Запуск виртуального ядерного реактора и другие новейшие достижения российской науки
Под конец ушедшего 2022 года российские учёные придумали способ быстро измерять качество воды, продуктов и лекарств, создали новый вид пластика, который может заменить металлы, дерево и другие используемые сегодня материалы, а также провели пуск виртуального ядерного реактора, который является цифровым двойником действующего.
💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.
Придумали способ быстро измерить качество воды, продуктов и лекарств
💡 Простыми словами
Исследователи из Пензы разработали трехэлементный резонансный двухполюсник — устройство, которое позволит измерять качество продуктов в магазинах, чистоту воды и воздуха, определять параметры датчиков физических величин, электрорадиоизделий и так далее. Устройство представляет собой схему замещения материалов и их свойств. В зависимости от схемы замещения, то есть от характеристик устройств и объектов, подключенных к этому прибору, можно будет узнавать качество продукции широкого спектра использования. При этом новый измерительный метод справляется с работой намного точнее, чем существующие. Таким образом, устройство будет полезно в измерительных приборах практически всех отраслей человеческой деятельности, включая медицину, пищевую и тяжёлую промышленность, электронику и так далее.
👨🔬 Детально
Изобретение относится к электроизмерительной технике. Устройство состоит из измерительной цепи, включающей генератор опорных сигналов, аналогового преобразователя на операционном усилителе и микроконтроллера, который управляет устройством и позволяет рассчитать все параметры двухполюсника по предложенным авторами формулам. Как сообщают учёные, оно поможет определять параметры составляющих биологических объектов, датчиков физических величин, электрорадиоизделий, измерительные ячейки которых могут быть представлены трехэлементными резонансными двухполюсниками (электрической цепью).
То есть прибор подходит для любого продукта, текстильного материала, лекарственного средства, для которого можно составить электрическую схему замещения из R, L, С элементов (сопротивления, индуктивности и емкости). Ни одно ранее предложенное устройство в мире не обладало подобной универсальностью и не позволяло определить параметры всех возможных схем замещения изделий с помощью одного прибора. Авторы работы уверены, что в будущем смогут уместить свою разработку в достаточно компактный корпус, чтобы каждый человек мог носить его с собой и замерять, к примеру, качество продуктов в магазине.
Разработали нанопривод, который позволит управлять медицинскими микроустройствами
💡 Простыми словами
Российские учёные разработали электрохимический наноактуатор — устройство, выполняющее роль двигателя для автономных микроскопических устройств. Он работает за счет горения смеси водорода и кислорода в крошечных пузырьках, которые генерируются электродами. Это позволит создать микроскопические двигатели для автономных микроустройств в биологии и медицине (например, имплантируемые контейнеры, периодически высвобождающие лекарство в организм человека).
👨🔬 Детально
В основе разработки лежит явление катализа на поверхности воды — механизма ускорения химических реакций на границе раздела вода-воздух. Для работы нанопривода используют одну из таких реакций, а именно самовозгорание смеси водорода и кислорода в нанопузырьках. Само устройство представляет собой маленькую, немногим больше толщины волоса, рабочую камеру: на кремниевую пластинку нанесены электроды, боковые стенки камеры сделаны из фоточувствительного полимера, а верхняя стенка выполнена в виде эластичной мембраны. Камера заполнена электролитом — раствором, содержащим много ионов и поэтому способным проводить ток. На электроды подают переменное напряжение высокой частоты, вследствие чего вода расщепляется на кислород и водород и образуются нанопузырьки, содержащие эти газы, — по сути, получается водородное топливо. Пузырьки поднимают мембрану, которая способна, например, толкать жидкость по микроканалам или выполнять другую механическую работу.
Затем мембрана возвращается в исходное положение из-за самопроизвольной реакции между нанопузырьками водорода и кислорода. Полный цикл подъема мембраны и возвращения в исходное состояние занимает всего 100 миллисекунд — почти столько же времени требуется колибри для одного взмаха крыла, — а значит, удастся контролировать и довольно быстрые микромашины. Интересно, что в аналогичных устройствах электроды быстро приходят в негодность из-за большой нагрузки (износ электродов происходит из-за высоких механических напряжений, вызванных нановзрывами вблизи поверхности электродов), однако авторы выбрали в качестве материала для них рутений — хорошо проводящий ток, но при этом прочный металл. В результате устройство работало в течение как минимум пяти часов без снижения силы тока и признаков разрушения электродов (другие электроды, например, из золота, меди или платины, разрушались уже через минуту).
Создали пластик будущего, из которого можно сделать мотор для автомобиля
💡 Простыми словами
Учёные из Санкт-Петербурга совместно с экспертами по полимерным материалам Института высокомолекулярных соединений РАН создали и запатентовали устройство, с помощью которого можно получить необычный пластик с отличными характеристиками (термостойкость, прочность, долговечность, легкость, а также способность переносить ультрафиолетовые лучи, радиацию и химическое воздействие). По словам изобретателей, новый материал может использоваться абсолютно в любой отрасли (от машиностроения и медицины до производства детских игрушек и нитей для 3D-печати), потеснив металлы, дерево и другие используемые сегодня материалы.
👨🔬 Детально
Новый материал, по сути, является композитом, то есть многокомпонентным материалом (к примеру, железобетон является композитом железа и бетона). Получение нового пластика происходит с помощью смешивания полимера и углеродного волокна. Полимер в виде порошка заряжается электрически, затем превращается в псевдожидкость, через которую пропускаются волокна. Таким образом, частички порошка облепляют волокна и проникают между ними. Затем порошок плавится, превращаясь в густую жидкость, похожую на мёд, которая потом твердеет, и получается композит, на выходе представленный в виде гранул. Полимер в композите отвечает за сжатие, а волокна — за растяжение. Новый пластик обладает большой экономической выгодой в сравнении с металлом. При использовании металла выгодно делать только большое количество серийных деталей, а если нужно что-то изменить в производстве, то придётся перестроить много станков, изменить технологические процессы, что очень долго и дорого. Кроме того, данный материал дорого обходится в обслуживании и ремонте. Из пластика же с лёгкостью можно делать уникальные детали в большом количестве, а обслуживание гораздо дешевле.
Провели пуск виртуального ядерного реактора
В Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ успешно прошёл демонстрационный пуск виртуального ядерного реактора, представляющего собой цифровой двойник находящегося на территории университета исследовательского реактора ИРТ МИФИ. Оператор работал в шлеме виртуальной реальности, что позволяло ему находиться, как будто внутри пультовой реактора. Поворачивая голову, он мог продемонстрировать зрителям на экране компьютера не только помещение пультовой и показания приборов, но и черенковское свечение над активной зоной виртуального реактора при достижении номинальной мощности. Также оператор специально допускал ошибки, чтобы продемонстрировать аварийный сброс стержней аварийной защиты. Работа виртуального реактора основана на математических моделях, которые были валидированы с помощью данных, полученных за 40 лет эксплуатации реактора ИРТ МИФИ. По мнению учёных, данный цифровой двойник представляет собой тренажер нового поколения, разработку, эксплуатацию и масштабирование которого можно осуществлять дешевле и быстрее, чем в случае традиционных полномасштабных тренажеров «в металле». В частности, на виртуальном тренажере сравнительно легко организовать дистанционную работу.
Улучшили способ переработки низкосортного алюминиевого сырья
💡 Простыми словами
Алюминий — второй по использованию металл в мире: его часто применяют в промышленности, энергетике, архитектуре. Увеличение добычи алюминиевой руды повышается на 4-5 % в год. При сохранении текущей тенденции все разведанные запасы бокситов (алюминиевой руды, сырья для получения глинозема) будут исчерпаны к 2050 году, а все доступные человечеству ресурсы бокситов — к 2080 году. Поэтому учёные ищут возможность переработки новых типов сырья. Общая проблема всех источников алюминиевого сырья, кроме бокситов, — высокое содержание кремнезёма, что делает их переработку обычными для бокситов щелочными способами неэффективной. Отечественные специалисты разработали метод, который позволит избавиться от примесей железа и других металлов и получить продукт, соответствующий промышленным требованиям. Получать алюминий можно будет из нефелина (отходов от добычи руды), которого много в российской Арктике и его не нужно добывать специально.
👨🔬 Детально
Ключевыми проблемами при разработке новой технологии стали необходимость отделения алюминия от железа и других металлов, содержащихся в сырье, а также высокое содержание примеси серы в осадке гидроксида алюминия. Ученые выяснили, как можно управлять разделением металлов при кристаллизации и перекристаллизации квасцов (кристаллогидратов двойных сульфатов трех- и одновалентных металлов), варьируя концентрацией сульфат-иона и дополнительно вводимых примесей, и как избавиться от примесей серы для получения продукта, соответствующего промышленным требованиям. Более того, они стараются сделать технологию с учётом условий российской Арктики. Это регион с очень хрупкой экологией, поэтому должны быть жёсткие требования по выбросам. Также он отдалённый, поэтому подвозить много реагентов и увозить большие объемы побочных продуктов будет дорого. Зато там нет проблем с охлаждением, когда оно нужно. На выходе получается практически замкнутый цикл производства. Добываются только реагенты, и то происходит это на месте.