PNIPU

Интернет — это не просто роскошь, а необходимость: он открывает доступ к образовательным платформам, удаленной работе и новым рынкам сбыта для предпринимателей. Сегодня проблема плохого соединения особенно остро стоит в частных и сельских районах. Согласно данным исследования, в 2024 году качество интернета полностью устраивало только 39% домохозяйств. Ученые Пермского Политеха представили новое устройство для передачи трафика, которое способно обеспечить стабильный и быстрый интернет даже в самых отдаленных уголках страны. Их разработка призвана решить проблему цифрового неравенства между городскими и сельскими жителями, а также улучшить качество связи для владельцев загородной недвижимости.

Статья опубликована в журнале «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», том 2, 2024. Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Многие россияне, живущие в сельской местности, сталкиваются с нестабильным соединением, медленной загрузкой страниц и невозможностью работать или учиться онлайн. Особенно это стало актуально после пандемии, когда дистанционный формат образования и работы стал обыденностью. При этом, как показывает исследование, на момент 2024 года каждое десятое домохозяйство в стране вообще не имело доступа в Сеть.

На рынке устройств мобильной связи, модемов в частности, есть много разных предложений. Но, как правило, онилибо слишком дорогие, либо не отличаются высокой производительностью и не обеспечивают стабильную скорость свыше 100 Мбит/с, а потому не могут предоставить хорошее качество услуг, таких как просмотр видео, загрузка и выгрузка крупных файлов, гейминг.

Ученые Пермского Политеха разработали уникальное устройство широкополосного доступа к Сети, которое способно обеспечить стабильный и высокоскоростной интернет. Слово «широкополосный» происходит от термина в телекоммуникациях «ширина полосы пропускания» (bandwidth). Чем шире полоса, тем больше данных может передаваться за единицу времени.

— Для устройства была разработана принципиальная схема, печатная плата, корпус. Модем может работать в диапазоне 2600 МГц, поддерживает технологию MIMO 4x4, которая позволяет одновременно передавать и принимать данные по четырем независимым каналам.Также у оборудованияесть четыре порта для проводного подключения и столько же разъемов для внешних антенн. Кроме того, разработанный модем совместим с сетями 4G и 5Gи поддерживает современные стандарты связи: Wi-Fi 6 – более высокая скорость соединения (передачи данных), LTE-A Pro – улучшенная версия мобильной связи 4G, QAM256 – метод кодировки, который позволяет передавать больше информации за один раз, – рассказывает Сергей Тюрин, старший преподаватель кафедры «Автоматика и телемеханика» ПНИПУ.

Особенность устройства в том, что оно обеспечивает высокую скорость передачи данных — до 4,6 Гбит/с на расстоянии 1 км от базовой станции и 100 Мбит/с на 20 км. Для сравнения: большинство современных модемов в России поддерживают скорость от 100 до 300 Мбит/с, но для 4G при удалении от станции на 10-20 км она падает до 1-10 Мбит/с.

Устройство может также работать с внешними антеннами, что позволяет гибко настраивать связь в зависимости от условий местности. В качестве антенн специалисты использовали собственные разработки — направленные антенны с усилением сигнала до 27 дБм, изготовленные из нержавеющей стали и спутниковых тарелок.

Для моделирования работы устройства использовались программные комплексы «MatLab link budget analysis» и «Google earth», чтобы воспроизвести реальные условия связи и проверить ее устойчивость на разных расстояниях.

— Использование антенн позволило значительно улучшить мощность и качество принимаемого сигнала, даже если пользователь находится далеко от вышки сотового оператора. Результаты вычислений показали, что устройство стабильно работает на расстоянии более 11 км от базовой станции, — комментирует Сергей Тюрин.

Новое устройство предлагает вдвое большую скорость, чем самый дорогой модем Huawei (модель с поддержкой 5G стоит 71 500 рублей), но его цена значительно ниже: 15 000 рублей за 4G-версию и 22 000 за 5G. Это делает оборудование исследователей доступным для широкого круга пользователей.

Разработка ученых Пермского Политеха поможет жителям сельской местности и частного сектора, а также малому и среднему бизнесу, расположенным вне крупных городов, которым необходим надежный канал связи для онлайн-торговли, видеоконференций, облачных сервисов и других задач. Это может стать важным шагом в развитии цифровой инфраструктуры России и повысить уровень жизни населения.

Синтез-газ служит основой для производства множества ценных химических продуктов. Это смесь водорода и оксида углерода, которую вырабатывают из углеродсодержащего сырья, а затем перерабатывают в топливо, пластмассы, удобрения, синтетические смолы и лекарственные средства. В промышленности для его получения используется специальный реактор, в котором сырье, например, природный газ, с помощью катализатора и при определенных температуре и давлении преобразуется в синтез-газ. Ученые Пермского Политеха разработали новый тип реактора, который обеспечивает равномерный прогрев устройства, в отличие от аналогов. Конструкция позволяет на 30% увеличить производительность получения синтез-газа.

На изобретение получен патент. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Реактор для получения синтез-газа представляет собой металлический каркас, в котором расположены реакционные и теплообменные трубки. В первых послойно расположен катализатор – металлокерамические гранулы, ускоряющие процесс синтеза, а вторые отводят тепло из устройства. Проходя через катализатор, компоненты углеводородного сырья вступают с ним в химическую реакцию и выходят в виде синтез-газа (смеси водорода и оксида углерода).

Основная проблема существующих устройств заключается в неравномерном распределении тепла в слоях катализатора. Во время процесса важно строго соблюдать температурный режим, чтобы обеспечить химическую реакцию между веществами. Однако металлические трубки нагреваются быстрее по сравнению с керамическим материалом, из-за этого катализатор у стенок трубок сильно перегревается, а в центре, наоборот, не прогревается до нужной температуры.

Ученые Пермского Политеха разработали новую конструкцию реактора, в котором слои катализатора чередуются со слоями сферических металлических частиц. Последние позволяют быстрее проводить тепло внутри трубок, за счет чего оно распределяется равномерно.

– Наше устройство для получения синтез-газа содержит реакторную камеру – полый цилиндр, внутри которого установлены 30 каналов (трубок) увеличенного диаметра и система нагрева, представляющая собой центральную трубу с отверстиями для выхода тепла. Сами каналы заполнены с чередованием слоев катализатора (никель с керамикой) и слоя металлических шариков. Такая конструкция обеспечивает одинаковый прогрев и повышение производительности реактора на 30%, – рассказывает Николай Кондрашов, главный инженер проектов ПНИПУ.

Такой результат ученые получили, испытав опытный образец устройства на российском предприятии атомной отрасли.

Разработанный реактор работает следующим образом: углекислый газ и водяной пар под давлением подают в центральную трубу и поджигают, тем самым нагревая стенки до 900 градусов. В реакционные каналы закачивают углеводородное сырье, например, метан, он проходит через слои металлических шариков и катализатора, где происходит превращение веществ в смесь водорода и оксида углерода. В результате полученный синтез-газ выводится из устройства.

Новый тип реактора ученых Пермского Политеха позволит повысить производительность синтез-газа в российской химической промышленности. Предлагаемая конструкция обеспечивает надежность и эффективность работы, снижая затраты и увеличивая выход полезного продукта.

Лопух с древних времен используется в кулинарии, фармацевтике и медицине. До сих пор он привлекает внимание исследователей благодаря своему богатому химическому составу и лечебным свойствам. Создание природных лекарственных средств — важное направление в современной науке, поскольку такие препараты имеют меньше побочных эффектов и могут стать дополнением или даже альтернативой для синтетических антибиотиков, которые все больше теряют эффективность из-за того, что бактерии постепенно развивают к ним устойчивость. Ученые Пермского Политеха изучили биологическую активность настоя из листьев лопуха и выяснили, что он обладает антибактериальными свойствами, что важно для борьбы с инфекциями, и способностью снижать уровень глюкозы в крови, что может помочь при профилактике сахарного диабета. Эти открытия могут стать основой для создания новых природных лекарственных средств.

Статья опубликована в журнале «Химия. Экология. Урбанистика», том 2, 2025. Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

В современной науке наибольшее внимание обычно уделяется корням лопуха, тогда как его листья остаются менее изученными. Однако именно они содержат богатый набор биологически активных веществ, которые могут поддерживать здоровье человека. Это, например, полифенолы, флавоноиды и органические кислоты – они отличаются выраженной антибактериальной и гипогликемической активностью, то есть препятствуют развитию инфекций и помогают контролировать уровень сахара. Именно эти эффекты ферментированного настоя из листьев лопуха изучили ученые Пермского Политеха.

Для того, чтобы получить такое средство, исследователи пользовались особой технологией, запатентованной ими же ранее (№2733141). Она основана на ферментации – это биологический процесс, при котором микроорганизмы преобразуют органические вещества (например, сахара, белки, растительные компоненты) в другие соединения с помощью ферментов – особых веществ, которые они сами и выделяют. В методе ученых Пермского Политеха используется штамм молочнокислых бактерий Lactobacillus plantarum 8P-A3. Эта процедура повышает биодоступность полезных компонентов и усиливает важные свойства за счет метаболитов, вырабатываемых микроорганизмами.

В ходе исследования проверялась антибактериальная активность настоя in vitro (в пробирке) против нескольких распространенных патогенных микроорганизмов – в частности, золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) и кишечной палочки (Escherichia coli). Они вызывают инфекции, устойчивые ко многим антибиотикам.

– Настой продемонстрировал значительную антибактериальную активность против этих двух бактерий. Минимальная подавляющая концентрация составила 1:80, что в два раза эффективнее по сравнению с настоем, ферментированным без использования пробиотиков. Обнаруженная антибактериальная активность открывает возможности для применения такого настоя в качестве натурального средства для борьбы с бактериальными инфекциями, – комментирует Руслан Хайбуллин, аспирант кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.

Также ученые Пермского Политеха впервые доказали, что настой из листьев лопуха может снижать уровень сахара в крови. Это открытие особенно значимо для разработки новых методов борьбы с сахарным диабетом, при котором у пациентов уровень глюкозы повышается. Для оценки достоверности эффекта ученые сравнили действие настоя с метформином – он широко используется в лечении диабета 2 типа.

— Для того, чтобы проверить результаты исследования, использовался тест на глюкозотолерантность: лабораторным крысам после 12-часового голодания вводили 40%-ный раствор глюкозы, а затем — либо настой ферментированных листьев лопуха, либо метформин. Наш настой показал коэффициент стабилизации уровня сахара в крови, сопоставимый с метформином — 1,11 против 1,08. Это открытие может помочь в разработке натуральных средств для контроля диабета, — рассказывает Лариса Волкова, профессор кафедры охраны окружающей среды ПНИПУ, доктор медицинских наук.

Важно было также оценить токсичность настоя. Для этого ученые вводили самцам белых мышам по 1 мл препарата и наблюдали за их состоянием 14 дней. В результате все животные выжили, признаков отравления у них замечено не было.

В дальнейшие планы исследователей входит расширить спектр изучаемых бактерий, оценить действие настоя в длительной перспективе и провести клинические испытания.

Исследование, проведенное учеными Пермского Политеха, показало, что ферментированный настой из листьев лопуха обладает выраженной биологической активностью и лекарственными эффектами. Разработка ученых Пермского Политеха перспективна для создания новых натуральных препаратов — как антибиотиков, так и средств для контроля глюкозы. Такой продукт может пригодиться и врачам, и их пациентам, а также компаниям, которые изготавливают лекарства. Кроме того, предложенная технология ферментации может применяться и в производстве функциональных продуктов питания, полезных для здоровья.

Болезнь Альцгеймера — это хроническое нейродегенеративное заболевание головного мозга, которое является одной из самых распространенных форм деменции. Согласно статистике ВОЗ, в 2015 году ей страдали 47 миллионов человек во всем мире, к 2030 году это число увеличится до 75, а к 2050 — до 132. На поздних стадиях болезнь не поддается лечению, поэтому крайне важна ранняя диагностика – только в этом случае прогрессирование патологии возможно значительно замедлить. Но начало ее развития сложно отследить как пациенту, так и врачу, поскольку симптомы могут долго себя не проявлять. Ученые Пермского Политеха предложили инновационный метод диагностики болезни Альцгеймера, который основан на исследовании вен головного мозга. Их подход позволяет выявлять заболевание с точностью до 89% на ранних стадиях.

На разработку выдан патент № 2837964. Исследование выполнено в рамках НОЦ Мирового уровня.

По мере развития болезни Альцгеймера связи между нейронами нарушаются и мозг теряет способность выполнять свои функции: ухудшаются память, мышление, речь, способность к логическому анализу. Человек начинает путаться во времени и терять ориентацию даже в знакомой обстановке, появляются тревога, раздражительность, параноидальные идеи.

На данный момент полного излечения от болезни Альцгеймера не существует. Однако есть препараты и подходы, которые могут замедлить развитие заболевания или препятствовать его переходу в тяжелую форму. Поэтому раннее выявление и профилактика играют ключевую роль в замедлении прогрессирования патологии и сохранении качества жизни человека.

Проблема в том, что болезнь Альцгеймера развивается медленно и начинается задолго до появления первых клинических симптомов. Существующие методы диагностики либо слишком дороги, либо не дают достаточной точности. Генетические тесты могут показать только предрасположенность к болезни, но это еще не является гарантией ее развития. Лабораторные исследования крови также сталкиваются с проблемой специфичности — маркеры воспаления могут быть связаны с другими заболеваниями и давать ложные результаты.

Ученые Пермского Политеха предложили инновационный метод диагностики болезни Альцгеймера, который основан на исследовании вен левого и правого полушарий головного мозга с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) и машинного обучения. Ранее ученые ПНИПУ запатентовали способ диагностики через анализ четырех вен. В новом подходе учитываются показатели магнитной восприимчивости уже шести, что повышает достоверность диагноза.

— На практике это выглядит следующим образом. Пациенту вводят контрастное вещество на основе гадолиния, которое усиливает сигнал МРТ, где человек проходит сканирование головного мозга. Далее специалисты измеряют магнитную восприимчивость в шести мозговых венах. Эти параметры дают важную информацию о состоянии кровеносных сосудов и уровнях кислорода, которые могут меняться при развитии болезни Альцгеймера, — объясняет Леонид Кожемякин, начальник отдела инноваций ПНИПУ, кандидат технических наук.

Следующий этап – обработка данных. В отличие от предыдущего подхода ученых Пермского Политеха, который предполагал ручную работу на бумажной диагностической карте, в новом методе полученные параметры вводятся в заранее обученную компьютерную программу, которую также специально разработали ученые. Она использует алгоритмы машинного обучения — так называемое «дерево решений», которое выглядит как разветвляющаяся блок-схема. По ней программа обрабатывает данные – последовательно проверяет значения магнитной восприимчивости вен – и на мониторе выдает заключение: CON – человек здоров, или AD – болезнь Альцгеймера.

— Наш подход позволяет обнаружить болезнь на доклинической стадии, когда симптомы еще не проявились. В отличие от инвазивных способов, таких как биопсия, МРТ с контрастом минимально воздействует на организм. Главное преимущество нашего метода — его точность: достоверность диагностики составляет не менее 89%, что значительно выше, чем у большинства современных аналогов, — комментирует Юлия Большакова, студентка факультета прикладной математики и механики.

Новый метод ученых Пермского Политеха – это надежный и доступный способ диагностики болезни Альцгеймера. Разработка позволяет специалисту получить четкий ответ, который станет основой для дальнейших диагностических и лечебных мероприятий. Важно отметить, что окончательное решение всегда остается за лечащим врачом, поскольку метод поддерживает, но не заменяет профессиональную экспертизу.

В процессе добычи угля извлекается много пустой породы, которая со временем накапливается в виде крупных насыпей, достигающих десятки метров в высоту. Такие отвалы, хранящиеся на территории угольных бассейнов, называются терриконами. Из-за остатков угля они могут самовозгораться и гореть годами, выбрасывая в атмосферу большие концентрации угарного газа, сероводорода и других токсичных веществ. Только из одного горящего отвала за сутки в среднем в воздух выделяется 4-5 тонн оксидов углерода и от 600 до 1100 килограмм сернистого ангидрида. Такие выбросы усиливают парниковый эффект, загрязняют воздушную и водную среду региона, а также вредят здоровью людей. Использование отходов угледобычи в качестве сырья для производства строительных материалов может стать эффективным решением проблемы их утилизации. Ученые Пермского Политеха изучили возможность применения террикоников как минеральных добавок для цемента и материалов на его основе. Предлагаемый подход способен на 21% повысить прочность строительного раствора по сравнению с составом без добавок.

Статья опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», том 1, 2025. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Негативное влияние террикоников на окружающую среду снижают путем выравнивания искусственных холмов, озеленения и рекультивации земель, что требует больших финансовых затрат – рекультивация лишь одного террикона может стоить десятки миллионов рублей. Это зависит от целого ряда сложных технических, экологических и логистических факторов – от искусственного улучшения токсичной земли и борьбой с самовозгоранием, до доставки грунта, воды и техники на отдаленные шахтерские территории. Также реализовать такие методы возможно не на всех техногенных отвалах из-за плохой приживаемости растений.

Другим решением является применение отходов угледобычи в промышленности. Они представляют собой смесь глины с небольшим включением угля, алюминия, кремния и железа. Поэтому перспективно их вторичное использование с отделением полезных соединений и применением в сплавах, углеудобрениях, асфальте и различных строительных материалах.

Ученые Пермского Политеха предложили ранее неизученный подход по применению террикоников в качестве минеральной добавки для портландцементов и материалов на их основе, в частности, бетонов.

Такое решение эксперты проверяли на примере территории Кизеловского угольного бассейна, на которой объем техногенных отходов оценивается в 13 миллионов кубических метров.

Минеральные добавки в составе портландцемента и цементных бетонов придают материалам специальные свойства – повышают их прочность, водонепроницаемость, коррозионную стойкость и другие. А также позволяют сэкономить природное сырье и увеличить объем производства за счет разбавления основного состава. Применение террикоников в качестве минеральных добавок решит сразу два вопроса: экологическую проблему на территории угольных бассейнов и проблему ресурсо- и энергосбережения при производстве цемента.

Политехники отобрали пробы породы горелых и не горелых террикоников, изучили их химический и минералогический состав, а затем провели эксперимент по замене в составе раствора портландцемента террикоником в количестве 10, 20 и 30%.

– Химический состав террикоников мы определяли флуоресцентным рентгеноспектральным методом, а минералогический состав – методом экспрессного рентгенографического количественного фазового анализа. Результаты показали, что горелый терриконик состоит преимущественно из кварца, а не горелый из каолинита и кварца с включениями угля. Наличие в последнем каолинита говорит о возможности его использования в качестве активной минеральной добавки после предварительного обжига, так как при этом проявляется высокая пуццоланическая активность материала – способность реагировать с хорошо растворимыми щелочами, образующимися при твердении портландцемента, с последующим образованием плохо растворимых низкоосновных гидросиликатов кальция, – объясняет Степан Леонтьев, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.

Для получения минеральной добавки эксперты измельчали частицы до 0,08 мм. Не горелый терриконик после этого обжигали в лабораторной муфельной печи при температуре 700°С в течение 2 часов.

– Для оценки эффективности использования добавки терриконика мы приготовили цементный раствор, состоящий из одной части портландцемента типа ЦЕМ I 42,5Н и 3 частей монофракционного кварцевого песка. В итоге у нас получился 1 контрольный состав без терриконика и по 3 состава с горелым и не горелым террикоником, которых мы заменяли 10, 20 и 30% портландцемента. Из этих составов формовали образцы-балочки, которые затем твердели 28 суток в нормальных условиях, а также в условиях тепловлажностной обработки. После твердения образцы испытывали на изгиб и на сжатие, – рассказывает Степан Леонтьев.

Сравнивая прочность разных образцов политехники определили эффективность использования терриконика в качестве минеральной добавки, а также его оптимальную дозировку.

– Результаты показали, что замена до 30% цемента горелым террикоником совсем незначительно сказывается на его прочности. Тогда как замена 20% цемента не горелым террикоником на 21% повышает прочность раствора по сравнению с бездобавочным составом. Это говорит о принципиальной возможности использования отходов угледобычи в качестве минеральных добавок для цемента и материалов на его основе, – комментирует Степан Леонтьев.

Решение, предложенное учеными Пермского Политеха, позволит значительно уменьшить количество техногенных отвалов на территории угольных бассейнов, что снизит нагрузку на окружающую среду.