С «научного» на «человеческий»
НАУКА / #2_2026
Текст: Андрей КОЗЛОВ / Фото: Unsplash
Каждый день в научных журналах по всему миру появляются любопытные исследования, бо́льшую часть которых прочтут только узкие специалисты. Мы хотим, чтобы наши читатели оставались в актуальной научной повестке, поэтому запускаем новую рубрику — обзор свежих научных публикаций. В этом материале мы обсудим новинки дезактивации, возобновляемые источники энергии, молекулярные батарейки, погоду в Арктике и даже моделирование земного ядра на алмазной наковальне.
Ядерная чистка нового поколения
Название статьи: «Экспериментальная верификация ионно-плазменной технологии дезактивации металлоконструкций ядерных энергетических установок».
Источник: журнал «Ядерная физика и инжиниринг».
Авторы: А. С. Петровская, А. Б. Цыганов.
Источник: журнал «Ядерная физика и инжиниринг».
Авторы: А. С. Петровская, А. Б. Цыганов.
Когда срок службы ядерной энергетической установки (ЯЭУ) подходит к концу, оборудование требует проведения определенных процедур, в частности, дезактивации и очистки от внутриконтурных радиоактивных отложений. Обычно в состав этих отложений входят изотопы железа, кобальта, марганца, никеля и ряда других металлов.
Традиционный радиохимический метод дезактивации имеет ряд недостатков: необходимость подбора уникальных параметров раствора и увеличение объемов жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Их либо хранят в специальных больших емкостях, либо перерабатывают, что требует дополнительных ресурсов. До 2049 года «Росатому» предстоит вывести из эксплуатации 15 реакторов типа ВВЭР и 11 реакторов типа РБМК, что обостряет вопрос хранения и переработки жидких ЖРО.
В статье авторы предлагают более эффективный способ дезактивации ЯЭУ — ионно-плазменный метод. При зажигании разряда в инертном газе между дезактивируемой поверхностью и электродом (анодом) происходит испарение радиоактивных отложений. При этом все распыленные вещества осаждаются на анод.
Авторы статьи предлагают два варианта технической реализации метода. Первый: использовать для дезактивации внутренней части трубопровода ЯЭУ небольшую распылительную ячейку, состоящую из систем изоляции, отвода и подвода газа, охлаждения и электрода-коллектора. Она будет двигаться по стенкам установки, что обеспечит их полную очистку в необходимом температурном режиме. Второй вариант — создание полноценной дезактивационной камеры для быстрой работы с большими графитовыми блоками.
Были проведены эксперименты по распылению различных металлических сплавов при образовании аргоновой плазмы. Ученые наблюдали осаждение атомов распыленных металлов на аноде.
Ионно-плазменная технология «сухой» дезактивации ЯЭУ позволит удешевить и ускорить вывод из эксплуатации ядерных объектов. Их дезактивацию можно будет проводить на месте расположения реакторной установки; отсутствие жидких отходов снимает вопрос их долгосрочного хранения и переработки.
Традиционный радиохимический метод дезактивации имеет ряд недостатков: необходимость подбора уникальных параметров раствора и увеличение объемов жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Их либо хранят в специальных больших емкостях, либо перерабатывают, что требует дополнительных ресурсов. До 2049 года «Росатому» предстоит вывести из эксплуатации 15 реакторов типа ВВЭР и 11 реакторов типа РБМК, что обостряет вопрос хранения и переработки жидких ЖРО.
В статье авторы предлагают более эффективный способ дезактивации ЯЭУ — ионно-плазменный метод. При зажигании разряда в инертном газе между дезактивируемой поверхностью и электродом (анодом) происходит испарение радиоактивных отложений. При этом все распыленные вещества осаждаются на анод.
Авторы статьи предлагают два варианта технической реализации метода. Первый: использовать для дезактивации внутренней части трубопровода ЯЭУ небольшую распылительную ячейку, состоящую из систем изоляции, отвода и подвода газа, охлаждения и электрода-коллектора. Она будет двигаться по стенкам установки, что обеспечит их полную очистку в необходимом температурном режиме. Второй вариант — создание полноценной дезактивационной камеры для быстрой работы с большими графитовыми блоками.
Были проведены эксперименты по распылению различных металлических сплавов при образовании аргоновой плазмы. Ученые наблюдали осаждение атомов распыленных металлов на аноде.
Ионно-плазменная технология «сухой» дезактивации ЯЭУ позволит удешевить и ускорить вывод из эксплуатации ядерных объектов. Их дезактивацию можно будет проводить на месте расположения реакторной установки; отсутствие жидких отходов снимает вопрос их долгосрочного хранения и переработки.
Молекула-батарейка
Название статьи: «Молекулярное аккумулирование солнечной тепловой энергии в Dewar-пиримидоне с плотностью выше 1,6 МДж/кг».
Источник: Science.
Авторы: Хан П. К. Нгуен, Александр Дж. Мартенс, Бенджамин А. Бейкер и др.
Источник: Science.
Авторы: Хан П. К. Нгуен, Александр Дж. Мартенс, Бенджамин А. Бейкер и др.
Обычной батарейкой сегодня сложно кого-то удивить. Но что делать, если нужно запасти, а затем по первому требованию извлечь тепловую энергию?
Авторы исследования предлагают использовать систему молекулярного хранения солнечной энергии MOST (MОlecular Solar Thermal energy storage system). Суть ее проста: специальные молекулы поглощают фотоны солнечного света, а затем при необходимости в ходе химической реакции высвобождают накопленную энергию в виде тепла. Эта технология изучалась и ранее, однако долго не получала практического использования.
Вдохновил ученых механизм разрушения ДНК под действием ультрафиолета. Высокоэнергичные фотоны вызывают повреждение молекулы 2‑пиримидона (C4H4N2O). Пиримидон — родственник молекул цитозина, входящих в состав ДНК. При облучении фотонами меньшей энергии образуется изомер Дьюара, который участвует в разрушении механизма репликации ДНК и, как считают ученые, ответствен за возникновение рака. Этот изомер можно возвратить в стабильное состояние при помощи фермента фотолиазы, устраняющего разрушительные последствия облучения ультрафиолетом. Здесь и кроется секрет новой технологии запасания тепловой энергии.
Авторы исследование сделали этот процесс контролируемым и многократно обратимым. Доработав структуру MOST-молекулы на основе пиримидона, ученые добились контролируемого высвобождения энергии и увеличения энергетической плотности — важнейшей характеристики всех энергоносителей. Созданная MOST-молекула в стабильном состоянии подвергается облучению ультрафиолетом, что вызывает ее переход в возбужденное состояние (изомер Дьюара). При добавлении кислоты возбужденная молекула высвобождает энергию в виде тепла.
Как отмечается в работе, MOST-молекулы смогли повторить весь цикл поглощения и высвобождения энергии более 20 раз. Энергетическая плотность «тепловой батарейки» составила рекордные 1,6 МДж/кг — для сравнения, энергетическая плотность двигателя одной из первых комплектаций электрокара Tesla Model 3 составляла примерно 0,6 МДж/кг.
Исследователи продемонстрировали эффективное кипячение воды: 107 мг растворенных и "заряженных" MOST-молекул после добавления кислоты смогли довести до кипения 460 мг воды. До этого похожие системы молекулярного запасания энергии могли нагреть воду лишь на 30−40 °C.
Авторы исследования предлагают использовать систему молекулярного хранения солнечной энергии MOST (MОlecular Solar Thermal energy storage system). Суть ее проста: специальные молекулы поглощают фотоны солнечного света, а затем при необходимости в ходе химической реакции высвобождают накопленную энергию в виде тепла. Эта технология изучалась и ранее, однако долго не получала практического использования.
Вдохновил ученых механизм разрушения ДНК под действием ультрафиолета. Высокоэнергичные фотоны вызывают повреждение молекулы 2‑пиримидона (C4H4N2O). Пиримидон — родственник молекул цитозина, входящих в состав ДНК. При облучении фотонами меньшей энергии образуется изомер Дьюара, который участвует в разрушении механизма репликации ДНК и, как считают ученые, ответствен за возникновение рака. Этот изомер можно возвратить в стабильное состояние при помощи фермента фотолиазы, устраняющего разрушительные последствия облучения ультрафиолетом. Здесь и кроется секрет новой технологии запасания тепловой энергии.
Авторы исследование сделали этот процесс контролируемым и многократно обратимым. Доработав структуру MOST-молекулы на основе пиримидона, ученые добились контролируемого высвобождения энергии и увеличения энергетической плотности — важнейшей характеристики всех энергоносителей. Созданная MOST-молекула в стабильном состоянии подвергается облучению ультрафиолетом, что вызывает ее переход в возбужденное состояние (изомер Дьюара). При добавлении кислоты возбужденная молекула высвобождает энергию в виде тепла.
Как отмечается в работе, MOST-молекулы смогли повторить весь цикл поглощения и высвобождения энергии более 20 раз. Энергетическая плотность «тепловой батарейки» составила рекордные 1,6 МДж/кг — для сравнения, энергетическая плотность двигателя одной из первых комплектаций электрокара Tesla Model 3 составляла примерно 0,6 МДж/кг.
Исследователи продемонстрировали эффективное кипячение воды: 107 мг растворенных и "заряженных" MOST-молекул после добавления кислоты смогли довести до кипения 460 мг воды. До этого похожие системы молекулярного запасания энергии могли нагреть воду лишь на 30−40 °C.
ВИЭ нашли место
Название статьи: «Определение оптимальных мест строительства ветровых и солнечных электростанций в электроэнергетической системе».
Источник: IPolytech Journal.
Авторы: О. Ю. Сигитов, К. В. Суслов.
Источник: IPolytech Journal.
Авторы: О. Ю. Сигитов, К. В. Суслов.
Размещение ветростанций и солнечных станций обусловлено комплексом условий.
Авторы статьи разработали математическую модель для выбора площадки размещения ВЭС и СЭС в зависимости от ряда параметров. Одно из ключевых отличий их модели от прежних разработок — возможность оптимизации не по одному, а сразу по нескольким критериям энерговыработки: базисной мощности, скорости ее изменения и приращению.
В статье рассматриваются шесть потенциальных площадок для размещения ветряков и две — под солнечные панели. Каждая имеет набор отличительных черт: суточная динамика скорости ветра, инсоляция и тип рельефа.
Классические модели стремились максимизировать исключительно выработку электрической энергии для каждой площадки. В свою очередь, авторы статьи показывают: такое решение негативно сказывается на прочих ключевых характеристиках системы. При этом, например, небольшое (на 6 %) сокращение выработки электроэнергии позволяет значительно снизить интенсивность колебаний мощности ВЭС и СЭС. Это решает одну из главных проблем ВИЭ — нестабильность генерации энергии.
Рекомендации авторов исследования позволят планировать создание новых ВЭС и СЭС с учетом энергетических потребностей и условий потребителя.
Авторы статьи разработали математическую модель для выбора площадки размещения ВЭС и СЭС в зависимости от ряда параметров. Одно из ключевых отличий их модели от прежних разработок — возможность оптимизации не по одному, а сразу по нескольким критериям энерговыработки: базисной мощности, скорости ее изменения и приращению.
В статье рассматриваются шесть потенциальных площадок для размещения ветряков и две — под солнечные панели. Каждая имеет набор отличительных черт: суточная динамика скорости ветра, инсоляция и тип рельефа.
Классические модели стремились максимизировать исключительно выработку электрической энергии для каждой площадки. В свою очередь, авторы статьи показывают: такое решение негативно сказывается на прочих ключевых характеристиках системы. При этом, например, небольшое (на 6 %) сокращение выработки электроэнергии позволяет значительно снизить интенсивность колебаний мощности ВЭС и СЭС. Это решает одну из главных проблем ВИЭ — нестабильность генерации энергии.
Рекомендации авторов исследования позволят планировать создание новых ВЭС и СЭС с учетом энергетических потребностей и условий потребителя.
Суровый арктический прогноз
Название статьи: «Новая эра биоклиматических экстремумов в континентальной Арктике».
Источник: Science Advances.
Авторы: Юха Аалто, Матти Камяряйнен, Мика Рантанен и др.
Источник: Science Advances.
Авторы: Юха Аалто, Матти Камяряйнен, Мика Рантанен и др.
Некоторые исследователи полагают, что Арктика — один из наиболее уязвимых к климатическим изменениям регионов: она нагревается в четыре раза сильнее остальной планеты. Десятилетиями ученые изучали этот регион, пытаясь понять, как человек повлиял на местные биологические системы и что их ждет в ближайшем будущем. Авторы статьи уверены: прогноз не сулит ничего хорошего.
Исследования климата затрагивают период с 1950 по 2022 год. Ученые воссоздали изменения погоды в регионе за 72 года на основе наблюдений за 11 показателями: продолжительностью и средней температурой периодов вегетации и зимнего периода, количеством экстремальных погодных событий и рядом других.
Выводы оказались неутешительными: за последние 30 лет частота возникновения экстремальных погодных событий, таких как резкие зимние потепления, засухи, приход волн теплоты и дождь со снегом, сильно выросла. Площадь территории, на которой наблюдались волны тепла, также увеличилась в 3,4 раза; частота снега с дождем — в 1,7 раз; засух — в три раза.
Все эти явления сокращают кормовую базу для местных обитателей: ледяной дождь, замерзая, образует непроницаемую ледяную корку, покрывающую пищу копытных животных; волны тепла застают врасплох обитателей тундры и тайги, не приспособленных к изменению температуры. Наблюдается процесс бореализации — более южные виды занимают территории северных соседей, что обостряет межвидовую конкуренцию.
Наиболее проблемные регионы — Западная Скандинавия, Центральная Сибирь, побережье Гренландии и Канадский Арктический архипелаг. Рост числа погодных аномалий и смена сезонных ритмов в этих землях создают некомфортные условия для их обитателей. Треть территории Арктики столкнулась с невиданными ранее погодными явлениями, что может привести к вымиранию ряда видов флоры и фауны.
Арктика погружается в новую, изменчивую и суровую климатическую эру, и всем ее обитателям предстоит пройти тяжелый путь адаптации к экстремальным погодным условиям, появлению новых видов и исчезновению привычных кормовых баз. Наступает эпоха непредсказуемости и борьбы за выживание.
Исследования климата затрагивают период с 1950 по 2022 год. Ученые воссоздали изменения погоды в регионе за 72 года на основе наблюдений за 11 показателями: продолжительностью и средней температурой периодов вегетации и зимнего периода, количеством экстремальных погодных событий и рядом других.
Выводы оказались неутешительными: за последние 30 лет частота возникновения экстремальных погодных событий, таких как резкие зимние потепления, засухи, приход волн теплоты и дождь со снегом, сильно выросла. Площадь территории, на которой наблюдались волны тепла, также увеличилась в 3,4 раза; частота снега с дождем — в 1,7 раз; засух — в три раза.
Все эти явления сокращают кормовую базу для местных обитателей: ледяной дождь, замерзая, образует непроницаемую ледяную корку, покрывающую пищу копытных животных; волны тепла застают врасплох обитателей тундры и тайги, не приспособленных к изменению температуры. Наблюдается процесс бореализации — более южные виды занимают территории северных соседей, что обостряет межвидовую конкуренцию.
Наиболее проблемные регионы — Западная Скандинавия, Центральная Сибирь, побережье Гренландии и Канадский Арктический архипелаг. Рост числа погодных аномалий и смена сезонных ритмов в этих землях создают некомфортные условия для их обитателей. Треть территории Арктики столкнулась с невиданными ранее погодными явлениями, что может привести к вымиранию ряда видов флоры и фауны.
Арктика погружается в новую, изменчивую и суровую климатическую эру, и всем ее обитателям предстоит пройти тяжелый путь адаптации к экстремальным погодным условиям, появлению новых видов и исчезновению привычных кормовых баз. Наступает эпоха непредсказуемости и борьбы за выживание.
Вода не с неба
Название статьи: «Экспериментальное определение содержания водорода в ядре Земли».
Источник: Nature Communications.
Авторы: Донгянг Хуань, Мотохико Мураками, Стефан Герштль, Кристиан Либске.
Источник: Nature Communications.
Авторы: Донгянг Хуань, Мотохико Мураками, Стефан Герштль, Кристиан Либске.
Вопросы о появлении жизни на Земле неизменно упираются в споры о происхождении воды, ведь именно из нее миллионы лет назад вышли предки современных обитателей суши. Существуют две принципиально разные точки зрения: либо вода была занесена на планету столкнувшимися с ней кометами и астероидами, либо она существовала здесь со времен возникновения единого планетарного тела из космической пыли.
Истина — где-то посередине. Точнее, в ядре Земли — именно в нем стоит искать ответ о происхождении воды. Но до него ученые пока не добрались — значит, необходимо имитировать «ядерные» условия на земной поверхности.
Для этого ученые поместили имитирующий ядро образец металла между двумя дисками из силикатного стекла, отполированными до толщины 10 микрометров (для сравнения: средняя толщина человеческого волоса — порядка 70 микрометров). Диски были зажаты в специальной алмазной наковальне. Образец сжимался до давления в 111 гигапаскалей (в миллионы раз больше атмосферного) и разогревался лазером примерно до 5100 К. Во время нагревания кремний, кислород и водород перемещались из стекла в расплавленный металл и образовывали в нем наноструктуры. После остывания «ядро» измельчили и изучили его состав с помощью атомно-зондовой томографии — точнейшего метода составления «карты» вещества в атомном масштабе.
Оставалось только определить концентрации атомов кремния и водорода в образце. Ранее ученым удалось достаточно точно оценить содержание кремния в земном протоядре. По их оценкам, оно составляло примерно 2−10 % от массы ядра. Из описанного эксперимента стало ясно: в наноструктурах соотношение кремния и водорода одинаково. Теперь можно рассчитать массовую долю водорода в протоядре Земли.
Из описанных расчетов видно: водород составляет примерно 0,07−0,36 % от массы протоядра, что в 9−45 раз больше всех запасов воды на Земле. Это кардинально меняет представления о природе воды на нашей планете: получается, что она, вероятнее всего, возникла на этапе формирования Земли из облака космической пыли, а не была занесена на ее поверхность значительно позже.
Описанный эксперимент не только позволил лучше понять механизм возникновения земной воды, но и заставил геологов иначе взглянуть на физику ядра Земли. Многие явления, например вулканизм, могут получить интересные объяснения в свете новой ядерной модели.
Истина — где-то посередине. Точнее, в ядре Земли — именно в нем стоит искать ответ о происхождении воды. Но до него ученые пока не добрались — значит, необходимо имитировать «ядерные» условия на земной поверхности.
Для этого ученые поместили имитирующий ядро образец металла между двумя дисками из силикатного стекла, отполированными до толщины 10 микрометров (для сравнения: средняя толщина человеческого волоса — порядка 70 микрометров). Диски были зажаты в специальной алмазной наковальне. Образец сжимался до давления в 111 гигапаскалей (в миллионы раз больше атмосферного) и разогревался лазером примерно до 5100 К. Во время нагревания кремний, кислород и водород перемещались из стекла в расплавленный металл и образовывали в нем наноструктуры. После остывания «ядро» измельчили и изучили его состав с помощью атомно-зондовой томографии — точнейшего метода составления «карты» вещества в атомном масштабе.
Оставалось только определить концентрации атомов кремния и водорода в образце. Ранее ученым удалось достаточно точно оценить содержание кремния в земном протоядре. По их оценкам, оно составляло примерно 2−10 % от массы ядра. Из описанного эксперимента стало ясно: в наноструктурах соотношение кремния и водорода одинаково. Теперь можно рассчитать массовую долю водорода в протоядре Земли.
Из описанных расчетов видно: водород составляет примерно 0,07−0,36 % от массы протоядра, что в 9−45 раз больше всех запасов воды на Земле. Это кардинально меняет представления о природе воды на нашей планете: получается, что она, вероятнее всего, возникла на этапе формирования Земли из облака космической пыли, а не была занесена на ее поверхность значительно позже.
Описанный эксперимент не только позволил лучше понять механизм возникновения земной воды, но и заставил геологов иначе взглянуть на физику ядра Земли. Многие явления, например вулканизм, могут получить интересные объяснения в свете новой ядерной модели.
«Озеленять нельзя уравнивать»
Название статьи: «Влияние дифференциации доходов на структуру потребления ВИЭ в странах с разным уровнем экономического развития».
Источник: Journal of Applied Economic Research.
Авторы: Н. Б. Давидсон, М. Д. Сомина, О. С. Мариев.
Источник: Journal of Applied Economic Research.
Авторы: Н. Б. Давидсон, М. Д. Сомина, О. С. Мариев.
Авторы статьи исследуют природу влияния экономического неравенства на потребление энергии из ВИЭ — согласно их гипотезе, значительная дифференциация доходов населения в стране приводит к замедлению темпов внедрения новых источников энергии.
Ученые проанализировали данные из 160 стран с 2000 по 2022 год. Рассматриваются несколько основных характеристик населения: неравенство доходов, ВВП на душу населения, открытость торговли, развитие человеческого потенциала и коррупцию. Страны разделены на три категории: развитые, развивающиеся и с переходной экономикой.
В качестве метрики экономического неравенства были взяты показатели доли доходов, приходящихся на 1 % и 10 % самых богатых представителей населения, а также классический индекс Джини.
Результат исследования однозначен: чем выше уровень экономического неравенства в обществе, тем меньше доля ВИЭ в энергобалансе страны. Более того, развитые страны наиболее уязвимы к влиянию неравенства на потребление «зеленой» энергии.
Важнейшая метрика экономического неравенства — показатель доли доходов, приходящихся на самый богатый 1 % населения; именно этот процент людей оказывает самое большое влияние на замедление внедрения новых источников энергии. Нередко представители этой группы участвуют в добыче и реализации полезных ископаемых. Тогда открытость торговли может сдерживать внедрение ВИЭ, если страна экспортирует в основном невозобновляемые источники энергии.
Авторы также отмечают важность борьбы с коррупцией: наиболее чувствительны к последней страны с переходной экономикой. В них коррупция становится серьезным препятствием на пути устойчивого экономического развития и внедрения новых энергетических инициатив.
Ученые проанализировали данные из 160 стран с 2000 по 2022 год. Рассматриваются несколько основных характеристик населения: неравенство доходов, ВВП на душу населения, открытость торговли, развитие человеческого потенциала и коррупцию. Страны разделены на три категории: развитые, развивающиеся и с переходной экономикой.
В качестве метрики экономического неравенства были взяты показатели доли доходов, приходящихся на 1 % и 10 % самых богатых представителей населения, а также классический индекс Джини.
Результат исследования однозначен: чем выше уровень экономического неравенства в обществе, тем меньше доля ВИЭ в энергобалансе страны. Более того, развитые страны наиболее уязвимы к влиянию неравенства на потребление «зеленой» энергии.
Важнейшая метрика экономического неравенства — показатель доли доходов, приходящихся на самый богатый 1 % населения; именно этот процент людей оказывает самое большое влияние на замедление внедрения новых источников энергии. Нередко представители этой группы участвуют в добыче и реализации полезных ископаемых. Тогда открытость торговли может сдерживать внедрение ВИЭ, если страна экспортирует в основном невозобновляемые источники энергии.
Авторы также отмечают важность борьбы с коррупцией: наиболее чувствительны к последней страны с переходной экономикой. В них коррупция становится серьезным препятствием на пути устойчивого экономического развития и внедрения новых энергетических инициатив.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ