В рамках проекта академический час для школьников «Выбери профессию в науке» ученые Сибирского отделения РАН рассказали старшеклассникам о разработке современного компактного робота-снегоуборщика, исследовании процессов теплообмена при кипении и испарении, а также о петротермальной энергетике.
«В Высшем колледже информатики Новосибирского государственного университета, где я преподаю, возникла идея создания автономного робота, который будет убирать снег — ездить, как трактор и тяжелая снегоуборочная техника, но без водителя, и при этом решать поставленные задачи по очистке пространства, — поделился старший научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, старший преподаватель кафедры общей физики ФФ НГУ, доцент ВКИ НГУ кандидат физико-математических наук Игорь Анатольевич Козулин. — Решением аналогичной проблемы занимались в Екатеринбурге, но у них пока робот остался на стадии макета. Мы же начали с того, что закупили раму, поставили на нее аккумулятор, к раме прикрепили «голову» и ковш. Вся эта конструкция получилась довольно массивной — около метра в ширину и чуть больше метра в высоту и длину. Со всех сторон робот облеплен датчиками — ультразвуковыми и инфракрасными, чтобы он мог «понимать», где находится и что делает».
Планируется, что габариты машины позволят убирать снег на тротуарах и дорожках города, время работы без подзарядки составит до двух часов. Окончательная версия снегоуборщика будет представлять собой автономную роботизированную платформу, оборудованную датчиками и видеокамерами и способную, подобно человеку, ориентироваться и выполнять задания на открытом пространстве.
Установка важнейшего компонента робота — видеокамеры — ведется сейчас. В результате записи и обработки видео робот, в перспективе, сможет распознавать, кто перед ним стоит — человек или препятствие, и предпринимать какие-то действия.
«На самом деле научить компьютер думать, в частности понимать, что перед ним не просто набор цветов, а человек — это очень сложная комплексная задача. На семинарах по обработке видеоизображений, проведенных в Новосибирском государственном университете, были написаны программные фильтры, реализующие самые важные базовые функции «зрения» снегоуборщика — регистрацию лиц, простых фигур. Надо отметить, что тема компьютерного зрения очень актуальна, можно сказать, что за ней будущее, и специалистов в этой области катастрофически не хватает», — отметил Игорь Козулин.
Для обработки сигналов, поступающих с более чем тридцати датчиков робота, предназначен головной микрокомпьютер, два микроконтроллера STM 32F4 Discovery, «руководящие» всей массой датчиков, и драйверы, осуществляющие связь между микроконтроллерами и двигателями.
Пока это только первый прототип робота, в его задачи будет входить чистка дорожки шириной около метра, причем первая модель спроектирована на колесах, а не на гусеницах для того, чтобы увеличить маневренность — на каждом колесе установлено по два мотора, что дает высокую мобильность. Сейчас готова базовая версия снегоуборщика с установленным головным блоком управления и датчиками движения.
Заведующий лабораторией низкотемпературной теплофизики Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН член-корреспондент РАН Александр Николаевич Павленко рассказал школьникам о некоторых научных направлениях, которыми занимаются ученые в ИТ СО РАН.
«Мы исследуем процессы теплообмена при кипении и испарении. Кипение — это самый интенсивный и поэтому основной механизм отвода тепла. Он используется в тепловой и атомной энергетике, задействован при работе холодильной техники, тепловых насосов, радиоэлектроники. Отвод тепла происходит во время кипения или испарения очень тонких, быстро движущихся пленок жидкости. Для изучения этого механизма нашими сотрудниками используется синхронизированная высокоскоростная видеосъемка, позволяющая выяснять распределение температурных полей в процессе кипения. Мы можем одновременно получать огромное количество информации по локальным характеристикам — например, наблюдать рост единичного парового пузырька», — подчеркнул Александр Павленко.
Поскольку теплоотвод методом кипения и испарения широко используется в энергетике, решение задачи о том, как еще больше интенсифицировать этот процесс, имеет большое значение. В этом случае исследователями ИТ СО РАН применяется метод микроструктурирования поверхностей на микро- и даже наноуровне с помощью механической обработки, спекания порошков различных металлов, газотермического напыления и другими способами. Это позволяет увеличить площадь центров парообразования, что приводит к многократному увеличению коэффициента теплоотдачи.
Одна из областей практического применения пленочных течений в современных технологиях — сжижение природного газа в спиральных теплообменниках.
«На заводе по производству сжиженного природного газа проекта «Сахалин-2» используется технология сжижения природного газа с применением смешанного хладагента, представляющего собой смесь азота, метана, этана и пропана. Охлаждение газа в спиральных трубах до температуры −160 °C происходит при испарении стекающей по внешней поверхности труб пленки хладагента. В результате газ внутри труб переходит в жидкое состояние и уменьшается в объеме в 600 раз. Таким образом получается сжиженный природный газ, который можно перевозить и хранить, причем при атмосферном давлении», — добавил Александр Павленко.
Завершая выступление, ученый рассказал о перспективном направлении получения энергии — петротермальной энергетике. На расстоянии 3—10 км от поверхности Земли горные породы имеют температуру порядка 350 °C. Если пробурить скважины, куда будет закачиваться вода и проходить через пористые слои высокотемпературных пород, то на «выходе» нагретую воду можно использовать напрямую для генерации электроэнергии.
— Тепла глубинных слоев Земли достаточно для того, чтобы навсегда обеспечить человечество энергией, — заметил Александр Павленко.
Надежда Дмитриева
Фото из презентаций спикеров
