Арктика — стратегически важный для России регион с огромными ресурсами. Однако ее освоение осложняется экстремальным климатом и удаленностью, что делает доставку строительных материалов и возведение инфраструктуры крайне дорогими и сложными. В качестве альтернативы используют местный снег, доступный большую часть года. Однако традиционные методы — резка блоков (иглу) или формирование в опалубке — имеют серьезные недостатки: они требуют особого снега, трудоемки и теряют теплоизоляцию при оттепели. Ранее для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали метод прессования снега с подплавлением. Теперь им удалось построить из таких блоков экспериментальную хижину и доказать ее высокие теплоизоляционные свойства и долговечность.
Арктика — стратегический регион, обладающий колоссальными запасами полезных ископаемых. Россия играет ключевую роль в их освоении, обеспечивая почти 40% мировой добычи арктических меди, никеля и алмазов. Потенциал региона огромен: около 48 миллионов квадратных километров, или почти треть территории страны, находится в этой зоне.
Однако освоение этих ресурсов сопряжено с серьезными трудностями. Экстремальный климат, вечная мерзлота и огромная удаленность от промышленных центров делают практически невозможным создание необходимой инфраструктуры — жилья для вахтовиков или складов для провизии. Любое строительство здесь становится сложнейшей логистической и экономической проблемой. Доставка традиционных материалов — бетона, металлоконструкций, кирпича — в эти широты чрезвычайно затратна, а зачастую технически невыполнима.
Поэтому снег, лежащий в Арктике по 8–10 месяцев в году, стал закономерным решением. Он доступен, бесплатен и, что особенно важно, хорошо держит тепло. Пытаясь применить его в строительстве, люди выработали два основных подхода. Первый — это возведение конструкций из вырезанных блоков, как в случае иглу. Второй — формовка блоков с помощью специальных разборных форм (опалубки) с последующим уплотнением.
Однако реализовать эти преимущества снега на практике крайне сложно. Классические методы имеют фундаментальные недостатки, которые подрывают их надежность как утепленных укрытий. Во-первых, они полностью зависят от наличия «правильного» снега — плотного ветрового наста. Без него построить защищенное от холода убежище невозможно. Во-вторых, даже с хорошим материалом требуются часы работы и большое мастерство для создания герметичной конструкции — непозволительная трата времени и сил в критической ситуации. В-третьих, при оттепели структура снега разрушается, его теплопроводность резко растет, и укрытие за несколько часов утрачивает свои изоляционные свойства. Таким образом, материал на деле оказывается крайне ненадежным хранителем тепла.
Ранее ученые Пермского Политеха разработали метод, призванный преодолеть эти ограничения — технологию прессования снега с одновременным подплавлением его поверхности. Теперь они провели серию экспериментов, в ходе которых построили из таких блоков полноразмерную хижину и доказали ее реальные теплоизоляционные свойства и долговечность. Статья опубликована в «Вестнике ПНИПУ. Прикладная экология. Урбанистика», том 1, 2025 год.
Для возведения сооружения использовалась подогреваемая опалубка — два листа фанеры с нагревательными элементами. Засыпанный между ними снег уплотняется, а легкий нагрев подтапливает поверхность, создавая монолитный блок с прочной ледяной коркой, что обеспечивает высокую и контролируемую прочность. Технология исключает трудоемкую резку и переноску, позволяя формировать стены сразу на месте. Из таких заготовок ученые построили экспериментальную иглу высотой около 1,8 метра со стенами толщиной почти 0,65 метра.
Главной целью первого эксперимента было выяснить, можно ли обогреть такую хижину теплом одного человека. В экстренной ситуации у полярника или геолога зачастую нет никаких внешних источников энергии — только тепло собственного тела. А оно, даже в полном покое, работает как небольшая печка, выделяя тепло мощностью около 60-100 ватт, примерно, как старая лампочка. Для опыта именно ее и поместили внутрь иглу, чтобы смоделировать присутствие человека.
— В течение десяти дней лампа накаливания мощностью 75 ватт непрерывно работала внутри. Этот срок позволил провести полный цикл наблюдений: зафиксировать не только первоначальный нагрев, но и выход температуры на стабильный уровень. Показания контролировались с помощью высокоточных датчиков, размещенных внутри помещения и в толще стены, данные с которых непрерывно записывались регистратором. В результате было установлено, что температура воздух в хижине поднялась с -21°C до +1°C, — рассказал Олег Зверев, кандидат технических наук, доцент кафедры общей физики ПНИПУ.
Этот рост на 22 градуса стал доказательством того, что тепла одного человека достаточно, чтобы создать в снежном укрытии жизнеспособные условия. На практике с несколькими людьми или дополнительным снаряжением температура будет значительно выше. Тепла двух-трех человек будет достаточно для поддержания в таком укрытии уже комфортной плюсовой температуры. Даже компактная газовая горелка или свеча позволит быстро прогреть помещение до значений, пригодных для безопасного отдыха.
В ходе эксперимента выяснилось, что практически вся энергия (99,9%) поглощается массивом снежных стен.
— Для точной оценки изоляционных свойств мы вплавили датчик прямо во внутреннюю поверхность стены, чтобы точно замерить температуру на ее границе с помещением. После того как система вышла на стабильный режим работы лампы, мы по разнице температур между этой точкой и серединой стены вычислили основной параметр — теплопроводность. Он определяет, насколько эффективно материал сберегает энергию, и чем меньше это значение, тем лучше. Оказалось, что наш прессованный снег имеет показатель 0,39 Вт/(мК), — объяснил Олег Зверев.
Для сравнения, у кирпичной стены значение почти вдвое выше (0,6–0,8). Это значит, что стена из такого снега будет чрезвычайно медленно выпускать накопленное тепло. Благодаря этому даже слабый и постоянный внутренний источник (как человек) способен эффективно поддерживать внутри температуру около 0 °С в течение долгого времени.
— Также мы оценили долговечность снежных сооружений в условиях весеннего потепления. Конструкция начала работать как естественная холодильная камера. Наблюдения велись в марте-апреле с помощью все тех же температурных датчиков, которые непрерывно фиксировали, как меняются показания внутри помещения, в толще стены и снаружи, — поделился Олег Зверев.
Данные показали, что даже когда на улице периодически теплело до +14 °C, внутри хижины почти три недели держалась температура около 0°C. Это происходит благодаря свойству льда: для его плавления требуется значительная энергия. Пока стены остаются ледяными, тепло снаружи в первую очередь расходуется именно на этот процесс, а не на повышение температуры воздуха внутри. Сама конструкция будет стоять и работать как «холодильник» до тех пор, пока ее стены полностью не растают. В условиях весны, когда заморозки чередуются с оттепелями, этот процесс может растянуться на несколько недель или месяцев. Это доказало, что такие снежные сооружения полезны не только зимой, но и в межсезонье для хранения запасов.
Таким образом, разработка ученых имеет ряд ключевых преимуществ перед традиционными методами. В отличие от классического иглу, для которого нужен особый «ветровой» снег, новая технология позволяет быстро строить из любого снега, обеспечивая предсказуемую прочность и герметичность. Стены такой конструкции доказано сохраняют тепло почти вдвое эффективнее многих традиционных строительных материалов, накапливая и удерживая даже слабое тепло человеческого тела для поддержания стабильного микроклимата. Кроме того, сооружение универсально. Все это создает основу для дешевой, автономной и быстровозводимой инфраструктуры в условиях Арктики.
По информации https://naked-science.ru/article/column/snega-dlya-osvoeniya-arkt
Обозрение "Terra & Comp".
