Новости

Новые агротехнологии для Арктической зоны

31.07.2023

В лаборатории искусственного климата научного центра "Агротехнологии будущего" РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева реализуют флагманский проект "Новые агротехнологии для Арктической зоны". Для выращивания овощей и зелени в сложных климатических условиях создали умные сити-фермы — вертикальные теплицы с датчиками освещения, температуры и влажности. Это мобильные модульные системы замкнутого цикла. Им найдется место и в удаленных воинских гарнизонах, и в поселках вахтовиков, на полярных станциях, буровых платформах, в подъездах жилых домов и даже на подводной лодке. В виде контейнеров их можно доставлять морем в арктические порты. Установленные рядом с населенными пунктами, они способны круглогодично обеспечивать местных жителей свежими овощами, ягодами, зеленью. Причем получится гораздо дешевле, чем сейчас, когда привозят на самолетах. "Это позволит приблизить салатно-зеленую продукцию к потребителю и повысить качество жизни людей в отдаленных регионах", говорит заведующий кафедрой физиологии растений РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева профессор Иван Тараканов. "Такие агротехнологии востребованы не только на Крайнем Севере, но и на Юге, например, на засушливом Аравийском полуострове. Там слишком жарко и много солнечной радиации, а это плохо для растений". В лаборатории — в подвальном помещении без солнечного света — ученые выращивают салат, петрушку, рукколу, базилик, томаты, ягоды. В вертикальных теплицах можно культивировать любые виды зелени, плодов и овощей. И по вкусу, содержанию полезных веществ они не уступают натуральным. <aside> </aside> "В закрытых модулях с искусственным облучением — технологией светокультуры — мы создаем оптимальные условия, добиваемся высокой продуктивности и управляем качеством урожая", — подчеркивает профессор. Раньше в теплицах применяли в основном натриевые лампы высокого давления. Теперь — светодиоды. "Благодаря этому мы корректируем спектр света, меняем его: рассаде даем одно, взрослым растениям — другое, перед сбором урожая добавляем ультрафиолет. Так мы воздействуем на накопление биомассы, биосинтез целевых функциональных соединений", — объясняет ученый. Например, в эксперименте с солодкой — лекарственным растением, из корня которого получают препарат для лечения кашля, — только за счет коррекции света вдвое увеличили содержание главного полезного вещества — глицирризина.<aside> </aside> Меняя соотношение синего и красного, можно ускорять или замедлять фотосинтез, формирование биомассы. А оптимизируя плотность потока фотонов и суточный уровень освещения — управлять скоростью созревания плодов. В результате создали, в частности, ультраскороспелые томаты. И никакой химии! "Светодиодные облучатели — уникальный инструмент, — отмечает профессор. — Благодаря им мы разрабатываем подходящие для каждого вида световые рецепты. У светодиодов большой срок службы и малая теплоотдача, они не перегревают растения. При этом расход электроэнергии на килограмм зеленой массы у них в два раза меньше, чем у натриевых ламп высокого давления". Сити-фермы оснащены гиперспектральными и RGB-камерами, а также тепловизорами. Цифровые камеры регистрируют суточные ритмы растений и их реакцию на изменение освещенности, спектра света, тепловизоры регистрируют ИК-излучение и измеряют температуру листьев.<aside> </aside> "Температура меняется в зависимости от влагообеспеченности, освещенности, энергии, поступающей на единицу площади, — говорит Тараканов. — Это очень важный параметр. По нему мы оцениваем скорость испарения и подбираем оптимальный водный режим". "Смена дня и ночи" на сити-фермах происходит не по часам, а так, как лучше для растений. То же самое с подкормкой и поливом. Всем управляет роботизированная система: отслеживает основные физиологические характеристики растений на протяжении всего продукционного цикла, вносит необходимые коррективы в микроклимат теплицы. Большинство приборов и узлов автоматизированного комплекса — российского производства. Только светодиодные облучатели китайские. В промышленном варианте автономных модулей их заменят на отечественные. Разработчики умных сити-ферм особенно гордятся программным обеспечением, созданным в сотрудничестве с коллегами из других российских институтов. Аналогов этому ПО нет. Все данные с датчиков поступают в компьютер, кодируются и затем используются для машинного обучения. Конечная цель — цифровая сити-ферма под управлением искусственного интеллекта. <aside> </aside> "Суть в том, чтобы люди без специальных знаний и навыков могли выращивать овощи, ягоды, зелень", — уточняет инженер-исследователь лаборатории искусственного климата Иван Чуксин. В планах — менять вкус плодов, исходя из индивидуальных предпочтений. "Нас очень интересует проблема персонализированного питания", добавляет Чуксин. "Варьируя спектр света, можно вырастить продукцию, максимально подходящую конкретному человеку. Это касается и диетических, и даже лечебных рекомендаций". В лаборатории уже провели успешные опыты по культивированию стевии. Соединения, получаемые из экстракта этого растения, — стевиозиды — в 250-300 раз слаще сахарозы, но безвредны для диабетиков. На очереди — эксперименты с различными ягодами и лекарственными растениями. "Это товары с высокой добавленной стоимостью, и их производство на автономных сити-фермах экономически оправданно", — утверждает профессор Тараканов. А еще ученые думают, что в Арктике будет выгодно выращивать семенной картофель. В лаборатории реализуют проект по получению семенных мини-клубней методом аэропоники в условиях закрытых систем с регулируемыми освещением, питанием и микроклиматом.<aside> </aside> Родина картофеля — высокогорные районы Южной Америки. Для максимальной продуктивности ему нужны относительно низкие температуры и много света. "Для этого необходимо постоянно охлаждать помещение и поддерживать освещение, а это огромные энергозатраты. Поэтому семенной клубень очень дорогой", поясняет Чуксин. "Мы подсчитали, и оказалось, что в Арктике, где бесплатный холод и много энергоносителей, выйдет дешевле". "Урожайность по нашей технологии достигает ста и более клубней с одного растения. Остается построить вблизи портов Северного морского пути умные фермы и развозить семенной картофель по всему миру", — заключает ученый. Похоже, Арктика действительно может стать новым аграрным регионом России, "второй целиной". Звучит неожиданно, но факты говорят сами за себя. Источник: <a href="https://ria.ru/20230727/arktika-1886379796.html">РИА-Новости</a>

Машинное обучение поможет создать долговечный бетон для Российской Арктики

26.07.2023

<div> Учёные Сибирского федерального университета разработали уникальную модель, основанную на машинном обучении, которая позволяет оптимизировать состав бетонных смесей, специально разработанных для строительства жилых и инфраструктурных объектов в суровых условиях Крайнего Севера. Обученная на широком наборе данных цифровая модель способна не только предложить оптимальный состав бетона, учитывая особенности местных материалов, таких как щебень, песок и другие компоненты, качество которых может значительно варьироваться в зависимости от региона их происхождения, но и разработать подход, позволяющий устранить проблемы с их низким качеством. Бетон — это широко распространённый искусственный строительный материал, который получают в результате затвердевания специально подобранной смеси, в основе которой лежит вяжущее вещество, а также вода и различные добавки, которые позволяют варьировать состав и делать бетон более устойчивым к перепаду температур и механическому воздействию. Особые требования к бетону существуют в экстремальных условиях Российской Арктики, где от строительных материалов требуется максимальная морозостойкость. "Наша работа посвящена исследованию оптимизации состава бетонной смеси для получения морозостойких бетонов, в частности, для строительства дорожных покрытий и взлётно-посадочных полос. Традиционный подход к разработке бетонных смесей предполагает, что состав подбирается „вручную“ — это затратно и требует значительного времени для оценки его стойкости в суровых условиях эксплуатации. Благодаря использованию специально обученного искусственного интеллекта можно существенно сократить процесс — сэкономить пару лет и материальные ресурсы", — рассказала соавтор исследования, заведующая испытательной лабораторией строительных материалов и химического анализа воды СФУ Ирина Енджиевская. По словам учёного, подбор материалов для бетона — сложный процесс, особенно тщательно следует подходить к фактору морозостойкости, ведь если на большей части Российской Федерации в ходу бетон, рассчитанный на 200 циклов в хлористых солях (F 150–200), то в условиях Крайнего Севера материал должен выдерживать 300 циклов эксплуатации. Сложность же заключается в том, что учёным сложно определить опытным путём, что именно в составе бетонов отвечает за повышение этой характеристики. "Машинное обучение удивляет всё чаще. Созданная доцентом СФУ Максимом Молокеевым программа показала факторы, связанные с химическими процессами в бетоне, которые с высокой долей вероятности определяют, насколько этот состав будет морозоустойчивым и применимым, скажем, в Норильске для строительства взлётно-посадочной полосы аэродрома. Оказалось, что основную роль в этом случае играет качество и количество щебня и воздухововлекающие добавки. Причём если ранее считалось, что „лишний“ воздух однозначно уменьшает прочность бетона, то оказалось, что в определённых пределах он повышает не только стойкость к отрицательным температурам, но и меняет саму механику разрушения бетона с сохранением прочности. Этот факт был определён машинным интеллектом, и мы склонны согласиться с этим замечанием, поскольку уже проверили его на практике", — отметила Ирина Енджиевская. Морозостойкость — не единственное качество бетона, которым исследователи озадачили искусственный интеллект. Он также должен был потрудиться над тем, чтобы увеличить прочность материала на изгиб и при динамических воздействиях и выяснить, какова прогнозируемая стойкость к антигололёдным реагентам у бетонов, из которых изготавливают дорожное покрытие. Одно из преимуществ "рецептов" бетонных составов от машинной модели — адаптация под местные материалы, поскольку щебень, песок и прочие составляющие могут существенно варьироваться по физико-химическим свойствам в разных регионах страны, особенно проблемно их качество на труднодоступных территориях. Искусственный помощник подскажет, в какой пропорции следует использовать эти компоненты и как нивелировать их недостатки, чтобы в итоге получился тот самый бетон с заданными свойствами. Одной из ближайших задач, которые будут также решаться методами машинного обучения, является разработка оптимального состава бесцементного бетона. Такой материал будет выгодно отличаться своей экологичностью из-за уменьшения выбросов углекислого газа, кроме того, в нём будут использоваться активированные промышленные отходы — зола и нефелиновый шлам, образующийся при переработке редкоземельных руд. В случае успешной реализации новая технология бесцементного бетона позволит уменьшить площади уже существующих золоотвалов и сэкономить значительные средства, расходующиеся на их рекультивацию. Работы по созданию подобного материала уже ведутся специалистами СФУ совместно с партнёрами. "Был разработан набор инструментов машинного обучения и их комбинаций, который представляет огромную практическую ценность для прогнозирования составов новых материалов. В процессе моделирования подбирается наилучшее сочетание, проводится анализ данных в выбранных областях и выводятся полезные рекомендации, включая „рецепты“ бетонов с требуемыми свойствами. Такая модель — ценный помощник для материаловедов, от неё вряд ли ускользнёт то, что порой теряется из-за ограничений человеческого опыта и времени. Её выводы, хотя и могут показаться неожиданными, имеют высочайшую ценность и должны быть проверены на практике. Модель может использоваться в том числе для поиска новых строительных бетонов, особенно в тяжёлых и экстремальных природных условиях Российской Арктики", — объяснил доцент Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Максим Молокеев. Источник: <a target="_blank" href="https://research.sfu-kras.ru/news/27901">Пресс-служба Сибирского федерального университета</a> </div>

НОВОСТИ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ В АРКТИКЕ