به گزارش پردیس امروز به نقل از خبرگزاری فارس؛ توسعه فناوری در گام اول به توسعه علمی نیاز دارد؛ مادامیکه شاهد پیشرفت علوم در مراکز پژوهشی کشور نباشیم، رسیدن به توسعه فناوری و به دنبال آن توسعه اقتصادی، دور از دسترس به نظر می‌رسد.
یکی از حوزه‌های که در سال‌های اخیر هم در زمینه علمی و هم در زمینه عملی، پیشرفت همه‌جانبه و قابل‌توجهی داشته، حوزه علوم زمین در کشور است. براساس مستندات دانشگاهی در حال حاضر مجموعه فعال در حوزه علوم زمین ایران با توسعه بسیار سریع در مرز این علوم حرکت می‌کند.
در یکی از پیشرفته‌ترین تحقیقات نظری انجام شده در حوزه علوم زمین کشور، محققان دانشکده معدن دانشگاه صنعتی امیرکبیر توانسته‌اند با بهره‌گیری از مدل تغییر شکل اعضای بدن تحت تنش‌های متفاوت، رفتار سازندهای کم مقاومت در سازه‌های زیرزمینی نظیر، تونل‌ها، مراکز ذخیره‌سازی زباله اتمی، میادین نفتی و سایر موارد را مدلسازی کنند.
به منظور آشنایی بیشتر با این پروژه با «محمد عنایتی نجف‌آبادی»، دانشجوی دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و سرپرست پروژه تحقیقاتی توسعه مدلسازی پوروهایپر الاستیک گفتگو کردیم که در ادامه می‌خوانید.
*در مرز علم ژئومکانیک گام بر می‌داریم
منظور از «ژئومکانیک» چیست و چرا حوزه مهمی است؟
به طور کلی ژئومکانیک و فراتر از آن علوم زمین به بررسی رفتار مکانیکی زمین می‌پردازد. به معنای دیگر، این که شما چه نیرویی به زمین وارد می‌کنید و زمین چه واکنشی به شما نشان می‌دهد، توسط ژئومکانیک بررسی می‌شود. این شاخه علمی به طور مشترک بین حوزه‌های مهندسی معدن، مهندسی عمران و مهندسی نفت کاربرد دارد و اساسا می‌توان به آن به عنوان یک شاخه بین رشته‌ای نگریست. طبیعتا بسیاری از فعالیت‌های روزانه زندگی مردم اعم از حمل و نقل و راه، انرژی و سایر مسائل کلان به طور مستقیم و غیر مستقیم به زمین مرتبط می‌شود.
در حوزه ژئومکانیک، هدف نهایی شناخت رفتار زمین است و زمانیکه شما از این رفتار سر در بیاورید، می‌توانید آن را در مواجه با تغییرات از جمله نصب‌سازه‌هایی نظیر تونل مشاهده کنید و پس از آن اقدامات گسترده‌ای را مد نظر قراردهید.
توانایی شناخت رفتار زمین برای تأمین نیازهای کلیدی حوزه انرژی، حمل‌ونقل، راه و سایر مسائل کلان، اساس علم ژئومکانیک است.
جهش علمی اتفاق‌افتاده در طول ۴۰ ساله گذشته زمینه توسعه علم در بسیاری از حوزه‌ها را رقم زده است و حوزه علوم زمین و بخصوص مسئله مکانیک سنگ و خاک در کشور ما نیز از این موضوع مستثنی نیست.
خوشبختانه توسعه علم ژئومکانیک در ۱۵ سال گذشته به دلیل توسعه زیرساختی کشور و همچنین نیاز به ارتقای دانش از زمین شدت گرفته است. البته این روند توسعه‌ای در چندسال اخیر با کندی مواجه شده و تعداد پژوهش‌های مرز علم این حوزه بسیار کم شده است اما به طور کلی فاصله چندانی میان مرز علم دنیا و پیشرفت‌های علمی کشور در این حوزه وجود ندارد.
پژوهشی که شما در دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام دادیم راجع به چه مسئله‌ای بود و چه جزئیاتی داشت؟
عنایتی نجف‌آبادی: همانطور که گفتم نیاز پدر توسعه علم است. کار ما نیز از یک نیاز شروع شد. در یکی از معادن مرکزی کشور، در عمق نزدیک به ۴۰۰ متری، یک تونل به عنوان تونل دسترسی به ماده معدنی حفر شده بود.
پس از حفر تونل، مهندسین با پدیده نشست زمین در کف تونل برخورد کرده بودند، بر همین مبنا ابتدا فکر کرده بودند این نشست یک پدیده عادی است و با سنگ باطله معدن آن را پوشانده بودند اما در ادامه این نشست به نزدیک نیم متر رسیده بود.
این مسئله واقعی سبب شده بود تا مدل‌های قدیمی دیگر پاسخگوی رفتار زمین نباشند. همین نیاز سبب شد تا ما با آگاهی از مسئله به شناخت دقیق آن بپردازیم. در گام ابتدایی پس از انجام اطلاعات اکتشافی متوجه شدیم، با یک شیل غرق در آب در زیر منطقه نشست کرده مواجه هستیم.
بر همین اساس با بهره‌گیری از مدلسازی که پیشتر برای تحلیل رفتار اعضای بدن مورد استفاده قرار می‌گرفت، اقدام به تحلیل رفتار این شیل کم مقاومت اشباع نمودیم.
کلیدواژه این پژوهش یعنی «پوروهایپر الاستیک» بسیار ثقیل است، ممکن است به طور ساده بفرمایید، پوروهایپر الاستیک چیست؟
عنایتی نجف‌آبادی: همانطور که گفتیم در حوزه ژئومکانیک، هدف نهایی شناخت رفتار زمین است. این شناخت رفتار در قالب مدلسازی ریاضی قابل انجام است و اساسا حرکت در مرز علم این حوزه به معنای توسعه مدل‌هایی است که بتواند به طور دقیق‌تر این رفتار را پیش‌بینی کند. پوروهایپر الاستیک نیز یکی از همین مدلسازی‌های ریاضی است که دست انسان را برای پیش‌بینی دقیق زمین آن هم در نقاط بسیار حیاتی مهیا کرده است.
اگر بخواهم خیل ساده مفهوم این مسئله را به شما نشان دهم، باید از شما بخواهم که شروع به کشیدن لپ خود کنید. در ابتدا تحت نیرویی اندک که ما آن را به عنوان تنش می‌شناسیم، تغییر شکل قابل توجهی در لپ شما حس می‌شود، حال با افزایش نیرو این تغییر شکل کمتر شده و شما مقاومتی از سوی لپ خود احساس می‌کنید، این رفتار شاکله رفتا هایپر الاستیک است، حال اگر ماده شما متخلخل باشد و همچنین رفتار هایپر الاستیک یعنی رفتاری با تغییر شکل زیاد از خود نشان دهد، شما باید از مدل پوروهایپرالاستیک به منظور بررسی رفتار آن استفاده کنید.
*مدلسازی پوروهایپر الاستیک به داد علوم زمین می‌رسد
دامنه استفاده از مدل تحلیل پوروهایپر الاستیک در کدام بخش‌ها روئیت شده است؟
عنایتی نجف‌آبادی: عمده‌ترین موادی که رفتار پوروهایپرالاستیک از خود نشان می‌دهند، عبارتند از: پلیمرها که خود شامل الاستومرها، لاستیکها، فوم‌ها، بافت بدن موجودات زنده و سازندها زمین با ۲ ویژگی اشباع با مقاومت کم هستند.
فارس: ممکن است، پیرامون استفاده این مدل یعنی پوروهایپر الاستیک در علوم زمین توضیح دهید؟
عنایتی نجف‌آبادی: برخلاف رفتار اغلب سازندهای سنگی و خاکی که مقاومت زیادی دارند و رفتار الاستیک یعنی رفتار خطی تحت تنش و کرنش را از خود نشان می‌دهند، در برخی از سازندها شاهد رفتار پوروهاپیر الاستیک هستیم. منظور از رفتار الاستیک چیست؟ اگر یک جسمی تحت بار قرار گیرد، یک تغییر شکلی دارد، حال اگر ان بار را از روی جسم بر داریم، ۲ حالت رخ می‌دهد، یا تغییر شکل انجام شده به صرف می‌رسد که در این حالت شاهد رفتار الاستکی هستیم، یا تغییر شکل پایدار رخ می‌دهد که معنای تغییر شکل غیرالاستیک است و یک نمونه از آن می‌شود، تغییر شکل هایپرالاستیک.
به عنوان مثال در خاک‌های دانه ریز مثل رس‌ها که زیر سطح آب زیرزمینی که در اعماق زیاد و تحت تنش‌های زیاد واقع می‌شود شاهد بروز رفتار پورو-هایپرالاستیک هستیم . به بیان علمی‌تر تغییرشکل‌های بزرگتر از درجه ۱ خواهیم بود.
همچنین در اعماق زیاد و دماهای بالا، برخی از سنگ‌ها نیز تحت تنش رفتار هاپرالاستیک را از خود نشان می‌دهند. کابرد تحلیل پوروهایپرالاستیک در ژئومکانیک، در تونل‌های با ارتفاع روباره زیاد، مخازن نفتی، پایداری چاه‌های نفتی، مخازن ذخیره‌سازی نفت و گاز زیر زمینی، معادن عمیق زیر زمینی و مخازن ذخیره‌سازی زباله‌های اتمی قابل استفاده خواهد بود.
*نیاز، پدر توسعه علم است
فارس: اگر درست متوجه شده باشم، شما از رفتار اعضای بدن الهام گرفته‌اید و مدل‌های پوروهایپر الاستیک را توسعه داده‌اید، سپس این مدل‌ها را برای تشریح رفتار زمین‌های کم مقاومت مورد استفاده قرار داده‌اید؟
عنایتی نجف‌آبادی: مسیری که شما تشریح کردید، مسیر کلی پژوهش ما بود البته با ذکر این نکته که مدل‌های پوروهایپر الاستیک تحت عنوان حالت خاصی از مسائل الاستیتسته به نام الاستیسیته گرین، پیشتر توسعه پیدا کرده بود و ما برای اولین بار در کشور توانستیم، از این مدلسازی برای تشریح رفتار زمین استفاده کنیم.
از مدل‌های موجود در بدن انسان الهامم گرفتیم و آن را به زمین انتقال دادیم.
اساسا باید به این نکته توجه کرد که توسعه علم همواره برای پاسخ به نیاز بشر رخ می‌دهد. بر همین مبنا، در حوزه علوم پزشکی به دلیل نیاز به تحلیل رفتار اعضای بدن، مدل‌های پوروهاپیر الاستیک پیشرفت کرده بود. حال ما در فعالیتی بین رشته‌ای از این مدل‌ها استفاده کردیم و به کمک آن رفتار سازندهای مهمی از زمین را شناسایی نمودیم. در حقیقت از مدل‌های موجود در بدن انسان الهامم گرفتیم و آن را به زمین انتقال دادیم.
*مدلسازی پوروهایپر الاستیک ۲بعدی برای اولین بار در دنیا توسط متخصصان ایرانی انجام شد
آیا این کار برای اولین بار در کشور انجام می‌شد؟
عنایتی نجف‌آبادی: توسعه مدل‌های تحلیل پوروهایپرالاستک برای بررسی رفتار سازندهای زمین برای اولین مرتبه بود که در کشور انجام می‌شد، این مدلسازی به سبب پیچیدگی ریاضی فوق‌العاده‌ای که دارد کمتر مورد اقبال پژوهشگران قرار می‌گیرد اما نیاز ما در این حوزه انگیزه‌ای شد تا این کار را به سرانجام برسانیم.
آیا تجربه این مسئله در کشورهای خارجی نیز یافت می‌شود؟
عنایتی نجف‌آبادی: در بررسی‌های که ما انجام دادیم متوجه شدیم یک گروه پژوهشی تحت هدایت پرفسور سالوادوری در دانشگاه مک گیل کانادا که یکی از سرآمدترین اساتید در این حوزه است، اقدام به این کار کرده اما توسعه تحلیل وی به بررسی‌های یک بعدی ختم شده بود اما در کار ما که در کشور انجام شده علاوه بر مدل‌های یک بعدی، بررسی مدل دو بعدی به منظور حل مسئله مورد استفاده قرار گرفت. در حقیقت این ادعا که توسعه مدل‌های تحلیل پوروهایپرالاستک ۲ بعدی برای بررسی رفتار سازندهای زمین برای اولین بار در دنیا در کشور ما انجام شده، ادعای به حقی است. این یعنی نیروی انسانی نخبه کشور ما توانست مرز علم ژئومکانیک در این بخش را یک پله فراتر برده و سهمی در این بخش ایفا کند.
این مدلسازی پیشرفته اولین بار در دنیا در کشور ما انجام شده است.
*حل مسئله معادن با کمک مدلسازی نوین
در روند تحقیقات شما چه نتایجی بدست آمد و مدلسازی انجام شده توسط شما تا چه میزان بر واقعیت منطبق بود؟
عنایتی نجف‌آبادی: ابتدا باید این نکته را خدمت شما عرض کنیم که مدلسازی انجام گرفته در ۱۰ هزار مرحله مورد تحلیل قرار گرفت که هر مرحله موید یک ثانیه است. بر این اساس، میزان نشست یا تغییر شکل عمودی حدکثر ثبت شده در انتهای فرآیند تحلیل معادل ۴۱۶.۰۳۹ میلیمتر اندازه‌گیری شده که نسبت به تغییر شکل‌های سایر اجزای سازند در نمونه مد نظر قابل توجه و تحت عنوان تغییرشکل بزرگ گزارش شده است.
لازم به تاکید است، میزان تغییرات تغییر شکل پس از ثانیه ۸۰۰۰ به طرز قابل توجهی با کاهش مواجه شده است و میزان تغیرات تغیر شکل از ثانیه ۸۰۰۰ لغایت ثانیه ۱۰۰۰۰ یعنی در ۲۰۰۰ ثانیه پایانی تحلیل تنها معادل ۰.۰۰۰۰۲ میلیمتر به ثبت رسیده است.
این در حالی است که فرآنید تغییر شکل از ثانیه صفر تحلیل لغایت ثانیه ۸۰۰۰ هزار تحلیل با ۴۱۶.۰۳۹ به پیش رفته بود و تغییر شکل نسبت بزرگی را به ثبت رسانده بود.
این نکته را هم باید اشاره کنم که تغییر شکل عمودی حداکثر ثبت شده توسط مدل‌های الاستکی قدیمی، تغییر شکل ۱۲ سانتی‌متر را پیش‌بینی کرده بود در حالیکه تغییر شکل واقعی قرائت شده توسط تیم نقشه‌برداری معدن ۵۰ سانتی‌متر گزارش شده بود. با وجود اینکه تقسیم تغییر شکل مدل به تغییر شکل واقعی از لحا علمی معنای قابل توجهی ندارد اما شاخصی است که می‌تواند صحت مدلسازی را تایید کند، بر این اساس، این مدل از صحت نزدیک به ۹۰ درصد برخوردار است در حالیکه صحت مدل قدیمی کمتر از ۲۵ درصد گزارش شده بود.
آیا این پژوهش در نهایت منجر به حل مسئله و رفع یکی از مشکلات کشور شده است؟
عنایتی نجف‌آبادی: سوال بسیار خوبی مطرح کردید، زیرا بسیاری از پژوهش‌های علمی کشور ما در همان مرحله پژوهش متوقف شده و منتهی به حل مسئله نمی‌شوند. بر همین اساس با توجه به اینکه پژوهش ما مسئله محور حرکت کرده در گام ابتدایی منتهی به توجیهی اتفاقی شد که پیش از آن دلیلی برای تفسیر آن یافت نمی‌شد. در گام بعدی با توجه به توزیع تنش ثبت شده در مدل راهکارهای حل مسئله در قالب سازوکار نگهداری تونل مطرح شد که در نهایت زمینه حل مسئله نشست در عمق نزدیک به ۴۰۰ متری یکی از معادن مرکزی کشور را فراهم کرد.
این کار مطالعاتی باعث حل مشکل نشست زمین در عمق نزدیک به ۴۰۰ متری یکی از معادن مرکزی کشور را فراهم کرد.
* صنعت نفت هزینه استفاده نکردن از علوم بومی‌سازی شده را می‌پردازد
در صحبت‌هایتان به مسئله پیچیدگی کار اشاره کردید، ممکن است این پیچیدگی‌ها را تشریح کنید؟
عنایتی‌نجف‌آبادی: یکی از مهمترین پیچیدگی‌های مدلسازی پوروهایپر الاستیک توسعه ریاضی پشت قضیه است که نیازمند آگاهی قابل توجهی است. اگر بخواهم ساده بگویم، هر مدل فیزیکی یک تجلی ریاضی تعریف شده دارد که در قالب معادلات ظهور پیدا می‌کند. حل این دستگاه معادلات تشکیل شده برای مدلسازی پوروهایپرالاستیک یکی از پیچیدگی‌های خاص قضیه بود اما در نهایت با توجه به انگیزه حل مسئله توانستیم بر این بخش فائق بیاییم.
در پایان گفتگو به نظر شما حرکت در مرز علم ژئومکانیک چگونه می‌تواند زمینه ارتقای زیرساختی و اقتصادی کشور را مهیا کند؟
عنایتی نجف‌آبادی: ببینید در حال حاضرزیربنای پیچیده‌ترین تحلیل‌هایذ ژئومکانیکی در کشور وجود دارد و خوشبختانه نیروی انسانی نخبه‌ای در این حوزه تربیت شده است. با این وجود همچنان شاهد آن هستیم که در حوزه اجرایی، بی این علوم بی‌مهری می‌شود. برای مثال در صنعت نفت، نقش علوم ژئومکانیک غیرقابل کتمان است و توسعه ژئومکانیکی می‌تواند در بسیاری از موارد از جمله ازدیاد برداشت، حفاری، مکان‌یابی چاه، بررسی یکپارچگی و سایر موارد کاربرد داشته باشد. با این وجود همچنان زمینه به کار گیری این علوم در صنعت کشور به خصوص صنعت نفت مهیا شده و با وجود اینکه علم ژئومکانیک در کشور مهیا است اما ما همچنان هزینه استفاده نکردن از این علوم را در بخش صنعت می‌پردازیم.
در شرایطی که زمینه استفاده از نخبگان این حوزه در صنایع انرژی، هسته‌ای، معادن و سازه‌های زیرزمینی مهیا شود، به طور قطع بسیاری از هزینه‌هایی که امروز متقبل می‌شویم حذف خواهد شد.
