Сравнительный анализ эффективности тепловой обработки слоя почвы СВЧ-излучателями различных типов волноводов

Сверхвысокие частоты (СВЧ) электромагнитного излучения, воздействуя на слой почвы, способны угнетать микроорганизмы, яйца и личинки насекомых на глубину проникновения СВЧ-излучения в почву. Эффективность тепловой обработки слоя почвы определяется типом волновода СВЧ-излучателя. Исследования проведены с целью выбора наиболее эффективного типа волновода СВЧ-излучателя. В качестве волноводов рассматривали камеру стоячей волны, камеру бегущей волны и камеру лучевого типа. С использованием вычислительных моделей COMSOL Multiphysics выполнено моделирование теплового воздействия СВЧ-излучения на слой почвы глубиной 100 мм, влажностью 5, 10 и 20%. В зависимости от типа волновода изменяли размер облучаемого участка поверхности почвы от 40 × 88 до 134 × 201 мм и мощность источника излучения (антенна магнетрона) – от 650 до 5000 Вт при частоте излучения 2450 МГц. Моделирование воздействия СВЧ-излучения показало, что при тепловой обработке контакт волновода с почвой является необязательным. Эффективность СВЧ-излучения увеличивается с повышением влажности почвы, но при этом наблюдается неравномерность нагрева слоя почвы в объеме. В результате сравнительного анализа эффективности тепловой обработки слоя почвы СВЧ-излучателями с различными волноводами выявили, что на почве влажностью 10…20% является более предпочтительным использование волновода с камерой бегущей волны, передающего слою почвы 72…88% энергии источника излучения, и поглощается 60…85% энергии источника излучения. Высокий уровень мощности волновода и мощности нагрева, а также высокий уровень равномерности нагрева слоя почвы обеспечиваются при использовании волновода с камерой бегущей волны и влажности почвы 10%. Результаты моделирования подлежат экспериментальной проверке и послужат основой для разработки СВЧ-излучателя для тепловой обработки слоя почвы в теплицах и парниках.

1. Хамуков Ю.Х., Канокова М.А. Земледелие и вспашка. Вспашка как антропогенный фактор деградации экосистем // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2022. № 6 (110). С. 225-235. EDN: VHSXQV

2. Косолапов В.М., Цыгуткин А.С., Алдошин Н.В., Лылин Н.А. Агрономические основы инженерного обеспечения биологизации земледелия // Кормопроизводство. 2022. № 3. С. 41-47. EDN: IZUIQD

3. Bondarenko О., Boshkova I. Evaluation of the efficiency of microwave heating of soils. Technology Audit and Production Reserves. 2023;4(1):40-47. EDN: FAFLNK

4. Brodie G., Torgovnikov G. Microwave soil heating with evanescent fields from slow-wave comb and ceramic applicators. Energies. 2022;15(3):1068. EDN: INMSXR

5. Brodie G., Khan M.J., Gupta D. et al. Understanding the energy requirements for microwave weed and soil treatment. Glob al Journal of Agricultural Innovation, Research Development. 2019;6:11-24. https://doi.org/10.15377/2409-9813.2019.06.2

6. Maynaud G., Baudoin E., Bourillon J. et al. Short-term effect of 915-MHz microwave treatments on soil physicochemical and biological properties. European Journal of Soil Science. 2019;70(3):443-453

7. Brodie G., Khan M.J., Gupta D. Microwave soil treatment and plant growth. IntechOpen EBooks. 2019:19. https://doi.org/10.5772/INTECHOPEN.89684

8. Молодцова М.А., Севастьянова Ю.В. Возможности и перспективы использования микроволнового излучения в промышленности (обзор) // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2017. № 2. С. 173-187. EDN: YHESKL

9. Алдошин Н.В., Васильев А.С., Голубев В.В. Обоснование приемов обработки почвы при освоении залежных земель // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2020. Т. 13, № 1 (64). С. 28-35. EDN: SLJVYK

10. Дорохов А.С., Старостин И.А., Ещин А.В. Перспективы развития методов и технических средств защиты сельскохозяйственных растений // Агроинженерия. 2021. № 1 (101). С. 26-35. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2021-1-26-35

11. Кабалоев Т.Х., Гатуева К.К., Гокоев Т.М., Никколо ва Л.С. Температурное полетепличной почвы при термоэлектрическом способе нагрева // Известия Горского государственного аграрного университета. 2018. Т. 55, № 4. С. 148-152. EDN: YRLMVN

12. Поспелова И.Г., Возмищев И.В., Ниязов А.М. К вопросу о способах обеззараживания почвы в защищенном грунте // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. Т. 67, № 3(40). С. 45-49. EDN: NONPMR

13. Ихлов Б.Л., Мельниченко А.В., Ощепков А.Ю. Действие сверхвысокочастотного электромагнитного поля на микроорганизмы // Вестник новых медицинских технологий. 2017. Т. 24, № 2. С. 141-146. EDN: ZDHMGV

14. Zhang Z., Wang J., Hu Y., Wang L. Microwaves, a potential treatment for bacteria: A review. Front. Microbiol. 2022;13:1-14. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.888266

15. Шахматов С.Н. Энергоресурсосберегающие технологии обработки продукции сельскохозяйственного производства // Вестник КрасГАУ. 2002. № 1. С. 49-56. EDN: ZDORLJ

16. Никишина О.В., Морозов Г.А. Комбинированные методы обработки почв // Электроника, фотоника и киберфизические системы. 2022. Т. 2, № 2. С. 51-55. EDN: LNRICH

17. Воложанинов С.С., Завалий А.А., Ржевская В.С. и др. Экспериментальное исследование влияния нагрева массива почвы сверхвысокочастотным излучением на количество микроорганизмов // Известия сельскохозяйственной науки Тавриды. 2025. № 41 (204). С. 153-167. EDN: PGWAXG

18. Воложанинов С.С., Алдошин Н.В., Завалий А.А., Волобуев Д.Д. Экспериментальное исследование температурного поля в слое почвы при нагреве сверхвысокочастотным излучением // Агроинженерия. 2024. Т. 26, № 6. С. 28-35. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2024-6-28-35

19. Тригорлый С.В., Чудров А.А. Моделирование СВЧ-размораживания грунта // Вопросы электротехнологии. 2023. № 1. С. 14-20. EDN: EEBYRO