Наука "на вырост". Ученые СПбПУ представили разработки, меняющие мир
Корреспондент РИА Новости посетил несколько научных лабораторий Петербургского Политеха, пообщался с учеными и выяснил, что многие из них в своих сегодняшних разработках формируют технологические решения на много лет вперед.
Во многих российских университетах в 2025 году начался масштабный пересмотр стратегий развития до 2030 года. В Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого провели подробный анализ научных заделов, которые были сформированы учеными за последние годы, и выделили три ключевых научно-технологических направления: "Системный цифровой инжиниринг", "Материалы, технологии, производство", "Искусственный интеллект для решения кросс-отраслевых задач".
"Это не только ответ на существующие сегодняшние вызовы промышленности, но и попытка сформировать технологические решения, которые будут востребованы в будущем".
Олег Рождественский
Руководитель Офиса технологического лидерства СПбПУ
Рождественский рассказал, что во главу угла ставятся не только передовые технические характеристики разработок, но и потенциальный экономический эффект, который получат российские предприятия при их внедрении.
Кроме того, по его словам, в разработке решений сразу закладывается возможность кросс-отраслевого трансфера технологий — когда решение, доказавшее свою эффективность в одной отрасли, начинает применяться в смежных отраслях. Между тем, индустриальные партнеры — представители критически важных для России отраслей (атомной, нефтегазовой, машиностроения и др.) сами имеют долгосрочные планы технологического и продуктового развития. "Такой тандем промышленности и университета способен формировать технологии будущего", — подчеркнул глава Офиса технологического лидерства.
"Турбо-режим" в атомной энергетике
Ученые Передовой инженерной школы "Цифровой инжиниринг" СПбПУ разрабатывают уникальную перемешивающую решетку для малого модульного реактора.
На сегодняшний день одна из самых востребованных технологий атомной энергетики — водо-водяные ядерные реакторы. По сути, это некий "котелок", внутри которого установлены тепловыделяющие сборки — трубки с ураном, соединенные в сложные соты. Вся эта конструкция находится в воде под давлением. Из-за того, что тепловыделяющие элементы, наполненные ураном, соприкасаются с водой, вода нагревается, движется дальше, а затем через специальный теплообменник обменивается теплом с теплоносителем второго контура. В итоге — турбина вращается и вырабатывается электроэнергия.
Перемешивающая решетка, за разработку которой взялись питерские ученые, — это и есть элемент той самой тепловыделяющей сборки — "атомной батарейки", как называют ее сами разработчики.
"Поскольку внутри реактора высокое давление и турбулентный поток, задача перемешивающей решетки состоит в том, чтобы как можно больше "замешать" этот поток и "отобрать" от тепловыделяющей сборки максимальное количества тепла".
Николай Ефимов-Сойни
Заместитель директора "Центра компьютерного инжиниринга" Передовой инженерной школы "Цифровой инжиниринг" СПбПУ
"Поскольку внутри реактора большое давление и турбулентный поток, задача перемешивающей решетки состоит в том, чтобы как можно больше "замешать" этот поток и "отобрать" от тепловыделяющей сборки максимальное количества тепла", — сообщил Ефимов-Сойни.
Вместе с тем, по словам ученого, серьезной проблемой являются воздушные пузыри на стенках тепловыделяющих элементов. "Это примерно, как со сковородой на плите: если оставить ее без воды и масла, она просто сгорит. Здесь аналогично: если в конкретной точке нет воды, начинается кризис кипения", — отметил он, подчеркнув, что одна из важных функций перемешивающей решетки заключается в том, что, сильно замешивая поток, она взбивает газовые пузыри в воду и обеспечивает наиболее эффективный отбор тепла.
Анализ интенсивности завихренности, создаваемой решетками внутри водо-водяного ядерного реактора
© Фото предоставлено Управлением по связям с общественностью СПбПУ Петра Великого
Говоря об актуальности разработки, ученый напомнил, что в настоящее время в России реализуется национальный проект "Новые атомные и энергетические технологии", который в том числе направлен на обеспечение суверенитета в атомной сфере и разработку перспективных малых модульных реакторов (ММР).
На данный момент в России нет работающих малых модульных реакторов, но есть похожие установки — плавучая АЭС "Академик Ломоносов" (самая северная АЭС в мире введена в эксплуатацию на Дальнем Востоке в 2020 году).
"Тот факт, что малых модульных реакторов пока нет, не означает, что задача снята. Конкретно в нашем случае речь идет о малых реакторах мощностью 200 мегаватт (как в проекте РИТМ-200). Предполагается, что такие реакторы будут использоваться на тех территориях, где использование ТЭЦ и гидроэлектростанций сильно затруднено, например, это могут быть месторождения на севере России", — сообщил ученый.
По его словам, главное преимущество малых модульных реакторов заключается в том, что он бесперебойно работает длительный период. В него не надо постоянно подкидывать уголь, дрова и пр. Такая конструкция обходится гораздо дешевле в плане выработки электроэнергии, чем ТЭЦ или мазутная станция.
"С одной стороны мы идем в ногу с нашим государством в плане разработки малых реакторов, а с другой — за счет применения специальных цифровых методов мы изначально, уже на самом раннем этапе, нацелены на то, чтобы новые элементы этого реактора позволили удешевить получаемую на выходе электроэнергию. То есть наша конечная цель — получить более дешевую электроэнергию в труднодоступных местах", — подчеркнул Николай Ефимов-Сойни.
По его оценкам, уникальность разработки заключается в том, что еще никто в мире не изготавливал перемешивающую решетку методом трехмерной печати. "Если мы говорим о методах классического производства, то они уже не позволяют достичь большей эффективности, поскольку перемешивающие решетки делаются из единого металлического листа. Трехмерная печать дает нам возможность внутри этой решетки задать абсолютно любую форму, которая существенно повысит эффективность", — добавил он.
Проект разработки перемешивающей решетки рассчитан на три года. В настоящее время ученые разрабатывают методологию цифрового проектирования и рассчитывают ключевые показатели будущей конструкции.
Вспенили алюминий — погасили вибрацию
Группа ученых Института машиностроения, материалов и транспорта СПбПУ создают прорывной материал на основе пеноалюминия, который в будущем позволит существенно снизить вибрации высокоскоростных поездов и повысить безопасность автомобилей.
Пеноалюминий — многообещающий функциональный материал с многочисленными пузырьками. Он похож на пористый шоколад, но создают его из алюминия, в который добавляют химические вещества — порофоры. При нагреве они разлагаются с образованием газообразных веществ и вспенивают материал, образуя внутри множество пор. Пеноалюминий хорош тем, что, во-первых, он очень легкий — не тонет в воде. Во-вторых, он обладает низкой теплопроводностью (эквивалентной мрамору), а в-третьих, способен "гасить" энергию удара.
"Допустим, если использовать пеноалюминий при производстве автомобильных бамперов, то такие "сотовые" конструкции будут рассеивать энергию удара, и соответственно автомобиль меньше пострадает. Из таких материалов планируется изготавливать и легкобронированную технику. Плюс ко всему конструкции из пеноалюминия хорошо справляются с вибрацией. Например, в Германии применили эту технологию при производстве платформы автоподъемника и доказали, что материал в разы "гасит" вибрацию, которая передается на верхнюю люльку".
Сергей Ганин
Директор Высшей школы физики и технологий материалов Института машиностроения, материалов и транспорта СПбПУ
По словам Ганина, надо учитывать, что перегородки внутри конструкционной части из пеноалюминия, как в той самой пористой шоколадке, очень мелкие и от этого интегральная прочность довольно мала, а значит, для такой конструкции требуется некая оболочка.
"Основная наша идея заключается в том, чтобы создавать сэндвич-панели: снаружи с двух сторон проложены листы стали или алюминия с хорошей прочностью и износостойкостью, а в середине — пенистая часть", — отметил ученый, сообщив, что его научная группа уже работает над тем, чтобы добиться "хорошей сцепки" между пеноалюминием и оболочкой.
1 / 2
Образцы из пеноалюминия с применением карбонатов вместо дорогостоящих порофоров
© Фото предоставлено Управлением по связям с общественностью СПбПУ Петра Великого
2 / 2
Образцы из пеноалюминия с применением карбонатов вместо дорогостоящих порофоров
© Фото предоставлено Управлением по связям с общественностью СПбПУ Петра Великого
При этом он добавил, что еще одно направление их исследований — "заливка" пеноалюминия в существующую полость. "В самом общем виде это можно сравнить с монтажной пеной, но уже из алюминия, который имеет большую прочность и адгезию", — пояснил он.
По его словам, ученые СПбПУ нацелены на то, чтобы удешевить технологию, сделать ее более массовой и внедрить в промышленность. "Стандартная технология довольно дорогая из-за высокой стоимости порофоров (порообразователей). Чаще всего там используется гидрид титана (TiH2), а он в разы дороже, чем те альтернативные вещества, которые мы сейчас рассматриваем", — подчеркнул ученый.
В настоящее время питерские исследователи уже разработали химический состав пеноалюминия с применением карбонатов вместо дорогостоящих порофоров, рассмотрели несколько альтернативных технологий и создали "цифровые двойники" данных процессов. Предполагается, что в 2026 году они приступят к изготовлению прототипа сэндвич-панели на основе пеноалюминия и предоставят небольшие образцы.
По прогнозам Сергея Ганина, разработка будет привлекательна в первую очередь для РЖД. "Проект особенно актуален на фоне строительства в России новой высокоскоростной магистрали (ВСМ), которую планируется открыть в 2028 году. Для поездов, движущихся со скоростью 400 км/ч, вес и вибрации имеют критическое значение. Поэтому вполне возможно, что высокоскоростные поезда в будущем начнут проектировать с применением нашего пеноалюминия", — резюмировал ученый.
Умная добыча полезных ископаемых
В Петербургском Политехе разрабатывают алгоритм, совершенствующий геологоразведку в нефтегазовой отрасли. По оценкам ученых, это позволит повысить точность геологических моделей, сократить время обработки данных и снизить влияние человеческого фактора. В настоящее время уже проведены первые испытания.
Сейсмические данные — это основа для понимания строения недр и прогнозирования запасов нефти и газа. Традиционные (ручные) методы обработки этих данных для создания моделей для бурения новых скважин имеют много этапов и требуют недель и даже месяцев интенсивной работы специалистов. Так как результат во многом зависит от опыта и квалификации аналитика, нельзя полностью исключить человеческий фактор и вероятность ошибки.
Разрабатываемый сотрудниками СПбПУ алгоритм автоматизирует эти процессы, берет на себя рутинные операции (например, интерполяцию сейсмограмм и фильтрацию шумов) и повышает надежность интерпретации данных.
"Если раньше геологи вручную "собирали мозаику" из тысяч кусочков данных, то теперь нейросеть позволит делать это автоматически и, соответственно, быстрее. Алгоритм сам находит закономерности и "дорисовывает" недостающие фрагменты картины подземных структур".
Иван Жданов
Руководитель проекта, главный инженер Лаборатории "Цифровое моделирование подземных нефтегазовых резервуаров и well-test-анализ" СПбПУ
Жданов добавил, что для прогнозирования данных геофизических исследований скважин в межскважинном пространстве разработчики создают модель, которая учитывает пространственное расположение скважин и влияние соседних скважин за счет механизма внимания.
Параллельно для интерполяции сейсмических данных были апробированы и сравнены несколько архитектур нейронных сетей (PINN, SWIN- и др.), показавшие качество, сопоставимое с традиционными методами, а в условиях больших пропусков данных — превосходящее их.
Как отметил Иван Жданов, за рубежом в геофизике применяются отдельные элементы ИИ, но проект Петербургского Политеха уникален комбинацией: использование архитектуры типа Transformer (она позволяет компьютеру понимать связи между всеми частями информации одновременно, а не по очереди), генеративных моделей и методов шумоподавления в едином комплексе.
По его оценкам, на практике новый алгоритм позволит в разы сократить длительность обработки данных, и как следствие, — снизить трудозатраты специалистов.
"Увеличение точности геологических моделей уменьшит риски при бурении скважин, а сокращение временных трудозатрат и количества лишних скважин потенциально сэкономит сотни миллионов рублей", — подчеркнул ученый, добавив, что это решение вполне масштабируемо и применимо в других регионах и странах, где ведется сейсморазведка.
В дальнейшем ученые СПбПУ планируют расширить алгоритмы фильтрации для более сложных шумов, объединить подходы трансформеров и физически-информированных моделей, а также внедрить разработанные модули в промышленное программное обеспечение для обработки геофизических данных.
Стратегические технологические проекты СПбПУ поддержаны программой государственной поддержки университетов "Приоритет-2030". Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.