Китайские химики смоделировали фильтрацию дыма древней лампы-гуся

Китайские химики-технологи выяснили, что древняя масляная лампа-гусь могла фильтровать дым от горения и снижать загрязнение воздуха в помещении. Конструкция светильника позволяет почти на 17 процентов уменьшить количество дыма, поступающего в комнату, при сжигании масла. Исследование опубликовано в PNAS.

Расписная бронзовая лампа была обнаружена в 1985 году в провинции Шаньси, где пролежала под землей около 2000 лет. Она некогда использовалась китайской знатью времен династии Западная Хань (206 год до нашей эры — 25 год нашей эры) для внутреннего освещения. Светильник высотой 53 сантиметра выполнен в форме гуся с длинной шеей, держащего в клюве рыбу. Все тело птицы покрыто рисунками. Образы гуся и рыбы в Китае олицетворяют пожелания любви и процветания, также считается, что гусь, ловящий рыбу, — символ стремления к успеху. 

Лампа состоит из четырех частей и трех отсеков. Поддон светильника представляет собой изогнутый сосуд, который наполняют маслом для сжигания. Две изогнутые панели выполняют роль своеобразного абажура, которые вставляются в паз на краю подноса. Абажур защищал пламя от ветра, а также помогал контролировать направление и уровень освещения. Второй отсек — это полое тело гуся с отверстием в спине, куда вставлялся круглый выступ на дне поддона, благодаря чему он мог вращаться. Третьим отсеком является голова гуся с длинной шеей с одной стороны и рыбой с другой, они тоже полые. Шея соединяется с телом птицы, а верхние края абажура фиксируются в брюхе рыбы. Такая конструкция облегчала чистку лампы от копоти и возможную ее транспортировку. Обычно масляные лампы чадят и пахнут гарью, но в отношении ханьского бронзового светильника принято считать, что он обладает системой фильтрации. Предполагается, что дым, который образуется от сжигания масла, животного жира или воска, может попадать в гусиное брюхо через его длинную шею. В тело птицы предварительно заливалась вода и дым, достигавший ее поверхности, частично поглощался, снижая тем самым загрязненность воздуха в помещении.

Профессор Цзе Сяо (Jie Xiao) совместно с коллегами из Университета Сучжоу проверили с помощью компьютерного моделирования принцип работы бронзового артефакта. Они разработали комплексную мультифизическую модель для имитации работы лампы. Светильник, построенный по образцу экспоната из Национального музея Китая, поместили в помещение с комнатной температурой и непрерывным доступом свежего воздуха. Брюхо гуся было наполовину заполнено водой, а абажур открыт на 25 процентов. Разница температур воздуха провоцировала естественную конвекцию. Горячий воздух с частицами дыма попадал в полость рыбы, где часть потока уходила вверх в шею, а часть возвращалась назад, образуя вихри внутри рыбы. Но поток, достигая верхней части шеи, не имел достаточного импульса, чтобы опускаться вниз до воды в брюхе, вместо этого, на полпути он возвращался к вершине шеи. В результате самая большая концентрация дыма наблюдалась в полости рыбы, а не в брюхе с водой. При таких условиях эффективность защиты составила всего лишь 0,08 процента, то есть 99,92 процента дыма от пламени просачивалось через отверстие в абажуре, а поглощение водой было минимальным.

Чтобы уменьшить загрязнение от дыма, частицы от горения должны пройти вдоль длинной шеи гуся и достичь поверхности воды под пламенем. Для этого свежий воздух, поступающий через отверстие в абажуре, должен хорошо распределяться по всем трем отсекам лампы, чего не наблюдалось при первом моделировании. Ученые обратились к стратегии естественной вентиляции. Ученые еще раз изучили устройство лампы-гуся и заметили, что при  ее описании упоминается возможность вращать поддон, а значит соединение между ним и телом гуся не может быть бесшовным. Ученые предположили, что этот зазор может сыграть неожиданную роль для улучшения фильтрации дыма. Они поместили зазор в 2 миллиметра между поддоном и телом гуся и провели еще одно моделирование при прочих равных условиях.

В итоге небольшой зазор привел к кардинальному изменению воздушных потоков в лампе. Интенсивность вентиляции увеличилась более чем на 30 процентов, а в шее можно было наблюдать нисходящий поток дыма, который увеличивал концентрацию в брюхе гуся. Эффективность защиты возросла до 16,89 процентов, то есть примерно в 210 раз. Остальные 83,11 процентов дыма просочились в комнату через абажур и зазор, при этом, несмотря на мизерный размер щели, именно через нее выходила большая часть дыма. Ученые также провели несколько моделирований с различными размерами зазора и отверстиями в абажуре и пришли к выводу, что светильник с большой щелью между поддоном и телом лампы и небольшим отверстием в абажуре обеспечивает меньшее попадание дыма в комнату. Максимальная защита достигала около 20 процентов. По мнению ученых, эффективность древней лампы может вдохновить инженеров на разработку оптимизированных систем естественной вентиляции.

Ранее на N + 1 уже рассказывали о других находках из китайской провинции Шаньси. Так, недавно археологи нашли там небольшую куколку шелкопряда, вырезанную из камня. Возраст артефакта составляет примерно 5200 лет. А недалеко от города Сиань археологи откопали больше 20 терракотовых воинов из армии императора Цинь Шихуанди.

Надежда Чекасина