Битва огня и интеллекта

Вечный образ бравого пожарного, бесстрашно сигающего в пекло и заливающего пламя водой из огромного шланга, отходит в прошлое. Скоро спасатели смогут тушить огонь вообще без воды и даже без личного присутствия, потому что их задачи будут выполнять роботы. Ученые готовят великую революцию в противопожарных технологиях.

— Теперь для спасателя главное — не просто потушить огонь, а сделать это максимально быстро, эффективно и аккуратно, не погибнуть самому и не навредить имуществу и природе. Пожарные больше не безбашенные парни и любимцы всех домохозяек, они — герои с интеллектом. Вот, например, в Швеции уже давно есть такой лозунг: «Пожарный не должен быть отважным, пожарный должен быть умным!». И их спасатели честно ему следуют, —рассуждает Михаил Сафроненко, спасатель первого класса, оперативный дежурный Пожарно-спасательного центра Москвы и преподаватель в учебном центре компании «Объединенные спасательные технологии».

Лицо и руки Сафроненко при любом освещении розоватые. Такое часто бывает у людей, которые постоянно работают в самом пекле: с доменной печью, в котельной или на пожарах.

Технологических революций в деле пожаротушения было не меньше десяти, и каждая из них приближала понимание того, что в борьбе с огнем смелость и отвага — плохие товарищи, что со стихией нужно справляться технично, малыми силами и без потерь личного состава. Например, появление насоса, пожарного рукава и ствола позволило спасателям подавать воду под большим напором и тушить пламя с безопасного расстояния. Дальше была изобретена компрессионная пена, благодаря которой стало возможно устранять пожар с еще большего расстояния и подавлять пламя быстрее. Недавно была создана установка «Кобра», из которой вода выстреливает под огромным давлением, и струя, смешанная с металлической крошкой, пробивает стены и позволяет тушить пожар, не входя в здание.

— При помощи двух «Кобр» мы в начале февраля тушили библиотеку ИНИОН, и с ними работа была гораздо эффективнее, — говорит возглавлявший операцию Сафроненко. — Сейчас ученые создают очень крутые вещи. И чтобы нам с ними работать, надо перестраивать мозги, обучаться, осваивать эти новые технологии, чем и начали заниматься пожарные по всему миру.

Ток вместо воды

«Для тушения пожара вода не нужна!» — такое громкое заявление сделал в 2011 году аспирант Гарвардского университета Лудовико Кадемартири, ученик одного из самых цитируемых в мире химиков Джорджа Уайтсайдса, и представил своим коллегам и преподавателям новый способ борьбы с огнем при помощи электрического поля.

«Если открыть дверь, произойдёт взрыв и выброс горячего пламени, от которого может погибнуть человек»

Кадемартири устроил небольшое экспериментальное возгорание: развел на университетском полигоне костер площадью примерно в один квадратный метр. Он положил один электрод с положительным зарядом (анод) из тугоплавкого материала на землю у самого края костровища. Второй такой же электрический стержень, только с отрицательным зарядом (катод), он закрепил над огнем параллельно первому электроду. И подключил оба к усилителю мощностью 600 ватт. Пустив ток в стержни, Кадемартири создал между ними сильное электрическое поле, и за считанные секунды пламя схлопнулось, будто ушло под землю.

Разгадка этого фокуса — в природе горения, которое представляет собой сложный физико-химический процесс. Внутри пламени происходят окисление и распад веществ, из которых состоит топливо (будь то дрова, бумага или пластик), на свободные электроны и положительно заряженные ионы. И когда на электроды, расположенные рядом с огнем, поступает ток, они буквально вытягивают из зоны горения разнозаряженные частицы, так как разные заряды притягиваются: положительные ионы осаждаются на катоде, а отрицательные электроны — на аноде. В итоге условия протекания реакций распада в пламени нарушаются. Можно сказать, огонь просто лишается своей питательной среды и резко тухнет.

Тушение огня электричеством имеет очевидные преимущества: скорость устранения возгорания, эффективность, однако его невозможно применять оперативно. И не везде реально обеспечить работу этой системы. Дать пожарному электроды и пустить его в самое пекло, мягко говоря, небезопасно. Однако такой метод может быть весьма полезен в качестве замены стандартной водной оросительной системы пожаротушения, когда в помещении под потолком утанавливают спинклеры (распылители воды) и детекторы дыма и огня.

— Мы сейчас работаем над системами стационарного пожаротушения при помощи электрического поля, — рассказал Кадемартири в одной из своих статей на сайте Гарвардского университета. — Во-первых, оно намного быстрее устраняет воспламенение, во-вторых, совсем не наносит ущерба помещению, в отличие от льющейся с потолка воды.

Взрывы гасят пламя

Впервые взрывной метод для тушения пожара применили еще в Советском Союзе. В 1963 году на газовом месторождении Урта-Булак в Узбекской ССР произошла авария: воспламенилась скважина с природным газом, из нее начал бить огромный фонтан пламени высотой 70 метров. Его заливали водой и засыпали порошками с самолета, несколько сотен пожарных бригад пытались погасить огонь из брандспойтов. Но победить этот пожар не удавалось целых три года. Тогда рядом с полыхающей газовой скважиной на глубине полутора километров зарыли ядерный снаряд и подорвали его. Отверстие, из которого вырывался факел, засыпало толстыми слоями грунта, и пламя потухло навсегда.

Позже таким же методом ликвидировали еще два подобных возгорания. Но потом руководство СССР запретило спасателям применять ядерные заряды. Пожары на газовых и нефтяных месторождениях начали тушить, обкладывая горящую скважину обычными тротиловыми бомбами, начиненными противопожарным порошком. Во время подрыва создавался вихрь со взвесью примесей, который быстро сбивал и подавлял пламя, а разрушенные взрывом слои породы закупоривали скважину.

Не так давно физики из Томского государственного университета (ТГУ) решили попробовать тушить взрывным методом более распространенные пожары. Нет, не бытовые, конечно: подрывать горящий жилой дом в центре города — не очень гуманная затея. Томские ученые таким способом собираются бороться с низовыми лесными пожарами, когда горят только трава, мхи, опавшие листья, хвоя, валяющаяся на земле, но не полыхают ветви деревьев. Обычно для подавления такого возгорания требуется много людей, которым приходится заходить в самую глубь горящего леса, где легко погибнуть как от огня, так и от угарного газа.

Ученые предлагают разложить вокруг зоны горения шнуровой заряд. За ним со стороны не тронутого огнем леса создать минерализованную полосу — борозду в земле, чтобы пламя не могло перекинуться на новые территории. А дальше заряд подорвать… Ударная волна резко повысит давление — сорвет пламя и раскаленные газы, образовавшиеся во время горения. Так фронт пожара разрушится, а оставшиеся мелкие очаги уже можно будет дотушить водой.

По словам Анатолия Гришина — он заведует кафедрой физической и вычислительной механики в ТГУ и представлял этот метод на одной из всероссийских конференций по борьбе с опасными техногенными и природными катастрофами, — так можно будет тушить обширные лесные пожары достаточно быстро и без жертв.

Капли с начинкой

Еще один взрывной способ пожаротушения — это лопающиеся капли, над которыми сейчас работают другие сибирские ученые, из Томского политехнического университета. В начале этого года они получили президентский грант на совершенствование и испытание этой технологии. С ее помощью можно будет тушить не только леса, но и жилые и производственные помещения.

Томские физики добавляют в воду абразив — мелкую металлическую крошку, взбалтывают эту смесь, а затем распыляют над пламенем. Так как металл нагревается гораздо быстрее воды, твердые металлические частицы, оказавшиеся внутри брызг, становятся горячими и буквально кипятят капли изнутри. И те, не успевая испариться, лопаются и образуют еще более мелкие брызги размером в несколько микрон. Получается паровое облако. Пар обладает большим огнетушащим эффектом, нежели струя воды. Струя просто испаряется, а вот водная пыль сильно повышает влажность, за счет этого быстро гасит пламя и не дает огню распространяться дальше.

— Мы занимаемся экспериментами, чтобы посмотреть, как взрывные капли будут работать не только с металлическим абразивом, но и с частицами из других материалов, — рассказал руководитель проекта Павел Стрижак, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов ТПУ, на презентации своей противопожарной технологии. — Наша задача — опробовать этот метод в разных сферах применения. Например, при тушении лесных пожаров намного эффективнее не просто заливать деревья тоннами воды, а создавать паровые облака, которые будут покрывать большую площадь.    

Рядом с полыхающей газовой скважиной в Урта-Булак подорвали атомный заряд, и пламя потухло навсегда.

Сейчас ученые исследуют возможности своих маленьких водяных бомб. Они слегка окрашивают воду, взрывают капли, а по осевшим на землю микроскопическим цветным брызгам замеряют площадь распространения пара. Еще экспериментаторы в лабораторных условиях делают капли и начинку разного размера, подогревают их лазером и смотрят, при каких условиях взрывной эффект проявляется лучше.

Змея против дракона

Огненный взрыв и вихрь, или, как называют его пожарные, бэкдрафт (от англ. backdraft — обратная тяга), разбивающий стекла, выносящий двери, охватывающий пламенем последние уцелевшие в доме предметы мебели, раскаляющий воздух до температуры, от которой начинает плавиться металл, — это самое страшное, что случается на пожаре.

Это явление еще в 1940-е годы описывал советский физико-химик, классик теории горения и взрывов Николай Семенов. Развивается бэкдрафт следующим образом. В помещении, где происходит пожар, сгорает весь кислород. Основная часть пожарных газов, в том числе и угарного, сбивается под потолок. Давление уменьшается. Огонь затухает, его поддерживают небольшие порции кислода, который засывается через щели или вентиляцию. Это происходит порывами, из-за чего в комнате поднимаются хаотичные огненные всполохи. Спасатели между собой называют это «дыханием пожара».

— Когда пожар начинает дышать, наступает самый критический момент. Если в это время открыть дверь или выбить окно, огромный поток свежего воздуха засосет в комнату, и произойдет естественный взрыв и вихревой выброс горячего пламени, от которого может оплавиться амуниция… Так погибли большинство моих коллег, — почти шепотом говорит Михаил Сафроненко, пожарный с двадцатишестилетним стажем. — Это хлопок и воспламенение, которое происходит от столкновения пожарных газов с кислородом, то есть естественное явление. И очень коварное: его довольно сложно предугадать. Вообще, бэкдрафт похож на взбесившегося дракона, который плюется огнем. И его можно остановить, только если натравить на него какого-то другого зверя. Например, «Кобру».

Змеиным именем зовется технология, разработанная шведской компанией Cold Cut Systems. Сейчас с этой установкой работают пожарные в 30 странах мира. В прошлом году «Кобра» добралась и до России. У нас в стране есть две такие машины, и в течение 2015 года должно появиться еще десять, все они будут в Москве.

Сафроненко ведет меня на территорию Пожарно-спасательного отряда № 202, где обосновалась первая российская «Кобра». В гараже пожарной части стоят красно-белые машины, пахнет мазутом и гарью. Кажется, эти запахи въелись не только в костюмы пожарных, но и в железо автомобилей.

— А вот и логово нашей змеюки, — спасатель подходит к машине, открывает кузов. На одной из внутренних стенок висит что-то похожее на винтовку, только не черного, а светло-серого металлического цвета, с двумя курками и зеленым шлангом. Одной рукой Сафроненко берет «винтовку» за блестящий ствол, перехватывает рукоятку и кладет пальцы на курки, другой рукой он поглаживает «Кобру».

— Вот эта штуковина называется «копье». Если нажать на один курок, будет вода, если нажать на оба, будет вода с абразивом. Это металлическая стружка мелкого калибра, которая подается вместе со струей воды под давлением 300 атмосфер и проделывает маленькую дыру — около пяти миллиметров — в стене или в двери. Как только струя проникает внутрь горящего помещения, я отпускаю курок с абразивом, и через это отверстие мельчайшими капельками распыляется вода, наполняет комнату, гасит пламя и остужает очаги возгорания. А еще пар хорошо глушит токсичный дым. Так что комната заполняется белым паром, и мы его потом просто выгоняем из помещения воздушными пушками.

— Получается, пожарному совсем не надо заходить в помещение, чтобы его потушить?

— Именно так. Эта технология обеспечивает стопроцентную безопасность во время борьбы с огнем. Пожарному не нужно вскрывать комнату и провоцировать бэкдрафт. Взрыва не произойдет, спасатель останется цел и невредим. А еще «Кобра» экономит воду. Одной цистерной стандартной пожарной машины из обычного рукава можно потушить половину футбольного поля, из рукава с высоким давлением, которое равно 50 атмосферам, получится устранить огонь с целого футбольного поля, а вот «Коброй» при таком же количестве воды можно потушить площадь в десять футбольных полей. У нас в России, конечно, воды много. Сейчас снег весь растает, и будут огромные моря на улицах. Но вот европейцы воду берегут, они ее даже собирают после пожара.

— Серьезно? После каждого пожара?

— Да-да, когда тушат из обычного рукава и много воды остается на месте возгорания. Пожарные потом эту жидкость откачивают насосом в цистерну и везут в лабораторию на очистку. Там отделяют от нее химикаты и утилизируют их, а очищенную воду просто повторно используют.

— Значит, «Кобра» вообще не оставляет после себя воды?

— Ага, воды расходуется очень мало, и она вся идет в дело, превращается в пар. Благодаря этому ущерб помещению наносится минимальный. Представьте только: если квартиру потушить обычным способом, она будет сохнуть несколько суток. Где тогда хозяевам жить? А после «Кобры» можно почти сразу заезжать. Вообще, она универсальна и может работать практически во всех возможных и невозможных условиях.

— Например, в каких невозможных условиях?

— Она может выдерживать экстремальные температуры. Понятно, что не только высокие, но и очень низкие. Может устанавливаться на все модели пожарных машин. Может быть отдельным модулем, который удобно перевозить на вертолете или на лифте, для того чтобы тушить последние этажи высотных зданий, куда не дотянется ни один рукав. «Кобру» можно переоборудовать под тушение соленой морской водой, что актуально для Дальнего Востока, например, или для кораблей и подлодок. Ее можно ставить на снегоход и применять на полярной станции. И еще скоро ее будут устанавливать на роботизированные машины и отправлять на места аварий в опасные, зараженные радиацией или отравленные химическими выбросами зоны, чтобы делать ту работу, которую невозможно поручить человеку.

Пожарные с искусственным мозгом

Роботизированные пожарные машины существуют уже довольно давно. К примеру, когда в 1986 году устраняли последствия Чернобыльской аварии и спасали от повреждения машинный зал атомной электростанции, вместе с людьми над этим работали роботы-пожарные, созданные петрозаводским инженерным центром «ЭФЭР». Такая машина представляла собой широкий пожарный ствол, который устанавливался недалеко от очага возгорания и автоматически подавал очень мощную струю воды длиной примерно в сотню метров. Несколько таких роботов заменили не один десяток пожарных, но, конечно, совсем без людей эти устройства работать не могли, ведь кто-то должен был их закрепить в правильном положении, а потом еще дистанционно ими управлять.

С тех пор прошло много времени, и роботы-пожарные сильно эволюционировали. Сейчас почти все робототехнические лаборатории считают делом чести создать пожарную машину — супергероя. Самый успешный из подобных проектов — это американский робот «Термит», который с 2012 года применяется в США. Он похож на танк: сделан из жаростойкого металла и передвигается на гусеничных лентах. Эту машину не нужно вручную устанавливать на месте пожара, она сама способна добраться куда угодно и залезть в самое пекло, объема ее цистерны с водой достаточно, чтобы потушить несколько квартир.

Похожего робота сделали инженеры из научно-производственного объединения «Сибирский арсенал». Их машина «Пеликан» двигается на колесах, а не на гусеницах, но по остальным характеристикам очень похожа на западного робота-огнеборца. Управляется она тоже дистанционно, снабжена большой цистерной и умеет подавать не только струю воды, но и поток пены под высоким давлением.

А в этом году в Политехническом университете Вирджинии представили первого андроида-пожарного Shipboard Autonomous Firefighting Robot (SAFFiR) для боевых кораблей, созданного на деньги Управления морских исследований ВМС США.

Этот борец с огнем похож на Терминатора. Он такой же мощный, широкоплечий и очень человекоподобный. У него, как у настоящего супергероя, при себе множество крутых гаджетов: тепловизор — чтобы видеть источники возгорания через стены трюмов, вращающийся лидар (прибор, позволяющий получить информацию об удаленных предметах с помощью посылаемого и отраженного от них света) для ориентации в дыму, пожарный ствол, а еще маленький квадрокоптер. Этот юркий летающий робот может забираться в такие места, куда не пролезть могучему андроиду, и также замечать очаги пожара или находить людей, не успевших эвакуироваться.

В конце прошлого года SAFFiR тестировали на борту старого военного корабля. Результаты он показал неплохие: смог полностью затушить трюм и удивил наблюдателей отличной системой баллансировки при ходьбе по неустойчивым поверхностям: по головешкам и прогоревшему полу. Однако действовал андроид не самостоятельно. Им управлял оператор, который находился в нескольких километрах от испытательной площадки.

Инженеры надеются, что через 5–10 лет сделают этого андроида полностью автономным и интеллектуальным: сбои в дистанционной связи, которые не исключены во время пожара, ему будут не страшны, потому что робот сам начнет принимать решения. А еще с ним можно будет поговорить по душам, расспросить его: каково это — быть героем, спасающим от огня людей?

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №4 (06) за апрель 2015 г.