Россия продолжает делать сама
Добро пожаловать в Большой музей!
Здесь музеи рассказывают о себе по-новому. Знакомьтесь с экспонатами, читайте истории о связанных с ними людях и событиях, изучайте важные понятия. Мы приводим вас к музеям, а музеи к вам.
search

Россия делает сама

Россия продолжает делать сама

© Ядро квантового компьютера
Richard Kail/Getty Images

Россия делает сама

Россия продолжает делать сама

С момента открытия экспозиции Политехнического музея «Россия делает сама» прошло четыре года. За это время отечественные ученые успели совершить немало новых прорывов в самых разнообразных областях знаний. Мы выбрали для вас самые интересные.

Спиральная магнитная открытая ловушка

В 2007 году на юге Франции начали строить экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР. В случае успеха эксперимента человечество сможет получать в таких реакторах чрезвычайно дешевую и одновременно экологически чистую энергию.

Установка «Смола» на этапе сборки © Фото предоставлены к.ф.-м.н. А. Судниковым

Однако, чтобы это грандиозное сооружение заработало, вещество внутри реактора необходимо очень сильно разогреть, а для этого – суметь удержать плазму, образующуюся при нагреве, в замкнутом пространстве (так называемой камере реактора). Обеспечивать удержания будут особые закрытые «ловушки» для плазмы – «токамаки» (кстати, на модель токамака можно посмотреть в экспозиции «Россия делает сама»).

Первую такую ловушку советские физики разработали еще в 1951 году. Параллельно с этими разработками, ученые из разных стран проводили работы по созданию другого типа ловушек – открытых, более простых и дешевых. Но достигнув в открытых ловушках предела по температуре плазмы, которая была значительно меньше показателей токамаков, физики, казалось, прекратили исследования в этой области.

Однако недавно научное сообщество вновь заговорило о возможной успешности простых открытых ловушек.

В 2015 году исследователи из Института ядерной физики имени Будекера (Новосибирск) выдвинули абсолютно новую концепцию удержания плазмы, которая позволила им нагреть плазму до 10 млн градусов Цельсия. Спустя еще два года сибирские ученые создали и запустили уникальную установку «Смола» (Спиральная магнитная открытая ловушка), которая способна улучшить полученные ранее показатели в разы. Новая установка из Новосибирска делает реальными не только мечты об экологически чистой и доступной энергии, но и приближает нас к созданию плазменных двигателей для космического ракетостроения.

Электроракетный двигатель КМ-75

Впервые научное обоснование возможности межпланетных путешествий дал великий русский ученый и основоположник космонавтики Константин Циолковский. Еще в 1903 году он не только доказал возможность полетов на другие планеты, но и разработал проект первого ракетоплана. Тогда Циолковский предположил, что для осуществления этих задач отлично подойдут электроракетные двигатели.

Электрический ионный ракетный двигатель © NASA

Практические работы в этой области начались в 1970-х годах и продолжаются до сих пор – сейчас электроракетные двигатели чаще всего устанавливают на спутники. Однако есть надежда, что в недалеком будущем, достигнув определенной мощности, такие двигатели можно будет использовать для полетов на другие планеты Солнечной системы.

На данный момент наиболее мощные двигатели такого типа разработали ученые российского центра имени Келдыша. Одна из версий установлена на российском военном спутнике и уже три года бесперебойно функционирует в невесомости.

Установка для автоматической сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием

С момента изобретения Николаем Славяновым в 1891 году электродуговой сварки плавящимся электродом, методы плавки и сварки металлов постоянно совершенствовались.

Сейчас одним из самых эффективных методов, который применяют в наиболее высокотехнологичных отраслях – например, в космическом ракетостроении – является способ сварки трением с перемешиванием, разработанный спустя 100 лет после изобретения Славянова. Такой способ сварки обеспечивает наиболее прочное соединение между деталями.

Технологический процесс можно разделить на два основных этапа. Сначала под действием трения края деталей нагреваются, и металл становится пластичным и равномерно деформируется. Затем, благодаря особой конструкции сварочного аппарата, которая представляет из себя вращающийся стержень, происходит так называемое перемешивание металлов двух деталей, что и обеспечивает прочное «склеивание» .

Однако метод сварки с перемешиванием имеет один существенный недостаток – хрупкость шва. Долгое время максимальная прочность, которой обладал такой шов, не превышала 70% прочности основного материала (то есть шов, по сравнению с остальной частью детали, был достаточно уязвимым к различным механическим воздействиям).

Существенно улучшить механические свойства шва удалось инженерам из России. Коллектив ученых из Института физики прочности и материаловедения, Томского политехнического университета и предприятия «Сеспель» (Чебоксары) усовершенствовали технологию, добавив в процесс мощное ультразвуковое воздействие. Это позволило повысить прочность шва по отношению к основному материалу до 95%.

Такой вид сварки прежде всего важен для аэрокосмической промышленности. Новая разработка российских ученых позволит существенно улучшить фюзеляжи и топливные баки космических ракет.

51-кубитный квантовый компьютер

Сегодня все сферы нашей жизни связаны с разнообразными гаджетами – компьютерами, планшетами, смартфонами. Мы привыкли к тому, что с каждым годом появляются новинки, чьи технические характеристики значительно лучше старых моделей.

Квантовый компьютер. Графический концепт © Getty Images

Но, как выяснилось, у таких «классических» компьютеров есть предел совершенства.

Так, ученые утверждают, что тактовая частота (а именно этот показатель определяет скорость работы компьютеров) имеет теоретический максимум – 10 ГигаГерц.

Другой предел – это количество транзисторов в микросхемах, благодаря которым и работают все современные компьютеры. Чем больше транзисторов, тем лучше. С момента изобретения первого транзистора, их количество каждые полтора года удваивалось. Однако, следуя этой логике, в итоге в недалеком будущем каждый транзистор должен состоять из атомов, что также невозможно.

Решить эти проблемы может создание принципиально новой вычислительной машины – квантового компьютера.

Чем устройство квантовых компьютеров отличается от классических?

В первую очередь, квантовые компьютеры совсем по-другому представляют информацию.

Мы знаем, что классические ЭВМ используют нули и единицы для описания всего окружающего мира. Каждый бит может находится только в одном состоянии (0 или 1).

В свою очередь, квантовые компьютеры, используя принцип суперпозиции, пользуются кубитами. Кубиты, в отличие от классических битов, могут находиться одновременно сразу в нескольких состояниях.

Благодаря этому рекордно возрастает скорость всех проводимых вычислений. Так, с некоторыми задачами, для решения которых самому мощному современному суперкомпьютеру потребовались тысячелетия, квантовый компьютер справится за минуты.

Как и в случае с транзисторами, чем больше кубитов, тем лучше. Последним достижением в этой области стал 51-кубитный квантовый компьютер, который создал коллектив ученых под руководством Михаила Лукина – сооснователя Российского квантового центра.

Прогресс квантовых компьютеров должен открыть совершенно новые возможности для человечества в самых разнообразных сферах. Например, благодаря мощным вычислителям, врачи смогут диагностировать рак на самых ранних стадиях, а инженеры – создавать сложные автопилоты.

Квантовый блокчейн

Создание квантовых вычислительных машин – огромный технологический прогресс. Однако их высокая производительность ставит под угрозу все существующие классические схемы шифрования данных, важных, в первую очередь, для финансовых операций.

Сейчас наиболее эффективной технологией, которая способная защитить все проводимые вами транзакции, является блокчейн. Впервые эту технологию описал японец Сатоси Накамото в 2008 году как некий инструмент для обмена самой популярной сейчас криптовалюты, биткоина.

В сущности, блокчейн – это база данных, которая состоит из отдельных блоков информации, организованным определенным образом. Каждый новый блок содержит в себе данные предыдущих блоков, благодаря чему практически невозможно внести изменения на любом этапе работы в системе. Особенно это привлекательно для банковской сферы в ситуации, когда участники сделки относятся к друг другу с определенной степенью недоверия, но должны достигнуть договоренности.

Блокчейн делает операции каждого видимыми для других партнеров, но не позволяет другим участникам взломать эти операции, поскольку каждый использует свою уникальную цифровую подпись.

Кроме того, блокчейн существенно ускоряет все сделки. Если при использовании классических схем, когда каждый шаг проверяется банками и юристами, на сделку уходит от 7 до 14 дней, то с блокчейном весь процесс займет не более нескольких часов.

Сейчас классические вычислительные машины не представляют угрозы для безопасности этой технологии. Однако совсем недавно ученые доказали, что более мощные квантовые компьютеры могут с легкостью получить доступ к самым сокровенным тайнам ваших финансовых операций.

О том, как можно решить эту проблему, задумались исследователи Российского квантового центра.

Главная особенность новой технологии – отсутствие электронных подписей, подделать которые для квантового компьютера не составляет труда. Теперь же все операции проходят автоматически, не запрашивая уникальной цифровой подписи.

Но что же тогда служит гарантом безопасности?

В этом случае за сохранность ваших данных выступают сами законы квантовой механики, согласно которым любая попытка определить состояние системы (непосредственно ваших финансов) автоматически ее изменяет. То есть каждый раз, когда злоумышленник попробует взломать квантовый блокчейн, он сам и поменяет все шифры. В результате, полученная им информация будет неактуальной.

Такой неуловимый блокчейн работает и на перспективу – в будущем он сможет выстоять в условиях резкого развития квантовых вычислительных машин.

Нейропротезирование

Разработки в области нейропротезирования – науки, находящейся на стыке нейробиологии и биомедицинской инженерии – за последние 15 лет в России достигли серьезных успехов.

Известно, что в большинстве случаев при спинальных травмах спинной мозг не повреждается полностью, то есть почти всегда существует надежда на восстановление подвижности.

Так, ученые лаборатории нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ успешно используют гибкие электрохимические протезы в экспериментах на лабораторных животных. Нейрофизиологи из Петербурга за несколько недель способны восстановить у крыс подвижность даже в случае полной потери связей между спинным и головным мозгом.

Сам по себе нейропротез – это небольшая силиконовая пленка, которую пронизывают многочисленные каналы для введения лекарственных препаратов и электроды. Этот имплантат помещают под твердую мозговую оболочку и крепят к позвонкам.

Пока что применяют данные технологии только к лабораторным животным, однако есть шанс, что грамотное сочетание нейропротезирования и нейрофармакологии, поможет лечить даже такие сложные заболевания, как боковой амиотрофический склероз.

Полимер «швейцарский сыр»

Еще одной важнейшей задачей науки является создание программируемых материалов, которые будут определенным образом реагировать на изменения внешней среды – света, температуры, давления.

Ученые из Санкт-Петербургского университета и Института органической химии имени Зелинского разработали новый метод получения полимеров, который в будущем поможет упростить точечную доставку лекарств в нужные органы или ткани. Оказалось, что полимер, изготавливаемый из дешевого карбида кальция, по-разному ведет себя в различных веществах: в одних растворяется очень хорошо, а в других – совсем не растворяется. Таким образом, можно законсервировать в порах полимера необходимое вещество, которое не будет активировано до наступления определенных условий.

Любопытна и структура нового материала: под электронным микроскопом видно, что весь он «испещрен» упорядоченными порами, придающими полимеру сходство со швейцарским сыром.

Дополнительные материалы:
Тактовая частота
Тактовая частота
Понятие
Количество операций, которые компьютер может выполнить за одну секунду.
Электрический ракетный двигатель
Понятие
Ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической ...
Токамак
Токамак
Понятие
Устройство для удержания плазмы в замкнутой камере. Токамак – необходимый элемент од...
Полимер
Понятие
Большая молекула, состоящая из одинаковых, повторяющихся маленьких частей.