Техническое творчество — в массы!

Тринадцатого июня в Москве прошло очередное Научное кафе «Эпоха просвещения: перезагрузка?», организованное Фондом Андрея Мельниченко при помощи редакции журнала «Химия и жизнь». Темой встречи были проблемы образования в Российской Федерации. В частности, для участия в кафе пригласили учащихся из Кемерова, которых поддерживает фонд в рамках своей основной, образовательной программы. В ее рамках был создан центр «УникУм» при Кузбасском политехе. Задача центра — поиск перспективных школьников и привлечение их к научно-техническому творчеству. В зависимости от возраста перед школьниками ставят посильные задачи.

Тепло из Земли

Вот, например, Григорий Плаксин, закончивший в 2023 году 8-й класс. Он создал макет гидротермальной электростанции. Ни для кого не секрет, что внутри Земли есть бесконечные, с точки зрения человеческой цивилизации, запасы энергии. И, используя известный афоризм Мичурина, — взять их, вот наша задача. Однако сделать это совсем непросто, ведь легкодоступное тепло планеты низкопотенциально, то есть имеет крайне низкий потенциал нагрева. Есть устройства, позволяющие нагревать подземным теплом небольшой дом на поверхности земли, но для промышленной энергетики это не годится. Для нее нужны вода или пар с температурой выше 100°С. Такая горячая вода имеется лишь в районах вулканической активности, а на территории России — это Камчатка, Курильские острова и, возможно, Кавказ. Именно на Камчатке при советской власти построили две геотермические станции. Одна, Паратунская, использует горячую воду с температурой 70—100°С для отопления близлежащих помещений бальнеологической клиники. Вторая, Паужетская ГеоЭС, предназначена для выработки электричества за счет использования перегретого пара, поступающего из недр Земли. Опыт ее работы учли в новом комплексе Мутновских ГеоЭС, работающих с 2002 года.

Впрочем, перед Григорием Плаксиным не стояла задача показать технические нюансы работы такого рода станции, главное было продемонстрировать принцип. С использованием 3d-принтера он изготовил миниатюрные котлы, теплообменники, градирни и прочие устройства, которые нужны для превращения тепла Земли в электричество, и собрал электромеханическую схему, которая показывала работу этой электростанции. Турбины вращались, из градирен и гейзера шел пар, офисное здание сияло электрическими огнями.

Как часто бывает у начинающего инженера, не все системы были продуманы. Например, как раз во время демонстрации макета перед журналистами кончился заряд питающего аккумулятора. Это не беда, а опыт: необходимо всегда продумывать резервные системы питания важных объектов.

Такие ошибки совершают и опытные инженеры, как тут не вспомнить фиаско посадочного модуля Филы на комете Чурюмова–Герасименко во время экспедиции «Розетта» Европейского космического агентства. Оснащенный лишь солнечной батареей, Филы попал в зону вечной тени и не смог выполнить обширную программу исследования минералов кометы. А ведь так просто было оснастить его радиоактивным источником питания.

Григорий Плаксин рассказывает о тонкостях работы своего макета геотермальной электростанции

Мене, текел, фарес

Обучающая система создания искусственного интеллекта, ИИ, — это то, над чем работает ученик 11 класса Вячеслав Чертан. Сейчас свой ИИ не пытается создавать только ленивый, а в основе любого ИИ лежит нейронная сеть. Она на программном уровне моделирует работу мозга, для чего в ней есть узлы, хранящие информацию о способах обработки входящих данных.

Как следует из теории, для каждого явления, в том числе общества и самого человека, есть система линеек, позволяющих его измерить и запротоколировать. При этом, в соответствии с принципом «мене, текел, фарес» (исчислен, взвешен, разделен), изложенном невидимой рукой на стене во время пира Валтасара, каждому свойству присваивается вес. При обучении нейронная сеть совершенствует свою систему мер и весов и в результате приобретает способность объяснять значения даже туманных фраз.

При создании реальной нейросети инженер-программист должен решать задачу оптимизации, а именно, сколько нейронов нужно в нее встроить, чтобы задача была решена в обозримое время. Конечно, в идеале, и этого идеала когда-нибудь люди достигнут, число нервных узлов сети достигнет уровня триллиона и превысит способности человеческого мозга. Однако при нынешней кремниевой вычислительной технике эта задача нерешаема. А вот, скажем, моделирование мозга (если это так можно назвать) пчелы, который состоит из двух десятков нервных узлов, уже под силу.

В созданной при участии Вячеслава Чертана программе можно задавать число узлов нейронной сети и решать простейшую задачу — определять принадлежность растения к тому или иному виду. В зависимости от того, сколь успешно сеть справляется с задачей, число узлов можно изменять в большую или меньшую сторону. Несомненно, по мере совершенствования, эта обучающая система превратится в прекрасный полигон, на котором творцы искусственного интеллекта смогут оттачивать свои умения и создаваемые ими ИИ будут решать поставленные задачи не хуже, чем упомянутые пчелы с их двумя десятками нервных узлов, и уж точно лучше, чем советники Валтасара с их триллионом нейронов на всех, которые не поняли, что надпись на стене означает: ты разгневал Господа, и он отдал твое царство персам; что и случилось наутро после упомянутого пира.

Вячеслав Чертан (на переднем плане) всегда готов обсудить проблемы нейронных сетей, а Егор Семенов — способы повышения рентабельности утилизации старых шин

От шины к маслу апельсина

Егор Семенов, который в 2023 году окончил 10-й класс, решал менее общую, но не менее актуальную задачу, чем ИИ, — как обеспечить рентабельную переработку шин. Для Кузбасса эта задача чрезвычайно важна: суть ее сразу поймет любой, кто видел карьерный самосвал. А для того, кто не видел, сообщаем: его шина в два-три раза больше роста человека. И эти гигантские шины — расходный материал, который нужно куда-то девать.

Для утилизации любых шин придумано немало процессов, «Химия и жизнь» беспрерывно о них сообщает с самого своего основания в 1965 году. Люди пробуют все, от размола и добавления крошки в асфальт или гибкую черепицу до пиролиза. Однако соответствующие предприятия ведут себя подобно грибам: при наличии дождя финансирования они как будто развиваются, но как только выясняются финансовые и организационные нюансы, то засыхают на корню, а проблема шин при этом остается. Выход ищут в комплексной переработке, когда шины не сжигают или закапывают, а извлекают из них дорогой продукт, способный увеличить прибыль переработчиков.

Такими дорогими веществами оказались лимонен и цимен. Первый составляет основу запаха апельсина, а второй служит консервантом, в частности, для косметики. Основой переработки шин служит пиролиз, то есть нагрев шинной крошки без доступа кислорода. При этом составляющие резину углеводороды распадаются на пиролизный газ, пиролизное масло и уголь. О том, как использовать уголь, рассказано в статье в этом номере, газ сжигают, а вот насчет масла имеются идеи.

Простейшая — использовать как жидкое топливо — особой популярностью не пользуется. Поэтому возникает желание применить масло как химическое сырье. Однако химикам нужно сырье стабильного состава. Именно на Кузбассе с этим нет проблем: шины карьерных самосвалов и, соответственно, продукты их переработки имеют вполне стабильный состав. Для выделения лимонена и цимена Егор Семенов собрал лабораторную установку, выявил параметры пиролиза, дающие максимальный выход этих веществ, а также условия двойной перегонки, обеспечивающие высокий выход этих продуктов.

Примерно так, работая с каждым одаренным школьником, Фонд Андрея Мельниченко помогает формировать новое поколение технической элиты страны. В принципе, сложившаяся в РФ ситуация не уникальна. В КНР культурная революция и безумные действия хунвейбинов выкосили одно поколение исследователей во всех областях науки и культуры, оставив престарелых профессоров наедине с малограмотной молодежью. Китайцы решили проблему кадров за счет образования за границей. Теперь нас жизнь заставляет исправлять допущенные в 90-е годы ошибки, однако есть шанс обойтись своими силами.