Идущие на смерч

Расхожая истина: все самое хорошее в нашей медицине - исключительно импортное. И диагностические аппараты, и технологии, и даже инструменты. Иногда кажется, что в этой области мы беспросветно отстали от всего мира, как деревенские старухи от интернета. Не прошу поверить на слово, что мы, наоборот, умеем опережать весь мир. Просто рассказываю историю.

- Представьте демонстрацию - идут люди, перемещаются в толпе, несут флаги, - Кикнадзе отпивает глоток умопомрачительного кофе, сваренного для нас его красавицей-женой. - А теперь представьте, что идет на парад рота солдат - ровный строй, четкие шеренги. Если им придется пройти сквозь калитку, люди в толпе начнут протискиваться, толкаться, тратя лишние силы. А солдаты пройдут организованно, один за другим. Вот так и потоки - некоторые движутся хаотично, а другие умеют самоорганизовываться. И в них нет лишней потери энергии. Понятно?

Ничего мне не понятно в этой высокой физике и математике. Слушаю уже несколько часов, пытаясь вникнуть в то сложное, что лежит в основе простого, как детская поделка. Оказывается, самый настоящий вихрь, смерч, торнадо можно создать, просто сделав на поверхности, по которой движется поток, несколько круглых или овальных вмятин.

"Это мракобесие какое-то!"

Момент рождения научной идеи столь же загадочен, как и любой акт творения - от стихов до пирога с вишней. Руководитель лаборатории перспективных разработок Института атомной энергии, знаменитого "курчатника", Геннадий Кикнадзе еще в 1977 году обнаружил важный эффект. Когда ламинарный (спокойный) поток на высокой скорости превращается в турбулентный (хаотичный), можно вернуть ему спокойное течение. Если превратить его в вихрь, то есть закрутить поток по спирали.

Тогда пришла идея использовать вихри, чтобы улучшить охлаждение урановых стержней в ядерных реакторах. В лаборатории создали тонкостенную оболочку с особым рельефом. На стенки нанесли "пуклёвки" - так называют вмятины на металле. В этих лунках и образовывались те самые вихри, которые уносили тепло намного быстрее и интенсивнее. Сотрудники лаборатории Иван Гачечиладзе и Юрий Чушкин смогли провести фото- и видеосъемку вихрей.

- Начался большой ералаш, - улыбается Геннадий Ираклиевич. - Никто не мог понять, почему гидравлическое сопротивление поверхности с лунками падает по сравнению с гладкой, а интенсивность ее охлаждения, наоборот, увеличивается. Это нарушало все правила.

Эксперименты проводили несколько лет, результаты были те же. Кое-кто из именитых коллег-физиков возмущался: "Это мракобесие какое-то! Не может быть! Лишить его всех научных званий!" Но мудрое начальство рассудило: если вы такие умные, то подведите под эксперименты теорию.

Задачка на миллион

В 1985 году физиков привлекли к решению важной, государственного масштаба задачи. Требовалось улучшить охлаждение газотурбинного двигателя аэробуса Ил-86. Для этого они "посадили" рукотворные смерчи в каналы охлаждения лопаток турбин. Попросту нанесли на них вмятины нужного размера и кривизны. Интенсивность охлаждения выросла более чем в 3,5 раза, увеличилась и взлетная тяга самолета.

В общем стало ясно, что ученые обнаружили совершенно новый вид потоков - смерчевые. Именно они способны концентрировать и сохранять колоссальную энергию, как, например, торнадо: унесенная им соломинка пробивает и толстую доску, и кирпич...

Вместе с талантливым физиком-теоретиком Юрием Красновым, который теперь благополучно живет в США, они сумели найти теоретическое обоснование. Для этого им пришлось решить для нового класса потоков уравнения Навье-Стокса - систему дифференциальных уравнений, описывающих движение вязкой жидкости. Между прочим, это одна из тех семи задачек, за общее решение каждой из которых Математический институт Клэя (США) назначил премию в миллион долларов. Такую же, какую получил за доказательство гипотезы Пуанкаре безмятежный мятежник Перельман.

Поток мозгов на Запад

На основании новой теории был получен целый том патентов на разные технические устройства. Оказалось: если такие лунки нанести на обводы судов, резко возрастет эффективность двигателей. То же самое - с лопастями вентилятора. С рядом крыловидных профилей. С днищем автомобиля. С шапочкой пловца. С лопастями ветрогенератора. В общем, с любым предметом, который движется в потоке воздуха, воды и других жидкостей.

Правда, надо очень точно рассчитать диаметр лунок, их кривизну, расстояние между ними. Но это, собственно, и есть российское ноу-хау, которое не так-то просто украсть. А попыток было много. После того, как в 90-е науку перестали финансировать, ученых отпустили в "свободное плавание". Кикнадзе со товарищи предложили создать в Германии совместное предприятие по продвижению российских смерчевых технологий на мировой рынок. И тут же получили важный заказ - создать эффективное крыло. Создали, повысив его эффективность на четверть.

Тут интерес к российским ученым проявили птицы большого полета - строители сверхскоростных европейских поездов. У тех обнаружился немалый дефект. При скоростях в 250-300 км в час на вылете из тоннелей боковые воздушные потоки просто сшибают поезд с рельсов. Приходится сбрасывать скорость, тратить лишнюю энергию. Наши знаменитые лунки могут эту проблему решить - нанесенные на поверхность модели поезда, в аэродинамической трубе они снизили сопротивление воздуха сразу на 20%. Так что, возможно, вскоре летающие поезда приобретут новый дизайн - "в русскую пуклёвку".

К сожалению, ни наши авиастроители, ни создатели "Сапсана" пока никакого интереса к этим разработкам не проявили. А проявили совсем другие люди - врачи и ученые из Научного центра сердечно-сосудистой хирургии имени Бакулева. Вот мы и добрались наконец до медицины.

Ураганы внутри нас

Про то, что поток крови в человеческом сердце и сосудах закручен, знал и рисовал в своих анатомических тетрадях еще великий Леонардо да Винчи. Сотрудница лаборатории полимеров Бакулевки Наталья Кузьмина лет 40 назад выдвинула гипотезу: поток крови закручивается в левом желудочке - главном "насосе" сердца. Это самый эффективный способ перемещения жидкости, сердце тратит меньше энергии, прокачивая массу крови в самые мелкие сосуды.

Когда в лаборатории со своими расчетами вихревых потоков появился физик Кикнадзе, ее руководитель Наталья Доброва, автор советских искусственных кровеносных сосудов и клапанов сердца, встретила его не особо приветливо: что вы, технари, понимаете в медицине! Но поручила молодому сотруднику Александру Городкову поработать с заносчивыми физиками.

Александр же в то время методично выполнял слепки внутренних полостей человеческого сердца. На них внутри есть трабекулы - выступающие полоски мышцы, словно закрученные по спирали. Увидев их, Кикнадзе воскликнул:

- Да это же и есть смерчевая камера!

Вот так и начались совместные исследования физиков и "лириков". Их поддержал, а в медицинской части возглавил исследования директор центра академик Лео Бокерия, известный своим острым вниманием к любым инновациям. Вскоре они убедились: анатомия сердца вполне соответствует геометрии потока крови, которая обеспечивает максимальную эффективность работы нашего "мотора". И уравнения Навье-Стокса, решенные для технических устройств в вихревых потоках, вполне применимы и для расчета устройств, используемых в кардиохирургии.

Вихри чиновные веют над нами

Сегодня известны десятки конструкций протезов сердечных клапанов, сотни тысяч людей живут благодаря им. Но у них есть серьезный недостаток: даже лучшие клапаны не обеспечивают естественного тока крови. Вставая, как перегородка, на его пути, они ломают структуру вихря в аорте или легочной артерии. Сердце вынуждено тратить больше энергии на прокачку крови. На клапане в потоке формируются застойные зоны, в которых возможно образование тромбов. А к чему может привести тромб, знают все.

Вот почему пациенты с искусственными клапанами обречены пожизненно принимать сильные лекарства-антикоагулянты. Те, что разжижают кровь, не давая тромбам образоваться. Но у них, как и у всех сильных лекарств, есть, увы, побочные эффекты, существенно снижающие качество жизни.

- Теперь мы точно знаем, что кровь движется как смерчевой поток, - рассказывает доктор биологических наук Александр Городков. - Здесь почти нет трения, то есть нет потерь энергии.

Смерчевые технологии позволяют создать целый спектр новых устройств - от аппаратов искусственного кровообращения до имплантируемого искусственного сердца. А первым научный коллектив Бакулевки сконструировал принципиально новый тип сердечного клапана, который способен поддерживать естественный поток крови.

- Его имплантация позволит почти полностью освободить больных от антикоагулянтов, значительно улучшит качество их жизни, - подтверждает еще один соавтор нового устройства, инженер Андрей Агафонов. - Обладая формулой точных расчетов, мы могли бы делать клапаны с учетом индивидуальных особенностей человека - размеров его сердца, веса, роста, нагрузок и т.п. Аналогов этому российскому клапану в мире нет.

Но и самого клапана пока тоже нет. Чтобы создать несколько опытных образцов, увы, нужны средства. Однако заявка на грант, которую послали ученые в один уважаемый фонд, поддержки не нашла. Двое рецензентов поддержали, но третий написал: "Считаю данную идею бесперспективной". Типа не может быть, потому что не может быть никогда.

Да, преодолеть вихри враждебные косности и рутины порой сложнее, чем настоящий торнадо. И возможно, с новейшей российской разработкой получится то же, что и со многими другими идеями наших ученых. Придумать-то мы можем что угодно. Воплотить в жизнь - не всегда. И не только потому, что не хватает средств. А потом удивляемся, что наши новаторские идеи быстренько реализуют за рубежом, и покупаем готовую продукцию за валюту. Но уже много дороже.