Эти российские изобретения вызывают гордость. 5 удивительных разработок в сентябре 2022

В сентябре российские учёные разработали гибридный электрогенератор для труднодоступных регионов страны, научились строить 3D-модель сердца буквально за 20 секунд, создали новый вид биоразлагаемого геля, разработали новую модель сборки микроакселерометров, а также отчитались о работах на уникальном ускорительном комплексе NICA.

💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.

Разработали электрогенератор на возобновляемых источниках энергии для нужд Арктики

💡 Простыми словами

Люди всё больше стараются переходить на возобновляемые источники энергии. Однако в России одной из самых востребованных всё ещё остаётся дизельная генерация энергии. При этом доставка дизельного топлива в труднодоступные территории, к примеру в арктические зоны, является достаточно дорогостоящей и логистически трудновыполнимой задачей. Учёные из Санкт-Петербурга решили начать постепенный переход от одного вида топлива к другому путём создания гибридных систем электрогенерации. Взяв за основу обычные дизельные генераторы, они интегрировали в них систему накопления солнечной и ветряной энергии. Кроме накопления и генерации электроэнергии, устройство можно будет использовать и в качестве выравнивателя энергопотребления промышленных предприятий (сохранять энергию в нерабочее время и отдавать во время пиковых нагрузок).

👨‍🔬 Детально

Традиционно используемые для выработки энергии дизельные синхронные генераторы обладают существенной инерцией, так как обладают массивным вращающимся ротором. Инвертор, генерирующий энергию от возобновляемых источников, обладает малой инерцией, а напряжение на его выходе изменяется практически мгновенно. При одновременной работе двух устройств в общей сети при разных скоростях реакции на изменения нагрузки могут появиться нежелательные колебания напряжения и мощности. Чтобы этого избежать, динамику инвертора необходимо замедлить.

Руслан Мигранов из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» предложил использовать метод виртуального синхронного генератора. Когда нет солнца или ветра инвертор выключается, а затем включается. Однако тут нужно соблюсти плавность системы, чтобы не допустить перегрузок во время частых переключений. Модель полностью рабочей схемы параллельной работы дизельного генератора и источника постоянного тока (инвертора) с аккумуляторными батареями, ключами и нагрузкой и была представлена в сентябре.

Научились строить 3D-модель сердца пациента прямо перед операцией

💡 Простыми словами

В Санкт-Петербурге существенно улучшили технологию, которая позволяет на основании компьютерной томографии создать модель сердца и его магистральных сосудов прямо перед операцией. Ранее специалистам требовалось не менее двух часов, чтобы конвертировать снимок КТ в высокоточную цифровую модель. Сотрудники Политехнического университета разработали алгоритм, который делает то же самое всего за 20 секунд. Это позволит врачам оценить эффективность хирургического вмешательства до операции и составить оптимальный план процедуры.

👨‍🔬 Детально

Интересно, что после создания 3D-модели у хирургов есть возможность распечатать её на специальном 3D-принтере с использованием фотополимерной смолы. Благодаря пластичности материала модель сердца похожа на органические ткани как анатомически, так и структурно. Всего за несколько часов получается готовый прототип сердца, на котором специалисты смогут провести пробную операцию, что поможет избежать непредвиденных ошибок. Чтобы обеспечить такую невероятную точность, учёным пришлось отказаться от универсализации и оттачивать алгоритм конвертации КТ в цифровую модель исключительно для сердца. Подобранные материалы и режим печати также подходят только для конкретного органа.

На данном этапе разработанную технологию уже продвигают среди кардиохирургов Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского института. Кстати, такие точные модели являются хорошим дополнением в рамках обучения в медицинских университетах — студенты смогут на конкретных примерах изучать не только строение органа, но и анатомию порока, а также симулировать базовые хирургические вмешательства и отрабатывать возможные способы лечения. В Политехе же собирают команды для разработки подобных алгоритмов для других органов.

Создали новейший биоразлагаемый гель

💡 Простыми словами

В Новосибирске разработали гель-носитель — уникальный биоразлагаемый продукт, который можно будет использовать в медицине и сельскохозяйственной промышленности. Выглядит он как пористая губка с разными размерами пор. Его удобно наносить на рану, можно закапсулировать как таблетку, он проходит кислую среду желудка и может растворяться в щелочной среде кишечника. При этом скорость растворения можно контролировать, в отличие от существующих на рынке капсул, которые разрушаются в желудке за 15 минут, из-за чего большая часть лекарственных средств не достигает места назначения. Гель может быть разной консистенции, что является уникальным достижением, ведь в растениеводстве ещё не было сухих аналогов геля (существуют лишь жидкие, которых довольно много).

👨‍🔬 Детально

Многофункциональный гель-носитель Новосибирского государственного технического университета создается на основе органического вещества хитозана, который есть в насекомых. Далее его можно совмещать с разнообразными действующими веществами. Например, фаговыми частицами вирусов, пробиотиками, пребиотиками или метаболитами, которые хорошо удерживаются капиллярными силами в геле. В отличие от привычных методов доставки действующих веществ (капсулы) гель позволяет защищать их от ультрафиолета или кислотной среды организма. Также благодаря пористой структуре продукт способен сначала сорбировать жидкость из раны, а затем выделять терапевтический компонент, который и заживляет рану. Кроме того, гель можно делать более жидким или твёрдым в зависимости от задач.

Например, в сельскохозяйственной промышленности можно использовать полужидкие микрогранулы геля с компонентами, необходимыми для обработки семян, а также сухие — для растений. Там, где сейчас необходимо постоянно обрабатывать растения консервированным жидким продуктом, можно применить данный гель, что позволит пролонгировать действие компонентов и тем самым сократить экономические издержки при использовании удобрений. Ещё одним важным фактором является цена отечественного геля — она в 10 раз ниже ближайших зарубежных аналогов. Проект реализуется в рамках федеральной программы «Приоритет 2030».

Разработали датчик, повышающий надежность срабатывания системы защиты водителя во время аварии

💡 Простыми словами

Акселерометр — это датчик, c помощью которого можно измерять ускорения любого объекта. Благодаря ему смартфоны и планшеты могут синхронизировать ориентацию экрана с физическим положением устройства в пространстве, беспилотные автомобили ориентируются на дорогах и так далее. На данный момент особенно быстро развивается транспортно-логистическая система: идёт уменьшение складских площадей, увеличение скорости и динамики товарооборота, уменьшение размеров и автоматизация средств доставки товара конечному потребителю.

Всё это требует разработки нового поколения инерциальных систем навигации и управления движением: компактных, не содержащих никаких подвижных частей, ударо- и виброустойчивых, способных точно фиксировать перемещение объектов даже при высоких ускорениях и перегрузках. Современные микроакселерометры довольно точны, однако они не могут фиксировать высокие ускорения, а также обладают низкой устойчивостью к перегрузкам. Специалисты из Санкт-Петербурга смогли исправить эти недочёты, расширив таким образом области применения подобных устройств. Среди главных — автотранспортная. Микроакселерометр можно применять в работе систем безопасности для пассажиров автомобиля при авариях на большой скорости.

👨‍🔬 Детально

В основе механизма работы улучшенного датчика лежит так называемый встречно-штыревой преобразователь (ВШП) — это устройство, расположенное на пьезоэлектрическом материале, способно преобразовывать электромагнитные волны в поверхностные акустические, благодаря которым с высокой точностью можно фиксировать действующее на объект ускорение. При этом ВШП обладает гораздо более надёжной конструкцией по сравнению с другими типами акселерометров, использующих подвижные пружинные механизмы. Именно за счет этого он способен выдерживать сильнейшие перегрузки. Создано устройство на подложке из ниобата лития толщиной 0,35 миллиметра и диаметром не более 6 миллиметров.

Материал был выбран на основе данных математического и компьютерного моделирования. Несмотря на то, что новое устройство решает обе проблемы существующих акселерометров, у него появилась одна, которая мешает сразу же запустить его в массовое производство, — низкая точность измерений при невысоких значениях ускорения. Именно над решением данного вопроса теперь трудятся в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Отчитались о работах на уникальном ускорительном комплексе NICA

💡 Простыми словами

Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ) в наукограде Дубна Московской области создаёт уникальную инфраструктуру для прикладных исследований с использованием пучков тяжёлых ионов на ускорительном комплексе NICA. Там будут решаться не только задачи фундаментальной физики, но и наук о жизни, радиационного материаловедения, будет осуществляться тестирование электроники на радиационную стойкость и развития передовых технологий ядерной энергетики.

👨‍🔬 Детально

Проект реализуется в несколько этапов. Первый из них был завершён ещё в декабре 2021 года, когда запустили станцию СОЧИ (Станция облучения чипов) для облучения декапсулированных микросхем (со вскрытым корпусом) пучками ионов с энергией 3,2 МэВ/нуклон. Там собираются тестировать электронику для дальних полётов в космос, изучая при этом не только функциональные изменения, но и структурные повреждения полупроводниковых материалов. Кроме того, данные об облучении материалов пучками заряженных частиц относительно низких энергий помогут учёным в области ионной имплантации на тонких структурах (технология для создания современных композитных материалов).

Сейчас идёт строительство трёх других объектов. Станция ИСКРА (Испытательная станция компонентов радиоэлектронной аппаратуры) также будет предназначена для определения радиационной стойкости компонентной базы и работ в области радиационного материаловедения, но уже с использованием пучками заряженных частиц средних энергий (от 150 до 500 МэВ/нуклон). Станция СИМБО (Станция для исследования медико-биологических объектов), как понятно из расшифровки аббревиатуры, предназначена для исследований в области наук о жизни. Она будет использовать ускоренные ионы с энергиями порядка 500-1000 МэВ/нуклон. Станция СИЯЭ (Станция для исследований по ядерной энергетике) поможет в решении актуальных вопросов ядерных технологий, связанных с производством энергии и утилизацией ядерных отходов, где находят применение высокоэнергичные (до 4 ГэВ/нуклон) пучки лёгких ионов.

Кроме того, на самом комплексе NICA прямо сейчас осуществляется формирование научных коллабораций. Даже до полномасштабного запуска всех облучательных станций, различные международные организации выражают самые серьезные намерения вплоть до создания в Дубне своих филиалов. Уже сформированы три коллаборации: ARIADNA-LS — по прикладным исследованиям в области наук о жизни, ARIADNA-MSTE — по радиационному материаловедению и тестированию электроники и ARIADNA-NPT — по развитию передовых технологий для задач ядерной энергетики. Перспективными признаны исследования в области радиационной биофизики, космической и авиакосмической медицины, лечения опухолевых заболеваний, создания высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, трансмутации отработанного ядерного топлива и другие.