Владимир Полканов
|
|
УГНТУ проводит полевые экспедиции для создания почвенных карт. Фото предоставлено Лабораторией ИИ в исследованиях окружающей среды УГНТУ |
ИИ заглянул под землю
По нацпроекту «Молодежь и дети» обновляется университетская инфраструктура по всей стране. К 2036 году в России построят 40 кампусов.
В студенческих городках формируют единую среду для студентов, ученых и бизнеса – с общежитиями, лабораториями, возможностью работать с партнерами. Такая инфраструктура помогает связывать образование, науку и реальный сектор экономики, усиливать мобильность преподавателей и исследователей, а также наращивать число иностранных студентов.
Строительство идет заметными темпами. Уже открыты кампусы МГТУ им. Баумана, Уральского федерального университета имени Б.Н. Ельцина, построены объекты в Новосибирске, Уфе, Калининграде, Южно-Сахалинске, Нижнем Новгороде, Челябинске. В этом году проходит новая волна отбора площадок под кампусы.
Один из проектов – Межвузовский студенческий кампус Евразийского научно-образовательного центра (НОЦ) мирового уровня в Уфе. Его первая очередь открылась в феврале 2025 года, в кампусе размещены лаборатории пяти университетов республики. Среди исследований, проводимых на базе кампуса, – проект цифрового картографирования почв Башкортостана. Это совместная разработка ученых Уфимского государственного нефтяного технического университета (УГНТУ) и Уфимского института биологии Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук.
Новые карты повысят точность оценки запасов почвенного углерода и кислотности в масштабах всей республики. Разработка отличается от привычной почвенной картографии. Вместо плоских двумерных схем поверхности или отдельных почвенных горизонтов она позволяет создавать непрерывные объемные модели, оценивающие изменение характеристик почвы на глубине до одного метра.
Исследователи использовали инструменты машинного обучения – раздела искусственного интеллекта (ИИ), в котором компьютерная программа сама находит закономерности в данных, а не действует по жестко заданным правилам.
В фокусе исследования – содержание органического углерода и кислотность почвы. Эти два параметра напрямую влияют на плодородие земель, экологическое состояние территорий и участие почв в климатических процессах. Чем больше в почве органического углерода, тем активнее она удерживает парниковые газы, а не отдает их в атмосферу.
Проект стартовал в 2020 году. За шесть лет команда собрала и объединила данные прежних исследований – 29,4 тыс. измерений содержания органического углерода и более 22,3 тыс. измерений кислотности почв. Дополнительно использовали 82 цифровые карты республики с информацией о климате, рельефе, геологии, гидрологии и почвах, а также спутниковые снимки.
Принцип работы отличается от полевой съемки прошлых десятилетий. Раньше карты почв строили на основе выездных обследований и последующей ручной обработки собранных проб. Сейчас алгоритм ищет статистические связи между известными свойствами почвы и факторами, которые влияют на ее формирование – рельефом, климатом, растительностью. А затем распространяет эти закономерности на территории, где прямых измерений не было. Точность прогнозов трехмерных моделей прошла многоступенчатую проверку.
Самой трудоемкой частью проекта оказалась подготовка исходных данных. Данные по территории республики распределены неравномерно: для равнинных районов информации накопилось значительно больше, чем для Уральских гор, где полевые обследования сложнее организовать логистически. Сейчас в горных районах идут дополнительные полевые работы.
Такие научные разработки очень важны для устойчивого развития сельского хозяйства, экологии и экономики региона. Переход от ручных методов обследования к точным цифровым инструментам дает надежную основу для управленческих решений. А точное знание свойств почв помогает эффективнее вовлекать земли в хозяйственный оборот.
Научный потенциал межвузовского кампуса работает на развитие республики и соответствует задачам повышения инвестиционной привлекательности региона, подчеркнула заместитель премьер-министра правительства Башкортостана – министр земельных и имущественных отношений Наталья Полянская.
«Созданные карты – это рабочий инструмент, позволяющий оценить пространственные паттерны почвенного органического углерода и кислотности на территории Республики Башкортостан, – говорит начальник Лаборатории ИИ в исследованиях окружающей среды Центра технологий декарбонизации УГНТУ Азамат Сулейманов. – Прежде всего они будут полезны ведомствам и органам власти для управления земельными ресурсами и принятия управленческих решений в сельском хозяйстве. В связи с реализацией проекта «Евразийский карбоновый полигон» в республике созданные карты будут использоваться экологами для климатического мониторинга и оценки углеродного баланса».
Карбоновый полигон, о котором говорит ученый, – участок с ковыльными степями, залежными землями, лесами и болотами, где ученые отрабатывают технологии измерения выбросов и поглощения парниковых газов природными экосистемами.
Содержание органического углерода и кислотность – исходные параметры для расчета углеродного баланса, поэтому почвенные карты позволяют напрямую оценивать, сколько углерода поглощает или выделяет территория самого полигона.
По словам Азамата Сулейманова, статус оператора карбонового полигона определяет ключевую роль УГНТУ в проекте создания цифровых почвенных карт методами ИИ. Университет предоставляет научно-исследовательскую базу и инфраструктуру, координирует полевые экспедиции, привлекает к работе молодых ученых и студентов, а также встраивает полученные результаты в образовательные программы, готовя специалистов под актуальные мировые тренды.
Дальнейшие шаги команда видит в трех направлениях: создание карт других свойств почвы, внедрение более продвинутых алгоритмов искусственного интеллекта и расширение полевых экспедиций для сбора данных, рассказал Азамат Сулейманов.
|
|
Ученые РТУ МИРЭА нашли способ печатать керамические детали для СВЧ-техники на 3D-принтере. Фото с сайта www.mirea.ru |
Передовые инженерные школы (ПИШ) – проект, направленный на подготовку инженеров нового поколения для высокотехнологичных отраслей. Сейчас в России действуют 50 передовых инженерных школ в 23 регионах. К 2030 году количество ПИШ вырастет в два раза.
Передовые инженерные школы совмещают образовательную, научную и инновационную деятельность в кооперации с высокотехнологичными компаниями. Направления подготовки охватывают транспорт, приборостроение, архитектуру, искусственный интеллект и другие отрасли. Студенты ПИШ разрабатывают решения для реального сектора экономики, проходят практику и стажировки на предприятиях-партнерах, а также имеют возможность повысить квалификацию по программам дополнительного профессионального образования.
Одна из Передовых инженерных школ, а именно ПИШ СВЧ-электроники создана на базе Российского технологического университета (РТУ МИРЭА) в Москве в конце 2023 года. Ее задача – сформировать национальный центр компетенций в области СВЧ-электроники и готовить инженеров для предприятий отрасли, обеспечивая условия для технологического суверенитета России.
В настоящее время исследователи здесь работают, в частности, над технологией 3D-печати керамическими композитами, которая может изменить технологию производства деталей для СВЧ-техники. Керамика – незаменимый материал в этой сфере: она сохраняет свои функциональные характеристики, несмотря на воздействие высоких температур и высоких частот. Проблема в том, что изготовление керамических деталей классическими методами требует использования дополнительной оснастки и большого количества времени, а это дорого, особенно для мелких партий или изделий сложной геометрии.
Команда разработчиков под руководством Андрея Смирнова попробовала обойти это ограничение с помощью LCD-печати – технологии, которую обычно применяют для 3D-печати моделей из фотополимерной смолы. Разница в том, что вместо чистой смолы в ванну принтера заливают суспензию – смесь смолы с керамическим порошком, титанатом бария. После затвердевания керамические частицы остаются внутри детали и придают ей нужные электрофизические свойства.
На практике возникло серьезное препятствие: тяжелые частицы суспензии оседают на дно и слипаются. В одном из экспериментов при 10-процентном содержании керамического наполнителя распределение по объему детали получилось крайне неровным – в верхней части материала почти не оказалось, а в нижней его было слишком много. Попытка исправить ситуацию поддерживающими печатными структурами результата не дала.
Для решения этой задачи исследователи опробовали два подхода одновременно. Первый – ультразвуковое диспергирование: специальное оборудование разрушает слипшиеся комки частиц и распределяет их равномерно по всему объему суспензии. Здесь важна точность технологического процесса: перегрев состава портит смолу, поэтому диспергатор работает импульсами, а не непрерывно.
Второй подход – введение поверхностно-активных веществ, которые препятствуют слипанию частиц и замедляют их оседание. Это позволило довести долю керамического наполнения в количестве до 35–55%, сделав суспензию пригодной для стабильной печати.
Отдельно ученые отмечают проблему адгезии – пока напечатанное изделие плохо закрепляется на рабочем столе принтера, что требует дополнительной настройки параметров печати и последующей обработки готовых деталей.
Конечная цель разработки – готовая технология 3D-печати керамических композитов с заранее заданными электрофизическими характеристиками. Причем ее применение не ограничивается СВЧ-электроникой – она подходит везде, где нужна прочная, термостойкая керамика.
«Актуальность данной тематики обусловлена растущим спросом на функциональные керамические материалы в таких областях, как медицина, аэрокосмическая промышленность, электроника и энергетика», – пояснил зав. кафедрой инженерии материалов ПИШ СВЧ-электроники Светлана Тюрина. По ее словам, в настоящее время уже есть ряд конкретных предприятий, заинтересованных в результатах данной научной работы.
Работа выполняется коллективом сотрудников РТУ МИРЭА с активным участием студентов ПИШ СВЧ-электроники – это пример того, как модель передовых инженерных школ соединяет студенческую науку с прикладными задачами высокотехнологичной промышленности.
«Ребятам это дает возможность в процессе обучения получить реальный опыт научно-исследовательской деятельности, тесное взаимодействие не только с преподавателями, но и с ведущими учеными, имеющими большой производственный опыт, – отметила Светлана Тюрина. – Студенты получают доступ в современные исследовательские, испытательные лаборатории и к высокотехнологичному оборудованию. В результате университет готовит высококлассных специалистов, которые способствуют достижению технологического лидерства».
|
|
Томские исследователи предложили способ получения энергии из отходов угля и старых шин. Фото пресс-службы ТПУ |
По программе «Приоритет-2030» вузы получают гранты на реализацию собственных программ развития. Задача – сосредоточить ресурсы вузов на национальных целях, укрепить их научный потенциал и превратить университеты в опорные точки развития регионов.
Университеты-участники должны вести прорывные исследования и готовить кадры для ключевых отраслей, связывая государство, науку и бизнес. Студенты с первых курсов включаются в реальные исследования и создают собственные технологические проекты в медицине, энергетике, транспорте, экологии и десятках других областей.
В 2025 году проведена корректировка целеполагания программы «Приоритет-2030». Ключевым вектором ее развития определено достижение технологического суверенитета страны и обеспечение лидерских позиций по приоритетным научно-технологическим направлениям. Университеты комплексно переработали программы развития и разработали стратегические технологические проекты (СТП) – они ускоряют переход предшествующих исследований в продуктовые результаты с высоким коммерческим потенциалом и значительным влиянием на общество.
Результатами программы стал существенный рост объема заказов НИОКР предприятиями и бизнесом, реализация инвестиционных проектов, создание новых рабочих мест, подготовка кадров в интересах развития региональной экономики.
У Томского политехнического университета один из СТП – «Экономика и энергетика замкнутого цикла». Например, ученые смогли получить топливо, смешивая два вида отходов, каждый из которых по отдельности малопригоден для использования.
Речь идет о продуктах пиролиза – термического разложения веществ без доступа кислорода. При пиролизе угля и резины образуются жидкие углеводороды, но их химический состав сильно зависит от исходного материала и условий процесса. Из-за этого значительная часть таких жидкостей остается неиспользованной: слишком сложный состав не позволяет напрямую применять их как топливо.
В ТПУ решили проверить, что получится, если объединить два «непригодных» продукта – жидкие углеводороды из отработанных крупногабаритных шин карьерных самосвалов и обводненную смолу коксования угля Кузнецкого угольного бассейна. Смеси готовили с разной долей смолы – от 2,5 до 40% по объему. Затем анализировали плотность, вязкость, теплоту сгорания и зольность. Капли смесей сжигали в лабораторной печи при температуре 600–800 градусов.
Результат оказался неожиданным: вместо простого сложения слабых характеристик компоненты усилили друг друга. При доле смолы 40% время воспламенения смеси сократилось на 40% при 600 градусах и на 75% при 800 градусах. Одновременно вредные выбросы угарного газа и оксида азота снизились на величину до 50%, в зависимости от концентрации смолы.
Эффект объясняется взаимным усилением компонентов при совместном сжигании: жидкие углеводороды из отработанных шин и обводненная угольная смола вступают в химическое взаимодействие, которое меняет процесс воспламенения и горения смеси. Ключевую роль в этом играют кислоты и спирты – кислородсодержащие соединения, которые входят в состав угольной смолы. Взаимодействуя с углеводородами шин, они интенсифицируют образование паров, а это, в свою очередь, ускоряет процесс воспламенения.
У разработки есть прямой практический смысл – она может стать перспективным топливом для промышленных котлов. Решение может быть особенно востребованным в регионах с развитой угледобычей и переработкой угля, например в Кузбассе. Идея проверена в лабораторных условиях, продемонстрирована ее работоспособность, получены технические и удельные характеристики, но еще не проведены испытания на реальном оборудовании.
«Следующий этап – это переход к испытаниям на промышленном объекте, – сообщил автор исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Кирилл Ларионов. – Для масштабирования данного решения нужно провести промышленные испытания жидкостных горелок на одной из теплогенерирующих котельных и расширенную оценку экологических выбросов, посмотреть на надежность работы форсунок, горелок и стабильность горения факела, измерить температурный режим. После проведения этих испытаний нужно подготовить соответствующие стандарты для того, чтобы это топливо можно было использовать на объектах энергетики».
Разработка ТПУ может лечь в основу новой бизнес-модели для угледобывающих регионов: сбор отходов шин и угля, их совместная переработка и продажа полученного тепла предприятиям или населению.
«Участие ТПУ в программе «Приоритет-2030» позволило нарастить потенциал наших молодых команд разработчиков, существенно вложиться в модернизацию и улучшение инфраструктуры, а также реализовать сложные технологические проекты, – отметил проректор по науке и стратегическим проектам ТПУ Алексей Гоголев. – С другой стороны, участие в программе требует от университета определения стратегических целей, которые недостижимы без тесного партнерства с компаниями, и это дает свои результаты, которые выражаются в первую очередь в смещении фокуса на создание конкретных технологических решений и технологий».
