Skaistuma meklējumi porainā vidē

Pēteris Bankovskis: Es gribētu sākt ar visbanālāko jautājumu, kādu mēdz uzdot cilvēks “no malas” — vai jūs spējat nespeciālistiem saprotamā veidā pastāstīt, kas ir tas, ar ko jūs nodarbojaties fizikā?

Leonids Buligins: Mēģinu saprast. Kā jau visi fiziķi — viņi mēģina saprast, kā notiek tas vai cits process.

Bankovskis: Bet ir fiziķi teorētiķi, kuri mēģina savos saprašanas meklējumos aiziet līdz galam, savukārt citi, vairāk praktiski orientēti, paliek tuvāk, nu, ikdienas cilvēka uztverei, vai...

Buligins: Tas gals... tas varbūt nav tik nozīmīgi, kā to nosauc... Jebkurā lietā ir līmenis, kurā mēs saprotam, un tad nāk nākamais solis, kurā vairs nesaprotam, un, vai tas gals ir tuvāk vai tālāk, tas ir diezgan nosacīti...

Bankovskis: Es jautādams domāju to “līdz galam” tādā skolnieciski shematiskā nozīmē: nu, tur ir atoms, tad — protoni un neitroni, un elektroni, tad, kā nu viņus tur sauc, kvarki. Cik viņu šobrīd ir, seši laikam?

Buligins: Laikam gan.

Bankovskis: Un šiem kvarkiem tiek piedēvētas tādas jau pavisam, šķiet, vājprātīgas īpašības: smarža, krāsa, kam, iespējams, ir jēga matemātiskā aprakstā, bet ko nav viegli saprast tāpat vien. Tad vēl tālāk, kas tur “nāk” aiz kvarkiem, tās dīvainās stīgas, superstīgas, kuru atrašanos 11 dimensiju telpā, liekas gan, pasaulē saprot kādi pārdesmit vīri, labākajā gadījumā...

Buligins: Tā patiešām ir radikāli fundamentālās teorētiskās fizikas šābrīža robeža, taču mūsu katedrā pētījumu virzieni ir tādi... lietišķāki. Tomēr no izziņas viedokļa ir vienalga, vai jūs darbojaties ar kvarkiem, mēģināt saprast, kā no šī modeļa kas izriet, kā teorētiskie pieņēmumi saskan ar eksperimentu rezultātiem, kādi ir iespējamie soļi tālākā izziņā, vai arī pētāt kaut ko šķietami piezemētāku, meklējot iespējas, kā virzīties tālāk. Pētāmā objekta piezemētība nekādā ziņā nemazina radošo momentu, kad mēģinu saprast, kas īsti notiek.

Bankovskis: Tad runāsim skaidru valodu: kas ir jūsu pētījumu objekts, kā notiek eksperiments jūsu nozarē, kā jūs strādājat ar eksperimentu rezultātiem?

Buligins: Eksperiments, un tā tas ir visās fizikas nozarēs, ir ļoti dārgs. Ja strādājam “uz pielietojumiem”, tad eksperimentālie dati bieži vien jau eksistē. Piemēram, ja jūs gribēsit uztaisīt Inčukalna pazemes gāzes krātuves modeli, jūs taču nesāksit eksperimentēt, jo ir pieejams milzīgs daudzums ekspluatācijas datu, ģeoloģiskās izpētes materiālu u.tml. Jūs mēģināt šos datu kalnus saprast, apvienot vienā matemātiskā modelī tā, lai šis modelis izskaidrotu eksperimentālos datus. Vai arī, ja runājam par citu mūsu katedras pētniecisko virzienu — atskaldīto neitronu mērķu pētījumiem, tad arī tur eksperiments jau ir, teiksim, Vācijā, Šveicē, Beļģijā, bet mēs šeit, izmantojot eksperimentu datus, cenšamies veidot matemātiskos modeļus, ar ko šos eksperimentus aprakstīt.

Bankovskis: Kāpēc ir vajadzīgs Inčukalna gāzes krātuves matemātiskais modelis, ja pastāv jau pati krātuve?

Buligins: Jā, pastāv. Bet kamēr jūs tikai ekspluatējat un vācat datus, jums, stingri ņemot, nav izpratnes par to, kā jūs to darāt. Vai jūs to darāt labāk vai sliktāk, vai vienkārši tā, kā nu sanāk. Tikai saliekot visus datus kopā, jūs redzat, kā krātuvei vajadzētu funkcionēt ideālā variantā. Un nav citas metodes, kā to izdarīt, kā vien veidojot matemātiskos modeļus, kas balstās uz to fiziku, ko mēs attiecīgajā brīdī saprotam.

Bankovskis: Prasti runājot, cik tur ir iekšā un cik vēl var iepumpēt?

Buligins: Ne tikai.

Bankovskis: Bet gāzes piegādātājus un tirgotājus, vai tad viņus tas neinteresē?

Buligins: Tas varētu būt tikai viens no jautājumiem.

Bankovskis: Bet kas tad viņus interesē, vai tad ne tas, cik tur ir gāzes, cik tā droši glabājas un cik labi to var dabūt ārā?

Buligins:Tā tas īsti nav. Lai gāze pazemē būtu, jums tā tur ir jāiesūknē. Jautājums ir, cik liels apakšā ir spiediens — jo lielāks tas ir, jo grūtāk gāzi būs dabūt iekšā. Uz tiem apjomiem, kas tur tiek sūknēti iekšā un ārā, pat nelielas spiediena izmaiņas ir šausmīgi dārgas. Piemēram, jūs varat ekspluatēt krātuvi, kad spiediens tur lejā ir, teiksim, 1, bet varat arī, ja tas ir 1,2. Lūk, otrajā gadījumā, lai iesūknētu gāzi, jūs zaudēsit milzu naudu. Citiem vārdiem sakot, ar matemātisko modeļu palīdzību jūs varat atrast veidu, piemēram, kā lētāk iesūknēt, nevis tikai uzzināt, cik un kas vispār...

Bankovskis: Labi, pasūtītāja ekonomisko interesi par šāda rakstura pētījumiem būtībā var saprast. Bet kāda ir jūsu zinātniskā, radošā interese, bez kuras taču par zinātnieku vispār nenāktos runāt?

Buligins: Mēs katedrā cenšamies, lai mūsu pētījumos iespēju robežās būtu sabalansēta attiecība starp pētījumu lietošķo un fundamentālo aspektu. Visiem mūsu pētījumu virzieniem — jau minētiem atskaldītiem neitroniem, gāzes krātuvei, silicija monokristālu audzēšanai un citiem ir konkrēts pielietojums. Bet vienlaikus tās ir arī nopietnas zinātniskas problēmas. Kas attiecas uz pazemes gāzes krātuvi, tad problēma ir tā, ka process notiek porainā vidē, gāzei izspiežot ūdeni no poru telpas starp smilšakmens graudiņiem.. Pieņemsim, ka mums ir lodītes, mēs tās saberam kādā traukā, un tagad tur ir lodīšu tilpums un gaiss starp tām. Lūk, to, kas notiek porās, tajā telpā starp lodītēm, mēs šobrīd vēl nemākam aprakstīt. Teiksim tā — mēs neprotam aprakstīt, kā notiek divu fāzu: šķidruma un gāzes kustība šādā telpā. Ja ir tikai viena fāze, tad vairāk vai mazāk, bet tomēr kaut ko mēs saprotam. Kaut gan arī, ja man ir zināms lodīšu sadalījums pa izmēriem, tomēr es nevarēšu atbildēt, kāda spiedienu starpība ir nepieciešma, lai es varētu izdzīt caur šīm lodītēm, piemēram, vienu kubikmetru ūdens. Tas man nav zināms.

Bankovskis: Kā, pat ja jūs zināt lodīšu sadalījumu pa izmēriem un to — kā to sauc šķidrumam, viskozitāti...

Buligins: Jā, viskozitāti...

Bankovskis: Jūs tomēr nevarat noteikt nepieciešamo spiedienu?

Buligins: Tā ir. Ja visas lodītes ir viena izmēra un cieši sapakotas, tad var, bet ja tās ir dažādas, un zināms sadalījums pa izmēriem, tad nevar.

Bankovskis: Kāpēc nevar, kas tur parādās, mēģinot aprēķināt?

Buligins: Parādās tas, ka vide ir nesakārtota, haotiska, tai ir īpašības, kam nav... atbilstoša matemātiskā aparāta.

Bankovskis: Ko jūs darāt, saskaroties ar šādām grūtībām?

Buligins: Jāpāriet pie tuvināta procesu apraksta lielākos telpas mērogos. Bet atgriezīsimies drusciņ atpakaļ. Ja ir divas fāzes — ūdens un gāze, un mēs gribam ar vienu izspiest otru ārā, tad viss sarežģās vēl vairāk, jo uz robežas starp abām fāzēm ir virsmas spraigums, tātad papildus spēks. Un vismazākajās porās tieši virsmas spraigums rada ļoti lielus spiedienus. Tāpēc nekad ar gāzi nav iespējams no porām izspiest ārā visu ūdeni.

Bankovskis: Kāds ir šo poru izmērs, vai tas ir samērojams ar molekulām?

Buligins: Nē, tas ir daudz lielāks, teiksim, viens mikrometrs, bet šīs poras nosaka procesus, kas notiek, piemēram, desmit kilometru platā joslā. Bet kā nu sanāk, mums ir darīšana ar procesu, kas notiek skalā no 10-6 līdz 104 metri un faktiski fundamentālos procesus nosaka tas, kas notiek vismazākajā izmērā. Respektīvi, mēs gribam iesūknēt gāzi krātuvē, kuras izmēri ir desmitos kilometru, bet to, kā tas notiks, nosaka procesi poru līmenī. Un ir pilnīgi skaidrs, ka šī problēma ir fundamentāla, sarežģīta un nav viennozīmīgi risināma.

Bankovskis: Es, iespējams, jautāšu muļķīgi, jo galīgi neesmu speciālists, bet vai šajos aprēķinos jūs nesaskaraties ar nepieciešamību izmantot visjaunākos atklājumus uz robežas starp matemātiku un fiziku, nu, es domāju haosa teoriju, fraktāļus?

Buligins: Pilnīgi pareizi, tas arī ir tas, ko mēs darām. Mēs strādājam vairākos virzienos. Piemēram, viens no mūsu doktorantiem, Edgars Birgers, pateicoties Ziemeļvalstu enerģētikas pētniecības programmas atbalstam, trīs mēnešus pavadīja Dānijas tehniskajā universitātē, strādājot ar Inčukalna iežu paraugiem. Vispār jau to iežu paaraugu ir diezgan maz. Paraugi tika iegūti, kad savulaik taisīja urbumus, pa kuriem sūknēt gāzi. Tiek noteikts, no kāda dziļuma šie ieži nāk, kāds ir to īpašības — porainība, granulometriskais sastāvs, caurlaidība, māla saturs. Krātuvi veidojošos iežus ir plānots sadalīt vairākos tipos un izpētīt katra tipa raksturīgākās īpašības — ar elektronu mikroskopa palīdzību, tomogrāfijas palīdzību — vizuāli: vai ir plaisas, kas taču noteikti mainīs ieža “izturēšanos”. Viens no svarīgākajiem parametriem ir fāzu caurlaidības, kuras var noteikt, risinot, piemēram, šādu uzdevumu: cik liela spiedienu starpība man nepieciešama, lai izdzītu cauri iezim 1 kubikmetru ūdens, ja puse vai ceturtā daļa no ieža tilpuma ir gāze. Ir jānoskaidro, kā savā starpā mijiedarbojas abas fāzes. Šī mijiedarbība ir ļoti, ļoti neskaidra. Un šobrīd visā pasaulē pētnieki strādā, meklējot atbildes. Strādā ļoti lielu kompāniju, piemēram, Statoil uzdevumā. Un runa jau nav tikai par gāzes krātuvēm, šīs problēmas ir svarīgas, iegūstot naftu un gāzi. Naftas gadījumā situācija ir vēl sarežģītāka, jo tur ir darīšana ar trim fāzēm: pašu naftu, gāzi un ūdeni, kas visas trīs kustas porainajā iezī. Poraina vide ir ļoti daudz kur, piemēram, tāda vide ir mūsu plaušas, viss cilvēks galu galā ir poraina vide kaut kādā ziņā...

Bankovskis: Kauli kaut vai...

Buligins: Gandrīz viss. Un daudzas tehnoloģijas mūsdienās ir atkarīgas no mūsu izpratnes par procesiem šajās porainajās vidēs.

Bankovskis: Vai porainības pētījumi kaut kādā veidā nesaistās arī ar membrānu problemātiku?

Buligins: Ir zināmas analoģijas arī šeit. Tāpēc jau zinātnieki tiek iesaistīti pat pamperu un tamlīdzīgu izstrādājumu izgatavošanā, lai cik tas pikanti vai savādi neizklausītos, jo tur tāpat ir porainības un plūsmu problemātika. Es pilnīgi saprotu firmas, kuras, lai konkurētu tirgū, savu ražojumu izstrādi uztver kā nopietnu profesionālu, zinātnisku uzdevumu.

Bankovskis: Kā jūsu pētniecības joma — plūsmu fizika porainā vidē — saistās ar ģeoloģiju, kas arī taču pēta šādas vides?

Buligins: Saistība ir fundamentāla. Visi mūsu analizējamie dati taču nāk no ģeologiem. Viņi taču ir tie, kuri no urbumu materiāla izdara secinājumus par iežu sastāvu. Arī doktorantam Birgeram viens no vadītājiem ir ģeoloģijas habilitētais doktors Astrīds Freimanis. Bet ģeoloģija beidzas ar aprakstu. Ģeologs var iedot iežu sadalījumu pa graudiņu izmēriem un vienkāršākos parametrus, bet brīdī, kad sākas gāzdinamika (fizika, mehānika — tie jau ir terminoloģijas jautājumi), tad ģeoloģija beidzas. Kad runa ir par naftas vai gāzes ieguvi, tad taču tiek operēts ar spiedieniem, tilpumiem, fāzu caurlaidībām, bet tie nav ģeoloģijas termini.

Bankovskis: Vai jūsu aprēķinus, aprakstot gāzes un šķidruma uzvedību porainā vidē, kaut kā ietekmē termodinamika, vienkārši sakot, siltums?

Buligins: Šajā konkrētajā gadījumā neietekmē. Saspiežot gāzi, tā, protams, sasilst. Bet pirms iesūknēšanas to atdzesē līdz apmēram 30 grādiem. Pazemē ir apmēram 24 grādu temperatūra. Tehnoloģisku iemeslu dēļ urbumi, pa kuriem sūknē, ir hidroizolēti ar dažādām mastikām (600 metru dziļš urbums, kas atrodas sāļa ūdens vidē, tači ir kaut kā jāizolē), šīs mastikas var izturēt līdz 40 grādu temperatūru. Gāzes vidējā temperatūra ir 26 grādi un tai ir ļot maza siltumietilpība, savukārt ūdenim ir apmēram tāda pati temperatūra, bet ļoti liela īpatnējā siltumietilpība, un tur nekādi būtiski, vērā ņemami siltuma apmaiņas procesi nenotiek. Tā tas ir šajā — pazemes krātuves gadījumā. Citādi tas būs, piemēram, naftas ieguvē, kur naftas viskozitāte ir atkarīga no temperatūras. Lai iegūtu vairāk naftas, jūs būsiet ieinteresēts to naftu kaut kādā veidā uzsildīt. Tur pie plūsmu aprēķiniem var nākties piemērot arī temodinamiskos rādītājus.

Bankovskis: Gāzes krātuvē toties ir ūdens, kuram var būt dažāds tajā izšķīdušo vielu ķīmiskais sastāvs, iespējams, arī kaut kādā veidā agresīvs. Vai iespējamo ķīmisko reakciju klātbūtne ietekmē aprēķinus?

Buligins: Jā, vide ir agresīva, tikai jautājums, pret ko. Dabas gāze praktiski ir tīrs metāns, kas ar mūs interesējošo vidi, cik man zināms, nekā būtiski nemijiedarbojas. Kas attiecas uz reakcijām starp sāļo ūdeni un iežiem, nu, tāds, protams, notiek, bet to ātrums, pareizāk sakot, lēnums, tāpat arī izskalošanās, nosēdumu veidošanās un citi iežu fizikālie procesi ir samērojami ar ģeoloģiskajiem laikmetiem un var netikt ņemti vērā mūsu modeļos. Citādi tas ir ģeoloģijas nozarē sedimentoloģijā: tur tieši tiek veidoti pieminēto lēno procesu modeļi, lai saprastu, kā tas vai cits iezis ir veidojies.

Bankovskis: Bet kā ir ar magnētiskā lauka ietekmi, vai tā ir jāņem vērā?

Buligins: Nē.

Bankovskis: Un gravitācija?

Buligins:Neapšaubāmi, tās ietekme ir ievērojama.

Bankovskis: Plūdumā rodas arī berze, bet tā varbūt var polarizēt. Vai nevar būt tā, ka kaut kur pazemē rodas pretēji lādēti apgabali?

Buligins: Nu ne taču. Dabā ir ļoti reti gadījumi, kad lādiņi ir atdalīti, turklāt, ja darbība notiek sāļā ūdenī, tad jāņem vērā, ka tā ir ļoti labi elektrību vadoša vide.

Bankovskis: Tātad var sacīt, ka manis nosauktās iespējamās briesmas nekā nesarežģī jūsu darbu, veidojot modeļus?

Buligins: Nē, mums pietiek problēmu jau ar tiem parametriem, kuri patiešām ir būtiski un definē notikumu gaitu, lai vēl pievienotu otrās, trešās vai ceturtās kārtas procesus, kuru ietekme varētu parādīties hipotētiski. Vēlreiz gribu uzsvērt, ka porainās vides un divu fāzu mijiedarbība jau ir tik sarežģīta, ka pietiek ar to.

Bankovskis: Kāda jums ir sajūta, darbojoties tik komplicētā jomā, kur atrisinājums vēl ne tuvu nav manāms?

Buligins: Te jau arī ir meklējama atbilde uz jautājumu par zinātnisko interesi. Sajūta nav ne bezcerīga, ne traģiska. Modeļi attīstās, pamazām rodas izpratne. Saliekot dažādus rezultātus kopā, jau ir iespējams izdarīt gan kaut kādus praktiski interpretējamus secinājumus par gāzes krātuves darbību, gan arī padziļināt zināšanas par fundamentālajiem procesiem tīri zinātniskā aspektā. Te jau ir tas skaistums universitātes cilvēkam — strādāt pie fundamentālām problēmām, kas ir pietiekami lielas un nopietnas, lai risinājumi nepienāktu šodien vai rīt. Pretējā gadījumā pētniecība jau pārvērstos par elementāriem līgumdarbiem.

Bankovskis: Jūs pieminējāt skaistumu. Šķirstot populāru literatūru par dabaszinātnēm, bieži nākas lasīt: skaista teorija, skaists vienādojums. Kā, jūsuprāt, izpaužas šis skaistums dabaszinātnēs?

Buligins: Man šķiet, ka skaistums ir tajā brīdī, kad kāda līdz šim nesaprotama parādība tiek izskaidrota ar vienkāršu modeli, nesvarīgais tiek atdalīts no svarīgā, un svarīgais tiek aprakstīts ar vienādojuma palīdzību. Un šis vienādojums ir pietiekoši vienkāršs, lai mēs to saprastu, un vienlaicīgi tas apraksta ļoti sarežģītu parādību, šīs parādības vissvarīgākās īpašības. No haosa un neizpratnes izvilkt svarīgāko un pateikt: “Tas ir tā!” Vienādojums — tā jau ir tikai forma, kādā jūs pierakstāt savu apgalvojumu. Tāpēc man vienādojums nav skaists pats par sevi, savas matemātiskās formas dēļ (matemātiķis skaistumu varbūt redz, piemēram, simetrijā), man skaistums ir tad, ka redzu, ka aprakstītas ir svarīgākās īpašības.

Bankovskis: Kas jums tādā gadījumā ir matemātika, vai tikai instruments?

Buligins: Tikai instruments. Fiziķa domāšanas veids, vismaz manējais, ir tāds, ka mani tik ļoti neinteresē matemātiskā precizitāte, bet gan process un tā svarīgāko īpašību izdalīšana. Ja es pieietu formāli, man vajadzētu ievērot tik daudz dažādu nosacījumu, ka galu galā es nonāktu pie tik sarežģīta vienādojuma, ko es nevarētu atrisināt, vai arī, ja atrisinātu, tik un tā nesaprastu rezultātu.