Голографическая звукозапись и генератор воды из воздуха: главные изобретения России в июле

💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.

Будущее звукозаписи: голографическая запись и воспроизведение звука

💡 Простыми словами

В МГУ нашли способ отойти от существующих систем создания стереозвука, которые лишь создают иллюзию объёмного звучания, придумав голографическую звукозапись. Благодаря системе из сотен микрофонов и динамиков звуковые волны будут записываться и воспроизводиться максимально идентично реальности. Фактически, люди будут слышать настоящий звук, а не эффект. Автор уверен, что в кинематографе, на телевидении и радио начнётся новый этап, когда стереозвук будет вытеснен голографическим звуком, как в своё время стерео- вытеснил монозвук.

👨‍🔬 Детально

Первый прибор для записи звука был изобретён Томасом Эдисоном в 1877 году. Фонограф фиксировал механические колебания мембраны-микрофона, вырезая специальной иглой канавки на звуконосителе (фольга на цилиндре). При воспроизведении звук был недостаточно громким, а звуконосители быстро изнашивались. Однако технологии совершенствовались. Вскоре появились граммофоны с пластинками, плёночные кассеты, а затем пришёл век цифровых технологий. Современные системы записи и воспроизведения звука решают практически все проблемы (качество, громкость, долговечность), кроме одной — объёмный звук. Конечно, стереозвук, квадрозвук, объёмное звучание, купол звука, эффект погружения и тому подобные системы используют бинауральный эффект, возникающий при восприятии звука двумя ушами, создавая иллюзию реального звучания. Фактически, это обман человеческого слуха также, как и в случае стереоочков, которые создают псевдотрёхмерное изображение.

Алексей Осокин, кандидат физико-математических наук, сотрудник Управления Программой развития Московского университета, получил патент на совершенно новую систему звукозаписи, которая позволяет восстанавливать вид звуковой волны в пространстве именно такой, какой она идет от реального источника. Идея состоит в том, чтобы производить запись одновременно на сотни маленьких микрофонов, плотно расположенных друг у другу. Каждый из них будет фиксировать сумму приходящих в конкретную точку звуковых волн. Система воспроизведения же должна состоять из такого же количества небольших динамиков. Соседние динамики будут также передавать соответствующие соседним микрофонам колебания, которые различны, поскольку до каждого из них звук доходит в разное время. Интерференция создаваемых динамиками волн восстановит фронт падающей на площадку с микрофонами волны максимально точно, в чем и заключается принцип Гюйгенса. В данном случае звук будет восприниматься независимо от особенностей слушателя.

Нашли способ уничтожать патогенные бактерии лазером

💡 Простыми словами

Учёные обнаружили, что свет инфракрасных лазеров способен лишать бактерии активности и способности к размножению (эксперимент проводился на золотистом стафилококке и синегнойной палочке) не хуже существующих методов обеззараживания, но при этом не нанося вреда человеку. Такой метод можно использовать в медицине и промышленности для обработки инструментов, поверхностей и ран. А в будущем есть перспектива создания портативного инфракрасного обеззараживателя.

👨‍🔬 Детально

Широкое применение антибиотиков привело к тому, что сегодня в мире растёт доля микроорганизмов, устойчивых к ним. Антибактериальные средства становятся всё менее эффективными, поэтому становится актуальным поиск других способов обеззараживания. Одним из таких является применение химических дезинфицирующих средств, которые разрушают надструктуру белков и других основных компонентов клеточной оболочки, нарушая клеточный метаболизм. Однако они точно так же влияют и на клетки человека, поэтому могут применяться лишь в редких сценариях. Также для для решения проблемы резистентности микроорганизмов применяют ультрафиолетовое облучение. Оно ведёт к фотолитическому или фотохимическому повреждению молекул клеток и разрушает ДНК. Однако это может приводить к мутациям. ДНК млекопитающих также подвержено данному эффекту (к примеру, у человека из-за УФ-облучения может развиваться меланома).

Учёные из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН решили использовать лазеры среднего инфракрасного диапазона для разрыва водородных связей в молекулах белков и нуклеиновых кислот бактерий, от чего они теряют активность и способность к размножению. Исследователи помещали бактерии культур золотистого стафилококка и синегнойной палочки на подложку из фторида кальция толщиной 1 миллиметр и облучали фемтосекундными лазерными импульсами среднего ИК-диапазона с длиной волны 3 и 6 микрон. Эти длины волн соответствуют частотам колебаний амидных групп белков и нуклеиновых кислот (6 микрон) и С-H колебаний углеродного скелета, наиболее распространенной связи для всех биополимеров (3 микрона). Длительность импульса составляла 130 фемтосекунд, энергия импульса — до 4 микроджоулей, а частота — 1 килогерц. Для обеих бактериальных культур спектры показали синий спектральный сдвиг и просветление образцов в спектральном диапазоне характерных колебаний связей С-N (входят в состав белков и нуклеиновых кислот) и C-H (наиболее распространенные связи во всех биополимерах), что означает разрыв водородных связей. Таким образом, облучение инактивирует микроорганизмы, разрушая жизненно важные структурные единицы бактериальной клетки: ДНК, РНК, белки и клеточную стенку.

Технологию лазерного обеззараживания можно будет использовать в медицине для стерилизации инструмента и обработки ран, причём даже глубоких, а также для лечения злокачественных опухолей, так как излучение среднего ИК-спектра может проникать вглубь организма и не обладает мутагенными свойствами. Также она применима в пищевой промышленности для бесконтактной дезинфекции продуктов через прозрачную упаковку. А если дело дойдёт до создания портативных ИК-обеззараживателей, то обрабатывать помещения, инструменты и раны сможет каждый в бытовых условиях.

Разработали систему терморегулирования малых спутников

💡 Простыми словами

Роскосмос придумал терморегулирующую «чешую» механического действия, которая будет защищать аппаратуру микроспутников на орбите Земли от перегрева без затрат электроэнергии и внешнего управления. Испытания первых образцов планируют провести на МКС.

👨‍🔬 Детально

На данный момент малые космические аппараты в основном запускают на низкие орбиты с малым периодом обращения вокруг Земли. Это означает, что они практически не подвержены ни переохлаждению в тени планеты, ни перегреву на солнечной стороне. Однако при переходе на более высокие орбиты или же просто при уменьшении размеров спутников в будущем, проблема недостаточной теплоёмкости аппаратов стоит очень остро. Для её решения холдинг «Российские космические системы» (входит в Роскосмос) разработал адаптивную систему терморегулирования микроспутников, построенную по принципу чешуи. Она обладает малыми массогабаритными характеристиками и не требует электропитания. Механизм её работы основан на технологии микромеханических систем с подвижными элементами. В качестве материалов использованы термомеханические полиимид-кремниевые актюаторы (активный элемент, преобразующий один вид энергии в другой), на которые крепятся светоотражающие элементы. В зависимости от интенсивности солнечного излучения светоотражающее покрытие спутника автоматически меняет форму (вращаются пластины), предохраняя аппаратуру космического аппарата от перегрева без затрат электроэнергии и внешнего управления.

Разработали генератор для получения чистой питьевой воды из воздуха

💡 Простыми словами

Гидропанель представляет собой автономный генератор чистой питьевой воды из атмосферного воздуха. В любом месте, где есть солнечный свет, а влажность воздуха составляет более 5 % (то есть практически везде на Земле), можно получать воду, что актуально не только для некоторых регионов России, но и стран Африки, Ближнего Востока и так далее. Устройство может работать как автономно от солнечных батарей, так и от сети для промышленного получения питьевой воды.

👨‍🔬 Детально

Команда российских учёных и инженеров во главе с кандидатом химических наук Ильей Меньщиковым из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, который стал победителем четвёртого сезона президентского конкурса управленцев «Лидеры России», создала уникальный сорбционный генератор атмосферной воды — гидропанель. С его помощью можно получать чистейшую питьевую воду из атмосферного воздуха. Устройство полностью автономно, компактно и пригодно для работы в бытовых условиях при минимальной влажности воздуха (более 5 %). Принцип работы довольно простой: адсорбент, установленный в гидропанели, впитывает влагу из воздуха в ночное время. Днём устройство получает энергию от солнечных лучей благодаря специальному селективному экрану. Начинается процесс выпаривания влаги из адсорбента, а затем происходит конденсация в жидкое состояние. Таким образом с одного квадратного метра гидропанели за сутки можно получить до четырех литров воды высочайшего качества. Устройство отлично вписывается в концепцию умного экодома, а также может быть полезно в местах с проблемным доступом к питьевой воде (к примеру, в Африке). Гидропанель превосходит единственный аналог (производится в США) по ключевым параметрам (габаритам, производительности, стоимости, порогу влажности воздуха). Производство комплектующих частей и сборка запланированы на 2023 год.

Открыли новый эффект, который поможет в разработке энергоэффективной электроники

💡 Простыми словами

Во Владивостоке учёные открыли бесполевой сверхпроводниковый диодный эффект (СДЭ) в тонкоплёночных многослойных системах. Благодаря этому уже сейчас можно производить энергоэффективную электронику для космических аппаратов, а в будущем — энергонезависимые запоминающие устройства, логические элементы и так далее.

👨‍🔬 Детально

Обычные полупроводниковые диоды обладают электрическим сопротивлением. К тому же оно растёт при уменьшении температуры, что приводит к сильным потерям энергии. Одним из решений данной проблемы было бы использование сверхпроводящих диодов, которые имеют нулевое электрическое сопротивление в определённом направлении тока. Однако для их работы требуется внешнее магнитное поле, что создаёт новую проблему. Учёные Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с зарубежными коллегами предложили использовать нарушение зеркальной симметрии относительно пространственной инверсии при создании сверхпроводящего диода. Они взяли многослойную систему в виде микропроволоки из сверхпроводящих ниобия (Nb), тантала (Ta) и ванадия (V) и ферромагнетика кобальта (Co). Оказалось, что изменяя направление намагниченности слоя Co и полярность приложенного тока, учёные смогли контролировать плотность тока.

Таким образом, проявился сверхпроводниковый диодный эффект в состоянии, когда не было внешних воздействий магнитным полем, а направление эффекта контролировалось изменением направления намагниченности слоя ферромагнетика. Сам механизм управления СДЭ магнетизмом для учёных пока остался не ясен, но на практике метод уже можно применять в электронике и электротехнике. Правда, как отметил проректор по научной работе ДВФУ Александр Самардак, на данный момент есть ещё порог по рабочим температурам. Поэтому в бытовой электронике пока прорывов ждать не стоит, но вот для электронных компонентов космических аппаратов метод подходит. Данная исследовательская работа была выполнена в рамках программы «Приоритет 2030».