Реактор, коллайдер и обсерватории. В России создается сеть передовой научной инфраструктуры

Научный и технический прогресс стремительно ускорился, опираясь на развитие цифровых технологий. Глобальная конкуренция усилилась, а борьба за компетенции и специализации в мировом масштабе стала более острой. Какое место на международном научном небосклоне будет принадлежать ученым из России? Это будет определяться в том числе усилиями государства, которые на протяжении последних десятилетий создавали основу для развития и усиления научного фронта задач. Для создания эффективной системы управления научными исследованиями, поддержки локомотивов фундаментальной науки в стране запущен национальный проект «Наука и университеты», благодаря которому Россия должна войти в первую десятку стран мира, ведущих разработки в приоритетных областях научно-технологического развития. Нацпроект направлен на повышение привлекательности российской науки и высшего образования в том числе за счет создания передовой инфраструктуры для научных исследований. Российские ученые работают над созданием уникальных установок класса «мегасайенс». Фундаментальные исследования, позволяющие приблизиться к новым прорывным открытиям в физике и разгадать тайны Вселенной, невозможны без технологической базы. Сверхмощные комплексы выводят научное знание на новый уровень, придают ускорение достижению важных целей, а результаты исследований приобретают мировое значение и становятся основой для долгосрочного развития государства в целом. Что известно об уникальных отечественных научных установках класса «мегасайенс», которые создают не имеющую аналогов в мире физическую и цифровую инфраструктуру?

Энергия десяти солнц

В мае 2021 года в России была запущена уникальная термоядерная установка токамак Т-15МД. Для обывателя это аббревиатура не представляет интереса, но специалисты поясняют, что это важный шаг на пути к созданию неисчерпаемого и безопасного источника чистой энергии. Звучит, как фантастика. Это так и есть: токамак Т-15 по сути является прототипом будущих гибридных реакторов. Запуск Токамака дает мощный толчок к развитию других отраслей науки и промышленности, помогает созданию чистого и надежного источника энергии, о котором говорил президент Владимир Путин в Послании Федеральному собранию. России удалось сделать шаг в будущее. Т-15МД стал первой за последние 20 лет новой термоядерной установкой, запущенной в России. Само название «токамак» расшифровывается как «тороидальная камера с магнитными катушками». По сути, это как рукотворное Солнце и даже больше: температура внутри установки достигает 100 миллионов градусов, что сопоставимо с энергией десяти солнц. Установка токамак Т-15 позволяет получать и исследовать свойства плазмы с термоядерными параметрами. Также российские ученые решают ряд инженерных задач, непосредственно связанных с созданием термоядерного реактора, в будущее которого верят лучшие умы человечества. Токамак Т-15МД входит в структуру международного термоядерного проекта ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Предполагается, что реактор ITER сможет заработать к 2035 году. Т-15МД должна стать одной из установок, на которой будет решаться ряд исследовательских задач проекта. Комментируя запуск Т-15МД, премьер РФ Михаил Мишустин отметил значимость работы российских ученых не только для России, но и для всего мира. «Появляется уникальная инфраструктура для научных исследований, для того, чтобы, как говорят ученые, управляемый термоядерный синтез все-таки создал неиссякаемый источник энергии», — сказал премьер.

Самый мощный в мире нейтронный реактор в Гатчине

В 2021 году в национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» при поддержке национального проекта «Наука и университеты» осуществили второй этап энергетического пуска реактора ПИК. В церемонии запуска самого мощного в мире исследовательского реактора, генерирующего потоки нейтронов, принимал участие президент РФ Владимир Путин. Он поздравил ученых с событием, которого научное сообщество ждало почти 40 лет, ведь проект реактора ПИК начал создаваться еще в начале 1970-х, но был заморожен на долгие годы. Почему данная разработка опередила время и была с оптимизмом встречена учеными не только в России, но и во всем мире? Реактор ПИК — эта установка класса «мегасайенс», которая предназначена для изучения нейтронов, нейтронного излучения, объектов микромира. Если максимально упростить процессы, которые делают реактор уникальным инструментом для фундаментальных и прикладных исследований, то его можно представить себе как большой волшебный котел, в который в зависимости от задач учеными помещаются требующие изучения объекты. Это могут быть биологические или химические соединения, которые благодаря воздействию потоков нейтронов можно разложить на атомы. Структуры их биологических молекул больше не смогут хранить свои тайны. В результате экспериментов их также можно подвергать различному взаимодействию. Изучение ядерных реакций и поведения элементарных частиц в результате воздействия нейтронами позволяет физикам, материаловедам, химикам, биологам, фармацевтам узнать внутреннюю структуру, состав и магнитные свойства вещества. Это крайне важно для технологического прорыва в самых разных областях, начиная от энергетики и сельского хозяйства, заканчивая биомедициной. В частности, подобные исследования работают на совершенствование методов лечения рака и создание новых лекарств.

Миллиарды галактик вокруг нас

Еще одна запущенная установка класса «мегасайенс» — это центр контроля и управления установками гамма-обсерватории TAIGA. Ранее проект получил финансирование за счет программы мегагрантов, которая реализуется в том числе благодаря мерам поддержки национального проекта «Наука и университеты». Объект находится в 150 км от Иркутска на территории Тункинского астрофизического полигона Иркутского государственного университета (ИГУ). Уникальная обсерватория делает космос ближе и понятнее: задача TAIGA заключается в том, чтобы наблюдать за мощнейшими во Вселенной выплесками энергии, что позволит человечеству понять природу объектов с самой высокой энергией и, возможно, разгадать астрономические феномены. Желание понять природные механизмы ускорения частиц имеет не только теоретическую, но и практическую основу. За космосом внимательно следят десятки тысяч глаз ученых по всему миру. Мощные установки, работающие по схожим с TAIGA принципам, расположены на Канарских островах, в Южной Африке и в Америке. Тем не менее, российская гамма-обсерватория по-своему уникальна за счет разных типов детекторов, которые «видят» частицы максимально высоких энергий далекого космоса. Компьютерным сердцем гамма-обсерватории является операторский зал, который, как и далекие звезды, никогда не спит: ученые фиксируют уникальную информацию о процессах в области астрофизики. TAIGA позволяет отслеживать частицы с энергией в сотни триллионов электрон-вольт. Когда такая гостья из космоса достигает Земли, она влетает в слои атмосферы и, взаимодействуя с ней, разлетается каскадами вторичных частиц, которые также обладают огромной энергией. Для научного коллектива гамма-обсерватории интерес представляют именно эти вторичные частицы, а для человечества в целом — любые знания, расширяющие представление о тайнах вселенных и мирах, за гранью нашего воображения.

Коллайдер NICA как гигантский микроскоп

Новый коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), вводится в эксплуатацию поэтапно. Пик развития экспериментальной исследовательской установки в Дубне пришелся на 2021 год благодаря национальному проекту «Наука и университеты». Даже далекие от науки люди помнят запуск Большого адронного коллайдера, который стал изобретением-рекордсменом. На протяжении десятилетия его строили, сменяя друг друга, более 10 тыс. ученых и инженеров из 100 стран. Ученые объясняют: коллайдер работает как ускоритель, разгоняющий частицы высокой энергии почти до скорости света. Он позволяет в лабораторных условиях с помощью воздействия электромагнитных полей воссоздать состояние вещества, в котором, предположительно, пребывала наша Вселенная в первые мгновения после Большого Взрыва. На строительство комплекса NICA, который является детищем российских ученых, ушло около десяти лет. Это установка класса «мегасайенс», которую можно сравнить с гигантским микроскопом. Комплекс NICA воссоздает состояние материи в экстремальных условиях ее фазовых переходов и позволяет изучать происходящие процессы. При этом он затрачивает для данных целей куда меньше энергии чем тот же Большой андроный колайдер. Разработки на базе NICA имеют вполне прикладной характер помимо важного научного багажа. На их основе будут вестись разработки медицинских препаратов, например, для лечения онкологических заболеваний, а также инновационных технологий в электронике, которая может применяться в условиях радиации и космического излучения. Эта работа приближает тот день, когда полеты человека на Марс станут сбывшейся мечтой.

Байкальский глубоководный нейтринный телескоп

Современная наука открывает перед человечеством новые двери: после полетов к звездам не менее интересно погрузиться под воду, чтобы оттуда взглянуть на мир по-новому. В 2021 году состоялся торжественный пуск установки Baikal–GVD — байкальского глубоководного нейтринного телескопа, значимого проекта класса «мегасайенс» национального проекта «Наука и университеты». Его строительство заняло шесть лет и потребовало 2,5 млрд рублей. Чтобы представить себе конструкцию телескопа, придется напрячь воображение: устройство состоит из глубоководных станций и прикрепленных ко дну Байкала стальных тросов, похожих на гирлянды, на которые в свою очередь нанизаны стеклянные шары-детекторы. При этом сам нейтринный телескоп невозможно увидеть, он целиком скрыт под водой Байкала, на глубине 750-1300 метров. Толща воды, а точнее лед озера выполняет важную функцию детектора мельчайших частиц нейтрино. Потоки частиц обладают огромной энергией, которая так интересует ученых. Нейтрино не видят преград: они пролетают через всю мантию Земли, даже сквозь ядро и другие слои планеты. Лед Байкала, как увеличительное стекло, позволяет зафиксировать уникальное явление: из нейтрино рождается следующая частица — разряженный мезон, который при взаимодействии со льдом испускает излучение. Удивительное рядом. Важно, что уникальные научные установки обеспечивают повышение привлекательности российской науки и образования для ведущих отечественных и зарубежных ученых, молодых исследователей, готовых связать свою судьбу с наукой. Эволюция галактик или формирование сверхмассивных черных дыр увлекают нестандартные умы, вдохновляют и зовут на Байкал.

Сибирский кольцевой источник фотонов

Одним из крупнейших за последние десятилетия российских проектов в области научно-исследовательской инфраструктуры стал Сибирский кольцевой источник фотонов (СКИФ), который позволит проводить полный цикл исследований с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения в различных областях науки, от химии, биологии, медицины до материаловедения. Амбициозный проект будет выполнен в рекордные сроки на базе российских научных разработок. Символично, что именно в Сибири появится первый в мире источник синхротронного излучения поколения «четыре плюс» с рекордной для наших дней рабочей энергией в 3 ГэВ. Аналогов ему на мировой арене нет, а в России проект станет первым звеном современной российской сети источников синхротронного излучения нового поколения. Общий объем расходов на создание Сибирского кольцевого источника фотонов составит более 47 млрд рублей. Проект реализуется благодаря национальному проекту «Наука и университеты». Сроки запуска тоже определены: источник синхротронного излучения будет построен до конца 2023 года, исследования на первых шести станциях СКИФ начнутся уже в 2025 году.

Источник:

• Рамблер