Развитие новых областей науки требует сегодня принципиально нового подхода к организации исследований и образовательной деятельности. Университеты объединяются с академическими исследовательскими центрами и бизнес-компаниями, ведущими в своих отраслях, в консорциумы, в которых совместно занимаются проблемами фундаментальной и прикладной науки будущего. Если ранее участники объединения работали друг с другом над отдельными проектами точечно, то теперь они закладывают фундамент научной организации нового типа — для решения более масштабных задач. Так, в состав консорциума могут входить исследовательские центры, специализирующиеся на смежных областях науки, и они будут делиться результатами систематически, что крайне важно для развития новых направлений, требующих междисциплинарного подхода. В 2021 году Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» выпустил из своих стен первых исследователей, прошедших обучение на программах iPhD (т. е. интегрированные программы «магистратура+аспирантура»). Эти программы, в том числе, легли в основу сотрудничества с другими научно-исследовательскими центрами в рамках будущих консорциумов «Инженерия здоровья», «Зеленые технологии» и «Квантовый интернет», которые планируется создать при поддержке программы «Приоритет 2030» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Фото: НИТУ «МИСиС»
Фото: НИТУ «МИСиС»
Инженерия здоровья
Консорциум «Инженерия здоровья», помимо НИТУ «МИСиС», включает восемь участников, среди которых два вуза — РНИМУ им. Н. И. Пирогова и Томский государственный университет (ТГУ). В объединение также войдут четыре клинических и академических учреждения, представители бизнес-сообщества. Главная цель консорциума — разработка новых способов диагностики и лечения тяжелых заболеваний, создание новых изделий медицинского назначения. Одно из направлений — изготовление при помощи технологий 3D-печати клеточно- и тканеинженерных конструкций для реконструкции костной ткани с учетом геометрии и индивидуальных особенностей каждого пациента. Исследуется также возможность биопринтинга мягких тканей.
«Индивидуализированная медицина подразумевает, что материал и форма каждого имплантата подбираются специально под конкретный случай, так же, как и клетки пациента,— объясняет кандидат физико-математических наук, директор НОЦ биомедицинской инженерии НИТУ "МИСиС", руководитель образовательной программы iPhD "Биоматериаловедение" Федор Сенатов.— Можно по томографии сконструировать подходящую пациенту геометрию имплантата, а также учесть хронические заболевания, возраст, пол и прочие параметры. К примеру, нельзя ставить одни и те же материалы молодым и пожилым людям, поскольку высокомодульные материалы, например, даже некоторые титановые сплавы, могут привести к разрушению костей».
Федор Сенатов
Фото: НИТУ «МИСиС»
Федор Сенатов
Фото: НИТУ «МИСиС»
Разработки НИТУ «МИСиС» уже активно используются в ветеринарии: не только индивидуализированные имплантаты, но и адаптивные медицинские конструкции, которые устраняют, например, коллапс гортани животного. «Недавно был такой случай,— рассказывает Сенатов.— Мопсу, которому сложно было дышать из-за коллапса гортани, установили стент, разработанный нами совместно со специалистами ветеринарной клиники при онкологическом центре им. Н. Н. Блохина. Конструкция была устроена так, что при помещении в организм стент раскрывается и раздвигает стенки гортани. В результате собака смогла свободно дышать». Схожие методы могут также с успехом применяться и в гуманитарной медицине после дополнительных этапов доклинических и клинических испытаний. Создание консорциума означает формирование мощной базы для дальнейшего внедрения конкурентоспособных на мировом уровне материалов и технологий в области биомедицины к 2030 году, говорит Сенатов. Кроме того, дополнительное финансирование в рамках программы «Приоритет 2030» также позволяет перейти от точечных исследований к совместной работе различных организаций над общими задачами по прорывным направлениям, что делает разработку биомедицинских решений более эффективной и быстрой.
В области материаловедения НИТУ «МИСиС» является ведущим вузом в стране, разрабатывает и применяет подходы получения и характеризации материалов в рамках общих задач консорциума. Объединившись в консорциум, участники программы «Приоритет 2030» смогут повысить эффективность лекарственных препаратов и медицинских изделий, комбинируя различные подходы и ноу-хау: материаловедческие методы, понимание взаимодействия с клетками, тканями и органами, а также подходы клеточных технологий, генетической инженерии, которые уже успешно разрабатываются партнерами.
«Наряду с рентгеновскими методами исследования, микроскопией и прочими широко применяющимися методами анализа в университете также используется уникальный метод — сканирующая ион-проводящая микроскопия, одним из создателей которой является профессор Imperial College London и НИТУ "МИСиС" Юрий Корчев.— рассказывает Сенатов.— Микроскоп позволяет визуализировать живые клетки, не касаясь их, а значит не повреждая их и не искажая изображение. С помощью этого метода можно изучать, как происходит питание клетки в режиме реального времени, что с ней происходит под действием тех или иных факторов (среды, лекарственных препаратов и др.)».
Участники будущего консорциума реализовывали совместные проекты и до старта программы «Приоритет 2030», но участие в ней улучшило координацию и укорило рабочие процессы, считает Сенатов. Участники задали общее направление в исследованиях, распределили задачи и роли. Немаловажную роль в этой конструкции играют представители бизнеса, говорит Сенатов: они понимают, насколько сложно довести разработку до внедрения, что не всегда понимают исследователи, а также помогают нам лучше понимать запросы и тенденции рынка.
Важнейшей задачей консорциума, как и программы «Приоритет 2030» вообще, является построение новых научных институтов, создание инфраструктуры, привлечение кадров, создание новых лабораторий. В результате будет заложен прочный фундамент для подготовки квалифицированных кадров в инновационных областях знания и технологий. В рамках консорциума планируется создать новые магистерские и аспирантские программы. В 2019 году в университете была запущена интегрированная магистерско-аспирантская программа iPhD «Биоматериаловедение», направленная на подготовку исследователей, ведущих разработки на стыке материаловедения, биологии и медицины. Уже за два года обучения в магистратуре студенты стали авторами и соавторами 19 статей в высокорейтинговых журналах, стали победителями различных конкурсов научных исследований и стипендиальных программ, был зарегистрирован патент на создание костного имплантата.
Квантовый интернет
Алексей Устинов
Фото: НИТУ «МИСиС»
Алексей Устинов
Фото: НИТУ «МИСиС»
Первые коммерческие квантовые компьютеры начали появляться на рынке несколько лет назад, их разработчиками были, среди прочих, компании Google и IBM. Это такие устройства, которые по вычислительной мощности на порядки превосходят обыкновенные компьютеры. Однако для чего их применять, пока не до конца ясно. «Это объясняется главным образом тем, что сами устройства являются пока уязвимыми, "хрупкими",— рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" и руководитель группы в Российском квантовом центре, профессор Алексей Устинов.— Многие сейчас лишь учатся работать с такими устройствами: ученые пытаются разобраться, какие алгоритмы можно на них выполнять, с какой точностью, насколько это все вообще оправдано. Но можно с уверенностью сказать, что в мире эти технологии будут бурно развиваться».
Развитие квантовых вычислений потребует соединения квантовых компьютеров в квантовые сети, продолжает Устинов: если взять, к примеру, два квантовых компьютера и соединить их с обычным, мы получим, что мощность каждого квантового будет сложена с мощностью другого. Но если соединять квантовые компьютеры между собой в квантовую сеть, объем вычислительных ресурсов будет равен мощности отдельных элементов сети, перемноженных между собой,— это уже совершенно другой масштаб, указывает Устинов.
Перед исследователями в этой сфере стоит множество вызовов. Например, сверхпроводниковые компьютеры и квантовая связь работают на фотонах различного диапазона: компьютеры — на квантах электромагнитного излучения микроволнового диапазона (с длиной волны в несколько сантиметров), а квантовая связь — на фотонах оптического диапазона. «Это инфракрасный свет, который распространяется в оптических волокнах и имеет длину волны полтора микрона,— объясняет Устинов.— На сегодняшний день не существует рабочего протокола передачи квантовой информации из одного вида фотонов в другой и обратно. Это одна из тех задач, которые мы будем здесь решать». Первым шагом станет изучение возможности связать между собой в единую сеть сверхпроводниковые процессоры, работающие на фотонах микроволнового диапазона.
Максим Абакумов, кандидат химических наук, доцент РНИМУ им. Н. И. Пирогова, кафедра медицинских нанобиотехнологий:
«В общем и целом, программа “Приоритет 2030” создает базу для более глубокой интеграции различных вузов, которые объединяют усилия для решения фундаментальных научных задач. РНИМУ им. Н. И. Пирогова и раньше сотрудничал с НИТУ “МИСиС” по развитию биомедицинских технологий: у нас имеется инфраструктура и оборудование для работы с животными и клетками, в МИСиС есть приборы для изучения и разработки новых материалов, отсутствующие в РНИМУ. Двусторонний обмен компетенциями приводит к естественному исследовательскому симбиозу. Создание же новых научных школ невозможно без дополнительного финансирования. Благодаря программе “Приоритет 2030” мы можем сосредоточиться на решении научных проблем, а не на поиске средств под отдельные исследования».
Максим Абакумов
Фото: НИТУ «МИСиС»
Максим Абакумов
Фото: НИТУ «МИСиС»
По словам профессора Устинова, это направление исследований пока представляет собой фундаментальную науку — разработки не дадут мгновенный экономический эффект. Переход к коммерческим продуктам на основе этих разработок ожидается не ранее, чем через семь-десять лет. Уже сегодня квантовая связь применяется для безопасной передачи данных: защита информации квантовой криптографией. Будущие разработки пригодятся в различных отраслях, главным образом там, где идет работа с большими данными. Пока это, однако, перспективы далекого будущего, говорит Устинов.
В рамках стратегического проекта «Квантовый интернет» программы «Приоритет 2030» НИТУ «МИСиС» планирует сотрудничество с МФТИ и МГТУ им. Н. Э. Баумана. МФТИ и НИТУ «МИСиС» и ранее вместе работали в проектах по сверхпроводниковым квантовым процессорам, сейчас ведут совместную деятельность по «дорожной карте» «Квантовые вычисления». В МГТУ имени Баумана имеется мощная технологическая база для изготовления сверхпроводниковых микросхем, которые нужны для выполнения квантовых вычислений.
«Работа консорциума направлена на будущее,— рассказывает Устинов.— Мы занимаемся фундаментальной наукой на стыке нескольких направлений, уже сейчас образующих принципиально новую область знаний. При этом мы не скованы постановкой более прикладных задач и достижением неких количественных показателей, что от нас требуется в работе по проектам "дорожной карты". До старта "Приоритет 2030" не было госпрограмм, которые финансировали бы решение таких масштабных задач. Это уникальный случай — собрать заинтересованных участников из разных университетов, которые могут внести свой вклад, чтобы все мы продвинулись дальше в этом научном направлении».
Важную роль в этом развитии играют молодые кадры, выпускники междисциплинарных образовательных программ, сочетающих в себе инженерные ноу-хау (например, создание высокочастотной электроники: высокочастотных микросхем, устройств усиления и обработки сигналов и пр.), IT-составляющую (управление квантовыми устройствами, выполнение алгоритмов) и теоретическую базу по квантовой механике. Кафедра теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» разработала программу iPhD «Квантовое материаловедение».
Кафедрой теоретической физики МИСиС заведовал выдающийся ученый физик-теоретик А. А. Абрикосов, впоследствии лауреат Нобелевской премии. Под его руководством в институте развилось новое научное направление — теория сверхпроводящих явлений — и был выработан особый стандарт преподавания физики, как теоретической, так и экспериментальной. Неслучайно при Абрикосове в 1978 году была открыта экспериментальная лаборатория синтеза новых материалов. В этом смысле новая лаборатория «Сверхпроводящие метаматериалы», основанная в 2011 году по мегагранту правительства РФ, которой сегодня руководит А. В. Устинов, как бы приняла эстафету на новом уровне развития сверхпроводящих технологий. В 2021 году состоялся первый выпуск магистратуры iPhD «Квантовое материаловедение», поддержанной проектом «5–100». Многие из выпускников пополнили научные коллективы этой и других лабораторий университета.
«Идея нашей программы проста,— рассказывает доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической физики и квантовых технологий НИТУ "МИСиС" Сергей Мухин.— Она состоит в том, чтобы привлекать студентов, которые хотят стать учеными и заниматься исследованиями на самом высоком доступном сейчас уровне — под руководством ученых и вместе с учеными, находящимися в авангарде науки». В программе iPhD магистратура напрямую связана с аспирантурой: студенты, которые успешно выполнили научную работу, защитили дипломы, переходят в аспирантуру (где, конечно, тоже сдается экзамен) — при успешном прохождении вступительных испытаний и при наличии рекомендации их научных руководителей. Таким образом, аспирантура становится естественным продолжением того, чем они занимались в магистратуре.
Александр Барях, доктор технических наук, академик РАН, член наблюдательного совета Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), директор Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ПФИЦ УрО РАН):
«С НИТУ "МИСиС" мы давно поддерживаем продуктивные, дружеские отношения, долгие годы мы сотрудничали с Московским горным институтом, ставшим впоследствии частью НИТУ "МИСиС". По тематике зеленых технологий мы вместе работаем в лабораториях ПФИЦ УрО РАН, созданных в научно-образовательном центре "Рациональное недропользование" и поддержанных грантом Министерства образования и науки. С точки зрения возможностей утилизации углеродных отходов Пермский край — довольно любопытное место: здесь есть Верхнекамское месторождение калийных солей, где могут быть созданы хранилища для захоронения отходов; уже отработанный, закрытый Кизеловский угольный бассейн, а также нефтяные пласты, в которых может производиться закачка углекислого газа. Ученые из НИТУ "МИСиС" исследуют вопрос о том, насколько угли Кизеловского угольного бассейна способны абсорбировать в своих трещиноватых пористых структурах углекислый газ. Мы также подали заявку в Минобрнауки на создание специального полигона, где будут производиться измерения и контроль за изменениями депонирования углерода. Это существенно ускорило бы наши исследования».
Особенность iPhD «Квантовое материаловедение» заключается еще в том, что некоторые курсы программы студенты НИТУ «МИСиС» проходят вместе со студентами МФТИ на базовой кафедре Российского квантового центра (РКЦ) в МФТИ, которой руководит доктор физико-математических наук, профессор Георгий Шляпников. «Фактически эта программа выпускает подготовленных специалистов в области квантовых технологий,— объясняет профессор Мухин.— Известно, что лазер — это квантовое устройство (пусть оно и было создано еще в 1960-е годы), излучающее громадное количество квантов. У нас же речь идет о манипуляциях с отдельными квантами, в этом новизна квантовой инженерии XXI века — управлять отдельными квантами и уметь измерять их состояния».
Помимо квантовой инженерии на кафедре также выполняются научные работы по теории механизма высокотемпературной сверхпроводимости, коллективным состояниям кубитов («квантовых битов») и других явлений в квантовой материи. При этом в качестве сверхпроводящих элементов используются устройства, разрабатывающиеся в лаборатории профессора Устинова: джозефсоновские переходы, сверхпроводящие сенсоры и другие. «В этом отношении у нас давно налажено взаимодействие,— говорит Мухин.— Кроме того, сотрудники лаборатории руководят существенной частью наших студентов — как экспериментаторов, так и теоретиков: таким образом студенты получают опыт научной деятельности и попадают в международную исследовательскую среду. Ведь без международного сотрудничества в области науки современную физику (в частности, развитие в сфере квантовой инженерии) невозможно себе представить».
Зеленые технологии
Если углерод вошел на предприятие в каком-либо виде, он потом окажется либо в материале, либо в воздухе, воде и земле
Фото: НИТУ «МИСиС»
Если углерод вошел на предприятие в каком-либо виде, он потом окажется либо в материале, либо в воздухе, воде и земле
Фото: НИТУ «МИСиС»
Задача консорциума «Зеленые технологии» состоит в масштабном мониторинге различных вредных для окружающей среды выбросов в горно-металлургических регионах. Университет науки и технологий «МИСиС» планирует привлечь к исследованиям региональные вузы и региональные подразделения РАН, которые специализируются на изучении воздуха, воды и земли. Потому что все выбросы горно-металлургических комплексов распределяются между этими тремя средами. Для добывающих и обрабатывающих предприятий исследования, проведенные в рамках консорциума, и рекомендации ученых станут подобием консалтинга по устойчивому развитию.
«Проблема выбросов на горно-металлургических производствах была всегда,— говорит кандидат технических наук, доцент кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий, директор института "ЭкоТех" НИТУ "МИСиС" Андрей Травянов.— Но к этой проблеме в каждом отдельном институте был свой, точечный подход. Теперь же мы рассчитываем положить начало более системному методу и отслеживать ситуацию, объединив усилия и технологии».
Финальный состав консорциума еще формируется. Однако уже на этом этапе можно обозначить дальнейшее распределение ролей среди участников. Академические институты имеют солидные компетенции в методиках контроля и оценки количества выбросов; научно-исследовательские институты и университеты расположены непосредственно в тех регионах, где действуют горно-металлургические предприятия. Многие из региональных университетов также участвуют в программе «Приоритет 2030».
Задача, которая стоит перед региональными вузами, в том, чтобы они предлагали предприятиям новые технологии и новые решения, приводящие к снижению выбросов и углеродного следа, использованию водорода в производстве. «В региональных вузах, с которыми мы работаем, очень хорошие научные коллективы и богатый практический опыт, поскольку изучаемые предприятия находятся рядом,— рассказывает Травянов.— А ведь в каждом регионе своя "история выбросов", которую важно учитывать в исследованиях».
НИТУ «МИСиС» представляет собой научно-исследовательскую базу, которая располагает самым современным оборудованием. В вузе работают научные коллективы, которые на протяжении десятилетий разрабатывали технологии, связанные с металлургией и горным делом. В лабораториях проводятся исследования на основе данных и аналитики, полученных от региональных институтов; совместными усилиями будет организована работа по мониторингу и анализу ситуации с выбросами, а также формированию предложений для предприятий по технологиям, которые соответствуют принципам устойчивого развития.
«Когда множество научно-исследовательских институтов работают над единой проблемой, данные должны собираться в соответствии с общим стандартом,— объясняет Травянов.— А чтобы мониторинг осуществлялся с предельной точностью, под каждый измеряемый параметр необходимо стандартизировать программно-аппаратные комплексы. Ведь исследовательское оборудование будет работать параллельно с производственными процессами». Финансирование по программе «Приоритет 2030» дает участникам объединения возможность скоординировать не только программу совместных исследований, но и «совпасть» в отношении оборудования, чтобы на выходе получалась более полная картина и удавалось анализировать процессы системно.
До сих пор столь масштабный мониторинг едва ли был возможен, говорит Травянов. Причина не только в том, что ранее не было координации,— трудно было собрать достоверные и совместимые друг с другом массивы информации, и предприятия с этим (информацией по выбросам) тоже помочь не смогли бы. «Теперь же нам достаточно будет получить от предприятий информацию о потоках материалов, а количество выбросов мы сможем отслеживать сами,— говорит Травянов.— Ведь термодинамику еще никто не отменял: если углерод вошел на предприятие в любом виде, он потом окажется либо в материале, либо в воздухе, воде и земле». Таким образом, задача ученых на ближайшие несколько лет — подготовка и реализация методов независимой, точной оценки по тем данным, которые будут собираться, говорит Травянов: вначале дискретно, а в конечном счете — в режиме реального времени; в противном случае всегда есть риск не зафиксировать залповые выбросы. По словам Травянова, ранее такой подход не получил должного развития в первую очередь из-за своей дороговизны и различных сложностей в получении информации.
Кроме оценки текущего положения вещей и прогнозирования будет впоследствии возможен ретроспективный анализ — в случае мелкодисперсных выбросов, формирующих отложения в земле (к примеру, золошламовых отходов, накапливающихся при производстве и ложащихся на поверхность слоями). Так можно будет определить, как изменялось количество и качество выбросов во времени — в зависимости от количества выпускаемой продукции, использовавшегося сырья, режима производства, а также с учетом климатических особенностей региона.
Масштабный мониторинг выбросов, сбор данных о производствах необходимы для создания новых технологий и методик, которые позволят предприятиям снижать свое негативное воздействие на окружающую среду, указывает Травянов. Как и моделирование процессов, внедрение таких технологий для снижения выбросов постепенно становится более экономически выгодным, чем уплата штрафов. Кроме того, производства carbon-free будут занимать более прочную позицию на мировом рынке. А чтобы к этому прийти и доказать, что предприятие снижает выбросы, необходимы надежные методики.
Одной из целей этого объединения является передача знаний и методов последующим поколениям исследователей и инженеров. «И здесь важнейшая составляющая нашей работы — создание образовательных программ на стыке между науками,— рассказывает Травянов.— Такие программы, как iPhD в НИТУ "МИСиС", это важные платформы для подготовки специалистов, которые будут нести в R&D-подразделения предприятий идеи, ноу-хау и технологии по снижению выбросов».