— Топливный элемент представляет собой устройство, которое преобразует энергию химической реакции в электричество. При этом сокращаются этапы превращения по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, что также очень выгодно и эффективно. Коэффициент полезного действия топливных элементов может приближаться к 100%.
Низкотемпературный топливный элемент — это устройство, в центре которого находится полимерная протонопроводящая мембрана, с двух сторон на эту мембрану нанесены каталитические электродные слои. В устройство с двух сторон подаются кислород и водород. Водород окисляется, в цепь поступают электроны, протоны движутся через мембрану на кислородный электрод. Там кислород восстанавливается, взаимодействует с протонами, превращается в воду, и вода выводится из этого устройства. Энергия от этой химической реакции превращается в электрическую и поступает в сеть для питания тех или иных потребителей.

Владимир Ефимович Гутерман является выпускником химического факультета Ростовского государственного университета (сегодня — ЮФУ). В 2002 году получил степень доктора химических наук. Специализируется на изучении взаимосвязи условий получения, состава и электрокаталитической активности металлоуглеродных наноструктурированных электрокатализаторов для применения в низкотемпературных топливных элементах. С 2002 по 2005 годы работал старшим научным сотрудником в Samsung Advanced Institute of Technology в Южной Корее. С 2005 года преподает на химическом факультете ЮФУ. Выступает автором и соавтором более 300 научных и методических работ, владеет авторскими свидетельствами на изобретения и зарубежные патенты. Руководил грантами РФФИ, Российского научного фонда, темы Проектной части государственного задания РФ. Эксперт РФФИ и РНФ, Министерства науки и образования РФ. Возглавляет лабораторию «Технологии синтеза каталитически активных материалов» по программе развития ЮФУ «Приоритет 2030».

«Прометей» электрохимической отрасли РФ

— А почему возникла необходимость создания новых катализаторов?
— Скорость окисления водорода и скорость восстановления кислорода очень зависят от того, из какого материала сделан электрод. Если мы используем в качестве электрода платину, то скорость этих реакций в десятки тысяч раз больше, чем на других металлах. А если в единицу времени превращается большое количество веществ, мы получаем большую силу тока. Поэтому и применяется платина. Чтобы расходовать меньше платины, ее стали наносить в виде наночастиц на поверхность носителей, в первую очередь, углерода. За счет этого 1 грамм платины в наших
катализаторах имеет площадь поверхности до 120 квадратных метров.

— Как в ЮФУ начали разрабатывать платиносодержащие катализаторы?
— Эти катализаторы были известны достаточно давно. В свое время я три года проработал в Институте передовых технологий компании Samsung в Южной Корее. Именно там в 2003 году и начал заниматься этой тематикой. Там я увидел планы Европейского экономического сообщества, Соединенных Штатов Америки, Японии и понял, что это очень долговременная тема. Стратегии развития водородной энергетики разработаны в зарубежных странах на период до 2050 года.
И мне показалось, что это очень важно и интересно. Вернулся сюда, собрал студентов химического факультета, предложил им заниматься этой тематикой. Так появилась студенческая лаборатория, специализировавшаяся на производстве компонентов для устройств водородной энергетики. Сегодня в нашем научно-образовательном центре работают уже две полноценные лаборатории, поскольку в 2024 году был начат новый проект, «Технологии синтеза каталитически активных материалов» - кандидат в стратегические проекты программы «Приоритет 2030». Исследования, проводимые в рамках этого проекта, направлены на разработку новых подходов к управлению сложными процессами синтеза наночастиц. Научившись управлять синтезом, мы можем контролировать микроструктуру платиносодержащих катализаторов в процессе получения и, как следствие, управлять их функциональными характеристиками.

Южный федеральный университет — один из крупнейших научно-образовательных центров России. Ведет свою историю
с 1915 года, когда в Ростов-на-Дону переехал Императорский Варшавский университет. Сегодня в ЮФУ представлены 14 научных школ, 248 направлений подготовки, 14 международных лабораторий, 12 ученых ЮФУ входят в 2% самых цитируемых ученых мира, в университете обучаются 27 тыс. студентов из 87 стран.

— Вы с коллегами организовали собственное производственное предприятие «Прометея РД». В каком объеме оно производит катализаторы сегодня?

—В какой-то момент мы поняли, что разработали оригинальную технологию и получаем катализатор мирового уровня. Было интересно реализовать свои научные наработки в рамках реальной продукции. Водородная энергетика развивается, и это будет отечественный катализатор, который не уступает, а может, даже и несколько превосходит мировые аналоги. Наша команда выиграла грант «Старт» Фонда поддержки инноваций и создала малое предприятие, которое смогло масштабировать технологию и начать производство инновационного продукта.
Это было сложно. Один автомобиль Toyota Mirai, который сейчас выпускают японцы, содержит в топливном элементе примерно 10–15 граммов платины. Это очень немного. К тому же катализатор — очень дорогой продукт из-за того, что
в его состав входит платина. Технология достаточно дорога. Но его не нужно производить тоннами, что очень удобно. Правда, некоторые зарубежные предприятия производят в таких объемах, но в России пока нет такой потребности.
«Прометей РД» стал успешно развиваться. Однако в России сегодня отсутствует коммерческое производство топливных элементов с протонообменной мембраной. Пока появляются только опытные образцы, как у компаний КАМАЗ и ГАЗ. Беспилотники могут летать на таких топливных элементах. Но все эти устройства надо заправлять водородом,
а заправок таких практически нет. Поэтому закупки катализаторов не очень велики. За год предприятие производит и продает около 2 кг катализаторов.

Южные катализаторы для дружественных стран

— Планируется ли дальнейшее расширение мощностей «Прометей РД»? Каким будет следующий этап развития этого предприятия?
— Мы с нетерпением ждем, когда в России сформируется рынок водородной энергетики и коммерческое производство устройств с водородными топливными элементами, электролизеров, для которых нужны катализаторы такого типа, которые мы производим.
Рано или поздно это произойдет. Мы готовы выпускать гораздо больше продукта. На начальном этапе это не потребует больших вложений и большого наращивания производственных мощностей. Сейчас мы наладили синтез продукта в реакторах и можем получать в одном реакторе 100 граммов катализатора за сутки. Производство можно увеличить, но нам нужен потребитель. Сейчас мы думаем о том, чтобы пытаться выйти с этой продукцией за рубеж. Будем пробовать наладить поставки в Арабские Эмираты, в Индию, может быть, в Китай – один из мировых лидеров водородной энергетики.

— В какой перспективе возможно такое сотрудничество?
— К нам обращались российские компании, у которых были планы передачи технологий и производства топливных элементов в дружественных России странах. И мы готовы к такому сотрудничеству. В ближайшем будущем планируем активно участвовать в мероприятиях, которые будут проводиться на площадках этих дружественных стран, попытаемся установить непосредственный контакт с представителями зарубежных компаний, развивающих зеленую энергетику, для передача своих образцов на испытания.

— Каковы планы вашего научного коллектива до конца текущего года?
— Только недавно трое наших кандидатов наук получили три гранта Российского научного фонда. Для коллектива довольно сложно одновременно работать по разным проектам. Тем не менее мы пытаемся расширять ту область, в которой работаем. Она пока сосредоточена вокруг катализаторов — катализаторы для электролизеров, новые типы наноструктурных катализаторов для топливных элементов, прогрессивные технологии их получения. Здесь не обойтись без качественных фундаментальных исследований, которые и выполняются в рамках грантовых проектов, государственного задания РФ по науке, программы «Приоритет 2030».
Для сотрудников НОЦа я когда-то приводил пример, что мы растим дерево, на котором много веток.
Заранее невозможно предсказать, на какой ветке будет больше плодов. Поэтому мы постоянно выращиваем новые ветки. Если какое-то из направлений развивается более активно, направляем усилия туда, а еще пытаемся посадить второе дерево, чтобы в перспективе возник садик.


Беседовала Анастасия Назарова

— Благодаря правительственному проекту по созданию передовых инженерных школ, мы получили значительную грантовую поддержку. В рамках школы мы создали лабораторию робототехнических группировок для решения агропромышленных задач. Команда разработчиков обязалась представить совету и руководству ПИШ группировку агродронов, которая без участия оператора должна мониторить поля в несколько десятков гектаров. Беспилотники будут определять состояние культур в полях и давать рекомендации агроному по внесению удобрений, устранению сорняков и другим работам. Речь идет именно о применении беспилотников без привлечения оператора.
Вячеслав Хасанович Пшихопов является выпускником Таганрогского государственного радиотехнического университета (сегодня — ЮФУ). Специализируется на робототехнике, теории управления, системах оптимального управления, автоматизированных распределенных системах управления энергообъектами и сетями. С 1986 по 2004 гг. работал на кафедре систем автоматического управления ТРТУ. Получил степень доктора технических наук по специальности «Системный анализ, управление и обработка информации» в 2004 году. С 2007 года является директором Координационного научно-технического центра систем управления при ЮФУ. В 2013 году стал академиком Академии наук авиации и воздухоплавания. С 2014 года является директором НИИ робототехники и процессов управления ЮФУ. Входит в подгруппы по НИОКР межправительственных российско-индийской и российско-итальянской комиссий по военно-техническому сотрудничеству. Имеет более 40 авторских свидетельств и патентов РФ и более 100 научных публикаций.

Каковы сроки реализации этого проекта?
— Сейчас задача у ребят – к концу 2024 года представить демонстратор. Это точно будет уже группа беспилотных летательных аппаратов с наземным пунктом управления, каналами связи и системой навигации. Я испытываю определенный оптимизм, потому что много шагов на пути к решению этой задачи уже сделано в рамках предыдущих контрактов.

Дроны уходят в автономный полет

— Вы начинали заниматься разработками в сфере нейросетевых систем управления роботами еще в 90-х годах. За минувшие два десятилетия насколько сильно шагнула вперед эта отрасль? Каким будет следующий этап развития?
— С привнесением нейросетевых подходов к управлению роботами ситуация в отрасли существенно изменилась. В первую очередь — в части обработки данных. Так, в 2016 году нейросети впервые превысили возможности человека по распознаванию лиц. Аналогичным образом они используются в робототехнике.
Что касается управления, тут вопрос остается открытым. Есть известные примеры использования нейросетей в управлении, допустим, в игре Dota, когда, чтобы обучить нейросеть, на протяжении нескольких месяцев фиксировалось более 20 тыс. параметров с каждого сеанса игры. Эти данные были в качестве обучающей выборки использованы для нейросети, которая обыграла команду людей. В 98% случаев выигрыш был на стороне искусственного интеллекта.
Южный федеральный университет — один из крупнейших научно-образовательных центров России. Ведет свою историю с 1915 года, когда в Ростов-на-Дону переехал Императорский Варшавский университет. Сегодня в ЮФУ представлены 14 научных школ, 248 направлений подготовки, 14 международных лабораторий, 12 ученых ЮФУ входят в 2% самых цитируемых ученых мира, в университете обучаются 27 тыс. студентов из 87 стран. Инженерно-технологическая академия ЮФУ создана в 2013 году на базе Таганрогского радиотехнического института, основанного в 1951 году. С 2022 года на площадке ИТА ЮФУ реализуется федеральный проект «Передовые инженерные школы». ПИШ «Инженерия кибеплатформ» ЮФУ сосредоточена не только на развитии робототехники как области прикладных наук, но и на развитии сквозных технологий, таких как искусственный интеллект, связь, электроника и нейротехнологии.
Однако, как только при применении нейросетей в среде функционирования вы выходите за параметры обучающей выборки, эффективность существенно падает. В той же Dota, если вы обучили нейросеть под пять участников, а играть будут семь или восемь, то не факт, что нейросеть отыграет эту ситуацию в свою пользу. Поэтому в дальнейшем развитии систем управления беспилотными аппаратами необходимо комплексирование искусственного интеллекта с известными методами робототехники, не только классическими, но и неоклассическими. Это позволит перейти на новую ступень в создании интеллектуальных систем управления и интеллектуальных роботов.

— Сегодня системы беспилотников управляются в дистанционном режиме, почему вы считаете, что необходимо создавать автономные беспилотные системы?
— Беспилотные авиационные системы, перемещающиеся по заданному маршруту, сегодня уже широко применяются и в гражданском секторе, и в специальных задачах. Но, как правило, беспилотники функционируют в средах, где нет связи и нет спутниковой навигации. И решение задач, которые возлагаются на беспилотные авиационные системы, в этом случае невозможно.
Также сегодня есть повышенные требования к оператору, к его психофизиологическому состоянию. Скорость и правильность принимаемых решений зависят от оператора. Новые задачи, которые ставят перед нами потребности общества и укрепление обороноспособности государства, требуют именно перехода в автономные режимы применения. Поэтому однозначно будущее беспилотных авиационных систем — это группировки, одиночное применение автономных систем, минимизация участия оператора.

— Как вы считаете, сколько времени может занять внедрение таких систем?
— На решение этой задачи с использованием компонентной базы дружественных стран мы можем выйти в течение 3-5 лет. Если задачей будет применение исключительно отечественной компонентной базы, то срок будет более длительным. С одной стороны, это позволит сформировать технологическую независимость, но это потребует вложений: интеллектуальных, кадровых, финансовых.

Роботы и человек

— Помните ли вы, когда впервые увидели робота? Какое впечатление это на вас произвело?
— С робототехникой я столкнулся ещё будучи студентом — почти 40 лет назад. Я участвовал в проекте, который на тот момент выполняла наша кафедра, по созданию сверлильно-клепального автомата для сборки изделий двойной кривизны широкофюзеляжных самолетов. Тогда этот контакт носил исключительно теоретический характер. Это была научно-исследовательская работа.
А через год, в 1987 году, наша команда была приглашена для создания роботизированного комплекса на базе замечательных манипуляторов РМ-01. Это было совместное производство Великобритании, СССР и Финляндии. Такие роботы распределялись между предприятиями, которые готовы были их использовать для автоматизации своих производственных процессов. На Таганрогском авиационном заводе имени Димитрова были первые два манипулятора РМ-01. И я отвечал там за систему управления. Мне пришлось и программировать этих роботов, и писать для них алгоритмы функционирования. Это был тот момент, когда я погрузился в робототехнику с удовольствием, а потом, оказалось, еще и с любовью.

— В каких сферах робот никогда не сможет заменить человека?
— В человеческих отношениях. Роботы с самого начала создавались, чтобы облегчить рутинные задачи: сначала манипуляторы на заводах, затем с их помощью мы стали погружаться в глубины океана, использовать их в космосе. Попытки использовать роботов, чтобы компенсировать отсутствие человеческого общения, были у японцев. В рамках своей государственной программы там создавали человекоподобных роботов ASIMO и предоставляли японским пенсионерам. Я думаю, что в ближайшем будущем в этих отношениях роботы не смогут заменить людей.
Однако дальнейшее развитие будет зависеть от того, в каком темпе мы будем ставить новые задачи перед робототехниками, и готовы ли мы будем перешагнуть через линию, которая называется «межчеловеческие отношения».


Беседовала Анастасия Назарова

— Потребность в таких технологиях очень большая — к нам обращаются различные компании. В настоящее время мы вводим в оборот полупромышленную линию по производству сорбентов и биоудобрений. Это линия имеет не только пиролизные печи, но и сушки, дробилки для того, чтобы из любых органических отходов получать новые материалы.
Татьяна Михайловна Минкина окончила Ростовский государственный университет (сегодня ЮФУ) по специальности «Почвоведение» в 1988 году. Специализируется на изучении процессов химического загрязнения почв и его предотвращении. Преподает в Академии биологии и биотехнологий им. Д.И. Ивановского с 1991 года. В 2008 году получила степень доктора биологических наук. Является руководителем 21 научно-исследовательского проекта, поддержанного Минобрнауки РФ, Российским научным фондом (РНФ), Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ). Является автором и соавтором 635 публикаций, индексируемых в международных базах Web of Science и Scopus. Входит в число 2% самых цитируемых ученых мира по версии издательства Elsevier.

— Мы живем в эпоху урбанизации, и наши города активно развиваются. Как мегаполисы влияют на здоровье почв?
— Ответ на этот вопрос искал научный коллектив лаборатории городской экологии и климата географического факультета МГУ в рамках мегагранта «Мегаполис как остров загрязнения и тепла», в который я была приглашена как ведущий ученый. В крупных городах всегда есть разница между температурой центра города и прилегающих территорий. Также существует большая разница в антропогенной нагрузке. То есть создается особый микроклимат с большой нагрузкой на экосистему в целом и на почву в частности.
В рамках мегагранта объектом изучения стала Москва с населением более 13 млн человек. Это исследование затрагивает разные объекты экосистемы, не только почву, но и атмосферу, поверхностные воды и даже городскую пыль. Мы изучали нано- и микрочастицы, которые являются носителями загрязняющих веществ.
Впервые была разработана новая интегральная технология оценки массопереноса этих частиц, выявления их источников. Мы разработали такой комплексный метод, который включает в себя все подходы и методы из разных наук. Также ценно, что были тщательно изучены высокодисперсные частицы, которые являются носителями всех этих свойств. Те методы и технологии, которые разработаны на базе города-мегаполиса Москвы, мы смогли перенести и на другие города, в частности на промышленный город Таганрог.
Южный федеральный университет — один из крупнейших научно-образовательных центров России. Ведет свою историю с 1915 года, когда в Ростов-на-Дону переехал Императорский Варшавский университет. Сегодня в ЮФУ представлены 14 научных школ, 248 направлений подготовки, 14 международных лабораторий, 12 ученых ЮФУ входят в 2% самых цитируемых ученых мира, в университете обучаются 27 тыс. студентов из 87 стран.

Металлы вычислят по «отпечаткам пальцев»

— С 2022 года вы также участвуете в мегагранте «Биореставрация загрязненных почвенных экосистем» под руководством профессора Гонконгского образовательного университета Вонг Минг Хунга. В чем состоит цель этого проекта?
— Профессор Вонг Минг Хунг — это исследователь, который входит в шестерку наиболее известных ученых мира в области охраны окружающей среды. Это большая гордость для нас, что мы работаем с таким ученым. В рамках нашего мегагранта мы разрабатываем технологии восстановления почв. Мы получаем высокопористые материалы, которые имеют модульную структуру, то есть они могут быть изменены и адаптированы под разные условия и поллютанты [прим. ред. — загрязняющие вещества].
Еще один проект в данном направлении мы реализуем в рамках партнерства БРИКС совместно с китайскими и индийскими коллегами. Ведется разработка технологии переработки и утилизации пищевых отходов крупных мегаполисов и создания на их основе биоудобрений, которые можно использовать в сельском хозяйстве.

— В ЮФУ реализуется проект по применению синхротронных технологий для диагностики загрязнения почв. В чем преимущество такой технологии?
— Мы уже много лет работаем на установках MegaScience в Курчатовском центре синхротронных исследований. На базе двух станций — структурного материаловедения и БЕЛОК-РСА— нами впервые в России осуществлены исследования состояния почв и растений, загрязненных тяжелыми металлами.
Мы изучили механизм проникновение макро- и наночастиц в растения из почвы. Нами впервые в мире осуществлен сопряженный подход с применением химического фракционирование тяжелых металлов в комплексе с синхротронной рентгеновской спектроскопией.
Исследования на базе синхротронных установок мега-класса позволяют нам создать не имеющий аналогов в мире банк данных спектров тяжелых металлов в почвах. Каждый металл имеет свой спектр, и каждое его соединение тоже. Мы используем так называемый метод отпечатка пальцев. Создавая такую подробную базу спектров, мы можем в дальнейшем легко расшифровывать те спектры, которые получаем на таких установках.

Как метагеномная карта поможет почвам Дона

— В 2023 году в ЮФУ разработали метагеномную карту почв Ростовской области. Каково практическое применение этой карты?
— Такие исследования мы стали осуществлять сравнительно недавно. С внедрением в микробиологическую практику молекулярно-генетических методов, ученым стало понятно, что применяемые до этого культуральные методы, то есть на средах [прим. ред. : бактериологический метод исследования – метод, основанный на выделении чистых культур бактерий с помощью культивирования на питательных средах], дают изучить лишь 3–5% от всего микробного разнообразия в почве.
Поэтому применение метагеномных методов дает возможность понять не только все разнообразие почвенного покрова, но и всего живого, что есть в почве. Мы можем ответить на вопрос, в чем же уникальность наших черноземов, их высокая продуктивность. Исследование микробиома позволяет не только диагностировать состояние почвы, но и разрабатывать соответствующие биопрепараты, которые дадут более высокий эффект по оздоровлению почвы.
Метагеномная карта — это интерактивная динамическая база данных, которая позволяет нам визуализировать ту биоту [прим. ред. — совокупность видов живых организмов, объединенных общей областью обитания], которая есть в почве, и одновременно анализировать все основные свойства, которые нас интересуют.

— Возможна ли разработка такой карты для других регионов России?
— Конечно. Нам уже прислали почвенные пробы из Воронежской области. Есть задача по изучению почв Курской и Тюменской областей. Мы ведем совместные исследования с коллегами-микробиологами. Эту работу мы выполняем совместно с Институтом биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН. Также сейчас активно сотрудничаем с Курчатовским геномным центром. В настоящее время мы анализируем с ними все основные импактные зоны в Ростовской области, Донецкой народной республике, изучаем их метагеном.

— Вы входите в топ 1-2 % самых цитируемых ученых мира. Какие преимущества вам дает такой статус и как способствует вашей научной деятельности?
— Цитируемость позволяет оценить научные достижения не только мои собственные, но и всей моей научной группы. Потому что я абсолютно убеждена, что добиться успеха в науке можно только коллективными усилиями
У нас очень большая научная группа, причем более 75% в ней — это молодежь. Я горжусь нашей молодежью: она очень амбициозна, можно даже сказать, дерзкая, но она действительно очень работоспособна, имеет большие перспективы. И то, что у нас такое количество отличной молодежи, дает понимание, что у нас есть будущее.



Беседовала Анастасия Назарова