Владимир Полканов
Разработки лаборатории магноники и радиофотоники ЛЭТИ позволят сделать компьютеры более компактными, энергоэффективными и быстродействующими. Фото с сайта www.etu.ru
Благодаря национальному проекту «Наука и университеты», который реализуется по решению Президента Российской Федерации, в стране была создана программа мегагрантов, нацеленная на международное сотрудничество российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций. Программа существует с 2010 года, за это время в России было создано 345 лабораторий международного класса для проведения исследований.
Цель программы – создание в российских университетах и научных организациях исследовательских лабораторий мирового уровня под руководством ведущих ученых. Мегагранты решают ряд задач: привлекают в российскую науку крупнейших мировых ученых, в том числе проживающих за рубежом соотечественников, позволяют выполнять прорывные научные исследования в различных областях науки, готовить высококвалифицированные научные кадры, стимулировать приток молодежи в сферу науки, образования и высоких технологий. Еще одной крупной задачей является создание устойчивых связей с ведущими мировыми научными центрами и научными школами.
Участниками программы мегагрантов могут быть российские вузы и научные организации совместно с иностранными или российскими ведущими учеными, занимающими лидирующие позиции в определенной области наук. Максимальный размер гранта на научные исследования составляет 30 млн руб., а срок предоставления этой меры поддержки – три года. Сейчас программу планируют значительно расширить.
«Программа мегагрантов стала визитной карточкой России в сфере международного научно-технологического сотрудничества. Она способствует интеграции нашей страны в мировую среду и имеет большое значение не только с научной, но и внешнеполитической точки зрения. Программа помогает осуществить структурные сдвиги в управлении всей российской наукой», – отмечал министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков.
Санкт-Петербург
Один из примеров успешной реализации мегагранта по нацпроекту «Наука и университеты» – создание на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) (ЛЭТИ) лаборатории магноники и радиофотоники им. Б.А. Калиникоса. Она была открыта для реализации научно-исследовательского проекта «Резервуарные компьютеры на принципах магноники как новое направление искусственных нейронных сетей». Сегодня в коллектив лаборатории входят деять научных сотрудников, семь инженеров и четыре техника.
Проект направлен на решение одной из проблем современных электронных вычислительных машин: сейчас они подходят к пределу своих возможностей по соотношению производительности и энергозатрат. Научные группы по всему миру разрабатывают альтернативные подходы к построению компьютеров, чтобы сделать их более компактными, энергоэффективными и быстродействующими.
Относительно новым и перспективным направлением в данной области является радиофотоника, исследующая взаимодействие оптического излучения и радиочастотного сигнала в задачах приема, передачи и обработки информации. Ученые занимаются разработкой способов генерации, передачи и обработки сигналов с помощью электромагнитных волн оптического диапазона.
Одна из последних разработок сотрудников лаборатории – ячейка оперативной памяти для оптических компьютеров будущего. Это кольцевой микрорезонатор диаметром 256 мкм и толщиной 0,25 мкм, изготовленный по технологии «кремний-на-изоляторе». Под действием лазера устройство меняет характеристики и демонстрирует два различных стабильных состояния. Между ними можно переключаться, регулируя мощность оптического сигнала. «По аналогии с записью информации на обычных элементах памяти одно состояние соответствует нулю, а другое – единице», – пояснил доцент кафедры физической электроники и технологии ЛЭТИ Андрей Никитин.
Ранее ученые ЛЭТИ обнаружили эффект зарядовой бистабильности – существования двух различных стабильных состояний в зависимости от предыстории резонансной системы. Именно это открытие и помогло в создании оптической ячейки памяти.
Разработка может использоваться для конструирования оперативной памяти оптических компьютеров и других вычислительных устройств нового поколения. «Наши эксперименты по проверке концепции были проведены на сравнительно крупном экспериментальном образце кольцевого резонатора, размеры которого могут быть значительно уменьшены, – отметил руководитель лаборатории магноники и радиофотоники, профессор кафедры физической электроники и технологии ЛЭТИ Алексей Устинов. – Производить такие оптические ячейки можно с применением уже существующих технологий, что в будущем открывает широкие возможности для внедрения».
Пермь
Еще один пример – открытие по программе мегагрантов национального проекта «Наука и университеты» в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) научно-исследовательской лаборатории механики биосовместимых материалов и устройств. На базе лаборатории ученые Политеха впервые создали технологию для быстрого и точного управления температурой сопла и полимерного материала в процессе послойного наплавления аддитивной печати. Эта разработка поможет повысить качество изделий, изготовленных на 3D-принтере.
В основе технологии послойного наплавления лежит экструзия – продавливание расплавленного термопластичного материала через сопло (трубчатую коническую насадку) с последующим соединением и отвердеванием. Один из важнейших технологических параметров в данном методе – температура.
В традиционных экструдерах невозможно точно и быстро измерить и отрегулировать температуру сопла, из-за чего часто возникают перегревы и недогревы полимерного материала при наплавлении. Эти недостатки связаны с большой массой теплообменника и его высокой тепловой инерцией, а также с задержками при измерении температуры с помощью контактных датчиков и рядом других проблем. По мнению специалистов, эти трудности можно преодолеть с помощью модификации конструкции сопла.
«Отсутствие быстрых методов измерения температуры сопла было одним из основных технологических недостатков, препятствующих эффективному использованию индукционного нагрева в аддитивном производстве по технологии послойного наплавления, – рассказал доктор технических наук, проректор по разработкам и инновациям, профессор кафедры сварочного производства, метрологии и технологии материалов Пермского политеха Дмитрий Трушников. – Мы решили изменить оригинальную конструкцию сопла и индуктора. Бесконтактный характер метода индукционного нагрева позволит уменьшить массу нагреваемой части экструдера».
Сопло изготовили из ферромагнитного сплава, индукционно нагреваемого в процессе трехмерной печати. Кроме того, ученые создали метод, который снизит погрешность измерения температуры сопла в 100 раз.
«Применение метода индукционного нагрева сопла малой массы потребовало разработки быстрого бесконтактного метода измерения температуры, не зависящего от чистоты и свойств поверхности сопла, – отметил доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ, кандидат технических наук Игорь Безукладников. – Были обеспечены высокая точность и скорость управления температурой сопла и полимерного материала».
Благодаря методу измерения и регулирования температуры сопла, который разработали ученые ПНИПУ, становится возможным полноценное управление термическим циклом процесса. Это позволит не только улучшить качество сварного соединения между слоями материала, но и обеспечить постоянство качества на протяжении всего процесса печати. Усовершенствования сделают доступной 3D-печать крупногабаритных изделий и предметов сложной геометрической формы, в том числе из высокотехнологичных материалов и термопластичных композиций, востребованных в протезировании и авиастроении.
