06/02/2017 Новости институтов , Новости СО РАН
Актуальные направления науки и техники ученых ТНЦ СО РАН
541 СО РАН ИНГГ СО РАН ФАНО РНФ Аналитика Инновации Томск Комплексные исследования ученых ТНЦ СО РАН представляют интерес как с фундаментальной, так и с практической точек зрения.
Быть ученым, служить науке — это не только образ мысли, но и призвание, смысл жизни. История нашего родного города неразрывно связана с развитием науки и образования: открытие первых за Уралом вузов, становление всемирно известных научных школ, формирование академического центра с институтами разного профиля.
Главное богатство томского Академгородка — это научные коллективы, которые ведут исследования по актуальным направлениям науки и техники, занимают лидирующие позиции в России и мире. В 2016 году научными учреждениями Томского научного центра СО РАН были получены значимые результаты.
КАК РАКУШКА ПОМОГЛА МАТЕРИАЛОВЕДАМ?
В течение одиннадцати лет успешно развивается международное сотрудничество между отделом структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН и Харбинским инженерным университетом по направлению, связанному с разработкой многослойных металло-интерметаллидных композиционных материалов и моделированием процессов их разрушения.
Саму идею их появления человеку подсказала природа: анализ и исследование раковин морских моллюсков показали, что они состоят из большого количества тонких слоев и отличаются повышенными прочностными свойствами. Сейчас авиационная и машиностроительная отрасли нуждаются в качественно новых материалах с заданным набором структурных и функциональных свойств, обладающих исключительной стойкостью к внешним воздействиям и малым весом. Поэтому материаловеды разных стран — России, США и Китая — активно работают над их созданием.
Перед внедрением в промышленность любой новый материал проходит сотни (если не тысячи) различных испытаний. Огромное значение имеет использование различных численных моделей, с помощью которых и описываются процессы, происходящие с материалами. Томск является одним из российских центров численного моделирования: работы по этой тематике ведутся в ТНЦ СО РАН, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН и НИ ТГУ. Одной из исключительных особенностей томской школы является создание собственных высокоэффективных программных комплексов, с помощью которых можно решить задачу практически любой степени сложности.
В конце 2016 года между ТНЦ СО РАН и Харбинским инженерным университетом был заключен меморандум о договоренности, благодаря которому удастся активизировать и вывести на международный уровень развитие целого ряда направлений, в том числе и численного моделирования процессов разрушения.
В Китае очень динамично ведется разработка многослойных металло-интерметаллидных композиционных материалов, что же касается методов численного моделирования, то они находятся в Поднебесной не на столь высоком уровне. Поэтому есть огромный интерес к программному комплексу, разработанному в ТНЦ СО РАН. Благодаря его возможностям можно провести моделирование процесса разрушения того или иного материала, и выяснить оптимальный механизм нагружения его слоев. У этого направления сотрудничества есть очень хорошие перспективы.
НОВОЕ СЛОВО В ЭНЕРГЕТИКЕ
В Томском научном центре СО РАН на протяжении ряда лет успешно разрабатываются пористые горелки, которые позволяют преобразовывать энергию природного газа в энергию инфракрасного излучения с эффективностью до 70 процентов и составом продуктов горения, соответствующим лучшим мировым экологическим стандартам. Результаты предварительных исследований показывают, что эти горелки весьма перспективны для улучшения параметров существующих малых теплоэнергетических установок. В числе важных направлений, над которыми сейчас работает научный коллектив, — создание водородных топливных элементов, систем термоэлектрического и фотоэлектрического преобразования энергии пористой горелки, позволяющих в рамках одного теплоэнергетического устройства одновременно вырабатывать и тепло, и электричество.
Цель, которая сейчас стоит перед научным коллективом, — это создание передовых энергетических установок универсального характера с использованием пористых горелок. Для ее достижения требуется объединение ученых разного профиля: специалистов в областях материаловедения, теплоэнергетики, физики горения, физики полупроводников, химии. В рамках кооперации с Дальневосточным федеральным университетом намечена программа по созданию передовых теплоэнергетических систем малой мощности. Будут разрабатываться новые технологии, материалы и устройства, а также осуществляться их апробация. Планируется создание сетевой международной лаборатории, специализирующейся в области энергетики и горения.
"ОПТИКИ" НА ВЫСОТЕ
В Институте оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН ведутся комплексные исследования по распространению ультракоротких тераваттных лазерных импульсов в атмосфере в условиях филаментации, когда за счет нелинейного взаимодействия излучения со средой пучок распадается на множество светящихся нитевидных структур (филаментов) с высокой плотностью энергии.
Изучение физики филаментации представляет интерес как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Полученные результаты помогают решать задачи транспортировки энергии, управления атмосферным электрическим разрядом, модификации свойств материалов. В области филаментации происходит генерация широкополосного белого свечения, что открывает широкие перспективы применения фемтосекундных лазеров для многочастотного дистанционного зондирования параметров атмосферы.
В 2016 году были детально проанализированы условия возникновения оптического явления, связанного с распространением в атмосфере мощных фемтосекундных импульсов. За областью филаментации в лазерном пучке возникают узкие световые каналы, сохраняющие высокую интенсивность свечения на продолжительной дистанции. Ученые исследовали количественные характеристики области филаментации и каналов и показали возможность управления характеристиками этих структур на атмосферной трассе с помощью параметров лазерных импульсов.
Изучение нелинейно-оптических явлений в атмосфере ведется коллективом научной школы "Лазерное зондирование атмосферы и океана", возглавляемой директором института Г. Г. Матвиенко. Летом она была поддержана грантом президента РФ. В декабре четверо молодых ученых этого коллектива успешно защитили кандидатские диссертации по специальности "Оптика".
Помимо этого, в прошедшем году ИОА СО РАН выполнял исследования по семи проектам, поддержанным Российским научным фондом. Их тематика очень разнообразна: лазерное зондирование атмосферы, дистанционная диагностика океана, дальнее распространение мощного лазерного излучения, изучение турбулентных полей ветра и температуры в атмосфере, разработка адаптивной системы для солнечного телескопа, создание информационно-вычислительной среды анализа, оценки и прогнозирования воздействия глобальных изменений на природу и климат, изучение континуального поглощения инфракрасного излучения водяным паром.
Благодаря поддержке РНФ была модернизирована Сибирская лидарная станция: в режим регулярных наблюдений введен лидарный комплекс для измерения в атмосфере концентрации озона и температуры на высотах от шести до сорока километров.
Научным коллективом института разработаны измерительные установки и проведены натурные эксперименты по дистанционному изучению газового состава и метеопараметров атмосферы, полевые комплексные аэрозольные эксперименты, а также аппаратура и методики для дистанционного измерения температуры в тропосфере и стратосфере до высоты 70 километров.
Ученые создали макеты уникальных лидаров для исследования структуры перистых облаков и круглосуточного измерения температуры атмосферы. Проведен комплексный эксперимент по наблюдению динамики пограничного слоя атмосферы с использованием средств дистанционного зондирования.
ЭФФЕКТИВНО И ЭКОНОМИЧНО
Прошедший год стал очень плодотворным для научного коллектива Института химии нефти СО РАН, были получены новые научные результаты по многим направлениям исследований.
Нефтяникам все чаще приходится сталкиваться не с легкими нефтями, какэто было на заре развития отрасли, а с тяжелыми, добыча которых сопряжена с рядом трудностей и требует внедрения новых эффективных и экономичных технологий. Благодаря использованию неф-тевытесняющих и потокоотклоняющих гелевых композиций с регулируемой вязкостью "ИХН-ПРО" и композиции "НИНКА", созданных учеными института, удалось увеличить дебит по нефти на Усинском месторождении, под действием композиции происходит вовлечение в добычу нефти из дополнительных объектов.
Ученые института разработали уникальную компьютерную программу для визуализации и графического анализа эффекта применения композиций для повышения нефтеотдачи.
По результатам анализа выявлены пространственные закономерности распределения эффекта и гидродинамические связи между скважинами месторождения.
Развивалось направление, связанное с разработкой каталитических добавок для крекинга нефтяного осадка (мазута). Созданы новые добавки на основе оксида меди и наноразмерного порошка железа. Их применение позволяет почти на 30 процентов увеличить выход топливных фракций по сравнению с крекингом без добавок.
В ИХН СО РАН впервые проведено комплексное исследование химического состава органического вещества болотных вод и торфов, дана оценка региональных особенностей и условий формирования их состава. Полученные данные позволяют определять уровень регионального фонового содержания органических компонентов в объектах, удаленных от источников антропогенного воздействия, которые могут быть использованы для разработки системы оценки качества заболоченныхтерриторий.
В рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации" велись исследования по созданию противотурбулентных присадок для трубопроводного транспорта углеводородов в арктических условиях. Их применение позволяет увеличить пропускную способность нефтепровода, и в некоторых случаях позволяет избежать строительства дополнительных перекачивающих станций, а значит, существенно снизить финансовые затраты.
Учеными создана новая противотурбулентная присадка суспензионной консистенции, которая содержит мелкодисперсный полимер, растворяющийся в углеводородных жидкостях. Новая присадка способна выдержать самые суровые условия, она не замерзает при температуре ниже минус тридцати и снижает гидравлическое сопротивление потока жидкости на 30 процентов. о ИНСТИТУТ сильноточной ЭЛЕКТРОНИКИ СО РАН В 2016 ГОДУ: ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В лаборатории вакуумной электроники (руководитель работы — зав. лабораторией к. ф.-м. н. А. В. Батраков) с участием лаборатории теоретической физики (заведующий д. ф.-м. н. А. В. Козырев) созданы научные основы технологии предотвращения вторичного дугообра-зования в энергопреобразующей аппаратуре космических аппаратов.
Энергопреобразующая аппаратура современных автоматических космических аппаратов обеспечивает напряжение сети на уровне 100 вольт и токи потребления на уровне 100 ампер. В случае инициирования объемного разряда внутри аппаратуры происходит переход разряда к дуге, успевающей произвести необратимые разрушения до срабатывания защиты. Одним из основных дефектов, способных приводить к инициированию вакуумной дуги в окружении редкой плазмы, являются дефекты защитного диэлектрического покрытия. Для поиска и локализации таких дефектов на платах электронной аппаратуры перед их установкой в космические аппараты разработан метод сканирования плат плазменной струей. Кроме того, показано, что обнаруженные дефекты могут быть эффективно устранены плазмо-химическим осаждением полимера на область дефекта с использованием того же источника плазмы в едином технологическом цикле. Данная работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки. Индустриальным партнером по проекту выступило ОАО ""Информационные спутниковые системы" им. акад. М.Ф. Решетнева".
В сотрудничестве с Институтом электрофизики УрО РАН был создан источник мощных наносекундных широкополосных электромагнитных импульсов на основе гиромагнитных нелинейных линий и четырехэлементной фазированной антенной решетки. Источник способен производить пакеты импульсов протяженностью в одну секунду при частоте повторения импульсов 1000 герц, что открывает новые возможности в наносекундной радиолокации. Работы в ИСЭ СО РАН выполнялись под руководством заведующего отделом физической электроники д. ф.-м. н. В. В. Ростова.
Достижением в области теории стала разработка гибридной нестационарной численной модели пробоя в газонаполненном диоде с формированием пучка быстрых (убегающих) электронов. Созданная модель позволяет лучше разобраться в механизмах этого сложного физического явления; в расчетах уже получено хорошее согласие с экспериментом. Полученные результаты важны как с точки зрения физики, так и для разработки компактных импульсных газоразрядных электронных источников и коммутирующих приборов. Работа, которой руководил д. ф.-м. н. А. В. Козырев, выполнена совместно с лабораторией оптических излучений (заведующий д. ф.-м. н. В. Ф. Тарасенко).
Исследования и разработки в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН осуществлялись в рамках новой организационной формы, уже принятой более чем сотней институтов подведомственных ФАНО России, а именно Комплексного плана научных исследований (КПНИ).
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН является организацией-координатором КПНИ по тематике "Перспективные материалы с многоуровневой иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций". В число его участников входят десять академических институтов из Томска, Новосибирска, Уфы, Омска, Екатеринбурга, Перми и Москвы. Это пилотный проект, направленный на отработку форматов и регламентов формирования и реализации КПНИ, поэтому в течение 2016 года он неоднократно обсуждался и был одобрен на разных уровнях, включая Президиум СО РАН и Научно-координационный совет ФАНО России. Результаты реализации проекта и направления исследований и разработок были рассмотрены и одобрены руководителем ФАНО России М. М. Котюковым и помощником президента РФ А. А. Фурсенко. Важным событием явилось обсуждение КПНИ на Совете Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук под председательством президента РАН академика В. Е. Фортова.
В основе КПНИ лежат глубокие фундаментальные исследования сотрудников Института физики прочности и материаловедения СО РАН в области многоуровневого подхода. Здесь институт — один из лидеров в мире, его достижения признаны на самом высоком уровне мировым научным сообществом. В частности, только в 2016 году было опубликовано пять статей в изданиях Nature Publishing Group. Это один из лучших результатов в России, а в целом по своей публикационной активности Институте физики прочности и материаловедения СО РАН входит в число 20 лучших научныхорганизаций, подведомственных ФАНО России.
Предложенная в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН концепция позволяет гармонично сочетать проведение фундаментальных исследований в рамках тем государственных заданий с последующим выводом результатов в реальный сектор экономики. В качестве наглядного примера можно назвать вскрытый в работах коллектива под руководством академика В. Е. Панина нелинейный механизм пластической деформации твердых тел, связанный с кривизной кристаллической решетки и изменением ее метрики. В кристаллической решетке возникают бифуркационные структурные состояния, которые и определяют закономерности деформации и разрушения материала. Данные закономерности открывают новые перспективы при решении задач повышения ресурса работы материалов и конструкций, в том числе для работы в условиях Арктики. Эти исследования проводятся в рамках Арктического проекта РАН, сотрудничества с АО "Авиадвигатель" (Пермь) и других проектов.
Важным достижением КПНИ 2016 года следует признать формирование нового направления фундаментальных исследований "Soft matter* (мягкая материя) (руководитель — чл.-корр. РАН С. Г. Псахье). Подобные исследования на сегодняшний день являются крайне востребованными в мировом научном сообществе. Первые результаты уже позволяют говорить о самосборке биообъектов на интерфейсахдвумерных наноструктур.
Одним из эффективных механизмов вывода результатов научных исследований в практику должно стать создание межведомственных сетевых центров. В 2016 году в рамках реализации проекта "ИНО Томск" на базе Институте физики прочности и материаловедения СО РАН были созданы два межведомственных сетевых центра: "Объемная реконструкция костных дефектов" и "Ангио имплантат". Их деятельность ориентирована на создание материалов и изделий медицинского назначения.
Промышленными партнерами при их организации выступили Медицинский промпарк (Новосибирск) и компания "Ангиолайн", являющаяся самым крупным отечественным производителем кардиостентов.
Одним из достижений следует также считать участие Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в подготовке соглашения между ФАНО России и Государственной корпорацией "Роскосмос" по созданию межведомственного проектного офиса "Новые материалы, конструкции, технологии". Уже в 2017 году сотрудники института примут участие в реализации трех космических экспериментов на российском сегменте Международной космической станции.
КАК ОБЕЗОПАСИТЬ ПОЛЁТЫ?
Нередко при взлете и посадке воздушное судно испытывает экстремальное воздействие воздушных масс, которые содержат капли переохлажденной жидкости, в результате чего различные части воздушного судна покрываются льдом, что может привести к катастрофе.
В Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН под руководством замдиректора по научной работе чл.-корр. РАН В. В. Зуева обнаружены новые условия образования обледенения на корпусах воздушных судов. Традиционно считалось, что наиболее опасная высота, на которой самолет может обледенеть, это три километра. По мере приближения самолета к земной поверхности вероятность обледенения резко падает, и на высотах один километр и менее появление льда на его поверхности ранее не наблюдалось.
Работы, начатые еще в 2012 году на базе международных аэропортов "Богашево" и "Толмачево", позволили сделать качественно новые выводы. Впервые в мировой практике было зафиксировано, что корпус самолета может обледенеть на высотах ниже одного километра. Также были описаны случаи образования обледенения при положительных атмосферных температурах, порой превышающих +10°С, и были зафиксированы случаи аномального обледенения в условиях очень низких температур, наиболее характерных для арктических регионов. Эти работы вызывают огромный интерес не только у научной общественности, но и у представителей Росавиации, Авиамет-телекома, Росгидромета и других организаций.
В настоящее время перед нашей страной, и в частности перед Томской областью стоит задача ускоренного развития воздушного транспорта с упором на малую авиацию, которая наиболее уязвима при обледенении. Для обеспечения безопасности и регулярности полетов таких самолетов и вертолетов необходимо проводить мониторинг и прогноз опасных метеорологических условий с использованием современных средств дистанционного зондирования атмосферы.
Новая цель, которую ставит перед собой научный коллектив под руководством В. В. Зуева, — это создание программно-аппаратного комплекса для сверхкраткосрочного прогнозирования обледенения воздушных судов, который бы учитывал региональные аспекты изменения климата.
КЛИМАТ МЕНЯЕТ ЛАНДШАФТЫ
По результатам анализа наземных наблюдений и спутниковых данных установлено, что климатические вариации последних десятилетий привели к существенным и необратимым изменениям пространственной структуры ледниковых и приледниковых ландшафтов Горного Алтая. За полувековой период непрерывной деградации оледенения от ледникового покрова освободилось более 175 квадратных километров альпийского высокогорья Катунского, Северо-Чуйского и Южно-Чуйского хребтов. С середины XIX века нижняя граница пояса горного оледенения сместилась вверх на 180-200 метров. Рельеф территорий, лишенных ледникового покрытия, в новых, изменившихся условиях претерпевает существенные изменения.
Впервые полученные количественные данные по трансформации ледниковых и приледниковых ландшафтов согласуются с наблюдаемой динамикой экосистем в высокогорном Алтае. Важно отметить, что применение полученных результатов при прогнозировании опасных гидрологических и геоморфологических процессов в высокогорных регионах (наводнений, оползней, селей) поможет сделать их более точными.
ТОРФ, ЛЁН, КАРТОФЕЛЬ…
Сибирский НИИ сельского хозяйства и торфа ведет свои исследования по целому ряду направлений, имеющих стратегическое значение для всей Сибири.
В их числе — проблемы болотных экосистем, получение новых высококачественных сортов сельскохозяйственных культур, адаптированных к суровым климатическим условиям, создание экологически безопасной торфопродукции для сельского хозяйства и экологии.
Специалисты института, исследующие заболоченные территории Западной Сибири, разработали методику оценки процессов их восстановления после того, как эти экосистемы были нарушены деятельностью человека. Ученые отслеживают, как за последние 30 лет изменились физические характеристики торфяной залежи после осушения; в каком состоянии находятся осушительные каналы (способны ли они пропускать воду); а также анализируют водно-тепловой режим и содержание гумино-вых веществ в болотных водах. Эта методика поможет принимать оптимальные решения по поводу дальнейшего хозяйственного использования осушенных болот. Благодаря ей станет возможно составить высокоточный прогноз относительно увеличения запасов торфа в условиях естественного восстановления осушенных болот.
В 2016 году активно развивалась селекция сельскохозяйственных культур, в Государственное сортоиспытание передан новый сорт льна-долгунца "Томич-2". Институт вошел в Комплексную целевую программу РФ "Картофелеводство". Ученые института оздоровили сорта картофеля собственной селекции, создали банк здоровых сортов картофеля, разработали для каждого сорта генетические паспорта.
Совместно с департаментом по социально-экономическому развитию села обладминистрации ведется работа по созданию селекционного-семеноводческого центра по производству оздоровленного семенного картофеля. В рамках выполнения этой программы к 2025 году будут созданы два новых сорта картофеля и организовано производство оздоровленного семенного картофеля для населения и предприятий.
ВОДА КАМЕНЬ ТОЧИТ
В конце 2016 года научный коллектив Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН завершил четырехлетний цикл фундаментальных работ "Геологическая эволюция системы вода-порода-газ-органическое вещество центральной и юго-восточной частей Западно-Сибирского артезианского бассейна".
Одним из важнейших результатов, меняющих привычные представления об окружающем мире, является то, что в ходе многолетних исследований удалось получить доказательства эволюции в неживых системах. Ученые изучают различную подземную воду для того, чтобы описать, каков механизм ее взаимодействия с окружающей породой и органическим веществом. Эта система носит не хаотический, а упорядоченный характер, важнейшую роль играет временной фактор, в зависимости от времени нахождения воды в породе по-разному будет протекать процесс ее растворения и изменения самой породы.
На протяжении ряда лет специалисты из ТФ ИНГГ СО РАН осуществляют постоянный отбор проб болотных, подземных и речных вод в Томской области; согласно полученным результатам, концентрация железа во многих случаях значительно превышает допустимые нормы. Ведутся постоянные гидрогеохимические исследования в Кузбассе, получены уникальные данные о составе подземных вод на первом в России месторождении, где ведется добыча угольного метана. Для организации подобного месторождения необходимо располагать полной информацией о составе подземных вод. Впервые в мировой практике обнаружено, что содовые воды угленосных отложений могут обладать высокой минерализацией и тяжелым положительным изотопным составом водорастворенного углерода.
Научными сотрудниками ведется и ряд других проектов: изучаются глубинные рассолы Восточной Сибири -воды, обладающие исключительно высокой соленостью. Еще одно из востребованных на международном уровне направлений — исследование термальных источников, встречающихся в разных уголках планеты. Совместно с коллегами из Восточно-Китайского технического университета проведено несколько полевых экспедиций в России и в Китае.