Пытливые умы. Студенческие разработки решают важные для экономики задачи
По программе «Приоритет-2030» национального проекта «Молодёжь и дети» к 2030 году более 100 университетов должны стать центрами научно-технологического и социально-экономического развития своих регионов и страны в целом.
Обнаружить ртуть
Всем известно, что ртуть, в том числе из бытовых термометров, – очень опасное вещество. Она вызывает тяжёлые отравления, поражает нервную систему и почки. Особую угрозу несёт ртуть, попавшая в водоём. Например, вместе с промышленными стоками. Обнаружить её в питьевой воде или почве очень сложно. При этом установленная ВОЗ предельно допустимая концентрация ртути чрезвычайно мала – всего 0,001 миллиграмм на литр. Традиционные способы её выявления требуют применения сложного и дорогостоящего оборудования – атомно-эмиссионных спектрометров или хроматографов.
Учёные Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) в Челябинске создали высокоточный и недорогой экспресс-метод обнаружения ртути в воде, с помощью которого опасный металл в концентрациях от одного наномоля обнаруживают всего за пару минут.
В данном случае это около 200 нанограммов на литр, что ниже предельно допустимой концентрации. В основе разработки – электрод, содержащий редкоземельный металл празеодим.
«Метод электрохимического определения ртути в воде является быстрым и дешёвым, – прокомментировал научный сотрудник лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации ЮУрГУ Роман Морозов. – Он не требует применения дорогостоящего оборудования и длительного обучения персонала».
Сегодня чаще всего используют атомно-абсорбционный метод. В сравнении с ним стоимость оборудования для электрохимического метода на порядок ниже. При этом для подготовки проб не нужны дополнительные реактивы.
Чугун, выплавленный на... шинах
В Нижегородском государственном техническом университете (НГТУ) имени Алексеева разработали технологию, которая позволяет сделать производство чугуна экологичнее и эффективнее.
Идея берет свое начало не с чугуна, а с... отслуживших автомобильных покрышек. Что общего у старых шин металлургии? Углерод! Он есть в покрышках и также необходим для выплавки.
«Для получения синтетического чугуна используют стальной лом, – пояснил завкафедрой "Металлургические технологии и оборудование" вуза Игорь Леушин. – Чтобы насытить сплав углеродом, применяют кокс или графит. Однако они дороги и дефицитны. Поэтому металлурги ищут доступные альтернативы. Автомобильные шины содержат до 60–70% углерода».
В ходе экспериментов разделанные куски покрышек загружали в печь и засыпали металлоломом. Плавку проводили при температуре 1450 градусов Цельсия. В результате был получен чугун, который по свойствам не уступал тому, что произвели с применением традиционных источников углерода. На изобретение учёных из Нижнего Новгорода уже получен патент.
Точность – 98%
Ценная масличная культура подсолнечник довольно капризна. Если убрать его слишком рано, будут трудности при обмолоте и лишние расходы на сушку. Если припоздниться, начнут осыпаться семена, вероятны потери от грибка и птиц. Чтобы этого не допустить, важно точно знать влажность подсолнечника.
До недавнего времени это можно сделать единственным способом – в лаборатории. Однако у такого метода есть серьёзные недостатки. Во-первых, для того, чтобы взять пробу, необходимо скосить растение. Во-вторых, перед агрономами всегда стоит непростая задача репрезентативной выборки участка, с которого берётся подсолнух для исследований. По нему будет оцениваться всё поле.
Эти недостатки решили устранить учёные Южного федерального университета (ЮФУ) из Ростова-на-Дону. Они разработали способ определения влажности семян подсолнечника с помощью беспилотной техники и мультиспектрального анализа.
Аграрии и прежде могли бы сфотографировать поле на обычную, инфракрасную или даже ультрафиолетовую камеры. Но загвоздка была в том, что ни один из этих снимков ничего не говорит влажности подсолнечника. Во-первых, спелый подсолнух клонится к земле семенами, и с высоты птичьего полёта видна только задняя часть корзинки, а она почти всегда одного цвета. Во-вторых, сложно понять, корзинка стала на два тона желтее из-за влажности или потому что так упал солнечный свет.
В Южном федеральном университете предложили снимать поля подсолнечника на мультиспектральные камеры. Такая аппаратура делает снимки сразу в 50 вариантах цветового спектра, и этих данных достаточно для определения влажности подсолнечника, причем не только человеческим глазом, но и с помощью искусственного интеллекта. Технология эффективна до 98%, а значит, можно смело планировать очерёдность уборки разных участков поля.
Над проектом работали биологи, IT-специалисты, математики, эксперты по нейросетям. Программное обеспечение для анализа спектральных данных в университете написали сами – использовали алгоритмы машинного и глубокого обучения.
«Мы можем установить программное обеспечение на беспилотную технику заказчика, – сообщил заведующий лабораторией спектрального фенотипирования сельскохозяйственных растений Павел Дмитриев. – Для небольших фермерских хозяйств могут быть востребованы услуги сервисных компаний, которые владеют дронами. Ещё один вариант — продажа неисключительной лицензии или интеграция наших технологий в виде модулей в существующие платформы точного земледелия. Вариантов много, и мы прорабатываем их все».
Исследование было опубликовано в международном журнале, а на способ дистанционного определения влажности получен патент РФ. В ближайших планах учёных – адаптация этой технологии для других культур, среди которых озимая пшеница, ячмень, нут, горох.
Научные проекты вузов находят применение в самых разных сферах. Эти разработки приносят реальную экономическую выгоду, облегчают труд в промышленности и сельском хозяйстве, делают жизнь людей безопаснее.