Отечественные учёные не отдыхают. Прямо в разгар лета они смогли разработать программно-аппаратную часть для специального устройства для новейшей космической обсерватории, создать имплант, помогающий быстрее восстанавливаться после переломов, а также нашли более эффективную технологию алмазного шлифования. Об этих и других не менее важных достижениях отечественной науки в июле далее в статье.
Нашли самую точную модель турбулентности для расчётов реакторов нового поколения на жидком топливе
В реакторах большинства действующих сегодня атомных электростанций используются твёрдые тепловыделяющие элементы — таблетки из диоксида урана в циркониевых оболочках. В разрабатываемых для их замены двухжидкостных реакторах IV поколения топливо находится в жидком состоянии и циркулирует по отдельному контуру, а теплоносителем служит расплавленный свинец. Такая схема обеспечивает примерно на 30% более высокий КПД по сравнению с традиционными водо-водяными реакторами и позволяет непрерывно перерабатывать топливо. Однако использование жидкого топлива создаёт сложную математическую задачу: при медленном течении тепло в нём переносится преимущественно за счёт молекулярной теплопроводности, а не турбулентного перемешивания, поэтому существующие инженерные модели теплопередачи, разработанные для воды и воздуха, оказываются недостаточно точными.
Российские учёные определили, какие математические модели подойдут лучше всего для расчётов движения и теплообмена жидкого ядерного топлива в перспективных двухжидкостных ядерных реакторах IV поколения. Для начала с помощью суперкомпьютерного моделирования они получили высокоточные «эталонные» данные о температуре и скорости ядерного топлива при обтекании теплообменных стержней на экспериментальном реакторе Dual Fluid Reactor. Затем их сравнили с расчётными значениями двух распространённых инженерных моделей турбулентности: более сложной модели Рейнольдсовых напряжений RSM BSL и более простой — k-omega-SST.
Оказалось, что вторая модель показывает лучшие результаты, более того, достаточно эффективно описывает теплогидравлические процессы в жидком металлическом топливе двухжидкостных реакторов IV поколения. Её использование позволит сократить расходы на дорогостоящем суперкомпьютерном моделировании, ускорить проектирование реакторов нового поколения, а также поспособствует развитию технологий замкнутого ядерного топливного цикла с более полным использованием топлива и уменьшением объема радиоактивных отходов.
Изобрели имплант для полноценного восстановления после переломов
Для полноценного восстановления кости после травмы или операции необходимо, чтобы в зоне дефекта появлялась не только новая костная ткань, но и сеть кровеносных сосудов и нервных волокон. Для этого в современной медицине используют электрическую стимуляцию. Это имитирует биоэлектрические свойства здоровой кости (когда человек получает механическую нагрузку, возникают слабые электрические сигналы), что помогает клеткам в правильной регенерации. Однако для этого необходимо внешнее оборудование (провода, электроды, огромные источники питания), что делает метод инвазивным и повышает риск осложнений.
Учёные из Томска в составе международной группы создали 3D-печатный пористый имплант из биосовместимого гидрогеля с магнитоэлектрическими наночастицами, который с помощью слабого магнитного поля генерирует электрические сигналы и значительно ускоряет восстановление костной ткани, нервов и кровеносных сосудов без использования проводов и внешних электродов. Его использование сочетает функции каркаса для клеток, беспроводной биоэлектрической стимуляции, а также снижает риск осложнений после операций.
Наночастицы печатного импланта имеют тип «ядро-оболочка»: в центре частицы находится магнитострикционное ядро из феррита марганца, а снаружи оно покрыто пьезоэлектрической оболочкой из перовскита модифицированного титаната бария. Лабораторные исследования (in vitro) изобретения показали усиление дифференцировки стволовых клеток в костную ткань и активацию молекулярных механизмов, отвечающих за регенерацию. Эксперименты на животных (in vivo) показали, что формирование нервов и сосудов ускорилось в 3,1 раза, а образование костной ткани — в 4,6 раза. В перспективе подобные 3D-платформы можно использовать для сложных случаев, где важно управлять сразу несколькими процессами — ростом клеток, сосудов, нервов и межклеточным обменом.
Создали аппаратную часть специализированного считывающего устройства для космической обсерватории «Спектр-УФ»
В октябре 2031 года Россия планирует запустить в космос новейшую космическую обсерваторию «Спектр-УФ». Она будет наблюдать за удалёнными объектами в ультрафиолетовом диапазоне с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП), регистрирующего поток фотонов. Это очень большой поток данных, а учёные ограничены тем, что пропускная способность радиоканала для передачи данных с борта космического аппарата на Землю составляет только мегабиты в секунду. Значит, обработку данных нужно производить в реальном времени и передавать только конечный результат. Но многие радиационно-стойкие процессоры, которые можно применять в космосе, сегодня способны обеспечить частоты работы только в сотни мегагерц.
Чтобы выйти из ситуации, российские учёные разработали программно-аппаратную часть для ЭОП нового поколения. Они адаптировали математические алгоритмы обработки изображений под доступные вычислительные ресурсы. Устройство анализирует изображение в режиме реального времени, обнаруживает отдельные вспышки, определяет их координаты и время регистрации, и передаёт только эту информацию, а не целые изображения. Всё это происходит в режиме реального времени и вписывается в возможности ограниченной пропускной способности канала связи. Кроме того, разработка полностью построена на отечественной радиационно-стойкой электронной базе.
Разработали технологию алмазного шлифования пластин для полупроводников
Монокристаллический сапфир широко применяется в производстве светодиодов, лазерных диодов, СВЧ-микросхем и так далее. Всё из-за его выдающихся физических свойств: он прозрачен в широком спектральном диапазоне (от ультрафиолета до инфракрасного), выдерживает температуры до 2040 °C, химически инертен, а также является одним из самых твёрдых материалов на Земле (9 из 10 по шкале Мооса). Поэтому при обработке традиционным алмазным шлифованием на нём остаётся слой микротрещин (80–120 мкм), что ухудшает прочность и теплопроводность материала.
Учёные заменили свободный алмазный абразив на связанный алмазный инструмент, в котором зерна жестко закреплены в специальной матрице. Такой подход изменяет механизм обработки: вместо ударного разрушения преобладает сдвиговое микрорезание. Из-за этого глубина дефектного слоя уменьшилась на 30-40%, а также снизился расход абразивного материала. Интересно, что для черновой обработки наиболее эффективным оказался инструмент с крупными алмазными зернами, который удалял материал почти в 6,5 раза быстрее традиционных методов, а для финишной — лучшим стал инструмент с графитовыми добавками, улучшающими теплоотвод. При этом финальная шероховатость поверхности составила менее 0,07 мкм.
