Отечественные ученые трудились в поте лица весь прошедший год. Они смогли совершить много прорывов в различных областях науки. В данной статье собраны важнейшие достижения каждого месяца 2024 года. Некоторые из них более локальные, позволяющие эффективнее и экономичнее решать определённые задачи, а некоторые — показывают, что Россия до сих пор находится на острие международного научного сообщества.
💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.
В январе: разработали акустическую систему навигации с точностью до миллиметров
Конструкторы из Московского авиационного института разработали новую уникальную систему для определения положения объектов в пространстве с высокой точностью. Она состоит из звукового и радиоизлучателя, а также маяков с приёмниками, расположенных вокруг рабочей зоны. Принцип работы системы основан на разнице времени прихода звукового и радиосигналов от объекта к маякам. Используя данные от нескольких маяков, система может определять координаты объекта с точностью до нескольких миллиметров, а также оценивать наклон между двумя точками, что позволяет использовать её в качестве акустической линейки, отвеса и уровня. Учитывая, что существующие на рынке аналоги обычно имеют точность, измеряемую единицами или даже десятками сантиметров, новая система найдёт применение в различных областях, таких как геодезия, строительство, роботизированные склады и предприятия. Образец должны были собрать до конца 2024 года, но перенесли на начало 2025-го.
В феврале: открыли новый миллисекундный рентгеновский пульсар
Российский космический аппарат «Спектр-РГ» обнаружил короткие вспышки мягкого рентгеновского излучения от ранее неизученного источника, а также когерентные пульсации рентгеновского потока на частоте 447,8 Гц. Данные были получены телескопом ART-XC, установленном на аппарате, а затем подтверждены командой рентгеновского телескопа MAXI (JAXA) на Международной космической станции. Источником оказалась нейтронная звезда, а более точно — аккрецирующий миллисекундный пульсар, который делает оборот вокруг своей оси буквально за миллисекунды. Всего подобных объектов известно около двух десятков, так что данное открытие представляет особую ценность. И чтобы отметить вклад «Спектра-РГ», звезде дали название SRGA J1444 в честь космического аппарата (SRG от «Спектр-РГ», A от ART-XC). Сейчас объект перешёл в фазу «периодического барстера», когда термоядерные всплески от него регистрируются через примерно равные промежутки, а российский телескоп продолжает периодическое наблюдение за ним.
В марте: повысили эффективность химического синтеза благодаря плазменным нитям
Специалисты из Нижнего Новгорода разработали численную самосогласованную электродинамическую модель, описывающую физические механизмы, благодаря которым в микроволновом разряде, создаваемом в газах при атмосферном давлении, формируются плазменные филаменты. Эти филаменты представляют собой тонкие нити в газе с высокой электронной плотностью и температурой. Их используют в процессе плазмохимического синтеза широкого спектра химических соединений, например водорода, азотных удобрений, углеродных нанотрубок, которые востребованы в различных областях, включая электронику и оптику.
Модель, разработанная учеными, позволяет точно рассчитывать распределение электронных плотностей, температур газов и напряженности электрического поля микроволновых волн, создающих разряд. Она также показала, что минимальная мощность микроволнового излучения, необходимая для поддержания нитевидного разряда, составляет всего 800–1000 Ватт, что сопоставимо с мощностью бытовой микроволновой печи. Кроме того, плазменный синтез позволяет проводить реакции с минимальным выбросом парниковых газов, а значит, обеспечить экологически чистое производство.
В апреле: научились предотвращать эрозию почвы с помощью полимеров
Учёные МГУ уже давно ведут исследования полимерных рецептур для нанесения на поверхность почвы для получения определённых результатов (например, именно они предложили решение для подавления распространения загрязненной пыли в районе аварии Чернобыльской АЭС). Новейшим достижением в данной области стал состав на основе синтетического анионного полимера с добавками гуматов — широко используемого биостимулятора роста растений. После нанесения на почву смесь способна полностью блокировать ветровую и водную эрозии, удерживать влагу в почве и стимулировать рост растений. При этом полимерные рецептуры могут быть «подстроены» под тип обрабатываемой почвы (сухая, песочная, чернозем и так далее). При этом в отличие от большинства теоретических открытий данные рецептуры были опробованы не только в лабораторных условиях, но и протестированы на опытных делянках на территории Ботанического сада МГУ, а также прошли успешные испытания на полях Учебно-опытного почвенно-экологического центра «Чашниково» в 2024 году.
В мае: нашли способ увеличить срок службы деталей за счёт ультразвука
В Новосибирске придумали новое устройство для ультразвуковой обработки, которое состоит из ультразвуковой головки и волновода, подходит к универсальным станкам и не требует сложных настроек. Главной целью ультразвуковой обработки является улучшение состояния поверхностного слоя деталей со сложной геометрией (конические, цилиндрические или фасонные детали), что критично для их долговечности. Новая технология позволяет эффективно улучшать качество деталей и их эксплуатационные характеристики, такие как износостойкость и усталостная прочность, что, в свою очередь, увеличивает срок службы изделий в полтора-два раза. Она может быть применена в разных отраслях, включая авиацию, оборонную промышленность, железнодорожное и сельскохозяйственное машиностроение, автомобилестроение и судостроение — везде, где важны высокие эксплуатационные характеристики деталей.
В июне: впервые создали температурный сенсор на основе связанных состояний в континууме
Стандартные оптические температурные сенсоры используются в различных измерительных приборах и устройствах контроля в автомобильной и химической промышленностях, для обнаружения протечек в трубопроводах, для обеспечения пожарной безопасности и так далее. Учёные из Красноярска предложили новую модель создания оптического датчика температуры из фотонно-кристаллического микрорезонатора. Он состоит из жидкокристаллического слоя (выступает в качестве резонатора), расположенного между двумя одномерными фотонными кристаллами (вместо зеркал) из чередующихся слоев нитрида кремния и диоксида кремния. Используя концепцию связанных состояний в континууме (это свет, который «не покидает» микрорезонатор), специалистам удалось реализовать управление шириной резонансных линий при изменении температуры образца (вместо использования стандартной характеристики — спектрального положения). Это важно для глобальной науки, так как такая методика была реализована впервые.
В июле: создали батарейку, которая заряжается от цианобактерий
Учёные из Санкт-Петербурга создали перспективную технологию для возобновляемой зелёной энергетики: компактную батарею, заряжаемую цианобактериями (живые организмы, обитающие в водной среде и способные к фотосинтезу, физиологически схожие с водорослями). Устройство имеет многослойную структуру, основанную на квадратной полипропиленовой подложке толщиной 1 миллиметр, а размерами подобно спичечному коробку. На поверхность подложки методом струйной печати наносят углеродные нанотрубки, формируя электроды для энергоячеек. Для улучшения характеристик на анод добавляют гидрофильную углеродную ткань, что позволяет нанести больше цианобактерий. А затем таким же методом добавляют живые организмы. Далее цианобактерии напитываются светом и водой и создают электрическую энергию. Для автономной работы новой батарейки в течение нескольких часов требуются лишь свет и вода. В дальнейшем устройство может применяться для питания различных типов электроники: от гаджетов до сложного промышленного оборудования.
В августе: показали новейшего промышленного робота
Специалисты «РТ-Центра инжиниринга» (входит в «РТ-Техприемка» Госкорпорации Ростех) показали универсальный промышленный манипулятор для выполнения широкого спектра задач на производстве и в логистике, требующих высокой точности и качества. Это могут быть погрузочные работы, сборка изделий, покраска и так далее. При этом благодаря простой модульной конструкции устройство может быть легко модифицировано под определённую специфику производства. А благодаря небольшой массе (до семи килограмм) и габаритам (точных данных нет, можно судить только по фото) его можно использовать даже в условиях ограниченного пространства. Шесть степеней подвижности «руки» робота дают ему возможность моделировать двигательные функции человека и выполнять разнообразные движения в радиусе до 950 миллиметров. Система управления же также разработана отечественными специалистами, что обеспечивает независимость от зарубежных компаний.
В сентябре: нашли альтернативу антибиотикам с помощью искусственного интеллекта
Антибиотики — это очень качественное средство для лечения инфекций, которое, однако, со временем теряет свою эффективность, так как микробы вырабатывают к ним сопротивляемость. Альтернативой для антибиотиков уже давно могли бы стать наночастицы на основе оксидов металлов, которые также способны уничтожать бактерии, но не вызывают резистентность. Однако они также вредят и полезным микроорганизмам. Российские учёные разработали систему на основе искусственного интеллекта для поиска наночастиц, которые избирательно воздействуют на патогенные микроорганизмы, что позволяет минимизировать побочные эффекты и сохранить полезную микрофлору. При этом новая методика менее трудоёмкая, она убирает необходимость ручного экспериментального подбора, а также более эффективная, чем традиционные методы поиска новых веществ. В ходе исследований уже было выявлено, что, например, наночастицы на основе оксидов меди и цинка способны поражать бактерии золотистого стафилококка и клебсиеллы пневмонии соответственно, не нанося вред полезным микроорганизмам.
В октябре: синтезировали чистый диборид титана
Учёные из ТПУ создали сверхтвёрдые и трещиностойкие материалы на основе диборида титана (синтезирован из порошков металлического титана и аморфного бора) электродуговым методом. Благодаря воздействию электродуговой плазмы материал отличается высокой чистотой и не требует дополнительных операций по удалению примесей. Из-за этого получение материала происходит на несколько суток быстрее, чем другими существующими методами — правда, за счёт чуть больших затрат, ведь для реализации подобного синтеза необходимо вакуумное оборудование. Химические свойства материала идеально подходят для его использования в ядерной промышленности для создания нейтронопоглощающего материала в ядерных реакторах, а также в химической — для изготовления электролизеров для получения алюминия.
В ноябре: вывели на орбиту рекордное количество российских космических аппаратов
5 ноября с площадки 1С космодрома Восточный стартовала ракета-носитель среднего класса «Союз-2.1б». Она вывела на опорную орбиту разгонный блок «Фрегат» с двумя гелиогеофизическими космическими аппаратами «Ионосфера-М» системы «Ионозонд» (первой в России космической системы наблюдения за гелиогеофизической обстановкой — «космической погодой»), а также 53 попутными спутниками. Среди них 49 российских, российско-китайский, российско-зимбабвийский и два иранских малых космических аппарата. При этом одновременный запуск 51 российского космического аппарата стал рекордным в истории отечественной космонавтики.
В задачи «Ионозонда» входит наблюдение за ионосферой (часть земной атмосферы на высотах от пятидесяти до порядка двух тысяч километров, содержащая заряженные частицы, ионы и электроны, образующиеся под воздействием солнечного излучения), которая до сих пор является малоизученной. Масса одного спутника системы составляет 430 килограмм, средняя высота рабочей орбиты — 820 километров, срок активной работы — пять лет.
В декабре: улучшили качество моделирования климата полярных регионов
Климатические изменения, такие как глобальное потепление, в первую очередь коснутся Арктики и Антарктики. Для того чтобы понять, что ожидает полярные регионы и какие угрозы или возможности для экономического развития могут возникнуть, необходимы точные прогнозы будущих климатических изменений. Однако именно для данных регионов построить достоверную климатическую модель очень сложно. Во-первых, для этого требуются огромные вычислительные ресурсы и самые мощные суперкомпьютеры. Во-вторых, даже при их наличии обычно модели всё равно строятся с большими допущениями и опускают такие детали, как, например, турбулентность в нижних слоях полярной атмосферы. Однако по мнению современных учёных именно она является важнейшим фактором, влияющим на климатические процессы, и именно она объясняет множество явлений, связанных с перемещением энергии, тепла и влаги между различными компонентами экосистемы.
Совместная группа учёных из России, Финляндии и Израиля разработала и протестировала новый подход для учета турбулентного перемешивания в нижнем слое атмосферы, который поможет улучшить качество моделирования климата полярных регионов нашей планеты даже при грубых расчётах нынешних моделей. Идея основана на модели EFB (Energy-Flux Budget), разработанной одним из классиков отечественной турбулентной школы — Сергеем Сергеевичем Зилитинкевичем. Первые результаты продемонстрировали улучшение точности и перспективы разрабатываемых методов.
