Naked Science - Feed

Как сервисы доставки, интернет-магазины, банки и онлайн-кинотеатры зависят от облака

info@naked-science.ru (Naked Science) — Tue, 10 Jun 2025 07:20:26 +0000

Данную статью можно послушать. Облако — цифровой фундамент в повседневной жизни Вы заказываете еду через приложение, смотрите фильмы онлайн, оплачиваете покупки с телефона и управляете банковскими счетами из любой точки мира. Все это кажется естественным и простым — словно цифровые сервисы работают сами по себе. Но за этой видимой легкостью скрывается мощная и сложная инфраструктура, которая делает возможной цифровую повседневность. И в ее основе — облачные технологии. С технической точки зрения облако — это распределенные центры обработки данных, вычислительные ресурсы, хранилища и набор программных инструментов, объединенных в масштабируемую платформу. Как устроено облако, что такое облачные хранилища и как они помогают бизнесу быстрее выпускать продукты, читайте в этой статье. А сейчас рассмотрим, что оно означает для пользователей. Когда вы получаете push-уведомление от банка, мгновенно находите товар в интернет-магазине или продолжаете смотреть сериал с того же момента на другом устройстве — это работает облако. Оно незаметно, но обеспечивает непрерывность, отказоустойчивость и персонализацию, к которой вы уже привыкли. Начнем с самой очевидной точки соприкосновения — онлайн-покупок. Онлайн-магазины: микросервисы и искусственный интеллект Когда вы заказываете книгу, смартфон или новую кофеварку в интернет-магазине, все кажется предельно простым: сайт открывается за секунды, товары находятся по ключевому слову, рекомендации подстраиваются под ваш вкус, оплата проходит мгновенно. Но за этим удобством — сложная, масштабируемая, по большей части невидимая облачная инфраструктура. Современный онлайн-ритейл — это, в сущности, цифровой организм, построенный на облаках. Ритейл и e-commerce — одни из лидеров по использованию облаков. По данным исследовательского агентства CDI, к 2030 году мировой рынок облачных технологий в ритейле достигнет $110 млрд. Всего 15 лет назад большинство цифровых продуктов — от интернет-магазинов до банковских систем — строились как монолитные приложения. В них пользовательский интерфейс, логика работы, база данных, обработка заказов — то есть весь функционал — объединялся в тесно связанную систему. Такой подход был логичен на ранних этапах цифровизации: инфраструктура была проще, а нагрузки — ниже. Разрабатывать и запускать монолит было быстрее, а требования к масштабируемости и гибкости были скромнее. Однако со временем цифровые сервисы стали сложнее, трафик — выше, требования к отказоустойчивости — строже. В условиях стремительного роста и постоянных изменений монолиты перестали справляться. Их сложно адаптировать: чтобы обновить один компонент, приходилось перекомпилировать и заново запускать приложение. Любой сбой мог повлиять на всю систему. Сегодня крупные онлайн-платформы перешли к микросервисной архитектуре — распределенному подходу, при котором каждый отдельный компонент работает как независимое облачное приложение. «Когда вы, например, оформляете заказ в интернет-магазине, — объясняет Анна Абрамова, руководитель направления разработки облачных решений Рег.ру, — в дело вступают десятки микросервисов, работающих в независимых друг от друга контейнерах: один отвечает за отображение каталога, другой — за авторизацию, третий — за расчет стоимости доставки, четвертый — за обработку платежей. Все эти элементы развернуты в облаке, масштабируются по мере необходимости и могут обновляться независимо друг от друга. Это делает системы гибкими, надежными и готовыми к любой нагрузке — будь то распродажа 11.11 или внезапный всплеск популярности товара». Облачные сервисы помогают пользователям быстро и легко совершать покупки, предоставляя доступ к широкому ассортименту товаров, сервисам оплаты и персональным предложениям / © Depositphotos Микросервисы взаимодействуют через API (программные интерфейсы приложения), а развертывание новых компонентов происходит в контейнерах — стандартизированных блоках, упрощающих управление ресурсами. Чтобы обеспечить бесперебойную работу, система задействует механизмы, автоматически распределяющие запросы пользователей между доступными экземплярами сервисов. Если трафик возрастает, облачная платформа может оперативно масштабировать инфраструктуру, добавляя новые вычислительные ресурсы в короткий срок. Благодаря этому инфраструктура может нарастить мощности без участия администраторов. Контейнерные оркестраторы вроде Kubernetes (система для автоматизации развертывания, масштабирования и управления контейнерными приложениями) позволяют запускать новые копии сервисов по мере роста нагрузки, а после снижения спроса — отключать ненужные инстансы (экземпляр объекта, например виртуального сервера). Такой подход экономичен, гибок и позволяет ритейлерам оставаться на плаву даже во время пиковых нагрузок, будь то «черная пятница», распродажа в честь запуска новой линейки товаров или неожиданный наплыв трафика после вирусного поста в соцсетях, — магазину необходимо оставаться доступным. Рекомендации, поиск и персонализация: роль машинного обучения Пользовательский опыт в онлайн-магазине все чаще зависит не только от ассортимента и дизайна интерфейса, но и от того, насколько точно система предугадывает желания покупателя. Для этого ритейл использует облачные сервисы машинного обучения. Рекомендательные алгоритмы анализируют историю покупок, просмотров и взаимодействий, предлагая пользователю релевантные товары — зачастую с точностью, превосходящей ожидания. Эти модели требуют обучения на больших массивах данных и постоянно переобучаются по мере поступления новой информации. Кроме рекомендаций облачные ML-модели используются для улучшения поиска: распознавания опечаток, подбора синонимов, ранжирования результатов. Наконец, все действия — от кликов пользователей до возвратов товаров — генерируют массивы данных, которые необходимо собирать, хранить и анализировать. Облачные хранилища позволяют объединить эти потоки в общем контуре. На их основе строятся BI-отчеты (отчеты и дашборды, созданные с помощью одноименных систем для бизнес-аналитики), прогнозы спроса, динамическое ценообразование, оценки эффективности маркетинга. Под капотом работают десятки аналитических сервисов, распределенных по облачной архитектуре. Они обрабатывают события в реальном времени, выявляют узкие места, оптимизируют логистику, предсказывают отток пользователей. Без необходимости в собственном дата-центре и дорогостоящей IT-команде. Так, например, с помощью облака Рег.ру сервис аналитики и исследований для e-commerce смог собирать и обрабатывать в облаке данные о 350 млн товаров в день. Платформа собирает информацию о пользовательском поведении и заказах, позволяет анализировать конверсию на разных этапах воронки и автоматически формировать отчеты для принятия управленческих решений. Благодаря размещению в облаке решение масштабируется под нагрузку и остается доступным даже в периоды пикового спроса. Как устроены сервисы доставки, или Что происходит, пока вы ждете ужин Когда курьер стучит в дверь с вашим заказом — будь то пицца, лекарства или новая футболка, кажется, что все просто: вы нажали кнопку, выбрали товар, и вот он уже здесь. Но на деле за доли секунды происходят сотни операций. Оформляя заказ, вы запускаете цепочку событий, требующих вычислений и хранения, происходящих в облаке. Система мгновенно получает данные о заказе, вашем местоположении, наличии курьеров рядом, пробках на дорогах и даже погодных условиях. Облачные платформы обеспечивают хранение и обработку данных о заказах, что позволяет пользователям и курьерским службам следить за прогрессом доставки / © Depositphotos «Такая скорость обеспечивается благодаря масштабируемой архитектуре на основе микросервисов, а также использованию контейнерных решений, которые позволяют изолировать каждый этап логистики в отдельный вычислительный модуль», — объясняет Анна Абрамова, руководитель направления разработки облачных решений Рег.ру. «Инфраструктура доставки — это цепочка связанных между собой компонентов: склады, транспорт, курьеры, клиентский интерфейс, служба поддержки». Облачные платформы позволяют управлять каждым из этих компонентов централизованно. Например, облачные ERP (системы управления бизнес-процессами) и WMS-системы (системы управления складом) управляют запасами на складах, автоматически пересчитывая остатки и перемещая товары между точками. Это особенно важно при быстрой доставке, когда заказ должен быть у клиента в течение часа. Транспортные модули (TMS) принимают данные от GPS-трекеров, строят оптимальные маршруты, учитывают загруженность трафика, особенности инфраструктуры, даже временные ограничения в городах. Все эти сервисы интегрируются друг с другом через API, обмениваясь данными в режиме стриминга. Облако здесь — не просто хранилище или серверная мощность. Это активная среда, где принимаются решения. По данным исследовательской компании Gartner, к 2027 году отраслевые облачные платформы будут закрывать больше 50% ключевых задач бизнеса. И уже скоро появятся облака, которые будут использоваться исключительно в закупках, обработке платежей и доставке товаров. Внутри облачной инфраструктуры сервис доставки создает динамическую модель всей системы от маршрутов до пропускной способности точек — цифровой двойник логистики. Двойник позволяет не просто реагировать на ситуацию, но и прогнозировать ее. Например, предсказать рост спроса в определенном районе на основе погодных условий, событий в городе или даже телевизионной трансляции. Алгоритмы предиктивной аналитики запускаются на облачных вычислительных платформах и заранее распределяют курьеров, корректируют запасы на локальных складах и рекомендуют заранее повысить коэффициенты цен в приложении. Такое моделирование требует постоянной обработки больших данных и машинного обучения. Сценарии обучаются на предыдущих днях, сравниваются с реальными результатами и постоянно уточняются. Здесь облако обеспечивает не только скорость, но и доступ к необходимым для AI-исследований GPU-серверам и высокопроизводительным ресурсам. Так, например, медиагруппа ускорила в 14 раз обучение нейросети для тегирования на GPU-решении от Рег.ру. На локальном решении процесс занимал восемь дней непрерывного обучения, а в облаке сократился до 14 часов. При этом пользователь видит лишь верхушку айсберга: карту с курьером, уведомления о статусе заказа, кнопки обратной связи. Эти функции реализуются через фронтенд, который подключен к облачным бэкендам. Например, карта, по которой движется курьер, обновляется каждую секунду, это результат работы геосервисов и систем телеметрии. Уведомления — это события, поступающие в облако, согласно которым система отправляет push или sms. Если возникает ошибка, например курьер отклонился от маршрута или задержался, триггер срабатывает в системе мониторинга, и подключается поддержка. Онлайн-банкинг: безопасность, доступность и скорость Исторически банки опирались на монолитные IT-системы, установленные в локальных дата-центрах. Но сегодня большинство финансовых компаний перешли к облачным архитектурам, частично или полностью. Причина проста — классические серверы плохо справляются с динамикой цифрового мира. Когда вы открываете банковское приложение, запускается процесс аутентификации. Ваш логин, пароль или токен передаются по защищенному каналу в облачную систему, которая проверяет подлинность данных и открывает сессию. Затем — авторизация: облачный сервис определяет, какие функции вам доступны. Для пользователя эти действия происходят незаметно. «Облачные платформы обеспечивают отказоустойчивость на каждом уровне: если один узел выходит из строя, запрос перераспределяется автоматически. Такой подход особенно важен в онлайн-банкинге, где простой даже на минуту — это не только убытки, но и подрыв доверия клиентов», — рассказывает Сергей Рыжков, руководитель департамента хостинга и профессиональных сервисов в Рег.ру. Каждое действие логируется и отслеживается — данные отправляются в облачную систему аудита и мониторинга. Решения на основе машинного обучения помогают оценивать кредитный риск в режиме онлайн, анализировать расходы, выявлять подозрительные операции и предоставлять персонализированные рекомендации клиентам. Например, алгоритм может обнаружить подозрительную активность и мгновенно заблокировать карту, оповестив пользователя. Когда число запросов возрастает, система запускает дополнительные инстансы нужных сервисов. Когда пик проходит, сворачивает их. Подобная гибкость недостижима в классической архитектуре. Благодаря использованию микросервисов облачные технологии позволяют банкам быстрее выпускать новые продукты — от мультивалютных карт до инвестиционных платформ — без перестройки всей IT-инфраструктуры. Новые функции можно разрабатывать и внедрять независимо от общей системы, а команды DevOps могут работать параллельно, ускоряя time-to-market (выход продукта на рынок). Это снижает не только временные издержки, но и затраты на сопровождение, обновление и масштабирование IT-систем, особенно по сравнению с традиционной архитектурой. Так, российский разработчик систем прогнозной аналитики сократил в два раза затраты на инфраструктуру за счет миграции в облако Рег.ру. Кино в облаке: как работают стриминговые платформы Да, современные платформы для просмотра кино тоже работают с помощью облачных технологий. Любой фильм или сериал, который вы запускаете, это совокупность цифровых файлов, закодированных в разных форматах, разрешениях и языковых версиях. Чтобы вы могли начать просмотр с любого устройства, сервисы хранят эти файлы в распределенных облачных хранилищах. При этом один и тот же видеоролик может существовать в десятках версий — от 4K до SD, с оригинальной озвучкой, дубляжом или субтитрами. Эти версии автоматически разбиваются на небольшие фрагменты и размещаются на серверах, географически приближенных к пользователям. «Такая система хранения и доставки, — рассказывает Сергей Рыжков, руководитель департамента хостинга и профессиональных сервисов в Рег.ру, — называется CDN — сетью доставки контента. Она позволяет запрашивать видео не с центрального сервера, а с ближайшего узла, минимизируя задержки и снижая нагрузку. А благодаря объектным хранилищам (S3) — такое решение есть в Рег.ру — платформы могут быстро подгружать превью, обложки, видеопотоки и каталоги даже при пиковых нагрузках. Сегодня без всех этих компонентов платформа, скорее всего, не выдержит конкуренции». Облачные решения гарантируют резервное копирование данных и их доступность, что обеспечивает непрерывность просмотра фильмов и сериалов / © Depositphotos Когда пользователь нажимает Play, видео начинает загружаться не целиком, а по частям — в режиме адаптивной потоковой передачи, или стриминга. Эта технология позволяет воспроизводить медиафайлы в реальном времени, без предварительной загрузки на устройство. Стриминг отслеживает качество интернет-соединения и динамически подстраивает параметры воспроизведения: если сигнал устойчивый, пользователь получает видео в высоком разрешении; если связь слабеет — качество снижается, чтобы избежать пауз. Решение о том, какой кусок и в каком качестве передать, принимаются на облачном уровне: сервер следит за условиями соединения, выбирает нужный фрагмент и отправляет его на устройство. Все это происходит в течение миллисекунд и остается незаметным для зрителя. Персонализация на лету В каталогах онлайн-кинотеатров — десятки тысяч наименований. Чтобы из этого многообразия предложить зрителю то, что заинтересует именно его, платформа использует сложную систему персонализации. Она основана на анализе поведения пользователя: какие фильмы он смотрел, когда и на каких устройствах, насколько долго и с каким интересом. Эти данные обрабатываются в облаке, в котором запущена рекомендательная система, обученная на миллионах пользовательских сценариев. Облачные технологии используются и на более ранних этапах, еще до того как фильм попадает в каталог. Сегодня все чаще постпродакшн: монтаж, цветокоррекция, наложение эффектов — ведется в облаке. Редакторы и дизайнеры подключаются к удаленным рабочим станциям с любого места в мире. Команды могут распределенно работать над одной и той же сценой. Облачные рендер-фермы позволяют обрабатывать терабайты видео за часы, а не дни. Ежедневно, пока вы нажимаете «оформить заказ» или «посмотреть следующий эпизод», тысячи серверов, алгоритмы и системы обработки данных работают синхронно, чтобы это действие произошло быстро, безопасно и без сбоев. Облако стало незримой основой цифрового комфорта и теперь присутствует в каждом клике, свайпе и платеже. И чем дальше развивается мир, тем глубже облачные технологии проникают в нашу повседневность. Для бизнеса это означает одно: скорость, надежность и гибкость больше невозможны без облачной архитектуры. Независимо от того, запускаете ли вы маркетплейс, создаете финансовый сервис или цифровую витрину, она дает основу, которая позволяет масштабироваться и выдерживать нагрузку. А обеспечить техническую инфраструктуру, соответствующую тем же стандартам, что лежат в основе привычных нам сервисов, может только надежный провайдер. Рег.ру предлагает облачные решения и инфраструктуру, которая позволяет компаниям — от стартапов до крупного бизнеса — строить цифровые продукты и сокращать time-to-market. Под капотом — те самые технологии, о которых вы только что прочитали. Если ваш бизнес уже живет в онлайне, облако должно стать его основой. Другие интересные факты об облачных технологиях смотрите здесь.

Как работают облака: от аренды серверов до искусственного интеллекта

info@naked-science.ru (Naked Science) — Tue, 10 Jun 2025 07:19:47 +0000

Данную статью можно послушать. Облачные технологии стали операционной основой цифрового бизнеса, а не модным трендом. Ниже объясняем, как они устроены и какие задачи решают. Как появилось облако: путь от физического сервера к сервису В начале 2000-х годов IT-инфраструктура компаний выглядела так: локальные офисные задачи сотрудники решали на персональных компьютерах и ноутбуках, бизнес-приложения — бухгалтерия, документооборот, базы данных — работали на серверах в офисе, а ресурсоемкие вычисления, например научные или инженерные расчеты (подобные требовались лишь немногим крупным корпорациям), выполняли на мейнфреймах и суперкомпьютерах. Стойки суперкомпьютера NEC Earth Simulator (2002) / © CC BY-SA 4.0 Со временем нагрузка на корпоративные серверы стала расти: сотрудников становилось больше, бизнес-задачи усложнялись, а хранить данные и обрабатывать их хотелось быстрее. И если компании несложно приобрести, например, второй и третий сервер, то управлять десятками и сотнями машин — уже задача нетривиальная. Особенно если эти машины должны работать как единое целое. А еще их нужно поддерживать: выполнять обслуживание, обеспечивать бесперебойное питание, защиту и своевременно обновлять ПО. Рост нагрузки на корпоративные серверы потребовал более стабильной и масштабируемой IT-инфраструктуры. Следующим этапом развития стало размещение оборудования вне офисных помещений — в специализированных центрах обработки данных. На этом этапе получили развитие два подхода: услуга colocation, при которой компания размещала собственные серверы в дата-центре провайдера, используя его инженерную инфраструктуру (электропитание, охлаждение, каналы связи, физическую охрану), и аренда выделенных серверов (dedicated), где клиент получал в распоряжение полностью управляемый физический сервер без необходимости приобретать его. Эти решения обеспечивали более высокий уровень надежности и отказоустойчивости по сравнению с офисной серверной комнатой, однако сохраняли ряд ограничений, в частности необходимость ручного масштабирования и наличие специалистов в штате для настройки и администрирования. Ключевым моментом стало появление виртуализации — технологии, позволяющей «разделить» физический сервер на несколько независимых виртуальных машин. Каждая из них работала как отдельный сервер: с собственным диском, оперативной памятью, операционной системой и приложениями. После виртуализации оставался один шаг до настоящих облаков — предоставление этих виртуальных ресурсов через интернет. Идея оказалась простой, но функциональной: если вычислительные ресурсы можно гибко делить между пользователями внутри одного или нескольких дата-центров, почему бы не сделать их доступными любому желающему по запросу? Так появился облачный подход к IT: компания больше не обязана покупать дорогое оборудование, нанимать системных администраторов, поддерживать серверную комнату и закупать лицензии. Вместо этого она получает доступ к аренде вычислительных ресурсов у облачного провайдера. Сколько нужно — столько и берет. Например, на время промоакции на сайте строительного магазина можно «поднять» мощность, а ночью, когда посетителей нет, уменьшить, чтобы не переплачивать. Модель платы только за фактически использованные мощности, называемая pay-as-you-go, как за электричество или воду по счетчику, — одна из ключевых особенностей облаков. Провайдерам это тоже выгодно: они перераспределяют мощности между клиентами, избегая простоев. В результате облачные решения оказались эффективнее, дешевле и гибче традиционных подходов. Это сделало облака популярными: в 2024 году 74% средств мировой бизнес затратил на облачные решения и лишь чуть более четверти — на локальную инфраструктуру. Фактически с облаками каждый может получить доступ к масштабной IT-инфраструктуре — даже если это стартап или начинающий предприниматель, который впервые выходит в онлайн. Как устроено облако изнутри Облачные вычисления — не абстрактная технология. За ними стоят масштабные инженерные решения, объединяющие физическую инфраструктуру, программные технологии и принципы автоматизации. Уровень 1. Физическая основа Вся мощь облака сосредоточена в дата-центрах — специализированных зданиях, в которых размещаются тысячи серверов, коммутаторов, систем хранения данных и резервного питания. Инженеры проектируют эти центры с учетом строгих требований к температуре, влажности, устойчивости к сбоям электросети и безопасности. Серверы объединяются в кластеры согласно ролям. Дата-центр или Центр обработки данных (ЦОД) — централизованный объект для обработки и хранения данных / © Рег.ру В крупных облаках задействованы десятки площадок по всей стране. Это позволяет выполнять требования законодательства (например, о хранении персональных данных в РФ) и обеспечивать низкие задержки для пользователей в разных регионах. Уровень 2. Виртуализация и оркестрация Над железом работает слой гипервизоров — программ, которые «разрезают» физические ресурсы на виртуальные машины (VM) или контейнеры. Это позволяет создавать сотни и тысячи логически независимых сред, каждая из которых может выполнять свои задачи: запускать сайт, обрабатывать данные, хранить резервные копии и т. д. Все это управляется оркестраторами (такими как OpenStack, Kubernetes), которые следят за состоянием ресурсов, могут автоматически масштабировать сервисы, создавать резервные копии, реагировать на сбои. Ресурсы в облаке распределены, зарезервированы и управляются динамически. В зависимости от задач можно реализовать различные сценарии: данные хранятся с избыточностью (репликацией) на разных узлах; вычисления балансируются по нагрузке; сервисы масштабируются за счет добавления новых экземпляров; при сбое одного узла система переключается на резервный. Сегодня облака часто разделяют по модели предоставления услуг — от инфраструктуры до программного обеспечения. — IaaS (Infrastructure-as-a-Service) — инфраструктура как услуга. Вы арендуете «базовые» серверные мощности: память, процессоры, диски, сеть. Это идеальный вариант для компаний, которым нужна гибкость и полный контроль. В России эта модель наиболее популярна — на нее приходится 80% оборота рынка облачных инфраструктурных сервисов. — PaaS (Platform-as-a-Service) — платформа как услуга. Провайдер предоставляет готовую среду для запуска приложений, баз данных, веб-сервисов. Настройку и управление инфраструктурой берет на себя провайдер. Такой уровень оказывается особенно полезен для разработчиков, которым больше не нужно тратить время на настройку серверов. Если компаниям нужно больше, они могут арендовать не только ресурсы, но и готовую платформу для разработки, тестирования и запуска приложений. — SaaS (Software-as-a-Service) — ПО как услуга. Самый знакомый большинству людей формат, когда к использованию сразу доступно готовое приложение: почта, текстовый редактор, CRM-система. Через браузер, без ручных операций со стороны пользователя. Но есть и модели, более четко отражающие суть сервисов и услуг. Например, облачное резервное копирование: вы задаете политику, а система сама создает бэкапы по расписанию. При этом не важно, где находится сервер, в офисе или в другом дата-центре — главное, чтобы он был доступен по сети. Или системы управления базами данных DBaaS: например, в Облаке Рег.ру можно за минуту развернуть PostgreSQL — она уже оптимизирована, масштабируется автоматически и не требует ручной настройки. Новая норма в облачных вычислениях — облака для искусственного интеллекта «Современные нейросети — особенно большие языковые модели и генеративные алгоритмы — нуждаются в колоссальных вычислительных ресурсах. Их обучение занимает недели, потребляет сотни терабайт данных и требует специализированного «железа» — прежде всего графических процессоров (GPU). В отличие от обычных процессоров (CPU), GPU способны параллельно обрабатывать значительно больше данных — это критично при обучении моделей, где каждое изменение весов требует миллионы однотипных вычислений», — поясняет Евгений Мартынов, директор по информационным технологиям облачного провайдера Рег.ру. Кроме того, серверы для работы с AI нуждаются в более эффективном охлаждении, за счет чего создание собственной инфраструктуры с GPU-кластерами — дорогостоящее и технически сложное решение. Именно поэтому большая часть прогресса в области искусственного интеллекта происходит с применением облачных решений. Провайдеры, в том числе и Рег.ру, предлагают доступ к пулу высокопроизводительных GPU, объединенных в кластеры, с быстрыми каналами передачи данных, специализированными библиотеками и готовыми средами разработки. Уже сегодня 97% предпринимателей считают, что нейросети помогают бизнесу, а 80% компаний планируют внедрить модели ИИ в рутинные задачи к 2026 году. Такое стремительное развитие искусственного интеллекта было бы невозможно без облаков. Облачные ИИ-платформы также предлагают инструменты для автоматизации машинного обучения, например пайплайны для подготовки данных, обучения моделей, A/B-тестирования и развертывания в прод. Это снижает входной порог, ускоряет внедрение AI в бизнес и помогает избежать типичных ошибок на каждом этапе, что делает искусственный интеллект одинаково доступным для исследователей, стартапов, крупных компаний. Обучение нейросетевых моделей на on-premise решениях обошлось бы компаниям дороже и проходило бы в десятки раз дольше. Без гибких, масштабируемых облачных платформ нейросетям было бы негде развиваться. Как функционирует облачное хранилище Для пользователей облачное хранилище выглядит просто: иконка на рабочем столе, приложение на телефоне или веб-интерфейс. Каждый раз, когда вы сохраняете фото на Яндекс Диске или других подобных сервисах, отправляете документ в корпоративное хранилище или загружаете резервную копию фотографии, данные на самом деле не просто «улетают в облако», как это принято говорить. Облачное хранилище — это не какое-то одно «место» в интернете, куда попадают ваши файлы. Это сложная инфраструктура, построенная на распределенных системах хранения данных. Она предназначена для того, чтобы обеспечить доступность, надежность и масштабируемость, независимо от того, где находится пользователь и сколько данных нужно сохранить. Данные распределяются и дублируются «Когда вы загружаете файл в облако, он не хранится целиком на одном сервере. Вместо этого система может разбивать его на части, шифровать и распределять между множеством физических машин и даже в разных дата-центрах — задействуются процессы репликации и фрагментация», — объясняет Евгений Мартынов, директор по информационным технологиям облачного провайдера Рег.ру. При этом данные дублируются или хранятся избыточно, чтобы в случае отказа одного узла (например, если сервер отключился или вышел из строя) хранилище смогло бы выдать необходимые данные. За счет этого обеспечивается отказоустойчивость. Но облачное хранилище — не единое универсальное решение. В зависимости от характера задачи и типа данных применяются разные типы хранилищ: 1. Файловое хранилище. Это самый привычный для пользователя тип хранения: данные организованы в виде иерархии папок и файлов, как на локальном компьютере. Такой подход удобен для совместной работы — когда нескольким приложениям или пользователям необходимо обращаться к одним и тем же файлам. Поэтому файловое хранилище используется в корпоративных сетевых папках. 2. Объектное хранилище. Здесь данные сохраняются в виде «объектов» — каждый включает в себя сам файл, набор метаданных и уникальный идентификатор. Такие хранилища не используют иерархическую структуру папок. Это позволяет хранить миллиарды объектов (файлов, видео, резервных копий), легко масштабироваться и быстро находить нужную информацию. Объектное хранилище — основной выбор для хранения мультимедиа, резервных копий, стримингового контента. 3. Блочное хранилище. В этом подходе данные разбиваются на равные блоки и хранятся независимо друг от друга. Блоки можно быстро перезаписывать, что обеспечивает высокую производительность. Как облако помогает бизнесу — и незаметно работает для каждого из нас Сегодня облачные технологии стали неотъемлемой частью бизнес-инфраструктуры. Компании используют их, чтобы быстро запускать новые продукты, масштабироваться без закупки железа, обеспечивать бесперебойную работу сервисов и гарантировать безопасность данных. Раньше для всего этого требовались собственные серверы, IT-отдел, время и финансовые ресурсы. Теперь — достаточно доступа к облачной платформе. Облака позволяют бизнесу обеспечивать непрерывную работу. Например: — Интернет-магазины могут автоматически увеличивать вычислительные мощности в сезон распродаж — чтобы не «упасть» под нагрузкой.— Банки и финтех-компании используют облачные решения для обработки транзакций в режиме реального времени, антифрод-аналитики и резервного копирования.— Медиаплатформы обрабатывают и доставляют терабайты видео без задержек благодаря распределенным дата-центрам и объектным хранилищам.— Производственные компании управляют цепочками поставок, анализируют данные с IoT-устройств и запускают цифровые двойники — все в облаке. Облачные технологии помогают решать самые разные бизнес-задачи и упрощают взаимодействие людей во всем мире / © Depositphotos «Средние и крупные компании переходят от точечных сервисов к полной миграции инфраструктуры в облако. В том числе сегодня мы видим запрос на гибридные модели, когда часть критичных данных хранится в аттестованных облаках, а внешние сервисы масштабируются в публичной инфраструктуре. Такой подход требует точной архитектуры, учета регуляторики, SLA и рисков. И задача провайдеров — помочь бизнесу собрать надежную инфраструктуру, в которой каждая часть — на своем месте», — поясняет Сергей Белов, руководитель департамента корпоративных продуктов Рег.ру. Облако дает бизнесу скорость, отказоустойчивость и технологическую независимость. Оно позволяет адаптироваться к переменам, запускать MVP за дни, а не месяцы, выходить на новые рынки и соответствовать требованиям регуляторов. Каким видит облако обычный пользователь? Для пользователя облако незаметно, но критически важно. Без него цифровые сервисы стали бы медленнее, дороже и менее надежными. Когда вы смотрите фильм на стриминге, заказываете еду, переводите деньги или просто листаете ленту новостей — вы тоже пользуетесь облаком. Только не напрямую, а через бизнесы, которые его применяют. Вот как выглядит взаимодействие пользователя с облаком в привычных сценариях: Вы смотрите сериал на онлайн-платформе. Видео подгружается из облачного хранилища, а система подбирает качество и язык субтитров — исходя из скорости соединения и ваших предпочтений. Вы делаете перевод в банковском приложении. Облачные вычисления проверяют данные, сверяют с системой антифрода (технологии, которая выявляет подозрительные или мошеннические операции), фиксируют операцию в базе, отправляют уведомление получателю. Вы слушаете музыку. Файлы подаются потоково с ближайшего узла доставки, чтобы не было задержек, даже если вы в поездке. Вы обновляете фото в облачном альбоме. Они дублируются в нескольких копиях, автоматически сортируются, проходят распознавание лиц — и становятся доступны с любого устройства. Облако как воздух: вы его не видите — но оно окружает весь мир Облако стало базовой инфраструктурой цифровой жизни. Оно заменило локальные носители, ускорило развитие онлайн-сервисов и открыло возможности для персонализации, автоматизации и отказоустойчивости. Именно оно делает возможным все то, что мы сегодня воспринимаем как само собой разумеющееся: push-уведомления, геолокацию, рекомендации, синхронизацию между устройствами. Подробные сценарии того, как именно облачные технологии работают в привычных для нас сервисах — от банкинга до доставки пиццы — мы рассмотрели в этой статье. Масштаб облака: российский рынок в фактах и прогнозах Сегодня один из главных драйверов — интерес компаний к технологиям искусственного интеллекта. Сейчас бизнес активно арендует серверы с графическими ускорителями, разворачивает свои ИИ-модели и переходит на мультиоблачную архитектуру. Российский облачный рынок продолжает расти — и делает это быстрее, чем многие ожидали. В 2024 году его объем достиг 165,6 млрд рублей, что на 36% больше показателей 2023 года. «На пути стремительного развития есть и серьезный барьер — оборудование. Серверы для ИИ требуют мощных графических процессоров (GPU), которые сложно купить в нужных объемах. Из-за санкций и ограничений поставки через традиционные каналы сильно затруднены. Одиночные партии еще можно найти, но вот с крупными заказами может возникнуть проблема: сроки растягиваются на месяцы, а пока оборудование доедет, оно может уже морально устареть. Есть и инфраструктурные сложности. GPU-серверы требуют больше энергии, места и нестандартного охлаждения. Не все дата-центры в России к этому готовы. Например, не каждый может установить иммерсионные ванны — специальные емкости с жидкостью, в которой охлаждаются компоненты. Такие решения есть далеко не у всех, особенно у небольших провайдеров», — поясняет Сергей Белов, руководитель департамента корпоративных продуктов Рег.ру. Тем не менее отрасль не стоит на месте. Облачные провайдеры выстраивают новые логистические маршруты, делают ставку на отечественные технологии и все активнее развивают свою экспертизу. При этом они становятся не просто техническими подрядчиками, а настоящими партнерами для бизнеса: помогают адаптироваться, снижать издержки и запускать цифровые сервисы без лишних затрат. Облачная инфраструктура уже не универсальна: одни клиенты нуждаются в сертифицированной платформе для работы с персональными данными, другие — в платформе, интегрированной с ML-сервисами и системами аналитики. Отрасль движется в сторону продуктовых облаков, построенных под конкретные задачи бизнеса, с необходимыми уровнями поддержки, резервирования и автоматизации. Крупные игроки, такие как Рег.ру, предоставляют не только аренду серверов, но и готовые SaaS-решения: от интернет-магазина до облачного 1С. Все размещается на российских площадках, сертифицированных по требованиям законодательства. Это особенно важно для бизнеса, работающего с персональными данными или в госсекторе. Сейчас — самое время пробовать облака. Даже небольшой бизнес может начать с готового решения, а дальше масштабироваться, когда появится необходимость. Другие интересные факты об облачных технологиях смотрите здесь.

Лазерная или обычная: как в хирургии случилась революция, которую мы не заметили

info@naked-science.ru (Naked Science) — Fri, 30 Aug 2024 11:25:42 +0000

Медицина не стоит на месте, и на сегодня ситуация кардинально изменилась. Новые методы лечения позволяют решить целый ряд проблем без применения общего наркоза и прочих полагающихся операции неприятностей. Как это стало возможным и что дает новая технология? Многие современные заболевания имеют хорошо изученные причины. Например, известно, что малоподвижный образ жизни способствует развитию таких патологий, как геморрой и варикоз. Длительное сидение приводит к застою крови в области малого таза и нижних конечностей, что влечет прогрессирование этих болезней. Медикаментозное лечение зачастую лишь устраняет симптомы, но не решает проблему в корне. И здесь требуется вмешательство хирургов. До недавнего времени, кроме классической операции, просто не было способа удалить проблемную вену или добраться до камней в мочевыводящей системе. Увы, стандартная операция часто требует общей анестезии, которая подходит далеко не всем. Пожилые люди или, например, пациенты с сердечно-сосудистыми заболеваниями переносят наркоз непросто. Врачи назначают тщательное обследование перед операцией и иногда вынуждены отказывать в ее проведении. Инфракрасный дробитель Однако теперь у классического скальпеля есть альтернатива — лазер. Он может удалять нежелательные и проблемные ткани без швов или рубцов, неизбежных после скальпеля. Наконец, зачастую самое главное: лазер крайне компактен, что позволяет ввести его в нужную точку организма без обычной, полостной операции. Значит, нет рисков, вызванных нарушением целостности кожных покровов. Одно из направлений, где весьма эффективно применяют лазерные технологии, — урология. Речь идет прежде всего о лазерной литотрипсии, которая считается «золотым стандартом» удаления камней в почках. Владимир Степанов, врач-уролог, андролог медицинского центра «СМ-Клиника», в комментарии для Naked Science отметил, что современный лазер FiberLase U3 на основе тулия вводится через уретру и у мужчин, и у женщин без разрезов и проколов. Лазер FiberLase U3 на основе тулия / © Wikimedia Commons Основное преимущество лазерной литотрипсии в том, что благодаря высокой мощности лазерного луча возможно буквально распыление камней любого типа, плотности и размера. В результате камни, включая даже самые сложные, так называемые коралловидные, полностью разрушаются на мелкие фрагменты и легко выходят из организма с мочой. Важно отметить, что коралловидные камни имеют чрезвычайно плотную структуру, и при использовании иных методов воздействия (не лазером) могут оставаться довольно крупные фрагменты. Эти остатки представляют собой угрозу, поскольку способны травмировать мочевыводящие пути при выходе из организма. Коралловидные камни могут заполнять едва ли не чашечно-лоханочную систему почки, в которой они находятся / © МНОЦ МГУ имени Ломоносова В процессе лазерной литотрипсии специалисты медицинского центра «СМ-Клиника» также применяют гибкий цифровой уретерореноскоп LithoVue Boston Scientific. Это оборудование позволяет получить доступ к камням любой локализации: в мочевом пузыре, мочеточниках или почке. Тонкое волокно, которое направляет лазерный луч прямо к почке, настолько миниатюрно, что практически не причиняет организму дополнительного ущерба, как это часто бывает при традиционных операциях. Во многих случаях при применении лазерных технологий нет необходимости в длительной госпитализации. Неслучайно подобные вмешательства принято относить к «хирургии одного дня». За многие годы специалисты клиники накопили большой опыт работы с лазерами ближнего инфракрасного диапазона. Как рассказал Владимир Степанов, с философской точки зрения более совершенный подход может быть только чисто лекарственным, вообще без хирургического вмешательства. Но на сегодня лекарств, способных эффективно и безопасно разрушать камни в почках, просто нет, а само их создание в обозримом будущем вызывает сомнения. Без рубцов и сужений Выбор лазерных технологий актуален не только в лечении мочекаменной болезни. По некоторым оценкам, таким заболеванием, как геморрой, страдают 10-15% взрослого населения. Он составляет до 40% всех колопроктологических заболеваний. Геморроем называют ряд патологий геморроидального сплетения — сосудистой подушки, ограничивающей снизу прямую кишку и играющей ключевую роль в контроле опорожнения кишечника. На ранних стадиях болезни могут возникать небольшие кровотечения после дефекации, ощущение давления и зуд в области прямой кишки. Со временем симптомы усугубляются и начинают проявляться даже при кашле или подъеме тяжестей. В отсутствие лечения заболевание может перейти в хроническую форму с периодами затихания и обострения. Лечение геморроя лазером выглядит принципиально иначе, чем более ранние хирургические методы / © Wikimedia Commons Многие люди, столкнувшись геморроем, долгое время могут не осознавать его наличие или испытывать неловкость при мысли о лечении (особенно это касается мужчин). В итоге они обращаются к врачу уже тогда, когда ситуация сильно ухудшилась и даже с помощью хирургического лечения справиться с болезнью не всегда просто. По опыту врачей медицинского центра «СМ-Клиника», лечение проктологических проблем именно лазером (лазерная вапоризация) практически никогда не требует ранее неизбежных госпитализации, наркоза, последующего длительного и болезненного заживления. Анестезия нужна только местная, что позволяет проводить операцию пожилым людям и пациентам с ограничениями по состоянию здоровью. Уже через несколько часов после вмешательства человек возвращается к привычному образу жизни. Кроме того, лазер используют для удаления кондилом в перианальной области, возникающих в результате воздействия вируса папилломы человека — заболевания, от которого при половых контактах плохо защищают презервативы. Между тем кондиломы — существенная эстетическая проблема для многих людей. Но их удаление обычными хирургическими средствами может оставить визуально различимые следы. Лазерное испарение ненужной ткани снимает эту проблему: на месте удаленной кондиломы ничего не остается. Вены: когда отжиг лучше скальпеля Самая массовая флебологическая проблема эпохи — варикозное расширение вен нижних конечностей (варикоз), при котором происходят нарушение клапанной функции вены и ее деформация. Даже элементарная ходьба при этом может стать проблематичной, качество жизни серьезно снижается. Считается, что варикоз затрагивает до 40-60% людей, но далеко не все вовремя решаются на лечение. Нормальная вена (слева) пропускает кровью только в одну сторону. В случае нарушения нормального механизма ее работы, вена пропускает кровь в обе стороны. В конечном счете она деформируется и раздувается / © Wikimedia Commons Для решения проблемы необходимо направить кровь по другим, еще здоровым венам, а для этого больную вену надо каким-то образом исключить из системы кровообращения. Современный метод эндовенозной (внутривенной) лазерной коагуляции вен — более щадящая альтернатива открытой операции, когда вену удаляют. Один из существенных рисков обычного хирургического лечения варикозных вен — возможность образования тромбов. При лазерной хирургии он отсутствует / © Wikimedia Commons Через небольшой прокол в больную вену вводят гибкое волокно, по которому лазерный луч направляется на стенку проблематичного сосуда. При нагреве ткани в этой точке просвет сосуда закрывается, но глубина воздействия столь мала, что дальше очень тонкой стенки сосуда воздействие не идет. Удалять вену целиком просто нет необходимости: после закрытия просвета организм сам направляет кровь в соседние, здоровые сосуды. Что в итоге? Лазерная хирургия, разумеется, не ограничивается перечисленными выше областями применения. Есть еще косметологические операции — по удалению кондилом на теле, коррекции целого ряда проблем кожи, включая пигментные пятна. Лечение глазных болезней лазером — тоже достаточно распространенная практика: в офтальмологию лазер пришел чуть ли не раньше, чем в другие сферы. Учитывая, что в области лечения мочекаменной болезни, варикоза и геморроя лазер стал действительно массовым инструментом только в последние 8-10 лет, очень вероятно, что потенциал применения этой технологии в хирургии пока далек от полного раскрытия. Удаление пигментных пятен на лице, еще одна область применения лазера в медици / © Wikimedia Commons Хорошим примером темпов технической эволюции в этом смысле можно назвать лазер на тулии: еще несколько лет назад вместо него применяли гольмий, и такие системы позволяли уничтожить камни в почках за несколько часов. Тулий резко расширил энергетические возможности урологов по воздействию на камни. Теперь лечение лазером занимает меньше часа. Какие именно технические прорывы в этой области мы увидим в ближайшие 10 лет — заранее предсказать сложно. Но ясно, что уже сегодня целый ряд болезней, возникающих в том числе из-за малоподвижного образа жизни, стало лечить гораздо проще. Фактически лазерные методы мало похожи на классическое хирургическое вмешательство — настолько они просты, необременительны и позволяют быстро вернуться к обычной жизни. Реклама. ООО «Клиника ТРИ ПОКОЛЕНИЯ», ИНН 7717654810, ERID: 2Vtzqx2NDdg. ЕСТЬ ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ. НЕОБХОДИМО ПРОКОНСУЛЬТИРОВАТЬСЯ СО СПЕЦИАЛИСТОМ.

Тест: какой ты элемент в таблице Менделеева?

info@naked-science.ru (Naked Science) — Thu, 25 Apr 2024 08:07:49 +0000

Наше издание вместе с компанией «СИБУР» выпустило тест, где в шутливой форме обыгрывается таблица великого учёного. Вопросы помогают выяснить, свойства каких химических элементов ты проявляешь в поседневных ситуациях. Нажимай на кнопку ниже, получи свой результат и узнай, какой ты элемент в таблице НейроМенделеева. Пройти тест

Новаторы из будущего — пионеры инновационных разработок

info@naked-science.ru (Naked Science) — Fri, 12 Apr 2024 04:57:46 +0000

Качество здравоохранения во многом определяется интенсивностью внедрения инновационных решений. По данным исследования Агентства инноваций Москвы, медицина — одна из отраслей, выросшая по объемам венчурных инвестиций в 2023 году. При этом внимание инвесторов привлекают наукоемкие стартапы в области разработки медицинских устройств. Создавать и развивать прогрессивные решения в столице, а также коммерциализировать результаты своей научной деятельности, в том числе в области медицины, российским ученым и изобретателям дает возможность конкурс «Новатор Москвы». Спасительный браслет Методы кардиохирургии постоянно совершенствуются, но даже после удачной операции пациент может столкнуться с тем, что часть его кровеносных сосудов выйдет из строя. При проведении внутрисосудистой операции в лучевую артерию на запястье вставляют длинный катетер. После его извлечения артерию придавливают, чтобы избежать дальнейшего кровотечения. В результате каждая десятая артерия закрывается навсегда, и использовать ее при повторной операции уже нельзя. Если в будущем пациенту потребуется еще одно аналогичное вмешательство, то процедуру придется проводить через другую руку, а в дальнейшем и через артерию ноги, что, в свою очередь, повышает риски кровотечения и смерти. Браслет Newman с двумя воздушными подушками, позволяющими пережать сразу две артерии / © Дмитрий Огнерубов Эндоваскулярный хирург Дмитрий Огнерубов создал специальный браслет Newman. Ключевая особенность устройства в том, что оно останавливает кровотечение после каждого хирургического вмешательства и пережимает как лучевую, так и локтевую артерию. Это нужно, чтобы усилить скорость кровотока в лучевой артерии, что помогает ей не закрываться. Сам браслет прозрачный, что позволяет контролировать кровотечение. «Моя глобальная цель как врача и предпринимателя — помочь большему количеству людей, чем я могу прооперировать как хирург. Newman даст мне возможность помочь десяткам и даже сотням тысяч пациентов», — рассказал Дмитрий. Участие в «Новаторе Москвы» помогло ему выйти на первые продажи браслета и отправить продукцию на апробацию в медицинские учреждения. Также было проведено пилотное тестирование 300 браслетов Newman в Городской клинической больнице № 1 имени Н. И. Пирогова. Сейчас Дмитрий с командой ведет разработку по назальным фильтрам для фильтрации воздуха у пациентов с аллергиями и тех, кто боится заразиться вирусом. Новое видение реальности Зрение играет ключевую роль в восприятии информации. Благодаря ему мы получаем примерно 80% сведений об окружающем мире. Нарушение визуального восприятия влечет за собой целый ряд негативных последствий для всех аспектов жизни человека. Команда ученых и разработчиков во главе с Денисом Кулешовым создала первый в России нейроимплант для восстановления зрения ELVIS V. Нейроимплант стимулирует зрительную кору незрячего, благодаря чему у него появляется электронное зрение. Внешние (видимые) компоненты ELVIS V / © Денис Кулешов Устройство состоит из трех частей: на голове пациент носит обруч с камерами, на поясе — специальный микрокомпьютер, а самая сложная часть — это микрочип, имплантируемый в мозг человека. Камеры выполняют функцию глаз, захватывая изображение, а микрокомпьютер анализирует картинку с камеры с помощью нейросетей и подсказывает пользователю, что перед ним находится. Микрочип принимает информацию от внешних устройств и стимулирует зрительную область коры головного мозга слабыми токами, благодаря этому пользователь видит яркие вспышки света, которые формируют зрительные образы. Таким образом, человек, потерявший зрение, вновь может видеть. «Наша главная цель — чтобы в России незрячим пациентам нейроимплант ELVIS V был доступен как можно скорее», — отметил Денис Кулешов. По итогам участия в конкурсе команда завершает разработку всей системы. Сейчас проект проходит доклинические исследования, разработчики тестируют имплант на животных и предполагают завершить основную часть эксперимента в этом году. К концу 2025-го Денис и команда планируют получить разрешение на начало клинических испытаний с участием незрячих добровольцев. Если у вас, как и у наших героев, есть инновационные разработки или прорывные идеи, способные принести пользу людям, не теряйте времени и подайте заявку на участие в конкурсе «Новатор Москвы» до 1 мая. Возможно, именно ваша идея станет реальностью. Реклама. Департамент предпринимательства и инновационного развития города Москвы.

В Москве начался прием заявок на второй поток «Академии инноваторов»

info@naked-science.ru (Naked Science) — Wed, 13 Dec 2023 14:41:31 +0000

Стартовал прием заявок на второй поток обновленной «Академии инноваторов» — программы развития технологических проектов от идеи до стартапа, сообщила заместитель мэра Москвы Наталья Сергунина. Поучаствовать могут предприниматели со всей России. Для этого необязательно иметь готовый прототип продукта, главное — представить свою идею. «Из-за высокого спроса мы открыли набор на второй поток еще до завершения первого. Теперь доработать свои идеи вместе с наставниками и сделать первые шаги в бизнесе смогут и совсем юные инноваторы — с 14 лет», — рассказала Сергунина. Зарегистрироваться можно до 25 января 2024 года в личном кабинете на сайте проекта. Второй поток начнется в феврале, для участия выберут 100 лучших предложений. У резидентов будет возможность развить свою идею или проработать запрос, сформированный рынком. Удачные предложения пройдут тестирование, а в случае успеха их выкупят крупные компании. Эксперты оценивают питч-сессии на демодне «Академии инноваторов» / © Департамент предпринимательства и инновационного развития города Москвы Каждый зарегистрированный пользователь проекта Агентства инноваций Москвы получит доступ к обучающим онлайн-курсам и мероприятиям. На сайте также есть блог, в котором команды рассказывают собственные истории. Участники программы могут воспользоваться картой запросов на разработку технологических решений от X5 Retail Group, «Ленты», ПАО «ТМК», ПАО «Газпром нефть», ООО «ИНВИТРО», ГК «Медси», ГК «Медскан», Газпромбанка, АО «Россельхозбанк», ПАО «Банк Уралсиб», агропромышленного холдинга «ЭКО-культура», ГК «Самолет», ПАО «ВымпелКом», «Детского мира», Proscom и других компаний. Паблик-ток / © Департамент предпринимательства и инновационного развития города Москвы Инноваторам предложат не только экспертную поддержку, но и возможность бесплатно поработать в современных коворкингах: в многофункциональном кластере «Ломоносов» при Инновационном научно-техническом центре МГУ «Воробьевы горы», а также на площадке «Цифровое деловое пространство» в самом сердце столицы (потребуется предварительная бронь на конкретный день либо на целую неделю). «Академию инноваторов» перезапустили в конце июля 2023 года. Заявки на первый поток прислали свыше полутора тысяч человек, но участниками акселератора стали авторы 100 самых перспективных проектов: 30 из них доработали до полноценного прототипа, а 15 уже получили первую выручку. Более 50% команд встретились с инвесторами и заказчиками. Акселерационная программа завершилась в конце ноября презентацией, на которой участники представили свои решения возможным будущим партнерам. Презентация топ-10 проектов первого потока Академии инноваторов / © Департамент предпринимательства и инновационного развития города Москвы Кристина Кострома, руководитель столичного Департамента предпринимательства и инновационного развития, рассказала, что свыше 1,7 миллиона человек (13% жителей Москвы) в ближайшие три года собираются открыть технологический бизнес. Наибольшую готовность выражают именно ученые — вероятно, это связано с наличием у них собственных разработок, которые можно коммерциализировать. Заместитель гендиректора Агентства инноваций Москвы Максим Власов, в свою очередь, добавил, что «Академия инноваторов» помогает ученым, разработчикам, изобретателям и инженерам улучшить свои идеи и проекты в кратчайшие сроки. Что немаловажно, на программе сразу учатся тому, как начать продавать. Подписание соглашения компании «Сансенс» с агропромышленным холдингом «ЭКО-культура» / © Департамент предпринимательства и инновационного развития города Москвы «В отличие от многих акселерационных программ, мы не только предлагаем индивидуальное экспертное сопровождение каждому проекту, что, безусловно, качественно влияет на результат, но и знакомим участников с нашими бизнес-партнерами, ищущими инновации для внедрения в своих компаниях. Каждый участник программы развития может откликнуться своим инновационным решением на этот запрос, получить обратную связь, доработать проект в сотрудничестве с заказчиком, пропилотировать на его платформе и, в случае успеха, внедрить», — отметил Власов. Реклама. Департамент предпринимательства и инновационного развития города Москвы.

Как запомнить что угодно и не потерять голову: научный подход к обучению

info@naked-science.ru (Naked Science) — Thu, 31 Aug 2023 10:18:39 +0000

Мало кто знает, что первая техника запоминания значительно старше первых теорий о памяти. К тому моменту, когда Платон с Аристотелем начали дискутировать о памяти как «восковой дощечке в душе», древнеримские и древнегреческие философы и поэты уже вовсю пользовались техниками запоминания. В частности, популярным по сей день методом «умственной прогулки», которую, согласно легенде, еще в V веке до нашей эры придумал древнегреческий поэт Симонид Кеосский. Следуя этой технике, для запоминания и тренировки памяти следует использовать знакомое вам место, например вашу квартиру, и мысленно наполнять его предметами, которые будут ассоциироваться с тем, что вам нужно запомнить. И каждый раз, когда вам понадобится эта информация, достаточно будет мысленно пройти привычным путем по этому «дворцу памяти». Именно так чемпионы по запоминанию воспроизводят десятки тысяч знаков числа Пи. Разумеется, можно предположить, что их мозг структурно отличается от мозга среднестатистического человека. Но это предположение в 2002 году опровергла специалист по нейронаукам Элеонор Магуайр. Она сравнила сканы мозга рекордсменов и обычных людей — и не нашла никаких дополнительных отделов мозга. В чем же секрет? «Мы знаем, что память — эмерджентный феномен. Это системное свойство, которое не сводимо к отдельному обособленному элементу. Это результат работы не отдельного нейрона, не целого мозга и даже не всего организма, а живого существа, находящегося в непрерывном взаимодействии с объектами окружающей среды. Просто так вы ничего не вспомните — вы всегда вспоминаете, находясь в рамках конкретной деятельности, контактируя всем телом с объектами окружающей среды. В рамках этих процессов и фигурирует память. А мозг — просто хранилище данных, замечательно устроенное. Оно обеспечивает поставку данных для регуляции поведения», — рассказывает Иван Хватов, кандидат психологических наук, эволюционный психолог, руководитель научно-образовательного центра биопсихологических исследований, соавтор образовательных программ факультета наук о жизни Московского института психоанализа. Ученые разобрались, как формируется память, но лишь в общих чертах. Мы знаем, что пока человек думает, ощущает и наблюдает за миром вокруг, «фейерверк» активности между нейронами укрепляет синаптические связи и тем самым на физическом уровне формируются наши воспоминания и знания. Мы знаем, что разные отделы мозга отвечают за разные физиологические процессы, которые обеспечивают память. Мы знаем, что память бывает разная: эксплицитная память о фактах и событиях, имплицитная память, к которой, например, относятся навыки и процедуры, — и за них тоже отвечают разные области мозга. За физическое закрепление эксплицитных знаний отвечает гиппокамп. Мы знаем и то, что связи между нейронами динамичны. Но многие вопросы остаются открытыми: «Есть ли качественные различия в физиологических процессах запоминания разных типов данных: визуально-кинестетических, аудиальных и так далее? Или, например, какую функцию выполняет нейрогенез у взрослых? Как он вообще осуществляется? Есть множество проектов, которые занимаются расшифровкой коннектома человека — всей сети связей между нейронами. И мы до сих пор на самом деле не знаем, как происходит считывание самых базовых данных, ощущений, из которых происходит синтез более сложных образов, перцепции, памяти. Остается масса черных пятен», — рассказывает Иван Хватов. Как же тогда ученые изучают наш мозг? Достаточно ли мы знаем о нашей памяти, чтобы научно подходить к обучению? Почему важны сон и спорт? И можно ли «запастись» возможностями мозга и сохранить ясность ума в старости? От нейронов — к ансамблям: основы работы мозга Чтобы понять, как формируются новые «дорожки» между нейронами в тот момент, когда мы узнаем что-то новое, ученые пробовали отследить, какие гены активируются или «отключаются» в ходе такой активности (современные технологии позволяют это делать). Но это не дает полной картины, потому что большинство этих генов кодируют белки — и гораздо эффективнее было бы следить за концентрацией конкретных белков, ведь именно благодаря им в мозге происходят структурные изменения. Следить за ними гораздо сложнее, но ученые нашли выход. В прошлом году группа ученых из Научно-исследовательского института Скриппса придумала, как с помощью метки в виде аминокислоты — азидонорлейцина (Azidonorleucine) — отслеживать появление новых белков от конкретного нейрона. При формировании новые белки включали в себя эту метку, и ученые получали возможность отслеживать их появление. Эксперимент на мышах помог выявить изменения концентрации 300 различных белков, многие из которых отвечали за структуру и форму нейронов, а также их общение с другими клетками. То есть даже небольшая активность мозга спровоцировала продолжительные процессы по преобразованию связей между нейронами — мозг запомнил информацию. И такой подход к изучению мозга уже получил признание. В нынешнем 2023 году самую престижную награду в сфере науки — Brain Prize — получили Майкл Гринберг, Кристина Холт и Эрин Шуман. Получили как раз «за революцию нашего понимания того, как нейроны управляют тысячами разных белков — строительными блоками жизни, необходимыми для поддержания развития, пластичности и работы мозга». Есть и исследователи, которые идут другим путем — «от большего к меньшему», изучая «фейерверки» в мозге. Еще пару десятков лет назад, описывая в работах активность этого органа, ученые выстраивали последовательные цепочки частей мозга, участвующих в том или ином процессе, как будто это составляющие живого компьютера. Сегодня подход изменился: под каждую активность ученые выявляют «ансамбли» нейронов из разных областей органа. © Pixabay Кстати, тут важно упомянуть, что нейроны не гомогенны: они морфологически похожи, но все же это разные клетки, которые даже в рамках одного морфологического или функционального класса отличаются длиной, размером и ветвистостью отростков, поэтому аналогия с «ансамблем» так хорошо работает. Они вступают в «игру» по очереди, в правильные моменты. Поэтому и миф о том, что мы используем лишь 10 процентов нашего мозга, так нелеп. Во-первых, наш мозг всегда работает фоново, поддерживая жизнедеятельность нашего организма. Во-вторых, все его области важны — иначе бы большинство травм мозга не наносили бы вреда его возможностям. И наконец, мы отлично знаем, как выглядит состояние, при котором множество сетей нейронов из разных частей мозга начинают неконтролируемо отправлять сигналы — такое состояние называется генерализованным эпилептическим приступом. Поэтому важнее укреплять связи и увеличивать «ансамбли» нейронов — так мы накапливаем опыт, знания и воспоминания. Объем, сложность и повторение — главные советы На основе этих знаний о механике формирования «ансамблей» нейронов исследователи и дают советы о том, как эффективнее учиться. Во-первых, вы просто физически не сможете выучить огромный объем незнакомой информации за один раз. И не потому, что у вас ограниченное количество нейронов. «Достаточно ли нам нейронов, чтобы все запомнить? Это все равно что спросить, достаточно ли нам 33 букв русского алфавита, чтобы рассказать обо все на свете? Вроде хватает, ведь комбинации разные. Нейроны могут образовывать огромное количество новых связей, включаться в новые ансамбли. В этом плане нет предела, ну или мы его еще не нашли. После насыщенного дня действительно происходит перенасыщение рабочей памяти, на физиологическом уровне это связано с переизбытком токсичных метаболитов, накопившихся в мозге в результате длительной интенсивной работы. Кроме того, перенасыщение идет эмоциональное, вы начинаете сбиваться, отвлекаться. Устаете вы как субъект», — объясняет Иван Хватов. Во-вторых, наращивайте сложность и объем. Чем больше «веточек» в вашем «ансамбле» нейронов по конкретной теме, тем больше у вас точек роста, тем больше вы сможете запомнить новой информации. И перед «добавлением» новых нейронов стоит активировать ваш «ансамбль», мысленно пробежавшись по тому, что вам уже известно. При этом выстраивайте свои знания в систему, а не сваливайте как попало. У тех, кто просто учит ответы на вопросы и получает отличные оценки, не выстраивается целостная структура профессионализма. Ответьте себе на вопрос, чем вы хотите заниматься, и тогда из каждой дисциплины вы будете автоматически забирать полезное для вас. Может, оценки будут не самые лучшие, но зато сложится система знаний. А в будущем этот образ профессионализма может и трансформироваться. В-третьих, регулярно повторяйте то, что вы хотите выучить. Причем не просто перечитывайте конспекты или книги, а меняйте формат повторения. Сперва перескажите лекцию другу, потом запишите, потом схематически нарисуйте усвоенную информацию. «А лучше всего материал сохраняется, если сформировать к нему личное отношение. Самое простое — не согласиться с ним. Если концепция, теория, гипотеза кажется спорной — это хорошо! Вы будете искать контраргументацию и запомните его. Чем глубже вы проработаете материал, тем глубже он вплетется в семантическое пространство и тем легче вам будет его воспроизвести», — добавляет Иван Хватов, соавтор образовательных программ факультета наук о жизни Московского института психоанализа. И последнее: помните, что вы учитесь не только тогда, когда активно повторяете, — мозг учится постоянно, перестраивая и обрабатывая ранее полученную информацию, укрепляя ее в долговременной памяти. Кстати, несколько лет назад группа уважаемого нейробиолога Судзуми Тонегаве выяснила, что процессы кратковременной и долговременной памяти запускаются одновременно — информация не «перетекает» из одной в другую уже после формирования, как думали многие ученые. Просто долговременная память активируются постепенно, и чтобы она правильно все «запомнили», ей помогает кратковременная. «Промывка» мозгов Многочисленные исследования показали, что процессам запоминания и обработки информации помогает физическая активность. Ученые обоснованно предполагают, что причина в усилении кровообращения. А вот почему для хорошей работы мозга необходим сон, пока до конца не ясно. Одно из составляющих воздействия сна было доказано около десяти лет назад. Оказалось, что в процессе сна спинномозговая жидкость активно «вымывает» из мозга токсичные продукты работы клеток. Это происходит и во время бодрствования, но, как показало исследование, проведенное в 2019 году учеными из Бостонского университета, лишь во время сна эти «волны» очищения становятся поистине огромными. «Когда вы спите в фазе медленного сна, очень активно работает гиппокамп. Происходит консолидация и перезапись материала, который вы обрабатываете. Поэтому я всегда студентам говорю: если вы послушали лекцию, поучаствовали в семинарах, прочитали книгу, обязательно хорошо поспите. То же самое после подготовки к экзамену», — объясняет Иван Хватов. Хотя исследователи по-прежнему дискутируют о конкретных механизмах влияния сна на формирование нейронных «ансамблей» на молекулярном уровне, общие эксперименты и исследования подтверждают, что сон для этого необходим. А вот учиться во сне, слушая лекции, не получится. Правда, не так давно ученые подтвердили способность мозга запоминать иностранные слова во сне — однако лишь в конкретной фазе сна. Более того, эффект оказался хоть и достаточно заметным для фиксирования, но крайне незначительным. Тотальная память — плохо, а забывание — хорошо В своей непрекращающейся активности мозг постоянно «переписывает» наши знания. Каждый раз, когда мы сталкиваемся с новой задачей, мы переписываем старый опыт, добавляя к нему новый. С возрастом у нашего мозга становится все меньше ресурсов для того, чтобы добавлять новую информацию, поэтому пожилые люди «учатся» за счет того, что лишь перестраивают старый опыт — и поэтому часто забывают то, что раньше знали. Можно ли «запастись» возможностями мозга? Это примерно то же самое, что спросить, а можно ли запастись витаминами на зиму, поедая фрукты летом. Тем не менее вы можете выработать привычку, предрасположенность к тому, чтобы регулярно приобретать новые данные и поддерживать «юность ума». Например, если человек регулярно занимается физкультурой, поддерживает мышечный тонус, дает себе полезные нагрузки, то, скорее всего, и в старости он будет здоровым. То же самое происходит с психикой и мозгом. «Тренировки мозга должны быть настоящими нагрузками. Я своим студентам часто говорю: если вы прочитали книгу, и она показалась простой, то это плохая книга. Потому что она должна показаться вам немного сложной. Не запредельно сложной! Но у вас должны чуть повернуться „шестеренки”, извините за выражение. Значит, эта книга обеспечила вас фактами, которые не вписываются сразу в вашу картину мира. Вы сидите, страдаете по поводу того, как эти факты туда впихнуть. И это правильно! Иначе вы не нагружаете себя», — объясняет Иван Хватов. В норме человек нарабатывает когнитивный резерв, который включается уже после 35 лет и позволяет сохранять интеллект на стабильным уровне и даже его повышать. В психологии есть понятия текучего (fluid) и кристаллизованного интеллекта. Текучий интеллект — способность обработки информации — начинает падать уже после 20 лет. А вот кристаллизованный интеллект — эрудиция, опыт, словарный запас, мудрость — нарабатывается еще до 70 лет, и лишь потом начинает медленно падать. В общем, к тренировке мозга нужно относиться как к физкультуре! Отсюда закономерно возникает вопрос: лучше развивать в себе знания лишь по одной теме или по разным? «Очень сложно рыть яму только вглубь, неизбежно придется ее расширять, — отвечает Иван Хватов. — Как правило, вы начинаете накапливать информацию из смежных областей. И, кстати, так как за разные задачи у нас отвечают разные области мозга, то для его здоровья полезно переключать виды деятельности, активизировать разные области». Например, заниматься спортом. Говоря о наших способностях запоминать информацию, важно учитывать и то, что память у нас бывает разная. В частности, к эксплицитной памяти относятся такие виды, как семантическая и эпизодическая. Семантическая знает факты и не помнит ничего постороннего, например когда именно и при каких обстоятельствах вы узнали формулу воды или историческую дату, ведь эти детали роли не играют. Если бы забывания не происходило, если бы мы идеально помнили информацию, мы бы не смогли ее применять в меняющихся условиях. Из такой пластичности мозга можно сделать и удручающий вывод — если вы хотите навсегда запомнить какое-то событие таким, как в первый раз, старайтесь его не вспоминать, не «прокручивать» в голове. Иначе ваш мозг обязательно изменит детали. «Эпизодическая память неизбежно стирается. Помнить все — это ненормально. У психолога Александра Романовича Лурии в книге “Маленькая книжка о большой памяти” описан случай человека, который помнил все и сошел с ума. В процессе жизни у вас формируется автобиографическая память — по периодам. Часто в этих периодах есть так называемые фотографические воспоминания. Вам кажется, что вы не помните происходившее ни до, ни после, но в деталях можете воспроизвести первый поцелуй, первый поход куда-то или приезд в другой город — что-то очень эмоционально насыщенное. Исследования показывают, что в таких воспоминаниях множество неточностей, но фактически это то, что формирует вашу личность и индивидуальность», — дополняет Иван Хватов. Забывание — не пассивный процесс утраты, а целенаправленный с точки зрения нейрофизиологии процесс, причем очень тщательно сегодня изучаемый, это одна из задач современной нейрофизиологии. Нерешенные проблемы нейронауки Стоит взглянуть на список «Нерешенных проблем нейронауки», и создается впечатление, что мы пока вообще ничего толком не знаем о мозге. Помимо памяти и обучения в этом списке упомянуты сон и сновидения, сознание и принятие решений, родной язык, изучение других языков и многие другие. С каждым годом ученые с помощью современных технологий находят способы все точнее наблюдать мозг на всех уровнях — от молекулярного и клеточного до масштабов всего органа. Так, в прошлом году одним из главных событий в сфере нейробиологии стала публикация результатов работы группы ученых из Южно-Калифорнийского университета. Им удалось в реальном времени увидеть формирование эмоционально окрашенных воспоминаний в мозге живой рыбы. Чем больше будет возможностей для наблюдения за работой мозга, тем быстрее будет сокращаться список нерешенных проблем. Впрочем, наверняка принцип «увеличения точек роста» справедлив и в этом случае — с новыми знаниями откроется еще больше новых вопросов. На факультете наук о жизни в Московском институте психоанализа обучают широкому спектру биологических наук в связке с психологическими и психическими явлениями: биоэкологии, генетике, нейронауке и другим направлениям. Реклама, НОЧУ ВО «Московский институт психоанализа», ИНН 7713131464, erid: 2Vtzqud1NuN.

Нейрообразование: от термина до рынка

info@naked-science.ru (Naked Science) — Wed, 28 Dec 2022 09:26:53 +0000

Термин «нейронауки» вообще-то далеко не такой уж и молодой, как может показаться, учитывая сравнительно недавно появившуюся моду на его использование. Первые соответствующие специализированные департаменты в исследовательских и образовательных учреждениях появились в далеких 1960-х. Пионерами стали американские ученые, но и другие страны не сильно отставали. В некоторых областях, например психолингвистике, советские специалисты и вовсе заняли ведущие позиции. Тем не менее до конца 1980-х поле деятельности занимающихся нейронауками ученых было невероятно просторным и одновременно аморфным. Ближе к концу XX века дисциплину конкретизировали и она оформилась во множество направлений, тесно связанных с другими областями знания. Примерно к этому же моменту началась важная дискуссия о применении нейронаук в образовании, затрагивающая как научное сообщество, так и «простых смертных». Результатом ее стала постановка вопросов об этике, возможностях и ограничениях такого симбиоза. Что любопытно, в современном понимании нейрообразование зародилось гораздо раньше остальных нейронаук — вопросы обучения сообразно особенностям мозга подробно рассматривались уже в первой половине XIX века. Но тогда это был стык только психологии с педагогикой, сейчас синергия гораздо богаче. Развитию нейронаук в России способствует Национальная технологическая инициатива (НТИ), а точнее ее подразделение под названием «Нейронет». Инфраструктурный центр «Нейронет» на базе Фонда развития физтех-школ при поддержке НТИ выпустил аналитический отчет, посвященный именно этому рынку нейрообразования (доступен по этой ссылке) и стратегию его развития. Документы представляют собой едва ли не самый полный на сегодня обзор темы. [shesht-info-block number=3] Для начала нужно сказать, что русским неологизмом «нейрообразование» называются две дополняющие друг друга, но различные сущности. Первая (и это основное значение) — использование наших знаний о мозге для того, чтобы ускорить, улучшить и расширить процесс обучения человека. Вторая — это образование и просвещение в области нейронаук. К слову, на недавней конференции Cognitive Neuroscience, которая прошла в декабре 2022 года в Екатеринбурге, все участники круглого стола, посвященного нейрообразованию, согласились, что первое без второго не будет возможным. Поскольку и нейронауки в целом и нейрообразование в частности — термины очень широкие, в эти понятия входит целый сонм дисциплин, отсчет начинается с формулирования определений. Его авторы описывают следующий спектр технологий, которые можно отнести к нейрообразованию. • Онлайн-образование, где «нейро» заключается в использовании оптимизированных механизмов обучения, построенных на особенностях запоминания информации человеком.• EdTech — комплекс методик и технологий, улучшающих качество обучения, который выделяется отдельно, поскольку не ограничен онлайн-решениями и включает в себя как образовательные практики (например, микрообучение), так и программно-аппаратные решения (умные доски, порталы знаний, интерактивные курсы).• Носимые устройства для мониторинга концентрации внимания, усталости, прочих физиологических параметров обучающихся помогают и эффективнее планировать образовательный процесс, и контролировать его прохождение.• Расширенная реальность (eXtended Reality) — широчайший спектр технологий дополненной (AR), смешанной (MR) и виртуальной (VR) реальностей, применяющихся в обучении с погружением человека в требуемое окружение.• Образовательные программы в которых применяются результаты нейронаук для оптимизации учебного процесса и его индивидуализации.• Нейропротекторы — фармакологические средства для защиты нервной системы, нормализации ее работы или даже улучшения.• Программное обеспечение для образования — связанная с первыми двумя пунктами область, но традиционно выделяемая как более узкая и специализированная.• Онлайн-тренажеры для мозга — еще менее широкая сфера, но при этом наиболее связанная с нейронауками.• Игровое обучение — едва ли не древнейшее направление в образовании из тех, что связаны с «нейро».• Инвазивные и неинвазивные интерфейсы мозг—компьютер — пожалуй, наиболее спорный момент всего отчета. ©Jessica Lewis, UnSplash В отчете, правда, не указан такой потенциальный сегмент рынка, как стимуляция мозга. Вероятно, из-за того, что этот элемент пока вообще не вышел за пределы лабораторий, а про стимуляцию мозга постоянным током ведущие ученые вообще выступают против переноса технологии в общее пользование. Среди всего вышеперечисленного есть технологии, в которых вклад «нейро» (как нейротехнологий, так и знаний из области когнитивных наук) весьма различен. Более того, как это часто бывает с междисциплинарными сферами деятельности человека, многие из них очень сильно зависят от других отраслей. Так, при бесспорной пользе XR для обучения, доступность этих технологий напрямую определяется не развитием педагогики или нейрообразования, а развитием соответствующего рынка электронных устройств. Оценка рынка И в мире, и в России обычно считают рынки этих образовательных технологий, но почти не вычленяют в нем «нейросоставляющую». По оценкам авторов отчета, на первом месте по объему рынка в России занимает EdTech (53-56 миллиардов рублей по состоянию на 2021 год), второе — онлайн-образование (40-45 миллиардов рублей). За ними идут различные технологии расширенной реальности, потом носимые устройства для улучшения концентрации, следом — образовательные школьные технологии. При этом в списке участников рынка в России пока что нет интерфейсов мозг—компьютер: их применение в образовании находится только на самой ранней стадии внедрения. Авторы доклада оценивают емкость этого сегмента всего в 0,2 миллиарда рублей. Но «по гамбургскому счету» к 2022 году объем рынка собственно нейрообразования в России составляет «всего лишь» чуть более трех миллиардов рублей — примерно одна сорок пятая от общего объема рынка технологий, традиционно включаемых в нейрообразование. Так что есть куда расти. [shesht-info-block number=2] Едва ли не самая важная часть документа — оценка препятствий для этого самого роста. В числе преград авторы называют: незрелость самих технологий, а также неготовность людей из сферы образования с ними знакомиться и применять их. Отсутствует понимание важности применения нейронаук в образовании как у заказчиков, так и у исполнителей: зачем, собственно говоря, включать элемент «нейро» в процесс обучения и какие выгоды всем это может принести? Добавим сюда санкции, высокую стоимость устройств (не только VR-гарнитуры, интерфейсы мозг—компьютер — банально подорожали компьютеры с серверным оборудованием), а также бюрократические проблемы в виде закостеневших образовательных стандартов — и получим сложности, которых хватает. Конструктивная часть В предлагаемой вместе с отчетом стратегии развития описано комплексное решение. При оптимальном сценарии развития можно увеличить объем подлинного рынка нейрообразования к 2025 году до 3,8 миллиарда рублей, а к 2030 году — до шести миллиардов рублей. Авторы стратегии предлагают сконцентрироваться на нескольких задачах: • создать единый реестр компаний, которые работают в области нейрообразований;• создать пошаговую систему внедрения знаний о мозге в образование;• помочь всем с защитой интеллектуальной собственности результатов исследований в области нейрообразования;• ввести нейрообразование в правовое поле в России;• увеличить финансирование исследований в этой области со стороны государства;• расширять профессиональную инфраструктуру и кооперацию внутри сообщества (это поможет и обмену технологиями между компаниями);• наконец — просветительская деятельность на всех уровнях, от школы до Академии наук и людей, принимающих решения в стране. Выделим первый и пятый пункты, как более всего связанные с государственным управлением. Фактически, своеобразный реестр уже есть — в отчете собраны основные игроки рынка образования в стране, так или иначе занимающиеся нейронауками. Это готовый задел под такую базу данных. Насколько она необходима — вопрос отдельный. Как минимум, попадание в реестр позволит компаниям проще получать гранты и прочую поддержку от более крупных организаций и государства. ©Giu Vicente, , UnSplash С правовым регулированием ситуация сложнее. Оно нужно в первую очередь для защиты людей (особенно детей) от рисков, связанных с широким использованием информационных технологий и нейронаук в образовании. Эта проблематика, как уже упоминалось, была сформулирована еще в 1990-е: «нейро» требует сбора больших данных о тех, кто является субъектом, что, по сути, палка о двух концах. С одной стороны, обучающие и те, кто разрабатывает учебные инструменты, получают возможность индивидуализировать подход. С другой — адресно влиять на развитие индивидуумов, что создает колоссальные риски для прав и свобод личности. Российское законодательство регламентирует процедуры закупки товаров и услуг для образования, создание учебных планов и вопросы, связанные с развитием искусственного интеллекта. Последний — неотъемлемая часть многих современных технологий, входящих в поле нейрообразования. Но само по себе обучение с применением нейронаук отсутствует в правовом поле. Мировой опыт смешанный — в разных странах законы регулируют частные вопросы личных данных и образовательного процесса, а также защиты личности (в частности ее «нейросоставляющей»). [shesht-info-block number=1] Вместо заключения Россия несколько отстает от мировых лидеров в области нейрообразования, но развитие этой сферы у нас в стране идет впечатляющими темпами. Есть несколько ключевых точек роста, требующих внимания на уровне государства. Существуют объективные трудности, преодоление которых возможно, хотя и непросто. А что безусловно приятно: одно из главнейших направлений на пути расцвета нейрообразования доступно практически каждому и не сулит больших финансовых затрат — популяризация нейронаук, особенно в области обучения, и борьба с «нейромифами», которые сдерживают развитие нашего общего будущего в лице подрастающего поколения. Чем мы с удовольствием и занимаемся.

Композитные материалы: как человек улучшил природу

info@naked-science.ru (Naked Science) — Thu, 08 Dec 2022 14:41:43 +0000

Первые композиты — комбинации того, что под рукой Композитные материалы отличаются тем, что в них применены два или более компонента, которые не соединяются в одно вещество. Например, вы не обнаружите в чугунной сковороде железо и уголь, пока не опуститесь на атомарный уровень. Но можете с помощью простых подручных инструментов разделить фанеру на слои и заметить на них клеящее вещество. Обычно композиты состоят из матрицы и армирующих элементов, наполнителей. Применение различных веществ в этих двух качествах позволяет получать композиты с кардинально разными свойствами в зависимости от применяемых веществ и конструкции основы и наполнителя. Первые композиты были просты в изготовлении, но кардинально меняли жизнь людей. Так, чтобы дерево не гнило в воде, человек придумал пропитывать его смолой. Качество лодок увеличилось кардинально. Еще один старейший композитный материал — саманный кирпич, то есть бруски из глины и порезанных растительных волокон. Строения из такого материала получались надежными. Сухая глина давала прочность, а солома скрепляла ее, помогая глине не раскалываться. Первые дома из саманного кирпича появились в Месопотамии и Египте, где густых лесов для постройки изб не было. Но уже за пять тысяч лет до нашей эры люди нашли им отличную замену — благодаря одному из первых композитных материалов. Строительство дома из саманных блоков / ©Vmenkov Луки были изобретены и на европейском, и на американском континенте. Однако для увеличения их убойной силы приходилось масштабировать обычный (дуговой) лук до гигантских размеров. Пользоваться таким на охоте или при боевых действиях на коне было нереально. Тут решение нашли монгольские кочевники — эффективными оказались составные, или композитные, луки, в которых могли склеиваться несколько слоев дерева, сочетаться гибкие и прочные породы, а также добавлялись костяные вставки. При этом конструкция получалась с выгнутыми вперед плечами лука — в таком случае тетива при выстреле гораздо дольше сохраняла натяжение, передавая энергию стреле. Плечи лука служили рычагами, такая конструкция позволяла делать относительно небольшие луки с большой убойной силой. С ними всадникам было удобно скакать на лошадях — чтобы издалека расстреливать вражеские армии или охотиться. Лучники, 20-е годы XX века К композитам можно отнести и бетон, который имеет уже описанную выше структуру: галька и песок служат армирующей основной, их заливают наполнителем — цементом. Из полученного сложного вещества можно строить прочные и почти негорючие конструкции. Бетон был известен как минимум две тысячи лет назад, уже в Древнем Риме. Композитные материалы позволяют создавать головокружительно эффективные решения, но не являются панацеей. Всегда есть ограничения, которые, собственно, и диктуют, стоит ли предпочесть композиты другим решениям. Кроме дороговизны, первые композитные материалы страдали массой специфических недостатков. Например, первые композитные луки склеивались клеем на животной основе, который боится воды. Саманный кирпич гигроскопичен, и чтобы он не разрушался, его нужно покрывать штукатуркой. Для регионов, где он был изобретен, это было приемлемо, а вот в северных районах, где дождей много и штукатурка не очень помогает, жилье из самана было не так распространено. Ограниченный набор природных материалов долго сужал возможный набор композитных материалов, пока научные прорывы в химии не изменили ситуацию радикально. Второе дыхание композитов В XIX веке развитие химии позволило промышленности получить новые материалы. Открытие полимеризации дало возможность изобрести резины и пластмассы, чье появление обеспечило новый класс композитов. Без них XX век просто не стал бы эпохой индустриализации: если бы не были разработаны новые композитные материалы, природных не хватило бы на все стройки. Например, в России научились получать карболит (аналог бакелита). Он относится к термопластам: плохо проводит тепло и ток, не горит. С разными наполнителями карболит использовался и в качестве изолятора, и как материал для корпусов различных устройств. Самое масштабное его применение — материал для изоляторов в проекте ГОЭЛРО, по которому электрифицировался весь СССР. Старинный бакелитовый телефон, середина XX века / ©Wikimedia Commons Вторым важным фактором для массового внедрения композитов стало удешевление и улучшение уже известных человеку материалов. Например, первые дома из железобетона построены еще в середине XIX века. Но только промышленное производство железных сплавов и повышение их характеристик позволили в начале XX века начать массовое строительство из этого материала. Одни открытия порождали другие. В поисках искусственного заменителя тканей была открыта вискоза, получаемая из целлюлозы. В процессе производства вискозы научились получать целлофан, который сначала был чуть ли не побочным продуктом, а оказался отличным упаковочным материалом. Практически все новые открытые материалы можно было использовать как наполнители в композитах, которые, в свою очередь, получали характеристики, почти немыслимые в предыдущих материалах. Современный композитный материал / ©Wikimedia Commons Хотя композитные материалы требовали создания новых производств, не всегда их применение обходилось дороже уже имеющихся. Масштабирование технологии снижало стоимость и позволяло заменить дефицитные материалы. Например, трудно представить победу СССР в Великой Отечественной войне без массового самолетостроения. Лучшим материалом для летающей техники были сплавы алюминия — легкие и прочные. Но объемы добычи этого цветного металла было совершенно недостаточны. И спасла… фанера. Но не просто фанера, а высокотехнологичная, конечно. Березовый шпон пропитывали фенолформальдегидной смолой — получалась дельта-древесина. По некоторым параметрам она вдвое превосходила дерево по прочности, хотя и уступала в полтора раза раза алюминию при равной массе. Хотя из дельта-древесины самолеты получались несколько тяжелее, чем из металла, но возможность относительно дешевого массового производства предопределила выбор в ее пользу как материала для фюзеляжей многих боевых самолетов. [shesht-info-block number=1] Компания Corning известна вам по царапоустойчивому покрытию экранов смартфонов — Gorilla Glass. Но работать со стеклом она начала еще в XIX веке, а в 1930-е ее специалисты открыли стекловолокно — еще один популярный компонент композиционных материалов. Оказалось, что чистое, без примесей и дефектов, стекло — очень прочное, а тонкие нити из него еще и гибкие. Сплетая их вместе, можно получить стекловолокно — прочный, сравнительно легкий материал, который к тому же не окисляется. Уже в 50-е годы прошлого века на его основе стали создаваться материалы для корпусов кораблей и самолетов. Еще одна важная характеристика стекловолокна — радиопрозрачность, поэтому его используют в обтекателях радаров. Благодаря такому набору «способностей» стекловолокно широко используется и в наше время. Технология композитного судостроения использована при строительстве тральщиков проекта 12 700 / ©Корабел.ру В самом сердце высоких технологий Новый век стал идеальным для композитных материалов: все время синтезируются новые вещества, промышленность требует принципиально новых материалов. Читатель «на глазок» уже и не определит, «чистый» материал он видит или композитный. Какие же самые интересные направления применения композитных материалов существуют сейчас?Одни из самых экстремальных условий работы — в атомных реакторах. И в их конструкции используются композиты типа SiC-SiC: карбид-кремниевая матрица, армированная карбид-кремниевыми волокнами, способна на длительную работу в условиях радиации и высоких температур. Передовая водородная энергетика тоже не обходится без композитов: материалы с углеродными волокнами рассматриваются как компонент газодиффузионного слоя и биполярных пластин топливных элементов с полимерной протон-проводящей мембраной. Корпус ракеты из углепластика, НИИ специального машиностроения / ©«Роскосмос» Крайне разнообразные композиты получают на основе углеродных соединений. Причем углерод в разных видах используется и в матрице, и в качестве связующего наполнителя. Углерод-углеродные композиты работоспособны при температуре две тысячи градусов! Многие металлы плавятся при таком нагреве. Например, в СССР углеродный материал «Гравимол» создали для космического челнока «Буран» — его применяли в обтекателе и передних кромках крыла, которые сильнее всего нагреваются при посадке. Можем ли мы делать такие материалы в России? «Сейчас идет активная работа по переходу на отечественный ПАН-прекурсор — важное сырье для создания углеродного волокна, основы многих композиционных материалов. Оно важно как для гражданской, так и для военной отрасли», — рассказал корреспонденту Naked Science Артур Радикович Гареев, заместитель директора по науке и инновациям АО «НИИграфит» (входит в госкорпорацию «Росатом»). Он добавил, что «Юматекс» выпускает серию волокон UMT, это самые высокотехнологичные углеродные волокна в России — их прочность в несколько раз выше, чем у сплавов стали. В целом НИИГрафит разрабатывает композиционные материалы на основе углеродных волокон, конструкционных графитов и тому подобного для ракетно-космической и авиационной техники, узлов прочих устройств, работающих при больших температурах. «В зависимости от армирующей структуры тот же углерод-углеродный композит может работать в условиях трения, выдерживать длительную нагрузку в тормозных колодках самолетов, например в российском МС-21. Углерод-углеродные композиты за счет электропроводности применяются при изготовлении нагревателей высокотемпературных печей, где надежно работают длительное время. Тем не менее такие КМ (композитные материалы) достаточно хрупки, и это ограничивает их применение в технике», — объясняет границы применимости Артур Гареев. Если нужна гибкость, то сплетенные из углеродных волокон слои соединяют эпоксидной смолой или полимерами, тогда получаются углепластики. Лучшие из них обеспечивают прочность, сравнимую с металлами, но при значительном выигрыше в массе. Их рабочая температура не так велика, как у углерод-углеродных композитов, зато они работоспособны годами. Один из самых известных примеров применения углепластиков в России — крыло перспективного самолета МС-21. Его называют «черным крылом» по цвету неокрашенных углепластиков, но куда важнее цвета то, что кроме снижения массы они позволили получить более эффективную и топливосберегающую форму крыла. Всего композиты составляют 40 процентов от материалов самолета, это один из лучших показателей в мире. В 2018 году «Аэрокомпозит» (входит в ГК «ПАО „ОАК”»), создающий элементы самолета, попал под санкции и не смог закупать композиты в США, и тогда их производство было налажено в России. ©Getty images Полимеры могут быть не только матрицей, но и наполнителем. Арамидные нити могут служить основой и для одежды, и для бронежилетов. Композиты на их основе «обыгрывают» металл, так как получаются значительно легче при сравнимой прочности. Перспективное направление — волокна из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). По прочности оно превосходит арамидное волокно, и лучшие бронежилеты на его основе имеют плотность, как у воды: 1 г/см3. В целом композиты не противостоят металлам, последние по-видимому, еще долго будут основой для создания техники современной цивилизации. Проектирование и разработка композиционных материалов на базе металлической матрицы со специальным образом размещенными или образованными внутри нее неметаллическими фазами позволяет сочетать многочисленные достоинства металлов с новыми свойствами композитных систем. Изготовление требует высокой точности проведения технологического процесса. В АО «НПО „ЦНИИТМАШ”» разрабатывают технологии производства изделий из композитов с металлической матрицей, упрочненной оксидными, карбидными и нитридными наноразмерными частицами: «Одним из способов производства изделий из композитов на основе металлической матрицы является метод селективного лазерного сплавления, позволяющий получать продукты сложной геометрии, требующей минимальной механической обработки», — объясняет Иван Иванов, кандидат физико-математических наук, директор Института металлургии и машиностроения. В качестве примера можно привести возможность использования ДУО-сталей (дисперсионно-упрочненная оксидами). Структура этого композита — металлическая матрица, в которой равномерно распределена наноразмерная оксидная фаза. Они применяются в агрессивных средах с повышенной тепловой, коррозионной и радиационной нагрузкой. ©Getty images Рекорды композитов Почему активное создание новых сплавов и веществ не уменьшило востребованность композитов? «Например, у меди плотность почти девять, у композитов — меньше двух при сравнимой теплопроводности. Поэтому они крайне востребованы в аэрокосмической промышленности», — приводит пример Артур Гареев. Чем ниже плотность, тем меньше будет масса у вещества того же объема. При этом общая длина проводов в самолете превышает 200 км (!), поэтому снижение их веса позволит заметно снизить расход топлива. Гареев добавляет, что сейчас в России разрабатываются новые волокна на основе мезофазного пека — их теплопроводность около 600 Вт/(м*К) при 394 Вт/(м*К) у меди. Как только удастся наладить их производство в России, они станут хорошей альтернативой металлам. В конструкциях композиты конкурируют с титаном и алюминием: при вдвое меньшей плотности (примерно 1,4 г/см3 против 3 г/см3) они обладают близкой прочностью и значением модуля упругости. При этом углепластики хорошо подвергаются механической обработке. [shesht-info-block number=2] Почему же композиты не заменили все остальные материалы? Практически у всех из них есть какие-то недостатки. Например, стеклопластики хороши как корпус корабля, но только пока он не столкнулся с препятствием. Металл пластичнее, он и удар держит лучше, и чинить его проще. Углерод-углеродные композиты обычно хрупки. Углепластики гибкие, но обычно обладают анизотропностью: то есть проявляют свои свойства (теплопроводность, прочность) только в определенных направлениях относительно материала. В каких-то случаях это даже выгодно, но ту же прочность конструкторам хотелось бы иметь при приложении усилия под любым углом. Ученым есть над чем поработать. А пока у нас нет золотой пули для выбора материала в новом проекте. Каждый раз инженерам приходится рассчитывать, что лучше использовать: металлы, полимеры, композитные материалы. А может, это и прекрасно — есть пространство для творчества. Как создаются новые композиты Как создаются новые композитные материалы? Сначала, собственно, ученым и исследователям ставится задача, каких показателей надо добиться. Известно, какие сочетания основы и наполнителя надо взять для достижения заданной характеристики. Например, нитрид бора хорош как защита от нейтронов, а также придает композиту высокую теплопроводность. Нужна электропроводность — тогда используем графит как наполнитель. Но главную работу предстоит сделать в лаборатории — в какой пропорции и каким способом их соединить, чтобы наиболее полно соответствовать поставленным требованиям. Как сделать композиционные материалы еще лучше? Может, уже всё можно посчитать на суперкомьютерах? Или наоборот, они уже вышли на свои предельные возможности? «На суперкомпьютерах целиком композит не сделать, — объясняет Артур Гареев. — Потому что есть физико-химические эффекты, которые не смоделируешь. Зачастую надо отработать в лаборатории технологию совмещения матрицы и наполнения. Но сделать их лучше, конечно, можно. Появляются новые классы волокон, новые классы материалов». В качестве простого примера Гареев упоминает уровень, которого достигли японцы при создании углеродных волокон на основе мезофазных пеков. Если говорить о России, то сейчас актуально освоение производства и применения СВМПЭ-волокон. Ближайшая перспектива — интеллектуальные композиты, они активно реагируют на изменения условий окружающей среды. Например, сигнализируют об изгибах, затвердевают при ударе или даже самовосстанавливаются. Здесь интересным направлением Гареев назвал полимерные пьезоэлектрические композиционные материалы. Практически это материал, каждый участок которого служит датчиком. Самовосстановление возможно при «прошивании» алюминиевой матрицы проволокой из нитинола (соединение никеля и титана) и другого материала с эффектом памяти. При охлаждении ниже критической температуры в нем возникают внутренние напряжения, которые при нагревании заставляют его возвращаться в форму, которая была ранее в нагретом состоянии. Нитинол и сам обладает эффектом памяти, но в составе композита этот эффект усиливается. Есть и более прикладные вещи. В функциональном плане идет работа над радиопрозрачными, радиационно-стойкими композиционными материалами. Устойчивые к радиации композиты пригодятся для защитных оболочек крупногабаритных конструкций АЭС малой мощности. Конечно, и сейчас есть материалы этих классов, но виден потенциал для их улучшения. В заключении корреспондент Naked Science попросил Артура Радиковича побыть минутку футурологом и спросил, какие композиты он хотел бы увидеть в будущем? — Биокомпозиты, совмещающие живые ткани с синтетическими материалами. Чтобы люди могли значительно повысить эффективность и выносливость собственного организма! Материал подготовлен совместно с просветительским проектом Homo Science. На этой онлайн-платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки в доступной и увлекательной форме рассказывают об «атомных» темах в разрезе таких наук, как физика, химия, информационные технологии, медицина, математика, а также биология. Рекомендуем следить и там за новостями. Реклама: Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344.

Северный морской путь: прошлое, настоящее и будущее главной морской арктической «артерии» России

info@naked-science.ru (Naked Science) — Sun, 04 Dec 2022 08:00:01 +0000

Арктикой принято называть всю область планеты за Северным полярным кругом, проходящим по 66,5622-й параллели северной широты. Российская Арктика занимает около трех миллионов квадратных километров (18% территории России), из которых 2,2 миллиона квадратных километров приходятся на сушу, остальное — на прибрежные территории Северного Ледовитого океана. Эти территории богаты ценными ресурсами, а по воде проходит кратчайший путь между европейской частью России и Дальним Востоком, Европой и Азией — Северный морской путь. Поэтому освоение Арктики не первый год называют стратегическим приоритетом в плане экономического развития страны. Маршрут СМП / ©WikiMedia Суровый климат, сильнейшие ветры, сковывающий лед требуют подходить к этой задаче с умом: разрабатывая новые технологии, мощные ледоколы и эффективную систему навигации. Не менее важно при этом поддерживать бережное отношение к экологии и ресурсам арктических просторов, так неохотно покорявшимся нам на протяжении последних десяти веков. Северный морской путь (СМП) — судоходный маршрут, проходящий вдоль северных и восточных берегов России через шесть морей: Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское и Берингово. Непокоримая Арктика Первым причуды северных широт описал греческий географ Пифей еще за 330 лет до нашей эры. Отправившись в рискованную экспедицию на север Атлантического океана, он доплыл до берегов Норвегии (или Исландии — ученые до сих пор не пришли к общему мнению) и увидел полярный день, северное сияние и плавучий морской лед. Свои наблюдения Пифей опубликовал под названием «В океане» («On the Ocean»). И на протяжении многих веков его монументальная работа оставалась единственным письменным источником знаний о северных широтах планеты. Примерно в VIII веке нашей эры там начали селиться викинги. [shesht-info-block number=1] Русские первооткрыватели начали исследовать Арктику в XI веке. В 1032 году состоялся морской поход от Северной Двины к «Железным вратам» — историки спорят, что подразумевалось под этим названием: Карские Ворота, пролив между островами Новая Земля и Вайгач, или Югорский Шар — пролив между островами и континентом. Походом руководил новгородский посадник Улеб. Вскоре появились первые поселения на берегах Белого и Баренцева морей. Жителей этих территорий начали называть поморами. Промышляя рыболовством и охотой, они первыми из жителей России освоили плавание по нашим северным морям, но всестороннее освоение Арктики началось лишь в XV-XVI веках, когда дело коснулось экономики. В XV-XVI веках торговлей в Мировом океане управляли Испания и Португалия, захватившие пути в Индию и Китай. Остальные страны искали другие маршруты – в частности, по северному берегу Евразии, хотя тогда еще никто не знал, есть ли там проход. Особенно им интересовались Англия и Голландия, а помогали им в этом русские моряки. Так начался поиск Северного морского пути. К XVI веку купцы и казаки освоили Мангазейский морской путь — от Северной Двины до Оби, к XVII веку открыли и путь от Лены до Берингова пролива, а в 1648 году Семен Дежнев и Федот Попов проплыли от Чукотки еще дальше и нашли выход в Северный Ледовитый океан. В XVIII веке благодаря Петру I у России появился мощный флот, способный плавать по северным морям. Вскоре состоялась Великая Северная экспедиция. Ее руководители — Витус Беринг, братья Лаптевых и Семен Челюскин — создали первую подробную карту арктических берегов и увековечили на ней свои имена. Петровские реформы включили Сибирь в единое общероссийское русло развития / © Getty Images В 1878 году шведский полярник Нильс Норденшельд первым в истории преодолел весь Северо-восточный проход, так до XX века называли Северный морской путь. Удачная экспедиция была исключением: толстый морской лед по-прежнему представлял большую опасность для судов. Решение проблемы предложил адмирал Степан Макаров, и в 1899 году на воду спустили угольный ледокол «Ермак». Так начался новый период в истории Арктики — освоение маршрутов и научное изучение ее климата, геологии и богатств. В 1932 году на ледокольном пароходе «Сибиряков» экспедиции во главе с советским ученым Отто Шмидтом удалось проплыть Северный морской путь за одну навигацию: от Архангельска до Берингова пролива за 62 дня. Благодаря этому походу уверенность в маршруте сильно возросла; и в том же году открылось Главное управление Северного морского пути. Пристальное внимание к морским льдам и их движению позволило начать делать долгосрочные ледовые прогнозы. Изучение дна и установка берегового оборудования упростили навигацию. [shesht-info-block number=5] Подводя итог, условно историю освоения Арктики можно разделить на четыре этапа: медленное заселение севера России в XI-XVI веках, морские экспедиции в XVII-XIX веках, полноценное освоение богатств и маршрутов в XX веке и, наконец, современное наращивание движения по Северному морскому пути. Многовековая история не прошла бесследно: форма поморских парусников по-прежнему узнаваема в ледоколах, морской флот обеспечивает движение по северным морям, а накопленные знания о движении арктических льдов бесценны для навигации. Сегодня за обеспечение ледокольных проводок, управление судоходством и организацию деятельности в акватории Северного морского пути отвечают ФГУП «Атомфлот» и ФГБУ «Главное управление Северного морского пути». Мощные атомные ледоколы и профессиональное управление движением судов — основа этой эффективности. Ледокол ледоколу рознь В 1935 году, вскоре после открытия Главного управления Северного морского пути, рекордные четыре грузовых теплохода прошли по северным морям за одну навигацию. Помогали им четыре паровых ледокола, распределенных по разным участкам трассы. После Второй мировой войны на смену паровым пришли дизель-электроходы. Спустя десятилетие, вдохновившись силой мирного атома, советские атомщики собрали первую реакторную установку для ледоколов. Разработка шла в условиях максимальной секретности, и 3 декабря 1959 года в эксплуатацию ввели первый в мире атомный ледокол «Ленин». К концу века в Арктике работали пять атомных ледоколов с двухреакторной ядерной установкой — «Арктика», «Сибирь», «Россия», «Советский Союз» и «Ямал» — и два ледокола с однореакторной ядерной энергетической установкой: «Таймыр» и «Вайгач». Встреча атомных ледоколов «Ленин» и «Арктика» проекта 10520 / © Росатом В общих чертах все ледоколы устроены одинаково: бочкообразная форма, крепкие толстые стенки корпуса и большая мощность. У атомных ледоколов — такие есть только в России — эту мощность обеспечивает один, а чаще два реактора. Реактор нагревает воду, та превращается в пар и раскручивает турбины. Турбины запускают генераторы, вырабатывающие электричество, которое идет на обеспечение судна и работу гребных винтов. В среднем мощности реакторной установки «морских» ледоколов хватит на снабжение небольшого города. Бочкообразная форма помогает ледоколу не застревать во льдах. Ватерлиния проходит ниже самой широкой части судна, поэтому льды своим давлением выталкивают судно вверх, а не зажимают. Форма помогает и в работе: во-первых, судно может «наползать» на лед и ломать его весом, во-вторых, ломать боками, раскачиваясь с помощью крена и балластной системы. [shesht-info-block number=3] Сегодня у «Атомфлота» шесть атомных ледоколов. По-прежнему работают «Таймыр» и «Вайгач», а также ледоколы второго поколения «Ямал» и «50 лет Победы» (его стройка была приостановлена, в эксплуатацию он вошел лишь в 2007 году). К ним недавно присоединились «Арктика» и «Сибирь» — представители нового поколения атомных ледоколов проекта 22220. Парочка «Таймыр» и «Вайгач» Мелкосидящие ледоколы строились специально для работы в устьях рек. Их главная особенность — меньшая осадка в 8,1 метра. По мощности «Таймыр» и «Вайгач» меньше морских «собратьев» — у них всего один реактор мощностью около 50 тысяч лошадиных сил (водо-водяной КЛТ-40М). Чаще всего пара работает в Енисее. Кстати их назвали в честь предшественников — пары ледоколов, на которых в 1912-1913 годах экспедиция под руководством Ивана Сергеева и Бориса Вилькицкого впервые в истории прошла Северный морской путь с востока на запад, по пути исследовав острова северных морей. В частности, они открыли архипелаг Северная Земля. Атомный ледокол «Таймыр» / © Lobusov D.V. «Ямал» и «50 лет Победы» Представители второго поколения атомных ледоколов гораздо мощнее — два ядерных реактора (ОК-900А) дают им 75 тысяч лошадиных сил. Несмотря на разницу в «возрасте» («Ямал» начал работу в 1992 году, «50 лет Победы» был готов в 2007 году), по размеру они почти одинаковые, разве что слегка отличаются длиной. Над водой оба возвышаются на высоту 12-этажного дома (37,8 метра). Внешне вы их никогда не перепутаете: на носу «Ямала» красуется огромная зубастая улыбка. Атомный ледокол «50 лет Победы» возит туристов на Северный полюс. Осадка у них около 11 метров, подходящая для движения по морям. По ровному неподвижному льду толщиной 2,7 метра они развивают скорость 3,7 километра в час (два узла). Конечно, ударами корпуса атомные ледоколы способны ломать и гораздо более толстый лед. Причем как задом, так и передом — ледокольные «способности» работают в обе стороны, иначе ледоколы часто застревали бы во льдах. Свыше десяти лет эти атомные ледоколы были самыми большими в мире, но в 2020 году на Северном морском пути заработала «Арктика», а в 2022-м — «Сибирь». [shesht-info-block number=2] Качественно новые ледоколы Главная особенность нового поколения (проект 22220) — двухосадочность на 9,03 и 10,5 метра; они могут работать как в море, так и в устьях рек. Такую универсальность обеспечивает большая балластная система набора и сброса воды. Ядерные установки, конечно, тоже мощнее: два реактора (РИТМ-200) дают 81,5 тысячи лошадиных сил. Прибавка в мощности позволяет универсальным ледоколам развивать скорость в два узла по льду толщиной уже 2,8-2,9 метра. Именно эти ледоколы обеспечат к концу 2024 года круглогодичную навигацию по Северному морскому пути. Прошлой зимой «Арктика» водила караваны до Певека, самого северного города России — не так давно такая задача казалась невозможной. Уже в конце года к ним присоединится «Урал», его испытания почти завершены. Через несколько лет войдут в эксплуатацию еще два ледокола этой серии. Эффективность этого поколения ледоколов хорошо иллюстрируется простым сравнением: одна «Арктика» прокладывает такой же широкий канал, как пара «Таймыр» и «Вайгач». Впрочем, скоро и она будет казаться «мелкой». Атомный ледокол «50 лет Победы» / © Росатом К концу десятилетия на Северном морском пути появится качественно новый ледокол «Россия», первый представитель проекта 10510 «Лидер». Он будет на десять метров шире прошлого поколения и гораздо мощнее: скорость в два узла он сможет поддерживать на льду толщиной 4,3 метра, оставляя за собой канал шириной 50 метров. Чем шире канал, тем безопаснее для следующего за ледоколом каравана из судов. Морские льды очень подвижны и, бывает, зажимают суда. Чтобы освободить их из ледового плена, ледоколы сдают назад, проходя близко к бортам «пленника». Главная опасность тут не в потере времени, а в сильном давлении и острых углах морских ледяных глыб — они способны сильно повредить обшивку и винты судов. Экологичность, автономность и комфорт Атомная энергетика — чистая энергетика. Ледокол «50 лет Победы» стал первым ледоколом со специально оборудованным экологическим отсеком для переработки отходов. Все тщательно сортируется, очищается и измельчается. Сточные воды тоже проходят обработку. В итоге экологический след минимален. Автономность атомных ледоколов ограничивается только запасами продовольствия и сменой экипажа. В истории Росатомфлота были случаи, когда атомный ледокол до года работал без захода в порт. Рекорд принадлежит «Арктике». Если подвозить продовольствие и сменять команду, новые двухосадочные ледоколы проекта 22220 могут работать до семи лет, после которых нужно перезагрузить топливо. Монтаж реактора РИТМ-200 на атомном ледоколе «Арктика» проекта 22220 / © Росатом Моряки работают на ледоколах по четыре месяца, сменяя друг друга — благо размеры ледоколов позволяют обустроить их всем необходимым: от одноместных кают и спортзала до сауны и даже солярия. Последний, кстати, необходим для поддержания здоровья (полярной ночью солнце не встает над горизонтом). Есть даже бассейн, который заполняется нагретой соленой морской водой. Температура в помещениях поддерживается в районе 22 градусов Цельсия. Всего на ледоколе могут одновременно жить несколько сотен человек. Минимальный экипаж зависит от типа судна: на старых ледоколах — 106 человек, на новых ледоколах проекта 22220 — всего 54 человека, но это в минимальной комплектации. [shesht-info-block number=7] Все ледоколы живут по московскому времени. Потому что иначе переводить часы пришлось бы постоянно, ведь между Мурманском и Камчаткой разница девять часов. Впрочем, «стандартные» дни и ночи за полярным кругом — явление как раз уникальное. Полгода длится полярный день, полгода — полярная ночь. Северный морской путь В общем смысле Северным морским путем называют путь по морям на севере Евразии. Исторически он начинался от Карских ворот (пролив между островами Вайгач и Новая Земля) и заканчивался у мыса Дежнева. Вся эта территория зимой скована морскими льдами. Общая протяженность — почти 5600 километров, и это самый короткий путь из Европы в Азию. Возьмем конкретный пример: путь из нидерландского Роттердама до портов Азии через Суэцкий канал занимает 33 дня (17,5 тысячи километров), а через Северный морской путь — всего 23 дня (12,2 тысячи километров). Сегодня Северный морской путь начинается в незамерзающем порту Мурманска. Путь по северным морям от Мурманска до портов Японии в два раза короче, чем через Суэц, и по времени значительно меньше — всего 18 дней вместо 37 дней. Круглогодичная навигация в западном районе Арктики началась, когда в 1975 году в эксплуатацию ввели атомный ледокол «Арктика». Кстати, спустя два года этот ледокол стал первым судном, достигшим Северного полюса по воде. Не нужно путать его с «Арктикой» последнего поколения атомных ледоколов. Атомный ледокол «Арктика» проекта 10520 / © Росатом Первая важная «остановка» на маршруте — полуостров Ямал, где добывают нефть и природный газ. В поселке Сабетта расположен крупнейший завод по сжижению газа «Ямал СПГ». Еще 20 лет назад в нем проживала пара десятков человек, сегодня — почти 3500. Следующий важный пункт — устье Енисея. Там находится Норильск, город в 300 километрах к северу от полярного круга. Мало кто знает, что железной дороги в Норильск просто нет. Добраться туда на машине — почти невозможная задача. Летом можно доплыть по Енисею, а в остальные сезоны — только самолетом. Спасают ледоколы, поддерживающие проход в порт Дудинка, поселение, возникшее на этом месте еще в 1667 году. Дальше на Восток — чукотский порт Певек, самый северный город России. Там расположены рудники золота, серебра и меди. Энергией Певек обеспечивает единственная в мире плавучая атомная электростанция «Академик Ломоносов» с двумя реакторами, способными «запитать» даже стотысячный город, но население Певека значительно меньше — около 5000 человек. Вскоре это изменится: порт планируют сделать важным транспортным узлом всего региона. Прибытие ПЭБ «Академик Ломоносов» в Певек / © Алексей Башкиров, «Страна Росатом» Всего сегодня на Северном морском пути десять крупных портов и сотни судов, число которых только растет. По словам Вячеслава Рукши, руководителя дирекции Северного морского пути, в 2030 году на маршруте должно работать 12-14 арктических ледоколов, из которых минимум восемь — атомные. Они необходимы для проведения караванов по маршруту, покрытому толстым морским льдом. Но по тонком льду многие суда ледового класса могут пройти и самостоятельно. Главное — помогать им в навигации и следить за погодой. Мониторинг и прогнозирование позволяют максимально эффективно использовать мощности ледоколов — там, где они действительно нужны. Эти задачи выполняет новейшая система навигации. «Арктика.Навигатор» для Северного морского пути Штаб морских операций ФГБУ «ГлавСевморпуть» (входит в госкорпорацию «Росатом») в Мурманске круглосуточно поддерживает движение по всей акватории Северного морского пути. Севморпуть объединяет в общую транспортную сеть речные артерии, пролегающие на 70% территории России. Автоматическая система управления движения судами впечатляюще выглядит на большом экране в просторном зале для совещаний: огромная карта с сотнями движущихся судов и ниточками их траекторий. Но главное, что ту же карту можно открыть и на планшете, и на телефоне, потому что главная ее задача — помощь в навигации для самих судов. Система строит маршруты, учитывая скорость движения, загруженность пути, погодные условия, необходимость ледокольных услуг. [shesht-info-block number=4] Как и в привычных нам онлайн-картах, тут есть дополнительная информация и слои. Щелкаешь по судну, и выпадает полная информация о его характеристиках, грузе, маршруте, скорости, сопутствующих документах и разрешениях, контактах и данных с датчиков. Иногда даже можно подключиться к камере. На самой карте есть возможность включить слои с погодными условиями: данными о ветре, температуре, штормовых условиях и движении льдов. В системе отображаются все суда с установленной автоматической информационной системой (АИС) — то есть все, кроме военных. Пока система в основном мониторит, но скоро научится и самостоятельно выстраивать оптимальные маршруты, учитывая скорость движения, загруженность пути, погодные условия, необходимость ледокольных услуг. А также пожелания владельцев судна: сэкономить топливо или быстрее прибыть в порт. Штаб морских операций / © Росатомфлот Штаб морских операций уже предлагает всем капитанам информационную услугу — рекомендации по маршруту и предварительную договоренность о помощи ледокола. В итоге эта система должна работать как обычный автомобильный навигатор, только для судов во льдах. Вот судно идет из точки А в точку Б с определенной скоростью. Трек судна оцифрован, прорисован на картах, его видит система. Анализирует, на каких участках возможны задержки. Логистически все понятно и прозрачно. В ближайшем будущем ФГБУ «ГлавСевморпуть» планирует на все суда акватории поставить бортовые измерительные комплексы, которые будут считывать погодные условия и толщину льда. Ледовая информация — самая ценная, но и самая дорогостоящая. Если все суда станут датчиками ледовой обстановки, возрастет эффективность всего движения по Северному морскому пути. Всем ли хватит места на Северном морском пути? Объем грузоперевозок в 1987 году по Северному морскому пути достиг 6,7 миллиона тонн. В 1991-м маршрут открыли для международного судоходства, но к концу столетия грузоперевозки объяснимо упали до 1,4 миллиона тонн. В новом столетии объемы начали быстро расти. К 2020 году объем достиг 33 миллионов тонн, был установлен новый рекорд: по Северному морскому пути прошло 331 судно. Для сравнения — по Суэцкому каналу тогда прошло 1,12 миллиарда тонн грузов. По мнению Вячеслава Рукши, руководителя дирекции Северного морского пути, их маршрут сможет перехватить около 10% грузового трафика с Суэцкого канала, но все же 70% перевозок должен составить российский экспорт: газ, нефть, уголь и другие полезные ископаемые. [shesht-info-block number=6] В планах — добиться к 2024 году грузопотока в 80 миллионов тонн в год и суммарной мощности морских портов в 83 миллиона тонн. Как уже говорилось, для поддержания такой нагруженности хватит 13 ледоколов и информационной поддержки в виде развивающейся навигационной системы. Первооткрывателей сменили масштабные экспедиции, традиционные ушкуи поморов «превратились» в атомные ледоколы, а рыбацкие поселения разрослись до масштаба многотысячных городов. Мы находимся в самом начале новой эпохи развития Арктики и Северного морского пути — ее главной жизненной и транспортной «артерии». Данный материал был подготовлен совместно с просветительским проектом Homo Science. На данной онлайн-платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки в доступной и увлекательной форме рассказывают об «атомных» темах в разрезе таких наук как физика, химия, информационные технологии, медицина, математика, а также биология. Рекомендуем следить и там за новостями. Реклама: Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344.

Легчайший газ, незаменимый реагент и трудное топливо: все, что вы хотели знать про водородную экономику, но боялись спросить

info@naked-science.ru (Naked Science) — Wed, 30 Nov 2022 08:22:16 +0000

В чистом виде водород удалось получить ко второй половине XVII века воздействием кислот на металлы. Бесцветный газ без запаха и вкуса легко сгорал с характерным щелчком, в результате этой химической реакции образовывалась вода. За такое очевидное свойство газ и получил свое название. К 1930-м годам большинство свойств водорода уже были известны ученым. Благодаря его простоте — атом H состоит лишь из протона и электрона — с его помощью удалось изучить множество явлений в мире элементарных частиц. Однако и за рамками теоретических исследований у водорода нашлось немало применений. До конца XIX века водород в чистом виде либо в смеси с другими газами использовали как топливо для осветительных приборов, экспериментальных двигателей внутреннего сгорания и наполняли им воздушные шары. Последняя роль принесла ему всемирную известность благодаря расцвету дирижаблей. Но по-настоящему незаменимым для мировой экономики водород стал в результате работы двух великих немецких химиков Фрица Габера и Карла Боша. Созданный ими химический процесс позволял в промышленных масштабах получать аммиак — основное сырье для производства удобрений. [shesht-info-block number=1] Газ, без которого не было бы современного мира Несмотря на то что в земной атмосфере азот трудно назвать дефицитным, этот обязательный компонент биологических молекул большинству живых существ недоступен: они не способны его усваивать в газообразном виде. В естественных условиях биосфера пополняется соединениями азота в основном благодаря почвенным бактериям. Но до верхних ступеней пищевой цепочки доходит лишь малая их часть. Поэтому без удобрений сельское хозяйство просто не способно обеспечить сколь-нибудь развитое общество необходимым количеством калорий. Пока на помощь человечеству не пришло изобретение Габера, усовершенствованное Бошем, сырьем для азотных удобрений служили гуано (останки помета птиц) и природный нитрат натрия (натриевая, или чилийская, селитра). С этими ресурсами — две проблемы: во-первых, их запасы конечны, да и богатые месторождения есть не везде; а во-вторых, добывать их приходилось фактически рабским трудом в нечеловеческих условиях (рабочие руки очень быстро заканчивались). Все возрастающий спрос на удобрения во время индустриализации резко поднял важность и гуано, и чилийской селитры. Результатом стали даже несколько войн из-за древнего птичьего помета (например, Вторая тихоокеанская война 1879-1883 годов, в ходе которой Чили силой забрала месторождения гуано у Боливии). Зато в 1910 году мир изменился навсегда. Химическая промышленность получила экономически выгодный способ выработки аммиака. Для этого требуется азот, водород, катализатор, а также высокие температура и давление. С тех пор вклад процесса Габера в процветание человечества можно назвать едва ли не определяющим для нынешней цивилизации. По некоторым оценкам, до половины атомов азота в телах жителей развитых стран попали в пищевую цепочку исключительно благодаря промышленно синтезированным азотным удобрениям. Не менее двух пятых современного человечества без этого изобретения не существовало бы. Естественно, чудо не бесплатно: на производство аммиака уходит около двух процентов всей потребляемой в мире первичной энергии. Упрощенная схема современного химического завода, применяющего процесс Габера—Боша для производства аммиака. Фиолетово-розовый овал — первичный риформер, на который подается метан (CH4) и вода (H2O), здесь происходит частичное разложение природного газа на молекулярный водород (H2) и оксид углерода (CO). Затем в систему подается очищенный воздух (кислород и азот), которые во вторичном риформере (горчичный овал) смешиваются с продуктами первичного и помогают дополнительно разложить метан. Далее смесь поступает в реактор, где при помощи катализатора и с добавлением воды метан окончательно расщепляется, а угарный газ окисляется до углекислого. На выходе получается синтез-газ из азота, водорода и CO2, его сжимают и отправляют на очистку от углекислоты в скруббер. После него азот и водород уже снова под давлением дополнительно нагреваются и идут непосредственно в реактор производства аммиака (второй горчичный овал). Выход продукта не стопроцентный, поэтому непрореагировавшие азот с водородом после охлаждения и сепарации аммиака снова поступают в реактор / ©Francis E Williams, Wikimedia Обогащение нефтепродуктов Нефтехимическая отрасль — второй основной потребитель водорода в мире. Он используется для целого ряда процессов, позволяющих повышать качество нефтепродуктов и природного газа. В их числе — гидроочистка, гидрокрекинг, гидродеалкилирование. Если не вдаваться в детали, то все эти процедуры представляют собой ту или иную реализацию гидрогенолиза. То есть расщепления в присутствии водорода связей между двумя атомами углерода либо атомом углерода и примесями. В качестве последних, например, выступают сера или соединения азота. Они не только становятся сильными загрязнителями при сгорании, но и отравляют катализаторы на последующих этапах нефтепереработки. Можно смело сказать, что без использования водорода такого качества и разнообразия углеводородов никогда бы не получилось. И многое-многое другое Оставшиеся после нефтепереработки и производства аммиака 10 процентов всего потребляемого человечеством водорода уходят почти полностью на химическую и пищевую промышленность. В первую очередь — для гидрирования. Это реакция присоединения водорода к той или иной молекуле. Если гидрировать углекислый газ, получится метанол. А он, в свою очередь, чрезвычайно востребованное сырье для производства полимеров (точнее, из него делают формальдегид, необходимый для этого) и широко используемая добавка в бензин. К тому же метанол сам по себе — перспективное экологичное топливо для ДВС. Сейчас для этого предназначения его производят в основном из биологического сырья, но в перспективе предпочтительнее техпроцесс на основе водорода. Еще один продукт, который немыслим без водорода, — маргарин. Его делают из смеси растительных жиров (масел), которые сгущаются (насыщаются) гидрированием. В последние годы на волне борьбы с трансжирами эта сфера использования водорода плавно сходит на нет. Остальные области применения водорода потребляют менее пяти процентов от общего его производства в мире. Среди них одна из наиболее любопытных, но при этом малоизвестных — в качестве теплоносителя систем охлаждения мощных электрогенераторов (от 60 мегаватт и выше). А самая зрелищная — как ракетное топливо, например в носителях Delta IV Heavy, Space Launch System и «Чанчжэн-5». Кроме того, сравнительно много водорода потребляет микроэлектронная индустрия, использующая его для стабилизации аморфного кремния, производство и обработка особо чистых металлов, а также фармацевтика. Эти ниши по объемам потребляемого водорода незначительны, но их роль в современной экономике колоссальна. В космонавтике и ракетостроении водород нашел свое место и в качестве горючего, и в качестве энергоносителя. Кислород-водородные двигатели «Спейс шаттла» отправили в космос 355 астронавтов из 16 стран (многих по несколько раз) и почти 1600 тонн грузов, включая львиную долю конструкционных элементов и модулей МКС. Аналогичная топливная пара использовалась или используется на некоторых американских, индийских, японских и китайских ракетах, а также в советской «Энергии». Для выработки электричества водородные топливные элементы применялись в программе «Аполлон» и разрабатывались для «Бурана». На фото: упрощенная версия двигателя «Спейс шаттла» (SSME, RS-25) — AR-22 — в ходе испытаний на возможность быстрого повторного использования для проекта космоплана XS-1 / ©Aerojet Rocketdyne Потенциальный энергоноситель будущего Получается, водород уже давно и прочно закрепился в мировой экономике и промышленности. В основном, конечно, как сырье для химических процессов. Но у него есть огромный потенциал в качестве энергоносителя и накопителя энергии. Килограмм водорода при сжигании в идеальных условиях и без учета потерь высвободит более 140 мегаджоулей энергии. Для сравнения: килограмм дизельного топлива содержит около 45 мегаджоулей, бензина — 46, а природного газа (метана) — 53,6 мегаджоуля. При этом водород можно получать с помощью электричества из полностью возобновляемых источников энергии. А при его горении не возникает вредных веществ — только водяной пар. Некоторые количества оксидов азота в выхлопе водородного ДВС возможны, если смесь с воздухом не стехиометрическая (оптимальная для сгорания топлива). Эти два свойства водорода: высокая удельная энергия и потенциальная «зеленость» — не дают покоя инженерам и ученым, стремящимся сделать мир лучше. Идея водородной экономики, то есть такого уклада энергетики и промышленности, в котором роль основного энергоносителя выполняет водород, впервые была сформулирована еще в 1923 году британским ученым Джоном Холдейном (J. B. S. Haldane). Но до 1970-х развития она не получала и лишь к 1990-м оформилась в виде хорошо проработанной концепции. [shesht-info-block number=2] Одна из ключевых ролей водорода в ней — накопитель энергии: когда генерация избыточна, ее направляют на выработку газа, в пики потребления его расходуют. Нынешнюю экономику в каком-то смысле можно назвать водородной, ведь этот газ уже играет исключительно важную роль. Однако он используется почти полностью как реагент для химических процессов и почти не задействован в энергетике. В перспективе же требуется уйти от ископаемого топлива, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду, минимизировать выбросы парниковых газов и микрочастиц сажи. Водород имеет все шансы заместить углеводороды в тех отраслях, где не справится одно лишь зеленое электричество: там, где энергоноситель трудно заменим, — и сделать более экологичными критически важные высокотехнологичные отрасли вроде микроэлектроники. Например, в металлургии, производстве цемента и на транспорте, в первую очередь грузовом наземном и водном. Перед этим придется решить несколько инженерных проблем. Так, ни один современный массовый двигатель внутреннего сгорания не может работать на чистом водороде. У этого газа низкая энергетическая плотность (количество энергии в литре объема), поэтому через камеру сгорания его необходимо нагнетать больше (втрое больше, чем метана для выполнения той же работы). Кроме того, водород горит с очень высокой скоростью, на грани детонации — с этим его свойством, кстати, связан простейший способ его обнаружения в продуктах реакции на уроках физики: он вспыхивает с характерным хлопком. Сейчас идут разработки многотопливных двигателей, способных в числе прочего работать на чистом водороде. Альтернатива прямому сжиганию — топливные элементы, вырабатывающие электричество из водорода и кислорода воздуха. Это такие электрохимические ячейки, в которых горючее окисляется без пламени, только за счет присутствия катализатора. Но их эффективность пока едва превышает 60 процентов, а стоимость высока, плюс водород должен быть максимально чистым, иначе малейшие примеси быстро отравят катализатор. Поэтому в качестве первого этапа постепенного перехода от углеродной экономики к водородной применяется добавление этого газа в метан. Получившуюся смесь можно без радикальных изменений в существующем оборудовании использовать как газомоторное топливо, а также для отопления, приготовления пищи и выработки электричества. Топливные элементы подкупают своей простотой и высочайшим теоретическим КПД (более 90 процентов). Как концептуально, так и в изготовлении — их буквально можно сделать дома из доступных каждому материалов. Однако эффективность такого изделия будет весьма скромной. Для промышленного применения требуются дорогие катализаторы из металлов платиновой группы и немало труда исследователей, которые ищут оптимальную их конфигурацию. Массово производимые топливные элементы едва преодолели порог 60 процентов КПД и стоят очень дорого. Поэтому тепловые ДВС, пусть и неспособные преодолеть «проклятье цикла Карно» (даже в теории — не более 44 процентов КПД), все равно у них выигрывают. На фото: водородный топливный элемент из набора для образовательных игр выходной мощностью 0,27 ватта и стоимостью порядка 280 долларов / ©Horizon Educational Такое, безусловно, «половинчатое» решение лишь незначительно озеленяет промышленность, частично снижая ее углеродный след и выбросы других загрязнений в атмосферу. Тем не менее этот план неплохо сработает в том случае, если источник водорода сам по себе возобновляемый и не повышает содержание углекислого газа в природе. «Серо-буро-малиновый» водород Чтобы просто и легко различать водород по источнику энергии для его выработки или непосредственно техпроцессу, придумали схему цветового кодирования. По идее она должна сделать определение «экологичности» и «безуглеродности» энергоносителя удобнее, однако существующих и перспективных промышленных способов получения водорода довольно много. Так что в результате образовалась целая палитра. • Зеленый. Наиболее дружелюбный по отношению к окружающей среде, обладает самым незначительным углеродным следом (даже если считать выбросы в ходе производства оборудования). Водород в этом случае получают путем электролиза воды, а необходимую энергию поставляют возобновляемые источники — ветряки, солнечные панели, гидро-, приливные и геотермальные электростанции. Главная проблема такого водорода заключается в его высокой стоимости, из-за низкой эффективности электролиза (60-80 процентов), энергозатрат (на килограмм продукта нужно потратить порядка 50 киловатт-часов электричества) и дороговизны зеленых генераторов. На этот метод приходится меньше пяти процентов всего производимого водорода. Существенный плюс электролиза — на выходе получается газ без примесей, любые другие методы требуют дополнительной очистки. • Серый. Самый широко используемый метод получения водорода (свыше половины всех объемов в мире) — паровая конверсия (риформинг) метана. По сути, это первый этап процесса Габера—Боша. В результате атмосфера пополняется изрядными количествами углекислоты, а также метана и угарного газа (из-за утечек). Такой водород невероятно дешев, ни один другой метод не может соревноваться с ним по цене. Если применяется система улавливания углекислого газа (CCS) на выходе из установки, то получается голубой водород. Он чуть более дружелюбен к окружающей среде (улавливается примерно 60 процентов углекислого газа), но цена возрастает вдвое. • Черный и коричневый. Старейший и по-прежнему массовый (порядка трети от всех объемов в мире) способ промышленной выработки водорода — газификация угля. В результате получается синтез-газ (генераторный газ) — смесь монооксида углерода, водорода, углекислого газа, метана и водяного пара. Несмотря на меньшую продуктивность по водороду, чем в результате риформинга метана, газификация угля используется в тех регионах, где его в избытке. Процесс позволяет получать сразу несколько видов промежуточного сырья для химической промышленности, чем и удобен. • Бирюзовый. Один из самых многообещающих методов — пиролиз метана. Технологий множество, в лабораториях и на небольших производствах разные их вариации показали себя отлично. В ближайшие годы должен пройти проверку более крупными масштабами. Среди неоспоримых плюсов — практически отсутствующие выбросы парниковых газов и привлекательная расчетная стоимость. А углерод на выходе получается в твердой форме, так что его можно либо пустить на изготовление нанотрубок, либо продать (что повышает экономику процесса). Но большую часть все равно придется где-то захоронить, потому что при массовом производстве бирюзового водорода такие объемы технической сажи некуда девать. Зато твердую форму углерода прятать под землю проще, чем газ. • Оттенки красного (оранжевый, розовый, красный) — атомная энергетика, питающая электролизеры или установки термохимического разложения воды (этот вариант пока экспериментальный). • Желтый — получен путем электролиза с питанием от смешанных источников генерации (в некоторых вариантах классификации обязательно с преобладанием АЭС). • Без своего цвета — водород, получаемый как побочный продукт при производстве хлора, вырабатываемый из биомассы или с помощью ряда экспериментальных технологий. Это может показаться неочевидным, но для производства водорода в перспективе у всех остальных цветов однозначно выигрывает зеленый. Да, его себестоимость высока, но зато установки для электролиза могут быть компактными и мобильными. Их можно установить там, где водород необходим в качестве энергоносителя или накопителя энергии. А электричество брать из местных возобновляемых источников — ветряков или солнечных панелей. Таким образом сразу нивелируются расходы на транспортировку водорода, которые существенно увеличивают его цену для потребителя. На фото: контейнерные электролизеры, питающиеся электричеством от ветряков / ©MAN Energy Solytions, H-TEC SYSTEMS Комментируя перспективы методов производства водорода, генеральный директор ООО «Водородные технологии» АФК «Система», научный руководитель ЦК НТИ при ИПХФ РАН Юрий Анатольевич Добровольский отметил важный нюанс: — При взгляде на среднюю себестоимость производства водорода тем или иным способом важно учитывать, что это не окончательный ценник для потребителя. Очистка, хранение и транспортировка поднимают цену, как минимум, вдвое, а то и вчетверо. Поэтому кажущийся самым дорогим электролиз запросто может быть наиболее выгодным, если он используется прямо рядом с потребителями от местного источника электроэнергии. Промышленные процессы — паровая конверсия с улавливанием углекислого газа (голубой) и пиролиз (бирюзовый) — не могут «переехать» в каждый удаленный район или автобусный парк, а электролизер там установить можно. Кроме того, при выборе доминирующего метода получения водорода в экономике все зависит от целеполагания. Если приоритет — экология, то любой подходящий по местным условиям метод, кроме серого, черного и коричневого, приемлем. Потому что они позволят радикально снизить нагрузку на окружающую среду от транспорта и промышленности. Что касается долгосрочного планирования (то есть, борьбы с глобальным потеплением), то необходимо минимизировать добычу и использование полезных ископаемых (при этом все равно будут выделяться парниковые газы), и электролиз становится пока безальтернативным. Получается, что основой безуглеродной экономики может стать далеко не любой водород, а только зеленый, бирюзовый и, возможно, какой-то из красных. При этом важно учитывать, что он всегда будет вторичным энергоносителем, то есть переносить меньше энергии, чем было потрачено на его получение. Следовательно, вся промышленность и сфера потребления энергии должны стать гораздо эффективнее. К тому же придется радикально нарастить выработку электричества, чтобы покрыть те нужды, которые прежде закрывались углеводородами напрямую, в первую очередь выработку тепла. [shesht-info-block number=3] Ложка дегтя в бочке светлого будущего Но проблемы с водородом на его статусе вторичного энергоносителя не заканчиваются. Химические свойства самого распространенного во вселенной и легчайшего элемента превращают в настоящий кошмар его транспортировку и хранение. По этой самой причине, кстати говоря, почти весь используемый в современной промышленности водород производится прямо на месте потребления (фактически — в той же установке, где используется). А его носителем чаще всего выступает природный газ, он же метан. Перво-наперво водород взрыво- и пожароопасен. Он легко улетучивается через мельчайшие трещины и прорехи в уплотнениях. Иногда просачивается через кристаллическую решетку материалов. Такие утечки без специального оборудования (газоанализаторов) обнаружить практически невозможно. Водород не имеет цвета и запаха, а горит невидимым пламенем, которое может приобрести окрас только в случае попадания в него посторонних примесей. Добавить одорант, как в случае с метаном, чтобы утечку можно было банально унюхать, на практике можно далеко не всегда. Любые загрязнения водорода приводят к отравлению катализаторов топливных элементов или тех промышленных установок, где он используется. Создание отдельной водородной инфраструктуры для его хранения и транспортировки потребует существенных затрат, поскольку для работы с ним подходят далеко не все материалы: многие металлы в присутствии этого газа могут разрушаться, явление известно как «водородное охрупчивание». А требования к уплотнителям, вентилям и предохранительным клапанам жестче, чем для природного газа. Наконец, из-за наиболее низкой плотности водорода среди всех газов для его транспортировки нужно больше энергозатрат на сжатие или сжижение. Это решаемые инженерные задачи, но их необходимо учитывать. Отдельная история — термоядерная энергетика, которая тоже основана на водороде, а точнее на его изотопах дейтерии и тритии. Исследования в этой области, безусловно, критически важны для современной физики и двигают прогресс. Но насчет практического использования управляемого термоядерного синтеза для выработки тепла и электричества оптимизм тает с каждым десятилетием все больше и больше. Слишком сложная затея оказалась, при этом еще и с не самыми ясными перспективами эффективности. На фото: горящая плазма в корейском токамаке KSTAR, наиболее яркие области — самые холодные, при температуре около 150 миллионов градусов плазма не излучает свет в видимом диапазоне / ©National Fusion Research Institute Реальные перспективы Самая высокая удельная энергия среди всех энергоносителей, доступных человечеству в промышленных масштабах, безусловно, делает водород очень привлекательным. Его сравнительно легко использовать в качестве накопителя энергии, а также производить с использованием возобновляемых источников энергии. Дальнейшее развитие экономики, как Naked Science уже отмечал в материале, посвященном накопителям энергии, невозможно без радикального повышения эффективности энергетики и промышленности. Мир неуклонно движется в сторону все более глубокой переработки ресурсов, рециклинга и более полного использования первичной энергии. Параллельно с этим развиваются высокотехнологичные отрасли. Все это — сферы, где водород обязательно найдет себе место или уже давно нашел и его роль только увеличивается. [shesht-info-block number=4] Но у водорода есть серьезные минусы, обусловленные его физическими и химическими свойствами. На пути хотя бы к частичному замещению углеводородов в качестве энергоносителей водород можно сделать зеленым — необходимые технологии разрабатываются, и даже сравнительно дешевым, если эти технологии станут широко используемыми. Но по себестоимости в масштабах всей экономики водород будет неизбежно проигрывать метану. Потому что он — вторичный энергоноситель и не может запасать больше энергии, чем было потрачено на его получение (по крайней мере, пока), особенно с учетом затрат на добычу первичной энергии (газа для пиролиза метана). Зато по сравнению с природным газом водород способен удобно накапливать энергию, синтезировать метан сложнее. Данный материал был подготовлен совместно с просветительским проектом Homo Science. На данной онлайн-платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки в доступной и увлекательной форме рассказывают об «атомных» темах в разрезе таких наук как физика, химия, информационные технологии, медицина, математика, а также биология. Рекомендуем следить и там за новостями. Реклама: Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344.

Чем отличается аккумулятор от накопителя энергии и зачем нам вообще ее хранить

info@naked-science.ru (Naked Science) — Sun, 27 Nov 2022 11:24:41 +0000

Всякий раз, как люди осваивали способы качественно нового обращения с энергией, происходила техническая революция. На пути к современной цивилизации мы последовательно научились сначала использовать энергию в том же виде, в котором получили, затем — смогли превращать ее в работу, а потом и транспортировать. Совсем недавно — по историческим меркам — появились широко применимые технологии накопления энергии. Связанные с ними технологические и социальные изменения только начались и в дальнейшем будут все масштабнее. Чтобы не пересказывать учебник по физике целыми параграфами, для целей этого текста определим понятие энергии следующим образом: это измеримая величина, характеризующая максимальное количество работы, которое может выполнить тело или система. Энергию нельзя создать или уничтожить (согласно закону сохранения энергии), только передать между телами либо конвертировать из одной формы в другую. Количество энергии во Вселенной конечно, а ее полное использование невозможно — часть все равно будет рассеяна из-за неизбежности потерь при выполнении любой работы (это энтропия). Чудо превращения Для Земли в целом источником энергии служит Солнце, выделяющее эту самую энергию в форме электромагнитного излучения. Излучение согревает все живое, а также используется фотосинтезирующими организмами для превращения неорганических веществ в органику. Последняя, в свою очередь, становится основой всей пищевой цепочки, которая с физической точки зрения представляет собой череду преобразований энергии. Люди пошли дальше и научились не только утолять голод, но и повышать эффективность своей жизнедеятельности. То есть более полно использовать доступную энергию, что и определило облик современной цивилизации. Началось это свыше миллиона лет назад — существуют надежные свидетельства того, что к этому моменту представители нашего с вами рода Homo уже умели пользоваться как минимум природными очагами возгораний. А 400 тысяч лет назад кострища встречались на стоянках древних людей по всему миру. До второго-третьего тысячелетия до наступления нашей эры, дрова (гораздо реже — уголь, торф и экскременты животных) оставались единственным доступным людям первичным источником энергии. Затем почти одновременно мы обуздали воду и ветер с помощью соответствующих мельниц. Позднее к ним добавились другие горючие полезные ископаемые — нефть и газ. Лишь с конца XIX века люди начали осваивать геотермальную, атомную и солнечную энергию / ©Mansell Collection, TimeLife Дрова стали первым доступным человечеству первичным источником энергии. Этот термин особенно важен — так называется любая форма энергии, которая еще не была преобразована или использована для выполнения работы. В этом случае первичная энергия применялась практически в неизменном виде (с минимальным числом преобразований): горючее превращалось в тепло, которое использовалось для обогрева, приготовления пищи, а также обработки инструментов. Это очень примитивные способы освоения энергии свыше тех ее форм, что доступны при естественных процессах. Но даже они позволили нашим предкам стать самыми успешными млекопитающими на Земле и во многом подстегнули их эволюцию. [shesht-info-block number=1] Тепловые машины До конца XVII века человек мог выполнять полезную работу либо сам, либо использовать животных. Превращать энергию в работу получалось крайне ограниченно — лишь с помощью ветряных или водяных мельниц. Но их сфера применения была крайне узкой либо из-за территориальной привязки к реке, либо вследствие непостоянства погоды. Поэтому первичная энергия, за исключением гидро- и ветровой, использовалась исключительно в виде тепла. Все изменилось в 1712 году, когда английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen) довел наконец свою пароатмосферную машину до более-менее товарного вида. Простое по конструкции устройство позволяло откачивать воду из шахт, что навсегда изменило горнодобывающую отрасль: появилась возможность осваивать ранее недоступные выработки. Последующие усовершенствования шотландским инженером Джеймсом Уаттом (James Watt) привели к созданию парового двигателя двойного действия. Это, в свою очередь, послужило толчком к началу промышленной революции, поэтому имя легендарного ученого и увековечили в названии единицы мощности — ватте. После массового внедрения паровых машин производительность труда в промышленности возросла на порядки. Это привело к индустриализации, которая стала причиной радикального изменения социально-экономического уклада по всему миру — всё благодаря изобретению широко применимого способа превращения энергии в работу. https://www.youtube.com/watch?v=psenEr9C4Bk Современная модель эолипила — судя по всему, первого в истории парового двигателя. Придумали его в период между 30 годом до нашей эры и 70 годом нашей эры, чаще всего изобретение приписывается Герону (отсюда и более распространенное название «Геронов шар»). Практического применения не имел. Задолго до XVII века существовали различные механизмы, приводимые в движение за счет использования пара или продуктов горения. Но это были либо игрушки, либо демонстраторы новаторских идей, либо примитивные виды оружия / ©Pete Devrell, Wikimedia Электричество Оставалась одна проблема: источник первичной энергии не мог находиться далеко от места выполнения работы, потому что ее не умели транспортировать. Следовательно, тепло необходимо конвертировать в промежуточную форму энергии (вторичную), которую можно передавать на расстояния, а также легко превращать в полезное действие там, где требуется. Задачу решили электромоторы и генераторы, промышленные образцы которых удалось создать в самом конце XIX века. Электрификация до невероятных высот подняла эффективность человеческой деятельности в масштабах всей планеты. Во-первых, она устранила ограничение светового дня: до появления «фонарей Эдисона» любая работа либо делалась в светлое время суток, либо была сопряжена с немалым риском пожара или даже взрыва (на шахтах, мельницах и мануфактурах). Во-вторых, эффективность тепловых машин тем выше, чем они крупнее: потери на трение и переизлучение тепла растут линейно, а рабочий объем (следовательно, количество переходящего в работу тепла) увеличивается пропорционально кубу размеров. Множество небольших паровых двигателей (на каждое предприятие или станок) всегда будет менее эффективным, чем один крупный, равный их суммарной мощности. То есть выгоднее вырабатывать вторичную энергию (электричество) на мощном генераторе и транспортировать ее до потребителей. [shesht-info-block number=2] Запас на черный день, час, секунду Сегодня человечество фактически достигло максимума эффективности в производстве первичной энергии, ее конвертации в электричество и дальнейшей транспортировке. Какие-то улучшения, наверное, возможны, и новые способы генерации появятся, но революционных скачков ждать не стоит даже от термоядерной энергетики. Основное поле деятельности для повышения эффективности энергосистем — распределение нагрузки и ее балансировка. Именно поэтому накопители энергии в ближайшие десятилетия имеют все шансы стать ключевым классом технологий для развития экономики в целом и промышленности в частности. До индустриализации человечество массово использовало только один вид накопителей энергии — гончарный круг. Это маховик (кинетический накопитель энергии), приводимый в движение короткими применениями силы (толчки рукой или качание рычага ногой) и равномерно выполняющий работу на протяжении более длительного времени. Иными словами, он не только запасает энергию, но и переносит во времени — позволяет тратить ее дольше и позднее, чем она накапливалась. Долгое время даже после промышленной революции эти два свойства не были особенно нужны энергосистемам. Как только появились электросети масштаба городов, балансировка нагрузки в них легла на резервные мощности — их просто включали по мере необходимости. Да, такие электростанции менее эффективны, но и работать им постоянно не нужно. А равномерность характеристик тока и поставляемой мощности в значительной степени обеспечивалась размерами энергосети за счет ее большой емкости. Колебания напряжения и частоты из-за быстрых изменений нагрузки были допустимы для подавляющего большинства потребителей. Бестопочные паровозы — почти забытый, но тем не менее отличный пример примитивного и применявшегося более ста лет накопителя энергии. Принцип их работы прост и надежен: вполне обычное шасси паровоза приводится в действие паром, который произведен не в собственной топке, а где-то еще. Запас перегретого пара содержится в огромном баке, который расположен на месте котла. Активно применялись с 1870-х по середину XX века на объектах, где нужен пожаробезопасный локомотив. А в редких случаях используются и сейчас, если на предприятии есть избыток пара. В этом случае они оказываются даже выгоднее дизельных. На фото — бестопочный паровоз Krupp еще довоенного производства исправно работает в ходе современной демонстрации (2011 год) / ©Arnoldius, Wikimedia Для питания транспорта и прочих нужд вне основной энергосистемы удобным оказалось углеводородное топливо — в широком смысле, тоже накопитель энергии. Ведь его вырабатывают из источника первичной энергии, а также с ее затратами. Но экологические проблемы и конечность ископаемых ресурсов в скором времени поставит на них крест. По тем же причинам изменяется и структура генерирующих мощностей — все большая часть первичной энергии берется из возобновляемых источников. А они отличаются зависимостью от прихотей природы, и при их использовании важность резервных (пиковых) электростанций только возрастает. Скорее даже накопителей энергии, потому что, пиковая генерация, в среднем, «грязнее» и менее эффективна, чем базовая. Что такое накопители и какие они бывают Для инженера или физика понятия аккумулятора и накопителя энергии тождественны — это любое устройство (инженерное сооружение), позволяющее запасать энергию в той или иной форме. Поскольку форм энергии великое множество, способы ее запасать тоже весьма разнообразны и классифицировать их непросто. Можно за основу взять наличие или отсутствие преобразований энергии в самом накопителе. Тогда мы могли бы условно разделить все аккумуляторы на два класса: • с внешним преобразованием энергии — кинетические (маховики), тепловые, гравитационные (поднятый груз), гидравлические;• и с внутренним — обратимые электрохимические батареи (электрические аккумуляторы). Различие между ними в том, что первые способны напрямую выполнять механическую работу за счет запасенной энергии, а вторые выдают электричество или тепло, которые еще нужно преобразовать в полезное действие. Тем не менее такое разделение интересно исключительно в теоретических целях, а на практике определяющими являются конкретные параметры аккумуляторов. Вот самые среди них важные: плотность энергии, удельная энергия (гравиметрическая плотность энергии), скорость накопления и отдачи (заряда и разряда), удельная и максимальная выходная мощности, доступность компонентов (себестоимость), эффективность (КПД преобразований), долговечность и скорость саморазряда (потери энергии). Для простоты рассмотрим основные классы накопителей энергии, сравнивая их только по соотношению времени ее хранения и доступной емкости. Сравнение основных классов технологий накопления энергии по энергоемкости (нижняя шкала), доступному времени отдачи заряда (левая шкала) и сроку эффективного хранения энергии (правая шкала). Голубая область (Flywheel) — маховики, салатовая — химические аккумуляторы, серо-голубая (CAES) — сжатый воздух, синяя (PHES) — гидроаккумулирующая электростанция, светло-голубая (P2G) — выработка водорода в качестве вторичного энергоносителя, зеленая (P2G) — то же самое для метана / ©https://doi.org/10.1039/C9SE00689C Диаграмма Рагони, показывающая соотношение удельной мощности и удельной энергии для разных технологий электрических накопителей энергии / ©Cap-X Надежно, эффективно, оперативно и просто, но недолго Уже знакомые нам по гончарному кругу маховики, если выполнены на современном технологическом уровне — невероятно эффективны (КПД до 95-97%). По сравнению с прочими решениями для накопления энергии, они отличаются простотой конструкции, долговечностью и надежностью. Из минусов стоит отметить их высокую опасность при разрушении. Вероятность такого события очень мала, но оно чревато катастрофой. Частично проблему решают супермаховики — их изготавливают не из монолитного материала, а намоткой металлических или композитных лент. При разрушении они расслаиваются и тормозят сами себя о стенки кожуха. В середине XX века маховики пробовали использовать на транспорте, но успехом затея не увенчалась. Гироскопический момент от тела вращения затруднял управление такой машиной, а его большой вес и малый запас хода поставили крест на массовом использовании технологии. Некоторый потенциал у маховиков есть только на железнодорожном транспорте, где колебания и вибрации во время движения меньше, поэтому и потери в результате трения на подвесе и гироскопическом эффекте меньше. Зато в качестве накопителей энергии для электросетей маховики показали себя отлично. Они позволяют запасать на периоды порядка часа десятки или сотни киловатт-часов электричества (есть проекты мегаваттного класса). Современные решения используют керамические или магнитные подшипники в подвесе, композитные материалы для тела вращения и разгоняют его до нескольких десятков тысяч оборотов внутри вакуумной камеры. Удельная энергоемкость коммерческих маховичных накопителей варьируется в пределах 10-20 ватт-часов на килограмм веса конструкции (хотя теоретический максимум на порядок выше). Это обусловлено необходимостью снабжать такое устройство массивным корпусом, который должен защитить окружающих на случай разрушения. Тем не менее для энергетической инфраструктуры этот недостаток не существенен и с лихвой компенсируется скоростью накопления полной емкости (минуты) и длительным сроком эксплуатации (десятилетия без обслуживания). Коммерческий гибридный накопитель энергии ABB S4 Energy KINEXT с шестью маховиками и литиевой батареей суммарной емкостью 9 мегаватт-часов / ©ABB Строго электрическая альтернатива У маховика есть аналог среди электронных компонентов — электрический конденсатор. С точки зрения строгой классификации только их можно назвать истинными накопителями энергии в форме электричества. Потому что в отличие от химических источников тока (о которых далее), в конденсаторах не происходит преобразования энергии из одного вида в другой. Она хранится в виде электрического поля за счет поляризации диэлектрика, разделяющего катод с анодом. Конденсаторы незаменимы в современной технике, но в качестве долговременных накопителей их используют редко. Виной всему низкая удельная емкость и высокая стоимость в пересчете на киловатт-час запасаемой энергии. Если абстрагироваться от недостатков, достоинства конденсаторов впечатляют: крайне быстрые зарядка и разрядка (считанные секунды даже для большой емкости), высокая выходная мощность и предельная простота конструкции, а также большой ресурс. Некоторые перспективы есть у суперконденсаторов — от «обычных» они отличаются конструкцией, оптимизированной под емкость в ущерб максимальному напряжению (следовательно и выходной мощности). Иногда суперконденсаторы объединяют в одном корпусе с электрохимической батареей, как это сделано в одной австралийской разработке. Теоретически она воплощает в себе все плюсы свинцово-кислотного аккумулятора и суперконденсатора, частично нивелируя их недостатки. Долговечность и пиковая отдаваемая мощность батареи возрастает, а также сохраняется высокая удельная емкость. [shesht-info-block number=3] Бесконечное разнообразие ХИТов Химические источники тока (ХИТ) — наиболее часто встречающийся в быту тип накопителей энергии. Они бывают одноразовыми (первичные) и перезаряжаемыми (вторичные). Разница между ними в том, что используемые для накопления энергии химические реакции могут быть либо легко обратимыми, либо нет. Принципиально любой ХИТ представляет собой одну или несколько (тогда это уже батарея) электрохимических ячеек: катод с анодом (электроды), пространство между которыми заполнено электролитом (источник носителей заряда — ионов). Электроды помещаются каждый в свою часть ячейки и разделяются мембраной, которая пропускает только ионы (простейший гальванический элемент мембраны не требует). При разряде ячейки работают, как гальванические, то есть вещество катода присоединяет электроны от атомов электролита (окисляет), а вещество анода восстанавливается (отдает электроны). Когда идет зарядка, происходит электролиз и химическая реакция обращается. Свойства ХИТов напрямую зависят от выбора материалов электродов и электролита, чем и обусловлено невероятное их разнообразие. Старейший тип широко используемых электрических аккумуляторов — свинцово-кислотные (АКБ). В них пары электродов – один из свинца, другой – из оксида свинца) погружены в раствор серной кислоты и разделены сепаратором. Если подключить такую ячейку к нагрузке, свинец начнет окисляться до сульфата свинца, а диоксид свинца — восстанавливаться до того же соединения. За полтора века в эту конструкцию вносилось множество усовершенствований, но принципиальных изменений не было. Главные достоинства АКБ — высокая выходная мощность и дешевизна, а недостатки — малая удельная емкость и токсичность. Схема простейшей электрохимической ячейки. Вместо ионообменной мембраны используется мостик из соли / ©Nandalal Sarkar, Shutterstock Второй распространенный тип электрических аккумуляторов — с катодом на базе метагидроксида никеля (NiO(OH)) и щелочным электролитом. Для анода могут использоваться кадмий, железо или сложный сплав с высокой способностью к присоединению водорода (металл-гидрид). По энергетической плотности такие батареи значительно превосходят свинцово-кислотные, но и цена выше. Кроме того, с токсичностью все не лучше (кадмий — яд), а начиная с середины 2000-х по экологическим соображениям используются только металл-гидридные варианты (NiMH). Наконец, главный хит последних десятилетий — литий, ставший основой широчайшего класса электрических аккумуляторов. Он используется в составе как анода, так и катода, а также электролита (в виде солей). Разнообразие применяемых соединений этого металла столь велико, что даже в общих чертах их описать довольно трудно — литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) разных типов, кроме лития в составе, имеют между собой мало общего. А их параметры отличаются в очень широких пределах. Наиболее эффективные варианты достигают энергетической плотности свыше 200 ватт-часов на килограмм массы (есть экспериментальные разработки в разы больше), что как минимум вдвое выше, чем у NiMH аккумуляторов. Прочие параметры литиевых батарей либо сопоставимы, либо превышают таковые у других широко используемых типов электрических аккумуляторов. В результате Li-ion стал современным стандартом де-факто в портативной технике, транспорте и даже небольших энергосетях. Прорабатываются проекты накопителей емкостью вплоть до единиц мегаватт-часов, однако на текущем уровне экономический смысл имеют решения до нескольких десятков киловатт-часов емкости (автомобили, частные дома). Благодаря совокупности своих характеристик литиевые аккумуляторы завоевали высокую популярность в потребительской электронике. Это привело к массовому производству и совершенствованию технологий, следствием чего стало существенное удешевление таких батарей. Созданы и ограниченно применяются в некоторых сферах еще несколько типов электрических аккумуляторов. Они отличаются какой-либо одной характеристикой в качестве преимущества, но проигрывают литиевым, никелевым или кислотным по остальным параметрам. Например, воздушно-цинковые батареи могут иметь рекордную удельную энергоемкость, но при этом недолговечны, сравнительно дороги и неэффективны (большие потери при заряде и разряде). Существует огромное множество экспериментальных или однажды опробованных и отброшенных комбинаций химических реакций. Какие-то из них имеют шансы на успех в будущем, какие-то бесперспективны из-за выявленных критических недостатков (токсичность компонентов, взрывоопасность или дороговизна). https://www.youtube.com/watch?v=zB8_HbrxUi8 Ода производству литиевых ячеек для аккумуляторов электромобилей / ©Tesla Отдельная история — топливные элементы. Они устроены похожим на гальваническую ячейку образом, только катод и анод состоят из катализаторов, а в токообразующую реакцию вступают расходуемые вещества. Чаще всего это водород (либо в чистом виде, либо в составе соединений, например, метанола) и кислород. Фактически, в топливных элементах происходит реакция аналогичная горению, только с меньшим выходом тепла, от которой напрямую отбираются электроны. Теоретическая эффективность стремится к идеальной, но на практике КПД больше 60% получить крайне трудно. А с учетом потерь на выработку промежуточного энергоносителя эффективность становится еще менее привлекательной. Похожая на топливные элементы, но по принципу аналогичная электрохимическим аккумуляторам технология — проточные редокс-батареи (ПРБ). О них для Naked Science рассказывает специалист по ПРБ Михаил Петов, заведующий лаборатории электроактивных материалов и химических источников тока РХТУ им. Д.И. Менделеева: «Главная идея ПРБ — разделение в пространстве частей батареи, отвечающих за емкость и мощность. В роли первых выступают два бака с электролитами, а за мощность отвечает основной корпус проточной батареи (разрядная ячейка). Оба электролита непрерывно прокачиваются насосами через разрядную ячейку, при этом не смешиваются друг с другом, а проходят каждый через свою полуячейку, где окисляются или восстанавливаются на поверхности электродов. Все предельно похоже на классический H2/O2 топливный элемент, но есть одно отличие. ПРБ — это аккумулятор, то есть реакции, протекающие с его электролитами, можно повернуть вспять (либо просто поменять жидкости в баках на предварительно заряженные). Говоря о плюсах и минусах ПРБ, надо сразу сказать, что это достаточно нишевая штука, которая подходит по разным оценкам лучше всего для долгосрочного хранения больших запасов энергии. При маленьких мощностях или емкостях ПРБ слишком дорого — ведь им нужны насосы и арматура, и в телефон такую штуку явно не засунешь. К тому же у них достаточно маленькая удельная мощность и удельная емкость даже при масштабировании до больших единиц. Зато ванадиевые ПРБ (электролит из сернокислых растворов солей ванадия), которые сейчас доминируют на рынке, могут выдержать до 100 тысяч циклов заряда и разряда. А сам электролит для них иногда отдают в лизинг, потому что фактически с ним ничего особенно не происходит во время работы. Второй плюс — очень низкий саморазряд. ПРБ можно зарядить и оставить на много месяцев в заряженном состоянии. Еще ПРБ не пожароопасны и не взрывоопасны, в них меньше токсичных компонентов, которые надо утилизировать. Поэтому они могут найти свое место и уже находят в качестве больших накопителей энергии — например, резервных источников питания на разных производствах. Или в энергосетях, где им прочат большое будущее для балансировки выработки ветряков или солнечных панелей». [shesht-info-block number=4] Снова воздух, земля и вода Вышеперечисленные способы сохранения энергии хороши на небольших масштабах. По экономическим или технологическим причинами емкость накопителей на их основе достигает максимум единиц мегаватт, а время хранения — часов или дней. Даже электрохимические батареи, пусть и способные удерживать заряд месяцами, в крупных системах оказываются невыгодными. Их саморазряд в процент-два за неделю серьезно подрывает экономику. Для промышленных предприятий и целых городов требуется что-нибудь совсем другое. Давно опробованное решение — гравитационный аккумулятор, использующий в качестве рабочего тела воду. Во время избытка энергии в электросети (вне пиков потребления) находящееся на возвышенности водохранилище пополняется насосами из расположенного ниже бассейна. Когда требуется сбалансировать возросшую нагрузку на сеть, эта же вода, спускаясь вниз, вырабатывает электричество аналогично обычной ГЭС. Эффективность достигает 70% или даже немного выше, а простота конструкции позволяла строить такие аккумуляторы еще в начале XX века. Единственный минус — огромные капитальные затраты для введения в эксплуатацию, из-за чего экономический смысл гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) имеет при необходимости запасать не менее чем гигаватт-часы энергии. Среди положительных качеств ГАЭС стоит отметить возможность хранить энергию месяцами или даже более года при достаточном размере накопительного бассейна. Естественно, строить такие аккумуляторы получится не везде — необходим существенный перепад высот. Всего в мире работает около полутысячи гидроаккумулирующих электростанций, часть из них также выполняют задачи балансировки водоснабжения прилегающих территорий — это дополнительно повышает экономическую выгоду объекта. С точки зрения физики ничто не мешает заменить воду любым грузом и просто поднимать-опускать его. Такие проекты существуют и, возможно, получат некоторое распространение в будущем. Их эффективность и теоретическая мощность ниже, зато они применимы для создания гравитационных хранилищ энергии меньших размеров (и с экологической точки зрения они часто более приемлемы). Круонисская ГАЭС, Литва / ©Shimatonis, Wikimedia Вместо подъема объектов вверх запасать энергию можно сжатием пружины или газа. Первый вариант давно опробован в часах и других заводных механизмах, а в промышленности последние десятилетия активно развивается второй. Подобные накопители энергии еще проще, чем ГАЭС или маховики. Главный недостаток таких накопителей заключается в необходимости отводить большое количество тепла, которое образуется при сжатии газов. В результате потери могут достигать 30%. Более того, расширяясь, газы остывают — и для максимальной эффективности необходимо добавлять в систему тепловой аккумулятор. На цикле сжатия газа в основном накопителе выработанное тепло отводится в расплав солей, а при отдаче энергии возвращается обратно, чтобы устранить переохлаждение рабочего тела. Вместо баллонов могут использоваться естественные или искусственные пустоты в породах. Альтернативный вариант — подводные пневматические аккумуляторы. Их преимущество в постоянном давлении внутри гибкого баллона (перепады температуры минимальны), поскольку вытеснение рабочего тела происходит за счет массы воды, в толще которой он находится. Накопители на сжатом газе наиболее выгодны экономически при емкости от единиц мегаватт-часов до единиц гигаватт-часов. Повторение за природой Дальнейшее увеличение запасаемых объемов энергии свыше нескольких гигаватт-часов в одном накопителе наталкивается на практически непреодолимые технические трудности. Следовательно, необходимы иные решения — и они существовали задолго до появления человека на Земле. Речь о природных процессах, результатом которых стали залежи углеводородных полезных ископаемых: угля, нефти, природного газа. Электричество можно использовать для повторения этой механики. Например, проводя электролиз воды и запасая получившийся водород или связывая его с углеродом (на выходе получаем метан). То есть в роли накопителя энергии выступит синтезированный энергоноситель, который можно использовать как горючее, либо в топливных элементах. Экономическая эффективность таких процессов зависит от используемых во всей цепочке производства, транспортировки и потребления энергоносителя технологий. Даже незначительные изменения КПД на каждом этапе вносят существенный вклад в общую привлекательность проекта. На текущем инженерном и научном уровне использование водорода вызывает большие вопросы. При прямом сравнении с электрическими аккумуляторами он проигрывает и по себестоимости киловатт-часа и по доле первичной энергии, доступной для выполнения полезной работы после всех преобразований. Кроме того, с хранением и транспортировкой водорода связан целый спектр проблем. Сравнение потерь первичной энергии при использовании электрических батарей и водорода в качестве накопителей. На каждом этапе показан остаток от 100 киловатт-часов исходно выработанного электричества после всех преобразований. Для водорода есть два пути — через сжатие газа для хранения (compression) и сжижение (liquefication), в первом случае потери меньше / ©DOI:10.1109/JPROC.2006.883715 Существует альтернативный путь — производство синтетических углеводородов (в первую очередь — метана) или запасание водорода в форме аммиака. У каждого из них есть ограничения и минусы, включая низкую удельную эффективность. Главный плюс метана, как накопителя (опционально — в смеси с чистым водородом) — этот газ сразу можно использовать в существующих тепловых электростанциях или на ДВС-транспорте с минимальными доработками. А еще он легко хранится сколь угодно продолжительное время. Но при этом от первичной энергии в итоге на работу удастся потратить не более 30%, а энергосистема становится менее углеродно-положительной. Аммиак, в свою очередь, устраняет почти все трудности, связанные с хранением и транспортировкой чистого водорода, и к тому же запасает его с гораздо большей удельной плотностью. Но при этом и создает свои уникальные проблемы — он токсичен и вызывает коррозию. И многие, многие другие В силу ограничений по объему материала Naked Science был вынужден обойти вниманием целые классы накопителей, которые активно разрабатываются или уже применяются. Например, тепловые аккумуляторы — как следует из названия, они запасают энергию в форме тепла. Если рассматривать вопрос максимально широко, в роли аккумулятора может выступать любой химический или физический процесс, если он обратим. Именно поэтому существует так много разных технологий в этой области. Какие из них получат распространение, а какие канут в лету — покажет время, причем самое ближайшее. [shesht-info-block number=5] Развитие современной энергетики идет по пути повышения ее эффективности. Более полное использование первичной энергии ограничено термодинамикой, и рост КПД генерирующих мощностей на единицы процентов — уже победа. Потери на транспортировку энергии и так невелики, а снизить их до нуля физически невозможно. Остаются способы «перемещения энергии во времени» — методы ее накопления. Поиск таких методов станет особенно актуальным при дальнейшем росте доли возобновляемых источников энергии в общей первичной генерации — ведь чем больше нестабильности в генерации, чем больше в ней «пиков» и «провалов», тем более важную роль будут играть разнообразные накопители, позволяющие их сгладить. Данный материал был подготовлен совместно с просветительским проектом Homo Science. На данной онлайн-платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки в доступной и увлекательной форме рассказывают об «атомных» темах в разрезе таких наук как физика, химия, информационные технологии, медицина, математика, а также биология. Рекомендуем следить и там за новостями. Реклама: Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344.

Рециклинг в атомной отрасли: от «хвостов» до быстрых реакторов

info@naked-science.ru (Naked Science) — Thu, 24 Nov 2022 08:50:00 +0000

Главный тренд современности — экологически безопасное долгосрочное развитие во всех сферах: от повседневной жизни до тяжелой промышленности. Главная цель — сократить загрязнение планеты и впредь поддерживать баланс, грамотно используя ее ресурсы. В зарубежной литературе этот переход проходит под лозунгом «трех R»: Reduce. Reuse. Recycle — сокращение отходов, многократное использование и переработка. Ошибочно думать, что это касается только обывателей вроде нас с вами. Крупные компании тоже стараются следовать этим принципам, но совсем в другом масштабе. Стоит кого-нибудь спросить, какие отходы самые опасные, и собеседник, скорее всего, ответит, что радиоактивные. Несомненно, при неправильном обращении и хранении радиоактивные отходы опасны. Но при правильном подходе ядерная энергетика — это чистая энергетика, а «отходы» — подходящий ресурс для производства нового топлива. Именно о такой «переработке» в атомной отрасли, или «рециклинге» и пойдет речь в нашем материале. Рециклинг — обращение с с регенерированными ядерными материалами, при котором они очищаются и используются повторно, либо возвращаются в производственный цикл. Стеклянные бутылки и банки отмываются, а пластик и бумага измельчаются для производства нового пластика и бумаги. Рециклинг — разновидность переработки. С помощью специалистов топливной компании «ТВЭЛ» Naked Science разобрался в реализуемых сегодня жизненных циклах ядерного топлива: открытом цикле, французской модели, двухкомпонентной энергетике, закрытом ядерном топливном цикле, утилизации радиоактивных отходов и использовании «урановых хвостов». Производство топлива «Жизнь» топлива для атомных электростанций начинается с добычи урана. Уран — самый тяжелый химический элемент из тех, что встречаются на Земле в природе. Конечно, не в чистом виде, а в составе руд и минералов. В результате переработки получают чистый уран, который все же не подходит для производства топлива — он слишком «бедный». Самый распространенный в природе изотоп урана — уран-238. На него приходится 99,3% всего урана. Для энергетики же ценны оставшиеся 0,7% — уран-235. Именно он является основным делящимся материалом в ядерном топливе для «обычных» тепловых АЭС. Проблема в том, что для работы АЭС содержание «полезного» урана-235 в топливе должно составлять до 5%, а не 0,73%, как в среднем в естественных условиях. Нужное процентное содержание получают на этапе обогащения. [shesht-info-block number=1] Добытый природный уран отправляют на конверсию: из твердого состояния в газообразное. На выходе получают газообразный гексафторид урана. В газообразном состоянии его отправляют в центрифугу и раскручивают: более легкий уран-235 «прилипает» к оси, а тяжелый уран-238 оказывается на периферии. В результате выделяют немного обогащенного до 5% гексафторида урана, из которого и делают топливо. Все остальное — «хвосты», обедненный гексафторид урана (ОГФУ) с содержанием урана-235 около 0,25%. Возможности Росатома по обогащению урана держатся в тайне. Граница в 5% — принятая для энергетических реакторов. Для АЭС обычно обогащают до 4,7-4,9%, все зависит от стоимости урана и услуг по обогащению, а также конкретного топливного цикла АЭС. И тут стоит упомянуть, что Россия — лидер в центрифужном обогащении. Так называемые «хвосты», ОГФУ, получаются бедными на уран-235, но и им нашли применение. Но об этом позже, пока вернемся к производству топлива. На следующем этапе — этапе фабрикации — из газа делают порошок и спекают в урановые таблетки. Таблетки запаиваются в циркониевые трубки с необходимыми заглушками и крепежными элементами — получаются тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Из ТВЭЛов собираются тепловыделяющие сборки (ТВС). Материалы и конструкция элементов и финальной сборки зависит от типа реактора. Операция спекания таблеток в печах BTU / ©НЗХК Готовые ТВС отправляются на атомные станции, где работают около пяти лет. С момента, как они покинули реактор, их уже называют отработавшим, или облученным ядерным топливом (ОЯТ). Еще пять лет отработавшее топливо остывает в бассейне выдержки на станции. Его дальнейший путь — главная тема этого материала. Отработавшее ядерное топливо может отправиться на захоронение, а может продолжить приносить пользу. Это зависит от выбранного топливного цикла. Открытый ядерный топливный цикл Самый простой вариант, активно использовавшийся в прошлом, — загрузка отработавшего топлива в контейнеры и отправка на хранение: либо до момента, как придумают, что с ним делать дальше, либо вообще навсегда. Один из видов «вечного» хранения — геологическое захоронение. Такие хранилища сейчас строятся в Швеции и Финляндии. Пока что отработавшее ядерное топливо копится в контейнерах, а когда строительство закончится, их перенесут в хранилища. Переработать другие страны его не могут — необходимые для этого технологии на сегодняшний день остались только у России и Франции (раньше еще были у Великобритании). [shesht-info-block number=3] Французская модель Во Франции отработавшее ядерное топливо отправляют на переработку: элементы и циркониевые оболочки распиливают, таблетки растворяют. Состав отработавшего ядерного топлива выглядит примерно так: уран (96%), плутоний (1,2%) и радиоактивные отходы. Основные составляющие отходов: «короткоживущая» цезий-стронциевая фракция (2%), минорные актиниды (0,5%) и прочие продукты деления (0,3%). Главное — остается много урана. Облученный уран называется регенератом. В нем, помимо «бесполезного» урана-238 и «полезного» урана-235 (2%) появляется еще и много других изотопов (232, 234, 236), которые будут мешать реакции. Для производства топлива уран очищают от четных изотопов и радиоактивных отходов, и дообогащают до необходимых 5%. Плутоний оставляют, поэтому топливо уже называется уран-плутониевым (у французов принято название МОКС-топливо). Такое топливо можно один раз отправить в реактор, правда, загрузив лишь на 30-50% активную зону реактора в добавление к обычному топливу. И всё — дальше только захоронение, потому что соотношение изотопов урана становится совсем неподходящим для переработки, а плутоний начинает слишком сильно фонить. Сборка каркаса тепловыделяющей сборки / ©НЗХК Главная проблема такой переработки — она не избавляет от объема опасных радиоактивных отходов: «короткоживущей» цезий-стронциевой фракции и минорных актинидов (америций, нептуний, кюрий и другие). Последние представляют наибольшую опасность, потому что период их полураспада — тысячи лет. Однако в России умеют от них избавляться — с помощью реакторов на быстрых нейтронах. Двухкомпонентная модель и радиоактивные отходы Реакторы на быстрых нейтронах — наследие огромной работы, проделанной советскими учеными. В экспериментальном масштабе их разработкой занимались многие страны мира: Франция, США, Япония, Великобритания. Но лишь в России удалось выйти на промышленный масштаб. По сей день работает запущенный в 1980 году на Белоярской АЭС реактор БН-600. В 2015 году на той же Белоярской запустили БН-800. И развитие продолжается: в Северске строится экспериментальный реактор БРЕСТ-ОД-300 (на СНУП-топливе) и для Белоярской проектируется мощный БН-1200. В разделе планов на будущее мы вернемся к этой теме. Главное отличие и первая особенность быстрых реакторов от «обычных» тепловых в том, что в них нет замедлителей, и поэтому энергия нейтронов достигает больших значений. Для запуска реакции им необходим плутоний в составе топлива, поэтому для его производства можно использовать отработанное топливо из «обычных» тепловых реакторов. Последовательная отработка топлива сперва в тепловых, а затем в быстрых реакторах называется двухкомпонентной моделью ядерной энергетики. Реактор БН-800 / ©Белоярская АЭС, Росатом Вторая важная особенность быстрых реакторов: способность «выжигать» опасные минорные актиниды — кюрий, нептуний и америций. С кюрием можно ничего не делать, потому что со временем он распадается в плутоний. Но сам плутоний со временем распадается на америций. В общем, они дают много продуктов полураспада, причем периоды полураспада исчисляются тысячами лет. Захоронить такие отходы возможно, но сложно. Требуется глубинное хранение, например, в закрытой шахте в глубине горы с подходящей породой гранита, которая не будет ничего пропускать. Сверху хранилище бетонируется, но за его состоянием все равно нужен мониторинг. Лучше от актинидов совсем избавиться — с помощью быстрых реакторов. Быстрые реакторы работают на уран-плутониевом топливе, «выжигают» минорные актиниды и, что еще не упоминалось, в процессе работы нарабатывают себе новый плутоний (на котором могут сами работать). Именно за счет этого можно всю энергетику построить на быстрых реакторах — фактически создать замкнутый цикл. Замкнутый цикл В замкнутом ядерном топливном цикле (ЗЯТЦ) уран-плутониевое топливо после отработки в реакторе быстрых нейтронов перерабатывается, формируется в новые сборки и отправляется обратно в тот же реактор. [shesht-info-block number=4] Фабрикацией и переработкой сейчас занимаются удаленные от АЭС предприятия. Чтобы увезти туда отработавшее топливо, ему сперва нужно дать остыть, и на переработке его снова разогреют. Это большие затраты времени и ресурсов, поэтому сейчас Росатом строит в Северске экспериментальную станцию, на которой фабрикация и переработка будут вестись прямо рядом с быстрым реактором (БРЕСТ-ОД-300). Так будет реализован пристанционный ядерный топливный цикл (ПЯТЦ), ответвление замкнутого, хотя некоторые специалисты считают как раз такой формат «истинным» замкнутым циклом. На одной площадке в Северске будут находиться сам реактор, модуль фабрикации-рефабрикации и модуль переработки. Последние два – буквально через стенку друг от друга. И большинство операций роботизированы, чтобы снизить воздействие на персонал. Ядерные материалы будут нужны лишь для того, чтобы запустить реактор, дальше — лишь минимальная подпитка. И все основные радиоактивные отходы быстрый реактор будет сжигать. Планируется, что модуль фабрикации запустят в ближайшие годы, чтобы произвести топливо к запланированному пуску блока в 2026 году. Загрузка топлива на 4 блоке Ростовской АЭС / ©Ростовская АЭС, Росатом Аварийность БРЕСТа минимальна – внутри у него свинцовый теплоноситель, который никуда не денется при аварии. Самое опасное для АЭС — потеря теплоносителя. Именно это произошло на Фукусиме: вода ушла, а топливо расплавилось. В БРЕСТе при отключении свинец просто застынет. Впрочем там и само нитридное топливо (СНУП-топливо) не сможет расплавиться. Даже в самом аварийном сценарии вся опасность останется в периметре АЭС. Свинец к тому же поглотитель нейтронов, поэтому реактор можно будет просто законсервировать на площадке. Безопасность — одна из главных задач современной ядерной энергетики. Современные новые реакторы максимально защищены от аварий. Получается, быстрые реакторы есть в России и скоро будут в Китае, где их помогает строить Росатом. Во всем остальном мире реакторы «обычные» тепловые, способные работать лишь на чистом урановом топливе или на однократно переработанном (французская модель). Для вовлечения их в цепочку рециклинга Росатом разработал РЕМИКС-топливо. Сбалансированный цикл и «короткоживущая» фракция Опыт обращения с ураном, отработанным ядерным топливом и МОКС-топливом позволил создать специальное топливо, которое можно многократно на полную загрузку использовать в тепловых реакторах, перерабатывая и рефабрикуя на российских заводах. Предположим, у страны вообще пока нет ни одной АЭС, но она хочет использовать ядерную энергетику. АЭС возводят всего за четыре года. Первые десять лет она будет работать на традиционном урановом топливе, выгружая его в бассейн выдержки на охлаждение. В конце 2019 года в «Росатоме» начали проектировать первый в России исследовательский жидкосолевой реактор (ИЖСР) для отработки технологии дожигания долгоживущих компонентов облученного топлива — минорных актинидов / ©ВНИИНМ, Газета «Страна Росатом» Постепенно Росатом будет забирать отработанное топливо и на своих предприятиях перерабатывать его в уран-плутониевое РЕМИКС-топливо (уран-плутониевое топливо для тепловых легководных реакторов), возвращая на станцию. С одиннадцатого года и до конца эксплуатации через 50 лет станция сможет работать на таком регенерированном топливе. В отличие от французского МОКС-топлива, которое можно загружать лишь на треть, РЕМИКС-топливом можно загружать 100 процентов активной зоны реактора. После каждого цикла облучения топлива плутоний становится «хуже», но специалисты Росатома нашли способ улучшать состав и перерабатывать топливо до семи раз, сжигая по пути минорные актиниды. Такой подход позволяет существенно экономить на изготовлении ядерного топлива, ведь примерно 80% стоимости сборки приходится на уран и обогащение, около 15% — фабрикация, 3% — конверсия. Главное преимущество такого подхода — отсутствие опасных ядерных отходов. Все минорные актиниды будут «сжигаться» в России в быстрых реакторах. Останется лишь «короткоживущая» фракция с периодом полураспада около 80 лет, её можно залить в боросиликатное стекло (или в керамику - зависит от технологий будущего) и поместить в приповерхностное хранилище, где спустя несколько сотен лет эти отходы станут абсолютно безопасными. Не так уж много, по сравнению с минорными актинидами, которые требуют тысячелетий. [shesht-info-block number=5] Ближе к концу срока эксплуатации станции, отработавшей на РЕМИКС-топливе, достаточно будет построить небольшое здание для контейнеров со «стеклом». Сегодня РЕМИКС-топливо успешно проходит опытно-промышленную эксплуатацию на Балаковской АЭС. Взаимодействие тепловых станций с российскими быстрыми реакторами — это сбалансированный ядерный топливный цикл (СЯТЦ), на основе которого можно построить глобальную взаимосвязанную атомную систему, предоставляя другим странам услуги по выжиганию минорных актинидов. В перспективе у России останутся только быстрые реакторы. Впрочем, даже без притока урана с плутонием от тепловых реакторов у нас есть все необходимое для их работы — в частности, огромные запасы ОГФУ. Урановые хвосты и коэффициент воспроизводства Обедненный гексафторид урана (ОГФУ) остается в огромных количествах после получения обогащенного урана из природного. В основном, он состоит из урана-238 с небольшим количеством «полезного» урана-235. Хранилище ОГФУ / ©УЭХК За почти век работы отечественной атомной промышленности в России накопились огромные запасы ОГФУ — больше миллиона тонн. С целью сокращения этих запасов Росатом постепенно освобождает площадки с захоронениями. Планируется к 2038 году вдвое сократить их количество, а к 2057 году ликвидировать все запасы за счет переработки. Сперва обедненный гексафторид урана очищают от фтора. Полученную плавиковую кислоту и безводный фтористый водород продают на рынке химической продукции. Обедненный уран тоже используется в промышленности: из него делают контейнеры для перевозки изотопов, экраны для медицинской аппаратуры, а также используют в противовесах и гироскопах в самолетах, судовом балласте и других целях. Но основная масса, конечно, идет на производство нового ядерного топлива. [shesht-info-block number=7] В значительной части этих запасов процент урана-235 довольно высокий (до 0,4%), потому что в первые десятилетия обогащение проводили менее эффективным диффузным методом. Сегодня эти хвосты можно использовать в производстве топлива для тепловых реакторов. Вторичные хвосты уже точно бесполезны для всего остального мира, а вот для нас — отличное сырье для быстрых реакторов. Быстрым реакторам «бесполезный» уран-238 не мешает, им главное, чтобы был плутоний. В процессе они могут сами себе наработать еще больше плутония. И это третья особенность быстрых реакторов. Возможности конкретного реактора на быстрых нейтронах зависят от его изначальной конструкции. Если предусмотрено, реактор сможет работать в разных режимах — с разным коэффициентом воспроизводства. Реактор БН-800 / ©Белоярская АЭС, Газета «Страна Росатом» При равном единице коэффициенте воспроизводства в отработанном топливе будет столько же плутония, сколько и было в изначальной загрузке. В этом случае подходящий состав понадобится лишь для первой загрузки. Дальше быстрый реактор будет его поддерживать. При коэффициенте воспроизводства меньше единицы быстрый реактор будет «выжигать» лишний плутоний. Такой режим необходим для утилизации накопившихся запасов отработанного топлива от тепловых реакторов. Можно сказать, что это забота о будущих поколениях — им не придется разбираться с фонящими запасами плутония. Самый интересный вариант — при коэффициенте больше единицы. Процент прибавления плутония небольшой, но эффективный — до 1,2%. Позволяет со временем восполнить недостаток плутония для запуска нового быстрого реактора. Такую возможность обеспечивают быстрые нейтроны — на большой энергии они могут расщепить «бесполезный» уран-238 до плутония. Основываясь на этой уникальной технологии, Росатом планирует в будущем все российские АЭС строить с реакторами на быстрых нейтронах. [shesht-info-block number=6] Будущее российской атомной энергетики На сегодняшний день тепловые реакторы —более продвинутая и отработаннаях технология, чем реакторы на быстрых нейтронах. Огромный опыт позволяет строить новые станции всего за четыре года. Тем не менее без быстрых реакторов тепловые будут значительными темпами использовать запасы урана и производить слишком много опасных отходов. С быстрыми реакторами бывшие отходы становятся почти неисчерпаемым источником топлива — их хватит на десятки тысяч лет. У России есть преимущество — огромные вложения в изучение и разработку реакторов на быстрых нейтронах, сделанные в прошлом веке, позволяют и сегодня развивать это направление. Росатом планирует после 2035 года строить только быстрые реакторы. И к 2045 году перевести на атомную энергию четверть стремительно растущего энергобаланса России. Старые реакторы будут постепенно выводиться из строя и заменяться новыми — быстрыми. На сегодняшний день в России работают 35 реакторов на 11 АЭС. Для замены их на быстрые нужно сперва подтвердить экономическую состоятельность проекта. Быстрый реактор гораздо сложнее теплового и поэтому стоит существенно дороже. Отчасти причина в том, что технология еще не до конца отточена, и потому себестоимость, видимо, будет постепенно снижаться. Монтаж оборудования шахты научно-исследовательского реактора на быстрых нейтронах четвертого поколения в Димитровграде / ©ГНЦ НИИАР, Росатом Строящийся в Северске реактор со свинцовым теплоносителем и с модулями переработки и рефабрикации — уникальный экспериментальный дорогостоящий проект, который позволит испытать многие новые технологии, но мощность у него будет небольшая. Главный быстрый реактор России — БН-800 на Белоярской АЭС — тоже по мощности не дотягивает до показателей тепловых реакторов (1000-1200 МВт). Зато на нем проверили сложную контурную систему и систему защиты. Поэтому перед Росатомом стоит сразу несколько задач на ближайшие годы: оптимизировать конструкцию реакторов на быстрых нейтронах, увеличить единичную мощность и добиться оптимальной цены. Первым примером такого «серийного» быстрого реактора станет БН-1200 с натриевым теплоносителем на Белоярской АЭС. Его планируется построить и запустить к 2030 году. Единственная страна, которая тоже собирается вводить в эксплуатацию быстрые реакторы — это Китай. К 2040 году страна планирует добиться целевой суммарной мощности 100 ГВт, то есть поддерживать в работе примерно сто реакторов. После 2040 года они будут строить лишь реакторы на быстрых нейтронах. В марте 2022 года в Китае работали 54 реактора общей мощностью 55 ГВт, с тех пор уже успели запустить еще два. Известно, что к 2025 году Китай стремится добиться показателя в 70 ГВт. С помощью Росатома они строят свой первый реактор на быстрых нейтронах. [shesht-info-block number=2] Международное стремление к чистой возобновляемой энергетике с долгосрочным развитием уже сегодня становится реальностью в нашей атомной отрасли. Введение в масштабную эксплуатацию реакторов на быстрых нейтронах позволяет перерабатывать накопившиеся урановые хвосты, сокращает количество самых опасных радиоактивных отходов — как нашей страны, так и других стран — и экономно расходует ограниченные запасы урана, обеспечивая «обычные» реакторы подходящим топливом. Данный материал Naked Science подготовил совместно с просветительским проектом Homo Science. В рамках Десятилетия науки и технологий проект Homo Science продолжает активно развивать онлайн-платформу, на которой размещается библиотека знаний, включающая в себя подкасты, видео- и аудиоматериалы, обучающие курсы и многое другое. Реклама: Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций», ИНН 9705152344.

Как это устроено: технологии сборки современных лыж

info@naked-science.ru (Naked Science) — Tue, 16 Aug 2022 13:32:25 +0000

Спорт с хорошей историей Горные лыжи — один из самых древних спортивных снарядов в истории. Наскальные рисунки и находки, сделанные во время археологических раскопок, подтверждают, что древние люди использовали лыжи более 4000 лет назад. Лыжи были распространены в арктических регионах Евразийского материка. В то время еще не существовало никаких специальных инструментов для тонкой обработки дерева, и форма у лыж могла быть только самой примитивной — вырезанные из куска дерева две прямые дощечки с загнутыми спереди носками. По некоторым сведениям, в северо-восточной части Евразии к лыжам снизу прибивали куски звериных шкур: вперед они скользили лучше, а назад при этом не «отдавали». Этот принцип используется в современных камусах — специальном покрытии лыж для скитура. Позже, на протяжении Средневековья, лыжи использовались скандинавскими фермерами, охотниками и воинами. Известно, что в XVIII веке подразделения шведской армии устраивали тренировки и даже соревнования на лыжах. Реконструкция: древний охотник в высоких горах Опланда с точными копиями лыж Дигервардена и другого снаряжения / © Эспен Финстад, secrettsoftheice.com Время трансформации С середины XIX века лыжи начали постепенно приближаться к своему современному виду. Норвежец Сондре Норхейм изобрел повороты в стиле «телемарк», создал первое крепление с ремешком на каблуках, а также популяризировал лыжи с продольным прогибом и боковым вырезом. Это существенно упрощало вход в поворот, особенно на склоне. Если припомнить геометрические параметры современных лыж, то лыжи Норхейма примерно соответствуют универсальным лыжам All mountain. Веками в Европе лыжи вырезали из ясеня, прочного и упругого. (Кстати, этот сорт древесины и сейчас нередко применяют для производства деревянных сердечников горных лыж). В 1880-х лыжи впервые стали делать из суперпрочного и при этом гибкого дерева гикори, растущего в Северной Америке. Комплект лыжного снаряжения конца XIX века / © Фото из архива «ТРБ Групп» Первые двухслойные лыжи были разработаны в Норвегии в 1893 году. Мастер Х. М. Христиансен использовал для них разные породы дерева. Жесткая основа из гикори или ясеня в сочетании с елью или липой делала лыжи более легкими и упругими. Такая технология оказалась эффективной и быстро распространилась среди других мастеров, став отправной точкой в производстве лыж многослойных конструкций. Металлический кант, который позволяет лыжам не скользить на заледеневшем снегу и четко входить в повороты, был запатентован в 1926 году. Его изобрел бухгалтер из Австрии Рудольф Леттнер. Горные лыжи сегодня: высокотехнологичный «бутерброд» Сегодня все разновидности горных лыж производят из различных материалов, расположенных в несколько слоев. «Одна из неотъемлемых характеристик лыж — это то, как ты их ощущаешь, — рассказывает профессиональный лыжник Мэтт Стербенц, основатель известного американского бренда 4FRNT Skis. — Это чувство лыж в конечном счете является результатом взаимодействия тех материалов, которые использованы в конструкции». Российские лыжи и сноуборды производятся по технологии «сендвич», где композитные материалы помещают с двух сторон от деревянного сердечника, а сверху (top-sheet) и снизу («скользяк») наносят слои специальных пластиков. Сердечник Это главный слой, «сердце лыж». Именно от сердечника во многом зависят ощущения от катания. И это, пожалуй, единственная деталь современных горнолыжных снарядов, которую по-прежнему делают из старого доброго дерева. Хотя и не всегда: в составе самых дешевых лыж нет дерева. Их сердечники делают из вспененного материала. Единственное преимущество таких лыж — легкость, но по всем остальным параметрам они существенно уступают спортивным снарядам, в состав которых входит качественная древесина и современные композитные материалы. Единственный российский серийный производитель горных лыж и сноубордов «ТРБ Групп» использует для создания сердечников комбинацию бука и ясеня. Эти породы дерева высоко ценятся за прочность и упругость. Рабочие наносят слой композитного материала на горные лыжи на заводе компании "ТРБ Групп" в городе Орел / © Фото из архива «ТРБ Групп» Композитные слои Стекловолокно Хотя используемая в сердечнике древесина значительно влияет на стиль катания, все же индивидуальность лыжам придают те материалы, которые усиливают сердечник. В каждой лыже есть два основных композитных слоя — сам материал, который фактически обеспечивает 50-80 процентов общей жесткости лыжи, и эпоксидная смола, удерживающая всю конструкцию. Производители лыж чаще всего используют в качестве композита стекловолокно, но в последнее десятилетие на рынке спортивного снаряжения появились инновационные материалы, которые применяют в авиастроении и оборонной промышленности. Так, российский производитель горных лыж «ТРБ Групп» использует кевлар, карбон и угле-армидный микс (сочетание карбоновых и кевларовых нитей в одной ткани), эти материалы изготавливаются на оборонных заводах. Толщина и форма слоев композита может быть разной. Материал может быть нанесен не на всю поверхность снаряда, а на отдельные части (на нос, хвост базу, или, например, в районе креплений горнолыжных ботинок), за счет этого можно добиться различных характеристик лыж и сноубордов. Наличие высокотехнологичных композитов в составе спортивного снаряда позволяет решать разные задачи: обеспечивает большую жесткость, гасит вибрацию, дает более высокую торсионную жесткость (устойчивость к скручиванию) и более быстрый возврат горных лыж или сноубордов в исходную форму после исполнение трюка или разворота. Эти характеристики становятся все более важными с ростом мастерства райдера, но даже любитель почувствует разницу при катании. Эпоксидные компаунды При производстве горных лыж очень важно, какие именно слои мы склеиваем, но не менее важно, с помощью чего происходит соединение частей. Если нарушить технологию, слои распадутся от нагрузок. Для производства горнолыжного инвентаря необходимо использовать профессиональные составы. До недавнего времени они производились только в Европе и США. Клей — один из самых дорогих компонентов в производстве горных лыж, если считать по цене за килограмм. «Еще в 2016 „ТРБ Групп” начала разработку собственной формулы эпоксидных компаундов для склейки слоев горнолыжного спортивного инвентаря, — рассказывает Никита Рябин, руководитель единственной российский компании по серийному производству горных лыж и сноубордов „ТРБ Групп”. — Первые российские образцы, изготовленные по результатам исследований, были запущены в производство в 2017 году. Сейчас в линейке „ТРБ Групп” несколько типов составов, которые изготавливаются по собственным формулам. Высококачественный российский клей дешевле иностранных аналогов в 10 раз!» Финальная шлифовка скользящей поверхности горных лыж на заводе "ТРБ Групп" в Орле. Этот же станок производит и заточку металлического канта с точностью до десятых долей градуса / © Фото из архива «ТРБ Групп» Материал базы («скользяк») Различные виды пластиков начали использовать для производства скользящих поверхностей горных лыж уже с конца 1940-х годов. Сейчас самым лучшим материалом для «скользяка» считается сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). За счет высокой молекулярной плотности он идеально скользит, отлично гнется, устойчив к повреждениям и хорошо впитывает парафин. Но для производства спортивных снарядов подходит далеко не любой СВМПЭ. Этот материал довольно широко используется в промышленности, но для производства горного снаряжения нужна особая, уникальная модификация, у которой должны быть два важнейших свойства: способность образовывать очень тонкий, но сверхпрочный слой толщиной 1-2 мм (ведь сноуборды и горные лыжи должны быть легкими и износостойкими),способность к адгезии — приклеиванию. Большинство модификаций СВМПЭ клеятся очень плохо. И только особый букет присадок (а также специальные методики физической обработки материала) позволяют обеспечить прочное сцепление «скользяка» и «сердечника» (внутренней части сноубордов или горных лыж).Что касается физического воздействия на СВМПЭ, то российский производитель горных лыж «ТРБ Групп» разработал собственные уникальные техники с использованием огня, пескоструйной обработки и электрических разрядов («коронная обработка»). Фактически в ходе этой обработки пластик жгут и бьют множеством молний, и все для того, чтобы разорвать многочисленные молекулярные связи в его верхнем слое и обеспечить ему таким образом возможнось соединяться с молекулами клея. Сейчас СВМПЭ для экстремального спорта производят всего три завода в мире. Все они находятся в Европе и США, и российским производителям лыж приходится покупать сырье через посредников, по высокой цене. В связи с геополитической напряженностью приобретение нужных компонентов стало только сложнее. Президент Федерации производителей спортивного инвентаря РФ Никита Рябин / © Фото из архива «ТРБ Групп» «Научно-исследовательский центр „Нагрузка” в составе „ТРБ Групп” давно ведет исследования СВМПЭ, — рассказывает руководитель „ТРБ Групп”, директор НИЦ „Нагрузка”, президент Федерации производителей спортивного инвентаря РФ Никита Рябин. — За два года работы была создана и опробована собственная, российская формула СВМПЭ, которая идеально подходит для производства спортинвентаря. На 2022 год „ТРБ Групп” планирует запуск собственной линии экструдирования СВМПЭ, которая будет единственной в РФ. Этот проект будет играть важную роль в импортозамещении и поможет производить в стране высококачественные горные лыжи и сноуборды по привлекательным ценам. Более того, СВМПЭ обладает высоким экспортным потенциалом — его готовы покупать заводы спортинвентаря в Китае, ведь при более лояльной цене и более низких транспортных расходах СВМПЭ из РФ будет обладать высоким качеством, сравнимым с европейскими аналогами». Top-sheet (верхнее покрытие) Top-sheet защищает лыжи от влаги и служит «холстом» для полета художественной мысли производителей лыж. Top-sheet качественных спортивных снарядов делается из особого abs-пластика, устойчивого к ультрафиолету. Рисунок на top-sheet можно нанести тремя способами: трафаретной печатью, сублимацией и прямой цифровой печатью. При трафаретной печати краска наносится на шаблоны и буквально вдавливается в top-sheet. Сублимация похожа на временную татуировку, когда рисунок сначала печатается на сублимационной бумаге, а затем при нагревании переносится на верхнее покрытие лыжи. При использовании прямой цифровой печати материал top-sheet загружается в специальный принтер, который печатает идеально четкое изображение сразу на top-sheet. Самые яркие и детальные изображения на поверхность досок можно нанести именно таким способом. Так, в «ТРБ Групп» для создания картинки на top-sheet используют широкоформатный планшетный УФ-принтер размером 2,5 на 1,5 метра — единственный в РФ образец оборудования такого класса. По сравнению с печатью с помощью других технологий изображение получается более износостойким и художественным. Разница между ними примерно такая же, как между живописью и ксилографией. К тому же на таком принтере легко изготавливать сноуборды и горные лыжи с индивидуальным дизайном, ведь под каждый дизайн не потребуется изготавливать трафареты и наносить цвета послойно. Оборудование просто наносит на пластик любое изображение, как ваш домашний принтер воспроизводит картинку на бумаге. Боковая стенка (сайдвол) Тонкая боковая грань горных лыж называется сайдволл. На нее приходится значительная нагрузка, ведь именно она принимает на себя удары, контактирует с снегом, льдом, водой и паром. Для ее укрепления используются различные технологии. Популярным решением в последние годы стало укрепление сайдвола полиуретаном, это прочный и гибкий материал. Кроме полиуретана, компания «ТРБ Групп» использует для укрепления сайдволла древесину лиственницы. «Лиственница — наш российский козырь, — поясняет Никита Рябин. — Это дерево очень высоко ценится мировыми производителями спортивных снарядов за прочность, легкость и практически нулевую гигроскопичность. У нас есть возможность использовать этот элитный материал даже в моделях, предназначенных для массмаркета. К сожалению, Россия технологически не готова к производству горнолыжных снарядов для профессионального спорта. Но это одна из важных задач для развития, которые ставят перед собой российские наука и промышленность, и в том числе и наша компания».

Беспрецедентно быстрое и невероятно широкое: каким будет российское импортозамещение и кто от него выиграет?

info@naked-science.ru (Naked Science) — Fri, 17 Jun 2022 11:28:44 +0000

Данный материал можно прослушать в формате подкаста. Нынешняя экономическая блокада подразумевает не только запрет на ввоз товаров, сделанных в западных странах, — в конце концов формально к санкциям присоединились только они да некоторое количество их азиатских союзников. Заметим, что 85% населения мира живет там, где никто против России санкций не вводил, однако и отсюда многие товары в нашу страну уже не идут. Причина в том, что они сделаны с формальным или реальным использованием западных патентов. Поэтому китайские (и не только китайские) производители часто не могут легально поставлять в Россию сделанную ими электронику — чтобы не попасть под санкции самим. Все это значит, что первая отличительная черта российского импортозамещения — его беспрецедентная широта. Россия либо сможет производить внутри себя целый ряд видов продукции, либо лишится его вовсе. Вариант «вечно возить контрабандой» по определению безнадежен. И дело не только в том, что Россия — слишком крупный потребитель, и рано или поздно любой реэкспорт из Китая станет заметен. Важно еще и то, что мы живем в эпоху развития электронных маркировок и отслеживания потоков сложных товаров. Это десять лет назад GPS-отслеживание станков казалось новостью: сегодня подобные технологии могут быть внедрены почти в любой сложной и инновационной отрасли. А именно такие товары Россия в основном и завозила из ЕС и США до 2022 года. Полупроводники, электроника и все-все-все Когда мы покупаем электронику, то чаще натыкаемся на продукцию брендов — Apple, Huawei и так далее. Но это всего лишь оболочка продуктов, их обертка — сама же электронная начинка состоит из микросхем, и самые сложные в этом ряду — процессоры. Основные их производители в мире — Intel, Samsung, TSMC и Qualcomm. Все эти компании приостановили поставки в Россию всех микросхем, которые были сделаны или (и это важное «или») спроектированы в США, ЕС или Великобритании. Внезапно оказалось, что, несмотря на относительно небольшое производство своих «коммерческих» микросхем чисто китайским производителем Semiconductor Manufacturing International Corp (SMIC), готовых продуктов исключительно на своих чипах почти нет даже у китайских брендов. Или возьмем вроде бы целиком российские по проектированию процессоры «Байкал». Они, во-первых, производились на тайваньской фабрике упомянутой выше TSMC. А во-вторых, еще и использовали в производстве лицензию британской компании Imagination Technologies. Выяснилось очевидное: использование даже базовых решений западных разработчиков не позволяет попробовать запустить производство «Байкалов» в России. Поскольку у нашей страны пока проблемы с выпуском микросхем по 28-нанометровому техпроцессу, то сейчас «Байкалы» во многом «достают со склада». А что будет потом, когда запасы кончатся, никто не знает. Корпорация «Ростех» недавно представила линейку отечественных маршрутизаторов на базе процессора Baikal-T с защитой от хакерских атак. Но какой будет эта серия в новых условиях и будет ли вообще? Российский процессор семейства Baikal, созданный российской бесфабричной компанией Baikal Electronics / ©Leonid S19 [shesht-info-block number=1] Чтобы понять, каким может быть будущее сложных электронных изделий в России, стоит обратиться к опыту Китая. Как только КНР попыталась создать собственное производство микросхем с продвинутым технологическим процессом (от 28 нанометров и ниже), США немедленно заблокировали поставки сложного оборудования для создания чипов с техпроцессом от 28 нм и ниже для китайской частично государственной компании SMIC. Теперь Китай пытается как-то решить вопрос с таким оборудованием самостоятельно, но пока особенных успехов на этом поприще у него не видно. Какой же мы сделаем вывод? На сегодня западные санкции прямо запрещают поставку в Россию в основном непотребительской электроники — оборудования для дата-центров, продвинутых маршрутизаторов, процессоров и микросхем, которые можно использовать в военной электронике. Но по опыту с Китаем, КНДР и Кубой можно прогнозировать с известной определенностью, что запрет на поставки более простых изделий может быть включен в любой момент. А ограничения на поставку оборудования для производства полупроводников есть уже и сегодня. Все это означает, что со временем Россия может остаться без любой микроэлектроники просто по щелчку пальцев, который достаточно сделать владельцам патентов и технологий за пределами нашей страны — если не научится делать ее сама. Причем как минимум в военном и космическом секторе — по полному циклу: от изготовления оборудования для производства чипов до финальной сборки конечных изделий. К счастью, в стране есть вузы и направления, дающие фундаментальную подготовку в области разработки и производства оптоэлектроники и нанофотоники, причем от применяемых в них материалов до архитектурных решений и конкретных вопросов организации производства. Изучением компонентов и материалов для оптоэлектроники и нанофотоники, созданием светоизлучающих диодов, солнечных батарей и детекторов ядерных частиц заняты студенты магистерской программы Университета «МИСИС» «Полупроводниковые преобразователи энергии». Студенты этой программы участвуют в экспериментах, проводимых в рамках коллаборации LHCb (ЦЕРН) для фундаментальных исследований новых частиц легкой темной материи, в разработках противорадиационной защиты, в создании солнечных батарей для IoT («Интернет вещей»). У многих еще во время обучения выходят статьи в международных научных журналах с высоким импакт-фактором. Судя по всему, санкции просто сильно ускорили те процессы, которых и так требовал внутренний рынок. Попытки российских игроков, работающих с полупроводниковыми решениями, развиваться на простом ввозе оборудования и технологических линий с Запада уже давно показали свою неэффективность. Более десятка лет назад «Хевел» (портфельная компания «Роснано») попыталась завезти из Швейцарии перспективную на тот момент технологию производства солнечных батарей из тонкопленочных микроморфных кремниевых фотоэлементов. За счет отказа от монокристаллической архитектуры фотоэлемента они позволяли получать больше энергии даже от рассеянного (непрямого) солнечного света, да и напряжение с каждой панели было во много раз выше, чем у «монокристалла». Вот только за те несколько лет, пока ввозили оборудование и налаживали производство, монокристаллические солнечные батареи вдруг сделали большой шаг вперед — и новые фотоэлементы «Хевела» оказались по КПД ниже, чем у конкурентов: 10% против примерно 16% на середину 2010-х годов. Чтобы не повторить ошибку, компания организовала Научно-технический центр при Физико-технологическом институте имени Иоффе. В 2014 году разработчики из этого института создали свои гетероструктурные (то есть сочетающие микроморфные и монокристаллические компоненты) солнечные батареи с КПД 20%. Такие сценарии будут (и должны) реализовываться и в будущем — с той поправкой, что осуществлять их придется во многом на своем оборудовании, которое в ряде отраслей еще только предстоит создать. Небо отражается в солнечных панелях (проект Baldock Solar Highway) / ©Oregon DoT Инженер-технолог как ключевой игрок нового времени Острота санкционной ситуации неслучайно описывается на Западе как «экономическая война» против России: по многим признакам это так и есть. Но выиграть войну в области экономики можно, только если эффективно используешь то, что у тебя уже имеется. Не секрет, что количество станков в Германии и СССР времен Второй мировой различалось в разы: у немцев их было куда больше, как и промышленных рабочих. И тем не менее производство вооружений оказалось в разы больше именно у советской стороны. В мемуарах руководителей ВПК того времени прямо утверждается: это было сделано за счет инженеров-технологов. Именно они, тесно взаимодействуя с руководством предприятий, смогли добиться того, что среднее время непрерывной работы станка выросло с нескольких часов (в довоенном периоде) до 12 и более часов во время войны. Операции обработки сокращали по времени, разбивая на множество более специализированных операций меньшей длительности, время «путешествия» деталей между станками снижали, меняя взаимное расположение станков. В итоге количество человеко-часов — как и часов машинных, работы оборудования, — расходуемых на один танк или самолет, в СССР к концу войны снизилось в два-три раза относительно ее начала. Но ключевые преобразования, которые позволили добиться всего этого — вовсе не перестановка станков. Чтобы критические изменения в технологическом процессе стали возможны, требовалось пересмотреть конструкцию производимых машин и систем, сделать ее более «технологичной», то есть более пригодной для массового производства. Эти же задачи сохранили свое значение и сегодня: инженеры-конструкторы и инженеры-технологи и в наши дни играют ключевую роль в вопросе о том, сколько будет стоить конечный продукт в промышленности. Сегодня в России максимально востребованы инженеры-конструкторы, умеющие быстро и эффективно выводить новые изделия в серийное производство. Таких специалистов готовит практико-ориентированная магистратура Университета «МИСИС» «Технологическое обеспечение инноваций». Куратор этой магистерской программы — конструкторское бюро «Карфидов Лаб», известное разработкой инновационных технических продуктов под ключ, которое является технической базой магистратуры. У студентов есть возможность реализовать во время учебы собственные проекты, решая реальные производственные задачи крупных компаний. Такие предприятия предлагают целевые стипендии для успешных студентов на время их работы в проекте. IT-ресурс: то, без чего не попасть в будущее До 2022 года множество решений в области программного обеспечения импортировалось или просто использовалось условно-бесплатно — тот же Zoom даже для корпоративных пользователей часто работал без оплаты. В наши дни всему этому пришел конец. Неважно, хотите вы устроить видеоконференцию в закрытом режиме или хотите увидеть на Strava, с каким бешеным пульсом пробегаете ежевечерние 10 километров: вы везде рискуете наткнуться на объявление: «Поддержка приложения в вашей стране приостановлена». Даже те сервисы, что еще работают в России, например Gmail для частных лиц, в любой момент могут быть закрыты. Вероятность того, что санкции будут ужесточаться, а не ослабляться, в обозримом будущем сильно превышает обратный прогноз. Некоторые из российских IT-компаний успели приступить к попыткам импортозамещения еще до 2022 года. Скажем, Trueconf создал сравнительно приличное ПО для видеоконференций, в чем-то даже обходящее Zoom, еще до наступления эпохи санкций, и теперь оказался на довольно крупном рынке в роли фактически единственного игрока. Но в огромном количестве секторов замещение импортного софта пока даже не начиналось. Между тем без этого развитие современной экономики просто невозможно себе представить. Логотип Tesla на Tesla Model X / © Austin Ramsey / Unsplash Возьмем хотя бы «машины без водителя» или даже «частичные автопилоты». Самая продвинутая их версия в сегодняшнем мире — автопилот Tesla, основанный исключительно на машинном обучении на большой выборке. В качестве обучающей выборки там используют записи с авто Tesla с обычными водителями. «Глядя» на то, когда они совершают, допустим, поворот вправо на перекрестке, ПО «учится» делать это как они — но без создания угрозы ДТП. Особенность таких разработок в том, что они по-настоящему пионерские. В них часто просто нет какого-то опыта десятилетий, нет рабочих «общепризнанных путей»: та же Tesla годами раз за разом переписывает код автопилота. Значит, здесь нужна качественная фундаментальная подготовка специалистов, способных видеть новые проблемы целиком, системно — и столь же системно их решать. В Университете «МИСИС» студенты магистерской программы «Искусственный интеллект и машинное обучение» ведут проектные исследования в наиболее перспективных областях применения ИИ: робототехнике, медицине, микроэлектронике, квантовых вычислениях, распознавании образов, компьютерных играх, FinTech. Они получают возможность не только углубить свои теоретические знания в computer science или отточить навыки решения прикладных задач машинного обучения, но и познакомиться с особенностями правового регулирования в области ИИ, а также с методологией и трендами развития ИИ как самостоятельного научного направления. Причем следует заранее отказаться от мысли: такие-то направления за нас может разработать и Китай, а здесь и вообще не следует торопиться — никто не знает, получится ли что-нибудь из автопилота вообще. Дело в том, что в подобных областях часто просто нет никакого эффективного «ввоза технологий» или даже их копирования. Это в XIX веке Тульский оружейный завод мог скопировать револьвер Кольта и выпускать его десятками лет (кстати, типовое оружие российского офицера во второй половине века часто было именно таким). Этот подход работал только в мире, где технологии развивались неспешно. Сегодня разрыв между автопилотом Tesla этого года и прошлого года — огромен. Каким будет этот разрыв через пять лет, трудно даже представить. Если надеяться на импорт технологий из Китая или любой другой нейтральной страны, то, во-первых, всегда можно наткнуться на очередное «ядро» в том или ином компоненте ПО — ядро с западной лицензией. Во-вторых, процесс копирования и адаптации к российским реалиям неизбежно затянется на несколько лет, за которые копируемый продукт уйдет далеко вперед, и смысл копирования будет утерян. А адаптировать ПО к российским условиям все равно придется. Если брать тот же пример с автопилотом, то вождение в российском городе зимой никогда не будет слишком уж похожим на автопилот для города Финикса в штате Аризона (вотчина пресловутых «гугломобилей», ныне работающих под брендом Waymo). Да и в Китае, прямо скажем, снег на дорогах редко скрывает дорожную разметку и залепляет дорожные знаки. ИИ — ключевой игрок в современной экономике. От уровня его разработки зависит не только возможность завтрашнего дня ездить, не касаясь руля, но и возможности дня сегодняшнего. Например, в повседневной работе колл-центров банков, встречающих нас «голосом железной женщины». Ведь без хорошего ИИ мирового уровня у них не получится оказать нам те услуги, что нам нужны, а не те, которые их программисты более или менее отладили. Пожалуй, мало какое направление импортозамещения по важности может сравниться с технологиями ИИ и машинного обучения. Стройка своими мозгами: что изменится в ключевых инфраструктурных проектах Сегодня мало кто помнит, но в 2014 году российская пресса писала, что построить Крымский мост в одиночку Россия не сможет: нет уникального опыта возведения столь длинных мостов, придется приглашать китайцев. Хотя в этот раз удалось справиться самим, факт остается фактом: стране нужно множество новых инфраструктурных проектов, и часть из них будет заметно сложнее даже 19-километрового моста между Таманским и Керченским полуостровами. Проблема заключается в том, что такие вещи даже проектировать очень сложно: присоединение Крыма случилось в 2014 году, а актуальное строительство моста началось, фактически, только в 2016 году. Собственно, на строительство ушли те же два года, что на подготовку к нему! Проход пассажирского состава по Крымскому мосту, 2020 год / © Rosavtodor И это немудрено: типовая арка моста имела длину большого морского корабля, 227 метров, и весила 6-7 тысяч тонн, а сваи погружали в грунт на глубину до 72 метров. Проектирование было крайне специфическим из-за необычного сочетания слабых грунтов, высокой сейсмической опасности и больших ветровых и волновых нагрузок. [shesht-info-block number=2] Причем в новых условиях пригласить иностранную компанию для выполнения работ не получится. Да и китайские строители не захотят рисковать попаданием под вторичные санкции США: в КНР и до 2022 года были прецеденты, когда давление Штатов заставляло выходить из бизнеса целые компании (вспомним вынужденную продажу смартфонного бренда Honor). Как же научиться быстро возводить новые объекты, не тратя два года на их обдумывание и проектирование по — каждый раз уникальным — инженерным решениям? Такая задача на самом деле стоит не только перед нашей страной: с подобной необходимостью сталкиваются в самых разных регионах. Есть подход, который позволяет существенно ускорить проектирование даже самых сложных и необычных проектов. Этот подход называют BIM-моделирование (Building Information Modeling), а иногда и просто «цифровой архитектурой». От всем известных 3D-моделей он отличается тем, что BIM-модель «завязана» на базу данных, включающую всю информацию о строящемся здании (или сооружении). Это и его физические размеры, и характеристики используемых материалов, и способы размещения в пространстве, и даже цена всех используемых в строительстве компонентов — от арматуры до обоев (если речь о жилом доме) или отдельных болтов. Учет такой «семантики элементов» (да, именно так ее называют в BIM-моделировании) позволяет проектировать сооружение в целом, не тратя времени на сведение воедино изменений от каждой из подгрупп проектировщиков. Вы поменяли высоту каждого этажа? BIM-модель пересчитает изменения в количестве требующегося стройматериала каждого типа. Решили добавить эркеры по всему зданию? Вот смотрите, насколько изменится стоимость проекта — все ясно сразу, и поэтому не станет для вас неприятным сюрпризом. С помощью BIM-технологий не только создают всю информационную модель будущего здания и автоматически корректируют связанные объекты сооружения при внесении изменений в один из них. Такие технологии позволяют заранее и в комплексе спрогнозировать все нюансы будущей эксплуатации объекта, его ремонта и даже сноса. Их изучением занимаются студенты магистерской программы Университета «МИСИС» «BIM-технологии в проектировании и строительстве». Для каждого магистранта формируется индивидуальная научно-образовательная траектория в соответствии с его интересами, исследовательской проблематикой, текущими проектами и грантами, и прямо с первого курса они привлекаются к работе над прикладными задачами, связанными с BIM-технологиями. Важная особенность BIM-методов: рост безопасности при создании принципиально новых, «штучных» проектов. Именно здесь риски от недостаточной связности усилий проектировщиков максимальны — и именно здесь единая информационная модель проекта позволяет свести их к минимуму, координируя в одном месте усилия и архитекторов, и дорожников, и «сетевиков» с экологами. Машины: заместить или лишиться Не секрет, что самая критическая для страны часть импорта, который наша страна ранее осуществляла с Запада, это продукция машиностроения. И если для автомобилей в теории ничего не мешает заменить немецкие машины корейскими или даже китайскими, то в более «штучной» и менее массовой технике это, увы, не выход. Нельзя просто прийти на рынок и купить там авиалайнер, который не содержал бы западных моторов или авионики — именно поэтому в России разрабатывается лайнер МС-21 со своими собственными моторами ПД-14, да и приборное оснащение этого самолета энергично заменяется на отечественное. В еще большей степени это верно для многих других специализированных машин. Станки с ЧПУ — особенно новые и сложные — и оснастка для них, мощные дизельные моторы для судов и военных кораблей — все это придется замещать вне зависимости от желания владельцев сохранить статус-кво. МС-21, российский среднемагистральный узкофюзеляжный пассажирский самолёт / ©Dmitry Terekhov И даже не потому, что западные и японские судовладельческие компании отказываются перевозить российские грузы. Теоретически можно было бы перейти на услуги китайских морских перевозчиков (кстати, их доля в российских судоперевозках действительно возросла). Но есть нюанс: эти компании, даже если они используют китайские суда, ставят на них дизели, лицензии на которых куплены у западных стран. Даже если это решить, навигационное оборудование в них тоже сделано с использованием западных лицензий. При желании и их можно будет прижать «вторичными санкциями», наказывая тех, кто что-то возит для России. [shesht-info-block number=3] Впрочем, конкретно с замещением в области судостроения все не так плохо. Россия еще до 2022 года научилась делать современные четвертькилометровые танкеры, крупнее стандарта «Афрамакс» (такие строит дальневосточная верфь «Роснефти»), и часть из них уже перешла на газовое топливо — значительно более дешевое, чем дизельное, да еще и меньше загрязняющее воздух. Конечно, двигатели надо будет со временем модифицировать; конечно, свои суда нужны и в секторе тех же контейнеровозов, но в целом эти задачи уже вполне ясно, как решать. Выпускники магистратуры Университета науки и технологий «МИСИС» «Технологические машины градостроительного комплекса» будут заниматься реновацией и разработкой огромного количества технологических машин, позволяющих быстро и экономично строить городские сооружения, в основном под землей: станции метро, перегонные тоннели, коллекторные, железнодорожные, автомобильные тоннели и другие подземные объекты. Студенты магистратуры смогут работать с реальными исследовательскими проектами, решая ключевые задачи промышленных производств. Cложнее решать вопросы в отраслях, где серии должны быть небольшими, а многие виды машин — сравнительно специализированными. Это и оборудование для пищевой промышленности, и машины строительно-дорожного комплекса, и многое другое. Часто даже при локализованном их производстве двигатели, трансмиссии или специализированные инструменты на этих машинах импортные, или используют все же те же западные лицензии. Все это предстоит заместить, что обещает беспрецедентно широкое поле деятельности для молодых российских инженеров и тех, кто на них сегодня еще только учится.

Знаете ли вы…

info@naked-science.ru (Naked Science) — Fri, 17 Jun 2022 10:37:40 +0000

…чем московская высотка похожа на Пизанскую башню? Сталинскую высотку на московской площади Красные ворота строили одновременно с вестибюлем расположенной под ней одноименной станции метро. Московские грунты и так довольно неустойчивы, а тут еще пришлось воздвигать 24-этажное здание, нависающее над котлованом. Было принято необычное решение — заморозить грунт и возводить здание под наклоном. Пробурили скважины, забили в них трубы и накачали холодный раствор. Почву замораживали на глубину до 27 метров. При замораживании грунт увеличился в объеме, поэтому здание строили под наклоном, чтобы, когда почва растает, здание выровнялось. Наклон у высотки, конечно, был не такой существенный, как у Пизанской башни. Наверху, на высоте около 170 метров — всего 16 сантиметров от вертикальной оси. И фундамент, и балки каркаса, все возводили под наклоном. Это подразумевало сложнейшие расчеты по множеству факторов, которые надо было выразить на простом двухмерном плане на бумаге и довести до сведения строителей — само по себе нелегкая задача. Современным архитекторам, инженерам и строителям приходится решать задачи, связанные не только с возведением и оснащением здания, но и обдумывать нюансы его будущей эксплуатации, ремонта и даже сноса. То есть планировать и управлять жизненным циклом объекта. И здесь им помогают современные технологии информационного моделирования зданий и сооружений. Согласно постановлению правительства РФ, строительная отрасль начала переход на технологию информационного моделирования с 1 января 2022 года. …как Останкинская башня выдержала пожар, при котором другие башни падали? Знаменитая телекоммуникационная башня Москвы еще на этапе планирования была просто обречена стать уникальным сооружением. На тот момент (50-е годы XX века) возведение башни выше 500 метров почти целиком из бетона казалось почти безумием. Холодные зимы, жаркое лето и сильный столичный ветер накладывали еще больше требований к особой прочности бетона. Его разработкой занялся Борис Тринкер. Изучив все технические требования, он ужесточил их еще в два раза. Именно благодаря этим усиленным характеристикам и расчетам Останкинская башня выдержала не только суровый российский климат, но и двухдневный пожар в 2000 году. От высокой температуры в пожаре оборвались 120 из 149 тросов, обеспечивающих преднапряжение бетонной конструкции башни, но она устояла! А в 2011 году 300-метровая бетонная телебашня в Нидерландах от пожара разрушилась. Rulexip (cc by-sa) BIM-технологии позволяют не только создавать информационную модель будущего здания, но и автоматически корректировать связанные объекты сооружения при внесении изменений в один из них, предоставляя оценки затрат, а также позволяя отслеживать и вести учет материалов. Такой подход кардинально уменьшает потери информации при передаче проекта подрядчикам и эксплуатантам. Создание таких информационных моделей изучают студенты магистерской программы Университета «МИСИС» «BIM-технологии в проектировании и строительстве». …как корабельные черви помогли построить метро? Корабельная древесина — особенно мореный дуб — способна выдержать не только удар топора, но и попадание пушечного ядра. Но корабельных червей (семейство морских двустворчатых моллюсков из отряда Myoida) это никогда не смущало, они легко протачивали себе ходы в толще такой древесины. Заинтересовавшись этой суперспособностью и изучив, как устроены створки раковины корабельного червя (они одновременно и бур, и защита), английский инженер Марк Брюнель изобрел металлическую сборную конструкцию, благодаря которой мы теперь можем безопасно рыть тоннели. Если бы история сложилась чуть иначе, первые подземные тоннели с использованием таких проходческих щитов, скорее всего, появились бы в Санкт-Петербурге, а не в Лондоне под Темзой: дело в том, что российский император Александр I заказал Брюнелю проект переправы через Неву. Брюнель разработал два варианта: мост и тоннель, но питерский план так и не воплотился, а Брюнель в итоге продал идею Лондону. С тех пор горные инженеры изобрели еще больше удивительных и сложных машин, позволяющих быстро и экономично строить шахты, многокилометровые тоннели и даже подземные города. Сегодня перед ними стоят новые масштабные задачи по созданию безлюдных технологий и производств. Illustrated London News … почему машины для бурения тоннелей называют женскими именами? Тоннели под Сиэтлом бурила «Большая Берта», под Вашингтоном— «Леди Бёрд», под Москвой — «София». Такие тоннелепроходческие механизированные комплексы диаметром до 17,6 метра роют подземные пути по всему миру. И им всегда дают женские имена. Этой традиции уже больше пяти веков. Еще в XVI веке горняки — и все, кто работал со взрывчатыми веществами, — перед началом работы молились святой Варваре (в англ. традиции Барбаре). Вероятно, эта женщина действительно жила в III веке на территории современной Турции или Ливана. Согласно легенде, отец заточил ее в темноте в башне, за что ангелы покарали его ударом молнии. Так Варвара, прожившая жизнь в темноте и «призвавшая молнию», стала покровительницей шахтеров. Разработка горных машин и устройств — одна из важнейших составляющих современного строительства городов. Сегодня выпускники магистратуры Университета науки и технологий «МИСИС» «Технологические машины градостроительного комплекса» эксплуатируют, конструируют и работают над реновацией огромного количества технологических машин, помогающих воплощать в жизнь самые смелые проекты городских и подземных сооружений. Brisbane City Council (cc by) …кто построил первую нейронную сеть? Может показаться, что нейронные сети полностью принадлежат сфере IT и являются относительно недавним изобретением. Однако первый в мире нейрокомпьютер «Марк-1» (MARK 1) был создан еще в 1958 году американским психологом и нейрофизиологом Фрэнком Розенблаттом. Розенблатт с его помощью пытался решить задачу визуального распознавания — и «Марк-1» действительно мог распознавать ряд букв английского алфавита. Это событие вызвало тогда бурный ажиотаж в обществе, и крупнейшая американская газета The New York Times писала: «Сегодня Управление военно-морских исследований представило нам эмбрион электронного компьютера, который, как ожидается, сможет ходить, говорить, видеть, писать, воспроизводить себя и осознавать свое собственное существование». Но тогдашние нейросети не могли совладать даже с простым логическим вентилем XOR. Зато сегодняшние могут куда больше. В Университета «МИСИС» студенты программы «Искусственный интеллект и машинное обучение» ведут проектные исследования в наиболее перспективных областях применения ИИ: робототехнике, медицине, микроэлектронике, квантовых вычислениях, распознавании образов, компьютерных играх, FinTech и так далее. © Kyle McDonald (cc by) …какая IT-отрасль растет быстрее всего? По данным американского бюро переписи населения, по состоянию на 2020 год всего 9 процентов фирм в США использовали машинное обучение в своей работе. Кажется, что это немного, но это эффект так называемого «старта с нуля». С 2000 по 2021 год ежегодные венчурные вложения в технологические стартапы, занимающиеся искусственным интеллектом и машинным обучением, увеличились в шесть раз. В период между 2010 и 2020 годами в такие компании было вложено более 61 миллиарда долларов (большая часть их попала в американские и китайские компании). А доходы от использования искусственного интеллекта в промышленных приложениях по всему миру к 2025 году должны достигнуть 32 миллиардов долларов (для сравнения: в 2018 году они оценивались всего в 1,6 миллиарда). Неудивительно, что на фоне технологической гонки между компаниями развернулась настоящая война за таланты, а ИИ-разработку называют «профессией миллионеров» — по данным аналитической платформы CB Insights, ведущие компании платят разработчикам в шесть раз больше, чем другим специалистам. …какой компьютер стал первым серийным в СССР? Часто считается, что в СССР практически не производились персональные компьютеры и что в фокусе внимания были большие электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Однако первым серийным советским компьютером стал именно персональный компьютер «Агат», советский аналог американского компьютера Apple II. Он был разработан для нужд образования в школах и стоил довольно дорого (около 4000 рублей в ценах второй половины 80-х годов). Первые комплекты «Агата» появились в 1982 году, а серийное производство было довольно быстро (по советским меркам) отлажено к 1985 году, и позволило существенно снизить стоимость производства, а также производить и собирать эту сложную технику сразу на шести различных заводах. Производство велось вплоть до 1994 года, а использование «Агата» в ряде школ продолжалось до 2001 года. Сегодня, когда общее количество брендов в мире превысило 10 миллионов, а число компаний-производителей и вендоров инновационных технических продуктов невозможно сосчитать, инженеры-конструкторы, владеющие компетенциями по выводу изделия в серийное производство, востребованы как никогда ранее. Таких специалистов готовит магистратура Университета «МИСИС» в рамках практико-ориентированной программы «Технологическое обеспечение инноваций». Микрокомпьютер Агат-7 / Sergei Frolov, Soviet Digital Electronics Museum (cc by-sa) …какая связь есть между первым серийным автомобилем Ford T и трактором «Красный путиловец»? Когда знаменитый Ford T только появился на рынке, он не был самым дешевым автомобилем: двухместная модель в 1909 году стоила 825 долларов. Но в 1913-м Форд внедрил конвейерное серийное производство, и цены на Ford T стали снижаться стремительно, до 260 долларов в 1924 году (и это при том, что зарплаты рабочих Форда сильно выросли). А еще, кстати, Генри Форд сделал немало не только для американского, но и для советского автопрома: при его непосредственном техническом содействии были осуществлены капитальная реконструкция и расширение завода ЗИЛ и возведен завод ГАЗ. В начале 1920-х годов советское правительство закупило фордовские колесные трактора «Фордзон» (20 300 штук). Но этого не хватало, и в Ленинграде было запущено их производство по лицензии. Новая модель получила название «Красный путиловец» и серийно выпускалась вплоть до 1932 года (было выпущено почти 50 тысяч машин). Трактор «Фордзон» / SergeVS (cc by-sa) …какая эффективность солнечных батарей вскоре может быть достигнута? Эффективность присутствующих сегодня на рынке солнечных батарей составляет 15-20 процентов и считается неплохой. Однако в 2020 году ученые из Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) в США установили новый мировой рекорд эффективности преобразования солнечной энергии, создав солнечный элемент с эффективностью почти 50 процентов (47,1 процента, при концентрированном освещении). В этом им помог «шестипереходный» (six-junction) солнечный элемент, в котором использовалось 140 слоев полупроводниковых материалов (при этом покрытие было в три раза тоньше человеческого волоса). «Типовой» солнечный элемент «с одним переходом» сталкивается с фундаментальным пределом эффективности преобразования около 30 процентов, известным как предел Шокли-Кейссера (Shockley–Queisser limit), но ученые преодолевают его путем наложения нескольких слоев полупроводников. Основным препятствием для достижения 50-процентной эффективности являются резистивные барьеры внутри ячейки, которые препятствуют прохождению тока, но и тут рано или поздно что-нибудь да придумают. Именно изучением компонентов и материалов для оптоэлектроники и нанофотоники, созданием светоизлучающих диодов, солнечных батарей и детекторов ядерных частиц заняты студенты магистерской программы Университета «МИСИС» «Полупроводниковые преобразователи энергии». …как можно использовать энергию молнии? Кажется, практически никак нельзя. Если взять какое-то количество взрывчатого вещества и медленно его сжечь, то будет просто костер; а если сделать это за несколько микросекунд, то получится взрыв. Примерно та же история и с молнией: известно, что молния передает заряд примерно 2-10 кулон (1 кулон = 1 ампер-секунда). Согласно различным исследованиям, напряжение грозового облака составляет 100 миллионов вольт или больше. Если мы возьмем в качестве средней величины заряда 6 кулон и умножим его на минимальное напряжение облака, то получим примерно 600 миллионов ватт-секунд. Переводим полученное число в киловатт-часы и получаем всего-то 167 кВт-ч. Это, конечно, больше, чем нужно, чтобы вскипятить чайник, но куда меньше, чем нужно на месяц среднему домохозяйству. nial bradshaw (cc by) Такую мощность в состоянии развить обычная паровая турбина, работающая на дровах, или средних размеров дизель-генератор.

Что мы можем извлечь из «черного ящика»?

info@naked-science.ru (Naked Science) — Fri, 17 Jun 2022 08:42:50 +0000

Данный материал доступен в формате подкаста. Машинное обучение ассоциируется чаще всего с распознаванием и генерацией изображений. Системы искусственного интеллекта, такие как DALL-E или Imagen, впечатляют созданием картинок, которые все труднее отличать от иллюстраций художников или фотографий. Лица, синтезированные нейронными сетями, становятся все реалистичнее и даже вызывают у людей больше доверия, чем снимки настоящих людей. Пример работы нейросети DALL-E 2, которая смогла дорисовать картину / ©DALL-E 2 На экране монитора генеративные сети уже «оживляют» умерших знаменитостей: например, на выставке, посвященной Сальвадору Дали, посетителей приветствует сам Дали, произносящий вдохновенную речь своим голосом и с присущими ему экспрессией и мимикой. Дипфейк создает полную иллюзию, словно видео с живым художником записано незадолго до события. https://www.youtube.com/watch?v=ZupIscH6akk Искусственный интеллект «оживил» Сальвадора Дали / ©Открытые Медиа В работе с текстом нейросети не отстают от обученных на изображениях. Добротный онлайн-перевод с одного языка на другой уже занимает секунды, но еще дальше продвинулись большие языковые модели. Они читают текст и могут ответить на вопросы о прочитанном, исходя из логики и здравого смысла. Даже юмор им становится доступен. При этом количество параметров таких сетей неуклонно растет. Недавно представленная система PaLM вмещает 540 миллиардов параметров, что в три раза больше знаменитой GPT-3. В Китае, используя экзафлопсный суперкомпьютер, создают систему BaGuaLu для обучения модели с 14,5 триллиона параметров. Как пишут разработчики, BaGuaLu потенциально «имеет возможность обучать модели с 174 триллионами параметров, что превосходит количество синапсов в человеческом мозге». И хотя прорывы в работе с изображениями и текстами последние годы на виду, успехи машинного обучения этим не исчерпываются. Способность нейронных сетей обучаться и затем анализировать большие объемы данных уже востребована во многих областях. Рассмотрим эти менее хайповые, но не менее важные применения МО чуть подробнее. Как мы поймем, из чего все сделано (физика) Вот уже десяток лет алгоритмы машинного обучения играют важную роль в исследованиях на Большом адронном коллайдере. Машинное обучение используют для моделирования и калибровки детекторов, сбора данных, распознавания образов и идентификации частиц. Оно становится привычным инструментом во всех аспектах исследований в области физики: в экспериментах — от их разработки и оптимизации до сбора и анализа данных, в численном моделировании и даже в разработке теории. Графическое отображение столкновений частиц, эксперимент DELPHI на встречных электрон-позитронных пучках LEP в CERN / ©CERN Как правило, ученые ищут сверхредкие и тонкие отклонения от Стандартной модели. Часто бывает так, что ни одно не является уникально аномальным — только в контексте многих примеров можно построить статистическое доказательство открытия. Словом, и здесь образуется большой поток сложных данных от экспериментальных установок, и в этом запутанном ландшафте с помощью машинного обучения физики ищут закономерности, тенденции и аномалии, чтобы извлечь из данных значимые выводы. В теоретической физике математическую концепцию или модель часто используют для создания синтетических данных — набора данных результатов моделирования. Системы Machine Learning, обученные на таких данных, оказались способны делать прогнозы для моделей стабильности планетарных систем, генерировать гипотезы в теории узлов и теории представлений. Студенты магистерской программы Университета «МИСИС» «Полупроводниковые преобразователи энергии» участвуют в экспериментах, проводимых в рамках коллаборации LHCb (ЦЕРН) для фундаментальных исследований новых частиц легкой темной материи. Прикладные физики пошли еще дальше — они научили нейронную сеть управлять настоящим термоядерным реактором. Внутри его катушки мощные магнитные поля удерживают раскаленную плазму. Магниты не дают ей коснуться стенок реактора, и задача состоит в том, чтобы удержать плазму внутри реактора достаточно долго для того, чтобы извлечь из нее энергию. Удержание плазмы требует постоянного контроля и управления магнитным полем, и ученые обучили нейронную сеть на симуляции. [shesht-info-block number=1] Как только она смогла контролировать и изменять форму плазмы внутри виртуального реактора, ее переключили на настоящий экспериментальный токамак в Лозанне. В общей сложности управление реактором длилось всего две секунды, но в физике высоких энергий две секунды — это целая эпоха. Алгоритм 10 тысяч раз в секунду (!) проводил 90 различных измерений, описывающих форму и положение плазмы, и регулировал напряжение в 19 магнитах. Как мы себе объясним, каким образом это связано между собой (химия) Многие действующие концепции в химии были разработаны на основе относительно небольших наборов данных и поэтому могут быть весьма предвзятыми. Машинное же обучение дает химикам возможность вернуться к истокам и разработать новые правила на основе действительно крупных наборов данных. Идея состоит в том, чтобы изучить статистическую связь между химической структурой и потенциальной энергией, не полагаясь на привычные представления о химических связях или знаниях о взаимодействиях. Молекулярная модель соединения перфлуброн (контрастное вещество для магнитно-резонансной томографии, компьютерной томографии и сонографии) с обозначением электронной плотности разными цветами (красный – отрицательный, синий – положительный) / ©Piswind Чтобы рассчитать динамику молекул, необходимо знать силы, действующие на отдельные атомы на каждом временном шаге моделирования. Есть точный способ узнать эти силы: нужно решить уравнение Шрёдингера, которое описывает физические законы, лежащие в основе большинства химических явлений и процессов. Однако аналитическое решение возможно только для относительно простых систем из двух тел, например таких как атом водорода. Для более крупных химических структур уравнения можно решить лишь приблизительно, но даже такое решение потребует очень сложных (и долгих) вычислений. Машинное же обучение позволяет кардинально сократить время и ресурсы без необходимости решать какие-либо уравнения. Благодаря этой уникальной способности МО в последние годы становится все более популярным среди химиков. Эти методы позволяют исследовать химическое пространство и предсказывать свойства соединений с высокой точностью. Кроме того, методы МО привели к новым химическим открытиям в системах, которые уже считались хорошо изученными. Стало ясно, что даже относительно небольшие молекулы проявляют нетривиальные электронные эффекты, которые влияют на их динамику и позволяют лучше понять экспериментальные наблюдения. Благодаря МО многие другие неизвестные химические эффекты еще ждут своего открытия — и уже вскоре дождутся. Из чего мы все построим (дизайн материалов) Устойчивое развитие и грядущий уже вскоре экономический уклад настойчиво требуют поиска новых материалов с новыми и заранее хорошо прогнозируемыми свойствами. Все «низковисящие плоды» в материаловедении уже собраны, традиционные методы уже не справляются с растущей структурной сложностью материалов, которые нам нужны. Проблема их проектирования в том, что пространство потенциальных реализаций огромно: зачастую оно не поддается вычислениям напрямую, а физическая интуиция оказывается бессильной. Наночастицы селена, выброшенные при фемтосекундной лазерной абляции / ©Muderkind Алгоритмы машинного обучения становятся важным инструментом в проектировании материалов благодаря своей способности предсказывать свойства, генерировать структуры с нуля и открывать новые механизмы далеко за пределами человеческой интуиции. С помощью МО можно искать скрытые законы и зависимости в накопленных данных, предсказывать свойства новых, еще не существующих материалов, а затем оптимизировать их. Например, различные композиты, полимеры, катализаторы, а также так называемые энергетические материалы, такие как батареи, электролиты, электроды, фотогальваника, уже сейчас успешно проектируются с помощью машинного обучения. В Университете «МИСИС» готовят специалистов в области искусственного интеллекта, data science, big data, робототехники. Среди партнеров магистерских программ — Сбер, один из российских лидеров в области ИТ, который предоставляет студентам свою инфраструктуру для исследований. Машинное обучение успешно применяют в синтезе полупроводниковых, металлических, углеродных и полимерных наночастиц. Такие частицы используются буквально повсюду: в химическом зондировании, медицинской диагностике, катализе, термоэлектрике, фотовольтаике или фармацевтике. Их синтезируют с точно контролируемыми свойствами, и машинное обучение помогает искать оптимальные сочетания параметров. Напомним, что синтетические полимеры имеют поистине бесчисленные комбинации мономеров, которые могут вести к различным сочетаниям структуры-функции (например, ионная проводимость, эффективность фотопреобразования, реакция памяти формы и самовосстановление). Для дизайнера материалов это настоящее проклятие размерности — настолько высокую комбинаторную сложность нельзя вычислить или вывести из общих принципов. Машинное обучение с его способностью выявлять скрытые взаимосвязи и корреляции, и ориентироваться в сложных структурно-функциональных ландшафтах помогает справиться с этим проклятием — генерируя структуры на основе заданных функций подобно тому, как нейронные сети генерируют изображения из текста. Каким образом мы построим все, что нам нужно (инженерия) По тем же причинам, что рассмотрены в предыдущей главе, машинное обучение может быть полезно и в разработке сложных устройств, где есть огромный объем параметров и данных. Например, Боинг 787 состоит из 2,3 миллиона деталей, а во время летных испытаний он получает данные от 200 тысяч мультимодальных датчиков. В процессе эксплуатации самолет генерирует множество данных, которые собираются и обрабатываются с помощью 18 миллионов строк кода, и это только для систем авионики и управления полетом! ©Flightglobal Проектирование самолета — это многокритериальная оптимизационная задача с ограничениями, которыми служат требования на уровне конструкции, такие как дальность полета или запас топлива, а также производственные и коммерческие ограничения, такие как стоимость или будущий доход. Данные можно использовать для изучения взаимодействий разных параметров, обеспечивая основу для успешного реинжиниринга. Машинное обучение здесь сочетается с технологией цифрового двойника, что позволяет прогнозировать и оптимизировать работу реальных устройств. [shesht-info-block number=2] Помимо огромных объемов данных, которые обычными способами уже почти невозможно обработать, инженеры могут столкнуться с другой проблемой, где использование машинного обучения прямо напрашивается — если устройство имеет высокую степень свободы. Например, моделирование «мягких» роботов затруднено тем, что податливость и вязкоупругость материала приводит к сложному и непредсказуемому поведению из-за нелинейности, то есть связь между входом и выходом робота не может быть представлена простой линейной зависимостью. Машинное обучение особенно эффективно именно в нелинейных задачах, и его используют в «мягкой» робототехнике: для калибровки мягких датчиков, позиционирования приводов, захвата и планирования движения роботов. В 2021 году команда студентов Университета «МИСИС» разработала прогностическую модель для газораспределительной сети Москвы, которая может по положениям клапанов предсказывать параметры давления и потребления газа как промышленными предприятиями, так и частными пользователями. Это поможет в управлении сложной газовой системой столицы: сделает ее более энергоэффективной и безопасной. Машинное обучение также применяют для настройки квантовых устройств, то есть для поиска набора параметров, которые кодируют и оптимизируют кубит. Например, компания DeepMind преодолела барьер сложности на полупроводниковых устройствах с квантовыми точками с помощью методов машинного обучения. Для настройки квантовых устройств в режиме реального времени МО применяют и в других реализациях кубитов: таких как сверхпроводящие кубиты, или центры азотных вакансий в алмазе, или ионные ловушки. А теперь поговорим за жизнь (биология) Похожая ситуация сложилась в биологии, где ученые также сталкиваются с огромным и многомерным пространством потенциальных структур, в первую очередь таких важных биологических молекул, как ДНК, РНК и белки. И точно так же трудно выяснить, как именно будет складываться молекула белка, если известен только состав и порядок входящих в нее аминокислот. Трехмерная структура белка определяет его свойства, поэтому этот вопрос всегда был актуальным для биологов. Машинное обучение помогло решить эту проблему. Трехмерная реконструкция белкового комплекса c-FLIP / ©BQUB14-Rmorillas В 2015 году AlphaGo, программа DeepMind, обыграла сначала «белкового» чемпиона Европы по игре в го, а затем и чемпиона мира. Программа использовала глубокие нейронные сети и обучалась сначала на основе сыгранных людьми партий, но следующая версия программы играла уже сама с собой и самостоятельно наращивала свой уровень, уже без подсказок из игр между людьми. Го потенциально содержит огромное пространство комбинаций, что роднит эту игру с проблемой сворачивания белка (фолдинга). Создатели AlphaGo решили проверить возможности своей программы в биологической области, обучив AlphaFold на базах данных об уже известных белковых структурах. Задача AlphaFold состояла в том, чтобы предсказать наиболее вероятные структуры белков, о которых ей известно лишь то, что они сворачиваются. Программа продемонстрировала высокую точность в прогнозировании укладки белков, и для этого ей не требовалось вычислять кинетику или стабильность фолдинга. AlphaFold набрала 90 баллов из 100 в ежегодном конкурсе «Крупномасштабный эксперимент по предсказанию структуры белка» (CASP), после чего многие специалисты сочли проблему предсказания структуры белка в целом решенной. AlphaFold продемонстрировала возможности машинного обучения в вопросе, который трудно решить другими методами. Центральным компонентом AlphaFold является нейронная сеть, которая обучена на очень большом количестве структур для предсказания расстояний между атомами. AlphaFold может стать полезной технологией, например для проектирования лекарств, где отправной точкой часто является знание структуры белка. Как мы всех вылечим от всего. Ну почти! (медицина) Путь от открытия лекарства до его выхода на рынок обходится в среднем более чем в 1 миллиард долларов США и может занять 12 лет и более. Много усилий уходит на поиск и разработку действующего вещества, и не меньше усилий требуется для того, чтобы убедиться, что препарат действительно работает на людях. Все дело в чрезвычайной сложности организма и взаимосвязей клеток, биомолекул, генов и других веществ. Эта сложность, как уже сказано, не поддается прямому анализу. Зато порой, как выяснилось, она поддается машинному обучению. Генотипирование и секвенирование ДНК. Техник загружает робота для генетических исследований вируса папилломы человека (ВПЧ) / © National Cancer Institute / Unsplash При этом в медицине наблюдается бурный рост доступности клинических данных, отражающих информацию на разных уровнях биологической сложности, таких как мультиомика, молекулярные пути, данные визуализации, электронные медицинские карты, а также данные с имплантируемых устройств и носимых датчиков. И все эти данные можно «скормить» машинному обучению, получив интересные результаты. Машинное обучение уже широко используют в полногеномных ассоциативных исследованиях (GWAS), где информация о геноме увязана с признаками здоровья. Следующий шаг — дополнить анализ данными эпигенетики, протеомики, метаболомики и так далее. Это требует больших ресурсов, но отдача может быть высокой, поскольку машинное обучение способно справиться с разнородными и сложными данными, находя в них скрытые от человеческого взгляда взаимосвязи. Например, с помощью МО уже показано, что ответы на антидепрессанты или на лечение рака можно предсказать на основе геномики и клинических данных, что поможет пациентам избежать ненужных процедур, часто при этом сложных и дорогих. В 2020 году коллаборация ученых Университета «МИСИС», Института русского языка им. В. В. Виноградова РАН и НИУ ВШЭ запустила масштабный проект по созданию с помощью технологий искусственного интеллекта и машинного обучения уникальной базы древнеславянских рукописных текстов — корпуса. Это даст исследователям-лингвистам и историкам мощный инструмент для изучения всех современных национальных славянских языков и культур и станет уникальным ключом к пониманию их наследия. Методы машинного обучения все чаще применяют для скрининга лекарств, прогнозирования их свойств и поиска терапевтических мишеней. И есть определенная надежда, что МО поможет пролить свет на природу и развитие сложных заболеваний, таких как рак или болезнь Альцгеймера. Например, анализ более 11 тысяч опухолей 33 типов рака существенно улучшил понимание того, как рак мутирует из исходных клеток и какие факторы влияют на развитие опухоли. Глубокое понимание рака жизненно необходимо: многие лекарства разрабатывают на основе экспериментально подтвержденной гипотезы, которая может объяснить возможный механизм канцерогенеза, но игнорирует другие факты о болезни. Машинное обучение в медицине поможет врачам принимать решения и улучшит диагностику и прогнозирование за счет выявления новых закономерностей. Проблема же заключается в том, как обеспечить интерпретируемость моделей глубокого обучения, так что тут предстоит еще большая работа. Что у нас может не получиться? Нейронная сеть получает данные на вход и выдает результат на выходе. Невозможно судить, верно ли она отражает реальность, если правильный ответ не известен заранее. Сам процесс «рассуждений» нейросети скрыт от нашего наблюдения (и даже само слово «рассуждения» мы должны поэтому забирать в кавычки) — недаром мы называем его «черным ящиком» — и для чувствительных областей вроде медицины или сферы безопасности это серьезная проблема, которую еще предстоит решить. Там необходима твердая уверенность, что нейросеть не пошла по ложному следу, что она уловила реальную закономерность, а не артефакт. Другой проблемой может быть приблизительный характер ответов в машинном обучении. Там, где неидеальные ответы допустимы, а ставки невелики, например при создании изображений или языковом переводе, методы машинного обучения демонстрируют свою мощь, и мы им можем сразу доверять. В диагностике или управлении автомобилем пойти на такой риск нельзя, поэтому глубокие нейронные сети все еще не произвели революцию в этих областях. Кроме того, нейронные сети сильно зависят от качества данных, на которых они обучаются. Мусор на входе закономерно даст мусор на выходе, а чистые, качественные данные для обучения собрать в реальном мире трудно или же очень затратно. Кроме того, даже чистые данные могут сформировать у нейросети предвзятость, поскольку разные предубеждения и искажения могут присутствовать в обучающей выборке, пусть неявно. Нет сомнений, что обученные нейросети эффективны в различении паттернов и поиске связей, но эти связи ассоциативны, они не обязаны указывать на причины и следствия. В некоторых случаях, особенно в науке, где поиск причин (а не корреляций) может быть целью, такое свойство машинного обучения будет считаться недостатком. Не стоит забывать и о том, что глубокое обучение прожорливо. Хороший результат требует огромных объемов данных для обучения, а большие модели (например, языковые) требуют мощных вычислительных ресурсов и в конечном счете затрат энергии (и ресурсов). Это во многом ограничивает применение МО в различных отраслях. Наконец, сети глубокого обучения способны ошибаться, причем иногда вопиюще глупо, вплоть до смешного. Это признак того, что на самом деле они не обладают пониманием, и уж тем более не мыслят и не познают мир, а всего лишь реагируют на паттерны в статистике. Это очень полезное умение, оно позволяет решать задачи определенного класса, но не стоит ждать от нейросетей того, что они дать не в состоянии. При грамотном применении у машинного обучения мощный потенциал, но будущим поколениям специалистов еще только предстоит его полностью раскрыть. Если вам было интересно читать этот текст и вы хотите попробовать себя в этой области, рекомендуем магистратуру «Искусственный интеллект и машинное обучение» в Университете «МИСИС».

Тест: Куда пойти учиться?

info@naked-science.ru (Naked Science) — Fri, 17 Jun 2022 08:40:44 +0000

Думаете над тем, куда пойти учиться после получения диплома бакалавра? Или хотите освоить новую специальность? Совместно с Университетом «МИСИС» мы разработали интересный тест. Пройдите его, чтобы определить, на кого из пяти знаменитых ученых и технологов вы похожи (Луис Салливан, Алан Тьюринг, Генри Форд, Эрнест Резерфорд, Томас Эдисон), и ваш выбор подскажет правильный путь!

История золотого стандарта: как разрабатывали иммерсивное аудио для VR-игр

info@naked-science.ru (Naked Science) — Mon, 23 May 2022 13:09:29 +0000

Виртуальная реальность предполагает максимальное погружение пользователя в виртуальный мир, который должен восприниматься как можно более реальным. Если VR-система сконструирована умело, можно не вставая с дивана совершать путешествия во времени и пространстве, переноситься в далекое прошлое Земли или исследовать Марс и Луну, по-прежнему не покидая уютной гостиной. Игровая индустрия добилась заметного прогресса в создании VR, но одна из главных проблем, которую еще предстоит решить разработчикам, заключается в так называемом подавлении недоверия к виртуальному миру: чтобы пользователь подсознательно воспринимал его практически как реальный (конечно, он в любом случае будет знать, что мир, в котором находится, виртуальный, но «знать» и «воспринимать» — разные вещи). Используете ли вы VR, чтобы изучить астероид, приближающийся к Земле, играете ли в игру, в которой расстреливаете его ракетами, — чем реальнее будут ваши ощущения, тем лучше. Конечно, с теми же проблемами сталкиваются и литература, и кинематограф, но у VR есть характерная особенность — необходимость полного достоверного погружения в звуковую среду. Аудиопогружение с наушниками Valve Index Один из признанных лидеров игровой индустрии, компания Valve Corporation (создает игры, игровые платформы и игровое оборудование), задалась целью разработать гарнитуру Valve Index® VR, которая успешно подавила бы недоверие к виртуальной реальности. Для этого инженеру Valve Эмили Риджуэй и ее команде нужно было понять, как создать иммерсивную аудиосреду (модное слово иммерсивный означает «погружающий в действие»). Обычно игроки используют стереонаушники, чтобы определять, с какой стороны в игре идет звук. Если источник находится слева от персонажа, игрок слышит звук через левый динамик, если справа — через правый. Valve решила отказаться от традиционных наушников, задача которых — изолировать ухо от внешних звуков, подавлять внешние шумы и передать в ухо полностью очищенный от них звук, но не создавать ощущение погруженности. Риджуэй полагала, что традиционная гарнитура способна даже помешать этому. Обычные наушники направляют звуковые волны непосредственно в слуховой канал, и звук ощущается неестественным, воображаемым, исходящим как бы из головы самого человека (так называемый интернализованный источник). К тому же сама гарнитура может быть неудобной, и этот дискомфорт способен «выбросить» пользователя из игрового переживания. Некоторые игроки вместо наушников используют колонки. Это решает некоторые проблемы, но порождает и новые. Во-первых, качество звука будет зависеть от геометрии и акустики помещения. Во-вторых, наилучшее звучание создается колонками лишь в определенной зоне, а при взаимодействии с VR человек обычно перемещается. Какое же решение предложила Риджуэй? Пара внеушных (супра-ауральных) полнодиапазонных наушников сверхближнего поля. Риджуэй и ее команда изучила несколько типов динамиков. Ни один не отвечал полностью их целям, пока они не натолкнулись на динамики с технологией BMR компании Tectonic Audio Lab. Риджуэй, как написала она в своем блоге, «сразу заметила ряд преимуществ». «Они снижали уровень искажения в случае изменения ориентации динамиков, почти вписывались в наши требования по весу, имели отличные характеристики на высоких и средних частотах (что важно при бинауральной симуляции) и были намного тоньше, чем традиционные динамики». Valve объединилась с Tectonic Audio Labs, чтобы использовать эти преимущества и разработать пользовательские динамики для своей VR-гарнитуры. А что такое технология BMR? В традиционных динамиках звук генерируется конусовидной диафрагмой, совершающей поршневые движения. Диафрагма передает энергию вдоль оси этого движения, порождая звук. Динамики BMR работают иначе: они используют как поршневые, так и изгибные колебания диафрагмы. Это позволяет создавать равномерное акустическое поле вне оси динамика. То есть высокие частоты, например, не затухают при отклонении слушателя от акустической оси. Такие динамики не требуют идеальной точки прослушивания (sweet spot) и за счет сверхлегкой мембраны обеспечивают высочайшую скорость отклика, а значит, и натуральность звучания. У традиционных динамиков случаются проблемы с передачей высоких частот, которые могут вызвать пульсацию или изгибы диафрагмы, известные как «слом диффузора». Возникающие при этом пики и спады снижают качество звука и требуют более тщательной ориентации динамиков. В большинстве динамиков избегают изгибных волн, а BMR вовсю использует их. Динамик BMR в разрезе / © COMSOL «Мы используем изгибные колебания, и нам нужно, чтобы они возникали. Можем контролировать точки их возникновения, именно эти изгибные колебания обеспечивают внеосевой выход сигнала. Мы используем резонансный слом в наших интересах, — рассказал Тим Уитвелл, вице-президент по инженерным вопросам в Tectonic Audio. — BMR во многих отношениях идет вразрез с представлениями традиционной акустической инженерии». Технология BMR помогает использовать высокочастотную вибрацию при оптимизации некоторых характеристик, таких как материал колонок или масса воздушной нагрузки. Создание золотого стандарта Итак, команда Tectonic Audio Labs приступила к разработке динамиков для гарнитуры Valve Index® VR. «Отправной точкой для нас стал анализ собственных мод диафрагмы, — говорит Уитвелл. — Для технологии BMR особенно важно, чтобы изгибной режим включался в тот момент, когда на диаграмме направленности область распространения поршневых волн начинает сужаться». Когда сужение вот-вот произойдет, изгибные волны должны начать «заполнение» зон по сторонам от центральной оси, в которые сузившийся пучок не сможет попасть. Чтобы оптимизировать этот процесс, команде Tectonic нужно было прежде всего выяснить, в каких участках мембраны возникает режим изгибных колебаний и сколько таких режимов имеется во всей полосе пропускания. Для численного анализа собственных частот и режимов работы конструкции динамика использовали программное обеспечение COMSOL Multiphysics®. Таким образом команда получила возможность управлять изгибными режимами за счет оптимизации материала мембраны и ее толщины. Если рабочие моды возбуждаются где нужно и когда нужно, Tectonic Audio получает возможность обеспечить широкую направленность выходного сигнала во всем диапазоне. Направленность динамиков BMR / © COMSOL Акустическое поле динамиков BMR / © COMSOL Tectonic также провела численный анализ магнитной системы с целью её оптимизации. «Можно повышать число витков проводника на катушке, чтобы усилить преобразование электромагнитной энергии в механическую, но тогда увеличится вес, так что тут есть свои ограничения, — поясняет Уитвелл. — Всю оптимизацию мы проводим при помощи COMSOL®». Механическая и электромагнитная модели были исследованы и оптимизированы по отдельности. Затем Tectonic Audio Lab объединила их для совместного анализа. Поскольку в объединенной модели почти все осесимметрично, инженеры представили ее в осесимметричном 2D-пространстве, сэкономив вычислительные ресурсы. Исключением был только материал диафрагмы. «Материал диафрагмы ортотропный. Он имеет разную жесткость по разным направлениям, — объясняет Уитвелл. — Интерфейс Solid Mechanics в COMSOL Multiphysics® позволяет моделировать ортотропную природу материала в осесимметричном 2D-пространстве, это просто фантастика». После разработки объединенной модели команда добавила к ней другие элементы, такие как спайдер-крепление, которое центрирует катушку и контролирует ее движение. В то же время продолжалась оптимизация объединенной модели для обеспечения сбалансированного режима диафрагмы — это ключевой момент в технологии BMR, позволяющий ей правильно работать в гарнитуре Valve Index® VR и гарантировать захватывающие впечатления самым разным пользователям. Итоговая сопряженная мультифизическая модель BMR-динамика. Визуализированы магнитная индукция привода и полные перемещения подвижных частей (диафрагма, корпус катушки и крепление) на частоте 5 кГц. / © COMSOL Когда динамики полностью отладили, пришло время заняться крепежом и подвергнуть нелинейному анализу его геометрию. «Мы деформируем подвеску и смотрим, как ее жесткость меняется при смещении, — говорит Уитвелл. — Тут тоже есть большой простор для оптимизации». Он подчеркнул, что такая оптимизация особенно важна в этом проекте: «Все шумы в динамиках и все искажения будут очень и очень отчетливо слышны пользователю». После того как подвеска оптимизирована, ее вновь помещают в объединенную модель. «Мы должны убедиться, что все необходимые характеристики сохранились, — добавляет Уитвелл. — Затем можно приступать к созданию прототипа». Королева VR-гарнитур После того, как Tectonic Audio Lab успешно завершила оптимизацию и прототипирование продукта, Valve Corporation вывела свою гарнитуру на рынок и заслужила много положительных откликов. Один из них принадлежит популярному ютьюб-каналу под названием Linus Tech Tips, который ведет Линус Себастьян. Тематика его выпусков широка: от объяснения, зависит ли скорость вашего компьютера от объема оперативной памяти, до обзора новейших беспроводных клавиатур и советов, как собрать корпус PC Tower из картона. Конечно же, там есть тесты VR-гарнитур. В какой-то момент на канале Linus появился выпуск под названием «Может, VR и не мертва...», где рассмотрел гарнитуру Valve Index®. Поначалу он с недоверием отнесся к наушникам, но, попользовавшись ими один день, был впечатлен. «Надо отдать должное этим динамикам, — сказал Линус Себастьян. — Они в самом деле звучат потрясающе!» Остальную часть видео Linus посвятил изучению спецификаций гарнитуры. В конце Linus, держа в руках гарнитуру Valve Index® и глядя прямо в камеру, произносит: «Да это просто королева игровых VR-гарнитур!» *Valve Index является зарегистрированным товарным знаком Valve Corporation.

Пять мифов о неоригинальных картриджах

info@naked-science.ru (Naked Science) — Tue, 27 Jul 2021 06:54:54 +0000

Почему невыгодно покупать доступные аналоги вместо оригинальных расходных материалов? Низкая цена — не что иное, как хитрый рекламный ход для продажи как можно большего количества совместимых картриджей. Потребителю кажется, что он совершил выгодную покупку, но в итоге он получает лишь набор проблем и дополнительных скрытых расходов. Оригинальные чернильные картриджи стоят дороже совместимых вариантов, но обладают рядом уникальных преимуществ, которые полностью окупают их цену. В итоге они обходятся даже дешевле «экономичных аналогов» — объясняем, почему так происходит. Миф № 1: совместимые картриджи экономят бюджет На первый взгляд этот миф кажется правдой, но он в корне неверен. Покупка совместимых расходных материалов выглядит заманчивой, особенно при больших объемах печати — например, в крупных офисах. Но даже в том случае, если набор неоригинальных картриджей изначально обойдется в два раза дешевле, ненадежность этих материалов приведет к значительным скрытым тратам, которые сведут на нет всю экономию. Совместимые аналоги обойдутся в среднем на 25% дороже оригиналов за счет более частого обслуживания принтера, поломок и повторной печати. Это подтверждают расчеты HP, основанные на результатах исследования картриджей для черно-белой печати, проведенного компанией SpencerLab в 2019 году. ©vegasinkandtoner.com Еще одно интересное исследование, проведенное Buyers Laboratory, выявило, что принтеры на основе оригинальных картриджей печатают в среднем на 50% больше страниц, чем устройства, на которых установлены совместимые расходные материалы. Таким образом, сэкономив на покупке картриджей, вы сможете сделать в два раза меньше отпечатков — при этом часть из них потребует повторной печати. В итоге вырастет стоимость одной напечатанной страницы — ведь мало кто задумывается о скрытых затратах на дополнительный расход бумаги, электричества, чернил в картридже и, что немаловажно, рабочее время сотрудников! Добавим к этому тот факт, что при сбоях в работе принтера сотрудники не смогут получить нужные им отпечатки и будут вынуждены тратить время на вызов специалиста или самостоятельный ремонт устройства печати. В некоторых случаях это может парализовать работу всего офиса и тем самым повлечь за собой дополнительные убытки. Миф № 2: совместимые картриджи такие же надежные, как оригинальные Пожалуй, самый распространенный миф — надежность неоригинальных расходных материалов. Казалось бы, что может пойти не так, если установить в принтер совместимый расходник? Чтобы перестать верить в это заблуждение, достаточно взглянуть на цифры. В 2019 году компания SpencerLab провела исследование надежности картриджей для черно-белой печати, во время которого сравнила оригинальные картриджи HP для принтеров HP Pro 400 M402 и МФУ M521dn (модели HP 26A и 55A) с картриджами пяти других брендов. В результате исследования стало ясно, что 49% неоригинальных картриджей выходят из строя во время эксплуатации или сразу после установки — то есть почти половина из них оказывается непригодна для печати. ©Wikimedia Commons Еще одно исследование, проведенное по заказу HP в 2018 году компанией Market Strategies International, выявило, что компании, в которых используют неоригинальные картриджи, в четыре раза чаще обращаются в службу поддержки из-за сбоев в процессе печати. Кроме того, согласно исследованию, проведенному Buyers Laboratory, четыре из пяти принтеров, которые непрерывно использовались с совместимыми картриджами, получили необратимые поломки. Дело в том, что оригинальные расходные материалы адаптированы специально для работы с конкретным принтером: они обладают надежной конструкцией и содержат чернила, выполненные по особой рецептуре. Совместимые картриджи зачастую сразу имеют дефекты в конструкции, которые могут привести к отказам в работе или вовсе стать причиной неустранимой поломки принтера. Миф № 3: совместимые картриджи обеспечивают такое же качество печати, как оригинальные Многие думают, что вид отпечатка зависит не от расходных материалов, а от принтера. На самом деле, это не так: до 70% качества печати зависит от конструкции картриджа. Согласно упомянутому выше исследованию SpencerLab, принтеры с неоригинальными расходниками выдают на 19% меньше пригодных страниц из-за низкого качества печати. Это вынуждает пользователей многократно перепечатывать документы вместо того, чтобы заниматься основной работой. Если вы хотите получать качественные отпечатки с первого раза, а не бороться с принтером, лучшим решением будет установка оригинальных картриджей. Это даст гарантию качества печати и сэкономит немало времени для более важных задач. Миф № 4: со временем засыхают все картриджи — как совместимые, так и оригинальные В отличие от пигментов, которые используются в СНПЧ, чернила в оригинальных струйных картриджах не засыхают, даже если вы долго не пользуетесь принтером. Благодаря конструкции корпуса и уникальному составу чернил, такой картридж может храниться до 90 дней без ущерба для качества печати. ©Wikimedia Commons Совместимые картриджи, наоборот, имеют тенденцию высыхать и засоряться, если они не используются. Применение неоригинальных расходных материалов может привести к их полной замене при длительном отсутствии сотрудников — например, во время новогодних праздников. Согласитесь, вернуться из отпуска в офис, где не работает ни один принтер, — не самая приятная ситуация. Миф № 5: формула чернил в оригинальных и совместимых картриджах идентична Это неправда — как и миф о том, что все картриджи быстро засыхают. Чернила играют важную роль в качестве печати: процесс их изготовления и правильный состав особенно влияют на итоговый вид отпечатка. Чернила в оригинальных расходных материалах изготовлены по уникальной рецептуре: они водостойкие, устойчивы к маркерам и позволяют создавать четкие отпечатки высокого качества на протяжении всего срока службы. От состава чернил зависит не только качество документов, но и их долговечность, ведь существующие правила архивирования документов требуют хранить отдельные бумаги десятки лет. Только оригинальные картриджи позволяют получить отпечатки, которые будут много лет сохранять первозданный вид. Чтобы сэкономить, производители совместимых картриджей зачастую нарушают техпроцесс изготовления и состав чернил. В итоге аналоги получаются дешевле фирменных картриджей, но не могут конкурировать с ними в качестве печати. Они не обеспечивают равномерное и четкое окрашивание, а иногда даже нарушают правильную работу принтера. Если сложить вместе все вышесказанное, вывод становится очевиден: покупка оригинальных расходных материалов защитит бизнес от скрытых трат и обеспечит гарантию качества печати и надежной работы принтеров. Единовременная экономия на покупке совместимых картриджей в долгосрочной перспективе повлечет дополнительные затраты, которые минимум на 25% больше, и приведет к постоянным сбоям в работе компании. Как гласит народная мудрость: скупой платит дважды, а бесплатный сыр всегда только в мышеловке.