Размышления о российской науке
Почему российская наука по многим показателям по-прежнему недостаточно эффективна
Валерий Половинкин, Независимая газета
День российской науки, который отмечается 8 февраля, в этом году прошел в 23-й раз. В РФ насчитывается более 3,5 тыс. организаций, занимающихся научными разработками и исследованиями, среди которых научно-исследовательские институты, вузы, предприятия.
Успеть в шестой уклад
Сегодня происходит стремительная переоценка роли науки в развитии человечества. Роль науки в современном обществе изменяется кардинальным образом. Этот фактор оказывает существенное влияние на все стороны жизни: политику, экономику, социальную сферу, образование, культуру и т.д. Более того, в современных условиях наука и практика, как никогда ранее, стремительно сближаются.
Современная наука охватывает огромную область знаний. Она включает около 15 тыс. дисциплин, которые все более тесно взаимодействуют и оказывают влияние друг на друга. Практически все исследуемые сегодня явления носят междисциплинарный характер. Современные нанотехнологии вообще стирают грань между живой и неживой природой.
В последние годы расходы бюджета на российскую науку постоянно растут, однако по многим показателям она по-прежнему остается недостаточно эффективной. Так, по числу патентных заявок Россия уступает США почти в 16 раз, а Китаю – в 38 раз. Отечественное финансирование в этой области также по-прежнему отстает от уровня развитых стран. По объему относительных затрат на науку (1,1% ВВП) Россия находится на 34-м месте, по индикатору внутренних затрат на исследования и разработки в расчете на одного исследователя позиция еще более критичная – 47-е место (93 тыс. долл.).
Дальнейшие прекраснодушные рассуждения заслуженного кораблестроителя можно не читать: при таком финансировании Россия никогда не встанет ото сна – ВМ.
Сегодня специалисты говорят о том, что уже наступил новый, шестой технологический уклад, основанный на применении киберфизических и биомеханических систем. Основными направлениями стали биотехнологии, основанные на достижениях молекулярной биологии и генной инженерии, нанотехнологии, системы искусственного интеллекта, глобальные информационные сети и интегрированные высокоскоростные транспортные системы.
Заметный вклад внесен в математические основы квантовой теории, квантовой статистики, квантовой механики и теории квантовой информации.
На этом фоне специалисты называют ряд проблем дальнейшего развития отечественной науки: финансовые трудности; неправильная мотивация, побуждаемая ложными идеями и целями; невостребованность и невоспроизводимость результатов как фундаментальных, так и прикладных исследований.
Премьер-министр РФ Михаил Мишустин утвердил программу отечественных фундаментальных научных исследований до 2030 года. Новая программа будет финансироваться в том числе по линии госпрограмм «Научно-технологическое развитие России» и «Развитие здравоохранения». Общий объем финансирования превышает 2,1 трлн руб. Программа фундаментальных научных исследований разработана Российской академией наук при участии министерств и ведущих научных организаций страны.
Основные задачи программы – развитие интеллектуального потенциала российской науки, создание эффективной системы управления научными исследованиями для повышения их значимости и востребованности для экономики. Речь в первую очередь идет об аналитических и прогнозных исследованиях, которые должны усовершенствовать систему стратегического планирования, обеспечить конкурентоспособность и научное лидерство РФ. Кроме того, программа ориентирована на проекты, связанные с крупными научными установками и объектами, развитие компьютерных и нанотехнологий, клинической и профилактической медицины и т.д.
К числу перспективных относятся исследования, направленные на реализацию многоэлементных структур на основе когерентных систем (сверхпроводящих квантовых битов-кубитов) для создания связанных цепочек и массивов кубитов, моделирующих молекулярные структуры, спиновую динамику, другие динамические процессы в сильно коррелированных электронных системах. Эти работы будут проводиться в отношении квантовой макрофизики, мезоскопии, физики наноструктур, спинтроники, фотоники, плазмоники, сверхпроводимости (высокотемпературной и низкотемпературной), акустоэлектроники, релятивистской СВЧ-электроники больших мощностей, физики мощных пучков заряженных частиц, рентгеновской оптики для источников синхротронного излучения, лазеров на свободных электронах и нейтронной оптики.
Настоятельно требуется проведение фундаментальных исследований в области архитектуры, системных решений, программного обеспечения, стандартизации и информационной безопасности информационно-вычислительных комплексов и сетей новых поколений, системного программирования для создания новых принципов программных средств следующего поколения и методологии автоматизированного проектирования для перспективной элементной базы, включая квантовые вычисления, элементы с оптической передачей информации.
Актуальными по-прежнему будут фундаментальные, поисковые и прикладные исследования в области автоматизированных систем управления, в частности разработки систем искусственного интеллекта, извлечения и анализа текстов, развития методов и информационных технологий системного анализа, методов исследования сложных управляющих систем и процессов в условиях неопределенности и риска.
Новыми станут разработки методов поиска областей с хаотической динамикой, методов анализа, стабилизации и управления для семейств систем, описываемых как непрерывными, так и дискретными уравнениями, создание и развитие новой аналитико-компьютерной технологии исследования, анализа и управления хаотической динамикой решений сложных нелинейных систем дифференциальных уравнений, описывающих многочисленные естественно-научные и социально-экономические процессы и явления. Сегодня мир стоит на пороге разработки единого понятийного аппарата живой и неживой природы.
К важнейшим задачам современной науки относятся исследования в области компьютерных, информационных наук и биоинформатики от создания теоретико-методологических основ, методов, модельного инструментария и информационных технологий системного анализа для исследования и оценки предпосылок до разработки реальных высокопроизводительных, безопасных производственных технологий.
Вклад технарей
При этом надо понимать, что невозможно создавать высокотехнологичные технические средства, подобные ядерным реакторам, лазерам, компьютерам, роботам, развивая научные дисциплины только эмпирически. Предварительное условие их создания – глубокое изучение и познание физических, химических и иных явлений и процессов, лежащих в основе принципа их действия, создание математических моделей этих устройств, изучение взаимодействия их с человеком.
В настоящее время технический уровень машиностроительных или иных производств определяется степенью использования науки и в конечном счете определяет готовность технической базы производства к реализации новых прорывных научных и технологических идей и технологий. Вместе с тем материально-техническая база производства создает также материальную базу самих перспективных научных исследований, оказывает решающее влияние на качественный уровень научных экспериментов, на степень индустриализации науки.
Принцип междисциплинарности исследований в первую очередь определяет технические науки как «потребителя» результатов исследований других отраслей науки (математики, химии, физики, информатики). Но технические науки также способны инициировать новые фундаментальные задачи и для этих наук. Результаты исследований технарей зачастую могут быть использованы в физико-математических науках, химии, сельскохозяйственных науках, медицинских науках, науках о Земле. Этот вклад заключается в создании перспективных машин, аппаратов и систем, которые могут применяться в исследованиях, проводимых в этих областях наук.
Назрела необходимость и появилась реальная возможность создания в России инновационной, саморазвивающейся научной системы, чтобы превращение знаний в инновации стало нормой. Важно не упустить момент такого превращения. Исторически научные открытия являлись основой новых инновационных технологий, которые впоследствии кардинально меняли промышленность, экономику и общество в целом.
Важнейшая проблема, которую придется решать при выполнении этой задачи, – внедрение принципиально новых научных взглядов, теорий и результатов в различных областях деятельности современной цивилизации.
Умная энергия
Фундаментальные научные исследования играли и продолжают играть ключевую роль в развитии энергетических технологий. Глобальные энергетические вызовы на фоне технологической революции требуют пересмотра стратегии действий игроков мировой энергетической системы. Потребность в энергетическом переходе продиктована рядом причин, важной из которых является проблема загрязнения окружающей среды. Так, один из способов развития энергетических систем – использование линий передач ультравысокого напряжения, которые позволят удовлетворить растущие потребности в электроэнергии и решат проблему энергетического голода отдаленных регионов.
Предлагаемые сегодня учеными сверхпроводниковые материалы могут и способны изменить всю электрическую инфраструктуру. Создание доступных сверхпроводников позволит увеличить мощность и надежность электросетей, снизить потери и стоимость передачи электроэнергии, эффективно интегрировать возобновляемые источники энергии в существующие сети, а также повысить эффективность практически всего электрооборудования.
Для того чтобы осуществить глобальный переход к устойчивой энергетике, необходимы новые научные открытия, которые могли бы внести вклад в решение технологических проблем в производстве, хранении и использовании чистой энергии.
По мнению экспертов, например, разрабатываемые в последние годы литий-металлические аккумуляторы, как средства хранения энергии, могут изменить расстановку сил на энергетическом рынке. Их энергетическая плотность почти в два раза больше, чем у традиционных литий-ионных батарей. Ученые заявляют о прорыве в создании металлического литиевого анода для литий-кислородных батарей и это способно увеличить электрическую емкость батареи до трех раз.
Достигнуты успехи в создании батарей со встроенными системами искусственного интеллекта. Ожидается, что рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов благодаря их низкой стоимости, большой плотности энергии, высокой эффективности и безопасности, к 2026 году превысит 23 млрд долл. Внедряемые литий-воздушные аккумуляторы могут накапливать до пяти раз больше энергии, чем широко используемые сегодня литий-ионные аккумуляторы.
В планах – коммерциализация нового типа суперконденсаторов на основе специального полимера. Он обеспечивает увеличение емкости на несколько порядков при удельной плотности энергии, превышающей показатели многих литий-ионных батарей.
В портфеле перспективных энергетических технологий – гибридный накопитель энергии, которому для зарядки необходимо десятки секунд. В качестве материала для накопителя энергии используется графен. Его уникальная структура значительно увеличивает рабочую поверхность накопителя и соответственно его емкость, а сам материал абсолютно безвреден для окружающей среды и для человека. Прорыв обеспечила разработанная инновационная технология совмещения металлодиэлектрических нанокатодов и цепей полимеров на поверхности графена. По сути, создается новая емкая наногибридная аккумуляторная батарея.
С появлением низкоразмерных (наноразмерных) углеродных структур появилась объективная возможность хранить энергию прямо в механических системах, например – в углеродных нанотрубках. По сравнению с литий-ионными батареями механический аккумулятор на основе нанотрубок обладает высокой скоростью зарядки и, как правило, гораздо более стабилен.
Исследователи из немецкого Технологического института Карлсруэ (KIT) впервые описали биогибридный материал с хорошей проводимостью, который можно использовать для производства «микробного электричества». Что важно, потоком электронов в предлагаемой биобатарее можно управлять. По мнению ученых, бактерия Shewanella oneidensis относится к так называемым экзоэлектрогенным бактериям. Они способны генерировать электроны в процессе обмена веществ и транспортировать на поверхность клетки. Согласно заявлениям немецких ученых, попытка сделать это электричество пригодным для использования всегда ограничивалась затрудненным взаимодействием организмов с электродом. В отличие от обычных аккумуляторов материал в «биобатарее» должен не только проводить электроны к электроду, но в то же время оптимально связывать как можно больше бактерий с электродом.
Человечество уже подошло к пониманию того, что единственное решение энергетической проблемы – создание природоподобных искусственных систем, генерирующих молекулярный водород как уникальный источник энергии из компонентов, составляющих воду за счет энергии солнечного излучения.
Атом, ИИ, фаббер-технологии
Современная ядерная наука ориентирована на развитие ядерно-энергетических технологий следующего поколения. Оно предполагает масштабные изменения в методах проектирования, конструкции топливных сборок, подборе материалов и конфигурации систем.
Специалисты в области ядерной энергетики предлагают шесть концепций перспективных реакторных технологий: реактор на быстрых нейтронах с газовым теплоносителем; реактор на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем; жидкосолевой реактор; сверхкритический водоохлаждаемый реактор; реактор на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем и сверхвысокотемпературный реактор.
По сравнению с обычными реакторами реакторы на быстрых нейтронах вырабатывают из загруженного в них топлива до 70 раз больше энергии. Такие реакторы в значительной мере повышают устойчивость ядерной энергетики. Кроме того, они способствуют существенному снижению объемов, токсичности и времени жизни образующихся в итоге радиоактивных отходов.
Хорошую перспективу имеют также исследования в целях использования инновационных реакторов для производства водорода и реализации других шагов, в частности по интеграции инновационных ядерно-энергетических систем и других низкоуглеродных источников энергии.
Важнейшее событие в последнее время произошло в термоядерном синтезе. Впервые термоядерный реактор выработал больше энергии, чем затратили на его работу. Этот результат, по мнению многих специалистов, является историческим результатом в исследованиях термоядерного синтеза.
Конечно, к числу передовых разработок следует отнести и проблемы искусственного интеллекта (ИИ). Ключевым фактором, определяющим развитие ИИ-технологий, считается темп роста вычислительной мощности компьютеров. Перспективными технологиями ИИ принято считать нейронные сети, эволюционные вычисления, нечеткую логику.
В России утверждена стратегия развития искусственного интеллекта до 2030 года. Технологии ИИ включают в себя компьютерное зрение, обработку естественного языка, распознавание и синтез речи, интеллектуальную поддержку принятия решений. К смежным областям относятся робототехника и управление беспилотным транспортом.
Революционные изменения происходят сегодня и в области промышленных технологий. Например, перспективные промышленные технологии тепловой обработки включают в себя в том числе лазерную обработку, электронно-лучевую сварку, резание и прошивку, электронно-лучевую плавку. Для воздействия на заготовку используют лазерные и электронные лучи, которые обеспечивают плотность энергии на несколько порядков выше, чем другие источники.
Особое развитие в настоящее время получают аддитивные технологии, то есть послойного наращивания и синтеза объектов. Широкое применение получили для так называемой фаббер-технологии – группа технологических методов производства изделий и прототипов, основанных на поэтапном формировании изделия добавлением материала на основу. Это мировой индустриальный тренд.
Аддитивные технологии позволяют изготавливать продукцию самых сложных форм. Кроме того, трехмерная печать дает возможность значительно снижать массу изделий и сроки производства прототипов. Современные 3D-принтеры также обладают способностью оперативно перенастраивать параметры печати для изготовления изделий различного назначения или размера, единичного или массового производства. Изделия, напечатанные на трехмерных принтерах, используются в самых разных областях – от ядерных и космических технологий до медицины.
Цифровая теория корабля
Еще более обсуждаемый мировой индустриальный тренд – цифровизация. Она предполагает глобальное переосмысление подхода к бизнесу, повышение эффективности компании за счет оптимизации и автоматизации бизнес-процессов, а также организацию согласованной работы IT-систем.
Речь идет не только и не столько об установке дополнительного оборудования и программного обеспечения, сколько о фундаментальной перестройке всех процессов, протекающих на производстве. Цифровизация меняет подходы к управлению, развивает дополнительные способы коммуникации (как внутри организации, так и с внешним миром), формирует новую корпоративную культуру.
Появление концепции цифровых двойников как раз связано с ростом цифровизации производственных процессов, когда физические или аналоговые ресурсы заменялись информационными, цифровыми. Цифровой двойник (англ. Digital Twin) – копия физического объекта или процесса, обеспечивающая оптимизацию эффективности бизнеса. Концепция «цифрового двойника» – часть четвертой промышленной революции. Она призвана обнаруживать физические проблемы, точнее предсказывать результаты функционирования того или иного объекта или процесса и производить более качественные продукты.
Проведенный анализ позволил определить возможности и рациональные соотношения при применении расчетных и экспериментальных методов. Яркий пример – гидродинамические исследования в ходкости судов. Это позволило выявить ограничения и требования к расчетным методам, выполнение которых позволяет достичь необходимой для практики точности расчетов. Как правило, для решения задач управляемости и мореходности до сих пор в основном применяются математические модели, основанные на экспериментальных коэффициентах.
Эффективное и достоверное использование расчетных методов возможно только при наличии проверенных расчетных методик. При этом в условиях быстроизменяющихся программных и аппаратных средств важным аспектом вычислительной гидродинамики становится постоянная актуализация методик.
Специалисты рассматривают нынешний этап как период развития в теории корабля гибридных технологий, объединяющих возможности экспериментальной и компьютерной гидродинамики. Залог устойчивого развития и существования научных центров, обладающих опытовыми бассейнами, – физический эксперимент и численное моделирование.
Среди задач вычислительной гидродинамики особенную сложность и практический интерес представляют задачи моделирования течений вязкой несжимаемой жидкости с подвижными границами. Такие формы течения очень часто встречаются как в природных явлениях, так и в различных технологических процессах.
Сети и умные материалы
Наиболее революционных результатов, серьезных технологических прорывов, способных придать новый импульс развитию системы вооружения Вооруженных сил РФ, стоит ожидать в таких областях, как лазерное и СВЧ-оружие, военная робототехника, гиперзвук, микросистемотехника, биотехнологии, информатика и нанотехнологии. В частности, к таким разработкам относятся системы и средства радиолокации и навигации, новые высокоэнергетические пороха и топлива, перспективные боевые части для использования в наземной, морской и авиационной технике, экспериментальные образцы лазерного, сверхвысокочастотного, гиперзвукового оружия и многое другое.
Министерство обороны РФ прилагает много усилий по инновационному развитию, сопровождению научно-технических и перспективных программ и проектов, созданию условий для их реализации. Это позволит повысить эффективность прикладных научных исследований, создать базу новых технологий, обеспечить опережающее развитие систем военного назначения.
В деле переоснащения ВС РФ образцами вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) первоочередная задача – разработка научно обоснованной программы развития базовых военных технологий. К основным задачам такой программы относятся:
– разработка новых принципов создания вооружения и технологий, материалов с принципиально новыми свойствами, новых химических соединений, методов анализа, синтеза и моделирования;
– поиск и реализация нетрадиционных способов и средств решения существующих и перспективных военных задач;
– создание, испытание, оценка эффективности и демонстрация экспериментальных (макетных) образцов перспективного вооружения по всему спектру критических военных технологий;
– создание конструкций на основе новых материалов, высокоэнергетических составов, типовых технических решений, узлов, агрегатов и модулей для принципиально новых образцов ВВСТ;
– создание экспериментальных и опытных образцов нетрадиционного вооружения, проведение их демонстрационных испытаний.
На начало XXI столетия в различной степени разработки и испытаний находятся несколько видов оружия на новых физических принципах. Среди них можно назвать такие:
– оружие направленной энергии (лазерное, ускорительное, сверхвысокочастотное, инфразвуковое);
– электромагнитное оружие (сверхвысокочастотное, разновидности лазерного);
– оружие не смертельного действия (не летальное);
– геофизическое оружие (сейсмическое, климатическое, озонное, экологическое);
– радиологическое;
– генетическое оружие и др.
Военными аналитиками признана потребность развивать и внедрять технологии, необходимые для создания новых гиперзвуковых систем вооружения, лазеров повышенной мощности, робототехнических комплексов, которые будут способны эффективно противодействовать потенциальным военным угрозам.
Один из ведущих подходов в строительстве современных ВС – интенсивное развитие и применение военных сетевых технологий для разработки систем и комплексов вооружений нового поколения с поддержкой сетецентрических войн (network-centric warfare).
Специфика таких подходов – всесторонняя корреляция военных сетевых или сетеориентированных (networking, networked-enabled, or networked-focused) технологий и концепций сетецентрических войн будущего. Особенность взаимосвязи данных технологий и вышеуказанных концепций – создание глобальной военной информационной инфраструктуры с формированием всеобщего цифрового информационного пространства (киберпространства, cyberspace).
С учетом всего вышесказанного и предпринимаются определенные усилия по насыщению поля боя цифровыми технологиями, а также развитие и универсализация производства беспилотных летательных аппаратов и одновременная разработка теории «дистанционного управления войной».
Реализации этих идей в определенной степени способствует создание нелинейной оптики, которое привело к революционным изменениям в области оптоэлектронных устройств.
Ускоренные темпы технологического развития меняют природу ведения военных действий, при этом все больше сил и средств направляется на научные исследования и разработки, целью которых является создание новых продвинутых материалов и их применение в оборонной сфере. Сегодня эпоха монометаллов и в целом металлических материалов завершается.
Особое развитие военной и специальной техники ученые мира связывают с новыми методами передачи информации, трансформационной оптики и нелинейных эффектов. Уже в ближайшее время в практику, например, военного кораблестроения будут широко внедряться так называемые метаматериалы («умные» материалы). Отличительной особенностью метаматериалов является их способность реализовывать отрицательный показатель преломления.
Развитие и реализация данной теории позволят в некотором частотном диапазоне скрывать предметы от радаров/сенсоров. В отличие от большинства обычных материалов метаматериалы могут физически контролировать электромагнитное излучение путем изменения геометрии компонентов материала и изделия. Структуры из метаматериалов используются в широком диапазоне применений и в широком диапазоне частот от радиочастот до микроволн, инфракрасный спектр и почти до видимых длин волн.
Метаматериалы делают военные объекты, например боевые надводные корабли и подводные лодки, практически невидимыми.
В качестве примеров «умных» материалов можно также привести перспективные самовосстанавливающиеся материалы, функциональную керамику, электрохромные материалы, «киберзащитные» материалы, реагирующие на электромагнитные помехи, прозрачную полимерную защиту (имеет слоистую микроструктуру, подобную хитиновому панцирю ракообразных).
Они, как ожидается, станут основой прорывных технологий, которые бесповоротно изменят поле боя и природу будущих военных действий.
Об авторе: Валерий Николаевич Половинкин – научный руководитель ФГУП «Крыловский государственный научный центр», доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, председатель экспертного совета ВАК по проблемам флота и кораблестроения, эксперт РАН.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru