Главные изобретения российской науки этой весной: от нейросетей до лазеров
Этой весной отечественные ученые успели совершить много прорывов в различных областях науки. Новые медицинские приборы и методы диагностики, более качественные технологии переработки и добычи сырья, улучшенные материалы с повышенными характеристиками, способы удешевления производств, а также создания более экологичных условий. Здесь отобраны главные достижения за последние три месяца.
💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.
Отечественная квантовая нейросеть решила первые задачи
Квантовое машинное обучение является относительно новым направлением, которое объединяет принципы квантовой физики с методами машинного обучения. Оно использует квантовые системы и алгоритмы для выполнения вычислений, что может предоставить значительные преимущества в решении сложных задач. Ученые из Москвы использовали сверхпроводящие кубиты, которые являются основными строительными блоками квантового компьютера, для создания квантовой нейросети. Они применили эту нейросеть к задачам многоклассовой классификации и распознавания рукописных изображений. Точность решений составила более 90 %.
Дальнейшие планы ученых включают увеличение количества кубитов в квантовом симуляторе для решения более сложных задач, таких как задачи регрессии, и перехода от классических данных к квантовым. Это может помочь расширить область применения квантового машинного обучения и улучшить его производительность в различных сферах, включая медицину, финансы, искусственный интеллект и другие области, где требуется обработка больших объемов данных и сложные вычисления.
Создали «активную» самоорганизованную защиту для электронных устройств
Эффективные радиоэкранирующие материалы в подавляющем большинстве являются непрозрачными. Для создания прозрачных радиоэкранирующих покрытий использовались плёнки металлических микро- и наноструктур, но они имели ограничение по толщине напыляемого металла, что снижало эффективность защиты от электромагнитных волн. Однако новый метод, основанный на самоорганизованных шаблонах из яичного белка, позволил увеличить толщину металлического напыления более чем в 5 раз, сохраняя степень прозрачности на уровне 90 %. Это открывает новые возможности для создания прозрачных экранирующих материалов для дисплеев, которые могут быть использованы, например, для защиты данных электронных устройств (в том числе смартфонов).
Помимо информационной безопасности прозрачные радиоэкранирующие материалы также могут иметь важное значение для создания точных измерительных устройств и других систем, которые нуждаются в защите от внешних электромагнитных воздействий, при этом сохраняя прозрачность и функциональность прозрачных объектов.
Сконструировали «интеллектуальную» шумоподавляющую конструкцию для авиадвигателей
Разработка новой «интеллектуальной» шумоподавляющей конструкции представляет собой инновационный подход к улучшению звукоизоляции авиадвигателей. Основными преимуществами этой конструкции являются эффективное звукопоглощение в широком диапазоне частот и минимальное увеличение веса, что является критически важным для авиационной отрасли. Одной из ключевых особенностей новой конструкции является использование модели адаптивного управления резонансными частотами ячеек для поглощения акустических волн. Пьезоактивные элементы, встроенные в перфорацию ячеек, играют важную роль в этом процессе.
Учёные провели вычислительные эксперименты, чтобы определить оптимальные параметры конструкции. Они варьировали диаметр перфорации в ячейках и определили оптимальную схему их взаимного расположения для достижения наилучшего шумопоглощения. Полученные знания были применены для проектирования адаптивных шумопоглощающих конструкций. Такая инновационная разработка имеет потенциал для значительного снижения шума, создаваемого авиадвигателями, что соответствует требованиям Международной организации гражданской авиации. Это может привести к улучшению экологических показателей авиации, снижению негативного воздействия на окружающую среду и повышению комфорта для пассажиров и персонала на борту самолетов.
Получили уникальный материал для преобразования энергии света
Благодаря совместной работе екатеринбургских и китайских ученых был синтезирован материал для эффективного преобразования энергии, что позволит получить значительные преимущества при создании фотодетекторов, биосенсоров и светодиодных дисплеев, а также в нового поколения квантовых и фотонных устройств. Кроме того, они полностью разобрали физический механизм преобразования энергии, что позволит получать наилучшие характеристики материала для каждой задачи.
Такого результата удалось добиться благодаря замене стандартного легирующего редкоземельного металла ионами висмута. Это позволило получить материалы, способные проявлять люминесценцию в широком спектральном диапазоне. Они могут поглощать энергию от инфракрасного до ультрафиолетового излучения, что отличается от ограниченного спектрального диапазона, в котором работают редкоземельные металлы. Кроме того, ионы висмута обладают высокой эффективностью поглощения световой энергии и минимальными потерями при передаче этой энергии. Материал может преобразовывать энергию фотонов различного спектра в видимое излучение и наоборот.
Собрали крупнейшую в мире плазмохимическую установку по экологичной переработке мазута
Существующие методы переработки тяжелой нефти (а это около трёх четвертей мировых запасов сырья) требуют высоких температур, давления, больших объемов водорода и специального оборудования. Кроме того, они включают сжигание значительных объемов углеводородного топлива, что приводит к высоким выбросам углекислого газа. Плазменные реакторы представляют собой альтернативу высокотемпературным установкам и печам для переработки нефти. Они не требуют дорогостоящих катализаторов и водорода, работают на электроэнергии, получаемой из атомных и гидроэлектростанций, и не выделяют углекислый газ в процессе работы. Плазменный пиролиз нефти основан на образовании радикалов и ионов в нефти под действием электрических разрядов, что приводит к расщеплению крупных молекул на более мелкие соединения, полезные для химической промышленности.
Отечественные специалисты построили установку для плазменного пиролиза тяжелой нефти с самым большим на данный момент реактором. Экспериментально подтвердив, что увеличение мощности энергетического воздействия на нефть приводит к повышению производительности процесса, энергоэффективности и выходу газообразных продуктов. Однако, прежде чем установка может быть внедрена в промышленность, потребуется дальнейшее исследование и оптимизация процесса, а также адаптация технологии для масштабирования ее использования на коммерческом уровне.
Удешевили производство водорода благодаря лазерам
Сибирские учёные разработали новый способ получения «зелёного» водорода, который является более эффективным и экономичным, чем классический метод электролиза. Вместо использования электрического тока для разложения воды, они применили лазерное излучение для окисления частиц алюминия в воде. Результаты расчетов показали, что эта технология требует вдвое меньше энергии по сравнению с электролизом. По классической схеме на производство 1 кг водорода требуется тратить 40 кВт электроэнергии в час, используя лазер — 15–17 кВт.
Кроме того, одним из преимуществ новой технологии является возможность замены наночастиц алюминия на отходы металлообработки, такие как алюминиевые опилки и стружки. Это ещё больше удешевит производство «зелёного» водорода. А побочным продуктом такого процесса станет оксид алюминия, который может быть использован для производства различных материалов, таких как адсорбенты, керамические материалы и носители катализаторов. И последнее — процесс получения водорода с использованием лазерного излучения прост и эффективен, требует лишь комнатной температуры и атмосферного давления, а сам лазер компактнее по размеру по сравнению с электролизером.