От «дрессировки» бактерий до фундаментальной физики: 10 удивительных современных технологий

Не так давно по меркам истории все науки были одной. И сегодня, в век междисциплинарных исследований, мы возвращаемся к этим истокам. От аддитивных технологий до композитов, большинство современных технологий создаются на стыке физики, химии, биологии, нейро- и компьютерных наук. Это масштабированные до промышленных размеров результаты фундаментальных исследований в микро- и наномасштабе.

В некоторых случаях это развитие научной базы и технологий порождает новые направления разработок, в других провоцирует обновление уже, казалось бы, отработанных до совершенства методов. Рассмотрим 10 удивительных и активно развивающихся сегодня технологий из самых разных областей науки.

Из Арктики — в космос

Начнем со сферы, с которой сталкивался каждый из нас, — строительства. В сложных условиях, например в морозной Арктике, строительство становится непростой задачей. Чем быстрее удается возвести все строения, необходимые для комфортного проживания и работы, тем ниже затраты и, что еще важнее, меньше воздействие на уникальную окружающую среду.

Решением стали готовые модули, из которых уже монтируют большие объекты — как жилые, так и рабочие помещения, причем сразу обставленные мебелью и оснащенные всем необходимым инструментарием и оборудованием. Чтобы привезти их в необходимую точку, требуется минимум транспорта. И так же быстро модули можно разобрать и перевезти на новое место.

Кстати, у модульного подхода к возведению зданий очень долгая история. Еще римляне готовыми секциями перевозили каструмы, в XVII веке британцы отправляли через Атлантический океан готовые секции для деревянных рыбацких хижин, а позже — почти готовые дома для колоний, в частности в Австралии.

В создании современных модульных домов используют новейшие технологии: системы автоматизированного проектирования (CAD), роботизированное производство и аддитивные технологии. Сегодня обычный жилой дом можно возвести из блоков за несколько дней.

Так разрабатывают и концепции модульных поселений на Луне и Марсе. В основе многих подобных проектов — модульные надувные купола, которые потом покрываются грунтом, часто с использованием аддитивных технологий и роботизированных 3D-принтеров, способных «печатать» в условиях космоса. Именно такой подход развивают, например, международное агентство Architecture Et Cetera, британская архитектурная фирма Fosters + Partners и австрийская Pneumocell, специализирующаяся на надувных структурах.

В Российской Арктике тем временем проходит тестирование блочно-модульного подхода к строительству инфраструктуры, необходимой для выработки месторождений, с минимальным воздействием на окружающую среду. Исследовательские и промышленные проекты в труднодоступных регионах пока остаются самыми перспективными сферами применения модульного строительства.

Геотермальная энергетика

Когда заходит речь о возобновляемых источниках энергии, все сразу вспоминают солнечные панели, ветропарки и гидроэлектростанции, но забывают о внутреннем тепле Земли.

Ощутить его можно в шахте или пещере. Во многих местах на нашей планете достаточно спуститься на несколько десятков метров, чтобы температура окружающих пород уже оказалась на пару градусов выше средней температуры на поверхности. Глубину, на которой температура повышается на один градус Цельсия, называют геотермической ступенью. Ее средняя величина — 33 метра.

Проще всего добраться до земного тепла в областях современного вулканизма. Там величина геотермической ступени может составлять всего два-три метра, а на глубине нескольких сотен метров температура может уже превышать 150 градусов Цельсия. Это как раз та температура, при которой имеет смысл преобразовывать тепло в электроэнергию.

Чтобы «добыть» тепло, бурят скважины, через которые пускают воду. В глубинах коры эта вода нагревается и выходит паром, вращающим турбины. Схема простая, но затратная по объему вложений. Зато энергия поступает постоянно, а не только при наличии солнечного света или ветра.

На территории России первую геотермальную станцию — Паужетскую ГеоЭС на Камчатке — пустили в 1966 году. Сегодня в стране работают четыре станции, включая Паужетскую: три в Камчатском крае и одна в Сахалинской области. Исследования показали, что геотермальный потенциал есть и у других регионов страны: в Сибири, особенно в Байкальской рифтовой зоне, Красноярском крае, на Чукотке, Северном Кавказе и в Дагестане.

Хотя большинство современных геотермальных станций находятся именно в областях вулканизма, первая геотермальная станция в мире появилась в 1913 году в итальянском городке Лардерелло, расположенном в долине Дьявола — области геотермальных источников, где ни разу за всю ее историю не извергался вулкан и не текла магма.

В форме геотермальных источников человечество использовало энергию недр Земли с древнейших времен. И вода из глубин коры планеты может принести не только тепло, но и много ценных элементов.

Редкие металлы из воды

Среди прочих в геотермальной скважинной воде содержится дорогой литий, соединения и сплавы которого используются в разных областях промышленности: от автопрома и авиастроения до атомной энергетики, микроэлектроники и, конечно, производства аккумуляторов большой мощности.

Добыча редких элементов из земных вод — одна из самых развивающихся сегодня сфер науки. Например, на протяжении десятилетий ученые со всего света ищут способы дешевой добычи урана из морской воды. Весной 2023 года в Китае пустили огромную платформу для тестирования различных материалов и методов такой добычи. А в октябре 2023 года ученые из Университета Нового Южного Уэльса представили перспективный и дешевый метод на основе слоистых двойных гидроксидов с неодимом в составе.

Другой пример — добыча редкоземельных элементов, скандия, иттрия и других, из промышленных сточных и грунтовых вод. Весной 2023 года японские ученые показали дешевый материал для извлечения этих элементов из горячих источников. Впрочем, главная «охота» пока идет на литий.

Помимо геотермальных источников, литий есть в морской воде, где его концентрация слишком низкая для эффективной добычи, и в подземных водах, откуда его успешно добывают в Китае, Чили и Аргентине. А в России можно добывать металл из пластовых вод нефтяных месторождений, используя уже готовую нефтегазовую структуру. Вместе с литием можно получать сопутствующие минералы — бром, йод и магний.

Пока что добыча лития из подземной воды выходит дороже, чем из руд. Считается, что рентабельной такая добыча станет лишь при концентрации выше 300-350 миллиграммов лития на литр. Но технологии развиваются. Авторы некоторых методов даже заявляют, что порог удалось снизить до 80 миллиграммов.

Все это, конечно, нужно проверять на практике. По планам, в ближайшие два года начнется промышленная добыча лития из пластовых рассолов на Полмостундровском, Завитинском и Ковыктинском месторождениях. У последнего, кстати, 392 миллиграмма лития на литр. 

Но что остается на месте нефти, газа и воды, которые мы выкачиваем из-под земли?

Надежные хранилища для углекислого газа

Нефть и газ хранятся под землей не в виде «озер», как представляют себе многие обыватели, а в пористых породах. Но главное, что сама природа сделала эти «хранилища» максимально непроницаемыми, иначе бы нефть и газ просочились на поверхность. В общем-то первую нефть так и собирали, с поверхности.

По мере разработки месторождений мы можем использовать освобождающиеся пространства для хранения углекислого газа. Также можно использовать гораздо более распространенные водоносные пласты. В нефтяных месторождения обычно множество скважин, поэтому они меньше подходят для хранения газа — выше риск выхода на поверхность.

Такими проектами занимаются многие страны мира. Один из первых таких проектов реализовала норвежская нефтегазовая компания Statoil еще в 1996 году. Использовали месторождение Слейпнир в Северном море. В немецком проекте CO2Sink с 2008 года используют газовое месторождение. Не так давно о разработке совместного проекта по захоронению CO₂ в истощенных месторождениях Дури и Минас на Суматре заявили Индонезия и Япония.

В России таких проектов пока не много. Например, «Газпром нефть» рассматривает возможность закачивать газ в пласты своих месторождений в Оренбургской области. И технология будет использоваться все шире, ведь у нас есть все необходимые компетенции — огромный опыт в нефтегазовой сфере, — и истощенные месторождения. По оценкам, совокупный объем потенциальных хранилищ CO₂ на территории страны составляет не менее 4,6 гигатонны.

Помимо газовых и водоносных, можно использовать угольные пласты, потому что CO₂ там будет прочно связываться с угольной матрицей, и базальтовые породы, попав в которые, углерод будет минерализироваться. Задача поиска и проверки таких хранилищ лежит на геологах. Современные технологии позволяют им «видеть» вглубь земной толщи гораздо лучше, чем раньше, но некоторые методики остаются неизменными, в том числе быстрая оценка возраста пластов по окаменелостям.

«Зоопарк» геолога

Оценка возраста геологических пластов — задача геохронологии. Палеонтологический метод, то есть анализ по окаменелостям, — один из основных инструментов относительной геохронологии.

Каждая окаменелость может нам что-то рассказать о своем слое, но многие прошлые обитатели нашей планеты похожи друг на друга, жили неопределенное количество времени или обитали лишь на конкретной территории. Поэтому среди всех окаменелостей специалисты по относительной геохронологии выделяют индексные окаменелости.

Индексные окаменелости обладают четырьмя характеристиками: их легко различить, их «владельцы» обитали на большой территории и в большом количестве, и мы знаем, когда они появились и вымерли. Конечно, большинство из них морские, потому что там в осадочных породах лучше образовывались окаменелости.

Начнем с древнейших времен. Для анализа кембрийских отложений используют трилобитов, одних из первых сложных форм жизни. И брахиоподов — похожих на моллюсков морских животных, появившихся еще 550 миллионов лет назад. Это самые распространенные окаменелости в слоях палеозоя.

Также для древнейших периодов используют граптолитов — мелких, похожих на червяков животных, которые образовывали ветвистые колонии. Их окаменелости похожи на карандашные наброски на камнях, поэтому и название Graptolithina переводится с греческого как «письмена в камнях». Кстати, их потомки дожили до нашего времени.

Еще одни известные индексные окаменелости — аммониты. Появились около 240 миллионов лет назад, вымерли примерно 66 миллионов лет назад и при этом быстро эволюционировали, что помогает с их помощью различать слои. Их было так много, что, если бы у вас была возможность закинуть удочку в те древние океаны, вы бы скорее вытащили аммонита, нежели рыбу.

Помимо таких крупных обитателей, исследователи ищут окаменелые следы микроорганизмов, в том числе одноклеточных, например динофлагеллят и акритархов. Впрочем, в сфере изучения и освоения геологических пластов ученых интересуют не только вымершие организмы, но и современные.

«Дрессируем» бактерии

У нефтяников сложные отношения с бактериями: некоторые из них мешают добыче, другие помогают. Первые образуют на нефти пленку, ухудшают само качество продукта и к тому же вызывают коррозию оборудования и трубопроводов. Зато «хорошие» бактерии позволяют добыть нефть, которая иначе осталась бы в пласте.

Конечно, из современных скважин нефть не «бьет фонтаном», хотя в истории были такие случаи, и все же из-за давления газовой шапки сверху и пород снизу ценная субстанция легче выходит на поверхность. Но чем меньше остается нефти, тем ниже падает давление, и выкачивать нефть становится все сложнее. Часто на следующем этапе в глубину начинают закачивать воду, чтобы та оказывала давление на нефть. Но значительная доля запасов так и остается в земле. Поэтому уже больше полувека ученые ищут способы увеличить долю извлекаемой из месторождения нефти. Методы подразделяют на химические, газовые, тепловые и микробиологические. Вот о последних и идет речь.

Впервые метод с бактериями опробовали еще в середине прошлого века, в 1955 году, на одном из месторождений в Приволжье. Идея была проста — активировать работу микрофлоры на глубине, закачав туда питательные вещества. На выходе вместо нефти получили сероводород, поэтому практическое применение этой идеи забросили на пару десятков лет. Но все это время в Институте микробиологии РАН продолжали исследования родных для нефтяных месторождений бактерий — правда, с целью снизить коррозию труб из-за продуктов жизнедеятельности этих микроорганизмов. И эта работа дала результат.

Оказалось, что метод активации бактерий рабочий, просто подходит не для всех месторождений, одним из которых оказалось упомянутое место тестирования метода в 1955 году. Эксперименты с водой, кислородом, минеральными солями азота и фосфора, а также аэробными и анаэробными бактериями продолжались до 1988 года и доказали эффективность. Они повышали нефтедобычу на 10-30%! Ученые наконец «приручили» бактерии.

Так представители рода Pseudomonas снижают вязкость нефти, а вот железобактерии Gallionella, Crenothrix и Leptothrix вызывают коррозию. Эти мелкие обитатели нашей планеты обладают уникальными возможностями, если научиться ими управлять. Об этом в следующем пункте.

Самовосстанавливающийся бетон

Появление трещин в бетоне — вопрос времени. Проблема в том, что как только они появляются, вся структура начинает терять свою прочность. И хотя даже обычный бетон может «залечить» повреждения минерализацией компонентов под действием влаги, это касается лишь совсем небольших повреждений и требует наличия воды. 

Именно этим объясняется необычайная стойкость древнеримского бетона. Ученые предполагают, что римляне добавляли в смесь крайне химически реактивную форму извести — негашеную известь. Впрочем, важен был и сам процесс приготовления этого бетона. Сегодня при изготовлении смеси не используют известь. Но тайну римского бетона выяснили лишь в конце 2022 года, так что, может, впереди нас ждут исследования в этом направлении.

А пока ученые активно ищут другие примеси и покрытия, которые позволят бетону восстанавливать и более крупные трещины. Одно из направлений таких разработок — биологическое. Ученые пробуют добавлять в бетон бактерии и грибки, которые смогут заделывать трещины известняком, продуктом своей жизнедеятельности.

В 2021 году специалисты Вустерского политехнического института вдохновились человеческой кровью и использовали в своей смести карбоангидразу — фермент, который быстро вытаскивает из клеток CO₂. При появлении трещин в бетоне этот фермент начинал «добывать» CO₂ из воздуха и формировать кристаллы карбоната кальция. Миллиметровые разломы исчезали за сутки.

Гораздо более «традиционный» подход — полимеры. Первый способ — замешивать полимерные микроволокна напрямую в состав. Второй — покрывать бетонные структуры веществом с микрокапсулами, наполненными полимером. Тогда при появлении трещин капсулы лопаются и жидкий полимер заполняет повреждения.

Можно развивать технологии, которые позволяют материалам самостоятельно восстанавливаться от повреждений, а можно разрабатывать материалы, которые устойчивы к внешнему воздействию, как нержавеющая сталь устойчива к коррозии. Впрочем, она интересует нас по-другой причине.

«Прозрачный» металл

Что такое сталь? Многие ошибочно думают, что это какой-то один конкретный сплав железа и углерода с точным «рецептом», но это не так. По определению, сталь — смесь железа с углеродом, в которой железа не менее 45%, а углерода — до 2,14%. Если углерода больше, то это уже чугун.

Характеристики стали зависят от ее микроструктуры, которая определяется химическим составом и температурой сплава железа и углерода. Именно благодаря своей структуре некоторые виды стали немагнитные. 

Так, добавление большого количества никеля, марганца и азота — эти добавки называют легирующими элементами — позволяет сплаву стали сохранить аустенитную или аустенитно-ферритную кристаллическую структуру. Именно такие структуры обеспечивают немагнитные свойства стали. 

Впрочем, сохранить эту ценную особенность непросто. Если с этой сталью поработать, погнуть, раскатать, спаять, она становится магнитной из-за изменений в микроструктуре. Эффект можно проверить, прикладывая магнит к разным частям посуды или раковины из нержавеющей стали. Скорее всего, магнит не «приклеится» к ровной поверхности, зато проявит свои свойства на сгибах.

Несмотря на этот недостаток, у немагнитной стали множество применений, ведь она «невидима» для магнитного поля. Магнитные волны проходят через нее без искажений, а это чрезвычайно ценная суперспособность в мире оборудования.

Так как такая сталь обладает еще и жаростойкостью и коррозионной устойчивостью, ее используют в самых разных сферах. В частности, делают самолетные турбины и другие элементы в двигателе, которые подвергаются воздействию высокой температуры. А также трубы и кухонную утварь — потому что они контактируют с водой.

А вот немагнитные свойства ценятся при изготовлении деталей для аппаратов МРТ, а также приборов навигации судов, самолетов и космических аппаратов. Нефтяники «одевают» в такую сталь чувствительные приборы бурового оборудования. Именно благодаря точной навигации мы сегодня можем бурить сложные скважины и разрабатывать тонкие нефтяные пласты.

Управление свойствами и параметрами материалов — одна из самых развивающихся сегодня сфер технологий. И, наверное, самый известный ее продукт — композитные материалы.

Композитные материалы

У идеи объединять разные компоненты в один материал долгая история: древнеегипетские саманные кирпичи, древнеримский бетон и монгольские луки из пластинок дерева.

Главное правило композитных материалов — между компонентами должна сохраняться точная граница. Именно поэтому упомянутая уже немагнитная сталь не является композитом — углерод там встроен в кристаллическую решетку железа. А вот фанера с ее четкими слоями или углепластик, состоящий из углеволокна и смол, — подходящие примеры. 

Сегодня композитные материалы используются повсеместно: в авиа-, судо-, ракето- и автомобилестроении, в ветроэнергетике и изготовлении спортинвентаря. Даже водопроводные трубы во многих домах сделаны из композитного металлопласта — как и более серьезные нефтяные трубопроводы и другая промышленная инфраструктура.

Составляющие любого композита делятся на две группы: матрицы и армирующие компоненты, или наполнители. Матрицы, или связующие, могут быть полимерными, металлическими, керамическими и так далее. Наполнители — дискретными материалами и волокнами. Комбинаций множество.

Композиты всегда лучше аналогов по некоторым параметрам. Они легче, прочнее, выдерживают очень высокую температуру или, например, просвечиваются рентгеном. Например, в аппарате Илизарова для восстановления костей после переломов теперь можно сделать металлические элементы из полимерных композиционных материалов, которые не будут мешать наблюдениям за восстановлением костей на рентгене.

Из композита — углепластика — сделаны и крылья перспективного самолета МС-21. Это позволило не только снизить массу, но и создать более эффективную и топливосберегающую форму крыла.

Новости о том, что ученые придумали новый композит, появляются каждую неделю: от более прочных композитных клеев и все более легких углепластиков до биоматериалов и нанокомпозитов. Мы перестанем получать новые композиционные материалы только когда закончится фантазия. Да и тогда скорее подключим к процессу обученную нейросеть.

Свойства композитных материалов определяются их структурой на уровне атомов. И чтобы разобраться, как молекулы воздействуют в таком масштабе, нужны установки класса мегасаенс.

СКИФ

В наукограде Кольцово полным ходом идет строительство Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Ускоренные им электроны и генерируемые электронами фотоны позволят еще глубже заглянуть в структуру веществ и проводить исследования в сфере биологии, генетики, медицины, фармакологии, геохимии, квантовой химии и, конечно, материаловедения. 

Ускорители-коллайдеры, вроде Большого адронного коллайдера, позволяют изучать физику элементарных частиц, и это довольно узкая сфера исследований. У синхротронов — источников синхротронного излучения — гораздо шире круг «клиентов», ведь они позволяют изучать материалы на уровне атомов. Точнее, десятков тысяч атомов.

СКИФ состоит из линейного ускорителя, кольцевого ускорителя-бустера и кольцевого накопителя. Весной 2023 года ученые Института ядерной физики успешно запустили первую очередь линейного ускорителя, разогнав электроны до 30 мегаэлектронвольт. Готовый линейный ускоритель будет разгонять частицы до 200 мегаэлектровольт.

Влетев в ускоритель-бустер, электроны будут получать рабочую энергию всего комплекса (три гигаэлектронвольна) и направляться дальше — в кольцевой накопитель. В накопителе электронный пучок будет вращаться сутками, и, попадая в магнитные системы, расположенные по периметру кольца, часть своей энергии отдавать в виде синхронного излучения. Это излучение по специальным каналам будет выходить на разные экспериментальные станции, которых, по плану, в составе СКИФа будет 30.

«Крутость» синхротронов определяют по показателю эмиттанса — характеристики того, насколько ярким и узконаправленным получается пучок синхротронного излучения. Чем значение меньше, тем более «точечно» можно изучить вещество на экспериментальной станции. Показателен лозунг синхротрона MAX IV в Швеции: «Мы делаем невидимое видимым».

Несколько лет назад у самых современных синхротронных источников эмиттанс составлял 100-300 пикометров на радиан. Например, у MAX IV — 320 пикометров на радиан, а у ESRF-EBS — 150 пикометров на радиан. У СКИФа будет 75 пикометров на радиан, что делает его источником 4+ поколения.

При таких значениях можно будет наблюдать химические реакции, взаимодействие лекарств с вирусами и как ведут себя вещества под высоким давлением. Можно даже увидеть, что происходит внутри закрытого бетонного контейнера с отработавшим ядерным топливом и детально изучить структуры горных пород и органических соединений, например пород из нефтяных месторождений.

Так инновации из самых разных сфер науки и технологий помогают развивать друг друга, открывать новые направления исследований и находить нестандартные методы решения поставленных задач.