NUSTMISIS

Кремниевые солнечные панели прочно заняли своё место на рынке. Однако путь от кремниевой руды до готового продукта — сложный и трудозатратный. Материал добывают, очищают при температурах свыше 1000 °C, затем выращивают монокристаллы, пилят, шлифуют, осаждают полупроводниковые структуры — часто в вакууме. В итоге получается устройство, преобразующее 20–25% солнечного света в электричество. Эти панели довольно крупные и плохо работают в условиях слабого освещения — например, в пасмурную погоду или на северных широтах.

Несмотря на более чем полувековую историю, применение солнечных батарей в наземных условиях не всегда оправдано. Основная причина — высокая стоимость производства и необходимость постройки новых ЛЭП. Развивающимся странам выгоднее использовать топливные виды энергоресурсов, атомную или гидроэнергетику.

С конца 1980-х годов учёные начали искать более простую и доступную альтернативу — и обратили внимание на перовскиты. Это класс материалов с характерной кристаллической структурой ABX₃: где A — органическая молекула (например, метиламмоний), B — металл (чаще всего свинец), X — галоген (например, йод). Такие соединения обладают особыми фотоэлектрическими свойствами и позволяют создавать солнечные элементы при комнатной температуре с помощью простых растворов солей.

Перовскитные солнечные панели можно собрать всего за 8–10 часов. Технологический процесс включает обработку лазером, кристаллизацию тонких пленок в разреженной среде и нанесение фотоактивных слоёв жидкофазными методами. Причём такие батареи демонстрируют высокую эффективность даже в плохую погоду.

Перовскит в 1839 году на Урале впервые обнаружил немецкий геолог Густав Розе. Название же минерал получил в честь Льва Алексеевича Перовского — русского государственного деятеля, археолога, коллекционера и филантропа — за его вклад в развитие минералогии и геологии в России.

Изначально название «перовскит» применялось к минералам с химической формулой CaTiO₃, а затем распространилось на всю группу подобных соединений. Для создания солнечных элементов используются синтезированные в лабораториях аналоги.

Производство перовскитных солнечных панелей можно максимально автоматизировать с помощью методов напыления как на гибкие, так и на жёсткие поверхности, а также ротационного нанесения типографской печати  (струйная или слот матричная печать) — когда раствор материала равномерно распределяется по подложке и формирует однородный слой при вращении. Панель можно напечатать прямо на стекле или пластике, придавая ей любую форму. Это значит, что такие солнечные панели можно интегрировать на поверхность любой кривизны: полностью закрывать ими фасад здания или делать из них витражи. Однако у технологии есть и слабые стороны. Перовскиты чувствительны к воздействию влаги, кислорода, света и высокой температуры. Поэтому сегодня активно ведутся исследования по разработке гибких полимеров, защищающих активный слой от разрушения.

Сегодня этой технологией в пилотном режиме занимаются всего шесть стран в мире, и Россия — одна из них. КПД перовскитных батарей в наземных условиях уже достигает 20%, а их производство существенно менее энергозатратно, чем изготовление кремниевых аналогов. В ближайшие годы мы можем увидеть настоящий технологический прорыв в этой сфере. В Университете МИСИС в 2025 году была защищена первая в России докторская диссертация по технологии получения тонкопленочных перовскитов. Университет уже заключил соглашение с ООО «Графит» о тестировании крышных, оконных и фасадных полноформатных панелей на основе перовскитных фотопреобразователей для энергообеспечения систем умного дома в СберСити.

Сегодня, 14 апреля, отмечается Всемирный квантовый день. Квантовые технологии перестали быть научной фантастикой и уже сегодня меняют реальные отрасли — от медицины до финансов. Директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС Наталия Малеева расскажет как Россия вошла в тройку мировых лидеров в этой гонке, какие задачи решают отечественные квантовые компьютеры и где их применяют уже сейчас.

Последние годы стали переломными в мире квантовых технологий. Сделав первые шаги в области индустриальных применений, они перестали быть только лабораторной игрушкой, интересной лишь ученым.

Сейчас основные потребители на рынке квантовых вычислений – здравоохранение, банковский и финансовый сектор, производство, автомобилестроение и химическая промышленность. Глобальный рынок квантовых технологий небольшой, но хорошо развивающийся: по разным оценкам в ближайшие 10 лет ожидается совокупный среднегодовой темп роста до 34%. По данным McKinsey к 2035 мировой рынок квантовых технологий оценивается от 28 до 72 млрд долларов США; квантовых коммуникаций – от 11 до 15 млрд долларов США; и квантовых детекторов – от 0.5 до 2.7 млрд долларов США. Предполагается, что российский рынок может занять до 6% от глобального.

Мы находимся сейчас на этапе так называемых NISQ-устройств (Noisy intermediate-scale quantum – шумные квантовые устройства, порядка нескольких сотен кубитов), уже решены некоторые задачи квантовой химии, выполнены пилотные алгоритмы, сделаны первые шаги в квантово-классическом машинном обучении и решены проблемы оптимизации.

Многокубитные квантовые компьютеры созданы во многих странах на основе разных физических носителях. На сегодняшний день в России созданы 60-кубитный квантовый компьютер на основе фотонных чипов, 50-кубитный квантовый процессор на ионах, 50-кубитный на нейтральных атомах, 16-кубитный сверхпроводниковый универсальный квантовый процессор и 16-кубитный сверхпроводниковый квантовый симулятор. Только две страны, кроме России развивают все эти платформы, это США и Китай. То, что мы входим в тройку мировых лидеров – колоссальное конкурентное преимущество, ведь пока нельзя говорить об однозначном доминировании одной из физических платформ для квантовых вычислений.

Ряд процессоров и в мире, и у нас уже применяют для практических расчетов. Предоставлен облачный доступ к расчетам на таких компьютерах, и уже можно попробовать свои силы в написании программ. В нескольких странах,включая Россию, созданы сети из квантовых линий связи. Они помогают защищать передаваемую информацию на уровне законов физики и не поддаются перехвату и расшифровки злоумышленниками. Они находят реальное применения в государственных и банковских структурах. В России на данный момент созданы и работают в тестовом режиме протяженные квантовые сети. В планах протянуть эти линии на расстояния свыше 10000 км.

Если делать прогноз на ближайшие 10 лет, то наибольшую пользу квантовые вычисления продолжат приностить финансовому сектору (например, оптимизация финансовых портфелей), здравоохранению (например, анализ снимков или фармакологические исследования), энергетике и ЖКХ (например, решение задач оптимизации выработки и распределения электроэнергии), автомобилестроению (оптимизация производственных процессов и логистики).

Квантовая сенсорика уже востребована, и станет еще более популярной. Например, в калибровке стандартов для новых технологий связи и повышения точности геолокации, в медицине при сканировании мозга и отслеживании метаболических процессов в реальном времени. Она востребована и для наблюдений за окружающей средой при прогнозирование извержений вулканов и землетрясений.

Разработки в области квантовой коммуникации лягут в основу не только модульной архитектуры квантовых процессоров следующих поколений, но и будут востребованы в области киберзащиты от злоумышленников, т.н. пост-квантовая криптография.

17 редкоземельных металлов (РЗМ) — это дорогие и востребованные элементы, без которых невозможно создание наукоёмких технологий в медицине, микроэлектронике, металлургии, машиностроении, зелёной энергетике, а также в аэрокосмической и оборонной отраслях. Их даже называют «витамины промышленности», потому что они всё делают лучше, прочнее, долговечнее, устойчивее. Почему же эти элементы называют «редкими», если их добывают тоннами? Вместе с доктором технических наук, заведующим кафедрой цветных металлов и золота НИТУ МИСИС Вадимом Тарасовым сейчас разбёремся, откуда вокруг них такой ажиотаж.

Кто первый нашёл редкоземельные металлы и почему их добыча такая дорогая?

РЗМ — это, как правило, электропроводные и пластичные металлы серебристо-белого цвета. Несмотря на название, эти элементы разбросаны в земной коре повсюду, просто они не попадаются в концентрированной и экономически выгодной форме. Термин «редкоземельные» (от лат. terra rara) был ввёден в обиход в 18 веке, когда РЗМ были обнаружены как компоненты сложных оксидов, которые в то время назывались «землями» (от лат. terra), ну а «редкими» (от лат. rara) их прозвали, поскольку никогда раньше не видели и считали не распространёнными.

В науке есть схожее по звучанию понятие, но путать их не надо. Есть распространённые, но труднодобываемые редкоземельные металлы — группа из 17 элементов: скандия, иттрия и 15 лантаноидов (лантан, самарий, лютеций, диспрозий, гольмий, эрбий, празеодим, тулий, церий, диспрозий, иттербий, тербий, неодим, европий, прометий).

А есть 18 редких металлов, которые и правда почти не встречаются в земной коре. Четыре из них можно получить после обогащения руд: бериллий, ниобий, литий, тантал. Ещё 14 называют попутными микрокомпонентами — рассеянными редкими металлами и 5 радиоактивных редких металлов.

Финский химик Юхан Гадолин в 1794 году открыл первый химический элемент группы редкоземельных металлов — иттрий — в минерале иттербите, позже переименованном в гадолинит. А сам минерал обнаружили шахтеры шведской деревни Иттерби, отсюда и название.

Вообще, добыча и переработка РЗМ очень дорогая, так как их часто обнаруживают рассеянными в низких концентрациях. Чтобы получить большое количество вещества, требуются огромные ресурсы и крупномасштабные операции. Очистка редкоземельных элементов тоже энергоёмкий и химически сложный процесс, где задействованы вредные вещества, такие как концентрированные кислоты. Да и сама руда, из которой они добываются, часто содержит радиоактивный торий и уран.

Некоторые редкоземельные металлы ведут себя крайне непредсказуемо. На воздухе при комнатной температуре они медленно тускнеют, а при контакте с холодной водой образуют гидроксиды и выделяют водород. При взаимодействии с паром они быстро превращаются в оксиды, а при нагреве до 500 °C самовозгораются. Подобное разнообразие состояний превращает их переработку и хранение в технологически сложную задачу.

На фоне своих «соседей» по элементной таблице особо выделяется прометий. Это нестабильный радиоактивный элемент, он практически не встречается в природе, а производится лишь в ядерных реакторах. В 1920-х гг. итальянские учёные заявили, что открыли новый 61 элемент — флоренций, а в Иллинойсском университете США объявили, что 61 элемент — это иллиний. Но все оказались неправы. В 1945 г. химики Д. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл получили новое вещество из продуктов деления урана, и спустя 5 лет за № 61 закрепилось имя «прометий». Благодаря чистому бета-излучению он использовался в радиоактивных батарейках, вакуумных контактах (герконах), а сейчас исследуется как замена актиния в противораковых препаратах. На Земле содержится всего лишь несколько сотен граммов этого элемента.

Какие редкоземельные элементы наиболее востребованы?

Наиболее востребованы в промышленности неодим, празеодим (дидим) и самарий — для создания мощных постоянных магнитов. Ещё эти металлы, а вернее их оксиды, улучшают свойства сверхпроводников, стекла и сплавов, используется в лазерах и для получения пигментов. Остальные РЗМ нужны для производства аккумуляторных батарей, специальных сплавов, ветрогенераторов, ядерных реакторов, катализаторов в нефтепроме, жидкокристаллических дисплеев, радаров, керамики и т. д.

Магниты на основе неодима и самария являются самыми мощными. Они широко применяются во многих отраслях науки и техники, а также в быту: в магнитно-резонансных томографах, металлоискателях, жёстких дисках для компьютеров и др. Без них невозможно представить альтернативную энергетику, ведь РЗМ содержащие магниты — ключевой компонент электродвигателей и генераторов ветряных турбин. Благодаря высокой силе сцепления с металлами РЗМ содержащие магниты могут удерживать предметы, которые превышают их собственный вес в 100 раз. Неодимовые магниты, кстати, можно найти в домашних аксессуарах, они используются в креплениях для штор, держателях ножей, магнитных застёжках сумок или даже в игрушках (например, конструкторах типа Neocube).

У какой страны самый большой запас?

РЗМ встречаются по всему миру почти в половине месторождений. Значимое количество редкоземов содержится примерно в 250 минералах, но в качестве руд экономически целесообразны лишь некоторые из них: бастнезит, монацит, ксенотим, эвдиалит и лопарит. Кроме того, источником ценных элементов являются обогащённые глины. Церий, например, находится на 25-м месте по распространённости в мире, что ставит его на один уровень с медью. За ним следуют лантан и неодим; они встречаются в тех же объёмах, что и свинец.

Первое место по объёму добычи и поставкам редкоземельных металлов занимает Китай — здесь извлекают и перерабатывают от 65 до 80% всех РЗМ. Дальше в рейтинге: США, Австралия, Мьянма, но их суммарные запасы дают всего около 24%. Россия занимает 7 место по добыче. Единственным источником редкоземельного сырья в России является лопаритовый концентрат, производимый из руд Ловозерского месторождения в Мурманской области, который перерабатывается на Соликамском магниевом заводе.

В настоящее время годовая потребность российской экономики в редкоземельных металлах составляет около 2000 тонн, а концу 2026 года возрастёт до 10 000 тонн. Основными сферами потребления РЗМ в России являются: оптическое производство и полировальные порошки; производство катализаторов для нефтепереработки, химической промышленности, автокатализаторов; металлургия, производство керамики; лабораторные реактивы, а также фармацевтика, электроника, искусственные кристаллы, люминофоры, постоянные магниты.

На 2025 год Россия занимает 1% рынка редкоземельного сырья. По запасам РЗМ мы занимаем 2-е место в глобальном рейтинге с показателем в 28,5 млн тонн. Крупнейшие месторождения: Ловозерское месторождение (Мурманская область), Томторское месторождение (Республика Саха, Якутия), Холтосонское месторождение (Забайкальский край), Ковдорское месторождение (Мурманская область), Фёдорово-Панский массив (Мурманская область), Хибинская группа месторождений (Мурманская область). Изучением запасов редкоземельных металлов занимается Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья.

Где применяются редкоземельные элементы?

Знаете, почему некоторые смартфоны такие дорогие? Для их производства необходимы 9 редкоземельных элементов:

• гадолиний — в дисплеях, динамиках и электронных схемах,

• диспрозий — добавка в магниты электросхем для сохранения свойств при нагреве и температурных перепадах,

• европий — для красного светящегося вещества дисплея,

• иттрий — для дисплеев, светодиодов,

• лантан — в электронных схемах, дисплее, шлифованном стекле, для оптических линз,

• неодим — магниты в схемах и динамиках из сплава с железом и бором,

• празеодим — добавка в неодимовые  магниты, дисплей, динамик,

• тербий — для зелёного люминесцирующего вещества на дисплее, в динамиках, схемах  и вибрационном механизме для защиты мини-магнитов от высоких температур,

• церий — для шлифованного стекла.

Можно ли заменить их более дешёвыми металлами? Конечно! Но это ухудшит цветовое отображение на дисплее, увеличит вес гаджета, снизит скорость работы и устойчивость к перегреву.

Тот же церий выделяют из смеси элементов процессами экстракции и хроматографии, а потом электролизом расплава CeF3 (фторида церия). Церий в быту применяется в каталитических покрытиях духовок и стёклах печей. При нагреве он ускоряет разложение жира и органических загрязнений, упрощая уход за техникой.

В течение многих лет иттрий и европий использовались в качестве люминофоров, которые помогали нам видеть красный цвет на ламповых телевизорах. Соединения гадолиния и тербия использовались для получения жёлто-зелёных люминофоров. При добавлении в состав очень небольшого количества этих редкоземельных элементов цвета на экране получались яркими и приятными для глаз.

Наиболее необычное применение РЗМ — в технологиях борьбы с контрафактом. Особые соединения редкоземельных элементов отражаются в ультрафиолетовом свете, благодаря чему они особенно полезны при выявлении поддельной валюты.

Лантан (La) улучшает оптические свойства стекла, уменьшая искажения. Его добавляют в линзы дорогих фотоаппаратов, биноклей и даже антибликовых очков. Оксиды церия (Ce) или лантана (La) иногда включают в солнцезащитные кремы для поглощения УФ-лучей.

Празеодим (Pr) используется в стеклах сварочных масок и специальных очках, блокируя вредное инфракрасное излучение. Иногда его добавляют в декоративное стекло для получения желто-зеленых оттенков.

Самарий (Sm) входит в состав сплавов для кремней зажигалок. Такие кремни долговечны и дают устойчивую искру даже после тысяч использований.

Некоторые ткани пропитывают соединениями РЗМ для УФ-защиты или антибактериальных свойств. Например, спортивная одежда может содержать церий (Ce) для нейтрализации запахов.

Иттрий (Y) повышает термостойкость керамики. Его добавляют в посуду, рассчитанную на экстремальные температуры, например, в формы для выпечки или горшки для медленного приготовления пищи.

Редкоземельные металлы окружают нас повсюду — от смартфонов до энергосберегающих ламп. Их необычные свойства делают бытовые устройства компактнее, эффективнее и долговечнее. Теперь вы узнали о них чуточку больше.

В первое воскресенье апреля в России отмечается День геолога. Геология играет ключевую роль в понимании планеты, обеспечивает нас необходимыми ресурсами и позволяет предсказывать природные катастрофы. Сегодня эти учёные используют технологии, которые ещё недавно казались фантастикой. Одна из самых удивительных — мюонография, позволяющая буквально «просвечивать» Землю с помощью частиц из космоса и изучать структуры недр, гор, вулканов, а также получать уникальные данные о залегании полезных ископаемых, которые традиционные способы не могут выявить.

Космические шпионы

Мюоны (мю-мезоны) — это элементарные частицы, которые рождаются при столкновении космических лучей с ядрами атомов в атмосфере. Они могут проходить сотни метров сквозь крупные объекты и проникать вглубь земли. Впервые их обнаружили в 1936 году, но только в XXI веке, с появлением сверхчувствительных детекторов и мощных компьютеров, технология вышла на новый уровень. Каждую минуту на квадратный метр Земли падает 10000 мюонов. Часть из них поглощается, проходя через материалы и вещества с разной плотностью. Метод мюонографии основан на фиксации непоглощенных частиц детектором. Принцип похож на рентгенографию, но не требует радиоактивных источников излучения и подходит для огромных объектов километровых размеров. Сравнивая потоки мюонов, можно исследовать самые разные крупные природные и промышленные объекты, не только горы, но и египетские пирамиды или древнерусские монастыри, объекты горнодобывающей отрасли и др.

Различают два метода: мюонография и томография мюонного рассеивания. Первый использует детекторы, размещенные снизу или сбоку от объекта, чтобы фиксировать мюоны, которые проходят через него. Второй регистрирует двумя детекторами (сверху и под объектом, например, на таможне) изменение углов движения мюонов, прошедших через исследуемый объект. Наилучшим угловым разрешением обладают автономные детекторы на основе ядерной фотоэмульсии. Они способны обнаружить объекты размером 15 метров на расстоянии 1 км, а на меньших дистанциях — участки с изменением плотности от 50 см.  Оба метода экономически выгодные и экологически безопасные, но имеют разные сферы использования.

Пирамиды, монастыри и тайные комнаты

Самые резонансные открытия современной мюонографии связаны с исследованием памятников архитектуры. В 2016 году международная группа ученых обнаружила в пирамиде Хеопса в Египте новый коридор длиной в 30 метров и диаметром 8 метров. Это первое крупнейшее открытие с 19 века в истории изучения пирамид.

В России мюонографию развивают ученые НИТУ МИСИС и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. Один из проектов был реализован в крепости Нарын-Кала в Дербенте, которая входит в список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Физики исследовали засыпанное на 10-метровой глубине сооружение — предположительно, древнейший христианский храм на территории России.

Кроме того, совместно с Комиссией по работе с вузами и научным сообществом при Епархиальном совете г. Москвы с использованием эмульсионных детекторов в подвалах Церкви Похвалы Божьей Матери Свято-Троицкого Данилова монастыря нашли две скрытые пустые комнаты, неизвестный воздуховод  и другие особенности замурованных подвалов церкви. На территории монастыря между зданиями двух церквей обнаружены большие подземные полости. Ученые предполагают, что это могут быть древние крипты, но их происхождение и назначение еще предстоит изучить. Эти выдающиеся исследования были удостоены Макарьевской премии 2022 года в области естественных наук.

Мюонографические исследования в России продолжаются. В 2023 году в Свято-Успенском Псково-Печерском монастыре между Братской и Троицкой улицами российские ученые снова обнаружили неизвестные ранее помещения пещерного храма —большой склер и коридор на входе в храм. 

В 2024 году закончено исследование территории Спасо-Каменного монастыря в Кубенском озере Вологодской области. Обнаружено несколько подземных полостей на глубинах до 3,5 метров, одна из которых может быть захоронением 16 века митрополита Варлаама – единственного митрополита, похороненного не в Кремле. Обнаружение этих особенностей поможет предотвратить их повреждение в ходе планируемых работ по восстановлению взорванного в 1937 году Преображенского храма монастыря.

Геологоразведка и безопасность

В горнодобывающей промышленности мюонография совершает настоящую революцию. Традиционные методы разведки требуют взрывных работ, значительных временных затрат и множества скважин — все это очень дорого, требует длительного времени и дает достаточно точной информации.

В 2021 году канадский стартап Ideon Technologies впервые применил компактный скважинный детектор мюонов для сканирования уранового месторождения под 600-метровой толщей песчаника на руднике McClean Lake в Саскачеване. Детектор диаметром менее 10 см и мощностью 10 Вт сочетает мюонографию с ИИ-анализом данных, значительно повышая точность поиска рудных тел и сокращая экологический ущерб. По словам экспертов, метод превосходит традиционную геофизику в обнаружении глубокозалегающих месторождений, что подтвердили и проекты в Селлафилде (Великобритания) и на «Фукусиме-1».

В конце 2024 года ученые АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» успешно протестировали прототип мюонного детектора, предназначенного для работы в скважине при разведке твердых полезных ископаемых. В будущем он позволит анализировать изменения потока мюонов и создавать трехмерные модели подземных структур, выявляя месторождения руд и других ценных ресурсов. Разработка открывает новые возможности для неразрушающей геологоразведки, снижая затраты на бурение и повышая точность поиска.

Мюонография становится также бесценным инструментом для обеспечения безопасности социальных агломераций. В Японии технологию используют для контроля состояния затопленных  реакторов «Фукусимы». В Италии с её помощью изучают динамику магматического столба под Везувием, состояние древних сооружений в Риме.

Будущее уже здесь

Мюонографические исследования — эффективный, экономичный и экологически безопасный способ исследований и мониторинга внутренней структуры крупных природных, культурных и промышленных объектов. Метод определяет разность плотностей горных пород в межскважинном пространстве и повышает уровень изученности недр, что позволяет геологам строить более детальные трехмерные модели массива и минимизировать последствия возможных природных и техногенных катастроф для населения, инфраструктуры и окружающей среды.