Отечественный стандарт времени, синтез-газ и ПО для спутников: главные достижения российской науки

В первый месяц лета российские учёные смогли создать собственный цезиевый стандарт времени, который ранее был только у США и Швейцарии, на 30% увеличили эффективность аппарата для производства смеси для топлива и лекарств, придумали ткань, способную генерировать электроэнергию при нагревании, а также составили алгоритм для навигационных спутниковых систем. Об этих и других не менее важных достижениях отечественной науки в июне далее в статье.

Создали отечественный цезиевый стандарт частоты для точного времени

💡 Простыми словами

Человечество издавна пыталось найти способ, позволяющий измерять время с самой высокой точностью. Люди прошли долгий путь от песочных и солнечных часов, до сложных механических устройств на основе осциллятора — предмета, колеблющегося с определенной частотой. Механические часы измеряют время периодом колебаний маятника или пружины. Кварцевые — работают за счёт колебаний пластинок кварца под воздействием электричества. Однако эти приборы со временем теряют точность из-за износа, а современная наука и вовсе открыла людям тайну, что длительность суток может изменяться на сотые и тысячные доли секунды из-за приливов, отливов и других внешних факторов.

Венцом развития технологий измерения времени стали атомные часы, которые работают за счёт частоты, с которой атомы испускают электромагнитное излучение. Холдинг «Росэлектроника» (входит в Ростех) представил на конференции «Цифровая индустрия промышленной России» цезиевый стандарт частоты и времени-2021 (ЦСЧВ-2021), обеспечивающий сверхточную синхронизацию аппаратуры для мобильных сетей, центров обработки данных, метрологических, навигационных и космических систем, а также научных исследований. Подобное оборудование до этого момента можно было купить только в США и Швейцарии.

👨‍🔬 Детально

Каждый атом состоит из ядра (положительно заряженной части) и электронной оболочки (отрицательно заряженных электронов, которые могут находиться на определенных энергетических уровнях). Когда вещество подвергается какому-либо воздействию (в современных часах — это лазерное излучение), электроны могут переходить на другой уровень, что сопровождается выбросом или поглощением фотона — кванта электромагнитного излучения. Именно на частоту излучения опирается метод измерения времени в атомных часах. Устройство ЦСЧВ-2021 оснащено атомно-лучевой трубкой, где в качестве рабочего вещества используется цезий-133. Это довольно распространенный элемент, частота электромагнитного излучения которого постоянна и не зависит от внешнего воздействия. Оборудование прошло необходимые испытания и сертификацию как первичный эталонный источник, а также было внесено в Государственный реестр средств измерений.

Придумали золотой стандарт защиты от подделок

💡 Простыми словами

Основными технологиями защиты в современном мире являются голограммы, водяные знаки и метки с УФ-чернилами. У всех них есть общий недостаток: при наличии нужного оборудования их можно легко и массово копировать, поэтому защищенность продукции быстро устаревает. Ведущей технологией для замены стандартных методов защиты на данный момент является создание меток на основе случайных структур (например, узор из частиц, рассыпавшихся в хаотичном порядке). Воспроизвести их можно только вручную, что крайне сложно и практически неосуществимо. Увеличение надёжности достигается за счёт уменьшения размеров, вплоть до наномасштабов. Ограничивают технологию существующие оптические микроскопы, так как они недостаточно мощные, что затрудняет считывание всё более мелких меток не только мошенниками, но и самими учёными.

Российские исследователи при поддержке коллег из Франции и Узбекистана пошли другим путём. Они решили отказаться от прямого визуального анализа защитных меток через микроскоп, а использовать для этого спектрометры. А чтобы у меток появился «световой отпечаток» физики использовали гибридные наночастицы на основе золота и кремния. Благодаря уникальным оптическим свойствам данных материалов, учёные могут создавать неклонируемые защитные метки с рекордной плотностью хранения информации, которые можно использовать не только для защиты микроэлектроники, но и для генерации криптографических ключей.

👨‍🔬 Детально

Чтобы обойти оптический порог современных микроскопов, учёные предложили считывать информацию с метки при помощи оптического сигнала фотолюминесценции. Каждая гибридная наночастица на основе золота и кремния при воздействии на неё лазером излучает свет с уникальным спектром, зависящим от её внутренней структуры. Поэтому, даже если повторить физический рисунок, спектральный останется уникальным. Кроме того, плотность хранения информации в этих метках составила 930 бит на один квадратный микрометр, что минимум в сотни, а то и тысячи раз больше, чем в современных аналогах.

Улучшили аппарат для производства синтез-газа — смеси для топлива и лекарств

💡 Простыми словами

Синтез-газ — это смесь водорода и оксида углерода, из которой производят топливо, пластмассы, удобрения, лекарства и другие ценные химикаты. Его получают из углеродсодержащего сырья (например, природного газа) в специальных промышленных установках — реакторах, где сырьё при высокой температуре и давлении с участием катализатора превращается в синтез-газ. Учёные из Пермского Политеха разработали усовершенствованную конструкцию такого устройства. Главное его преимущество — равномерный прогрев рабочей зоны, чего не удаётся добиться в обычных установках. Благодаря этому новая модель позволяет повысить производительность на 30%.

👨‍🔬 Детально

Стандартный реактор представляет собой металлический каркас с двойной системой трубок — для химических реакций и для охлаждения. Главной проблемой конструкции является то, что тепло по трубкам распределяется неравномерно: у стенок слишком жарко, а в центре — недостаточно. На новом реакторе учёные установили трубы повышенного диаметра, а посередине пустили центральную трубу с отверстиями для выхода тепла. Углекислый газ и водяной пар под давлением подают в центральную трубу и поджигают, тем самым нагревая стенки до 900 градусов. В реакционные каналы закачивают углеводородное сырьё, например, метан, он проходит через слои металлических шариков и катализатора (никель с керамикой), где происходит превращение веществ в смесь водорода и оксида углерода (синтез-газ). Благодаря такому подходу производительность реактора выросла на 30%.

Сибирский микроорганизм поможет снизить вред жареной пищи

💡 Простыми словами

Врачи постоянно говорят о вреде жареной пищи. Но почему? Всему виной химическая реакция (реакция Майяра), которая протекает между аминокислотами и редуцирующими сахарами в продуктах при высоких температурах. Именно из-за этого появляется аппетитная и ароматная хрустящая корочка при жарке, выпечке, запекании или приготовлении на гриле. Но во время этого процесса также происходит синтез различных токсичных соединений, наиболее известным из которых является акриламид, потенциальный канцероген и нейротоксин. Поэтому чрезмерное потребление чипсов, картошки фри, обжаренного кофе, выпечки и других подобных продуктов помимо прочего повышает риск развития рака. Но что делать, если от вкусных продуктов отказываться не хочется? Московские учёные обнаружили, что ферменты сибирского микроорганизма способны снижать содержание акриламида в пище практически на 99% за счёт расщепления в ней аспарагина. На данный момент действие фермента изучено на упрощенной пищевой системе в лабораторных условиях, где он и показал такую высокую эффективность.

👨‍🔬 Детально

Thermococcus sibiricus — микроорганизм, выделенный из нефтяного месторождения в Западной Сибири. Он характеризуется способностью расти при повышенных температурах (порядка 80 °С). Учёные выделили из него гипертермофильный фермент — L-аспарагиназ, который расщепляет аспарагин до аспарагиновой кислоты и аммиака. Затем они взяли «лабораторное тесто», содержащее глюкозно-фруктозный сироп, аспарагин и крахмал в качестве заменителя муки, и выпекали его в специальных силиконовых формочках при 190 °С как с ферментом, так и без. В результате применение фермента снизило уровень акриламида на 98,9% по сравнению с контрольными значениями. При этом L-аспарагиназа не влияла на синтез меланоидинов, поэтому аромат и вид готовой выпечки остались неизменными.

Разработали ПО для улучшения работы спутников

Учёные из Новосибирска разработали специальное программное обеспечение, с помощью которого можно наглядно анализировать и сравнивать различные алгоритмы проведения измерений между спутниками. Программа оценивает их по таким важным показателям, как число спутниковых пар, участвующих в измерениях, общее количество сеансов, скорость работы алгоритма и равномерность распределения измерений по времени. В перспективе данное исследование даст возможность создать наиболее эффективные методы планирования сеансов измерений для глобальных навигационных спутниковых систем, что, в свою очередь, приведёт к увеличению точности определения координат, а значит, улучшению качества геопозиционирования в будущих поколениях таких систем.

Чтобы измерения были эффективными, нужно заранее определить, какие спутники будут проводить сеансы и в какое время. Планирование должно охватывать всю спутниковую систему, быть устойчивым к изменениям погодных условий и техническим неполадкам, а также учитывать ограничения, связанные с реальными условиями работы в космосе. Например, при использовании оптической связи важно предусмотреть влияние солнечного света, который может мешать работе терминалов. Поэтому разработанные алгоритмы позволяют точнее вычислять орбиты каждого из спутников и корректировать их внутренние часы в реальном времени. По словам авторов работы, аналогов данному ПО в мире практически нет.

Создали ткань, способную генерировать электроэнергию при нагревании

💡 Простыми словами

Недавно представленная зарубежная разработка (ткань, которая преобразует в электричество электромагнитное излучение в видимом диапазоне спектра) натолкнула учёных из Санкт-Петербурга на новое изобретение — ткань, способную вырабатывать электричество при нагревании. Она изготавливается из модифицированного углеродного волокна (МУВ), которое получают путём воздействия сильного электрического поля на обычное углеродное волокно. МУВ способно генерировать электрический ток под действием электромагнитного излучения, включая солнечный свет, но в отличие от зарубежных аналогов обладает фоточувствительностью и в инфракрасном диапазоне (то есть реагирует на нагрев), что значительно расширяет сферы его применения. Например, данная разработка может использоваться как теплоизоляционный материал для ракет, а в будущем — для питания носимой электроники за счёт тепла человеческого тела.

👨‍🔬 Детально

Фоточувствительные нити, входящие в состав ткани, представляют собой тончайшие углеродные волокна (диаметром 6–10 микрон), отличающиеся высокой прочностью, упругостью, устойчивостью к агрессивным средам, лёгкостью и способностью выдерживать экстремальные температуры — до 4000 К в вакууме. Они практически не расширяются при нагреве, что делает их особенно ценными для применения в электронике.