомеханика изучает механическое состояние земной коры, особенности ее напряженно-деформационного состояния и процессы, идущие в ней под воздействием естественных физических причин. Недавно швейцарский ученый написал прорывную работу в этой области, удостоившись со своей монографией престижной международной премии. Однако поговорка «нет пророка в своем отечестве» вполне верна и в Швейцарии.

Льесс Лалуи (Lyesse Laloui), директор «Лаборатории механики грунтов» («LMS») при «Высшей федеральной технической школе Лозанны» («Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne») занимается лабораторными исследованиями грунтов для целей проектно-изыскательских и строительных организаций. Несмотря на все свои заслуги, он остается скромным и не теряет связи с реальностью. «Что в этой книге такого выдающегося? Спросите об этом членов жюри „Премии имени Роберта Роберваля“ („Prix RobervalВнешняя ссылка“)».

А между тем эта премия действительно может стать значительной вехой в его научной карьере, пусть и получил он ее не один, а вместе со своими коллегами Лораном Вуйе (Laurent Vuillet) и Цзянь Чжао (Jian Zhao). В январе 2018 года трое ученых были отмечены ею за свои заслуги в области популяризации и продвижения на французском языке самых передовых достижений современных науки и техники. Уточним также, что ученые, которые стали предыдущими лауреатами этой награды, позже вошли в число обладателей Нобелевской премии — и это говорит о многом.

Книга, принесшая им признание научного сообщества, носит сдержанное название «Механика грунтов и горных пород» («Mécanique des sols et des rochesВнешняя ссылка»). «Особенность ее заключается в том, что она объединяет разделы науки, ранее всегда рассматривавшиеся раздельно: в одном речь идет о механике грунта, о его свойствах и о процессах, происходящих в нем, во втором мы имеем дело с механикой горных пород и с моделированием их разрушений.

Но самое главное, она проливает свет на темы, которые до сих пор считались исключительно прерогативой узкоспециализированных монографий и не рассматривались в качестве вопросов, носящих практический характер и актуальных, скажем, для учащихся профильных вузов, или для инженеров-строителей. То есть в этой монографии речь идет о вопросах, тесно связанных с перспективами развития энергетики, с рисками, обусловленными непредсказуемостью природных процессов, с проблемами охраны окружающей среды», — резюмирует профессор Л. Лалуи.

Тепло из фундамента

Как получить энергию для отопления квартир, не сжигая привычной солярки? Некоторые разработки в этом направлении уже сделаны, например, можно посмотреть на то, чего смогла добиться так называемая геотермия. Проблема только заключается в том, что она предполагает слишком глубокое бурение, в результате чего затрагиваются слои земной коры глубокого залегания, что ведет к повышению риска землетрясений. А если посмотреть на ситуацию с другой стороны?

Любой дом стоит на фундаменте, который, как правило, уходит относительно глубоко в грунт, так что слои с повышенным температурным режимом оказываются сравнительно недалеко. Поэтому вполне можно было бы попытаться получать даровую энергию из-под земли посредством фундаментных конструкций, заглубленных на достаточное расстояние от поверхности земли и имеющих у себя внутри специально проложенные трубы, наполненные теплоносителем (хладагентом) на основе, например, этиленгликоля.

Закольцевав эти трубы в единую систему и замкнув ее на достаточно мощный тепловой насос (своего рода холодильник, работающий в обе стороны и производящий не только холод, но и тепло) можно получить экологически чистую систему, обеспечивающую обогрев зимой и охлаждение летом. Но при этом надо знать, как будут вести себя грунты и скальные породы в ситуации периодического сначала отбора у них тепловой энергии, а затем возврата этой энергии обратно? В Швейцарии лозаннская «LMS» является одним из пионеров как в разработке такого рода технологии, так и в решении технических задач на прогнозирование развития напряженно-деформационного состояния грунтов.

Кое-где эта технология уже находит свое применение, например, ее использовали в ходе строительства нового терминала в международном аэропорту Цюриха. Однако о широком ее внедрении в стране пока говорить не приходится. Чем это можно объяснить? Инерцией политических кругов, экономическими сложностями или просто силой привычки? «Свою роль тут играют все три фактора, каждый понемногу. А ведь иногда политический импульс «сверху» может оказаться для внедрения инновационных технологий очень даже кстати», — говорит Льесс Лалуи и приводит в качестве примера Лондон. Его власти за последние несколько лет реализовали проект, в рамках которого в почвы были заглублены 5 тыс. таких «геоэнергетических комплексов», что представляет собой очевидный мировой рекорд.

В данном случае мэру Лондона пресловутым «административным ресурсом» удалось воспользоваться в очевидное общественное благо, распорядившись каждый раз перед реализацией крупного девелоперского проекта, еще на стадии подготовки проектно-сметной документации, просчитывать и степень целесообразности установки такого рода «геотермальных систем отопления». В большинстве случаев их установка оказывалась вполне рентабельной, что и способствовало широкому распространению этой технологии.

Прогресс неизбежен

Оказавшись обладателями уникального и зрелого технического ноухау в этой области, англичане привлекли к себе внимание компании «Google», которая как раз сооружала тогда свой новый кампус в Калифорнии. В итоге сегодня это здание оснащено сразу 2 500 «геоэнергетическими комплексами». Швейцария тоже поначалу активно развивала геотермию, однако она пошла немного иным путем, который привел ее в тупик: после двух землетрясений, в Базеле и Санкт-Галлене, вызванных, как посчитали эксперты, экспериментами в области сверхглубокой геотермии, в стране было принято политическое решение прекратить опасные опыты.

Льессу Лелуи не остается ничего иного, кроме как сожалеть о таком повороте событий. Сегодня его лаборатория принимает участие в строительстве в Париже 13-ти станций метро, предусмотренных планом модернизации сети общественного транспорта, приуроченным к Олимпийским играм 2024 года. Во Франции геоэнергетические наработки швейцарцев идут на ура, а вот самой в Лозанне, где сейчас идет подготовка к строительству третьей линии автоматического метро, ни о чем подобном даже не заговаривают. Почему?

«Виноваты отсутствие политической воли, а также тот факт, что швейцарские архитекторы порой могут быть очень большими традиционалистами. Нам приходится буквально на пальцах растолковывать то, как работает эта технология, и убеждать их хотя бы попробовать использовать ее, вместо той, к которой они привыкли. Свою роль играет и финансовый аспект: интеграция геоэнергетических структур делает монтаж всего «нулевого цикла» более дорогим, хотя в среднесрочной перспективе такого рода инвестиции способны окупить себя несколько раз, ведь они будут обеспечивать зданию поступление практически бесплатной энергии на протяжении как минимум 50-ти следующих лет.

Но прогресс неизбежен. В этом Льесс Лалуи убежден абсолютно. Зародившись в Калифорнии, мода на такие «гео-установки» сначала завоевала Соединенные Штаты, а недавно она добралась до Европы. В странах Евросоюза уже решено в период до 2020 года перейти на строительство новых объектов жилой и коммерческой недвижимости только с нулевым или минимальным потреблением энергии. Швейцарии, в конце концов, тоже придется последовать этим же путем, только уже в принудительном порядке.

Бедное швейцарское государство

Технология закачивания углекислого газа под землю — это еще одна сфера, в которой «LMS» обладает безусловным лидерством. Однако и тут ситуация складывается похожим образом: инертность политики и сила привычки инвесторов пока не дали этой технологии шансов на глобальный успех. 

«С количественной точки зрения этот метод, безусловно, является наилучшим способом извлечения углекислого газа из атмосферы и его утилизации с целью противодействия опасным климатическим изменениям», — говорит Лесси Лалуи. В Японии, Канаде и США эту технологию уже развивают очень серьезно, хотя самыми продвинутыми здесь пока являются норвежцы. 

«Производители СО2 по закону обязаны оплачивать процедуру забора газа, в то время как государство берет на себя расходы по его транспортировке и хранению. Видите, рука государства не всегда принимает неверные решения, рынок отнюдь не всегда все способен решить и предусмотреть». Но как раз в Швейцарии государство отличается ограниченностью как ресурсной, так и властной. «Когда мы начали работать над этой технологией четыре или пять лет назад, мы собирались построить опытную площадку, подобную той, что немцы создали под Берлином», — говорит директор «LMS». 

«Чтобы убедить население в его пользе, нам важно было наглядно показать и доказать, что проект способен эффективно действовать. Швейцарское Федеральное ведомство энергетики (Bundesamt für Energie) выделило даже нам деньги на НИОКР, а вот Ведомство по вопросам охраны окружающей среды (Bundesamt für Umwelt) придерживалось довольно сдержанных позиций. Мы уже не говорим о том, что недра в Швейцарии входят в область полномочий и предметов ведения субъектов федерации, кантонов, а потому добиться в этой области разработки какого-то единого федерального законодательного решения фактически нереально». 

В итоге группа швейцарских лабораторий, членом которой является «LMS», получила разрешение провести «углеродную секвестрацию» на базе двух уже существующих подземных объектов: в районе перевала Гримзель (Grimselpass), соединяющего Бернское нагорье с кантоном Вале, и в недрах лаборатории «Монт Терри Рок» («Mont Terri Rock Laboratory») в городе Сен-Урсан (Saint Ursanne), что в кантоне Юра. Льесс Лэлуи опять-таки глубоко сожалеет, считая, что методика эта вполне разработанная и зрелая, и что Швейцария упускает свой шанс в области, где она может стать лучшей в мире.

Возникает разумеется вопрос о степени влияния такого рода инноваций на окружающую среду. По словам Лесси Лалуи проблем тут не будет ровным счетом никаких: с учетом температуры и давления, на глубине в 1 километр единица объема углекислого газа подвергается 500-кратному сжатию, превращаясь, в конечном итоге, в то, чем углекислота и была изначально, то есть в камень-известняк.

Биоцемент для почвы

Существует и еще одна сфера, где Швейцария могла бы стать глобальным новатором. Насколько данная технология окажется жизнеспособной — пока сказать нельзя. Она все еще находится на экспериментальной стадии, а конкурентов у «LMS» нет, то есть попросить поделиться опытом тут просто некого. С другой стороны, лаборатория проф. Лесси Лалуи не только разработала эту технологию, но и на всякий случай запатентовала ее. Речь идет о придании грунтам заранее заданных технологических параметров путем применения технологии так называемого «биологического кондиционирования», например, с целью повышения степени устойчивости грунтов в ситуации внешних механических воздействий как колебательно-динамического (удары), так и постоянного (давление) характера.

Решение этой задачи помогло бы на меньших площадях строить более тяжелые здания. Кроме того, данная технология могла бы стать вкладом в повышение сопротивляемости дорожных насыпей, например, в условиях наводнения или оползней. Принцип этой технологии заключается в следующем: в почву заселяется особый штамм бактерий, жизнедеятельность которых ведет к образованию в грунте устойчивых кристаллических связей, связывающих почву и повышающих ее коэффициент механической сопротивляемости.

Этот метод куда более экономичен и экологичен, по сравнению, например, с технологиями, предусматривающими инъекции в почвы цементных растворов. Для продвижения этой технологии при лаборатории «LMS» был создан инновационный стартап «MedusoilВнешняя ссылка». В ноябре прошлого 2017 года со своей идеей «биологического бетона» он занял второе место на «World Link-KIC LaunchpadВнешняя ссылка», крупнейшем в мире конкурсе бизнес-идей в сфере разработки технологий перехода к устойчивому развитию. С точки зрения Льесса Лалуи этот метод имеет все шансы стать еще одной прорывной разработкой из Швейцарии — если та, конечно, сможет окончательно преодолеть свой консерватизм мысли.

Перевод на русский, редакция и адаптация: Людмила Клот, Игорь Петров