Солнце в реакторе и квантовые котики: в Ижевске завершился фестиваль науки «КСТАТИ: СИНТЕЗ»

Термоядерная энергетика, квантовые вычисления и создание живых тканей стали темами второго дня фестиваля науки «КСТАТИ: СИНТЕЗ», организованного Информационным центром по атомной энергии (ИЦАЭ) Ижевска при поддержке Госкорпорации «Росатом». Мероприятия прошли 17 октября в Национальной библиотеке Удмуртской Республики и были посвящены теме «Энергия будущего».

На интерактивной семейной игре «Построй город на другой планете» дети и родители решали, как обеспечить будущее поселение энергией. Участники строили из картона модели градирни, энергоблока, турбины и токамака, экспериментировали с конструкциями и искали собственные инженерные решения. Готовые объекты гости объединили в макет электростанции будущего.

На лекции «Термоядерный синтез: Солнце в реакторе» руководитель пресс-службы Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Александр Петров рассказал, как учёные пытаются воспроизвести на Земле процессы, благодаря которым светят звёзды. Спикер познакомил слушателей с историей термоядерных исследований и объяснил, как их результаты могут помочь создать новый источник энергии.

Масштаб международного проекта ИТЭР Александр показал через сравнения со знакомыми объектами: «Двадцать три тысячи тонн будет весить только реакторная установка. На площадке сооружения реактора ИТЭР поместится шестьдесят футбольных полей». Массу токамака спикер также сопоставил с Эйфелевой башней: установка будет более чем втрое тяжелее её металлической конструкции.

Показав фотографию моря, Александр предложил увидеть в нём источник сырья для будущей энергетики: «Это не просто море, а ещё и термоядерное топливо». Речь шла о дейтерии, тяжёлом изотопе водорода, который содержится в воде и будет использоваться в реакторе вместе с тритием. На этом примере спикер объяснил, почему доступность сырья привлекает исследователей, работающих над термоядерной энергетикой.

Ток-шоу «Квантовые вычисления и при чём тут котики» провёл кандидат физико-математических наук, руководитель научных групп в «Росатом Квантовые технологии» и Российском квантовом центре Дмитрий Чермошенцев. Он рассказал, как исследования света и вещества привели к появлению квантовой механики, а затем помогли создать привычные сегодня устройства, включая лазеры и транзисторы.

Обращаясь к истории компьютеров, спикер объяснил, почему уменьшение транзисторов позволило сделать вычислительную технику компактнее и производительнее: на одном чипе стало помещаться больше элементов. Однако у этого подхода есть физические ограничения. «До бесконечности уменьшать не можем. В какой-то момент нам необходимо будет уменьшить до размера одного атома», — отметил Дмитрий. Кроме того, некоторые задачи, например моделирование сложных молекул, требуют огромных вычислительных ресурсов. Одним из возможных способов их решения стали квантовые вычисления.

Чтобы объяснить их принципы, учёный познакомил слушателей с суперпозицией и мысленным экспериментом Шрёдингера. В закрытом ящике находятся кот и устройство, которое при распаде атома выпускает яд. Как пояснил Дмитрий такая аналогия позволяет лучше понять явление квантовой суперпозиции, когда система одновременно находится в двух состояниях: в одном кот жив, в другом мёртв.

Затем спикер сравнил обычный и квантовый компьютеры. Первый хранит информацию в битах, принимающих значение ноль или единица. Второй использует кубиты, которые могут находиться в суперпозиции нуля и единицы. При измерении отдельного кубита с некоторой вероятностью получается только один из двух результатов, поэтому для реализации квантовых вычислений нужны специальные алгоритмы, позволяющие этой вероятностью управлять. Дмитрий рассказал и о том, из чего создают такие устройства: роль кубитов могут выполнять атомы, ионы, фотоны или сверхпроводящие электрические схемы. Их состояния необходимо защищать от внешних воздействий, которые нарушают работу квантовой системы.

Как подготовить цифровую модель, выбрать способ печати и заранее оценить качество изделия, гости фестиваля узнали на мастер-классе «Синтез формы». Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Центра коллективного пользования «Центр аддитивных технологий» Георгий Гордеев рассказал, как послойное изготовление помогает создавать конструкции, которые трудно получить традиционными методами. Среди примеров он назвал имплантаты, форму которых можно подобрать под конкретного пациента.

Спикер объяснил, что качество металлической детали зависит от режима печати: нагревание и остывание влияют на структуру материала и образование дефектов. Чтобы подобрать подходящие условия до изготовления изделия, исследователи создают компьютерные модели этих процессов. Георгий представил систему инженерного анализа «Виртуальный 3D-принтер», разработанную по заказу Госкорпорации «Росатом». Она позволяет моделировать процесс печати и прогнозировать характеристики готовой детали.

С несколькими способами трёхмерной печати участников познакомил Родион Коньшин, инженер Центра аддитивных технологий общего доступа (ЦАТОД) УдГУ. В одном случае принтер послойно укладывает расплавленный пластик, в другом свет отверждает выбранные участки жидкого фотополимера. Для металлических изделий используют лазер, который сплавляет частицы порошка. Спикер объяснил, чем такой подход полезен при изготовлении деталей сложной формы, например с внутренними каналами для охлаждения, до которых трудно добраться обычным режущим инструментом.

Как получить цифровую модель уже существующего предмета, показала инженер Центра аддитивных технологий и обработки данных Удмуртского государственного университета Анна Широбокова. Сначала сканер собирает данные о поверхности объекта в виде облака точек, затем по ним строится сетка из треугольников, передающая его форму. На однородной поверхности прибору бывает трудно найти ориентиры. В таких случаях помогают специальные метки: их размещают в нерегулярном порядке, чтобы программа могла различать участки предмета и совмещать результаты измерений.

Участница Наталья Меркушева отметила, что мастер-класс помог ей иначе взглянуть на трёхмерную печать: «Раньше мне казалось: нарисовал что-нибудь на компьютере, нажал кнопку и получил готовую вещь. Теперь интересно смотреть на обычные предметы и думать, как бы я их напечатала. Например, что стоило бы изменить в конструкции, чтобы сделать вещь удобнее».

На лекции «Биофабрикация: вырасти себе сердце» кандидат биологических наук, доцент Российского научного центра хирургии имени академика Б. В. Петровского, учёный секретарь Физтех-школы биологической и медицинской физики МФТИ Илья Зубарев рассказал, как исследователи создают живые ткани. Например, при биопечати используют гидрогель, который помогает удерживать клетки на нужных местах и послойно формировать объёмную конструкцию. При этом внешнего сходства с органом недостаточно: необходимо воспроизвести его внутреннее строение и функции.

На примере хрящевой ткани было показано как небольшие живые кусочки хряща могут стать строительным материалом для восстановления повреждений. В лаборатории выращивают фрагменты хряща размером меньше миллиметра. Если расположить их рядом, они способны соединяться, постепенно образуя более крупную тканевую конструкцию. Илья рассказал, что этот подход исследуют для восстановления суставного хряща, который плохо заживает самостоятельно.

От восстановления тканей учёный перешёл к другой задаче биологии: выращиванию мяса из клеток животных. Для этого клетки из небольшого образца ткани размножают в специально подобранной питательной среде. Илья предложил представить длительную экспедицию на Марс: перевозить и содержать животных было бы сложно, поэтому учёных интересует возможность производить пищу из клеточных культур. Однако сделать такое производство доступным и наладить его в больших объёмах пока непросто.

Во второй день гости могли посетить в арт-зоне выставку «Природа вдохновляет технологии». Молодые художники, студенты направлений дизайна и графики посвятили свои работы биомиметике: тому, как формы и принципы устройства живых организмов подсказывают инженерные решения. Посетители также могли послушать музыку, созданную с помощью сигналов датчиков на листьях живых растений, и увидеть рыбок тернеций, свечение которых связано с флуоресцентными белками.

Фестиваль завершился научно-музыкальным ток-шоу «Квадрат эволюции», объединившим фотографию, физику и живую музыку. Член Союза фотографов дикой природы, победитель и лауреат всероссийских и международных фотоконкурсов Вячеслав Ложкин показал, как освещение меняет настроение снимка. Спикер объяснил, чем отличаются жёсткий и мягкий свет: прямые солнечные лучи создают чёткие тени, а в пасмурную погоду переходы между освещёнными и затенёнными участками становятся плавными.

О процессах, благодаря которым светит само Солнце, рассказал руководитель пресс-службы Проектного центра ИТЭР Госкорпорации «Росатом» Александр Петров. Он объяснил, как учёные изучают возможности применения термоядерного синтеза в энергетике, и познакомил слушателей с историей токамака. Его концепцию разработали советские учёные. В такой установке мощное магнитное поле удерживает горячую плазму внутри камеры.

Вячеслав Ложкин рассказал, как особенности зрения птиц влияют на подготовку к съёмке дикой природы. Они воспринимают цвета иначе, чем человек, а некоторые виды способны различать и ультрафиолетовое излучение, недоступное нашему глазу. Для фотографа это важно при выборе маскировки: материалы, которые кажутся нам похожими, могут по-разному выглядеть для пернатых. На примере съёмки журавлей спикер объяснил, почему укрытие, незаметное для человека, может привлечь внимание птиц.

О том, как научные исследования объединяют специалистов разных стран, Александр Петров рассказал на примере проекта ИТЭР. В 2026 году исполняется 20 лет со дня подписания соглашения о создании организации, отвечающей за его реализацию. Основной вклад партнёров состоит в поставках оборудования: компоненты разрабатывают и изготавливают в разных странах, а затем отправляют на общую площадку для сборки.

Российские предприятия и исследовательские центры отвечают за 25 систем будущей установки. Например, за создание испытательного стенда для проверки оборудования в условиях вакуума и нагрева перед монтажом на реакторе.

Выступления спикеров дополнили видеокадры о проекте ИТЭР под живую музыку дуэта «Гальярда». Скрипачка Полина Бабушкина и гитарист Геннадий Бабушкин исполнили Anda Jaleo Хосе Марии Гальярдо дель Рея, Luz das cordas Марко Перейры и Magic Place Зёнке Майнена.

Фестиваль науки «КСТАТИ» – это марафон интерактивных лекций, научно-популярных ток-шоу, интеллектуальных игр и мастер-классов, цель которых – рассказать участникам об интересах современной науки и проблемах, которыми занимаются учёные по всему миру, а также о том, какое значение имеют научные исследования для повседневной жизни обычного человека.