НАУКА / #8_2026
Главные научные новинки
Текст: Андрей КОЗЛОВ
«НАЭ» не терял времени — он внимательно следил за свежими научными публикациями в ведущих журналах. Сегодня мы расскажем о заре киберпанка в медицине, убедимся в том, что физическая картина мира вновь не рухнула, подумаем, как креативно замкнуть ядерный топливный цикл, заглянем в Арктику и оценим уровень внедрения «зеленых технологий» в планетарном масштабе.
Пьезоэлектрика внутри нас
Название: "Биоразлагаемые пьезоэлектрические материалы: энергия для будущего биоэлектронной медицины" / Biodegradable Piezoelectric Materials: Powering the Future of Bioelectronic Medicine.
Авторы: Zijian Wang, Changxu Chen, Hongyu Meng и др.
Источник: Advanced Functional Materials.
Авторы: Zijian Wang, Changxu Chen, Hongyu Meng и др.
Источник: Advanced Functional Materials.
Пьезоэлектрический эффект — это поляризация диэлектрика вследствие механических деформаций (между частями деформируемого тела из-за изменений его внутренней структуры возникает электрическое напряжение). Этот эффект был открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году и сегодня широко используется в промышленности и быту, например, во вращающемся элементе зажигалок, увлажнителях воздуха, микрофонах. Врачи стремятся внедрить пьезоэлектронику в современные методы лечения и восстановления пациентов.
Авторы статьи анализируют пьезоэлектрические технологии, обсуждают перспективы их развития и применения в медицине. Одна из ключевых проблем — биосовместимость, биоразлагаемость и нетоксичность используемых материалов. Классические эффективные пьезоматериалы, такие как PZT-керамика и PVDF (поливинилиденфторид и фторопласт‑2), не отвечают этим требованиям.
Но пьезоэлектрический эффект наблюдается и в органических соединениях: в статье рассматриваются аминокислоты, белки, пептиды, полисахариды и гидрогели. Пьезоматериал на основе кристаллов глицина не уступает в характеристиках неорганическим аналогам и при этом способен разлагаться на нетоксичные аминокислоты в течение нескольких недель. Ученые создали и испытали ультразвуковой преобразователь на основе кристаллов глицина в PCL (поликапролактоне) на мышах с глиобластомой — опухолью мозга. Ультразвук позволил повысить проницаемость гематоэнцефалического барьера, что привело к увеличению продолжительности жизни мышей примерно в два раза.
Другой интересный материал — PLLA (поли-L-молочная кислота); ее активно применяют для омоложения кожи. Пьезоматериалы на основе PLLA уступают кристаллам аминокислот в пьезохарактеристиках, но легче формируются в наноструктуры. PLLA уже использовался для доставки лекарств в мозг, в качестве стимулятора регенерации седалищного нерва и для устранения дефекта черепа при помощи стволовых клеток. Один из ключевых элементов фабрикации такого материала в теле пациента — электроспиннинг, «вытягивание» полимера из тонкой иглы при помощи электрического поля. Такой подход позволяет выстроить структуру волокон и улучшить их пьезоэлектрические характеристики.
Сегодняшнее состояние пьезоимплантов — шаткий компромисс между эффективностью и биосовместимостью устройств. Многие аспекты, такие как контролируемая разрушаемость и пьезоэффективность, требуют серьезных улучшений и тестирований на пациентах. Преодоление всех инженерных ограничений позволит создать революционный инструмент для медицинской диагностики и лечения сложных заболеваний.
Авторы статьи анализируют пьезоэлектрические технологии, обсуждают перспективы их развития и применения в медицине. Одна из ключевых проблем — биосовместимость, биоразлагаемость и нетоксичность используемых материалов. Классические эффективные пьезоматериалы, такие как PZT-керамика и PVDF (поливинилиденфторид и фторопласт‑2), не отвечают этим требованиям.
Но пьезоэлектрический эффект наблюдается и в органических соединениях: в статье рассматриваются аминокислоты, белки, пептиды, полисахариды и гидрогели. Пьезоматериал на основе кристаллов глицина не уступает в характеристиках неорганическим аналогам и при этом способен разлагаться на нетоксичные аминокислоты в течение нескольких недель. Ученые создали и испытали ультразвуковой преобразователь на основе кристаллов глицина в PCL (поликапролактоне) на мышах с глиобластомой — опухолью мозга. Ультразвук позволил повысить проницаемость гематоэнцефалического барьера, что привело к увеличению продолжительности жизни мышей примерно в два раза.
Другой интересный материал — PLLA (поли-L-молочная кислота); ее активно применяют для омоложения кожи. Пьезоматериалы на основе PLLA уступают кристаллам аминокислот в пьезохарактеристиках, но легче формируются в наноструктуры. PLLA уже использовался для доставки лекарств в мозг, в качестве стимулятора регенерации седалищного нерва и для устранения дефекта черепа при помощи стволовых клеток. Один из ключевых элементов фабрикации такого материала в теле пациента — электроспиннинг, «вытягивание» полимера из тонкой иглы при помощи электрического поля. Такой подход позволяет выстроить структуру волокон и улучшить их пьезоэлектрические характеристики.
Сегодняшнее состояние пьезоимплантов — шаткий компромисс между эффективностью и биосовместимостью устройств. Многие аспекты, такие как контролируемая разрушаемость и пьезоэффективность, требуют серьезных улучшений и тестирований на пациентах. Преодоление всех инженерных ограничений позволит создать революционный инструмент для медицинской диагностики и лечения сложных заболеваний.
Взвесить W и спасти теорию
Название: "Высокоточное измерение массы W-бозона в эксперименте CM" / High-precision Measurement of the W Boson Mass with the CMS Experiment.
Авторы: The CMS (Compact Muon Solenoid) Collaboration.
Источник: Nature.
Авторы: The CMS (Compact Muon Solenoid) Collaboration.
Источник: Nature.
Большой адронный коллайдер (БАК) — один из ключевых инструментов «новой физики», используемый для подтверждения самых смелых гипотез. В 2022 году представители международной коллаборации CDF опубликовали расчет массы W-бозона — частицы — переносчика слабого взаимодействия. Расчетное значение сильно отличалось от предсказания Стандартной модели — теории, главенствующей сегодня в физике частиц, — и возникла необходимость проверки результатов экспериментов. Потенциальное расхождение в массе грозило открытием новых, незарегистрированных частиц и уточнением фундаментальных констант.
В статье коллаборация CMS исследует протон-протонные столкновения при энергии 13 ТэВ, инициированные в 2016 году. Ключевые особенности рассматриваемой работы — колоссальная выборка из 117 млн событий распада W-бозона на лептон (электрон, мюон, тау-лептон) и нейтрино, а также новая стратегия с учетом множества экспериментальных неопределенностей. При используемом методе детектирования поймать нейтрино невозможно: оно почти не взаимодействует с веществом детектора, поэтому основная работа сосредоточилась на регистрации импульсов мюонов.
Главным экспериментальным достижением стала точнейшая калибровка детектора мюонных импульсов: были учтены магнитные поля детектора, его материал и положение каждого датчика. Малейшая ошибка на каждом шаге означала бы дополнительное расхождение в измерении массы W-бозона. Детектор калибровался по распаду джей-пси-мезона и Z-бозона, масса которого известна с точностью до миллионных долей. При предварительном моделировании столкновений учитывалось распределение кварков внутри протонов, ошибки параметризовались 4000 параметрами отклонения.
В результате анализа CMS получил самую точную на сегодня оценку массы W-бозона: 80 360,2 ± 9,9 МэВ — это значение укладывается в Стандартную модель. Не менее важное достижение коллаборации — новая модель анализа данных. Она показала, что точность определения неизвестных масс повышается не только объемом накопленной статистики, но и учетом тонких физических процессов при реконструкции отдельных событий.
В статье коллаборация CMS исследует протон-протонные столкновения при энергии 13 ТэВ, инициированные в 2016 году. Ключевые особенности рассматриваемой работы — колоссальная выборка из 117 млн событий распада W-бозона на лептон (электрон, мюон, тау-лептон) и нейтрино, а также новая стратегия с учетом множества экспериментальных неопределенностей. При используемом методе детектирования поймать нейтрино невозможно: оно почти не взаимодействует с веществом детектора, поэтому основная работа сосредоточилась на регистрации импульсов мюонов.
Главным экспериментальным достижением стала точнейшая калибровка детектора мюонных импульсов: были учтены магнитные поля детектора, его материал и положение каждого датчика. Малейшая ошибка на каждом шаге означала бы дополнительное расхождение в измерении массы W-бозона. Детектор калибровался по распаду джей-пси-мезона и Z-бозона, масса которого известна с точностью до миллионных долей. При предварительном моделировании столкновений учитывалось распределение кварков внутри протонов, ошибки параметризовались 4000 параметрами отклонения.
В результате анализа CMS получил самую точную на сегодня оценку массы W-бозона: 80 360,2 ± 9,9 МэВ — это значение укладывается в Стандартную модель. Не менее важное достижение коллаборации — новая модель анализа данных. Она показала, что точность определения неизвестных масс повышается не только объемом накопленной статистики, но и учетом тонких физических процессов при реконструкции отдельных событий.
Субкритическое замыкание
Название: «Интеграция технологий водо-водяных реакторов и подкритических систем с внешним источником нейтронов в рамках трехэтапной стратегии замкнутого ядерного топливного цикла» / Integrating PWR and ADS Technologies within a Three-stage Closed Nuclear Fuel Cycle Strategy.
Авторы: Matheus H. S. Araújo, Graiciany Barros, Geovana Cruz и др.
Источник: Annals of Nuclear Energy.
Авторы: Matheus H. S. Araújo, Graiciany Barros, Geovana Cruz и др.
Источник: Annals of Nuclear Energy.
Замыкание ядерного топливного цикла — одна из важнейших задач глобальной атомной отрасли. Традиционное решение — использование быстрых реакторов для дожигания отработавшего ядерного топлива. Авторы статьи предлагают иной экспериментальный вариант замыкания топливного цикла.
ADS (Accelerator-Driven System), или субкритический реактор, управляемый ускорителем, — установка, в которой деление топлива запускается при помощи ускорителя частиц. Высокоэнергичные частицы ускорителя сталкиваются с частицами мишени внутри ADS, в результате чего рождаются нейтроны и начинается реакция деления топлива. Реакция остановится, если ускоритель прекратит работу. Реакторы могут работать с торием. Также в них можно дожигать высокоактивные минорные актиниды (например, кюрий и америций).
Авторы статьи разбили моделирование предложенного ими цикла на три основных этапа. Вначале происходит выгорание стандартного уранового топлива в PWR-реакторе мощностью 3411 МВт в течение двух циклов; после окончания первого часть сборок переставляется, добавляются новые с большим процентом обогащения. По окончании второго цикла топливо отправляется в бассейн выдержки на пять лет. Затем его перерабатывают по технологии UREX+: из ОЯТ извлекаются минорные актиниды без плутония.
На втором этапе цикла переработанное топливо смешивают с оксидом тория ThO2, дабы уменьшить коэффициент размножения нейтронов и держать реактор в подкритической области. Здесь и появляется ADS: смешанное топливо погружается в его активную зону вместе с со стержнями на основе чистого оксида тория. Всего в модели ADS использовались 156 топливных стержней: 36 — с переработанным топливом и 120 — с чистым торием. Облучение в таком режиме происходит в течение 10 лет, после чего еще пять лет занимает охлаждение отработавших стержней. В результате реакций деления происходит выгорание минорных актинидов, а 232Th превращается в 233U.
На третьем этапе охлажденные стержни возвращаются в контур PWR и используются вместе с обычным урановым топливом. В расчетах авторы статьи заменили 16 урановых сборок обогащением 3,1% на новые «ториевые" — при такой загрузке PWR получил эффективный коэффициент размножения нейтронов около 0,9929 — близкий к референсному значению со свежим урановым топливом.
Интересен экономический эффект такого замыкания. Основываясь на стандартных значениях стоимости топлива, эффективности переработки и работы ADS, авторы приходят к экономии до $ 5,12 млн на одной загрузке PWR. Впрочем, стоит учитывать, что исследование показывает лишь нейтронно-физическую возможность реализации подобного замыкания — реальное воплощение потребует перерасчетов и доработки имеющихся концепций.
ADS (Accelerator-Driven System), или субкритический реактор, управляемый ускорителем, — установка, в которой деление топлива запускается при помощи ускорителя частиц. Высокоэнергичные частицы ускорителя сталкиваются с частицами мишени внутри ADS, в результате чего рождаются нейтроны и начинается реакция деления топлива. Реакция остановится, если ускоритель прекратит работу. Реакторы могут работать с торием. Также в них можно дожигать высокоактивные минорные актиниды (например, кюрий и америций).
Авторы статьи разбили моделирование предложенного ими цикла на три основных этапа. Вначале происходит выгорание стандартного уранового топлива в PWR-реакторе мощностью 3411 МВт в течение двух циклов; после окончания первого часть сборок переставляется, добавляются новые с большим процентом обогащения. По окончании второго цикла топливо отправляется в бассейн выдержки на пять лет. Затем его перерабатывают по технологии UREX+: из ОЯТ извлекаются минорные актиниды без плутония.
На втором этапе цикла переработанное топливо смешивают с оксидом тория ThO2, дабы уменьшить коэффициент размножения нейтронов и держать реактор в подкритической области. Здесь и появляется ADS: смешанное топливо погружается в его активную зону вместе с со стержнями на основе чистого оксида тория. Всего в модели ADS использовались 156 топливных стержней: 36 — с переработанным топливом и 120 — с чистым торием. Облучение в таком режиме происходит в течение 10 лет, после чего еще пять лет занимает охлаждение отработавших стержней. В результате реакций деления происходит выгорание минорных актинидов, а 232Th превращается в 233U.
На третьем этапе охлажденные стержни возвращаются в контур PWR и используются вместе с обычным урановым топливом. В расчетах авторы статьи заменили 16 урановых сборок обогащением 3,1% на новые «ториевые" — при такой загрузке PWR получил эффективный коэффициент размножения нейтронов около 0,9929 — близкий к референсному значению со свежим урановым топливом.
Интересен экономический эффект такого замыкания. Основываясь на стандартных значениях стоимости топлива, эффективности переработки и работы ADS, авторы приходят к экономии до $ 5,12 млн на одной загрузке PWR. Впрочем, стоит учитывать, что исследование показывает лишь нейтронно-физическую возможность реализации подобного замыкания — реальное воплощение потребует перерасчетов и доработки имеющихся концепций.
Северная энергия
Название: «О роли энергетического комплекса Арктики в достижении стратегических целей развития экономики России».
Авторы: В. Логинов, Н. Швец, Е. Фонарева.
Источник: «Энергетическая политика».
Авторы: В. Логинов, Н. Швец, Е. Фонарева.
Источник: «Энергетическая политика».
Современная Арктика — международная площадка для развития новых технологий, добычи ресурсов и реализации политических амбиций ряда крупных стран. 73% запасов арктического газа и 45% запасов нефти находятся на территории России, что определяет важнейшую роль этого региона в экономическом развитии страны. Авторы статьи пытаются заглянуть в будущее российской Арктики.
По их мнению, вектор долгосрочного развития экономики региона будут определять энергоресурсы. Один из крупных проектов — "Ямал СПГ", доказавший возможность объединения процессов добычи, сжижения и транспортировки газа в рамках одной производственной системы. Другие крупные драйверы — "Арктик СПГ 2″ и проект «Восток Ойл». Все они формируют инфраструктурную базу региона, создавая потребность в электроснабжении, развитии судоходства, и в частности Северного морского пути (СМП).
Углеводородная энергетика не сможет покрыть потребность региона в электроснабжении: уже сегодня в отдельных районах Чукотки стоимость электроэнергии достигает порядка 100 руб. за 1 кВт·ч, а в удаленных районах Якутии может превышать 1000 руб. за 1 кВт·ч. Здесь авторы статьи видят перспективы развертывания атомных станций малой мощности (АСММ) для энергоснабжения поселений и крупных предприятий. Планируются создание нескольких АСММ мощностью 400 МВт, строительство модернизированных плавучих энергоблоков для энергообеспечения Баимского ГОКа, а также создание АСММ с установкой РИТМ‑200 в Якутии для освоения месторождений Кючус, Депутатское и Тирехтях.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — вспомогательные участники энергосистемы региона. Общая мощность гибридных комплексов, объединяющих работу дизельных генераторов и ВИЭ, в Якутии — 13,7 МВт. Холодный климат региона влияет на эффективность солнечных батарей: при 0 °C их КПД увеличивается на 10% в сравнении с температурой 20 °C. Впрочем, авторы статьи считают, что в ближайшее время ВИЭ не смогут полностью заменить дизельные источники энергии в регионе.
Важнейший стимул развития Арктики — Северный морской путь, подчеркивают авторы. Он сокращает маршрут между Европой и Азией на 30−40%. Активное освоение региона и развитие международной торговли требуют дополнительных вложений в арктическую инфраструктуру, в частности, интенсивного развития атомного ледокольного флота, торговых терминалов, трубопроводов, систем связи и газоснабжения.
Серьезные факторы риска — климатические изменения и деградация вечной мерзлоты. Согласно приведенным оценкам, к 2050 году в циркумполярных регионах деградации могут подвергнуться 30−50% критически важной инфраструктуры. Для России совокупный ущерб от разрушения мерзлотных оснований может достигнуть 7 трлн руб., причем 29% потерь будет связано с уменьшением добычи углеводородов. В связи с этим регион остро нуждается в природоохранных проектах федерального масштаба, увеличении «зеленых» инвестиций и качественном экологическом мониторинге.
По их мнению, вектор долгосрочного развития экономики региона будут определять энергоресурсы. Один из крупных проектов — "Ямал СПГ", доказавший возможность объединения процессов добычи, сжижения и транспортировки газа в рамках одной производственной системы. Другие крупные драйверы — "Арктик СПГ 2″ и проект «Восток Ойл». Все они формируют инфраструктурную базу региона, создавая потребность в электроснабжении, развитии судоходства, и в частности Северного морского пути (СМП).
Углеводородная энергетика не сможет покрыть потребность региона в электроснабжении: уже сегодня в отдельных районах Чукотки стоимость электроэнергии достигает порядка 100 руб. за 1 кВт·ч, а в удаленных районах Якутии может превышать 1000 руб. за 1 кВт·ч. Здесь авторы статьи видят перспективы развертывания атомных станций малой мощности (АСММ) для энергоснабжения поселений и крупных предприятий. Планируются создание нескольких АСММ мощностью 400 МВт, строительство модернизированных плавучих энергоблоков для энергообеспечения Баимского ГОКа, а также создание АСММ с установкой РИТМ‑200 в Якутии для освоения месторождений Кючус, Депутатское и Тирехтях.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) — вспомогательные участники энергосистемы региона. Общая мощность гибридных комплексов, объединяющих работу дизельных генераторов и ВИЭ, в Якутии — 13,7 МВт. Холодный климат региона влияет на эффективность солнечных батарей: при 0 °C их КПД увеличивается на 10% в сравнении с температурой 20 °C. Впрочем, авторы статьи считают, что в ближайшее время ВИЭ не смогут полностью заменить дизельные источники энергии в регионе.
Важнейший стимул развития Арктики — Северный морской путь, подчеркивают авторы. Он сокращает маршрут между Европой и Азией на 30−40%. Активное освоение региона и развитие международной торговли требуют дополнительных вложений в арктическую инфраструктуру, в частности, интенсивного развития атомного ледокольного флота, торговых терминалов, трубопроводов, систем связи и газоснабжения.
Серьезные факторы риска — климатические изменения и деградация вечной мерзлоты. Согласно приведенным оценкам, к 2050 году в циркумполярных регионах деградации могут подвергнуться 30−50% критически важной инфраструктуры. Для России совокупный ущерб от разрушения мерзлотных оснований может достигнуть 7 трлн руб., причем 29% потерь будет связано с уменьшением добычи углеводородов. В связи с этим регион остро нуждается в природоохранных проектах федерального масштаба, увеличении «зеленых» инвестиций и качественном экологическом мониторинге.
«Зеленые» деньги
Название: «Влияние „зеленой“ финансовой и денежно-кредитной политики на переход к низкоуглеродной энергетике: глобальные эмпирические данные» / The Impact of Green Financial and Monetary Policy on the Low-Carbon Energy Transition: Global Empirical Evidence.
Автор: Lukas Rischen.
Источник: Energy Economics.
Автор: Lukas Rischen.
Источник: Energy Economics.
Глобальный переход на "зеленые" источники энергии — крайне дорогостоящая задача. По оценкам Международного энергетического агентства, для выполнения обязательства утроить мировые мощности ВИЭ к 2030 году мировая энергетика должна получать на $ 400 млрд больше, чем сейчас. В связи с этим для «зеленого перехода» особенно чувствительны меры экономической поддержки, стоимость и доступность кредита.
Автор исследования изучает влияние финансовых инструментов на внедрение ВИЭ в мировую энергосистему. В более ранних работах уже наблюдался эффект влияния финансовой политики на темпы внедрения ВИЭ. Например, стоимость капитала в 3% позволяла обеспечить 40% долю ВИЭ в оптимальном энергобалансе страны, тогда как при стоимости 15% доля ВИЭ стремилась к нулю. Для того чтобы установить более прозрачную связь, ученый использует данные 26 стран в 2000−2023 годах. На их долю приходится около 75% мировых выбросов и 82% мирового ВВП.
Формируется индекс GFMP, отражающий накопленный объем «зеленых» финансовых и денежных политик. При принятии новой меры значение индекса для соответствующей страны увеличивается. Таким образом, индекс учитывает не только текущую политику, но и накопленный запас ранее введенных инструментов. Помимо этого, для анализа используются дополнительные характеристики, такие как доля производства электроэнергии из ископаемого топлива, доля ВИЭ в генерации, количество климатических выступлений руководителей центральных банков. Для проверки теории на устойчивость автор последовательно использует при оценке ее эффективности различные наборы признаков.
Результаты анализа показали: принятие одной дополнительной меры GFMP связано в среднем с увеличением мощности ВИЭ на 0,016 ГВт на миллион жителей. Для средней страны из выборки это соответствует сокращению примерно 4,89 млн тонн выбросов CO2 в год при замещении ископаемого топлива. При этом статистически значимого снижения производства электроэнергии из ископаемого топлива автор не обнаруживает. Следовательно, финансовая политика преимущественно помогает наращивать чистую генерацию, но не обязательно приводит к закрытию угольных и газовых мощностей. Иными словами, она расширяет низкоуглеродный сектор, однако не гарантирует вытеснения традиционной энергетики.
Автор исследования изучает влияние финансовых инструментов на внедрение ВИЭ в мировую энергосистему. В более ранних работах уже наблюдался эффект влияния финансовой политики на темпы внедрения ВИЭ. Например, стоимость капитала в 3% позволяла обеспечить 40% долю ВИЭ в оптимальном энергобалансе страны, тогда как при стоимости 15% доля ВИЭ стремилась к нулю. Для того чтобы установить более прозрачную связь, ученый использует данные 26 стран в 2000−2023 годах. На их долю приходится около 75% мировых выбросов и 82% мирового ВВП.
Формируется индекс GFMP, отражающий накопленный объем «зеленых» финансовых и денежных политик. При принятии новой меры значение индекса для соответствующей страны увеличивается. Таким образом, индекс учитывает не только текущую политику, но и накопленный запас ранее введенных инструментов. Помимо этого, для анализа используются дополнительные характеристики, такие как доля производства электроэнергии из ископаемого топлива, доля ВИЭ в генерации, количество климатических выступлений руководителей центральных банков. Для проверки теории на устойчивость автор последовательно использует при оценке ее эффективности различные наборы признаков.
Результаты анализа показали: принятие одной дополнительной меры GFMP связано в среднем с увеличением мощности ВИЭ на 0,016 ГВт на миллион жителей. Для средней страны из выборки это соответствует сокращению примерно 4,89 млн тонн выбросов CO2 в год при замещении ископаемого топлива. При этом статистически значимого снижения производства электроэнергии из ископаемого топлива автор не обнаруживает. Следовательно, финансовая политика преимущественно помогает наращивать чистую генерацию, но не обязательно приводит к закрытию угольных и газовых мощностей. Иными словами, она расширяет низкоуглеродный сектор, однако не гарантирует вытеснения традиционной энергетики.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ