Три года назад Министерство науки и высшего образования РФ объявило конкурс грантов по крупным научно-технологическим интеграционным проектам. Экспертизу заявок выполняли ученые Российской академии наук. Победителями конкурса стали 40 проектов, пять из них — в Сибирском макрорегионе. В ходе научной сессии Общего собрания СО РАН исследователи обсудили результаты этих работ.
«Что очень важно — с помощью энергии и инициативы академика Василия Михайловича Фомина Сибирское отделение РАН тоже смогло выступить заявителем и получить один из таких крупных грантов», — подчеркнул председатель СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон.
Евгений Фереферов
О результатах проекта «Фундаментальные основы, методы и технологии цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории» докладывал ученый секретарь Института динамики систем и теории управления им. В. М. Матросова СО РАН кандидат технических наук Евгений Сергеевич Фереферов.
Консорциум ученых из 13 научных институтов разработал цифровую платформу для мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории. Платформа обеспечивает сбор, хранение, обработку и анализ больших массивов разнородных пространственно-временных данных.
«Это открытая система алгоритмизированного сетевого взаимодействия, которая аккумулирует новые методы и технологии. Она выступает интегрирующей основой информационного экологического мониторинга, является средой для накопления, обмена, управления данными в структурированном виде и разработки сервисов их обработки. Объем поступающих ежедневно данных составляет более 20 ГБ», — рассказал Евгений Фереферов.
В рамках платформы реализована поддержка мониторинга по пяти направлениям: экстремальных природных явлений и антропогенных выбросов в атмосферу, гидрологических режимов водоемов, экологических рисков состояния растительного покрова, экстремальных геологических и эколого-геохимических процессов, а также медико-экологического и эпидемиологического мониторинга.
«Нам удалось сделать уникальную, не имеющую в мире аналогов сеть комплексного экологического мониторинга больших природных территорий. Она регистрирует антропогенные выбросы в атмосферу, экстремальные природные пожары, геологические, эколого-геохимические, климатические, биологические процессы и гидрологические режимы водоемов с высоким временным разрешением. Результаты наших исследований нашли применение и апробируются как организациями государственного контроля, так и реального сектора. Например, ОАО “Российские железные дороги”, МЧС», — сообщил Евгений Фереферов.
За время работы проекта были разработаны системы мониторинга пожаров, роботизированные системы эколого-геохимического мониторинга плавающего и летающего типа, технологии георадарного исследования ледяного покрова, а также автономный комплекс мониторинга состояния ледяного покрова. Кроме того, ученые создали мобильный сканирующий лидар «ЛОЗА», который позволяет отслеживать атмосферные параметры в рекордном диапазоне контролируемых высот: от 50 метров до 10 километров, от приземного слоя атмосферы до стратосферы.
«Особое внимание мы уделяем методам мониторинга окружающей среды на основе обработки данных дистанционного зондирования Земли. Разработана технология и Web-сервис классификации космоснимков Sentinel-2 на основе нейронной сети ResNet50 для мониторинга Байкальской природной территории. Технология позволяет повысить оперативность экологического мониторинга для больших пространств. Например, отслеживать изменения состояния лесного покрова, вырубки, восстановления лесов после пожаров, что актуально для особо охраняемых территорий», — прокомментировал Евгений Фереферов.
По словам ученого, в мире информационных систем поддержки экологического мониторинга создано достаточно много, но концентрируются они на узком круге проблем — сборе данных по одному направлению мониторинга. Их же проект создан для поддержки научных исследований институтов разного профиля — для того, чтобы все участники консорциума могли взаимодействовать, разрабатывать свои сервисы обработки данных, получать доступ к вычислительным ресурсам, предоставлять свои результаты, которые другие исследователи могут использовать дальше в своих расчетах.
Валерий Крюков
Проект «Социально-экономическое развитие Азиатской России на основе синергии транспортной доступности, системных знаний о природно-ресурсном потенциале, расширяющегося пространства межрегиональных взаимодействий» представил его руководитель академик Валерий Анатольевич Крюков — директор Института экономики и организации промышленного производства СО РАН, выступившего головной организацией проектного консорциума с привлечением научных партнеров из Новосибирска, Красноярска и Москвы. Докладчик назвал институты экономического, географического, химического, геологического и математического профиля.
Материальными результатами выполнения проекта стала уникальная база знаний, включающая блоки данных (более 4 000 социально-экономических показателей, свыше 70 000 инвестиционных проектов и полная база данных по компаниям с ГИС-привязкой, уникальная база данных технологий), систему ГИС-моделирования, веб-интерфейс и модельный аппарат анализа, прогнозирования и принятия управленческих решений в области развития экономики Азиатской России. Разработан не имеющий аналогов комплекс средств анализа и прогнозирования развития Азиатской России в системе народного хозяйства страны (КОМПАС-ДАР), включающий инструменты различного временного горизонта (краткосрочного, среднесрочного, долгосрочного), а также различного уровня экономической иерархии (макро-, мезо-, регион). Это позволило разработать и проанализировать различные сценарии развития Азиатской России, в большей мере отражающие специфику ее экономики и социальной сферы. Показано, что в период 2025—2035 гг. диапазон возможных среднегодовых темпов роста экономики может варьировать в интервале 2,0—5,0 %. Результаты комплексных исследований изложены в четырехтомной монографии «Новый импульс Азиатской России».
В ней содержатся выводы проблемного и рекомендательного плана, на которых сосредоточился Валерий Крюков, выступая на Общем собрании СО РАН. «Суть сводится к тому, что Россия была и будет страной, в которой природные ресурсы играют не значительную, а определяющую роль», — констатировал академик. Интегральным развивающим фактором экономики такой страны становится отказ от экспорта сырья и его первых переделов и создание длинных цепочек производства продуктов с высокой добавленной стоимостью с последующим управлением такими цепочками. Это возможно и в условиях рынка. «В России никто не отменял государства», — сказал В. А. Крюков. Он напомнил об опыте царской России, где действовали горные округа, контролировавшие поиск и добычу полезных ископаемых, их переработку и изготовление оборудования. Одним из обязательных условий перехода к новой парадигме ресурсопользования ученый считает усиление роли государства, включая гармонизацию нормативной базы: «Сегодняшний закон о недрах отображает разрозненные интересы нескольких крупных игроков, которые никак не сбалансированы».
Докладчик подчеркнул важность формирования горизонтальных связей: межтерриториальных, межотраслевых и межкорпоративных. «К примеру, нефтедобыча может располагаться на побережье Ямала или арктическом шельфе, переработка — в средних широтах, а изготовление отечественного оборудования, составление программ и цифровое моделирование месторождений — в научно-промышленных центрах юга Сибири, — пояснил В. Крюков. — Без развития взаимодействий на горизонтальном уровне высокие темпы роста недостижимы». Ученый считает, что будущее — за комплексными мегапроектами (также называемыми импульсными либо комплементарными), в которых под системным контролем государства будут работать цепочки создания не просто высокомаржинальной продукции, но социальных ценностей как интегральной цели экономического развития.
Продолжением завершенного в 2022 году проекта В. А. Крюков видит использование его результатов в интересах развития Азиатской России: платформенное моделирование сценариев экономического развития, составление прогнозов и предложений органам государственной власти, экспертиза основополагающих документов и крупных проектов. «Академия должна экспертировать не самое себя, а системные решения в области социально-экономической политики», — убежден ученый. Поэтому результаты выполнения проекта, концептуальные и инструментальные, он назвал «рамкой для работы всего Сибирского отделения РАН на долгие годы вперед». С этим согласился председатель СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон, предложивший одно из ближайших заседаний Президиума СО РАН посвятить выводам и перспективам по итогам реализации этого стомиллионника.
Александр Латышев
Руководитель проекта-стомиллионника «Квантовые структуры для посткремниевой электроники» директор Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН академик Александр Васильевич Латышев пояснил, что главная мотивация этого проекта связана с мировыми трендами развития микроэлектроники и особенно актуальна для нашей страны в сложившихся условиях. «В электронной промышленности доля импорта составляет 80—90 %, — акцентировал ученый. — В условиях ограничения ввоза из других стран производство микроэлектроники по передовым техпроцессам является критически важным для страны». Поэтому проект нацелен на решение фундаментальных задач по поиску новых материалов и изучение новых квантовых эффектов в конденсированных системах, развитие технологий создания квантовых материалов и гетероструктур, реализацию электронно-компонентной базы на новых физических принципах для посткремниевой электроники.
В состав консорциума, помимо головной организации — ИФП СО РАН, вошли Санкт-Петербургский государственный университет, Институт физики микроструктур РАН (Нижний Новгород), Новосибирский государственный университет (НГУ), Институт физики металлов имени М. Н. Михеева Уральского отделения РАН (Екатеринбург).
«Цель нашего проекта — обеспечение мирового уровня научных исследований, технологий и разработок в области новых материалов и элементной базы, работающей на новых физических принципах, для микро-, нано-, био- и оптоэлектроники, нанофотоники, СВЧ-электроники, сенсорики, радиационно стойкой электроники, квантовой электроники, ИК-техники», — подчеркнул Александр Латышев.
По словам ученого, в рамках проекта решаются в настоящее время 47 задач, которые можно разбить по крупным тематическим блокам: новые технологии, новые материалы, наноэлектроника, СВЧ-техника, нанофотоника, новые физические принципы, квантовые технологии, сенсорика и метрология. Главные результаты, полученные коллаборантами проекта, были опубликованы в высокорейтинговых журналах, а также объединены в издании «Квантовые структуры для посткремниевой электроники».
Одна из разработок — новые спин-детектируемые устройства для фотоэмиссии с угловым разрешением, — созданная в рамках стомиллионика в ИФП СО РАН, вошла в 2022 году в список важнейших научных результатов РАН.
А. В. Латышев акцентировал, что полученные результаты важны не только для фундаментальной науки, но и для государства и общества.
«В частности, наработки в рамках проекта позволили нам создать сверхминиатюрные лазеры с вертикальным резонатором, в перспективе они позволят значительно улучшить характеристики телекоммуникационных и навигационных устройств. Другой важный результат, нужный для развития квантово-криптографических защищенных каналов связи, — создание детектора одиночных фотонов на основе лавинного фотодиода, работающего в гейгеровском режиме. Значимо то, что нам удалось сделать детектор, функционирующий при комнатной температуре, так как другим источникам одиночных фотонов (в основе которых сверхпроводящие системы) требуется охлаждение до температур жидкого азота или гелия. Помимо этого, сделан и эффективный излучатель одиночных фотонов на единичной квантовой точке, такие излучатели могут использоваться в системах квантовой криптографии, квантовых вычислений, миниатюрных атомных стандартах частоты нового поколения. Кроме того, мы поставили нашим индустриальным партнерам новые полупроводниковые гетероструктуры для СВЧ-транзисторов со сверхмалым энергопотреблением, предполагается, что на них будут изготавливаться монолитные интегральные схемы. Также мы разработали мощные СВЧ-фотодиоды с предельной частотой 10, 20, 40 гигагерц и передали их промышленным и научным организациям, занимающимся радиофотоникой. Подобные фотодиоды востребованы в современных волоконно-оптических системах связи, — пояснил ученый. — Это лишь часть результатов, интересных для полупроводниковой индустрии. Наш проект вносит существенный вклад в создание новых низкоразмерных, топологических материалов и квантовых систем. Мы обнаружили ряд новых эффектов и получили богатую информацию о свойствах квантовых материалов и гетероструктур на их основе, которые важны для фундаментального понимания физики протекающих процессов и могут быть использованы для создания новых приборов современной электронной техники».
Дмитрий Маркович
Головной организацией проекта «Фундаментальные исследования процессов горения и детонации применительно к развитию основ энерготехнологий» выступил Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН. В состав консорциума вошло десять организаций, среди которых научные институты и вузы из Новосибирска, Томска и Москвы. Руководитель гранта и директор ИТ СО РАН академик Дмитрий Маркович Маркович подчеркнул: «Мы считаем, что объединили существенную часть научного потенциала страны в области горения и детонации. У каждой организации-участника был серьезный научный задел».
Ученый отметил, что когда формировалась программа стомиллионников, в качестве основной цели ставилось проведение фундаментальных работ мирового уровня с перспективным выходом на практическое воплощение, однако в последнее время необходимость более быстрой реализации результатов существенно усилилась.
Целью проекта стало решение проблем в областях механики, теплофизики и химической физики, связанных с получением принципиально новых знаний о сложных физических и химических процессах, которые определяют процессы горения и детонации в разнообразных условиях, а также создание основ для решения актуальных практических задач, связанных с развитием теплоэнергетических технологий, машиностроения в энергетике, двигателестроения, причем с ориентированием на технологическую и экологическую безопасность.
«Эти исследования опирались на материальную базу, которая уже была создана, создавалась и создается в организациях — членах консорциума, в том числе с участием промышленных партнеров в частности», — рассказал Дмитрий Маркович. В качестве примера он назвал вычислительный кластер «Каскад», создаваемый в ИТ СО РАН с участием Новосибирского госуниверситета: планируется, что к 2024 году он достигнет мощности 300 терафлопс, и на нем уже были получены уникальные результаты с использованием вихреразрешающих моделей: моделируются пламена, распыл топлива и так далее.
В числе важных результатов, полученных в ходе выполнения проекта, академик Маркович обозначил определение способов и режимов экологического и эффективного сжигания разных видов топлив в современных камерах сгорания. «Эти результаты уже используют наши партнеры», — отметил ученый.
Еще одна задача, которую выполнял консорциум, — использование нейросетей для управления процессами сжигания топлива. На основе спектральных характеристик и визуальных картин создана и пополняется база данных изображений. «Затем регистрирующая аппаратура помогает получить картинки реально происходящих процессов, а нейросеть определяет режимы горения и дает обратную связь, подсказывая, какие параметры нужно изменить, чтобы подкорректировать эти режимы», — пояснил Дмитрий Маркович.
Он акцентировал, что это только крайне малая часть результатов, полученных в рамках выполнения проекта. «Он получился в хорошем смысле слова эклектичным и многозадачным, но мы его так и задумывали, — сказал академик Маркович. — Сейчас отчасти расширенным консорциумом мы планируем подавать новый проект, но уже более концентрированный с точки зрения ближайших перспектив практической реализации». Также ученый дополнил, что каждый из итогов работы имеет фундаментальную значимость и опубликован в серьезных научных журналах, однако в то же время востребован и промышленными партнерами, среди которых крупнейшие корпорации страны.
Василий Фомин
Заместитель председателя СО РАН академик Василий Михайлович Фомин, руководитель проекта по созданию теоретической и экспериментальной платформы для изучения физико-химической механики материалов со сложными условиями нагружения, рассказал о результатах работы коллектива специалистов из Института теоретической и прикладной мехники им. С. А. Христиановича СО РАН, Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН», Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН под руководством Сибирского отделения за 2020—2022 годы. По словам ученого, эта платформа позволит обеспечить поддержку ученым от проведения полного цикла исследований на установках класса мегасайнс до разработки конкретных технологий и инновационных продуктов, предназначенных для решения приоритетных задач промышленности, в том числе и оборонной.
В. М. Фомин отметил два направления исследований, первое из них физическое, оно касается механики материалов. Одной из основных работ академик назвал создание научных основ технологии лазерной сварки современных термически упрочняемых алюминиевых, алюминиево-литиевых и титановых сплавов, которые позволили получить прочностные свойства сварных соединений, практически равные исходным сплавам для авиации. «При изготовлении фюзеляжей самолетов в настоящее время используется заклепочная технология. Мы пытаемся заменить ее лазерной сваркой. При тестировании детали на разрывной машине выяснилось, что сварной шов, полученный в результате лазерной сварки, оказался прочнее, чем исходный материал. С помощью синхротронного излучения мы можем влиять на соединение материалов в процессе эксперимента. Пока в мире никто не смог сделать нечто подобное», — рассказал ученый.
Другой важной работой В. М. Фомин назвал создание технологии, позволяющей сваривать материалы, которые практически не поддаются этому процессу, например титановый сплав и алюминий. Ученые предложили установить между этими металлами тонкую прослойку магния или меди, и в итоге их получилось сварить.
Второе направление исследований в рамках большого проекта — химическое, оно связано с развитием каталитических методов регулирования параметров горения высокоэнергетических конденсированных систем. В частности, это разработка новых видов топлива с использованием бора. «Сам по себе бор горит плохо, поэтому необходимо было создать катализаторы-модификаторы, которые бы позволили увеличить скорость и полноту сгорания нитраминных, борсодержащих соединений. С помощью новых наноразмерных катализаторов получилось повысить энергоемкость составов, обеспечить более полное сгорание и увеличить его скорость. Это может применяться в ракетостроении, увеличении дебита нефтеносных скважин, синтезе наноматериалов и в других областях», — сказал В. М. Фомин.
В результате работы проекта по химическому направлению создано множество экспериментальных установок, в том числе уникальный комплекс оборудования для оценки параметров горения энергетических материалов в режиме реального времени in situ. Ученый отметил разработку способов синтеза монометаллических комплексов при варьировании природы металла, энергонасыщенного лиганда и аниона, а также получение кинетических данных о стадиях их термохимических превращений, реализуемых в волне горения. По словам руководителя проекта, все практические научные достижения могут быть востребованы в машиностроении, авиа- и судостроении, ракетостроении, горнодобывающей, обрабатывающей и химической отраслях промышленности и уже активно применяются предприятиями, в числе которых ремонтные заводы двигателей самолетов «Боинг» и «Эйрбас», организованные в России компанией S7.
«Наука в Сибири»
Фото Юлии Поздняковой
