Всё чаще инновации нуждаются в знаниях и навыках из различных научных дисциплин. Решение задач в одной области порождает технологии и накопление знаний, пригодных для других сфер — даже для освоения космоса. Naked Science изучил 10 технологий и направлений исследований, развивающихся за счёт сотрудничества учёных разных специальностей.
В недалёком историческом прошлом все науки были едины. В эпоху междисциплинарных исследований возвращаемся к этим корням. От аддитивных технологий до композитов большинство современных разработок возникает на пересечении физики, химии, биологии, нейро- и компьютерных наук. Это промышленные масштабы фундаментальных микро- и наноисследований.
В отдельных ситуациях продвижение научных основ и технологий порождает новые области разработок, в других — стимулирует модернизацию казалось бы уже усовершенствованных методик. Рассмотрим 10 поразительных и быстро развивающихся ныне технологий из разных сфер науки.
Из Арктики — в космос
Строительство – сфера, знакомая каждому из нас. В сложных условиях, например в арктическом холоде, оно превращается в трудную задачу.
Чем быстрее возводятся строения, обеспечивающие комфортное проживание и работу, тем меньше затраты и, что важнее всего, тем ниже воздействие на уникальную окружающую среду.
Выбор пал на готовые модули, из которых собирают большие объекты — жилые и рабочие помещения, полностью укомплектованные мебелью, инструментами и оборудованием. Для доставки в нужное место требуется минимум транспорта. Точно так же быстро модули можно разобрать и перевезти в новое место.
Модульный подход к строительству зданий имеет долгую историю. Еще римляне переправляли каструмы готовыми секциями, в XVII веке британцы отправляли через Атлантический океан готовые секции для деревянных рыбацких хижин, а позднее — почти готовые дома для колоний, например, в Австралии.
При строительстве современных модульных домов применяются передовые технологии, например системы автоматизированного проектирования. (CAD)Роботизированное производство и аддитивные технологии позволяют возводить обычные жилые дома из блоков всего за несколько дней.
Концепции модульных поселений на Луне и Марсе разрабатываются таким образом. Основа многих проектов — модульные надувные купола, которые после этого покрываются грунтом, зачастую с использованием аддитивных технологий и роботизированных 3D-принтеров, способных «печатать» в условиях космоса. Architecture Et Cetera, британская архитектурная фирма Fosters + Partners и австрийская Pneumocell, специализирующаяся на надувных структурах.
В российской Арктике ведется испытание блочно-модульного подхода к возведению инфраструктуры на месторождениях с наименьшим ущербом для природы. Проекты в отдаленных районах остаются самыми перспективными для применения модульной технологии.
Геотермальная энергетика
Говоря об альтернативных источниках энергии, первым делом вспоминают солнечные батареи, ветряные турбины и гидроэлектростанции, но часто упускают из виду тепло земли.
Его можно ощутить в шахте или пещере. В многих местах на планете достаточно спуститься на несколько десятков метров, чтобы температура окружающих пород была на пару градусов выше средней температуры поверхности. Глубину, на которой температура повышается на один градус Цельсия, называют геотермической ступенью. Ее средняя величина — 33 метра.
До земного тепла проще всего добраться в местах современного вулканизма. Там толщина геотермического слоя может быть всего два-три метра, а на глубине нескольких сотен метров температура уже может превышать 150 градусов Цельсия. Именно такая температура позволяет преобразовывать тепло в электроэнергию.
Для получения тепла бурят скважины и пропускают через них воду. В земных слоях вода нагревается и выходит паром, вращающим турбины. Система проста, но требует значительных финансовых вложений. Зато энергия поступает непрерывно, независимо от наличия солнечного света или ветра.
В России первая геотермальная станция — Паужетская ГеоЭС — заработала в 1966 году на Камчатке. Сейчас в стране функционирует четыре станции, включая Паужетскую: три в Камчатском крае и одна в Сахалинской области. Исследования выявили геотермальный потенциал других регионов России: Сибири, Байкальской рифтовой зоны, Красноярского края, Чукотки, Северного Кавказа и Дагестана.
Несмотря на то, что большая часть современных геотермальных станций расположена в вулканических районах, первая геотермальная станция в мире … появиласьВ 1913 году в итальянском поселке Лардерелло, находящемся в долине Дьявола, регионе с геотермальными источниками, ни разу за всю историю не происходило извержения вулкана и течения магмы.
С древних времён человек использует энергию недр Земли в виде геотермальных источников. Вода из глубины земной коры может являться источником как тепла, так и многих ценных элементов.
Редкие металлы из воды
В геотермальной скважинной воде встречается литий, ценное вещество, соединения и сплавы которого применяются в разнообразных отраслях промышленности: от машиностроения и авиации до атомной энергетики, микроэлектроники и производства аккумуляторов большой емкости.
Вырабатывание редких элементов из пресных вод — одно из самых быстро развивающихся сегодня направлений науки. Например, десятилетиями исследователи со всего мира стремятся найти методы получения урана из морской воды по доступной цене. Весной 2023 года в Китае… пустилиПредставлена большая платформа для испытания разных материалов и техник добычи. В октябре 2023 года учёные из Университета Нового Южного Уэльса… представилиДоступный и перспективный способ с использованием слоистых двойных гидроксидов, содержащих неодим.
Еще один пример — это добыча редких элементов, таких как скандий и иттрий, из промышленных сточных и грунтовых вод. В начале весны 2023 года японские учёные показалиДля добычи данных элементов из геотермальных источников применяется недорогая технология. В настоящее время основное внимание уделяется извлечению лития.
Кроме геотермальных источников, литий содержится в морской воде, но его концентрация недостаточно высока для эффективного извлечения. Также его можно добывать из подземных вод, что успешно практикуется в Китае, Чили и Аргентине. В России возможность добычи металла существует из пластовых вод нефтяных месторождений с использованием уже существующей нефтегазовой инфраструктуры. Параллельно с литием возможно получение сопутствующих минералов — брома, йода и магния.
Добыча лития из подземной воды пока невыгоднее, чем из руд. По оценкам, для получения прибыли концентрация лития должна быть выше 300-350 миллиграммов на литр. Однако технологии совершенствуются. заявляют, что порог удалось снизить до 80 миллиграммов.
Необходимо проверять всё на практике. В ближайшие два года запланирована промышленная добыча лития из пластовых рассолов на Полмостундровском, Завитинском и Ковыктинском месторождениях. На последнем содержится 392 миллиграмма лития на литр.
Что заменяет добываемую нефть, газ и воду?
Надежные хранилища для углекислого газа
Нефть и газ хранятся под землей не в виде озер, как думают многие, а в пористых скальных породах. Природа сделала эти «хранилища» максимально непроницаемыми, иначе нефть и газ просочились бы на поверхность. Первую нефть собирали именно с поверхности.
В процессе разработки месторождений пустующие площади пригодно для захоронения углекислого газа. Можно также использовать более распространенные водоносные пласты. В нефтяных месторождениях из-за большого количества скважин меньше подходит хранение газа — риск выхода на поверхность выше.
Многие страны мира занимаются подобными проектами. Норвежская нефтегазовая компания стала одной из первых, кто реализовал такой проект. Statoil В 1996 году для проекта использовалось месторождение Слейпнир в Северном море. Проект был немецким. CO2Sink С 2008 года осваивают газовое месторождение. Недавно обсуждали проект совместного захоронения CO. 2В истощённых месторождениях Дури и Минас на Суматре добычу объявили Индонезия и Япония.
В России таких проектов пока немного. Например, «Газпром нефть» изучает возможность закачки газа в пласты своих месторождений в Оренбургской области. Технология будет использоваться всё шире, ведь у нас есть все необходимые компетенции — огромный опыт в нефтегазовой сфере, а также истощенные месторождения. По оценкам, совокупный объем потенциальных хранилищ CO₂ может достигать значительных объемов. 2На территории государства содержание не меньше 4,6 гигатонн.
Кроме газовых и водоносных, можно использовать угольные пласты из-за содержания углерода. 2Будет прочно связываться с угольной матрицей, а базальтовые породы, попав туда, будут минерализовывать углерод. Поиск и проверка таких хранилищ возложены на геологов. Современные технологии позволяют им «видеть» вглубь земной толщи гораздо лучше, чем раньше, но некоторые методики остаются неизменными, в том числе быстрая оценка возраста пластов по окаменелостям.
«Зоопарк» геолога
Определение возраста геологических слоёв — задача геохронологии. Анализ ископаемых является одним из главных способов определения относительного возраста этих слоёв.
Каждая окаменелость может поведать о собственном слое, но многие из прошлых жителей планеты похожи, жили не определённый период или обитали только в одной местности. Поэтому среди всех окаменелостей специалисты по относительной геохронологии выделяют… индексные окаменелости.
Индексные окаменелости легко различимы. Их носители жили широко распространённо и численно. Известны времена их появления и исчезновения. Большинство индексных окаменелостей морских, так как в осадочных породах моря условия для образования окаменелостей благоприятнее.
В исследованиях кембрийских отложений применяют трилобитов, одни из самых первых сложных форм жизни, и брахиоподов — морских животных, напоминающих моллюсков, появившихся 550 миллионов лет назад. Это самые распространенные окаменелости в палеозойских слоях.
В самые ранние времена применяют граптолитов – крошечных существ, напоминающих червей, образующих разветвлённые колонии. Их останки выглядят как графические эскизы на камне, отчего и появилось такое название. Graptolithina Название происходит от греческого языка и значит «письмена в камнях». Потомков этого народа можно встретить и сегодня.
Известные индексные окаменелости — аммониты. Возникнув около 240 миллионов лет назад, вымерли примерно 66 миллионов лет назад, быстро эволюционируя, что позволяет различать слои по ним. Их было так много, что в древние океаны можно было бы ловить не рыбу, а аммонитов.
Исследователи наряду с крупными жителями ищут окаменелости микроорганизмов, включая одноклеточных, например динофлагеллят и акритархов. Ученых интересуют не только вымершие организмы, но и современные в сфере изучения и освоения геологических пластов.
«Дрессируем» бактерии
Взаимодействие нефтяников с бактериями представляет собой двойedged sword: некоторые виды препятствуют добыче, а другие способствуют ей. Неблагоприятные бактерии формируют пленку на нефти, ухудшают её качество и провоцируют коррозию оборудования и трубопроводов. Положительные же бактерии позволяют извлекать нефть, которая без их участия осталась бы в пласте.
Из современных скважин нефть не бьёт фонтаном, хотя подобные случаи имели место в истории. Давление газовой шапки сверху и пород снизу помогает ценной субстанции легче подниматься на поверхность. По мере уменьшения количества нефти давление падает, и выкачивание её становится труднее. На следующем этапе часто в скважину закачивают воду для создания давления на нефть. Тем не менее, большая часть запасов остаётся в земле. Уже более полувека учёные разрабатывают способы повышения доли извлекаемой нефти. Методы делятся на химические, газовые, тепловые и микробиологические.
Впервые метод с бактериями опробовалиВ середине прошлого века, в 1955 году, на одном из приволжских месторождений была предпринята попытка активировать работу микрофлоры на глубине с помощью закачки питательных веществ. Вместо ожидаемой нефти добыли сероводород, что привело к забросу практического применения идеи на несколько десятилетий. Вместе с тем, в Институте микробиологии РАН продолжались исследования бактерий, обитающих в нефтяных месторождениях, но с целью снижения коррозии труб из-за продуктов их жизнедеятельности. Эти работы принесли результат.
Метод активации бактерий оказался эффективным, но подходит не для всех месторождений. Эксперименты с водой, кислородом, минеральными солями азота и фосфора, а также аэробными и анаэробными бактериями продолжались до 1988 года и доказали, что бактерии повышали нефтедобычу на 10-30%. Ученые добились контроля над бактериями.
Так представители рода Pseudomonas снижают вязкость нефти, а вот железобактерии Gallionella, Crenothrix и Leptothrix Вызывая коррозию, эти маленькие существа нашей планеты могут стать ценным ресурсом, если научится управлять их способностями.
Самовосстанавливающийся бетон
Образование трещин в бетоне неизбежно.
После их появления вся конструкция теряет прочность. Хотя даже обычный бетон способен восстановить небольшие повреждения минерализацией компонентов под воздействием влаги, это касается лишь незначительных дефектов и требует наличия воды.
Удивительная стойкость древнеримского бетона объясняется использованием особо химически активной формы извести — негашеной извести. Важен также сам процесс её приготовления. В современном производстве бетона не применяют известь. Тайна римского бетона… выяснилиВозможно, исследователи будут продолжать работу в этой области и в будущем.
В настоящее время учёные активно разрабатывают новые примеси и покрытия для бетона, способные восстанавливать более крупные трещины. Одним из направлений таких исследований является биологическое: учёные добавляют в бетон бактерии и грибки, которые могут заделывать трещины известняком, выделяемым ими в процессе жизнедеятельности.
В 2021 году эксперты из Вустерского политехнического института нашли вдохновение в строении человеческой крови и использовалиВ своих исследованиях учёные обратили внимание на карбоангидразу — фермент, который эффективно удаляет углекислый газ из клеток. 2При образовании трещин в бетоне данный фермент «извлекает» CO. 2Из воздуха образовываются кристаллы карбоната кальция, которые устраняют миллиметровые разломы в течение суток.
Более традиционным способом служат полимеры. Первый метод — введение полимерных микроволокон непосредственно в состав бетона. Второй — покрытие бетонных конструкций веществом с микрокапсулами, содержащими полимер. При возникновении трещин капсулы разрушаются, и жидкий полимер заполняет повреждения.
Можно совершенствовать технологии самовосстановления материалов или же создавать новые материалы, стойкие к повреждениям, подобно нержавеющей стали, которая противостоит коррозии. Тем не менее, данный материал привлекает внимание иной причиной.
«Прозрачный» металл
Сталь — смесь железа и углерода, где количество железа составляет не меньше 45%, а углерода — до 2,14%. При большем количестве углерода получается чугун.
Характеристики стали определяются микроструктурой, формирующейся под влиянием химического состава и температуры сплава железа с углеродом. Благодаря именно этой структуре некоторые типы стали обладают свойством быть немагнитными.
Введение большого количества никеля, марганца и азота, называемых легирующими элементами, позволяет сплаву стали удерживать аустенитную или аустенитно-ферритную кристаллическую структуру. Такие структуры придают стали немагнитные свойства.
Сохранить эту ценную особенность непросто. Если поработать со сталью – погнуть, раскатать, спаять – она становится магнитной из-за изменений в микроструктуре. Эффект можно проверить, приложив магнит к разным частям посуды или раковины из нержавеющей стали. Скорее всего, магнит не прилипнет к ровной поверхности, зато проявит себя на сгибах.
Несмотря на этот минус, у немагнитной стали много сфер применения, поскольку она не взаимодействует с магнитным полем. Магнитные волны проходят сквозь неё без изменений, что очень важно для работы множества устройств.
Благодаря жаростойкости и коррозионной устойчивости такую сталь применяют во многих областях. Например, из неё изготавливают самолетные турбины и другие детали двигателя, которые работают при высоких температурах. Также трубы и кухонную утварь — так как они соприкасаются с водой.
Немагнитность этой стали ценится при изготовлении деталей для аппаратов МРТ, а также приборов навигации судов, самолетов и космических аппаратов. Работники нефтяной отрасли используют такую сталь для обтяжки чувствительных приборов бурового оборудования. Благодаря точной навигации сегодня возможно бурение сложных скважин и разработка тонких нефтяных пластов.
Администрирование характеристик и свойств материалов – область современных технологий, которая быстро развивается. Самым популярным продуктом этой отрасли стали композитные материалы.
Композитные материалы
Идея слияния различных элементов в единое целое имеет давнюю историю: глиняные кирпичи Древнего Египта, римский бетон и монгольские луки из деревянных пластин.
Главное правило композитных материалов — чёткая граница между составляющими. Из-за этого немагнитная сталь не является композитом, так как углерод находится в кристаллической решетке железа. Фанера со своими слоями и углепластик из углеволокна и смол – подходящие примеры композитов.
Композитные материалы применяются широко: в авиа-, судо-, ракето- и автомобилестроении, ветроэнергетике, изготовлении спортинвентаря. Водопроводные трубы многих домов сделаны из композитного металлопласта, как и более массивные нефтяные трубопроводы и промышленная инфраструктура.
Части любого композитного материала можно разделить на две группы: матрицу и армирующие компоненты, также называемые наполнителями. Матрицы, или связующие, могут быть полимерными, металлическими, керамическими и т. д. Наполнители — это дискретные материалы и волокна. Возможных комбинаций множество.
Композиты превосходят аналоги по ряду характеристик: меньший вес, повышенная прочность, устойчивость к высоким температурам и возможность пропускания рентгеновских лучей. В примере — аппаратах Илизарова для исправления поврежденных костей после переломов теперь можно… сделатьМеталлические компоненты из полимерных композитных материалов, прозрачных для рентгеновского излучения.
Крылья перспективного самолета МС-21 изготовлены из композита — углепластика.
Ученые каждую неделю придумывают новый композит: от прочных клеев до легких углепластиков, биоматериалов и нанокомпозитов. Новые материалы появятся до тех пор, пока хватит фантазии. Затем подключим к процессу обученную нейросеть.
Свойства композитных материалов зависят от структуры на атомном уровне.
Чтобы понять, как молекулы взаимодействуют в таком масштабе, требуются установки мегасаенса.
СКИФ
В наукограде Кольцово ведется строительство Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Ускоренные электроны и генерируемые ими фотоны позволят более глубоко изучить структуру веществ и провести исследования в области биологии, генетики, медицины, фармакологии, геохимии, квантовой химии и материаловедения.
Ускорители-коллайдеры, такие как Большой адронный коллайдер, предназначены для изучения физики элементарных частиц. Синхротроны, являющиеся источниками синхротронного излучения, имеют более широкий спектр применений, поскольку позволяют исследовать материалы на атомном уровне, точнее, десятков тысяч атомов.
СКИФ включает в себя линейный ускоритель, кольцевой ускоритель-бустер и кольцевой накопитель. Весной 2023 года ученые Института ядерной физики успешно запустили первую очередь линейного ускорителя, разогнав электроны до 30 мегаэлектронвольт. Готовый линейный ускоритель будет разгонять частицы до 200 мегаэлектронвольт.
В ускорителе-бустере электроны получат энергию комплекса (три гигаэлектронвольта) и направятся в кольцевой накопитель. Вращаясь сутками в накопителе и взаимодействуя с магнитными системами по периметру кольца, электронный пучок будет отдавать часть энергии в виде синхронного излучения. По специальным каналам это излучение выйдет на экспериментальные станции, которых в составе СКИФа запланировано 30.
Крутость синхротронов определяется показателем эмиттанса, характеризующим яркость и узконаправленность пучка синхротронного излучения. Меньшее значение позволяет более точно изучать вещество на экспериментальной станции. MAX IV в Швеции: «Мы делаем невидимое видимым».
Некоторые годы тому назад самые передовые синхротронные установки имели эмиттанс в диапазоне 100-300 пикометров на радиан. Например, у MAX IV — 320 пикометров на радиан, а у ESRF-EBS — 150 пикометров на радиан. У СКИФа будетИсточник имеет разрешение 75 пикометров на радиан, что относится к классу 4+ поколений.
При таких параметрах возможно наблюдение химических реакций, взаимодействия лекарств с вирусами и поведения веществ под высоким давлением. Можно даже увидеть процессы внутри закрытого бетонного контейнера с отработавшим ядерным топливом и детально изучить структуры горных пород и органических соединений, например пород из нефтяных месторождений.
Инновации в науке и технологиях взаимно стимулируют развитие, выявляют новые исследовательские пути и порождают нетрадиционные решения задач.