После недавнего выступления В.В. Путина о значении технологий искусственного интеллекта (ИИ) в России снова заговорили о том, что новым отраслям, где требуется использование ИИ, нужны новые кадры. А значит, пора изменить программы подготовки специалистов, чтобы уже к 2030 году насытить рынок труда необходимыми специалистами. Проблема в том, что способность российской образовательной системы справиться с этой задачей, скажем так, является неочевидной. Она просто не обладает необходимой гибкостью. Цикл подготовки бакалавра, начиная с разработки образовательной программы и заканчивая первым выпуском таких специалистов, занимает 4-5 лет, за эти годы индустрия уйдет вперед и сформирует уже новые требования к подготовке специалистов.

«Университетам необходимо предугадывать такие запросы, прогнозировать, какие именно специалисты потребуются в данной области спустя соответствующий срок, что само по себе достаточно сложно. Оптимальной видится стратегия, когда университет дает будущему специалисту фундаментальные знания, основы, которые в дальнейшем позволят ему быстро и эффективно разобраться с нюансами и конкретными задачами, которые поставит перед ним его работодатель»,— охарактеризовал ситуацию директор Института интеллектуальной робототехники НГУ кандидат химических наук Алексей Окунев.

Эффективность такого подхода подтверждает высокое место в первом в России рейтинге вузов по качеству подготовки специалистов в области искусственного интеллекта, которое занял НГУ. В настоящее время в университете реализуется стратегический проект «Цифровое будущее», который получил поддержку программы «Приоритет 2030». Те или иные элементы ИИ присутствуют практически во всех учебных программах НГУ.

Один из ярких примеров — Институт интеллектуальной робототехники (ИИР) НГУ, один из первых, а возможно, и единственный на сегодняшний момент бакалавриат, который специализирован на теме глубокого машинного обучения. Причем открытие собственной магистратуры не предусмотрено, чтобы не провоцировать «застаивание» выпускников. «Все открывают магистратуры, а мы — бакалавриат. Наше предположение в том, что искусственный интеллект — это другая парадигма решения задач, программа сама должна найти алгоритм на основе обучающих примеров. Чем раньше мы приучим студентов к новому методу, тем эффективнее они будут его использовать. Абитуриентам наше предложение нравится»,— рассказал Алексей Окунев.

Образовательная программа выстроена так, что студенты одинаково много внимания уделяют изучению как программирования, так и математики, что обеспечивает достаточно прочную теоретическую базу в подготовке будущих специалистов. Другая особенность заключается в том, что сразу после получения необходимого минимума теоретической базы студенты вовлекаются в проектную и практическую работу.

Это вполне отвечает сложившемуся среди экспертов консенсусу, что кадровый потенциал для новых профессий, связанных с технологиями искусственного интеллекта, лучше готовить на основе сплава сильного фундаментального и прикладного корпоративного образования.

В ИИР НГУ преподаватели одновременно выступают в роли разработчиков, выполняющих поисковые и пилотные проекты в области машинного обучения, технического зрения, беспилотного транспорта как в инициативном порядке, так и за счет средств индустриальных партнеров.

Часть проектов, связанных с использованием технического зрения (одно из направлений систем ИИ), уже опробована в реальном производстве. По соглашению с ООО «Сибирское стекло» был разработан и установлен на одну из производственных линий комплекс обучаемой видеоаналитики, способный решать самые разные задачи, например, вести точный подсчет количества бутылок, которые идут по конвейеру. Использование такой системы позволяет осуществлять подсчет продукции и контроль ее качества на тех участках конвейера, где это сложно (или невозможно) делать с помощью стандартных светодиодных датчиков.

«Преимущество нашего комплекса в том, что это обучаемая система, и это позволяет сотрудникам предприятия в дальнейшем самостоятельно перенастраивать ее, расширяя функционал. Изначально речь шла о задачах, связанных с распознаванием и подсчетом предметов. Но потенциально система способна выявлять и классифицировать дефекты продукции, фиксировать бой стеклотары, попавший на конвейер. Иначе говоря, выполнять работу сотрудников отдела технического контроля»,— отметил Алексей Окунев.

С помощью аналогичных систем можно решать задачу автоматизации рабочих процессов на промышленном производстве, что было показано на одной из сборочных линий завода «Катод».

Производство оптико-электронных приборов включает в себя несколько технологических операций, которые должны проводиться в специальных боксах с агрессивной защитной средой. Для этого сотрудникам приходится использовать специальные перчатки, что сильно осложняет достижение необходимой высокой точности операций.

Очевидным решением стала бы автоматизация процесса, но эта же агрессивная среда требует исключения любых контактов с железом (например, в виде направляющих, обеспечивающих точность работы автоматики), и требовался другой способ добиться нужного качества перемещений манипулятора, заменяющего человеческие руки, и при этом обеспечить возможность постоянной коррекции приводов в зависимости от ситуации.

Для решения этой задачи предприятие обратилось в НГУ, и в Институте интеллектуальной робототехники предложили использовать для управления автоматизированной установкой систему технического зрения. Взяв за основу открытую архитектуру нейронной сети, авторы проекта адаптировали ее к сборочной платформе, созданной на заводе. Затем собрали набор изображений и провели на его основе ее «обучение» так, чтобы она смогла управлять движениями манипулятора с точностью до 0,1 мм.

Прототип системы успешно прошел испытания, и в настоящее время она передана для опытной эксплуатации заказчику.

В результате выполнения ряда таких проектов в университете формируется автономная платформа индустриального ИИ — универсальный комплекс промышленной видеоаналитики, который в настоящее время тестируется уже на восьми предприятиях в разных регионах нашей страны.

Как показала практика, участие в подобных проектах дает студентам значительные преимущества как в выборе места для проведения преддипломной практики, так и для последующего трудоустройства. Сегодня наблюдается настоящий бум технологических решений, использующих машинное зрение, глубокие нейронные сети и связанные с ними технологии ИИ. То, что еще несколько лет назад считалось экспериментальной разработкой, сегодня становится практически обязательным функционалом, стандартом для выпускаемого на рынок продукта. Это формирует постоянно растущий запрос на рынке труда на специалистов соответствующей квалификации. «Крупные корпорации решают эту проблему, используя различные инструменты, включая запуск совместных с вузами образовательных программ, нацеленных на подготовку будущих специалистов “под себя”. Но средний, а тем более малый бизнес не имеет такой возможности, и это обусловливает их высокий интерес к студентам ИИР, многие из которых получают предложения о трудоустройстве еще на стадии обучения»,— подчеркнул Алексей Окунев.

Не меньший интерес вызывают и возможности университета в проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Руководитель Центра взаимодействия с органами власти и индустриальными партнерами НГУ, кандидат математических наук Александр Люлько отметил, что только за последнее время университет заключил более 30 соглашений о подобном сотрудничестве. Среди тех, кто захотел развивать технологии искусственного интеллекта в совместных проектах с НГУ, такие крупные игроки, как «Сбер» и «Ростелеком».

«Вообще, после введения санкций в отношении российской экономики интерес со стороны предприятий к отечественным разработкам стабильно растет. Мы организовали специальный семинар “Индустриальная математика”, где обсуждаются задачи, озвученные со стороны промышленности. А недавно университет провел первый в Академгородке научно-производственный форум “Золотая долина”, где также большой интерес вызвали проекты, связанные с технологиями искусственного интеллекта»,— подчеркнул Александр Люлько.

Решение такого рода задач стало серьезным вызовом для НГУ, который изначально создавался как центр подготовки кадров прежде всего для научных учреждений страны. Но стратегия развития вуза показывает, что ему есть чем на него ответить.

Несколько лет назад в университете запустили суперкомпьютер DL-House, который занял 25-е место в топ-50 лучших компьютеров на территории СНГ и стал основой для работы графического вычислительного кластера, созданного в университете. Это была своего рода проба сил, проект, вокруг которого создавались группы разработчиков, использующих технологии ИИ.

И он доказал высокую востребованность в развитии собственной вычислительной инфраструктуры университета, поскольку нейронные сети и другие модели искусственного интеллекта сейчас развиваются быстрыми темпами, и уже в ближайшие годы имеющихся у НГУ мощностей не хватит даже для демонстрационного запуска современных проектов в области ИИ. «Если университет хочет и далее выпускать специалистов в области информационных технологий высокого уровня, качественное усиление собственных вычислительных мощностей является критически важным условием»,— пояснил Алексей Окунев.

Это стало главной движущей силой возникновения проекта Суперкомпьютерного центра и Центра компетенций по высокопоставленным вычислениям и искусственному интеллекту СКЦ «Лаврентьев», который является важной частью нового университетского кампуса мирового уровня (возводимого на средства национального проекта «Наука и университеты»).

Об этом говорится в соглашении о сотрудничестве между Институтом цитологии и генетики СО РАН и Институтом вычислительной математики и математической геофизики СО РАН.

С момента начала массового секвенирования геномов методы биоинформатики и системной компьютерной биологии прочно вошли в арсенал исследовательских инструментов, используемых во всех областях наук о жизни. Однако в последнее десятилетие их значимость еще более возросла: в связи со стремительным развитием омиксных технологий (геномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики) и других высокопроизводительных методов экспериментального исследования молекулярно-генетических систем и процессов в генетике произошел информационный взрыв и она стала главным источником больших данных, перегнав по темпам роста все другие науки и технологии.

«Огромные объемы и сложность накапливаемых в настоящее время  больших  генетических данных требуют создания информационно-программных комплексов,  основанных на новом поколении методов биоинформатики и системной компьютерной биологии, использующих вычислительные конвейеры, реализующие сложные сценарии анализа и интегрирующие большое количество разнообразных программных продуктов и баз данных, в том числе – основанных на использовании методов искусственного интеллекта», – отметил научный руководитель ИЦиГ СО РАН, академик РАН Николай Колчанов.

Естественно, такой подход подразумевает развитие не только собственно биологических методов исследований, но и математического аппарата для работы с ними. Очередным шагом на этом пути стало соглашение о сотрудничестве, заключенное между ИЦиГ СО РАН и ИВМиМГ СО РАН.

Прежде всего речь идет о совместной работе над созданием Интегрированной цифровой платформы «Биоинформатика и системная компьютерная биология».

«Главная наша задача – совместными усилиями создать программную платформу, объединяющую методы анализа геномной информации и математические методы ее обработки для проведения прорывных исследований в области живых систем», – рассказал директор ИВМиМГ СО РАН, профессор РАН Михаил Марченко.

Создаваемый программный комплекс будет ориентирован на поддержку фундаментальных и прикладных исследований в области наук о жизни, в том числе в таких важных направлениях, как биомедицина, фармакология, биотехнологии, сельское хозяйство, экология, биобезопасность.

Кроме того, соглашение подразумевает сотрудничество двух институтов при подготовке специалистов высшей квалификации в области биоинформатики, компьютерной системной биологии, анализа больших данных, анализа изображений, математического моделирования, высокопроизводительных вычислений, а также совместную организацию и координацию научного направления по биоинформатике и компьютерной системной биологии в журнале «Проблемы информатики», издаваемом ИВМиМГ СО РАН.

Ученые из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН и Новосибирского государственного университета разработали и успешно применяют технологии для оценки технического состояние различных объектов и инженерных сооружений: от рельсов и столбов до зданий и мостов. Используя метод стоячих волн, геофизики комплексно исследуют конструкции или постройки, находят дефект и выявляют его причину.

Метод пассивных сейсмических стоячих волн основан на измерении собственных колебаний какой-либо конструкции под влиянием естественных сил без воздействия активных источников. Исследователи регистрируют акустический шум на поверхности исследуемого объекта. Далее из этого шума выделяют стоячие волны и интерпретируют их параметры с помощью специальной программы. Для такой работы ученые используют геофизические датчики собственного производства, которые устанавливаются на сооружения и фиксируют частоту и амплитуду колебаний. Используя эту информацию, специалисты могут определить зону, в которой произошла деформация, а также найти точное расположение каверн или трещин в какой-либо конструкции. Если применять этот инструмент вместе с геофизической электротомографией грунтового основания, то можно получить информацию о потенциальной потере устойчивости постройки из-за действия внешних источников.

«Мосты можно назвать флагманами среди наших объектов изучения, вокруг них сосредоточены основные проекты по оценке технического состояния. По инициативе ООО “Газпромтранс” мы совместно с электроразведчиками исследовали мосты, которые пересекают малые реки по линии “Обская — Бованенково” в Ямало-Ненецком автономном округе и расположены в условиях вечномерзлотных грунтов. Проверив длину свай и их устойчивость, волны сжатия и расширения, а также колебания вдоль мостов с помощью нашей методики, мы определили проблемные зоны и сваи висячего типа, которые держат нагрузку за счет сил трения грунта об их боковую поверхность. На одном из объектов четко выделились дефекты: в многолетнемерзлых породах лед начинает таять, и мосты просаживаются, что подтвердили данные электротомографии. Применяя два этих инструмента оценки состояния сооружений в комплексе, мы получаем дополняющие друг друга сведения, благодаря которым вырисовывается полная картина устойчивости конструкции», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики ИНГГ СО РАН кандидат технических наук Константин Владимирович Федин.

Помимо мостов, новосибирские геофизики проверили сейсмоусточивость одного из производственных зданий в Кемерове, где с помощью методов пассивной сейсморазведки на стоячих волнах определили устойчивость свай фундамента, глубины их погружения, скрытые дефекты сооружения и обводненность грунтов. В результате специалисты выявили три аномальные зоны в фундаменте, а также заключили, что всё подполье и грунт до шести метров находятся в воде. По оценкам ученых, остаточный ресурс здания составил 83 %. По нормативам строительных норм и правил (СНиП) безопасная эксплуатация объектов гарантируется при остаточном ресурсе, превышающем 50 %. На основе данных исследователи формируют рекомендации по устранению повреждений и прогнозируют ситуацию на ближайшие месяцы.

Другой интересной задачей ученые называют проверку рельсов, произведенных Новосибирским стрелочным заводом, на наличие внутренних каверн и трещин. С помощью геофизических датчиков и обычного молотка специалисты определили частотные характеристики образцов и выявили внутреннее повреждение рельсов.

«Наши разработки позволяют сэкономить время и ресурсы в некоторых случаях. Мы проводили оценку железнодорожных столбов. Для того чтобы понять, присутствует ли вода внутри нижней части столба и определить начало деградации цемента, нам достаточно одной минуты, тогда как у рабочих на проверку одного объекта уходит около часа. Еще одно преимущество нашего инструмента — возможность передачи данных в реальном времени: разработчик геофизических датчиков научный сотрудник лаборатории динамических проблем сейсмики Аркадий Николаевич Дробчик также создал для этого компьютерную программу, позволяющую видеть на карте расположение установленных датчиков и снимать с них показания», — отметил Константин Федин.

По мнению ученых, метод пассивных стоячих волн открывает новые возможности в диагностике инженерных сооружений и других конструкций.

Кирилл Сергеевич

Помните, как представитель Евросоюза по иностранным делам Жозеп Боррель назвал Европу «цветущим садом», сравнив остальной мир с джунглями? Если под этим углом оценить текущую экономическую политику ЕС, то, действительно, складывается впечатление, что европейские элиты решились обустроить свои территорий именно так, чтобы они напоминали цветущий сад, не имеющий ничего общего с привычным индустриальным миром.

Под предлогом борьбы с парниковыми выбросами начался эпохальный снос экологически вредных отраслей. В данном случае речь идет о нефтегазовой отрасли, о закрытии угольных шахт, остановке тепловых (и даже атомных – как в Германии) электростанций, об отказе от двигателей внутреннего сгорания и газовых котлов. Параллельно, как мы знаем, идет стремительный накат на животноводство, повинное не только в выбросах метана и СО2, но и в выбросах азотных соединений. Европейские реформы сельского хозяйства, где центральным пунктом значится восстановление биоразнообразия, уже у всех на слуху. Это означает, что часть распаханных полей и пастбищ будут возращены в естественную среду. Как мы знаем, у фермеров эти планы вызывают серьезное недовольство, однако руководство ЕС сохраняет непреклонность в данном вопросе.

На сегодняшний день уже четко определены ключевые стратегические цели так называемой Единой сельскохозяйственной политики на период с 2023 по 2027 год. Среди общих заявлений относительно улучшения положения фермеров, значатся как минимум три экологических пункта: а) действия, связанные с изменением климата; б) забота об окружающей среде; в) сохранение природных ландшафтов и биоразнообразия. Есть также пункт относительно защиты интересов будущих поколений, имеющий опосредованное отношение к решению экологических задач. Сюда же можно отнести и защиту качественной еды и здоровья. 

Большое значение в контексте сельхоз политики придается Стратегии по сохранению биоразнообразия до 2030 года. Как явствует из документа, речь идет о долгосрочных планах по защите природы и обращению вспять деградации природных экосистем. Разворот в сторону восстановления должен начаться, по замыслу, как раз с 2030 года. Данная Стратегия является составной часть «Зеленого курса», о котором мы достаточно много писали. Она будет включать в себя ряд конкретных действий, направленных на ликвидацию последствий изменения климата, последствий лесных пожаров, а также на предотвращение иных угроз. Например, на предотвращение угрозы продовольственного дефицита и вспышек различных заболеваний.

В число необходимых мер входит создание широкой сети охраняемых зон - как на суше, так и на море. Причем, во главу угла ставится возможность экосистем улавливать углерод и содействовать предотвращению стихийных бедствий. В рамках этого плана Еврокомиссия предложила специальный закон о восстановлении природы. Со своей стороны, страны, входящие в ЕС, обязаны разработать национальные планы, показывающие, каким путем будут достигаться поставленные цели.

Таким образом, руководство ЕС, реализуя «Зеленый курс», последовательно повышает свои «амбиции» не только применительно к энергетике, но также и к сельскому хозяйству. Показательно, что бюджетная поддержка фермеров теперь будет ставиться в прямую зависимость от их экологической сознательности. То есть одних лишь производственных показателей уже явно недостаточно. Необходимо продемонстрировать реальную готовность следовать новым курсом, проявляя заботу о восстановлении природы.

В принципе, такая «сознательность» может проявиться даже в том, если фермер часть своих земельных ресурсов вернет обратно в природу. Например, превратит часть пастбищ в лес, мотивируя это решение необходимостью восстановления популяций каких-нибудь птиц или насекомых. Казалось бы, какое это имеет отношение к сельскохозяйственной отрасли? Тем не менее, приоритеты выстроены именно так. Удивляться этому не приходится, особенно если учесть, что в ряду мер значится, например, восстановление «гендерного баланса» среди фермеров. То есть руководство ЕС намерено бороться за гендерное равенство, расширяя участие женщин в сельском хозяйстве.

Как мы понимаем, речь идет о масштабном социально-экономическом эксперименте. Его реальные последствия пока еще не ясны, хотя инициаторы полны оптимизма и демонстрируют уверенность в том, что закладывают фундамент лучшего будущего. Очень важно подчеркнуть, что в их понимании европейский пример создания «цветущего сада» должен стать наглядным примером для тех, где до сих пор пребывает в «джунглях». Глобальный замах, кстати, является принципиально важным посылом, поскольку в руководстве ЕС уверены, что они проявляют заботу не только о европейцах, но и обо всем человечестве (знакомо, не правда ли?).

Признаемся, что в теории это звучит очень красиво. И главное – весьма обнадеживающе. Во всяком случае, у людей, реально беспокоящихся о будущем, появляется хоть какая-то отдушина в плане понимания истинных путей дальнейшего развития – без губительного воздействия на природу, как это характерно для индустриального уклада. Разумеется, мы не можем быть уверенными в искренности европейских политиков, поскольку неоднократно убеждались в том, что экологическая тема активно используется для пиара. Поэтому все эти красивые декларации вполне могут иметь популистский характер. А возможное снижение продуктивности сельскохозяйственной отрасли можно банально компенсировать импортом из третьих стран, где ушлые инвесторы начнут создавать гигантские агрохолдинги, пользуясь слабым (как и положено «джунглям») экологическим законодательством. Как бы то ни было, конфликта с фермерами в самой Европе (о чем мы писали) избежать не удалось, и здесь остается верить хотя бы в то, что евробюрократы не наделают тех ошибок, которые недавно совершили руководители Шри-Ланки.

Тем не менее, есть позитив в том, что принятая стратегия открывает возможность для демонстрации новых перспективных практик сельского хозяйствования, способных дать образцы для подражания. Либо стать наглядными примером для внимательного изучения и пропаганды таких технологий. Этому упомянутая Стратегия ЕС как будто способствует. То есть политики могут и дальше вращаться в своем мире пиара, однако есть надежна на творческих людей, реальных новаторов, способных воодушевить других своими успехами на поприще «зеленого» фермерства. В этом плане европейцы еще могут «тряхнуть стариной» и проявить лидерские качества в столь важной сфере деятельности для всего мира (в том числе – и для нашей страны, где до сих пор ориентируются на европейские примеры).

Есть ли такие примеры по сельскому хозяйству уже сейчас? В данном случае мы говорим о продуктивных (что очень важно) «зеленых» альтернативах индустриальным методам земледелия. Причем, признанных на официальном уровне. Перелопатив большой массив информации, мы как будто нашли такой пример, удовлетворяющий как основным положениям Стратегии ЕС по защите экосистем и восстановлению биоразнообразия, так и вопросам обеспечения продовольственной безопасности. Мы говорим сейчас о пермакультурной ферме Le Bec Hellouin, расположенной в Нормандии. Создатели этой фермы позиционируют ее как модель высокопродуктивного сельскохозяйственного производства XXI века, основанного на «зеленых» принципах.  Они уверяют, что такое мелкомасштабное биоинтенсивное хозяйство способно давать более высокие урожаи, чем промышленное сельское хозяйство с его «химией» и тяжелой спецтехникой. По их словам, пример фермы Le Bec Hellouin наглядно показывает, что небольшие «устойчивые» хозяйства вполне могут быть прибыльными даже на десяти сотках земли!

Начало этом хозяйству было положено еще в середине «нулевых», когда бывший моряк и педагог со своей женой-юристом оставили карьеру и основали небольшую органическую ферму на территории Нормандии. Основная задача была связана с выращиванием экологически чистой еды для собственного потребления. В течение двух лет (не без помощи друзей) им пришлось осваивать участок в 65 соток (позже он увеличился в три раза) на пределе своих физических возможностей. По их собственному признанию, они не полагали с самого начала, что работа на органической ферме окажется столь изнурительной.

В результате им пришлось, что называется, «включить голову» и заняться поиском нового подхода – с целью сделать свое хозяйство прибыльным. Так и появилась новая модель сельского хозяйства, объединявшая в себе новаторские приемы и опыт парижских садоводов позапрошлого века. В частности, они внимательно изучили принципы пермакультурного дизайна, разработанные еще в 1970-х годах австралийцами Биллом Моллисоном и Дэвидом Холмгреном. В ходе изучения этих принципов они открыли для себя три важнейшие методики устойчивого и прибыльного сельского хозяйства. В первую очередь это были методы биоинтенсивного земледелия американца Джона Дживонса. Затем кое-что было заимствовано у знаменитого американского садовника Элиота Коулмана и у австрийского фермера-новатора (создателя так называемой «горной пермакультуры») Зеппа Хольцера.  Иными словами, новая модель сельского хозяйства во многом оказалась некой интегральной системой, включавшей в себя большой набор «зеленых» методик из разных органических систем.

Новый дизайн новаторской фермы включал в себя приподнятые биоинтенсивные грядки, островные сады, окруженные прудами, «продуктовый» лес с фруктовыми деревьями, ягодными кустарниками и виноградными лозами. На склонах были организованы террасные сады с теплым микроклиматом. В итоге продуктивность фермы резко выросла. Принципиальный момент: включив природные участки в систему своего хозяйства, владельцы фермы воспользовались преимуществом естественного взаимодействия экосистем, при котором, с одной стороны, вы привлекаете на свои участки большое количество насекомых-опылителей и одновременно – борцов с вредителями. Например, посещавшие ферму птицы, лягушки и змеи уничтожали слизней. Кроме того, использование прудов давало плодородный ил, который шел на приподнятые грядки. Росшие здесь в изобилии дикие травы использовались в качестве мульчи, богатой минералами. Обрезки от деревьев и кустарников давали необходимую щепу, которой покрывалось пространство вокруг грядок.

В общем, благодаря грамотной организации органической фермы удавалось добиться высоких урожаев без использования минеральных удобрений и глубокой вспашки. А также – без использования пестицидов. В 2010 году группа агрономов из французского правительства заинтересовалась этим хозяйством и осуществила его экспертную оценку. Под впечатлением увиденного, специалисты начали с 2011 год проводить исследование с целью выявления продуктивных возможностей небольших хозяйств, организованных по этой модели. Так, была проведена оценка продуктивности хозяйства площадью всего в десять соток (четверть акра). Вывод гласил: один фермер, не использующий никакой техники, кроме ручных инструментов, в состоянии обеспечить годовой объем продаж свой продукции на уровне 84 тысяч долларов США! Чистая прибыль (с учетом всех расходов) могла составить 29 тысяч долларов! Для достижения такого результата фермеру пришлось бы работать 43 часа в неделю, имея при этом четырехнедельный годовой отпуск.

Отчет по исследованию был опубликован в 2015 году. Он показывал, что такая пермакультурная ферма вполне может быть финансово успешной и конкурентоспособной, будучи, к тому же, наглядным примером «устойчивого» хозяйствования. Таким образом, путь к продуктовому изобилию в условиях постиндустриального технологического уклада как будто найден. Разумеется, до победных реляций пока далеко, поскольку, изучая этот опыт, мы понимаем, как сложно переключить «тумблер» в головах современных людей, в том числе и обычных фермеров. Так что пока не ясно, насколько будут такие примеры востребованы в современном обществе, и способны ли европейские политики реально посодействовать распространению таких моделей и включить их в свои стратегии развития. Тем не менее, надежда на лучшее остается.

Николай Нестеров

Оборудование предназначено для эксперимента TAIGA. Сцинтилляционные детекторы позволяют ученым улавливать и изучать широкие атмосферные ливни. При изготовлении оборудования использованы комплектующие только отечественного производства.

Научные сотрудники лаборатории новых методов регистрации ионизирующих излучений Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета НГУ сконструировали сцинтилляционные детекторы для эксперимента «TAIGA». В прошлом месяце 8 новых устройств были отправлены получателю, остальные 16 отправят в ближайшее время. Всего же им предстоит собрать 200 детекторов. Собирают их прямо в лаборатории.

— Это уже вторая партия детекторов, которые мы разработали и собрали вместе с сотрудниками Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. Наше участие в эксперименте «Тайга» началось в 2015 году, когда к нам обратился директор Института прикладной физики ИГУ Николай Буднев. Ему была необходима установка со сцинтилляционными детекторами для регистрации широких атмосферных ливней. Эти детекторы должны быть достаточно большими по площади, иметь невысокую стоимость и работать в температурном диапазоне от -40 до +40. Вскоре мы приступили к выполнению этой задачи. Два года ушло на создание конструкции, на третий год мы приступили к производству опытной партии из 48 детекторов. Это была наша коллективная работа с коллегами из ИЯФ. Частично она проходила в рамках госзадания, а также программы «ТОП -100» и нескольких грантов. ИЯФ предоставлял нам свои производственные возможности, помощь в разработке конструкции, навыки работы с материалами. Мы же со своей стороны закупали фотоэлектронные умножители, материал для изготовления сцинтилляторов нам предоставлял Иркутский госуниверситет. Также в НГУ был создан участок по сборке и проверке детекторов.  Детекторы новой партии были модернизированы с учетом результатов опытной эксплуатации. Был расширен диапазон линейности отклика детекторов за счет использования новых делителей и установки дополнительного усилителя, — рассказал заведующий лабораторией Евгений Анатольевич Кравченко. 

Широкие атмосферные ливни — это каскады вторичных элементарных частиц, которые возникают в атмосфере Земли при попадании частицы с высокой энергией. Взаимодействуя с атомами газов атмосферы, эта частица порождает новые и так далее. Данные, получаемые при анализе характеристик частиц, достигших поверхности земли, используются для восстановления параметров исходной частицы, породившей ливень, что позволяет анализировать и исследовать космическое излучение.

Эксперимент «TAIGA» —  передовой комплекс для изучения космических лучей и гамма-астрономии. Направлен на измерение параметров широких атмосферных ливней. Комплекс расположен вблизи южной оконечности озера Байкал (Республика Бурятия) в астрофизическом центре коллективного пользования Иркутского государственного университета в Тункинской долине. Состоит из нескольких установок, измеряющих различные компоненты широких атмосферных ливней. В результате измерений с помощью этих детекторов и комбинации различных систем регистрации ученые имеют возможность восстановить направление прихода, энергию и тип космических лучей. Тункинский эксперимент проводит измерения в том же диапазоне энергий, что и эксперимент KASCADE-Grande в Технологическом институте Карлсруэ (Германия) и детектор космических лучей IceTop на Южном полюсе. TAIGA — это первая в мире черенковская установка площадью один квадратный километр, которая способна регистрировать гамма-кванты с огромной энергией. При этом лаборатория гибридная, она включает как местные детали, разработанные физиками из МГУ, ИГУ и НГУ, так и зарубежные разработки. Сочетание разного вида оборудования, в свою очередь, позволяет изучить механизмы генерации частиц с высокими энергиями в разных источниках.

В новых сцинтилляторах детекторах используются комплектующие исключительно отечественного производства. Они отличаются от аналогичных устройств герметичностью корпуса, что очень важно, поскольку эти детекторы предстоит закопать в землю. Для негерметичных приходится обустраивать подземные помещения, наподобие погреба и бокс с крышей. Детекторы, разработанные в НГУ, достаточно просто закопать в землю на глубину полтора метра. Внутри корпуса расположены сцинтилляционные пластины на основе полистирола. Заряженная частица попадая на них производит вспышку, далее свет попадает на переизлучатель -световод, и выводится на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), откуда и считывается специализированной электроникой. В конструкции детекторы ФЭУ - самые главные и самые дорогостоящие приборы, с помощью которых происходит регистрация очень слабых и коротких вспышек света.

— Данные детекторы с площадью поверхности в один квадратный метр и фотоэлектронным умножителем – это наше изобретение, в разработке которого мы использовали опыт ученых ИЯФ. Все комплектующие – отечественного производства. Подготавливают их к сборке – полируют, гнут и разрезают, - в экспериментальном производстве ИЯФ, корпус делают в Технопарке. А сборка происходит непосредственно в нашей лаборатории. Одним только производством детекторов наше участие в проекте «Тайга» не ограничилось. Мы подключились к программе исследований широких атмосферных ливней, наши сотрудники задействованы в дежурстве на станции и проведении научных наблюдений, — объяснил заведующий лабораторией.

Евгений Кравченко рассказал, что на начальном этапе участники Тункинского эксперимента изучали космические лучи независимо от того, откуда они прилетели на Землю. Это заряженные частицы — протоны большой энергии, происхождение которых определить невозможно, поскольку траектория их полета искривляется вследствие воздействия на них со стороны магнитных полей, существующих в галактиках, нашей Солнечной системе. В то же время гамма-кванты, не имеющие заряда, от своей траектории не отклоняются, и ученые могут понять откуда они прилетели.

— Важно отличать атмосферный ливень, порожденный гамма-квантами, от того, который образован заряженными частицами. Часть наших детекторов располагается на поверхности, другие же закапывают в землю, поскольку требуется слой поглотителя, чтобы регистрировать мюонную компоненту, характерную для космических лучей с преобладанием заряженных частиц (протонов). Мюон достаточно легко проходит под землю, и поэтому, если у нас сработали подземные детекторы, мы знаем, что в этом случае скорее всего имел место атмосферный ливень из протонов. Гамма-квант рождает ливни немного другой природы - электромагнитные, где много электронов и позитронов, и других гамма-квантов меньшей энергии, а мюонов в них содержится очень мало. В этом случае верхние (наземные) счетчики срабатывают, а нижние нет. Мы создали здесь достаточно уникальную систему моделирования на стыке астрофизики и физики элементарных частиц. Благодаря разработанной нами программе моделирования, мы смогли найти оптимальное количество и расположение детекторов, чтобы максимально точно регистрировать атмосферные ливни различного происхождения, энергии и протяженности, — уточнил Евгений Кравченко.  

Эксперимент «TAIGA» направлен на решение ряда фундаментальных астрофизических задач. Среди них — обнаружение источников космических частиц со сверхвысокой энергией, которой невозможно добиться на «земных» ускорителях, даже на Большом адронном коллайдере. Также ученые рассчитывают обнаружить процессы, свидетельствующие о возникновении и эволюции ранней Вселенной. Программа исследований также включает в себя ряд вопросов, относящихся к физике элементарных частиц, — поиск аксионов, исследование Лоренц-инвариантности при сверхвысоких энергиях.

Публикацию подготовила Елена Панфило, пресс-служба НГУ

В Новосибирской области открылась серия научно-популярных мероприятий для всей семьи – всероссийский фестиваль НАУКА 0+, который пройдет с 4 по 10 декабря.

В программе в этом году - свыше 130 мероприятий, участниками станут более 50 организаций - научные институты, вузы, инновационные компании.  В открытии фестиваля в Центре культуры и отдыха «Победа» приняли участие заместитель Губернатора Новосибирской области Ирина Мануйлова и заместитель председателя СО РАН, академик РАН, Василий Фомин. 

В ходе церемонии открытия участники стали свидетелями кульминации эксперимента ученых Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий РАН – высадка в питательную среду семян, вернувшихся из космоса. Его провели юные биологи. За экспериментом наблюдали участники фестиваля и журналисты. В течение месяца на сайте СФНЦА РАН можно будет следить за ходом эксперимента «Биориск» в рамках взаимодействия сибирских ученых с «Роскосмосом».

Также на открытии Фестиваля состоялось вручение дипломов школам-победителям, принявшим участие в мероприятиях, посвященных международному форуму научно-технологического развития «Технопром-2023». Ирина Мануйлова поздравил победителей - школу №5 г. Искитима и новосибирскую классическую гимназию №17 за воспитание активной молодежи, а также пожелала всем участникам фестиваля новых знаний, увлекательных научных экспериментов и открытий. 

«Фестиваль НАУКА 0+ самое востребованное в стране мероприятие, которое полностью соответствует задачам, отмеченных в указе Президента РФ Владимира Владимировича Путина о популяризации науки для населения страны. Каждый житель России должен знать, что происходит в этой сфере, потому что наука – это основа будущего нашей страны. Новосибирская область – уникальный регион, здесь представлены практически все научные направления. Все это можно увидеть на выставке, которая традиционно сопровождает Фестиваль», - отметила заместитель Губернатора. 

Ирина Мануйлова также отметила, что следующий год будет знаковый для всего научного мира - 8 февраля будет отмечаться 300-летие Российской академии наук. Следующий год Президент РФ В.В. Путин объявил Годом семьи. «Губернатор Андрей Травников предложил на заседании Координационного комитета Десятилетия науки и технологий, состоявшегося в рамках III Конгресса молодых ученых, усилить реализацию инициативы «Наука для всей семьи». И Фестиваль НАУКА 0+ идеальным образом вписывается в инициативу. Все мероприятия Фестиваля будут доступны и школьникам и их родителям -  участвуйте в научных квестах, лекциях и приходите на выставку», - добавила вице-губернатор.

На одном из центральных стендов были представлены разработки «Научно-исследовательского института фундаментальной и клинической иммунологии». Молодежная «Лаборатория регуляции иммунного ответа» института в этом году получила грант Правительства Новосибирской области. Ученые изучают трансплантационный иммунитет и новые методы прогнозирования рецидива онкологических заболеваний.  Благодаря гранту и созданию новой лаборатории обеспечены рабочие места для талантливой научной молодежи. Разработка новых критериев прогноза исхода трансплантации костного мозга позволит своевременно оптимизировать программу лечения больных и увеличить продолжительность их жизни.

Студенты НГТУ НЭТИ представили инновационную технологию контроля за ульями посредством смартфона, что помогает пчеловодам избежать потери популяции во время роения. Новосибирские инженеры из технического университета презентовали уникальный опытный образец протеза руки с пневматической мускулатурой, точно имитирующий конечности. В планах инноваторов полностью воссоздать скелет человека. Развитие данного направления ориентировано на импортозамещение.  Искусственные конечности с пневматическими мышечными волокнами в сравнении с моделями подвижных протезов предыдущих поколений, в которых использовались электромоторы, легче, функциональнее и менее шумные.

В программе Фестиваля также представлены автоматизированные системы определения эмоционального состояния, модели костей, распечатанные на 3D-принтере, симулятор операции на бьющемся сердце, коллекции насекомых и пресмыкающихся, мини-дог-шоу с участием собак и робопса Коди с искусственным интеллектом, ископаемые организмы, которые жили миллионы лет назад, 3D-модель ЦКП «СКИФ» со световым сопровождением и интерактивный математический стенд, где можно сыграть в нейроигру, разработанную студентами НГУ.

Пресс-служба Министерства науки и инновационной политики Новосибирской области

Академик Юрий Ершов стал лауреатом премии за цикл работ, результаты которых важны для разработки искусственного интеллекта

В Казани прошла церемония награждения лауреатов премии имени Лобачевского. Премия была учреждена в 1895 году и вручается раз в два года за научные труды, открытия и изобретения, имеющие важное значение для науки и практики в области фундаментальной и прикладной математики. Награда имеет международный статус, вручается на конкурсной основе – победитель получает 75 тысяч долларов и медаль имени Н.И. Лобачевского. Церемония награждения проходит в Казанском государственном университете, ректором которого был великий математик, чьим именем названа премия.

В этом году лауреатом премии стал академик Российской академии наук Юрий Ершов — лидер сибирской школы алгебры и логики, ранее возглавлявший Новосибирский государственный университет (1985 – 1993 г.г.) и Институт математики СО РАН (2003 – 2011 г.г.).

На конкурс (в котором участвовало 20 математиков со всего мира) он был выдвинут Ученым советом Новосибирского государственного университета и академиком РАН Сергеем Гончаровым за цикл работ по разработке топологии для дискретной математики, которые изложены в его итоговой монографии «Топология для дискретной математики».

«Академику Ершову с помощью сочетания методов алгебры и топологии удалось решить ряд актуальных проблем современной математики. И что не менее важно – построить модель, на основе которой можно создавать новые языки программирования», — рассказал  Сергей Гончаров.

Также он отметил, что, используя метод Ершова, его коллеги по Институту математики сейчас работают над созданием более совершенных систем искусственного интеллекта.

Проект студента Новосибирского госуниверситета (НГУ) Бато Хандаева прошел в полуфинал конкурса лаборатории стартапов от крупнейшего игрока российского рынка рыбы и морепродуктов.

Магистрант Передовой инженерной школы Новосибирского государственного университета Бато Хандаев вместе со студентом Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) Данилом Маклаковым представили на конкурс лаборатории стартапов от ГК «Агама» (специализируется на переработке и продаже рыбной продукции) проект производства культивированной красной и черной икры.

«Для получения икры классическим способом в питомнике необходимо вырастить рыбу, а значит, на протяжении восьми лет ее содержать, что подразумевает дополнительные расходы. К тому же в течение жизни рыба реализует далеко не весь свой икорный потенциал, обычно она мечет несколько тысяч икринок, но в ее организме яйцеклеток на порядок больше», — рассказал корреспонденту «Континент Сибирь» Бато Хандаев.

В рамках своего проекта студенты изымали яйцеклетки у живой рыбы, помещали их в биореактор и там выращивали до товарного размера. По их мнению, такая икра не только не отличается по составу от оригинала, но и позволит сделать производство более экологичным.

Студенты не только разработали рецептуру и технологию производства, но и продумали упаковку и дизайн продукции, а также схему вывода продукт а на рынок. Итоги работы были представлены на конкурсе стартапов, и проект в числе 12 команд попал в полуфинал, который состоится 20 декабря в Москве, где каждая команда представит свои проекты в готовом виде.

Цель участия в конкурсе — привлечь внимание к технологии со стороны потенциальных инвесторов. По оценке Бато Хандаева, на доработку технологии до промышленных масштабов и организацию готовой производственной линии по выращиванию икры может потребоваться от 200 до 300 млн рублей.

Утром 30 ноября ушёл из жизни академик Михаил Маров. Ему было 90 лет. Он возглавлял отдел планетных исследований и космохимии Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН, был сподвижником теоретика советской космонавтики Келдыша и участником программы межпланетных исследований. В том, что Венера стала «русской планетой», огромная заслуга Марова.

Венера влекла больше всего

В молодости он работал в РКК «Энергия», потом в Институте прикладной математики, где с 1967 года был заведующим отделом физики планет. Докторскую диссертацию защищал по атмосфере Венеры.

Михаил Маров занимался исследованиями околоземного космического пространства, Луны и планет Солнечной системы, создавал новые методы математического моделирования их атмосфер. Область его научных интересов была обширна: в неё входили механика и физика космоса, астрофизика, планетология. Однако именно Венера влекла его больше всего. И в советской программе исследований он принимал активное участие.

Начиная с 1960-х годов СССР запускал к «соседке» Земли автоматические межпланетные станции. Всего было отправлено несколько десятков аппаратов различного назначения. Часть из них успешно выполнили свои научные миссии — как в окрестностях планеты, так и на её поверхности. А ведь на заре космической эры у учёных не было представления о том, какие чудовищные условия царят на Венере: там гигантское давление, экстремально высокие температура и крайне «недружественная» по отношению к космическим аппаратам атмосфера.

В итоге Советский Союз добился наибольших из всех космических держав успехов в исследованиях Венеры. Масштабная программа продолжалась до середины 1980-х годов. И в ней постоянно участвовал Михаил Яковлевич Маров.

Мечтал дождаться нашего возвращения на Луну

Он тяжело переживал неудачи отечественной космонавтике в постсоветские время — потерю станции «Фобос-Грунт» в ноябре 2011-го, череду аварий ракет-носителей на стыке нулевых и десятых, недавнюю катастрофу «Луны-25». Маров мечтал дождаться нашего возвращения на Луну, и когда миссия окончилась неудачей, слёг в больницу. «Печально, что не удалось посадить аппарат. Для меня это, пожалуй, была последняя надежда увидеть возрождение нашей лунной программы», — говорил он в интервью МК.

Нашему изданию учёный тоже много раз давал интервью. И в них всегда чувствовалось, что в глубине души он так и остался романтиком из 60-х, одним из тех, кто вдохновлялся работами Циолковского и полётом Гагарина.

«Человек всегда стремился познавать новое. В древности он строил примитивные пироги, на них бороздил океан. С этого начались Великие географические открытия. И в XXI столетии эта черта никуда не делась. Она неистребима, причём к стремлению познавать мир извечным способом — собственными глазами, ушами и руками — в наше время добавились уникальные возможности делать это с помощью космических аппаратов-роботов. Но вслед за ними человек обязательно полетит на планеты — Марс и, возможно, ещё дальше», — рассуждал академик в одной из таких бесед.

«Американцы не ожидали, что мы способны на такой рывок»

Объясняя успехи советской программы освоения космоса, Михаил Маров отмечал, что тогда сошлось несколько важных моментов. Первый — отечественные прорывные работы в ракетостроении: Циолковский, Кондратюк, Цандер заложили основы, на которых воспитывались целые поколения исследователей. Второй — политическая обстановка. СССР был окружён вражескими военными базами. И ответ на эти угрозы мог быть связан только с разработкой баллистических ракет дальнего действия, благодаря которым и был осуществлён выход в космос — сначала спутника, а потом человека.

Был и третий момент. Так получилось, что во главе советского космического проекта встали два великих человека — Королёв и Келдыш, Главный конструктор и Главный теоретик. «Это были люди не только высочайшего ума и профессионализма, но и фантастических организаторских способностей. На них будто бы сконцентрировался весь творческий потенциал нашего народа. И Юрий Гагарин тоже стал порождением этого великолепного потенциала. Американцы просто не ожидали, что мы способны на такой рывок. Это наглядный пример роли личности в истории», — говорил Маров.

Михаил Яковлевич восхищался талантами наших людей. Будучи преподавателем МГУ, он общался с мальчишками и девчонками на молодёжных школах и видел, насколько у них пытливый ум, как горят их глаза, о чём и сам рассказывал с горящими глазами. Он был уверен, что с такими научными и инженерными кадрами у нас не будет проблем с тем, чтобы вернуться на ту же Луну, начать её освоение и в будущем использовать её ресурсы на благо человечества. Учёный не сомневался, что первые лунные базы появятся уже к концу 2020-х, а к середине ХХI века инфраструктура на спутнике Земли обретёт конкретные очертания.

«Я считаю, что мы обладаем всеми необходимыми возможностями для освоения Луны», — говорил в своём последнем интервью академик Михаил Маров.

«Микрофокус» — одна из станций первой очереди Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП СКИФ), основной функционал которой будет направлен на решение задач геологии и геофизики. Получая сфокусированный пучок синхротронного излучения, ученые смогут исследовать микрообъекты размером до 100 нанометров, что важно для анализа химического состава и кристаллической структуры веществ. Неразрушающее воздействие метода позволит изучать уникальные материалы, которые редко встречаются в природе либо попадают на Землю из космоса.

Созданием станции «Микрофокус» занимается Томский политехнический университет. Совместно с партнерами, в числе которых Новосибирский государственный технический университет, Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, Институт физики микроструктур РАН (Нижний Новгород), разрабатывается научно-экспериментальное оборудование. Специализацией станции, по словам разработчиков, станет рентгеновская микроскопия и микротомография, совмещенные с высокоразрешающим сканирующим рентгенофлуоресцентным анализом и структурными исследованиями кристаллов под высокими давлениями. 

«Концепция шести станций первой очереди сложилась в 2018 году и с тех пор кардинально не изменялась, а только дорабатывалась. Изначально инициатива по выбору специализации одной из установок исходила от ИГМ СО РАН, который сегодня участвует в реализации проекта. Общими силами с ТПУ и другими научными организациями новосибирские ученые также занимаются конструированием основных частей станции», — рассказал заместитель директора ЦКП СКИФ по научной работе доктор физико-математических наук Ян Витаутасович Зубавичус. 

Экспериментальная станция на синхротроне — это целая лаборатория. «Микрофокус» предназначен для проведения микронных и нанометровых исследований. «Интегратором станции (то есть организацией, отвечающей за весь проект) выступает ТПУ. Мы разговариваем с сотрудниками, работающими над сердцем станции — разработчиками системы окружения образца. Это система детекторов и различных устройств для проведения экспериментов непосредственно на пучках СИ. Нашей задачей было создать систему окружения образца, позволяющую полноценно им манипулировать: перемещать, вращать, подсвечивать, нагревать. Всё это нужно для того, чтобы извлечь из изучаемого объекта максимум информации. Современная оптика в комплексе с высокоточной системой позиционирования позволит станции работать как некий микроскоп, который регулирует размер пучка синхротронного излучения. Станция проектируется с учетом таких условий, чтобы в дальнейшем можно было совершенствовать ее характеристики», — отметил один из разработчиков концептуального дизайна станции «Микрофокус» старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН кандидат физико-математических наук Яков Валерьевич Ракшун. 

Томский политех прорабатывает тему синхротронных методов более двух лет, а также имеет опыт по рентгеновскому инжинирингу, управлению синхротронными и импульсными пучками. В феврале 2023 года в университете завершили этап эскизного проектирования будущей станции, включая создание 3D-модели установки со всем научным оборудованием, ограничительными конструкциями и инженерными сетями. Сейчас томские специалисты заканчивают разработку проектной документации и уже в ноябре приступят к изготовлению приборов. 

«В зоне ответственности ученых Томского политеха несколько инженерных и научных направлений. Во-первых, создание ограничительных конструкций и инженерных сетей. Это сложная часть работы и достаточно серьезный вызов, поскольку необходимо обеспечить рекордные показатели по термостабилизации — поддержанию температурного состояния будущей конструкции. Во-вторых, мы будем заниматься системами радиографии, томографии, дифрактометрии и другими. Также будет создана собственная система визуализации пучка, если по-простому — это рентгеновская камера высокого разрешения. С ее помощью станет производиться пусконаладка станции, и в дальнейшем эта камера может быть использована в рентгеновской визуализации высокого разрешения», — перечислил проректор по науке и стратегическим проектам ТПУ кандидат физико-математических наук Алексей Сергеевич Гоголев. 

Одна из важных частей работы над станцией, которой также занимаются ученые ТПУ, — разработка программного обеспечения как части системы автоматизации станции в целом: синхронизация и взаимодействие отдельных единиц оборудования друг с другом, отработка протоколов сканирования, создание дополнительных программных модулей для разных режимов станции и многое другое. Команда Томского политеха также запланировала проведение первых испытаний собственных систем регистрации, одно из основных назначений которой — визуализировать пучок излучения при первичной настройке и измерить его параметры. А когда СКИФ запустят, эти детекторы смогут работать в составе систем высокоразрешающей радиографии и томографии. Каждый элемент станции автоматизирован, вместе с ними будут поставляться приложения для управления, интегрированные в единую систему.

«На станции “Микрофокус” мощный рентгеновский пучок синхротронного источника соберется в крошечное фокусное пятно размером до 200—100 нанометров и возможностью уменьшения еще в четыре раза в будущем, что позволит получить рекордно высокую плотность излучения в точке размещения исследуемого образца. К примеру, толщина человеческого волоса около 100 микрометров — это в тысячу раз больше предполагаемых размеров нашего излучения. При этом такой анализ не создаст опасности разрушения изучаемых образцов, что даст возможность без опаски работать с особенно хрупкими или ценными предметами. В мировой практике таких установок нет. Речь идет о качественно другом анализе по сравнению с доступными нам сейчас. Удастся не просто подробно рассмотреть объект, но и определить местоположение скоплений конкретных химических элементов и микровключений минералов в нем. При запуске облучения система позволит сразу тестировать распределение элементного состава в веществе, визуализировать, как проходят самые быстротечные химические реакции», — пояснил А. С. Гоголев. 

В ходе исследований научное сообщество получит комплексные знания о расположении атомов и молекул по отношению друг к другу. С использованием всех преимуществ синхротронного излучения исследователи смогут изучить, каким образом изменяется вещество в экстремальных условиях, при температуре и давлении, как в ядре Земли. В будущем это позволит создавать новые сплавы, полимеры, комплектующие для современной техники, реализуя у них нужные свойства на основе найденных закономерностей. Также разработчики отмечают феноменальную скорость работы установки. Если еще двадцать лет назад на расшифровку какой-либо кристаллической структуры требовались годы, то СКИФ сделает это за несколько секунд. 

По словам томских разработчиков, возможности станции вызывают особый интерес в области исследования редкоземельных металлов. Специализация «Микрофокуса» связана с анализом свойств и состава материалов, геологией, минералогией, изучением кернов, природных и искусственных структур. 

«Станция имеет очень широкий спектр применения. Используя ее инструментарий, можно будет создавать высокопрочные материалы авиационного назначения с помощью лазерных и аддитивных технологий, новые защитные покрытия методами плазменного и холодного газодинамического напыления, исследовать новые полигидридные материалы, управлять структурообразованием кристаллических фаз, в том числе с использованием переменных температур и давлений, проводить фотокристаллографические исследования и исследования дефектных и напряженных кристаллов, а также изучать трудноизвлекаемые формы полезных ископаемых, проводить анализ вариаций состава геоматериалов для задач экологии и климатологии, изучать геоматериалы под воздействием экстремальных условий и многое другое», — отметил А. С. Гоголев. 

«Микрофокус» для наук о Земле

«В функционале станции для нас важны два момента. В первую очередь это высокоразрешающее исследование геологических образцов самой разной природы, в том числе и озерных отложений: сканирование в очень тонких прослоях, детальная реконструкция климата и оледенений, изменения характера увлажненности и средней температуры. Эта работа даст понять, какими были природные условия в прошлом, и позволит делать определенный прогноз на будущее, что любопытно в условиях глобального потепления. Второе направление касается изучения геологических материалов и их экспериментальных аналогов в условиях высоких температур и высоких давлений. Сюда относится моделирование процессов рудообразования, а также минералообразования в глубинах земли», — рассказал директор ИГМ СО РАН член-корреспондент РАН Николай Николаевич Крук. 

Изучение состава и структуры ученые ИГМ СО РАН называют основными целями работы на станции. С помощью оборудования специалисты смогут определить, из атомов каких элементов состоит изучаемый объект, а также их расположение в пространстве. На станции «Микрофокус» сложилась комбинация пространственного разрешения и пределов обнаружения. Микро- и наноразмерные показатели сфокусированного пучкового излучения позволяют снизить пределы обнаружения искомого вещества в составе образца по сравнению с электронным микроскопом в сто тысяч раз. По мнению ученых, этот инструмент способен предоставлять совершенно новую информацию о распределении элементов в микро- и наноскопических телах, и ни один другой метод не дает более содержательной картины. Ввиду высокой производительности станции, специалисты смогут проводить миллионы элементных анализов в год. Также геологи выделяют возможность посмотреть не только на поверхность образца, но и внутрь — благодаря конфокальному рентгеновскому микроскопу, расположенному на станции. При этом сам объект исследования остается невредимым. 

«Одна из очевидных задач, которую можно будет решать, используя ресурсы станции — изучение уникальных веществ, мало или редко встречающихся в природе. Например, космические тела, попадающие на Землю в виде метеоритов, останков комет и другими способами. В частности, мы занимаемся поиском остатков Тунгусского метеорита в донных осадках озер — он упал на территории современного Красноярского края. После взрыва в 1908 году в водоемы попало большое количество вещества, образовался его точно выделяемый слой. Один из образцов явно отличается от других пород на территории водосбора. Однако еще нет достоверных данных о происхождении и характеристиках этого вещества. Подобные эксперименты планируется провести в 2025 году как раз на станции “Микрофокус”. Высокая производительность всего комплекса предусматривает работу с большим количеством различных образцов, что также обеспечивает шаг в сторону поисковой геохимии и дает дополнительный метод поиска месторождений полезных ископаемых», — прокомментировал старший научный сотрудник лаборатории литогеодинамики осадочных бассейнов ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Андрей Викторович Дарьин. 

Помимо элементного анализа составов горных пород и донных озерных отложений, ключевой задачей оборудования станции геологи определяют проведение экспериментов при высоком давлении и температуре. Большая часть вещества планеты и минералов находится именно в таких условиях, они устойчивы в недрах Земли и других объектов. Чтобы понять, как работает тектоника, почему возникают вулканы и полезные ископаемые, движение плит, ученым нужно уметь экспериментально воссоздать похожие условия в пределах станции. Только таким способом получится выяснить свойства веществ, которые и определяют механизмы геологической жизни планеты. 

«Одна из основных техник, которую мы применяем в исследованиях при высоких давлениях, — алмазные наковальни. Поскольку алмазы имеют твердость, превосходящую твердость любых других минералов и объектов, с помощью такой методики удается сформировать давление миллионов атмосфер и фактически воспроизвести условия, приближенные к ядру планеты. На микроплощадки между алмазов помещается образец, который тоньше человеческого волоса, и никаким другим способом, кроме как микрофокусным пучком синхротронного излучения, исследовать объект не получится. Облучив вещество, подвергнутое высокой температуре и давлению, мы увидим картины рентгеновской дифракции и зарегистрируем углы, под которыми объект рассеивает излучение, что позволит реконструировать расположение атомов внутри него, то есть кристаллическую структуру. Надеемся, что на СКИФе мы получим пучки, которые выведут подобные эксперименты на новый уровень», — отметил старший научный сотрудник лаборатории метаморфизма и метасоматизма ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Сергей Владимирович Ращенко. 

СИ для нефтегазовых технологий

В области нефтегазовых технологий синхротронное излучение может стать полезным инструментом для настройки технологий повышения эффективности добычи и переработки углеводородов. Станция «Микрофокус», благодаря возможностям трехмерной неразрушающей визуализации, позволит специалистам изучать образцы горных пород и динамику проходящих в них физико-химических процессов, характерных для задач добычи углеводородов. Сибирские ученые планируют использовать синхротронное излучение для создания конкретных методик по улучшению технологий добычи трудноизвлекаемых запасов нефти и газа совместно с ведущими российскими компаниями. 

«Уже на протяжении трех лет НГУ реализует программу “Цифровой керн”, куда входит развитие программного обеспечения и вычислительных алгоритмов для того, чтобы традиционные фильтрационные эксперименты при разработке нового нефтегазового месторождения проводить не в лабораториях, а на цифровом двойнике керна, то есть через прямое и численное моделирование протекающих процессов. Необходимо воспроизвести течение многофазного флюида — жидкостей и газа в порах горных пород, содержащего различные компоненты, которые мигрируют во время фильтрации и взаимодействуют друг с другом. Чтобы лучше понимать, что происходит на уровне порового пространства пород, нам нужен источник синхротронного излучения. Интенсивный пучок СИ позволяет регистрировать с высоким разрешением и контрастностью процессы, которые невозможно отследить на обычном рентгене. Таким способом можно зафиксировать динамику фильтрационных процессов, отличить нефть от воды на томографическом снимке, в то время как традиционные методы не дают увидеть этого различия в силу большого времени съемки одного кадра и близкой плотности флюидов. Используя возможности станции “Микрофокус”, мы сможем не только построить томографию керна, но и определить его минеральный состав, что очень важно, поскольку разные минералы при взаимодействии с флюидами проявляют различные свойства. Это позволит настроить численные алгоритмы под конкретные объекты нефтедобычи — часть отобранного на месторождении керна будет попадать на синхротрон СКИФ для настройки математических моделей и выбора метода разработки. В конечном счете удастся найти способы увеличить коэффициент извлечение углеводородов из трудноизвлекаемых запасов, улучшить качество и интенсивность добычи», — рассказал заместитель председателя СО РАН, директор НОЦ «Газпромнефть-НГУ», руководитель Передовой инженерной школы НГУ доктор физико-математических наук Сергей Валерьевич Головин. 

В рамках Х Международного форума технологического развития «Технопром-2023» институты, вузы совместно с индустриальным партнером создали консорциум «Синхротронное излучение в нефтегазовых технологиях». Соглашение о сотрудничестве подписали восемь организаций, в числе которых Научно-технический центр «Газпром нефти», НГУ, ТПУ, ЦКП СКИФ, ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН», Казанский федеральный университет, Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН. По словам организаторов консорциума, он открыт для включения новых партнеров. Помимо научной составляющей в работе объединения, участники прорабатывают бизнес-модели коммерциализации разработанных технологий и возможности оказания услуг для широкого круга нефтегазовых компаний. 

«С одной стороны, это важная технологическая задача, которую нужно решать для обеспечения энергетики страны или даже мира, а с другой — это передовой исследовательский инструмент, обладающий огромным потенциалом, который можно раскрыть через развитие технологий», — добавил С. В. Головин.

При подготовке коллектива, который будет заниматься на СКИФ нефтегазовыми проблемами, потенциальные пользователи сибирского источника СИ, помимо имеющихся компетенций, делают упор также на молодых ученых. Ресурсы университетов позволяют привлекать к работе талантливых студентов, силами которых уже сегодня реализуются некоторые проекты. В частности, одним из проектов по синхротронному направлению созданного консорциума руководит аспирант-геофизик ИНГГ СО РАН Михаил Игоревич Фокин. Его работа заключается в изучении процессов взаимодействия флюидов с горной породой с использованием методов абсорбционной и фазово-контрастной нанотомографии. Полученные в процессе экспериментов данные будут дополнены информацией о минеральном составе образца, снятой с использованием методов спектральной томографии и рентгенофлуоресцентного анализа. 

«Станцию “Микрофокус” можно назвать одним из ключевых инструментов в этой области. Она позволяет проводить трехмерную визуализацию и исследовать образцы на масштабах десятков и сотен нанометров. Основная цель наших исследований — получение уникального набора экспериментальных данных для валидации физико-математических моделей фильтрации и более детального понимания процессов взаимодействия флюида с горной породой на уровне субмикрона. Важность этого исследования обусловлена интересом нефтегазовых компаний к эффективной разработке трудноизвлекаемых запасов углеводородов, находящихся в низкопроницаемых пластах горных пород с субмикронной пористостью», — сказал Михаил Фокин. 

Окончание всех видов работ по строительству и организации СКИФ запланировано интеграторами на декабрь 2024 года. Одновременно в эксплуатацию будут введены шесть станций первой очереди, на которых уже в 2025 году начнутся научные исследования и эксперименты. 

Кирилл Сергеевич

Изображения предоставлены Яковом Ракшуном