Мегасайенс и вузы: прямая речь

«Новые перспективные материалы» — один из наших стратегических проектов, заявленных в программе «Приоритет‑2030». Создание перспективных материалов для машиностроения, самодиагностирующихся сенсоров и композитных материалов — это ниша, которую ЮУрГУ может занять. Конечно, такие проекты невозможно реализовать в одиночку. Поэтому мы создали консорциум с Курчатовским институтом, имеющим уникальное оборудование, в частности, Курчатовский комплекс синхротронно-­нейтронных исследований (ККСНИ).

ККСНИ позволит проводить фундаментальные и прикладные исследования структуры материи, разрабатывать новые технологии синтеза и диагностики наноструктурированных и гибридных материалов, синтезировать материалы с новыми кристаллическими и магнитными свой­ствами. Мы планируем исследовать структуру композитных материалов с эффектом псевдопластичности, применяя методы машинного зрения и искусственного интеллекта для анализа данных, получаемых на синхротроне. Кроме того, хотим существенно нарастить компетенции и получить результаты в области самодиагностирующихся и самокалибрующихся датчиков.

Синхротронная установка Курчатовского института позволит точнее определять положение замещаемых атомов в структуре материала, зависимость их свой­ств от этого положения, а также регулировать свой­ства новых материалов при детальном анализе структуры кристаллической решетки.

Одно из ключевых преимуществ участия университета в мегасайенс-­проектах — это развитие компетенций наших ученых. Серьезных результатов можно добиться только сообща. Поэтому все больше проектов реализуется в консорциуме силами университетов и научных организаций России и всего мира. Проекты мегасайенс позволят обогатить наши знания об атомных ядрах, новых наноматериалах, генной инженерии, а также в области квантовой физики.

Могу сказать, что самые плодотворные годы в моей научной карьере — это время реализации крупных проектов в масштабах страны. Так, в 1980‑х годах мы создавали наземный комплекс испытания и отработки системы управления многоразового космического корабля «БУРАН». Работу выполняла научно-­исследовательская лаборатория нашего университета. Только имея такой опыт, можно расти профессионально. Сейчас мы возвращаемся к подобному опыту и стараемся участвовать в масштабных проектах всероссийского и международного уровней.

Сегодня один из наиболее перспективных проектов класса мегасайенс, по моему мнению, — установка Курчатовского института «Источник специализированный синхротронного изучения четвертого поколения» (ИССИ‑4). Благодаря ей можно получить принципиально новые результаты в области нанотехнологий.

Я думаю, что мегасайенс-­проекты далекой перспективы будут совместно финансироваться университетами, научными организациями и компаниями, работающими на глобальном рынке, из многих стран. Реализация таких проектов позволит создать принципиально новые технологии.

Традиционно Новосибирский государственный университет участвует во многих международных коллаборациях, работающих на установках класса мегасайенс, прежде всего — по физике элементарных частиц и астрофизике.

Сегодня у НГУ 19 таких проектов. Для взаимодействия у нас есть огромный потенциал, связанный, прежде всего, с нашими образовательными программами, организованными по принципу «образование через исследования». В значительной мере этот принцип осуществляется благодаря тесному партнерству с исследовательскими организациями, прежде всего — Институтом ядерной физики СО РАН.

Что касается разработки новых мегасайенс-­проектов, НГУ участвует в реализации проекта Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Недавно университет подписал соглашение с ЦКП «СКИФ» и Институтом вычислительной математики и математической геофизики СО РАН о создании для СКИФа центра обработки данных. Еще один проект, находящийся в стадии разработки и крайне важный для развития науки в восточной части страны, — создание суперкомпьютерного центра «Лаврентьев».

Работа на передовых мегасайенс-­установках — это возможность участвовать в проектах на переднем крае науки, получать экспериментальные данные качества, необходимого для современных фронтирных исследований.

В глобальном контексте необходимо двигаться в сторону строительства более мощных коллайдеров, исследований фундаментальных свой­ств материи. А установки такого типа невозможно построить без международных коллабораций. Если говорить о развитии российского поля исследований, основное направление развития мегасайенс — все, что связано с синхротронным излучением. Например, ожидается, что на СКИФе, источнике синхротронного излучения поколения IV+, будет получен ряд фундаментальных результатов, которые обогатят мировую науку и продвинут ее вперед.

ЮФУ нацелен на получение научных результатов мирового уровня, в том числе в области новых материалов для низкоуглеродной энергетики будущего. Расширение научных связей, взаимодействие с ведущими мировыми и российскими центрами установок мегакласса позволяют ученым ЮФУ использовать самые современные источники синхротронного излучения для решения задач анализа ­фундаментальных закономерностей влияния структуры на свой­ства материалов.

Использование методов искусственного интеллекта и машинного обучения в этой области позволяет получать уникальные, практически значимые результаты и преодолевать ключевые технологические барьеры.

ЮФУ тесно сотрудничает с Европейским центром синхротронных исследований (ESRF) — ведущей европейской исследовательской инфраструктурой мегакласса в области фотонных наук. Центр подвел итоги работы и определил наиболее успешные проекты, выполненные в 2020 году. В сборник ESRF Highlights 2020 вошли исследования, выполненные сотрудниками и аспирантами Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ в сотрудничестве с зарубежными партнерами.

Создание в России передовой инфраструктуры для научных исследований и разработок, согласно Федеральной научно-­технической программе развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019−2027 годы, будет включать открытие и развитие сети уникальных научных установок класса мегасайенс, в том числе на территории России. Поэтому опыт эффективных исследований мирового уровня на подобных установках, накопленный мной и моими коллегами из ЮФУ, будет, несомненно, востребован в самое ближайшее время. Кроме того, коллектив ученых нашего университета разработал методику суперкомпьютерного анализа больших данных, получаемых в ходе экспериментов на установках мегасайенс — источниках синхротронного излучения. Это позволяет с высокой точностью наблюдать изменения структуры материалов (в том числе золота) в ходе реальных технологических процессов.

На протяжении многих лет ЮФУ и НИЦ «Курчатовский институт» эффективно сотрудничают по ряду направлений.

В 2020 году было подписано соглашение о создании Зеркальной лаборатории в области синтеза и диагностики перспективных материалов, численного моделирования, а также разработки специализированного оборудования для научных исследований на объектах НИЦ «Курчатовский институт» и ЮФУ. Сотрудники ЮФУ разработали цифровой двой­ник станции синхротронного центра НИЦ «Курчатовский институт» с применением технологий виртуальной реальности. Двой­ник будет использоваться как для тренировки новых пользователей синхротронного центра, так и в образовательной деятельности участников Национальной научно-­образовательный ассоциации «Исследовательские установки мега-класса».

В 2021 году НИТУ «МИСиС» вошел в число победителей конкурса программы «Приоритет‑2030» по направлению «Исследовательское лидерство». Одно из приоритетных научно-­образовательных направлений «МИСиС» — участие в проектах уровня мегасайенс, которое будет расширяться.

Ученые НИТУ «МИСиС» уже имеют опыт работы с синхротронными и нейтронными источниками в России (в Курчатовском институте и Объединенном институте ядерных исследований) и в мире (в европейском центре синхротронного излучения ESRF и немецком научно-­исследовательском центре DESY). Задача университета — предоставить нашим научным коллективам современные методики синхротронных и нейтронных исследований, позволяющие проводить эксперименты, обрабатывать данные для получения знаний о поведении материалов и протекании процессов на многих размерных и структурных уровнях. Строительство и ввод в эксплуатацию новых установок класса мегасайенс в России создают возможности для решения всего спектра научных задач.

Участие НИТУ «МИСиС» в разработке инженерных решений для проектов мегасайенс ориентировано прежде всего на взаимодействие с Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN). С 2014 года вуз активно сотрудничает с международными исследовательскими центрами, реализующими проекты по созданию и развитию исследовательских инфраструктур класса мегасайенс. Сегодня университет является членом трех международных коллабораций CERN: LHCb, SND@LHC и SHiP, выступая в качестве эксперта по сверхпроводящим магнитам, по технологиям обработки различных видов сплавов на основе вольфрама, свинца и сталей, а также по разработке новых сцинтилляционных материалов на основе перовскитов. В рамках эксперимента SHiP на ускорителе SPS НИТУ «МИСиС» принимал участие в проектировании и внедрении инженерных решений для изготовления мишени и элементов магнитов, на базе вуза была проведена значительная часть расчетов и испытаний. Продолжением этой работы стало создание в университете научного «Центра инфраструктурного взаимодействия и партнерства MegaScience», который возглавил лидер эксперимента, всемирно известный ученый, специалист в области физики элементарных частиц, доктор физико-­математических наук, профессор Андрей Голутвин.

В планах университета — расширять разработку инженерных решений для оборудования для экспериментов на выведенных пучках, включая разработку крупномасштабного магнитного фильтра мюонов высокой энергии на основе тонколистовой электротехнической стали. Совместно с коллегами из ведущих научно-­исследовательских центров России мы обсуждаем возможное применение разрабатываемых учеными университета технологий в экспериментах на коллайдере NICA ОИЯИ и чарм-тау фабрики Института ядерной физики Сибирского отделения (СО) РАН.

В рамках очередного отбора предложений на Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) были отобраны два проекта ученых НИТУ «МИСиС». Это огромное достижение и свидетельство высокой квалификации наших исследователей.

Кроме того, мы передаем опыт проведения исследований на установках класса мегасайенс нашим студентам на лекциях, практических и лабораторных занятиях. Это формирует критическую массу исследователей, знающих об уникальных возможностях центров мегасайенс, заинтересованных в их использовании для решения поставленных задач и способных подготовить заявки для получения доступа к ним.

В 2021 году НИТУ «МИСиС» провел цикл онлайн-­лекций по исследованию материалов с помощью лазера на свободных электронах с участием ведущих мировых ученых-­физиков — руководителей станций и научных групп XFEL под руководством директора Европейского XFEL, профессора Фрайбергской горной академии Сергея Молодцова.

Университет планирует и в дальнейшем реализовывать совместные образовательные проекты с зарубежными вузами. В 2019 году одна из таких программ обучения была подготовлена в сотрудничестве с Фрайбергской горной академией, однако из-за распространения коронавируса мы были вынуждены отложить ее запуск. В следующем году мы намерены вернуться к этой задаче.

В 2018 году в университете была запущена совместная с CERN междисциплинарная образовательная программа «Новые технологии для поиска новых физических эффектов» на стыке физики высоких энергий, материаловедения и наук о данных. Ее цель — подготовить специалистов, способных разработать материалы и технические решения для поиска новых физических эффектов в экспериментах CERN. К проекту присоединились академические партнеры вуза: университет Цюриха, университет Неаполя, Федеральная политехническая школа Лозанны, Имперский колледж Лондона и др.

НИТУ «МИСиС» проводит для студентов экскурсии и практики в Курчатовском институте. Самые активные получают возможность реализовывать проекты уровня мегасайенс совместно с ведущими учеными университета.

Участие в проектах мегасайенс способствует развитию и укреплению связей ученых университета с международным академическим сообществом. Это дает нам возможность приглашать ученых с мировым именем для совместных исследований и подготовки специалистов, что позволяет нашим студентам и аспирантам получать знания и компетенции на уровне ведущих исследовательских и инженерных центров и лучших университетов мира.

Один из флагманских проектов, который намерен реализовать Томский политех при поддержке программы «Приоритет‑2030», посвящен решениям для энергетики будущего. Большой блок работ и исследований будет сконцентрирован на ядерной и термоядерной энергетике. И здесь ТПУ намерен ­расширить свое участие в проектах уровня ­мегасайенс. Речь идет и о международном проекте по созданию термоядерного реактора ITER, и о проектах, реализуемых в ­России, в частности в Курчатовском ­институте.

В интересах ITER специалисты Томского политеха уже работают над рядом разработок и технологий в области неразрушающего контроля. Например, по заказу НИИЭФА им. Д. В. Ефремова томские политехники разработали для контроля качества элементов этого термоядерного реактора самый большой в России роботизированный ультразвуковой томограф. В дальнейшем ТПУ планирует расширить участие в проекте как по тематике неразрушающего контроля, так и в области автоматизации, систем управления и контроля.

Также мы планируем наращивать свое участие в международных исследованиях в области фундаментальной физики. Здесь в первую очередь речь идет о СERN, где ученые и инженеры ТПУ работают с 2016 года. Они задействованы в нескольких коллаборациях, их работа оценивается как эффективная. Необходимо шире вовлекать в работы по задачам CERN студентов, причем не только нашего университета, но и других вузов Томска. Мы рассматриваем это как один из подходов к формированию инженеров и исследователей мирового уровня.

Отмечу еще один важный проект. На территории Томской области реализуется инновационный мегапроект ГК «Росатом» — «Прорыв». ТПУ участвует в нем по различным направлениям НИОКР и в сфере подготовки кадров.

Новые научные результаты, рост публикационной активности, расширение сети контактов, престиж — всё это очевидные результаты приобщения университета к проектам уровня мегасайенс. Но это еще и новая культура, новые форматы кооперации и модели взаимодействия, необходимые для повышения эффективности нашей работы.

Мегасайенс-­проекты, сложные, глобальные, наглядно продемонстрировали: есть задачи, которые не решаются иерархическим способом. Ни один научный коллектив, ни одна организация, ни одна страна в одиночку просто не могут, например, построить термоядерный реактор уровня ITER. Поэтому в таких проектах нет и не может быть главных, нет тех, кому единолично принадлежат результаты и новые знания.

Такие проекты повлекли коренной перелом в культуре научного взаимодействия. Они заставляют ученых, объединенных общими идеями и целями, искать эффективные механизмы равноправного общения.

Сейчас в Томском госуниверситете реализуются четыре мегагранта в кооперации с зарубежными коллегами. По двум из них — в области биомедицины — работы начались только в этом году. Эти проекты направлены на создание принципиально нового, неинвазивного подхода к диагностике вирусных и бактериальных инфекций и создание интерфейса «имплантат-­биоткань» для восстановительной хирургии.

ТГУ всегда на фронтире новых трендов и в образовании, и в науке, и во взаимодействии с партнерами. В рамках «Приоритета‑2030» мы поставили перед собой ­амбициозную задачу — стать университетом прорыва, вузом, который уже живет в будущем, пока все это будущее создают; и мы понимаем, что в современном мире большие проекты можно реализовывать только в кооперации. Мегагранты — эффективный ­инструмент для взаимодействия ученых из разных стран. Наука сейчас не имеет границ.

Наш университет, несомненно, планирует усиливать свое присутствие в проектах уровня мегасайенс. ИТМО заинтересован в проведении исследований на таких установках класса мегасайенс, как реактор ПИК в ПИЯФ, синхротрон СКИФ в Новосибирске, коллайдер NICA в Дубне. Недавно мы начали развивать направление физики частиц, атомной и ядерной физики и планируем активно подключаться к передовым исследованиям на данных установках, предлагать свои проекты.

Одними из самых значительных событий 2021 года стали запуск и получение первых результатов мегасайенс-­проекта партнеров Университета ИТМО в области медицинской диагностики — центра «Нейроспин» и Комиссии по атомной энергетике Франции — магнитно-­резонансного томографа ISEULT, позволяющего проводить сканирование человека в магнитном поле 11,7 тесла. Это один из проектов, в котором Университет ИТМО планирует принимать участие как давний партнер центра «Нейроспин». Кроме того, мы продолжим исследования на базе European XFEL — международного проекта по созданию самого крупного в мире рентгеновского лазера на свободных электронах, предназначенного для решения огромного количества задач в области фундаментальной и прикладной науки, а также медицины и передовых технологий.

Участвуя в подобных мегасайенс-­проектах, наши сотрудники расширяют сферу использования разрабатываемых новых материалов с необычными оптическими свой­ствами, в том числе в физике высоких энергий. Например, сейчас изучаются возможности применения наших разработок в экспериментах по регистрации очень слабо взаимодействующих с веществом частиц, таких как нейтрино и аксионы.

Будущие установки мегасайенс представляются нам не только огромными и очень дорогими машинами, но и относительно небольшими, недорогими установками, связанными с использованием новых технологических решений. В первую очередь участие в мегасайенс-­проектах позволяет совершить прыжок в развитии соответствующей области научных исследований. Степень влияния проекта на развитие научного направления можно оценить благодаря появлению принципиально новых знаний, увеличению количества высокорейтинговых публикаций, а также появлению смежных направлений исследований — такие результаты согласуются со стратегией развития Университета ИТМО.