Ученый нашел эффективный способ избавить дороги от выбоин и трещин

Доктор Цао из Университета Суррея взял на себя задачу найти решение и получил исследовательскую стипендию в размере 780 000 долларов США для поиска, разработки и тестирования системы, предназначенной в первую очередь для предотвращения образования выбоин.

«Для формирования выбоин вам нужны три элемента. Первый — это поверхностная трещина. Они образуются и расширяются со временем из-за дорожного движения, мы не можем этого избежать. Второй — это вода, а третий — циклическое замораживание/оттаивание. Зимой в Великобритании температура опускается примерно до -10 °C, так что вода сначала просачивается в трещины, затем замерзает и расширяется, усугубляя повреждения дорожного покрытия. Весной, когда температура снова повышается, вода тает и сжимается», — рассказал он.

Многократное замерзание и оттаивание, а также последующее расширение и сжатие могут ослабить связующее вещество асфальта. Это приводит к разного рода разрушениям; выбоины — это лишь одна проблема, но она серьезная. Поэтому ученый начал думать о том, как согреть дорожное покрытие зимой, чтобы вода попросту не замерзала.

Подобные попытки уже предпринимались и раньше в других демонстрационных проектах, но обычно с нагревательными элементами, встроенными в поверхность дороги. Цао искал гораздо более эффективное и низкоуглеродное решение. «Я так думаю: у нас здесь есть дорога, и под ней огромное количество земли – почему бы нам просто не использовать эту землю как коллектор и хранилище тепла летом, а зимой снова извлекать это тепло?».

Система, разработанная Цао, работает примерно следующим образом: во время строительства дороги рабочие прокладывают ряд тонких пластиковых труб диаметром 10 мм, примерно через каждые 5-10 метров. Рядом с дорогой или под ней они вкапывают грунт земляного полотна примерно на 5–10 м и прокладывают в нем дополнительные петли трубопроводов. Поверхностные и подземные контуры будут соединяться с тепловым насосом.

Почва земляного полотна вокруг подземных петель будет пропитана крошечными микрокапсулами. «Эти капсулы сделаны из материала с фазовым переходом, например, парафина или воска, который может хранить много тепла. Оболочки будут из графита или материалы на основе графена для быстрой передачи тепла», — добавил Цао.

Все, что действительно нужно тепловым насосам, — это аккуратно циркулировать воду со смесью антифриза по контурам. И не постоянно; как только под землей накопится достаточно тепла, их можно будет отключить, и их не нужно будет включать снова, пока температура на дороге не упадет на пару градусов выше нуля.

Цао говорит, что один комплект подземных змеевиков и теплового насоса, вероятно, может справиться с дорогой длиной более 100 метров. «Каждая единица электроэнергии, которую вы используете для работы этого теплового насоса, перемещает четыре единицы теплоты. Так что это довольно эффективное решение – намного более дешевое, чем электрические системы обогрева дорог».

В течение лета, когда дорожное покрытие становится горячим, тепловые насосы переносят это тепло в капсулы фазового перехода в почве. Затем, когда температура приближается к нулю или опускается ниже его, насосы включаются в обратном направлении. Ученый уверен, что в Великобритании избежать промерзания дороги будет не сложно.

По словам Цао, при наличии финансирования первым шагом будет разработка и производство микрокапсул с фазовым переходом. «Во-вторых, мы собираемся создать в лаборатории модель дороги, вероятно, длиной около трех метров, в очень контролируемой среде, в большой почвенной камере. В-третьих, мы проведем численное моделирование, чтобы увидеть долгосрочные эффекты и общую производительность и отказоустойчивость системы»? — уточнил профессор.

А потом придет время проверить это в реальном мире. «Последняя задача — провести полномасштабные полевые испытания совместно с Транспортным агентством. В ходе полевых испытаний мы проложим несколько труб и насос под дорогу», — завершил он.