PNIPU

Статья опубликована в сборнике материалов конференции «Химия. Экология. Урбанистика». Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Гидравлический насос создает движение жидкости по трубам или каналам, что приводит в действие другие устройства — например, гидроцилиндры или гидромоторы. Особенно жесткие требования предъявляются к авиационным шестеренным насосам – одному из видов таких гидравлических систем. Они отвечают за подачу топлива к двигателю, и от их надежности и эффективности зависит безопасность всего воздушного судна. При этом эксплуатируются они в экстремальных условиях повышенных температур и давления. Поэтому современные требования к шестеренным насосам очень высоки. Они должны быть не только надежными и долговечными, но и легкими и компактными, что критично для летательных судов, которые вынуждены поднимать в воздух сотни тонн. Меньший вес позволяет расходовать меньше топлива, снизить напряжения и износ деталей, увеличить их срок службы – все это повышает безопасность полетов.

Большинство изделий сегодня делают по традиционным технологиям (фрезерование, литье, сверление), что приводит к громоздкой конструкции с множеством деталей, избыточным весом и габаритами. Само производство долгое, сложное и требует больших затрат, так как для изготовления точных корпусов необходима длительная техническая подготовка. Набирает популярность изготовление с помощью 3D-печати, однако возникает другая проблема: принтер «выращивает» деталь слой за слоем, начиная снизу, и получается так, что некоторые отвесные детали не имеют под собой опоры – в этом случае для того, чтобы их возможно было напечатать, нужны поддерживающие структуры – металлические опоры. После печати их нужно удалять, но это увеличивает трудоемкость работы, а на месте удаления остаются следы, которые могут ухудшить качество поверхности и привести к браку.

Эти проблемы решили ученые Пермского Политеха. Они модернизировали конструкцию авиационного шестеренного насоса и технологию его изготовления, что позволило снизить массу корпуса на 38,5%, а также сократить количество операций, необходимых для производства, с 40 до 31, время механической обработки – с 4 000 до 1 100 минут, а термической – с 1 800 до 400. Исследование провели на примере конкретной модели, но эти методы можно применить и к другим гидравлическим агрегатам.

– Исходным объектом стал корпус шестеренного насоса массой 6 кг из алюминиевого сплава АК4-1. Этот материал широко применяется в ракетно-космической и авиационной промышленности, в том числе в пассажирском Ту-204/214. Его конструкция имела существенные недостатки: излишне толстые стенки, большое количество сверлений для внутренних каналов, необходимость в установке заглушек, высокая трудоемкость сборки и, как следствие, высокая стоимость производства. Эти факторы увеличивали вес, габариты и цену агрегата, а также снижали его надежность, – комментирует Евгений Гашев, заведующий учебной лабораторией, доцент кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, кандидат технических наук.

В процессе изготовления исследователи использовали технологию аддитивной печати, причем конструкцию спроектировали с минимальным количеством поддерживающих металлических опор, что снизило трудоемкость постобработки и риск брака. Материал заменили аналогом – алюминиевым сплавом AlSi10Mg, который обладает лучшими прочностными характеристиками по сравнению с традиционным.

– В новой конструкции насоса мы отказались от клапана постоянного давления за счет перспективной конструкции клапана предохранительного, в котором высокое давление внутри обеспечивается без дополнительного узла. Также мы переместили клапан, фильтр и магнитная ловушка, которая «ловит» вредные металлические частицы в потоке, – они установлены на выходе топлива. Это улучшило очистку рабочей жидкости и лучше распределило вес. Вместо громоздкого внешнего канала для перепуска топлива сделали компактный внутренний, а для сохранения прочности добавили пояс и ребра, – рассказывает Виталий Вишняков, магистрант Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения» ПНИПУ.

Все эти модификации снизили массу корпуса до 3,7 кг, то есть на 38,5%, а всего насоса – на 17%. При этом сохранена достаточная прочность корпусе, что гарантирует надежность даже в экстремальных условиях высоких температур, давления и вибраций, которые испытывают на себе двигатель и его элементы во время полета. Прочностной анализ подтвердил, что максимальные напряжения (247 МПа) и деформации (0,93%) находятся в допустимых пределах.

Разработанная конструкция уже успешно прошла испытания, сейчас ведется подготовка к серийному производству. Планируется модернизация подшипников и подпятников шестерен, что позволит еще больше снизить массу насоса.

Первая и самая известная криптовалюта — биткоин — появилась в 2009 году, и тогда стоила меньше доллара. Сейчас она оценивается в 117 тысяч. За все время существования валюты колебания ее курса, особенно резкие скачки или падения, были тесно связаны с экономическими факторами и политическими событиями. Эксперты Пермского Политеха провели исследования и выяснили, что одним из ключевых элементов, который часто упускается из виду, но имеет сильное влияние на биткойн, является психологическое состояние участников рынка. Ученые разработали новый метод прогнозирования курса, основанный на нейросетях, учитывающий помимо исторических данных о ценах и объемах торгов еще и индекс страха и жадности (FGI) — специальный показатель, который отражает эмоциональный фон рынка на основе анализа новостей, социальных сетей и поведения инвесторов. Результаты показали, что учет эмоционального фактора позволяет повысить точность прогнозов в среднем до 10%, что критически важно для участников крипторынка. Аналогичных моделей в России на сегодняшний день нет.

Исследование опубликовано в научной статье. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Прогнозирование стоимости биткойна остается сложной задачей из-за его высокой волатильности — скорости и размаха изменения цен, а также зависимости от множества факторов, в том числе макроэкономических трендов.

Например, в марте прошлого года биткойн вырос до 71 тысячи долларов на фоне слухов о возможном одобрении ETF для Ethereum — биржевого фонда, упрощающего инвестиции в криптовалюту без её прямой покупки. Но уже в июле курс упал до 56,7 тысяч. Снижение было вызвано двумя ключевыми факторами. Во-первых, правительство Германии начало распродажу конфискованных биткоинов, увеличив предложение на рынке, а во-вторых, возобновились выплаты кредиторам обанкротившейся десятилетие назад биржи Mt.Gox, что привело к дополнительному давлению со стороны крупных держателей криптовалюты. Оба события создали избыточное предложение биткоинов на рынке в короткий период, что и спровоцировало коррекцию курса. В ноябре 2024 года цена биткоина стала расти, и 15 декабря уже стоил 106,5 тыс. долларов, что связывают со спекуляциями о том, что администрация Трампа может признать его резервным активом США.

В 2025 году на фоне быстроменяющихся новостей цена биткоина продолжает сильно варьироваться, достигая наименьших значений в апреле и марте (ниже 80 тыс. долларов) и исторического максимума в июле 120 тыс.

Российских исследований по прогнозированию курса биткойна немного, информационное пространство и эмоциональный фон в них почти не учитываются. Традиционные методы и модели, как в случае с обычной валютой, здесь работают не так успешно и не дают высокой точности прогноза, поскольку биткойн реагирует не только на экономику, но и на психологию толпы. Поэтому зарубежные ученые активно используют для предсказания колебания цен анализ соцмедиа, но в связи с блокировками некоторые иностранные социальные сети недоступны в РФ.

Ученые Пермского Политеха разработали модель прогнозирования курса биткоина на основе двух нейронных сетей — LSTM (Long Short-Term Memory) и GRU (Gated Recurrent Units). Чтобы повысить точность ученые подключили к анализу индекс страха и жадности (FGI), который отражает психологическое состояние рынка.

В своем исследовании эксперты обучали две нейросети на 2000 данных о ценах биткойна и объемах торгов с Binance — крупнейшего онлайн-сервиса обмена цифровых валют.

— 80% данных пошло на обучение нейросетей, а оставшиеся 20% мы применяли для проверки точности результата. Такую процедуру повторяли 200 раз, обрабатывая информацию небольшими порциями по 32 значения, словно если бы изучали иностранный язык по 32 слова за раз. После прогнозирования приводили полученные цифры к реальному диапазону цен биткойна. Чтобы сделать достоверные выводы, мы смотрели на три показателя ошибок: среднее отклонение от реальной цены, неточности в процентах и ежедневную погрешность, — объясняет Андрей Затонский, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Березниковского филиала ПНИПУ, доктор технических наук.

В ходе экспериментов ученые протестировали свои модели на разных временных периодах с разной рыночной динамикой. В одном из таких, относительно стабильном, нейросеть LSTM с учетом индекса страха и жадности показала среднюю абсолютную ошибку в 1169 долларов, что на 6,2% лучше модели без учета психологического фактора.

— Особенно показательным стал ноябрьский период 2024 года, когда биткоин впервые преодолел отметку в 100 тысяч долларов на фоне президентских выборов в США. В этих условиях преимущество модели с учетом психологического фактора стало еще заметнее — погрешность сократилась на 147 долларов по сравнению с обычной нейросетью, что в процентном соотношении составило 8,3%, — отмечает эксперт ПНИПУ.

Исследование ученых наглядно доказывает, что учет психологического фактора через индекс FGI позволяет нейросетям делать более точные прогнозы курса биткоина в различных рыночных условиях. Среднее улучшение точности составило 5-10%. При этом наибольшую эффективность показала LSTM-сеть, которая лучше справлялась с анализом долгосрочных зависимостей в данных.

Эти результаты открывают новые возможности для создания более надежных систем прогнозирования на крипторынке, которые будут учитывать не только экономические факторы, но и эмоциональную составляющую. В перспективе разработка пермских ученых может быть адаптирована для других криптовалют и финансовых инструментов, что сделает инвестиционные решения более обоснованными.

Стеноз – это сужение сосудов, которое может возникать из-за врожденных аномалий или внешнего давления. Это патологическое состояние нарушает нормальное течение крови и снижает снабжение органов и тканей кислородом и питательными веществами, что приводит к хронической ишемии – необратимому повреждению головных клеток из-за ухудшения кровотока, и повышает риск инсульта. Стеноз может быть связан даже с ускорением развития болезни Альцгеймера – хронического заболевания, характеризующегося гибелью нейронов, ухудшением памяти, мышления и способности к самообслуживанию.

Большинство современных исследований стеноза сосредоточены преимущественно на двух артериях – сонных, которые напрямую связаны с передними отделами головного мозга, или коронарных, которые питают сердце. Практически неизученной в отечественной литературе остается позвоночная артерия – часть заднего кровоснабжения, поскольку моделировать ее сложнее. При этом многие формы ее сужения протекают без жалоб пациента или с неуникальными симптомами, что затрудняет диагностику и снижает внимание к ней. Однако нарушения движения крови в этой области не менее опасны и также могут вести к необратимым повреждениям, поэтому важно знать, как ведет себя течение и в этом участке.

Студенты под руководством ученых Пермского Политеха с помощью компьютерного моделирования выяснили, какие процессы происходят при стенозе именно в позвоночной артерии, на что редко обращалось внимание в предыдущих исследованиях.

– Мы создали геометрическую модель прямого участка позвоночной артерии с разной степенью стеноза – от 50% до 90%. Рассмотрели два режима кровотока: стационарный, то есть постоянный, и нестационарный, то есть пульсирующий, как в реальных условиях. Для анализа использовались уравнения гидродинамики, описывающие движение жидкости и учитывались свойства крови: вязкость, плотность, – рассказывает Марина Шмурак, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

В работе также уделили внимание показателю WSS (Wall Shear Stress, пристеночно-касательные напряжения) – это сила трения, которую испытывает внутренняя стенка артерии при движении крови. Этот показатель помогает оценить состояние сосудов.

– Мы впервые провели расчеты стеноза позвоночной артерии для идеализированной геометрии, а также проанализировали, как его степень влияет на кровоток задних отделов мозга. Моделирование показало, что при сужении сосудов на 50% средняя скорость крови в соответствующей зоне снижается, хотя местами может резко возрастать перед ней и после нее. Симптомы в этом случае проявляются минимально или вовсе отсутствуют, однако такое состояние уже требует внимания врача, поскольку повышает риск оседания тромбоцитов и формирования кровяных сгустков. Степень стеноза 70% и выше уже значительно более опасна: кровоток становится нестабильным и появляются завихрения, причем они продолжают воздействовать на стенки сосудов и после прохождения зоны стеноза. Это еще сильнее увеличивает риск повреждения артерий, образования тромбов и развития ишемии, то есть недостатка кислорода, – комментирует Юлия Большакова, студентка факультета прикладной математики и механики.

Результаты сверили с реальными клиническими данными, измеренными методом ДСА – рентгеновскими снимками сосудов с контрастным веществом. Это подтвердило достоверность полученных параметров.

Исследование студентов и ученых Пермского Политеха показало, что при сужении на 70% и более изменения течения крови становятся критическими. Появляются зоны образования завихрений, что является одним из ключевых факторов, который может указывать на повышенный риск развития осложнений при значительном стенозе позвоночной артерии. Это подчеркивает важность ранней диагностики с помощью УЗИ, МРТ или ангиографии. Полученные данные не только расширяют знания о физиологии кровотока, но и открывают новые возможности для диагностики и лечения сосудистых заболеваний головного мозга.

– Фталаты «обманывают» эндокринную систему, блокируя или имитируя естественные гормоны. Это особенно опасно во время беременности и первых лет жизни, когда закладываются все системы организма. В свою очередь нарушения в работе гормонов могут вызвать преждевременное половое созревание или наоборот недоразвитость половых органов, сказаться на общем развитии детей. Поэтому стоит обратить внимание на такие маркировки, как DEHP (диэтилгексилфталат), DBP (дибутилфталат), BBP (бензилбутилфталат), DINP (диизононилфталат), DIDP (диизодецилфталат), DNOP (динормалоктилфталат) – это обозначения токсичных пластификаторов, которых не должно быть в составе материала. В целом лучше избегать использования игрушек из поливинилхлорида (PVC/ПВХ), так как этот материал может выделять еще и другие опасные соединения – бисфенол (BPA), полибромированные дифениловые эфиры (PBDE), тетрабромбисфенолА (TBBPA), которые могут стать причиной поражения нервной системы, аллергии, раздражения кожи и дыхательных путей у ребенка. Ряд вышеперечисленных веществ обладает канцерогенным потенциалом, – предупреждает ассистент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Евгения Гладких.

Многие негативные эффекты от контакта ребенка с игрушками из пластмассы и резины наступают не мгновенно, а с течением времени. Фталаты и другие токсичные соединения не выделяются из изделий в окружающую среду в больших объемах сразу. Но, при постоянном взаимодействии с вредным веществом, оно накапливается в организме, и происходит хроническое отравление, которое не менее опасно, чем острое.

– Однако, некоторые некачественные изделия могут выделять большое количество летучих органических соединений сразу, таких как (формальдегид, бензол). Такие материалы издают сильный резкий «химический» запах и даже могут вызвать головокружение от вдыхания вредных веществ при распаковке. Это сигнал об опасности, – объясняет ученый Пермского Политеха.

Состав игрушки не всегда может быть описан подробно, поэтому стоит обратить внимание на резкие неприятные запахи от материалов, которые в особенности могут усиливаться при нагревании (например, при контакте с горячей водой).

Но далеко не всегда токсичность игрушки можно определить по запаху. Например, тяжёлые металлы (свинец, кадмий, ртуть), часто содержащиеся в ярких кислотных красках и материалах, его не имеют. Их можно распознать по характерному цвету и окрашиванию кожи при контакте. Также опасность выдает шелушение краски на поверхности изделия.

Ни цвета, ни запаха не имеют N-нитрозамины, что делает их скрытой угрозой в некачественных резиновых игрушках, пустышках и пластиковых изделиях (ПВХ). Они способны проникать в организм через кожу или при вдыхании, постепенно накапливаясь и повышая риск поражения печени, онкологических заболеваний.

– При выборе безопасных пластмассовых игрушек лучше отдавать предпочтение материалам, обозначенным как PP (полипропилен), PE (полиэтилен), ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол). На качество также укажет маркировка «BPA-free» – это значит, что в составе нет бисфенола А, опасного для эндокринной системы. Хорошей и безопасной альтернативой резиновым материалам станет натуральный каучук, если у ребенка нет на него аллергии), силикон и термопластичные эластомеры (TPE), – рассказывает эксперт.

Обращать внимание важно не только на состав, но и на качество изготовления. Микротрещины и плохая герметичность особенно плавающих игрушек приводит к скоплению внутри игрушки воды, создавая там идеальную среду для плесени.

– Споры микроскопических грибов при вдыхании вызывают респираторные заболевания, а при контакте с кожей – дерматит. Кроме того, в процессе жизнедеятельности грибы выделяют микотоксины – опасные вещества, которые могут стать причиной отравления, – объясняет Евгения Гладких.

Обманчиво безобидные деревянные игрушки

Основной источник опасности в составе деревянных игрушек – пропитки и покрытия, такие как лаки, клеи, красители. Они могут содержать формальдегидные смолы – их добавляют для прочности и водостойкости; анилин и тяжелые металлы – для яркости цвета. Фенолформальдегидная смола со временем выделяет формальдегид – известный канцероген. Высвобождение вредных веществ из лакокрасочных покрытий, как правило, происходит медленно – это значит, что существует риск постоянного контакта с токсинами. Распознать опасность можно по резкому химическому запаху и неестественному блеску лака.

– Наиболее безопасны игрушки из необработанной древесины (без пропиток и красителей). Также существуют безопасные альтернативы лакокрасочным покрытиям – вместо них могут быть использованы натуральные масла или воск. В России обязательна сертификация деревянных игрушек для детей до 14 лет, и есть известные производители, предлагающие отечественные игрушки, соответствующие всем требованиям безопасности, – уточняет эксперт.

Плюшевый мишка с подвохом

В составе мягких текстильных игрушек может содержаться формальдегид, которым пропитывают ткань для несминаемости и устойчивости к загрязнениям, и антипирены – их добавляют, чтобы сделать материалы невоспламеняемыми. Оба этих компонента негативно влияют на организм и в ряде случаев могут раздражать кожу и слизистые, вызывать аллергию. Кроме того, в настоящее время существует опасение, что ряд пигментов, таких как азокрасители, которые производятся из нефти через сложные химические реакции, негативно влияют на внимание детей и могут вызывать гиперактивность.

– Если изделие выполнено из синтепона или поролона и присутствует маркировка «не поддерживает горение», это может указывать на наличие в составе антипирена. Также стоит избегать игрушек, изготовленных с применением большого количества клея, ярких цветов, в особенности, если они линяют. В таком случае возможно попадание красителя в организм ребенка, – советует Евгения Гладких.

В составе текстильной игрушки может и не быть вредных веществ – например, на это укажет маркировка «OEKO-TEX Standard 100». Кроме этого, например, существуют такие обозначения как «GOTS, OrganicCotton» – органический хлопок без пестицидов.

Опасное творчество: какова плата за мягкость пластилина

Обычный пластилин может содержать парафиновое масло и фталатные пластификаторы. Эти химические вещества добавляют, чтобы сделать его мягким и гибким.

– При контакте с кожей парафиновое масло вызывает сухость и раздражение кожи, а фталаты постепенно накапливаются в организме и в долгосрочной перспективе нарушают гормональный фон. Проглатывание небольшого куска пластилина может вызвать раздражение ЖКТ, тошноту, аллергическую реакцию на красители, а, если ребенок съест целый брусок, последствия могут быть более серьезными – кишечная непроходимость и отравление, – объясняет Евгения Гладких.

Помимо привычного пластилина существуют воздушный и шариковый. Их составы еще опаснее.

– В воздушном пластилине часто содержатся винилацетат, тетраборат натрия и мелкодисперсный тальк, опасные при вдыхании. Они оседают в легких и раздражают их, что может стать причиной астмы и бронхита. Шариковый пластилин при нагреве от тепла рук выделяет токсичный стирол, раздражающий слизистые и поражающий нервную систему, – комментирует Евгения Гладких.

Вышеперечисленные компоненты производители добавляют, чтобы создать структуру пластилина, придать ему мягкость. Но можно обойтись и без них. Наиболее безопасным считается так называемый «съедобный» пластилин: в его состав входят мука или крахмал, поваренная соль, растительное масло и пищевые красители. Его можно купить в магазинах для творчества, заказать на маркетплейсах или просто сделать дома.

Кинетический песок кажется безобидным, но требует осторожности. Хотя его базовые компоненты (кварцевый песок и силиконовый полимер) считаются нетоксичными, в составе могут присутствовать антислеживающие добавки вроде фосфата кальция, опасные в больших дозах. Ещё одна угроза — плесень, которая развивается в песке при неправильном хранении (во влажной среде). Безопасные альтернативы: домашний аналог из манки или крахмала (полностью нетоксичен); чистый кварцевый песок без добавок (но он менее пластичен).

Электронные развлечения с побочным эффектом

В платах электронных игрушек могут содержаться такие опасные для человека металлы как свинец (нейротоксичен), кадмий (канцероген), кроме этого, в корпусах микросхем могут содержаться антипирены, в изоляции проводки – фталаты. В подсветке и дисплеях электронных игрушек также могут использоваться опасные вещества – ртуть, оксид индия-олова. И, конечно же, химическую угрозу представляют аккумуляторы, которые при повреждении выделяют едкие и опасные вещества.

– Электронные устройства в любом случае несут определенную опасность из-за наличия в них аккумуляторов, батареек, дисплеев, однако если выбирать наиболее безопасную игрушку, стоит обратить внимание на сертификаты безопасности: RoHS (запрет свинца, ртути и кадмия, актуально для изделий из Евросоюза), CCC (обязательный сертификат безопасности для изделий из Китая). Также более безопасными будут игрушки без использования литий-ионных и никель-кадмиевых аккумуляторов – альтернативой им могут быть аккумуляторы на основе феррофосфата лития LiFePO4, – объясняет эксперт.

Где еще таится опасность?

– Тщательно выбирать стоит светящиеся игрушки, в которых жидкость может содержать химические вещества, такие как дифенилоксалат, перекись водорода или токсичные соединения типа люминола, которые при контакте с кожей или слизистыми вызывают раздражение, аллергические реакции, а при проглатывании — ожоги пищевода и отравление. Наборы типа «юный химик» неопределенного состава – часто содержат неорганические соли, являющиеся аллергенами, например, соли никеля. Металлические игрушки неизвестного состава и детская бижутерия – могут содержать тяжелые металлы, – уточняет эксперт.

Как выбрать безопасную игрушку?

В первую очередь при покупке игрушки для ребенка нужно обращать внимание на состав и наличие сертификатов безопасности.

Сертификаты, гарантирующие безопасность:EN 71 (европейский стандарт), CEMarking (европейский стандарт), ASTMF963 (американский стандарт), ISO 8124 (международный стандарт), Oeko-TexStandard 100 (отсутствие тяжелых металлов, летучих органических веществ и пестицидов в текстильных игрушках), FSC (стандарт качества деревянных игрушек), GOTS (сертификация органического текстиля для мягких игрушек), CCC (обязательный стандарт для игрушек в Китае).

– В России безопасность игрушек регулируется техническим регламентом Таможенного союза. На безвредность укажут Сертификат соответствия ТР ТС, а также соответствие стандарту ГОСТ Р 53906-2010, – рассказывает Евгения Гладких.

Явными сигналами об опасности являются резкий «химический» запах и нестойкость покрытия (игрушка пачкает руки, краска смывается водой).

– На наличие опасных материалов могут указать маркировки PVC (ПВХ) или Vinyl (может быть обозначен цифрой «3» в треугольнике рециклинга), DEHP, DINP, DIDP и другие маркировки фталатов, BPA (бисфенол A), а также такие примечания, как «содержит свинец», «содержит ароматизаторы» без указания конкретного состава, «стирать отдельно» (указывает на нестойкие красители). Отсутствие каких-либо маркировок и информации о составе так же должно насторожить, – отмечает эксперт.

Наиболее безопасны игрушки из натуральных материалов – древесины без пропиток, либо покрытой натуральными маслами или воском, несинтетических тканей, а также безопасных пластиков (полипропилен, полиэтилен) и силикона.

Как утилизировать опасные игрушки?

– Их ни в коем случае нельзя сжигать и нежелательно выбрасывать в негерметичной таре или без нее, так как это может нанести вред здоровью окружающих и природе. В идеале – нужно, зная состав, сдать их на переработку.

В России есть организации, принимающие, например, ПВХ в том числе у частных лиц, также распространен отдельный сбор электронных отходов (батареек, аккумуляторов), – акцентирует внимание Евгения Гладких.

Особое внимание стоит уделить старым игрушкам, которые были произведены до ужесточения регулирования в 2010-х годах, так как в них чаще использовались токсичные материалы.

Одно из главных требований к таким каркасам – они не должны уступать тканям по жесткости. Если имплантат слишком мягкий, он не выдержит нагрузки, которые обычно принимает реальная кость – вес тела, движение и т.д. Из-за этого могут возникнуть деформации, микротрещины или преждевременное разрушение скаффолда до восстановления тканей. Ухудшится сам процесс срастания и увеличится риск воспаления.

– Показатель, который определяет, насколько кость жесткая и сопротивляется деформации под нагрузкой, называется «модуль упругости». Для правильного процесса выздоровления модуль упругости скаффолда должен быть схож с натуральной костью. Это зависит, в том числе, от вида имплантата, который вживляют пациенту, – комментирует Юлия Пирогова, аспирант, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

Ученые Пермского Политеха изготовили на 3D-принтере образцы каркасов из полилактида по основным применяемым методикам. Их подвергали сжатию и сравнивали с настоящей костной тканью.

Существуют общепринятые инженерные подходы создания скаффолдов. Выделяют три основных: гироидные структуры, диаграммы Вороного и BCC-решетки. Их отличие в распределении пористых структур внутри. Так, например, строение гироидных скаффолдов напоминает природные изогнутые формы, как пчелиные соты или мыльная пена, каркасы Вороного похожи на переплетенные волны.

Задача ученых Пермского Политеха состояла в том, чтобы выявить, какие из них больше всего соответствуют костям человека по жесткости, а значит – наиболее эффективно справятся с восстановлением тканей.

– Образцы скаффолдов сжимали под нагрузкой для имитации воздействия веса, чтобы проверить сходство с архитектурой натуральной кости. Так, эффективный модуль упругости аддитивно изготовленной модели губчатой кости = 765,98 МПа. У каркаса Вороного – 766,21 МПа, у гироидного – 726,47 МПа, а ВСС-решетка показала значение в 469,04 МПа. Это значит, что каркас Вороного – наиболее подходящий по жесткости, и за счет этого кость практически не будет «ощущать» имплантат, – поясняет Илья Виндокуров, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.

– Мы также изучили поведение скаффолдов при нагрузке 4000 Н (≈400 кг). Это примерная максимальная нагрузка на бедренную кость при ходьбе или прыжке у взрослого человека. После численного эксперимента доля разрушенных элементов составила у гироидных каркасов 1,2%, у Вороного до 5%, а у ВСС – 7,1%. С этой точки зрения можно сказать, что гироидные структуры и структуры на основе решеток Вороного лучше распределяют нагрузку, чем BCC-решетки, – рассказывает Михаил Ташкинов, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

Исследование ученых Пермского Политеха помогло определить типы каркасов, обладающие наибольшей жесткостью и схожие с человеческой костью. Так, наиболее близкий к натуральной кости модуль упругости показал каркас Вороного – 766,21 МПа. При этом показатель геометрической реализации реального биологического материала – 765, 98 МПа. Такие результаты позволяют говорить о том, что этот вид скаффолдов соответствует костному материалу почти на 99% и более эффективно позволяет тканям восстанавливаться.

Разработанные в лаборатории структуры могут стать основой для персонализированных имплантатов, ускоряющих заживление костей и снижающих риск осложнений. Правильный выбор каркасов поможет снизить риск отторжения имплантатов и ускорить реабилитацию пациентов. Результаты исследования будут полезны в медицине и биомедицинской инженерии.

Скважины редко бывают вертикальными – в менее 10% случаев.

— Пробурить абсолютно вертикальную скважину невозможно. Чтобы убедиться в этом, проведите эксперимент — разложите на полу нитку длиной два метра и попробуйте добиться, чтобы она лежала абсолютно ровно, не натягивая с двух концов. Также и скважина: прямыми и вертикальными они никогда не бывают. На это влияет, например, неравномерная плотность горных пород на разных глубинах — где-то твердая, где-то мягкая и рыхлая. Также сам вес бурильной колонны – сотни тонн заставляют металл прогибаться под тяжестью, — дополняет Инна Пономарева.

Больше всего бурится наклонно-направленных и даже горизонтальных скважин. Количество последних активно растет и в России, и в мире ввиду развития нужных технологий. Как правило, они обходятся компаниям дороже, сама технология выкачивания нефти сложнее, но эффективнее. Это особенно важно для труднодоступных месторождений, где нефть «заперта» в породах или рассредоточена по большой площади. Такой метод увеличивает площадь контакта с пластом в десятки раз: одна горизонтальная скважина может заменить 5–10 вертикальных.

Согласно данным «Роснефти» за 2024 год компания ввела в эксплуатацию более 3 тыс. новых скважин, из которых 72% горизонтальных. В отчете группы компании «Лукойл» сказано, что из 964 новых нефтяных скважин 37% пришлось на горизонтальные и многозабойные. Последние имеют еще более сложную конструкцию с несколькими боковыми ответвлениями. Представьте водопроводную трубу, от которой в разные комнаты дома расходятся тонкие шланги — так и многозабойная скважина через одно устье добывает нефть сразу с нескольких труднодоступным участков.

Нефтяной фонтан, кислота и взрыв — как добывают нефть?

Процесс добычи нефти можно разделить на традиционный, устоявшийся в промышленности, и инновационный, требующий больших технологических и финансовых затрат.

Самый простой способ — фонтанный, при котором нефть буквально вырывается из недр земли под естественным давлением пласта как пробка из бутылки шампанского. При таком методе не используются насосы – только труба, по которой «черное золото» поднимается наверх самостоятельно. Первые нефтяные фонтаны в Баку и Пенсильвании в XIX веке били на десятки метров в высоту. Сейчас подобные скважины есть в странах Персидского залива, но и в России их предостаточно, например, Ромашкинское месторождение в Татарстане, Самотлорское и Приобское в Ханты-Мансийском автономном округе.

— Но естественной энергии нефти бывает недостаточно. В таких случаях прибегают к другому традиционному способу — в скважину спускают насос. Его приводят в движение с помощью станка-качалки, который стал самым узнаваемым символом нефтедобычи. Обычно именно его образ всплывает в голове, когда люди представляют себе нефтяную промышленность. Сам насос работает по принципу шприца. Для того чтобы набрать лекарство, мы тянем поршень, и жидкость буквально втягивается в цилиндр. Точно также работает и насос: его плунжер (аналог поршня) движется вверх, создавая зону пониженного давления, и нефть из пласта устремляется в скважину. Только масштабы другие — если в шприце ход поршня пару сантиметров, то в скважине он может достигать нескольких метров, а вместо пальцев насос качает многотонная качалка, — уточняет Инна Пономарева.

Но даже самые эффективные насосы могут извлечь лишь 10% нефти. Добыча большего количества требует более сложных и дорогих технологий. Например, в горные породы добавляют специальные жидкости, начиная от простой воды, заканчивая сложными химическими композициями.

— Представьте промывку забитого фильтра в кофемашине: вода под давлением вымывает частички кофе. Так же и в нефтяном пласте — закачанная через специальные нагнетательные скважины вода вытесняет нефть из породы, направляя ее к добывающим скважинам. Но иногда нужны более «хитрые» растворы: кислоты, растворяющие горную породу как уксус накипь в чайнике; углеводороды, счищающие парафин со стенок как средство для посуды; или поверхностно активные вещества, которые, подобно мылу, отмывают капельки нефти, намертво прилипшие к породе. Эти технологии позволяют увеличить добычу нефти, — рассказывает Инна Пономарева.

Нетрадиционное извлечение нефти – процесс более сложный, требующий иных технологий. В таких случаях ее выкачивают уже не из коллекторов (пористого камня, где нефть содержится как вода в губке), а из сланца – плотной породы, где флюид оказывается буквально «взаперти».

— Добыча нефти из такой горной породы как сланец требует специальных технологий, которые не только дороги, но и небезопасны. Есть мнение, что зоны добычи нетрадиционной нефти могут стать зонами отчуждения, непригодными для жилья. В сланцевых горных породах поры, в которых заложена нефть настолько маленькие, что она попросту не может по ним перемещаться и каналы для ее выкачивания создают искусственно: в пластах проводят многократные взрывы, а они, в свою очередь, чреваты множеством техногенных аварий и катастроф, — комментирует профессор кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук Дмитрий Мартюшев.

Химикаты для гидроразрыва могут просачиваться в грунтовые воды, которые становятся непригодными для питья. Нарушение структуры пород может вызвать землетрясение, просадку грунта и даже образование провалов, включая большие метровые воронки. Также взрывы могут спровоцировать выброс токсичных газов на поверхность. Такие примеры в истории были и даже заканчивались гибелью людей.

Нефть со дна

Нефть добывают не только на суше, но и в морях и океанах. Правда, она залегает не в воде, а глубоко под ней, в тех же геологических пластах. Чтобы до нее добраться, нефтяники создают настоящие плавучие острова — буровые платформы, которые сначала проходят водную толщу, а затем и подводные слои пород.

— Ставят плавучую платформу, на ней располагают буровую вышку и уже с платформы добывают нефть привычным образом, проходя сначала толщу воды, а потом все, что отделяет нефтяное месторождение от морского дна. В России такой проект реализован в Пермском крае — сооружение искусственных островов в акватории крупных рек, которые стали площадками для бурения и добычи нефти. В мире подобные острова также есть в ОАЭ: национальная нефтяная компания Абу-Даби (ADNOC) строит их в районе газовой концессии Гаша, — рассказывает Дмитрий Мартюшев.

Бурить скважины посреди бушующего океана — все равно что играть в шахматы во время урагана. Морская платформа должна быть устойчивой: никакие штормы и другие стихийные явления не должны помешать стабильной и непрерывной работе расположенного на ней оборудования. Любое нарушение целостности способно привести к авариям и серьезным экологическим бедствиям: разливам нефти, пожарам. Так, в 2010 году в Мексиканском заливе произошла авария на американской платформе Deepwater Horizon.  В результате аварии в течение 87 дней в залив попало около 5 миллионов баррелей нефти. Поэтому современные компании учитывают все необходимые риски в работе для предотвращения подобных катастроф.

Что происходит после выкачки нефти на поверхность?

Отдельный цикл нефтедобычи начинается на поверхности, после подъема в устье — верх скважины.

В наше время, обычная сырая нефть не пользуется таким спросом, как нефтепродукты, которые из нее перерабатываются. Бензином заправляют автомобили, керосином — самолеты и ракеты, мазут широко применяется как топливо в судостроении, бензол – для изготовления масляных красок (впрочем, ввиду токсичности продукта, его использование сократили), а из толуола создают популярные жаропонижающие и обезболивающие лекарства: например, ибупрофен. Нефть есть в косметике (парафин), жвачке (каучук), и даже колбасе (паприн).

— Сразу после выхода из скважины нефть похожа на грязный коктейль — она может содержать воду, песок, газ, соли, примеси металлов. Поэтому необходим комплекс этапов, главная цель которых — убрать все лишнее и обеспечить подачу в большие центральные нефтепроводы, ведущие к перерабатывающим заводам. Таким образом, жизнь сырой нефти начинается в мельчайшей поре на глубине нескольких километров под землей, а заканчивается уже на нефтеперерабатывающем заводе, когда она превращается в ценный нефтепродукт, — поясняет Инна Пономарева.