⚡️О закономерностях подземного пространства

Считается, что внутреннее строение Земли со времен профессора В. А. Магницкого (1965 год) до сих пор остается крупнейшей проблемой современного естествознания. У ученых есть концепция изучения литосферы, но нет научно обоснованной концепции освоения подземных областей пространства рациональными технологиями.

Пока инженеру предлагаются тектонические карты регионов, указывающие на историю образования разломов, дислокаций и узких глубинных каналов. Есть отрывочная информация по уровню их магнетизма, водопроницаемости и удельной электрической проводимости подземных пластов. Попытки самостоятельно найти связь между 12 гидрогеологическими и геокриологическими районами России и 17 тектоническими подземными структурами с сотней типов грунтов в разных регионах оказались бесполезными. Использовать карты геодезистов, геологов и почвоведов для проектирования объектов и их грамотного размещения практически невозможно, так как в них нет информации о динамике движения подземных энергетических и материальных потоков.

Причина бесполезности геологических, геодезических, почвенных, гидрогеологических и даже спелеологических карт для практического проектирования безопасных и устойчивых объектов кроется в их узковедомственной интерпретации. В каждой научной дисциплине разрабатывается собственная карта регионов, свои теории и классификаторы, которые совершенно не стыкуются с другими науками и поэтому не осознаются инженерами-проектантами производственных, транспортных, информационных и энергетических систем. Отсутствие понятного языка терминов и определений не позволяет сформировать порядок действий проектанта: что можно делать, а что категорически нельзя.

⚡️Эксперты портала «Техносфера, подъем!» считают, что для избежания неопределенностей при проектировании подземных объектов и обеспечения их функциональной устойчивости в течении заданного срока эксплуатации в той или иной точке подземного пространства сегодня надо знать три экспериментально доказанные и проверенные на практике закономерности, сформулированные российскими учеными:

1️⃣ О механизмах регулирования скорости образования углерода, кислорода и вод подземной гидросферы (Азарий Александрович Баренбаум).
2️⃣ О закономерностях прохождения глубинных газов через оболочки литосферы и атмосферы (Владимир Леонидович Сывороткин).
3️⃣ О «числовых правилах» моделирования поведения минералов в технологических условиях на основе знания их природной структуры и энергетической плотности (Вадим Сергеевич Урусов).

Новые знания о протекающих под нашими ногами процессах, возможно, кем-то из ученых не признаются. Но именно их креативность дает проектанту возможность исключить из проектной практики «случайные» выбросы метана в шахтах, избежать оползней на дорогах и прорывов плотин, предупредить карстовые провалы и грозовые пожары, которые, как оказывается, вовсе не вероятностные аномалии, а количественные закономерности природы.

#ОКрасивыхЗакономерностяхОП

➡️ Подписаться на канал

❗️О единой и надежной энергосистеме

Мы уже писали о научных идеях, которые хоть как-то способны обеспечить потребителю стабильное качество электроэнергии. Такие новации считаются трудно реализуемыми на практике, так как техническая политика в области качества электроэнергии в стране окончательно не сформирована. До сих пор длина линий электропередач от источника энергии до объекта ограничена техническими возможностями прошлого века (сечением провода, удельной проводимостью, мощностью приемника, потерей напряжения и т. д.), а нормативные требования не учитывают возможности альтернативных источников энергии.

Поэтому в университетах идет мощный процесс генерация новых идей. Так, в августе сообщили, что в ЛЭТИ разработано техническое решение, позволяющее исключить остановку, например, электродвигателя при отключении основного источника тока. Алгоритм защиты настроен так, что в течении 20 мкс начинает работать резервный источник. Однозначно можно утверждать, что потребность в таких быстродействующих «двойниках» источников энергии огромна. Они нужны в каждом доме, в офисах и на промышленных объектах, в центрах сбора и обработки информации, так как исключают программные сбои, порчу электронного оборудования и предотвращают аварии.

⚡️По мнению экспертов портала «Техносфера, подъем!», работа ученых ЛЭТИ требует продолжения для того, чтобы научиться синхронизировать системы переключения не двух, а нескольких альтернативных источников энергии. Пока в созданном прототипе в качестве резервных используются литиевые батареи, что для отдаленных и малонаселенных районов затратно и проблематично.

В отдаленных точках пространства есть энергия солнца, потоков ветра, воды и даже тепла почвы и биомассы. Оказывается, что все эти источники мы уже умеем объединять в одну энергосистему. Известно, что в период 2003–2013 гг. в России была создана и апробирована система электроснабжения объекта на основе пятнадцати различных по принципу действия источников энергии. Это так называемый энергетический септ-кластер. Уральские ученые разработали соответствующую математическую модель такой кластерной системы и создали алгоритм расчета, который позволяет определять даже районы ее потенциального размещения, оптимальную структуру и мощность каждого источника энергии.

Получается, что для создания мобильных, компактных и надежных источников энергии у нас все есть. А для обеспечения потребителей качественной энергией в любой точке страны и мира ученым ЛЭТИ остается только встроить в «септ-кластер» свою уникальную интеллектуальную систему синхронизации различных потоков энергии. Только в этом случае мы можем говорить о наличии в стране не просто единой, а надежной и качественной энергосистемы.

Как говорится, флаг вам в руки.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️Особенности освоения водного пространства

Размещая технические комплексы в водной среде, человек решает три типовые задачи: исследовательскую, потребительскую и транспортную. Для их решения нужны водные объекты. Поэтому первая особенность процесса освоения водного пространства связана с КПД объектов, функционирующих за счет сжатия, нагрева или охлаждения воды. Так как этот показатель вот уже более 200 лет не поднимается выше 30%, то возникает желание найти альтернативные решения термодинамическим нагрузкам. Тем более что Природа демонстрирует нам разные варианты превращения энергий как за счет создания минимальной разницы давлений в пространстве, так и за счет вечного и самого энергоэффективного процесса круговорота воды — «испарение – конденсация».

❗️Знание этой особенности может привести инженера даже к отказу от некоторых типов водных объектов. Например, никто же не мешает нам вместо рыболовецких траулеров использовать береговые генераторы низкочастотных акустических сигналов, передаваемых с определенной кодовой последовательностью, для привлечения рыбных косяков в сети. Этот эффект был уже доказан. Надо дерзать.

Вторая особенность заключается в том, что знания о воде доступны не всем инженерам. Оказывается, научная дисциплина «Гидрология» представляет знания для географов, климатологов и гляциологов, но только не для инженеров, конструкторов и технологов. Возможно, по этой причине мы не знаем о «плотностной аномалии» воды или о ее способности как газово-солевого раствора аккумулировать тепло или растворять материалы. Надо же нам как-то использовать уникальное свойство так называемой капиллярной воды замерзать при минус 30°С или тройную зависимость воды «соленость – температура наибольшей плотности – температура замерзания», о которой нам никто не говорил.

Все это инженер должен не просто знать, а понимать, чтобы уметь регулировать свойства воды и создавать механизмы управления ее состояниями. Это главная задача нового поколения ученых и инженеров. Пока же все знают, что бесценная вода у нас считается «экономическим продуктом», т.е. покупается и продается, даже несмотря на то, что она грязная и требует все более и более изощренных и дорогих методов очистки.

В качестве третьей особенности процесса освоения водного пространства необходимо отметить отсутствие оперативной системы мониторинга подвижного водного пространства и статичные инструментальные методы исследования параметров воды (плотность, соленость и т.п.). Пора думать о полномасштабном внедрении дистанционных методов контроля состояния и поведения водных потоков всего лишь по одному контрольному параметру, например по уровню газового насыщения воды. Именно этот параметр, как утверждают ученые, является самым информативным с точки зрения безопасности освоения водного пространства.

В следующей публикации поговорим об особенностях проектирования объектов в подводной области пространства.

#ОКрасивыхЗакономерностяхОП

➡️ Подписаться на канал

⌨️ Дайджест научных достижений и инноваций России за прошедшую неделю (19-25 августа)

📍МОСКВА
💙НИУ «МЭИ» успешно выполнил разработку компонентов гибридной силовой установки для тяжелого беспилотного воздушного судна ОАК-ОКБ Сухого. БПЛА С-76 имеет 8 винтов для вертикального взлёта и посадки, приводимых во вращение электрическими двигателями через силовые полупроводниковые преобразователи.

📍МОСКОВСКАЯ ОБЛАСТЬ
💙На площадке подольского Научно-исследовательского института Научно-производственного объединения «ЛУЧ» разработали опытный образец установки селективного электронно-лучевого плавления порошка (СЭЛП) с высокотемпературным подогревом рабочего объема.

📍САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
💙Ученые ЛЭТИ создали прототип источника бесперебойного питания, превосходящий аналоги по уровню энергоэффективности, КПД и времени подхвата нагрузки.

📍ПЕРМЬ
💙Ученые Пермского Политеха изучили возможность изготовления экологически чистого нетоксичного биосорбента из бурых водорослей, так как они содержат множество активных групп, способных связывать ионы металлов.

📍РОСТОВ-НА-ДОНУ
💙Умный материал, способный менять свою структуру под воздействием света, создали ученые Южного федерального университета в составе международного исследовательского коллектива.

➡️ Подписаться на канал

❗️О недодуманных идеях и недоделанных технологиях

Надежность любого технического устройства обеспечивается технологическими методами. Это факт, и с ним никто не спорит. Например, ресурс работы ГТД зависит от стабильности технологических режимов изготовления лопаток турбины. Такой стабильности сегодня нет, так как промышленная технология их монокристаллического литья дает более 60% бракованных заготовок. По сути, такая технология неприемлема в принципе, так как противоречит здравому смыслу и экономическим интересам.

Университеты каждый год генерируют все новые и новые идеи и технические решения для снижения брака. В 2021 году самарские ученые еще раз оценили причины дефектов и разработали не только вполне подходящие технические решения, но и предложили изменить конструкцию лопатки и полностью перейти на аддитивные технологии их серийного изготовления. К сожалению, научные идеи и технические решения остаются без реализации.

⚡️По мнению экспертов портала «Техносфера, подъем!», основная проблема в том, что техническое противоречие в системе «качество детали – надежность турбины» порождено разделением функций конструктора, материаловеда и технолога производства. Такая сегментация в двигателестроении не работает — это же не сборочный конвейер. Пока ученые, конструкторы и материаловеды не объединятся для проектирования безотходных промышленных технологических процессов с математически точно выверенными режимами работы оборудования и объективными методами контроля, это противоречие будет обостряться бесконечно.

Этому учит наша история. Известно, что инженер П. Д. Кузьминский в 1892 году сам разрабатывал проект ГТД и сам же создавал технологию его изготовления. Таковой была и должна оставаться наша русская методология проектирования технических устройств и производственных систем.

Наглядным противовесом отечественной методологии проектирования является последнее предложение металлургов и химиков ПНИПУ для механического завода-изготовителя ГТД. Даже не упомянув о патенте сибирских ученых 2009 года, пермские ученые оформили еще один — на метод очистки лопаток ГТД от оксидной пленки с помощью того же фторида водорода. «Новизна» пермских ученых в том, что вместо соляной, серной или азотной кислот на механическом заводе предлагается использовать еще более ядовитую.

⚡️Будем считать это предложение недодуманным и недоделанным. Тем более что в своих исследованиях химики не учли более совершенные лазерные методы очистки, которые для механических производств выгоднее, чище и быстрее.

Так как исследование проводилось на немецком оборудовании и только с одним образцом лопатки, ученые не смогли сформировать полноценный технологический процесс и объяснить, что же делать дальше с кислотными смесями и отходами оксидов на заводах. Да и задач им таких никто не ставил. А надо бы.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️О нефтяной науке

Функциональная устойчивость производственных систем, добывающих углеводороды, больше зависит от финансовой системы, чем от сырья и энергии. Не секрет, что и научные новации мало влияют на технологии добычи нефти и газа, так как процессы разведки, проектирования, добычи, транспортировки и переработки сырья методологически отдалены друг от друга, а регулирование объемов добычи осуществляется торговыми биржами.

Конечно, хотелось бы, чтобы все эти процессы решались одновременно в рамках одной системы управления без виртуальной оценки «эффективности добычи». Но в динамике такая модель управления непосильна для человека, так как требует учета полсотни производных технологических показателей. Поэтому, например, казанские ученые, используя нейросети, решили автоматизировать процесс, чтобы объективно рассчитать хотя бы объемы нефти в одной скважине и выбрать рентабельный (но не рациональный) метод ее добычи.

Ученые уже давно говорят о необходимости реанимации принципа «рациональности» при проектировании добывающих производственных систем. Проектанту требуются простые и ясные критерии разработки месторождений с учетом конкретных геологических условий и времени их эксплуатации. До сих пор у нас ничего этого нет, кроме огромного опыта, уникальных научных идей и отложенных технических решений.

Так или иначе, но решать накопившиеся в отрасли за последние сто лет технические противоречия придется новому поколению инженеров-нефтяников. Сегодня для выбора направлений развития добывающих технологий ученые предлагают два вектора.

💙Первый направлен на продолжение интенсивной добычи сырья с улучшением методов определения «точности контроля добычи нефти и газа» (СПбГУ) и моделирования процессов «перемещения тепла и нефти в скважине» (ПНИПУ). В этом же направлении работают и сибирские ученые, предлагая для разрыва пластов использовать полимерные гели с наночастицами оксидов кремния и алюминия. Это все старо, опасно и затратно.

💙Второе направление развития технологий добычи углеводородов связано с переводом нефтегазовых месторождений на равновесный режим работы, при котором отбор сырья из скважин компенсируется их естественным восполнением в залежах в соответствии с биосферной концепцией восстановления углеводородного потенциала. Теоретические выводы концепции обоснованны и подтверждаются практикой, что исключает негативные последствия от эксплуатации скважин для всех, в том числе и будущих поколений. Это разумный вектор, и он неизбежно приведет к созданию компактных и мобильных технологий переработки сырья в месте их добычи.

Наверняка существуют и иные направления развития технологий добычи сырья, о которых непременно надо говорить и обсуждать все варианты технических решений без оглядки на традиции, ведомственные желания, личные амбиции и научные интересы.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️Особенности освоения подводного пространства

Это недружелюбная для человека среда, хотя в составе воды и атмосферного воздуха практически одни и те же химические элементы. В подводной среде есть три источника опасности и затрат: высокая плотность воды, уровень ее солености и непредсказуемый механизм насыщения газами.

Для трансформации такой среды под свои цели нужно отказаться от типовых технологий «добычи» и начинать проектировать совершенно новые технологии «освоения». Их у нас нет, возможно, потому, что цели нашей Морской доктрины обозначены для инженера не так однозначно, как хотелось бы. Например, в водах Тихого океана нам нужно лишь «найти» железомарганцевые конкреции и кобальтовые корки, а в Атлантике надо уже «разведать и добыть» полиметаллические сульфиды. На дне Азово-Черноморского бассейна опять необходимо только «разведать» месторождения углеводородов, а в водах Балтики планируется «мониторить» места захоронения химического оружия. Как эти задачи решить быстро, дешево и рационально, мы пока не знаем.

Ученые при исследовании подводного пространства интерпретируют его состояние и поведение на основе лишь трех параметров: плотностная стратификация воды, ее теплопроводность и адвекция тепла и холода подводными течениями. Этого недостаточно даже для формирования требований технического задания, в том числе и на создание обитаемых объектов. До сих пор при их проектировании инженер руководствуется правилом «чем дольше требуется пребывание человека на объекте, тем больше должен быть его объем». При существующих знаниях освободиться от этой зависимости очень трудно, но надо.

❗️Беда еще в том, что морфологию дна рек, морей и океанов изучают одни ученые, фауну и флору подводных зон — другие, а химические свойства каждого слоя воды и физические процессы — третьи. Остаются неизученными множество видов электромагнитных полей, которые формируются в подводных пространствах и являются основой прогностической информации о биологически опасных природных явлениях. Огромные ошибки и неопределенности вносят в прогнозы ученых никем не учитываемые опасные отходы и электромагнитные загрязнения, поступающие в подводное пространство от энергетических, транспортных и производственных систем.

Возможно, что в этой ситуации надо говорить о повышении роли проектанта подводных объектов, который просто обязан связывать результаты всех разрозненных исследований в каждом новом проекте для проведения математического и физического моделирования подводных процессов. Без этого ничего не получится. Очевидно, что для обеспечения функциональной устойчивости каждого подводного объекта вопросы о материалах его конструкции, системах жизнеобеспечения, устройствах связи, навигации и движения потребуется решать индивидуально, исходя из целей освоения каждого стратегически значимого для страны регионального направления. И это остается главной особенностью процесса освоения подводного пространства.

#ОКрасивыхЗакономерностяхОП

➡️ Подписаться на канал

⚡️Спиропираны

Так ученые-химики называют химические соединения, структура которых не разрушается, а только лишь изменяется при воздействии электромагнитного излучения. Интересно то, что структурные изменения длины связей или валентных углов между элементами в таких молекулах являются обратимыми, а значит, их можно использовать для выполнения простейших команд, типа «вкл.-выкл.».

Растворы с такой молекулой днем будут иметь один цвет, а ночью другой. Можно сделать так, чтобы при воздействии излучения с одной длиной волны живой организм засыпал, например на время хирургической операции, а при другой — просыпался. И это уже не фантазия, а достаточно доступная технология не только для медицины, но и для микробиологии, оптики и фотоники. Возможно, мы научимся с помощью гибридных и полифункциональных материалов управлять свойствами опасных химических соединений.

Для реализации этой научной идеи существует два ограничивающих препятствия, для преодоления которых нужны усилия не только химиков, но и физиков.

💙Первая трудность связана с технологией создания таких уникальных молекул. Поиск «грамотных подходов» к их дизайну, синтезу и увеличению времени существования продолжается в РХТУ и ЮФУ уже более 20 лет. Синтезировано больше сотни таких соединений, но все они используются только для исследований. Результаты всех исследований приблизительные, что не позволяет построить надежных корреляций «структура–свойство». Это означает, что химики-синтетики пока не могут «на заказ» создать структуры, наиболее подходящие для выполнения специфических функций. Последняя информация от ростовских ученых хоть как-то обнадеживает, что у них что-то уже получается.

💙Вторая проблема в том, что даже при наличии промышленной технологии синтеза «умных молекул» нам потребуются еще целая линейка генераторов электромагнитных излучений и знания всех спектров поглощения для управления их поведением в растворах, гелях, мазях, металлах, порошках и даже в газах. Проектной команде химиков для этого нужны физики и материаловеды. Очевидно, что для одних материалов диапазон длин волн может быть в области 650 – 1000 нм, а для других потребуется терагерцовый генератор и детектор. Если ученые-химики не будут думать над этими проблемами сейчас, то их исследования в области фотофармакологии так и останутся в статусе статей, диссертаций и нереализованных патентов. Но заказчики и инвесторы упорно ждут от ученых реальных результатов и надеются, что у них все получится уже в этом году.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️Электрические беспилотники: прошлое, настоящее и будущее

Истории электрических транспортных систем в небе России не более десяти лет. Первый полет мотопланера АС-4-115 с одним электрическим двигателем компания «Авиастроитель» организовала в 2015 году. Уже через год полетел планер с двумя двигателями мощностью по 10 кВт. Заряда батарей хватало только лишь на взлет и полет на 80 км. Это было начало.

Уже к 2020 году компания «Суперокс» испытала электрический авиадвигатель на высокотемпературных сверхпроводниках мощностью 500 кВт. Это позволило компании «Туполев» через год начать разработку первого регионального пассажирского самолета с гибридной силовой установкой.

❗️Сегодня в России уже десяток проектных команд, осваивающих воздушное пространство России с помощью БПЛА. Одни создают бесшумные электродвигатели для городских беспилотников («Стронгвингс»), другие работают над многофункциональными системами с вертикальным взлетом и посадкой («Эколибри», «Ангравити», «Транспорт будущего»), а в СибНИА построили (видимо, общую для всех) летающую лабораторию для проверки и отработки новых идей и технических решений.

Подготовка высококлассных специалистов для новых транспортных систем ведется в университетах МАИ, МИСИС и МФТИ. Надо отметить, что это не просто обучение, а прямое участие студентов в конкретных проектах. Например, в НИУ «МЭИ» их силами создан преобразователь постоянного напряжения литиевого аккумулятора в переменное для питания восьми электродвигателей беспилотника С-76. Химики Казанского университета создали для планера особо прочные углепластики, которые после завершения его эксплуатации можно перерабатывать в фосфатные удобрения. В МИСИС сделали новый сплав, который увеличивает ресурс основных элементов аэротранспортных систем.

Главное, что у всех проектных команд есть заказчики и инвесторы. Правда, до сих пор кто-то из них требует от студентов и аспирантов отсылать информацию о созданных технологиях в европейские журналы, не понимая разницы между понятиями «престиж ученого» и «ущерб репутации». Возможно, именно такое глупое «международное сотрудничество» привело к тому, что сегодня у нас нет простых и надежных источников энергии для электрических беспилотников.

⚡️По мнению экспертов портала «Техносфера, подъем!», именно разнообразие источников энергии будет определять будущее беспилотной авиации в каждом регионе страны. Где-то бензин и китайская батарейка останутся как архаизм, но все-таки сменные воздушно-алюминиевые картриджи студентов МАИ или топливные элементы ученых ИПХФ РАН гораздо выгоднее их по всем параметрам. Во-первых, конструктивно наши разработки намного проще, во-вторых, можно легко обеспечить 10-часовую продолжительность полета в экстремальных условиях. В-третьих, технология дает возможность регулирования мощности силовой установки от 0,5 до 500 кВт. Да, придется еще поработать, но главное — никакой зависимости от других. Все свое, доступное и дешевое. Именно в сторону такого будущего и надо делать выбор.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️В конце 20-го века ученые-нефтяники начали вслух говорить о том, что мы неправильно строили, эксплуатировали и консервировали скважины только потому, что не знали и не ведали о характерном 30-40-летнем цикле формирования нефти и газа в природной системе по механизму геосинтеза подземных вод и углекислого газа с попутным образованием кислорода и водорода. Так начала формироваться новая наука о механизмах образования углеводородов.

Самое интересное заключается в том, что со временем эти теоретические обоснования подтверждаются на практике. Не все могут понять, что скважины по своим свойствам схожи с колодцами для отбора воды. Сколько бы мы ни взяли из такого колодца нефти или газа, через определенное время он опять наполнится ценным природным продуктом. Требуется сделать эксплуатационный перерыв. И не надо, как говорится, плевать в свой колодец, разрывая пласты земли, заливать ее кислой водой или вечно бетонировать скважину только для того, чтобы продать кому-то еще один дополнительный баррель нефти. Предлагается просто услышать ученых, которые к тому же научат считать баланс между объемом отбора нефти и объемом ее образования в подземной «углеводородной ловушке».

❗️Ученые уже обсуждают необходимость реанимации принципа рациональности при проектировании добывающих производственных систем. Кто будет этим заниматься «по-взрослому», мне непонятно. В университетах этому не учат. А надо бы.

Так или иначе, но решать накопившиеся в отрасли за последние сто лет технические противоречия придется новому поколению инженеров-нефтяников. Хочется верить, что устаревшие правила эксплуатации нефтегазовых хозяйств изменятся.

Начинать надо с самых негативных. Во-первых, очевидно, будут навсегда забыты методы гидроразрыва пласта, разрушающие естественные природные «ловушки» нефти и газа. Во-вторых, темпы извлечения нефти из недр не будут превышать темпов ее естественного пополнения. В-третьих, уже сейчас ясно, что транспортировка нефти и газа на тысячи километров от скважин является затратной как для поставщика, так и для потребителя. Поэтому для сохранения природного баланса на российском пространстве выгоднее будет торговать не углеводородами на биржах, а продуктами их переработки непосредственно в месте добычи.

А это означает, что пора учиться проектировать компактные и мобильные комплексы, размещаемые вокруг скважины, для одностадийной переработки углеводородов в множество полезных продуктов. Проектанту требуются простые и ясные критерии разработки месторождений с учетом конкретных геологических условий и времени их эксплуатации. До сих пор у нас ничего этого нет, кроме огромного опыта, уникальных научных идей и отложенных технических решений.

Подробнее читайте в «Стимуле».

➡️ Подписаться на канал

❓Зачем физики «закручивают» свет?

Этот интригующий термин появился в 1995 году, когда физики экспериментально убедили себя в том, что микрочастица, поглощая свет в центре лазерного луча, начинает вращаться вместе с ним. Получается, что «закрученность» — это характеристика любого волнового процесса, о которой мало кто говорит только потому, что привыкли рассматривать колебания на плоскости, а не объемно.

В прошлом веке физики смогли создать технологии «закрутки» радиоволн в атмосфере Земли за счет изменения формы антенны, провели лабораторные эксперименты по закручиванию потока фотонов высокой энергии (рентген) и даже подтвердили возможность управления микрочастицами вещества с помощью «закрученного» лазерного пучка света.

Сегодня физики Университета ИТМО с помощью лазера учатся делать световые «вихри» в видимом диапазоне длин волн, а в Сколковском институте науки и технологий — в ультрафиолетовом. Со стороны кажется, что их расчеты схожи с переливанием из пустого в порожнее. На самом деле расчеты убедительны и стимулируют проведение экспериментальных работ, которые преследуют две цели:

💙 ускорить работу систем связи за счет увеличения информационной емкости световых импульсов при их передаче через оптоволокно. Для этого надо изменить технологию производства оптоволоконных кабелей, кратно увеличив их длину;

💙 изучить свойства различных магнитных материалов и научиться управлять поведением сложных органических молекул. Для этого нужно еще создать мгновенный (пикосекундный и ниже) переключатель световых импульсов.

Кроме сложных, но реальных прикладных задач существует еще и фундаментальная, более интересная. Во-первых, надо понять, за счет каких сил сохраняется вращение луча и почему он не распадается на фотоны, а наоборот, их энергия и импульс словно наматываются на воображаемую ось в сторону распространения волны. Во-вторых, можно исследовать еще не познанный процесс неразрушающего взаимодействия светового пучка с объектом на атомарном уровне, например с электроном.

По сути, физики без биологов приблизились к пониманию механизма фотосинтеза, где энергия от одного объекта к другому передается не за счет разрушения (сжигания) первого, а путем мягких волновых воздействий на структуру второго. Если это так, то осталось совсем немного: надо сделать волновую технологию «закручивания света» управляемой во всем диапазоне длин волн электромагнитного излучения.

Для инженера, проектанта и технолога многое из того, что делают физики, остается непонятным, но перспективы получить такую рациональную технологию — очень заманчивые.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⌨️ Дайджест научных достижений и инноваций России за 26 августа - 8 сентября

📍МОСКВА
💙Материаловеды МГУ имени М.В. Ломоносова разработали альтернативные способы синтеза эффективных люминофоров и материалов для детекторов ионизирующих излучений на основе галогенидов меди.

💙На химическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова вырастили крупные монокристаллы веществ со сверхпроводниковыми свойствами.

💙Инженеры «МЭИ» разработали энергоустановку, гидравлическая турбина которой создана с учетом особенностей строения плавников горбатого кита. Она не только производит электричество, но и использует тепло для отопления и горячего водоснабжения.

📍ПЕРМЬ
💙Ученые Пермского Политеха изучили возможность очистки промышленных стоков от тяжелых металлов кормовыми дрожжами.

💙В ПНИПУ разработали способ регулирования содержания хризотил-асбеста в строительном щебне. Метод не только обеспечивает качество покрытия, но снижает производственные затраты.

📍РОСТОВ-НА-ДОНУ
💙В ЮФУ отработали методику переработки отходов сахарного тростника в дешевый катализатор для расщепления воды.

📍САМАРА
💙Ученые Самарского государственного технического университета обосновали возможность простого синтеза и выгодного применения натрий-проводящих материалов для аккумуляторов.

📍БЕРЛИН
💙Ученые Университета Шарите раскрыли сенсорные инструменты рыб и доказали, что они способны определять направление к источнику звука и предложили версию уникального механизма слухового аппарата.

➡️ Подписаться на канал

❗️Отказаться от гигантизма

Компактность и мобильность — основные признаки производственных систем ближайшего будущего. Их создание в России начато в двух направлениях:

💙проектирование мобильных и полностью автономных технических комплексов для непрерывного производства широкой номенклатуры продукции из местного природного сырья и производственных отходов. Площадь таких комплексов (до 30 м2) позволяет перевозить их любым видом транспорта;

💙создание мини-реакторов с системой дозирования газов и жидкостей по каналам микронной размерности для проточных технологий синтеза химических соединений, биологических субстанций и лекарственных средств.

Для таких технических комплексов инженерные сообщества должны уметь проектировать технологическое оборудование с регулируемыми объемами смешения различных компонентов. В конструкции таких реакторов не должно быть узлов трения, а рабочие поверхности чаш смешения должны иметь свойство самоочищения.

Есть три очевидных преимущества новых технологий.

💙Во-первых, у технолога расширяется номенклатура исходного сырья, использование которого в традиционных смесителях с механическими органами смешения ограничивается пожарной опасностью или токсичностью.

💙Во-вторых, на одной технологической мини-установке можно без отходов получать множество полезных продуктов. При этом обеспечивается полная однородность смешения компонентов с различной концентрацией и вязкостью.

💙В-третьих, если в технологиях прошлого века параметр «производительность оборудования» всегда имеет фиксированное значение, то реакторы для мини-технологии дают возможность регулирования производительности от нескольких граммов до сотен килограммов и более.

Изготовление уникального технологического оборудования в России уже начато в инжиниринговом центре ГК «Титан», а безопасные и одностадийные технологии разрабатываются в научных и учебных лабораториях ЮФУ, ИТМО и РХТУ. Пока все работают без взаимодействия друг с другом, хотя очевидно, что здесь нужен не один химик-технолог, а единая проектная команда в составе мехатроника, математика, химика, физика и кибернетика.

❓Смогут ли наши ученые общими усилиями справиться с новыми технологическими задачами, еще непонятно, но вся надежда на самостоятельных молодых ученых и инженеров. Будущее поколение будет оценивать их работу не количеством патентов и статей в европейских журналах, а увеличением числа потребителей нового оборудования, эксплуатация которого не вызывает никаких негативных последствий для окружающего пространства и человека в нем.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️О горном инженере и его добывающих технологиях

К классу добывающих будем относить те промышленные технологии, которые обеспечивают исходным сырьем перерабатывающие технологии. Вся совокупность знаний о том, как проектировать, строить и эксплуатировать шахты, скважины и рудники для добычи угля, нефти, металлических руд и минералов, сконцентрирована в горной науке.

В России около сотни научных и образовательных школ, где знают о технологиях добычи сырья все. Ведь для того, чтобы по внешним характеристикам ландшафта научиться интерпретировать его внутреннюю структуру и содержание, надо знать не только геологию и гидрогеологию, но и геохимию, геофизику, минералогию, петрологию и даже металлогению. Получается, что вся механика любого месторождения и его геометрия подчиняются разуму горного инженера.

Если это так, то именно горный инженер является ответственным не только за качество добываемого сырья, но и за сохранение живого покрова Земли, так как именно его учат управлять, направлять и умно перестраивать природно-климатический ландшафт так, чтобы его регулятивная способность не исчезала.

В прошлом веке не все получалось добывать безопасно и рационально. К тому же процесс добычи всегда осложнялся непонятным строением рудных тел без каких-либо закономерностей. Если учесть, что так называемые вскрышные технологии добычи сырья в неоднородном пространстве, при которых до 70% рудной массы перелопачиваются впустую, являются грубыми, то, может, не стоит продолжать обучать всех их тонкостям студентов? Со стороны такое обучение старым технологиям кажется абсурдным занятием. Нужны новые методы добычи.

Академические ученые Уральского института горного дела уже начинают осознавать неловкость сложившейся ситуации и предлагают первые технические решения. Судя по патентам, в их основе — новые схемы формирования потоков руды и утилизация отходов непосредственно в выработанном подземном пространстве. Если то, что предлагает академик горных наук И. В. Соколов и его коллеги, реализовать на каждом месторождении, то, во-первых, сам процесс добычи становится в пять раз дешевле, а, во-вторых — никаких отходов.

❗️Уральские ученые теперь могут исправить свои прошлые проектные ошибки и пересмотреть, например, схему добычи кварца на Кыштымском ГОКе, исключив из нее цементные смеси. Ведь именно по причине несовершенной технологии до сих пор невозможно обеспечить необходимый уровень чистоты кварцевого концентрата для производства оптоволокна.

Если такие простые и уникальные технические решения будут постоянно генерировать наши научные школы и кафедры горного дела, то все добывающие технологии станут наконец-то рациональными и не будут иметь негативных последствий при эксплуатации. К этому и будем стремиться.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️В печати Луну часто называем «нашей», и это логично, так как мы первые рассчитали траекторию движения к ней, апробировали алгоритм полета, посадки и взлета и даже привезли лунный грунт в свои лаборатории.

Сегодня говорят и о больших затратах первого этапа освоения Луны с 1958 по 1972 годы. Да, может быть, они и существенные, но это был процесс, новый для всех ученых, которые действовали методом проб, ошибок или интуитивно. Поэтому «успешность» полетов к Луне не превышала в то время 40% и у нас, и у американцев.

Если же оценивать научно-технологическую составляющую первой лунной программы, то, кроме приобретенного опыта, надо выделить два наиболее существенных результата для будущих поколений исследователей.

💙Первый связан с четко зафиксированными угрозами пребыванию человека на Луне из-за наличия на ее поверхности острой и очень мелкой пыли (реголита), отсутствия в недрах жидкой воды, постоянной жесткой радиации и тектонической деятельности.

💙Второй и самый важный результат первого этапа исследований Луны — ее загадки, которые остаются нерешенными до сих пор.

Подробнее читайте в «Стимуле».

➡️ Подписаться на канал

⚡️Дайджест Роспатента

Заголовок «Десять лучших патентов» интригует и завлекает. Интересно же, почему Роспатент из всего огромного перечня действующих патентов (около 300 тысяч только в 2023 году) выделил лишь десять новаций, которые якобы соответствуют национальным целям развития страны. Критерии выбора «лучших» патентов Роспатент не озвучил, поэтому каждому представлена возможность самостоятельной оценки, что мы и сделали.

1️⃣ Патент RU2813259C1: субстрат для озеленения крыш домов.
2️⃣ Патент RU2603490C1: двухслойный пластырь для лечения местных воспалительных процессов кожи и мягких тканей.
3️⃣ Патент RU2787587C2: отечественный ДНК-калибратор для прогнозирования состояния ВИЧ-инфицированных пациентов.
4️⃣ Патент на отечественный ортез для дистанционной оценки состояния пациента после травм и ускоренной реабилитации.
5️⃣ Патент RU 2 790402: отечественный имплантат из полиуретанового каркаса, повторяющий геометрию ушной раковины.
6️⃣ Патент 2803314: блок диагностики для элементов солнечной фотоэлектрической электростанции.
7️⃣ Патент RU2796499C1: ультразвуковой расходомер газа.
8️⃣ Патент RU2368417C1: оксидный катализатор селективного окисления аммиака до азота.
9️⃣ Патент RU2819458C1: система навески закрылков крыла самолета.
1️⃣0️⃣ Патент RU2794376C1: технология производства керамики для изготовления режущего инструмента, огнеупоров, оптики и брони.

Надо отметить, что первые пять патентов действительно являются технологическими новациями и важны для сохранения здоровья и поддержания благополучия человека. Особенно уникальной и востребованной является технология изготовления импланта ушной раковины. Браво, Самара!

Отнести же к категории «успешных» следующую пятерку патентов очень трудно. По своей сути все они схожи с рационализаторскими предложениями, так как нацелены на получение локальных эффектов в производственных процессах. Например, очень трудно назвать «успешной» очередную модификацию газового счетчика Омского радиозавода, высокая точность которого (по информации самих же авторов патента) обеспечена ультразвуковым излучателем МЭМС китайского производства. Да и чувствительность сегодня нужна не для счетчика учета расхода газа, а для систем мониторинга и нейтрализации источников его утечки.

⚡️По мнению экспертов нашего портала, придание подобным патентам статуса «успешных», видимо, связано с требованиями Роспатента к участникам конкурса «Успешный патент». Оказывается, что для победы надо правильно оформить и вовремя представить конкурсной комиссии документы.

Очевидно, что при таком формальном подходе основная цель всей деятельности Роспатента никогда не будет достигнута и мы не увидим «положительного опыта по внедрению запатентованных технологий».

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

❓Информация для размышления

Сентябрьские сообщения с сайта «Научная Россия» о результатах научных исследований мы сгруппировали по четырем направлениям для понимания степени их практической реализации. Получилась такая картина:

Энергетика
💙В ЛЭТИ получены представления о динамике и потенциале фото- и термоэлектрических солнечных систем и выявлены ключевые факторы для регулирования их эффективности. Это задел на будущее.

Технологии
💙Биологи РАН создают технологию переработки твердых коммунальных отходов, не требующих огромных биореакторов и воды.

💙Биологи ПНИПУ смогли увеличить степень сорбции ионов цинка кормовыми дрожжами в «грязной воде» до 55%. Самым загадочным является одновременный процесс снижения содержания катионов кальция и магния в дрожжевой биомассе. Требуется продолжить работу совместно с биофизиками МГУ имени М. В. Ломоносова.

Методы контроля
💙Химики ЮУрГУ для оценки содержание в воде минимальных концентраций примесей апробировали стандартный мультиметр и предлагают отказаться от хроматографического метода анализа. Для ЦЗЛ это важно.

💙Биофизики Сибири показали возможность моментальной оценки уровня опасности веществ и стрессовых состояний человека с помощью светящихся бактерий. Это практически готовые экспресс-тесты.

💙НИЯУ МИФИ создает первый отечественный, самый скоростной и высокоточный масс-спектрометр для идентификации химических веществ. Вернулись к забытым советским идеям и воссоздали. А в медицинских университетах параллельно с процессом создания тандемного масс-спектрометра начат процесс обучения работы с ним.

Материалы
💙В интересах коммунальных хозяйств Сибири создан композит для полиэтиленовых труб, а в Перми исключен источник затрат при производстве асфальтобетона. Радует, что научные идеи пермских и сибирских ученых уже реализуются и работают на благо регионов.

💙В МГУ студенты получили экзотические монокристаллы для изучения явления сверхпроводимости и люминофорные соединения для детекторов ионизирующих излучений. Задел на будущее.

💙В МИФИ научились настраивать свойства перовскитов, стимулируя их переход из диэлектрического состояния в полупроводниковое. Это начало новой технологии.

Получается, что у нас есть кем и чем гордиться. Будем считать сентябрьские успехи началом нового научного года.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️Источники энергии для производственных систем 21-го века

Право осваивать территории России принадлежит ее будущему поколению инженеров и ученых, которые когда-то должны задуматься о том, как это сделать рационально и с пользой для всех. Тенденция такова, что промышленные гиганты прошлого века с этой задачей справляются плохо. Стандартные методы производства с использованием конвейерных технологий не дают нужного хозяйственного эффекта. Долговая нагрузка предприятий сравнима с их годовой выручкой, а устойчивое функционирование целиком зависит от стабильности ресурсных потоков и быстро меняющихся запросов потребителей.

Одним из рациональных вариантов для ближайшего будущего являются мобильные и компактные производственные системы с автономной системой управления и местными источниками материальных и энергетических ресурсов. Об этом уже давно говорят металлурги, химики, а также производители сельхозпродукции и строительных материалов. Даже в космосе начали работать технические комплексы с технологией синтеза лекарственных субстанций в условиях невесомости.

Кроме компактности (не более 30 м2) и высокой подвижности, главными аргументами в пользу таких систем считаются их незаметность, дешевизна, простота и возможность регулирования объемов производства широкой номенклатуры продукции на основе ресурсов именно того региона, где размещается комплекс.

Чтобы все это заработало, требуется проектное технологическое сообщество, ориентированное не на копирование, а на создание собственных технологических алгоритмов, программного обеспечения и технологического оборудования с регулируемой производительностью. У нас еще никто не проектировал подобные технические комплексы, обеспечивающие непрерывное функционирование оборудования на земле в течение не менее 8,0 тысяч часов с перерывами на техобслуживание.

Но надо с чего-то начинать. Например, оценка уровня автономности и надежности источников энергии, созданных в наших университетах и научных центрах, подтверждает возможность создавать компактные производственные системы в каждом регионе самостоятельно. Для этого у нас есть необходимый научный задел и такие работающие прототипы, как:

💙долговременная «атомная батарейка» на основе различных изотопов;
💙дешевый натрий-ионный аккумулятор МИСиС;
💙гибкий термоэлектрический генератор МИЭТ;
💙проточные редокс-батареи РХТУ и МГУ;
💙гравитационные накопители энергии;
💙гидрогенераторы МЭИ с регулируемой мощностью.

На практике все эти новации толком еще никто не использует, но потребности в них реально существуют в регионах. Пора уже начинать действовать и видеть в «батарейной индустрии» новый энергетический ресурс развития еще не обжитых территорий. В этом случае у нас действительно получится что-то полезное и рациональное.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

🔋Батарейные технологии

Есть очень хорошая информация о работе Батарейного технологического центра в Санкт-Петербурге. Оказывается, уже два года у нас отрабатывается отечественная технология изготовления полуфабриката (катодной массы) для трех видов аккумуляторных батарей: литий-ионных, натрий-ионных и твердотельных.

За это время химики научились синтезировать лабораторные объемы катодных материалов, используя китайское оборудование. Несмотря на грандиозные планы масштабировать технологию изготовления катодной массы до 10,0 тысяч тонн к 2030 году, инвестор (он же, видимо, и заказчик) пока не говорит о ее российских потребителях.

❗️Со стороны это похоже на рождение очень зависимой от множества факторов технологии изготовления катодного материала только для автомобильных аккумуляторов. Сегодня этого недостаточно. Практика показывает, что любая технология производства одного вида продукта на чужом оборудовании и на основе единственного источника исходного сырья превращает производственный объект в неустойчивую систему. Хотя давно известно, что из этого же сырья можно получить и долгоживущие аноды для хлорного электролиза, и субстраты для промышленной гидропоники, и многие другие полезные продукты.

❓Специалисты центра решают еще одну интересную задачу, связанную с переработкой аккумуляторных отходов и возвратом металлов в технологический процесс создания «никель-марганец-кобальтового» катода. Эту задачу шведы (компания Northvolt) как-то решили уже в прошлом году. Поэтому, чтобы не повторяться и не копировать, гораздо выгоднее будет вообще отказаться при изготовлении катодной массы от кобальта, который очень осложняет повторную переработку батарей.

Несмотря на все технические проблемы, Батарейный технологический центр создан и активно работает, наращивая свой потенциал и расширяя спектр решаемых задач в области материаловедения и управления процессами генерации, накопления и потребления энергии. В России таких центров высоких компетенций уже около десятка. Было бы очень важным их солидарное взаимодействие.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал

⚡️Глобальные изменения климата вынуждают человечество искать пути решения проблем, возникающих перед ним в результате этих изменений. Весь комплекс таких решений получил название энергоперехода. Мы беседуем с доктором физ.-мат. наук, профессором Сколковского института науки и технологий Андреем Осипцовым о возникающих перед Россией проблемах и путях их решения.

Энергопереход — это постепенная смена энергетических укладов. Когда мы говорим о четвертом энергопереходе, мы имеем в виду, что уже произошел переход от сжигания дров на уголь, от угля к нефти и от нефти к газу. Это, соответственно, были первый, второй и третий энергопереходы. А сейчас происходит четвертый, который состоит в постепенном отказе от углеводородов и переходе к возобновляемым источникам энергии и к водороду как низкоуглеродному способу хранения энергии.

Это первый вынужденный энергетический переход. Все остальные были движимы соображениями повышения эффективности использования энергии, ее удешевлением, повышением энергоемкости единицы массы энергоносителя.

Этот же энергопереход обусловлен глобальным климатическим кризисом. Человечество столкнулось с глобальными изменениями климата, которые происходят из-за парникового эффекта (постепенного неуклонного повышения средней температуры атмосферы вблизи земной поверхности вследствие накопления в атмосфере парниковых газов). К парниковым газам относят водяной пар, двуокись углерода, метан, оксид азота. Увеличение концентрации двуокиси углерода (СО2) и метана в атмосфере за счет деятельности человека по сжиганию углеводородов за период с начала индустриальной революции в середине XIX века принято называть антропогенным фактором глобального потепления.

Основной риск, который несет повышение температуры — не само потепление (оно относительно небольшое, 1-1.5 градуса Цельсия), а повышение частоты и тяжести последствий катастрофических климатических явлений, таких как ураганы, ливни, наводнения, волны жары, волны засухи и так далее. То есть мы можем говорить о том, что сложная климатическая система, включающая сушу, океан, криосферу и атмосферу, которая до сих пор находилась в условном состоянии равновесия, вследствие парникового эффекта и повышения средней температуры выходит из этого состояния. Повышаются частота и тяжесть климатических катастроф. Соответственно, энергетический переход — это предлагаемое решение проблемы глобального климатического кризиса.

Для России энергопереход заключается в постепенном снижении доли нефти и повышении доли газа в энергобалансе, а плавность энергоперехода должна состоять в том, чтобы отказаться от использования угля и перейти к использованию нефти в нефтехимии.

Подробнее читайте в «Стимуле».

➡️ Подписаться на канал

⚡️О токсичности

Чтобы начать проектировать устойчивую производственную систему, инженер должен знать состояние и динамику поведения всех элементов той области окружающего пространства, где планируются размещение технического комплекса и эксплуатация промышленной технологии. Так было всегда. К сожалению, сегодня, кроме информации о тектонике, магнитных и температурных полях, в перечень исходных проектных данных должны включаться и параметры токсичности воздуха, воды и грунта.

Причина усиления требований к проектам в том, что интенсивный процесс создания техносферы в прошлом веке с помощью подземных ядерных взрывов оказался нерациональным. Более того, ученые обещают, что негативные радионуклидные последствия прошедшего соревновательного этапа развития науки и техники будут сопровождать нас до конца 21-го века.

Если методы лечения человека и животных от избытка радиоцезия созданы (дезактивация и сорбция), то остановить процесс его постоянного воспроизводства в системе «почва–растение–вода» пока не получается. Мы еще до конца не знаем долговременный механизм распространения цезия по пищевым цепочкам, конечным потребителем в которой является человек. Поэтому, прежде чем размещать производственную систему в том или ином регионе страны, проектанту требуются достоверные научные данные о поведении этого радионуклида в условиях конкретного природно-климатического ландшафта.

⚡️По мнению экспертов портала «Техносфера, подъем!», одного проекта МГУ по еженедельному мониторингу потоков потенциально токсичных элементов для помощи проектанту явно недостаточно. Очевидно, что для пространственного развития страны нужна не просто модель, описывающая общие закономерности перераспределения радионуклидов, но и методы нейтрализации этого невидимого источника опасности.

Если ученые-атомщики в 60-х годах прошлого века выступали инициаторами строительства инфраструктуры с помощью «дешевых», как они утверждали, подземных ядерных взрывов, то сегодня они просто обязаны не хранить и накапливать отходы, а ликвидировать последствия ошибочных технических решений, большая часть которых была навязанной копией чужих идей.

Вполне логично, что именно для этой цели ученых сегодня наделили полномочиями «федерального оператора» страны по обращению с любыми отходами, в том числе высочайших классов опасности. Однако собственных научных идей и технических решений по ликвидации или нейтрализации радиоцезия как источника токсичности пока нет, если не считать патента на выявление загрязнений токсичными элементами труднодоступных участков методом космической радиолокации.

❗️Надо что-то делать, иначе реализация каждого нового проекта в любой точке территории даже при ее минимальной кадастровой стоимости будет требовать все больших издержек на защитные мероприятия от вездесущего цезия.

#ОНаукеиТехнологиях

➡️ Подписаться на канал