Софт и хард российской экологии

На базе Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова в конце 2022 года открылся новый Центр компетенций НТИ. Его направление - «Технологии снижения антропогенного воздействия». Почему возникла необходимость создания такого центра, и как его специалисты могут решить такую задачу, рассказывает исполнительный директор Центра профессор, доктор химических наук Сергей Владимирович Калюжный.

_ Центр компетенций по направлению «Технологии снижения антропогенной нагрузки» – самый молодой среди Центров НТИ. Над какими проектами будет работать Центр, какие задачи ставите?_

Деятельность нашего Центра компетенций будет направлена на комплексное развитие сквозной технологии «Технологии снижения антропогенного воздействия» НТИ. Это – глобальная цель. Проблемы, которые нам предстоит решать для её достижения, можно сгруппировать в два больших направления: для простоты назовем их «Софт» и «Хард». Задача проекта «Софт» - создать цифровую платформу, которая будет:

собирать данные по дистанционному зондированию Земли (ДЗЗ) из космоса, зондированию отдельных участков Земли с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и наземных наблюдений; хранить их, анализировать и преобразовывать в удобный для пользователей формат, включая визуализацию.

Также платформа должна валидировать и верифицировать данные из разных источников (из космоса, например, далеко не всегда всё хорошо видно), включая наземные наблюдения, прогнозировать предстоящие изменения (например, изменение ледового покрова или предполагаемое распространение загрязнения). Кроме того, планируется специальный блок по поддержке принятия решений, т.е. платформа сможет помогать людям принимать более осознанные и аргументированные решения.

Естественно, за время работы платформы должны формироваться массивы разнообразных данных.

Мы планируем опытную апробацию данной платформы на трёх кейсах:

Морехозяйственный комплекс. Например, визуализация состояния Северного морского пути.

Сельское хозяйство. Например, состояние растительности, посевов и всхожести урожая, развития болезней или нашествия насекомых-вредителей.

Муниципальное хозяйство, городская экология. Во многих городах и поселках имеются несанкционированные свалки, куда бесконтрольно сбрасывается мусор, они незаконсервированы и в них происходят различные процессы, в ходе которых могут выделяться опасные вещества, и в этом плане такой мониторинг очень полезен. К тому же, часто хозяйствующие субъекты начинают в городской черте сжигать различные отходы, это приводит к тому, что атмосфера загрязняется, жители окружающих домов начинают жаловаться. Такое сжигание нелегально, незаконно и требует принятия мер со стороны соответствующих органов.

Второе направление связано с первым, так как данным о дистанционном зондировании земли требуется верификация, и она будет проводиться при помощи как беспилотных летательных аппаратов, так и при помощи наземных станций. Проект «Hard» предполагает набор инструментов, сенсоров, которые должны преимущественно работать в автоматическом режиме и передавать собранную информацию на цифровую платформу. Так как основным исполнителем по данному направлению стал Химический факультет МГУ, то будет разработан целый ряд полупроводниковых и плазмонных сенсоров, позволяющий в онлайн-режиме измерять ряд важнейших параметров - от измерения концентрации парниковых газов, до селективного определения содержания в атмосфере других вредных газов. Это и оксиды азота, и аммиак, и сероводород с диоксидом серы, и метан и многое другое. Если мы говорим о водных объектах, то речь уже идет о поточном измерении кислотности, концентрации растворенного кислорода и содержании тех или иных загрязнителей, в частности, тяжелых металлов.

Пока развитие Центра находится в начальном состоянии. Это планы на пять лет. Что-то получится лучше, что-то хуже, но по мере развития Центраа неминуемо будем корректировать проблематику и менять конкретные подходы, но общая канва останется примерно такой.

Основной фокус НТИ сегодня – развитие беспилотной авиации. Что в этой связи может предложить ЦК?

В самой программе Центра компетенций у нас нет задач по созданию беспилотников. Наша задача – использовать беспилотную авиацию путем ее оснащения сенсорами и другими измерительными приборами для получения требуемой информации для цифровой платформы. Для этого наши специалисты будут разрабатывать компактные и эффективные сенсорные модули, обеспечивающие максимальный на данный момент результат.

Сейчас в стране нет единой системы мониторинга качества воздуха, воды, почвы. В каждом регионе он осуществляется по-своему. В рамках федерального проекта «Комплексная система мониторинга окружающей среды» планируется создать к 2030 году информационный ресурс, который объединит все данные по стране о состоянии воды, почвы, выбросах и источниках негативного воздействия. Специалисты ЦК участвуют в этой работе?

Мы делаем свою часть, описанную выше, и надеемся, что она будет интегрирована эту общую федеральную систему мониторинга окружающей среды. И мы готовы приложить максимум усилий по правильной интеграции нашего блока в общую федеральную систему мониторинга. В целом же в стране создается много различных систем мониторинга, которые постепенно превращаются в нечто единое и системное, и Центр старается участвовать в этом процессе, так как обладает соответствующими компетенциями.

Расскажите, какие изменения могут произойти в таких сферах, как муниципальное управление, ЖКХ, в сфере обращения с отходами, АПК с внедрением разработок ЦК?

Если опытная апробация нашей цифровой платформы на муниципальных обьектах покажет свою эффективность, то каждый район Москвы, например, или любого другого города, или поселок городского типа сможет в режиме реального времени получать информацию о состоянии атмосферы, водных объектов, хранилищ различных отходов и так далее.

Что касается сельского хозяйства, то при внедрении разумной системы мониторинга можно с частотой до нескольких дней и даже часов видеть, что происходит на каждом поле, начиная от влажности почвы до нашествия саранчи. Сухость, гниль, полегшая пшеница, половодье, пожар, сломавшаяся система полива, плохая всхожесть – есть множество причин регулярно наблюдать за большими пространствами сельскохозяйственных угодий в нашей стране, и качественный мониторинг традиционными методами - достаточно трудоемок. А такая система, надеемся, позволит видеть картину в целом.

Специалисты ЦК занимаются разработкой сенсоров, систем мониторинга и аппаратуры для размещения на мобильных платформах, в том числе датчиков резистивного типа и алгоритмов сбора и обработки данных для детектирования широкого спектра газов. Эта работа позволит участникам консорциума создать новые отечественные приборы для анализа биомаркеров различных заболеваний и мониторинга физиологически значимых метаболитов в выдыхаемом воздухе для неинвазивной диагностики и контроля эффективности лечебных мероприятий.

Расскажите поподробнее, что делается в этой части?

В рамках проекта разрабатываются несколько типов датчиков, прежде всего, резистивные, основанные на изменении сопротивления сенсора в зависимости от состава окружающей среды. Это полупроводниковые датчики хемосорбционного типа, т.е., если в воздухе есть вещество, на которое «настроен» сенсор, то в результате взаимодействия с детектируемым газом меняется сопротивление чувствительного слоя, о чем датчик и сообщает системе мониторинга. Имея набор различных сенсоров, вы можете практически мгновенно считывать состав окружающей атмосферы. Преимущество таких датчиков заключается в том, что они миниатюрные, поэтому из них можно сформировать систему, которая с борта БПЛА может в онлайн режиме передавать информацию о составе атмосферы исследуемой территории. Главное тут – миниатюризация.

Второй тип датчиков основан на плазмонном эффекте. В них используется спектроскопия комбинационного рассеяния, которая может обнаруживать и определять концентрацию более сложных веществ, таких как бенз(а)пирены. Проблема с ними существует на многих алюминиевых комбинатах и заводах, потому что существующая технология выплавки алюминия включает в себя такой расходный материал, как графитовые электроды, которые в процессе эксплуатации горят. И помимо СО2 образуется множество других соединений, в частности, такие канцерогены, как бенз(а)пирены.

Третий тип датчиков - электрохимические датчики для анализа поверхностных и морских вод. Это нанодатчики, которые могут с высокой скоростью в непрерывном режиме измерять такие стандартные параметры, как pH, содержание кислорода, тяжелых металлов и так далее.

Следует подчеркнуть, что основная направленность проекта - экологическая. Но так как датчикам все равно, где фиксировать состав окружающей среды, то их вполне можно использовать и для других задач. В принципе, такого рода датчики могут, например, измерять низкие концентрации различных газов-биомаркеров в выдыхаемом человеком воздухе и тем самым обнаруживать различные заболевания и контролировать эффективность применяемой терапии.Известны, в частности, биомаркеры, связанные с заболеваниями ЖКТ, органов дыхания и т.д.Такую систему можно сделать как в виде портативного устройства для индивидуального использования, так и в виде более точного прибора для работы в медицинских учреждениях. Это - не мейнстрим данного проекта, но подобное развитие вполне возможно.

Одно из направлений деятельности ЦК – образовательное. Каких специалистов планируете готовить?

В первую очередь, мы планируем специалистов по дистанционному зондированию Земли. Всё-таки работа со спутниковыми данными и данными БПЛА требует специальной подготовки. Второе направление подготовки – специалисты по разнообразным сенсорам, по измерению параметров окружающей среды. Это, в основном, химики и физики, которые занимаются разработкой и усовершенствованием сенсоров, а также инструментальным анализом. Если вкратце, то это основные направления подготовки.

Беседовал Сергей Ивашко