Землю измерил древнегреческий ученый Эратосфен Киренский (Eratosthenes) примерно в III веке до нашей эры (около 240–230 гг. до н. э.), то есть более 2200 лет назад.
Как он это сделал:
• Инструменты: Он использовал вертикальную палку (гномон), измерение теней и геометрию.
• Наблюдения в Сиене: В городе Сиена (сейчас Асуан) в день летнего солнцестояния Солнце находилось в самом зените, и его лучи освещали дно глубоких колодцев — тени от предметов там не было.
• Замеры в Александрии: В тот же самый момент в Александрии (которая находилась севернее) палка отбрасывала тень, так как Солнце стояло не строго над головой, а под углом примерно в 7 градусов (около 1/50 части полной окружности).
• Расчеты: Зная расстояние между Сиеной и Александрией, Эратосфен умножил его на 50 и вычислил окружность Земли с удивительной для того времени точностью.
Что такое инсула? Она же — островковая кора или островковая доля. Инсула — это участок большого мозга, скрытый в глубине латеральной борозды и прикрытый частями лобной, теменной и височной долей.
В октябре нынешнего года в журнале Натуре опубликовали исследование (подробнее о нём), в котором авторы предложили четырёхкомпонентную функциональную организацию человеческой инсулы. У 87 пациентов с имплантированными электродами собрали данные картирования связей, регистрации электрической активности и данные внутричерепной электрической стимуляции.
Соответственно:
Есть дорсально-задняя область, которую связывают с обработкой боли, температуры и соматосенсорных сигналов с пространственной организацией по частям тела.
Есть вентрально-задняя, которую связывают с обработкой информации о теле с доступом к сигналам от нескольких частей тела.
Средне-передняя имеет связь с висцеральными ощущениями и тревожными состояниями. А переднеполюсная имеет связь с обнаружением значимых событий и переключением режима действий. При её прямой стимуляции выраженные субъективные ощущения возникали редко.
Работа не революционная, но очень интересная. В последнее время выходит всё больше и больше статей, которые уточняют и всё сильнее дробят такие единые структуры как гипоталамус, гиппокамп, обсуждаемая ныне инсула и т.д.
1/3
При помощи оптогенетики мы получаем всё больше причинных данных, а не просто каких-то случайных поджогов коры. С каждым таким исследованием становится всё более и более ясно, что довольно многое о работе мозга мы придумали или додумали.
Уточнение происходит как по вопросам внутренней анатомической неоднородности, так и функциональных специализаций отдельных участков. Отдельно пересматривается сетевая организация функций, которые прежде приписывали одной структуре целиком.
И это важно. Когда вы в очередной раз будете читать текст (на Пикабушечке например) или слушать подкаст (какого-нибудь Губермана), нужно держать в голове, что перед вами может вещать человек, который свои представления о мозге и его работе не обновлял со времён бабы Сраки.
Можете подписаться и задать вопросы в телеге, МАХъ или ВК (все ссылки в шапке профиля). Можете оставить донут на подобные непотребства и работу нашего проекта. Спасибо!
p.s. пикабу, что ты делаешь? зачем ты меня байтишь?
16 октября в журнале Frontiers in Artificial Intelligence вышла работа инженеров из Бристольского университета. Они научились переводить сигналы осязательного датчика на «язык» живых нейронов и с помощью органоидов мозга распознавать буквы шрифта Брайля.
Органоиды мозга, или мини-мозги, — крошечные комочки нервной ткани, выращенные из стволовых клеток человека. Интерес к ним связан с энергией: мозгу хватает примерно 20 ватт, а кремниевым чипам такой же сложности понадобились бы киловатты и даже мегаватты. Отсюда направление «органоидного интеллекта», где живые нейроны служат вычислительными элементами.
Опыты шли на платформе компании FinalSpark. Ее органоиды переднего мозга размером около полумиллиметра содержат зрелые нейроны и остаются активными примерно до 100 дней. Каждый лежит на восьми электродах, которые подают слабый ток и записывают разряды нейронов. Британцы управляли органоидами удаленно, через интернет.
Сначала проверили, как органоиды отвечают на ток, меняя четыре параметра: число импульсов, их силу, длительность и задержку перед стартом. Оказалось: • чем больше импульсов, тем больше ответных разрядов нейронов, почти линейно; • ток слабее 4 микроампер почти не вызывает ответа; • отклик на одиночный импульс затухает примерно за 60 миллисекунд, на серию — примерно за 100; • четкой связи длительности и задержки с числом разрядов нет, но они меняют рисунок ответа во времени; • при стимуляции разных электродов центр активности смещается примерно на 20 микрометров, то есть ответ несет и информацию о том, куда пришел сигнал.
Затем осязательный датчик Evetac закрепили на роботе-манипуляторе. В нем мягкий гель с сеткой черных точек и камера, которая фиксирует не кадры, а только изменения яркости: при нажатии точки сдвигаются. Робот провел датчиком по каждой из 26 букв английского алфавита, напечатанных на 3D-принтере, с пятью глубинами нажатия, по 10 раз. Получилось 1300 записей.
Изображение с датчика делили на восемь участков, по числу электродов. Для каждого участка считали силу касания, его длительность, момент пика и неравномерность. Их переводили в четыре параметра тока: например, сила касания задавала число импульсов, от 4 до 10. Число разрядов нейронов на каждом электроде за полсекунды передавали простому алгоритму машинного обучения, и он определял букву.
Результаты такие: • с одним органоидом буква угадывалась в среднем в 61% случаев (с разными органоидами — от 57 до 67%), а наугад было бы меньше 4%; • если объединить ответы трех органоидов, точность росла до 83%; • участок, на который давили сильнее, не всегда отвечал сильнее: органоид перерабатывает сигнал по-своему; • при искусственных помехах в половине каналов точность с одним органоидом падала до 42%, а с тремя — не ниже 68%.
Для проверки тот же алгоритм обучили прямо на электрических стимулах, минуя органоиды. Без помех он угадал 82% букв, почти как три органоида. Значит, нужная информация уже была в самой кодировке, и в чистых условиях органоиды точность не повышают. Но с помехами прямой путь проседал до 55–67%, а три органоида держались на 68–83%. Авторы считают, что органоиды отвечают немного по-разному и дополняют друг друга. Похожая избыточность защищает от шума и настоящий мозг.
При этом у работы есть ограничения: • обучение органоидов не проверяли: сигнал шел в одну сторону, без обратной связи, а букву определял внешний алгоритм; • восьми электродов мало, чтобы увидеть тонкие детали активности; • неясно, вырастет ли точность с четырьмя органоидами и больше.
Главный итог — способ переводить сигналы датчиков в понятные живым нейронам стимулы. Сами мини-мозги читать не научились. Дальше авторы хотят замкнуть контур, чтобы органоид сам влиял на входящие сигналы и, возможно, учился. В перспективе — соединить органоид с живыми нервами и испытывать так идеи нейропротезов.
Выкладываю переводы статей по геронтологии и продлению жизни в своем тг
На Венере сутки легко перепутать с годом — всё зависит от того, как их считать. Планета облетает Солнце за 225 земных суток, а один оборот относительно далёких звёзд делает за 243. Поэтому её звёздные сутки действительно длиннее года.
Но между двумя восходами Солнца проходит около 117 земных суток. Венера вращается в обратную сторону относительно большинства планет, поэтому Солнце там восходит на западе и заходит на востоке. Медленное ретроградное вращение и движение по орбите вместе дают более короткий солнечный день.
У поверхности это не похоже на приятный долгий отпуск: атмосфера почти целиком состоит из углекислого газа, давление там очень высокое, а температура — около 465 °C. Венера на небе выглядит яркой и спокойной, но её поверхность — одна из самых суровых среди планет земной группы.
Как ауксетики меняют медицину, военное дело и строительство
16 октября прошел студенческий пресс-тур в Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН, организованный порталом «Научная Россия». В ходе мероприятия заведующий лаборатории новых материалов и технологий доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Дмитрий Сергеевич Лисовенко рассказал о материалах с отрицательным коэффициентом Пуассона, о том, как физическая теория помогает «лечить» трещины в напечатанных деталях, и о неожиданных открытиях на стыке механики, биологии и истории.
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
Материалы, которые ведут себя «наоборот»
«Мы занимаемся как классическими задачами, так и неклассическими», — начал свое повествование Дмитрий Лисовенко. Если тянуть обычный материал, то его поперечное сечение сжимается. Но существуют материалы, которые ведут себя противоположным образом: при растяжении они расширяются. Их называют ауксетиками, или материалами с отрицательным коэффициентом Пуассона».
Долгое время в науке обсуждались только классические материалы, а ауксетические материалы стали активно изучать лишь в последние 20–30 лет. У ауксетиков есть еще два важных свойства: они иначе изгибаются и сильнее сопротивляются проникновению посторонних объектов по сравнению с классическими материалами.
«Если на обычный, неауксетический материал давить иглой, он растекается, и образуется лунка или дырка. Ауксетики же при давлении, наоборот, стекаются, сжимаются», — пояснил Дмитрий Сергееевич. — Это открывает перспективы для защитных решений — например, для батарей или бронезащиты, хотя для пуль это сложно. Среди идей — медицинский матрас, предотвращающий пролежни, и «растущая» одежда для детей: штаны, которые растягиваются по мере роста ребёнка».
Конструируем свойства, которых нет в природе
Лаборатория новых материалов и технологий ИПМех РАН создает метаматериалы с ауксетическими свойствами. Это материалы, которые конструируют искусственно, чтобы придать им свойства, не встречающиеся в природе. Обычный правильный шестиугольник при растяжении сжимается; чтобы получить обратный эффект, его преобразуют в вогнутый шестиугольник, которыйпри растяжении превращается в прямоугольник и в поперечном сечении расширяется. Структуры можно усложнять, учитывая хиральность — подобие правой и левой руки, когда объекты похожи, но не совмещаются.
«Хиральность, то бишь свойство объекта быть несовместимым со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве, важна и в фармакологии. Лекарства с разной хиральностью могут подходить или не подходить разным людям», — отметил Дмитрий Лисовенко.
Еще один тип материалов, интересных для исследования — композиты, где при растяжении по одной оси волокна поджимаются, создавая «прошивание» по другой. Третий — кристаллические материалы без дефектов. Лаборатория новых материалов и технологий ИПМех РАН внесла существенный вклад в исследование кристаллических ауксетиков: публикации по этой теме со всего мира часто приходят к ним на рецензирование. По таблице Д.И. Менделеева примерно четверть материалов может проявлять такие свойства.
«В прикладной науке недостаточно красивой формулы — нужна простая модель, которую можно объяснить на пальцах». Для некоторых материалов, проявляющих ауксетические свойства, такой моделью оказался «конфетный фантик»: если тянуть закрученную конфету, она сжимается, а если раскручивать — расширяется», - привел образный пример доктор физико-математических наук.
Нанотрубки задолго до нанотехнологий
Практически весь мир связывает открытие углеродных нанотрубок с 1991 годом, но советскими учеными они были получены ещё в 1952 году — за 40 лет раньше. Их описали физико-химики Леонид Викторович Радушкевич и Всеволод Михайлович Лукьянович. Они опубликовали статью «О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте» в «Журнале физической химии». В работе были представлены 12 фотографий, сделанных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, на которых видны скопления нитевидных частиц. Эти изображения считаются первыми в мире электронно-микроскопическими изображениями многостенных углеродных нанотрубок. Тогда не было понятия нанотехнологий, и их называли «червеобразной формой» или «углеродным червяком». Применения в 1952 году новому материалу не нашлось, работы были опубликованы и забыты.
Исследователи из лаборатории новых материалов и технологий ИПМех РАН описывали упругие свойства углеродных нанотрубок: один сотрудник заменял химические связи стерженьками, другой - развивал модель полого цилиндрического стержня. Оказалось, что углеродные нанотрубки тоже могут обладать отрицательным коэффициентом Пуассона, причём, у толстых трубок поведение меняется. Это важно для композитов: одни авторы сообщают об улучшении свойств материалов при добавлении в их состав нанотрубок, другие — об ухудшении, и толщина трубки может быть одной из причин изменения свойств материала, в который они добавляются.
Эксперимент и теория: только вместе
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
В современной науке недостаточно быть только теоретиком или только экспериментатором — нужно совмещать оба подхода.
«Раньше, ещё 30–40 лет назад, надо было выбирать какую-то одну специализацию. В современном мире надо совмещать минимум два направления, надо постоянно совершенствоваться, — подчеркнул Дмитрий Лисовенко. — Наша лаборатория следует принципу: теоретические предсказания всегда подтверждаются численными или натурными экспериментам».
Отличное от привычного поведение материалов-ауксетиков при пробивании навело ученых на мысль об их применении в защитных конструкциях. Уникальность ауксетиков проявилась и в том, что при ударе поражающий элемент почти не проникает внутрь материала — энергия перераспределяется по всей поверхности. Например, человек в бронежилете из ауксетического материала получит не глубокую травму, а большой синяк.
«Удар расходится как волна от брошенного камня, только волна распространяется достаточно широко, а камень внутрь почти не проникает», - поделился Дмитрий Сергеевич.
Стенты, авиалопатки и высокие температуры
Нашлось ауксетикам применение и в медицине. Поскольку материал сильно расширяется при растяжении, из него были сделаны кардиоваскулярные стенты, причём, биодеградируемые или биоразлагаемые.
«Мы не только испытываем формулы, но иногда и работаем дизайнерами, — пошутил Дмитрий Лисовенко. — Прямые элементы шестиугольника заменили на криволинейные синусоидальные. Прототипы изготовили на 5-фемтосекундном лазере, испытания проводили в ванночке при 37 градусах под давлением: стент раскрывался лучше изделия из неауксетических материалов более, чем в два раза, что способствовало ускоренному восстановлению гемодинамики (кровотока)».
Еще одно направление деятельности лаборатории новых материалов и технологий — исследование механических свойств материалов для лопаток турбины от реактивного двигателя, работающих при температуре до 1200 градусов. Построить единую теорию для такого материала нереально: приходится исследовать его поэтапно.
«В изготовлении лопаток развитие шло через несколько поколений: сначала зерновая структура, потом пластинчатая, а сейчас монокристаллы. На монокристалле никелевого жаропрочного сплава исследования показали, что ауксетики действительно по-другому изгибается», - сообщил эксперт.
Задача исследования механического поведения материалов осложняется климатическими условиями нашей страны, где копировать решения иностранных ученых зачастую иррационально.
«У нас перепады от минус 50 до плюс 50, чего нет в других странах. То есть нам надо учитывать и повышенную хрупкость материалов, и экстремально низкие, и очень высокие температуры», — сказал Дмитрий Лисовенко.
Лаборатория новых материалов и технологий знаменита не только работой с отрицательным коэффициентом Пуассона, но и работой с отрицательной ползучести: стержень при растяжении вместо удлинения со временем начинает укорачиваться. Этот эффект показан при температурах вблизи 1000 градусов, а при комнатной температуре не наблюдается.
«Дьявол» кроется в деталях?
«Залечить» трещины в металле? Не вопрос! В современном мире многое изготавливается на 3D-принтерах, и в напечатанных деталях очень много дефектов.
«Берут сталь AISI 316L и обрабатывают высокоэнергетическим электроимпульсом — очень коротким, практически мгновенным», — пояснил Д. Лисовенко. Для стали 316L расчёт показывает необходимость 33 электроимпульсных ударов, причём энергия должна каждый раз возрастать: при малых энергиях залечиваются кончики трещин, затем - более глубокие области, на снимках они маркируются цветом, и в итоге дефект становится более округлым. Необработанные дефекты выглядят при большом увеличении пугающе: с острыми иглами и трещинами, а после обработки проблемные места исчезают».
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
Изготовление протезов и борьба с аневризмой
Ещё одно направление лабораторных работ — биомеханика. Дмитрий Лисовенко развенчал популярный миф: сидеть с ложкой мёда и ждать нормализации кровотока за счет его поедания бесполезно.
«Иногда атеросклеротические бляшки устроены так, что с одной стороны в них заходит кровоток, а с другой они закрыты и открываются только под кровеносным давлением. Питание и регулирование кровотока важны с молодого возраста, но мед не панацея от повышенного холестерина», — сказал он.
Лаборатория новых материалов и технологий рассматривала задачу разрыва брюшной аневризмы с принципиально новых позиций. Если в парадигме классической гидродинамики кровоток изучали как течение воды в жёсткой трубе, теперь исследователи одновременно учитывают и движение крови, и то, что стенки сосуда «дышат», т.е. применяются FSI-модели (Fluid Structure Interaction).
«Это довольно сложно, потому что там разные расчетные сетки, необходимо компьютер настроить для жидкости, для стенки, сопоставить параметры», — отметил Дмитрий Лисовенко. — На 2D-модели смотрели, как меняются динамическая вязкость и давление, затем стали составлять рекомендации для врачей. Наша лаборатория взаимодействует с одним из хирургических центров, но точных универсальных предсказаний по развитию болезни и прогнозам выздоровления дать нельзя — у каждого человека всё индивидуально».
В биомеханике сложно построить универсальную формулу и рассчитать всё теоретически, поэтому ученые используют связку из двух методов. Сначала компьютерные модели подсказывают возможные сценарии, а затем проводятся натурные эксперименты для их проверки.
В лаборатории этот процесс выглядит так: в стеклянную модель сосуда заливают водно-глицериновую жидкость, а её движение подсвечивают «световым ножом» — очень узким плоским лучом. Так исследователи визуализируют, как движется жидкость при аневризме.
Эксперименты показывают критическую роль закреплений. На примере численной модели в зонах, где динамическая вязкость (визуализированная красным цветом) максимальна, кровь почти не течёт. Там начинает скапливаться тромботическая масса. Со временем она накапливается, внутреннее давление растёт, стенка сосуда утончается, что в итоге приводит к разрыву. Главное отличие такой лаборатории от других — она привносит в модель реальные дефекты: учитывает не только вязкость, но и наличие тромбов, а также износ стенки.
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
От биоматериалов до куполов
Дмитрий Сергеевич Лисовенко поднял важную проблему: стандартов по определению механических свойств биоматериалов практически нет.
«В научном мире испытания проводят каждый, как умеет, в зависимости от эксперимента», — отметил он. — В прошлом году было доказано, что для получения точных данных отношение длины образца к его поперечному сечению должно составлять примерно 1 к 5 (как и для обычных конструкционных материалов). Если брать маленькие кубики, значения прочности получаются заниженными. Это имеет прямое практическое значение для протезирования. При осколочных ранениях осколок может войти в мышцы и вынести часть кости. Очень важно, на каких образцах тестировать биоматериалы, чтобы правильно подобрать человеку соответствующий протез».
Одна из задач коллектива физиков ИПМех РАН — поиск формы оптимального купола. Например, дано здание с круглым основанием, на которое нужно поставить купол известной высоты и объёма.
«Конструкция находится под действием собственного веса, и наложено условие прочности: трещины появляться не должны. Требуется найти форму с минимальным весом. Вторая задача усложняется дополнительным условием, учитывающим специфику нашей страны – снеговой нагрузкой. Когда коллеги получили решение, они долго не могли прийти в себя: оказалось, что оптимальный купол — без «мыши» (отверстия в вершине). Этот парадоксальный вывод был опубликован около десяти лет назад в «International Journal of Fracture». Выяснилось, что предки тысячу-две тысячи лет назад уже строили именно такие купола, хотя не обладали современным математическим аппаратом», - заключил Дмитрий Лисовенко.
В финале лекции доктор физико-математических наук привёл два образа, иллюстрирующих единство науки и искусства: благодарность физика Томаса Кинга своему учителю за открытие «прекрасного мира теории упругости анизотропного тела». При работе с реальными кристаллическими материалами понимание анизотропии и симметрии становится ключевым, а также лестницу и картины Морица Эшера, нидерландского художника-графика, апологета симметрии, характерной для кристаллографии.
Нанотрубки в разряде: другой ракурс
Современные исследования углеродных нанотрубок ведутся не только в ИПМех РАН. Свой вклад в эту тему вносит и Лаборатория углеродных наноматериалов Российского нового университета (РосНОУ), где работают ведущий научных сотрудник Вадим Аскерович Вагапов и завлаб Ольга Валентиновна Демичева. Здесь важно сразу оговориться: в РосНОУ не изучают ауксетические свойства материалов и отрицательный коэффициент Пуассона. Здесь в фокусе иное, но не менее перспективное направление — поведение многослойных углеродных нанотрубок в газовом разряде.
Вадим Аскерович и Ольга Валентиновна обнаружили эффект возникновения цилиндрических образований из насыпного слоя многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) марки ДЕАЛТОМ и их последующей стабилизации в середине межэлектродного пространства в условиях барьерного искрового газового разряда атмосферного давления. В экспериментах такие образования могли отрываться от поверхности порошка и «левитировать» между электродами, образуя вместе с искровыми промежутками отдельный вертикальный разрядный столб. При росте тока многочисленные разряды могли вырождаться в одиночный столб с цилиндрическим образованием МУНТ посередине.
Механизм эффекта связывают с необычным сочетанием свойств нанотрубок: высоким контактным сопротивлением в агломератах и низким сопротивлением отдельных МУНТ, их автоэмиссионной способностью, собственной ёмкостью и малой удельной плотностью. Вертикальная стабилизация объясняется отрицательной обратной связью за счёт разности токов «входящего» и «исходящего» разряда, а горизонтальная — действием силы Лоренца — Ампера и, предположительно, поляризацией агломератов с образованием дипольных цепочек. Практический интерес здесь связан с возможностью макро- и микротранспорта нанотрубок в разряде под управлением магнитного поля; дальнейшие исследования должны уточнить поведение эффекта в разных газах, при разных давлениях и в вакууме, а также резонансные явления и взаимодействие плазмы с МУНТ.
Благодаря исследованиям РосНОУ, материаловедческая картина становится шире. Рядом с ауксетиками и метаматериалами с отрицательной ползучестью существуют и другие «неклассические» объекты — например, нанотрубки, которые в газовом разряде ведут себя как управляемые микро- и макроструктуры. Это ещё один пример того, что будущее технологий связано не с копированием природы, а с конструированием новых физических эффектов на микроуровне.
Фото Елены Либрик/портал «Научная Россия»
Вместо послесловия
История, рассказанная Дмитрием Сергеевичем Лисовенко, демонстрирует фундаментальный сдвиг в современной инженерной и фундаментальной науке. Главный закономерный вывод заключается в том, что будущее технологий лежит не в слепом копировании природы, а в осознанном конструировании новых физических законов на микроуровне.
Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона (ауксетики) и метаматериалы с отрицательной ползучестью — это не просто курьезы физики, а инструменты, позволяющие решать задачи, которые вчера считались неразрешимыми. Мы видим, как теоретическая механика напрямую спасает жизни: от биодеградируемых стентов, раскрывающихся вдвое лучше классических, до бронежилетов, превращающих смертельное проникающее ранение в обширный, но неопасный синяк.
При этом доклад Лисовенко убедительно доказывает, что никакая, даже самая совершенная математическая модель не работает в отрыве от реальности. Компьютерные симуляции аневризмы или расчет оптимальной формы купола требуют обязательной верификации натурным экспериментом. Только привнося в модель реальные дефекты — тромботическую массу, микротрещины от 3D-печати или экстремальные перепады температур от минус 50 до плюс 50, свойственные нашей стране, — ученые получают результат, применимый на практике.
Символичным и закономерным итогом становится исторический экскурс: открытие углеродных нанотрубок в 1952 году советскими учеными и интуитивное строительство идеальных куполов без «мыши» нашими предками. Это напоминает о том, что Россия исторически находится на переднем крае материаловедческих открытий.
В конечном счете, рассказ Дмитрия Сергеевича стирает границы между дисциплинами. Физика помогает фармакологии через изучение хиральности, механика объясняет работу кардиостимуляторов, а кристаллография находит общий язык с графикой Эшера. Наука перестает быть набором разрозненных формул и снова становится единым инструментом познания, где асимметрия картины и симметрия кристалла — лишь разные грани одной истины. Главный урок для нового поколения инженеров прост: чтобы двигать прогресс, нужно не бояться нарушать привычные законы, но при этом всегда проверять свои смелые гипотезы строгим языком эксперимента.
При этом важно видеть всю широту материаловедческого поиска: пока в ИПМех РАН развивают ауксетики и метаматериалы, в РосНОУ Ольга Демичева и Вадим Вагапов исследуют нанотрубки в барьерном искровом разряде — направление иное, но не менее перспективное. Общий вывод от этого только усиливается: прорыв рождается там, где теория, эксперимент и неожиданные свойства материалов встречаются вместе.
Автор – Алена Юрченко, фото Елены Либрик/портал «Научная Россия».
На Земле рассвет бывает один раз в сутки. На Международной космической станции за те же 24 часа их около шестнадцати. Причина не в особых часах, а в скорости: станция летит примерно 28 000 км/ч и совершает виток вокруг Земли примерно за 90 минут.
На каждом витке МКС выходит из тени планеты на солнечную сторону, а затем снова уходит в ночь. Если разделить 24 часа на полтора, получится примерно 16 таких циклов — и столько же восходов и закатов. Это не шестнадцать земных суток, а повторяющиеся переходы между светом и тенью за один обычный земной день.
Космонавты не прерывают работу при каждом рассвете: у станции есть расписание, а большую часть смены света можно просто не замечать. Но иногда иллюминатор оказывается обращён к горизонту в нужный момент. Тогда Солнце появляется над тонкой голубой каймой атмосферы, а панели станции ловят первые прямые лучи.
МКС движется так быстро, что с Земли её пролёт по небу обычно занимает считаные минуты. На орбите тот же темп превращает один виток в короткий цикл «день — ночь». Поэтому фотография рассвета с борта — не ежедневная открытка, а удачный взгляд наружу во время работы.
На Земле закат обычно краснеет. На снимке марсохода Curiosity солнце садится за горизонт, а небо вокруг него становится голубоватым. Это не фильтр ради красивого эффекта: так взаимодействует свет с марсианской пылью.
В атмосфере Марса много мелких частиц пыли. В объяснении NASA отмечается, что у самого Солнца пыль рассеивает голубой свет эффективнее, чем красный, поэтому голубые оттенки могут сильнее выделяться в сумерках. Днём та же пыль придаёт небу рыжеватый тон.
Curiosity сделал серию кадров заката 15 апреля 2015 года. Это последовательность снимков, а не мгновенный цветовой «всплеск»: на ней видно, как солнечный диск опускается за марсианский горизонт. Марсоход смотрит на закат с поверхности другой планеты, и знакомое слово «сумерки» там означает совсем другую палитру.
Неприятные запахи — это не просто бытовой дискомфорт, а реальная угроза здоровью миллионов людей. Сероводород и аммиак, образующиеся в процессе транспортировки и очистки сточных вод, вызывают головную боль, тошноту и хронические недомогания. Традиционные биофильтры с опилками и керамзитом снижают интенсивность запахов на 54–60%, а их отработанная загрузка сама становится новой экологической проблемой. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали загрузку для биофильтров из промышленных отходов. Новая технология в 2–2,5 раза эффективнее традиционных материалов (опилок, коры, керамзита) и при этом не создает новых рисков для природы.
Неприятные запахи — это не просто бытовой дискомфорт, а вполне реальная угроза здоровью и качеству жизни миллионов людей. Сероводород и аммиак, источником которых являются производственные и хозяйственно-бытовые сточные воды, вызывают головную боль, тошноту и хронический дискомфорт у населения. Особенно актуальна эта проблема для густонаселенных городов, где очистные сооружения, насосные станции и канализационные коллекторы расположены вблизи жилых кварталов.
Положение усугубляет тот факт, что в сточных водах промышленных предприятий, поступающих в канализацию, содержатся сложные химические соединения, которые делают запах еще более едким и стойким.
Одним из распространенных вариантов борьбы с ними сегодня являются биофильтры. По сути, это огромные емкости, наполненные специальным материалом, на котором живут бактерии. Загрязненный воздух пропускается через емкость, где микроорганизмы используют сероводород и аммиак как питание.
Они живут на поверхности наполнителя, в качестве которого обычно применяют дешевые и доступные материалы: компост, древесные опилки, кору деревьев или керамзит. Однако у таких традиционно используемых загрузочных материалов есть недостатки. Во-первых, невысокая эффективность — опилки и керамзит плохо удерживают бактерии, поэтому ощущение запаха снижается лишь на 54–60%. Во-вторых, недолговечность: органические материалы быстро гниют и слеживаются, требуя постоянной замены. В результате старый наполнитель вывозят на полигоны — так борьба с одной экологической проблемой порождает другую.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали новые загрузочные материалы для биофильтров из отходов, которые в 2–2,5 раза эффективнее традиционных материалов.
— В их основе — остатки пиролиза нефтесодержащих отходов и избыточного активного ила, позволяющие получить загрузку для биофильтров, на 15–23% состоящую из мелкого углеродного порошка (похожего на сажу), с большим количеством пор, содержащих фосфор и микродозы тяжелых металлов, которые естественным образом стимулируют активность бактерий. Получается идеальная среда для микроорганизмов, — рассказала Елена Калинина,доцент кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Однако у исходных остатков пиролиза есть недостаток — они получаются в виде порошка, неудобного для использования в биофильтре. Устранить этот недостаток можно несколькими способами.
Первый — брикетирование. Остатки пиролиза смешивают с цементом и жидким стеклом, а затем спрессовывают под давлением. На выходе получаются прочные брикеты.
Второй — создание синтетическо-углеродного носителя биомассы, когда остатки пиролиза смешивают с измельченными отходами полиэтилена низкого давления — теми самыми пакетами и пленкой, которые уже непригодны для использования. Смесь нагревают, пластик плавится и связывает частицы в единую массу. После остывания ее просеивают, отделяя несвязавшиеся остатки. В итоге получается очень легкий, прочный и пористый материал. На одном грамме такого носителя может поселиться более 6 г бактерий — это в 2,7 раза больше, чем на традиционных аналогах.
Третий способ — модификация керамзита, то есть изменение его состава и свойств. При его производстве в обычную глину добавляют 5–15% остатков пиролиза. Содержащиеся в отходах тяжелые металлы играют роль «плавней»: они снижают температуру вспучивания глины на 80–100°C, что приводит к экономии газа или электричества, затрачиваемых на обжиг. Выгорание содержащегося в остатках пиролиза углерода приводит к формированию в готовых гранулах дополнительных пор, в которых дополнительно закрепляется на 10–15% больше бактерий, чем на керамзите традиционного состава.
— Мы сравнили эффективность снижения интенсивности запахов в биофильтрах с разработанными материалами и традиционной загрузкой — опилками и обычным керамзитом. По аммиаку лучшим оказался синтетическо-углеродный носитель: его эффективность составила 79–82%. Для сравнения: опилки снизили запахи лишь на 60–63%, а обычный керамзит — на 54–57%. По сероводороду более эффективны остатки пиролиза нефтесодержащих отходов — 81–83%, тогда как аналоги показали лишь около 60–63%, — добавила Лариса Рудакова, заведующая кафедрой «Охрана окружающей среды» ПНИПУ, доктор технических наук.
Новая разработка позволяет снизить интенсивность запаха аммиака на 78–97%, а сероводорода — на 65–83% от исходного уровня. Это в 2–2,5 раза эффективнее, чем традиционные загрузки. При использовании разработанных материалов в биофильтрах для очистки загрязненных аммиаком и сероводородом выбросов от различных источников, люди, находящиеся рядом, перестанут чувствовать неприятный запах.
Но чтобы загрузка начала показывать такие результаты, ее недостаточно просто изготовить — нужно заселить бактериями. Поэтому для ускорения этого процесса изготовленные составы либо погружают в аэротенк — специальный резервуар с активным илом, применяемым на очистных сооружениях, либо используют этот же активный ил для орошения загрузочного материала биофильтров. Там в течение 3–5 суток на поверхности материала формируется биопленка. Это плотная колония микроорганизмов, которые буквально прилипают к материалу и начинают на нем жить и размножаться. В качестве питательной среды и орошающей жидкости для этих бактерий можно использовать очищенные сточные воды — с добавлением при необходимости азота и фосфора в строго выверенной пропорции (углерод : азот : фосфор = 100 : 5 : 1). Это делает технологию практически безотходной и снижает затраты на эксплуатацию.
Следовательно, разработка ученых позволяет одновременно решить две экологические проблемы: очистить воздух от неприятных запахов и утилизировать отходы — нефтешламы, избыточный активный ил и потерявший потребительские свойства полиэтилен. Вместо того чтобы размещать эти материалы на полигонах, исследователи предлагают превращать их в эффективную загрузку для биофильтров. Технология уже запатентована и готова к внедрению на очистных сооружениях. Для предприятий это означает снижение экологических платежей и экономию на загрузочных материалах, а для обычных людей — снижение запахов от канализации.
