Наука в приоритете

Космические технологии используются для различных целей, напрямую не связанных с исследованием космоса: разработки новых материалов и конструкций, мониторинга и обработки данных, а также развития цифровых технологий. Как и во многих университетах, в Политехе Петра также работают над внедрением новых технологий в космическую отрасль и запуском собственных спутников.

В частности, при сотрудничестве с «Центром технологических проектов» и «Центром компьютерного инжиниринга» ученые Политеха разработали сверхмалый космический аппарат форм-фактора CubeSat 1U (спутниковая платформа SatPi).

Термином CubeSat обозначаются спутники малого формата. Стандарт 1U, в котором выполнена платформа SatPi, относится к аппаратам, размер которых составляет всего 10×10×10 сантиметров. Не так давно были запущены первые межпланетные кубсаты, которые смогли выполнить задачи в глубоком космосе.

Спутниковая платформа SatPi, разработанная университетом, может применяться как в образовательных, так и в коммерческих целях. Архитектура, представляющая собой крейтовую систему, позволяет комбинировать расположение печатных плат и менять конфигурацию систем кубсата. Это обеспечивает многозадачность, а также экономит место для полезной нагрузки.

Также SatPi оснащен собственной распределенной системой управления и энергоснабжения. Подсистемы кубсата обмениваются данными между собой, и, если одна из них выйдет из строя, другая частично или целиком возьмет на себя ее функционал. Таким образом обеспечивается бесперебойность работы.

Здоровьесбережение — направление на стыке медицины и сквозных технологий, где биомедицинские исследования переходят в биоинженерные технологии. Для решения проблем в области здоровьесбережения объединяется широкий круг специалистов — от врачей до биоинформатиков. При этом особая роль отводится цифровым технологиям в области медицины и фармацевтики, в частности цифровым двойникам платформ для исследований и разработки фармпрепаратов.

Среди наиболее перспективных проектов, которые реализуются в Политехе, — новые подходы для лечения нейродегенеративных заболеваний, полимерные материалы для инженерии тканей и противовирусные вакцины. Однако разработка надежной и эффективной вакцины — это не только работа в лаборатории. После вакцину необходимо запустить в массовое производство, доставить населению и затем оценить ее эффективность.

События последних лет доказали, что этапы, следующие за непосредственной работой ученых, оказываются не менее важны для спасения жизней. О том, как отладить этот многосоставный процесс, задумалась научная группа Высшей школы бизнес-инжиниринга Петербургского Политеха. Результатом их работы стала архитектура инновационной экосистемы по управлению жизненным циклом вакцин. Она включает в себя разработку, производство, поставку и распределение вакцины по медицинским организациям, а также оценку эффективности вакцинации.

Подобная экосистема должна позволить эффективно управлять процессами разработки, производства вакцин и вакцинации населения. Ученые также занимаются разработкой архитектуры цифровой платформы, которая будет поддерживать деятельность такой экосистемы.

В условиях пандемии легко забыть о том, что ковид — лишь одна из многочисленных проблем человечества, которая требует внимания ученых. Так, например, ожидается, что к 2025 году в мире ежегодно будут обнаруживать более 20 миллионов случаев заболевания раком. Пациентам требуются новые подходы в диагностике и терапии онкологических болезней.

Совместно с Новосибирским приборостроительным заводом холдинга «Швабе» Госкорпорации «Ростех» ученые Политеха Петра представили медицинский комплекс «Диатер», использующий ультразвук для удаления новообразований в молочной железе. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), только в 2020 году по всему миру рак груди диагностировали у 2,3 миллиона женщин.

Комплекс предназначен для неинвазивного (то есть не предполагающего хирургического вмешательства) метода лечения опухолей: части тканей отторгаются с помощью фокусированного ультразвука высокой интенсивности. В отличие от хирургического удаления, такая процедура не требует применения общего наркоза и считается более безопасной, поскольку не провоцирует появления новых раковых клеток.

Современная промышленность имеет дело с несколькими магистральными проблемами: низкой производительностью труда, нерациональным использованием ресурсов и высокой долей брака в продукции. Все эти проблемы — или, по крайней мере, большинство из них — можно решить цифровизацией.

Цифровые технологии могут внедряться в различные отрасли: от двигателестроения до проектов по фотонике, наноэлектронике и кибербезопасности. Петербургский Политех поддерживает такие проекты в рамках направления «Цифровая трансформация промышленности». Так, например, научная группа Лаборатории легких материалов и конструкций усовершенствовала способ 3D-печати титановых изделий методом плавящегося электрода, который ранее практически не применялся для этих целей. Научная статья опубликована в журнале Materials.

Печать деталей из титанового сплава быстро развивается в связи с растущим спросом на дешевые высококачественные детали из титанового сплава. Обычно для электродуговой сварки титановых изделий используется метод неплавящегося электрода, который предполагает, что проволока подается «со стороны». Это далеко не самая удобная конфигурация процесса, особенно если речь идет о 3D-печати изделий сложных форм — в отличие от метода плавящегося электрода.

Впрочем, на практике метод плавящегося электрода применяется редко — из-за низкой стабильности процесса при использовании проволоки из титанового сплава. Группе ученых Политеха удалось решить эту проблему, значительно повысив стабильность горения дуги и переноса материала.

Также Петербургский Политех при поддержке компании SIMETRA разработал мультидисциплинарную программу, сочетающую в себе как экономические, так и инженерные дисциплины, — «Экономика и транспортное планирование экосистем». Программа направлена на подготовку специалистов, обладающих компетенциями в сфере транспортного планирования и моделирования, пространственного планирования территорий, управления транспортной инфраструктурой. Специалисты SIMETRA будут обучать студентов вместе с преподавателями университета. В частности, компания отвечает за профессиональные дисциплины «Интеллектуальные транспортные системы» и «Транспортное планирование и моделирование».

Изменение климата и ухудшение экологической обстановки заставляют нас постепенно переходить на чистую энергетику. Сегодня альтернативную или возобновляемую энергию получают из устойчивых источников, таких как солнечная энергия, гидроэнергия и энергия ветра. По всему миру ученые привлекаются к проектам, которые направлены на изучение и создание новых возобновляемых источников энергии.

Один из подходов для получения альтернативной энергии предполагает использование термоэлектрических генераторов — устройств, переводящих тепловую энергию в электрическую. Научная группа Политеха Петра разработала термоэлектрический генератор, который, согласно заявлению университета, по эффективности в десятки раз превосходит имеющиеся на рынке аналоги.

В основе генератора лежит сложная углеродная наноструктура: при нагревании внутри нее происходят квантовые электродинамические процессы, которые запускают термоэлектрическую генерацию. По словам разработчиков устройства, генератор отличается высокой эффективностью: для выработки тока, достаточного для зарядки бытовых приборов, хватает нагрева от системы центрального отопления.

Кроме того, в рамках направления «Чистая энергетика» Политех планирует запуск новых исследовательских подразделений, которые займутся созданием материалов и оборудования для перспективных энергосберегающих технологий: солнечных и тяговых аккумуляторных батарей, электроизоляционных материалов, технологий для атомной промышленности и возобновляемой энергетики.

Один из примеров успехов, уже достигнутых университетом на этом направлении, — недорогой конструкционный материал на основе алюминия, полученный группой исследователей Политеха. Ранее та же группа разработала «умную фольгу» (smart foil) — материал, состоящий из тысяч нанослоев различных металлов, взаимодействующих друг с другом в ходе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Основное преимущество «умной фольги» заключается в способности нагреваться за доли секунды и так же быстро остывать, при этом выделяемое тепло не повреждает скрепляемые элементы. Эта разработка уже используется для сверхбыстрой холодной пайки электроники на российских и китайских предприятиях. А теперь, благодаря созданию цифровой модели процессов, которые сопровождают производство этой технологии, она может получить новые области применения.

Исследователи создали модель роста нанослоев в оборудовании, которое используется для производства «умной фольги», и научились прогнозировать и регулировать итоговые свойства материала. Благодаря этому «умную фольгу» можно будет применять для конструирования космических аппаратов. Кроме того, в ходе исследования выяснилось, что масштабные конструкции, скрепленные с ее помощью, получаются не менее прочными, чем при соединении традиционными методами. Это позволит использовать технологию для строительства быстровозводимых зданий или контейнеров для перевозок.