Российские вузы разработали собственное аналитическое оборудование для карбоновых полигонов и ферм
В России есть запрос на отечественные технологии для проведения экологических исследований и реализации потенциала природных ресурсов страны, включая климатические. Коллективы университетов работают над созданием собственного оборудования для мониторинга экологической ситуации и измерения концентрации и потоков парниковых газов на сети карбоновых полигонов. О своих разработках, способных заменить зарубежные технологии отечественными, рассказали ученые двух ведущих технических вузов страны.
Из российских комплектующих и в два раза дешевле
Центр мониторинга окружающей среды и экологии Московского физико-технического института (МФТИ) плотно работает над проектом оперативного мониторинга углеродного баланса, практическая реализация которого позволит обеспечить импортозамещение необходимой аналитической аппаратуры. Значительная часть прикладных разработок ученых выполнена на российских комплектующих и не уступает мировым аналогам, будучи при этом дешевле в производстве и эксплуатации.
Так, коллектив ученых МФТИ работает над созданием прототипа устройства для наиболее точного измерения потоков климатически активных газов между атмосферой и подстилающей поверхностью методом турбулентной пульсации, или вихревой ковариации. Сегодня на мировом рынке аппаратуры, использующей такой широко признанный экспертным сообществом метод, лидируют американские компании. Однако стоимость разработки московских физтехов более чем в два раза ниже, чем у конкурентов из США. Тестирование этой комплексной аппаратуры начнется уже ближайшей осенью.
«На сегодняшний день в глобальном мониторинге парниковых газов лидируют США и Япония. Россия, обладая огромными климатическими ресурсами, просто обязана быть на первых ролях в изучении климата, но для этого необходимо разработать линейку приборов очень высокой точности, погрешность даже в один процент здесь недопустима. Имеющиеся заделы МФТИ в области лазерной и гетеродинной инфракрасной спектроскопии сверхвысокого разрешения позволят нам не только заменить, но и улучшить систему мониторинга и занять свою нишу на столь перспективном рынке», — отметил Александр Родин, исполнительный директор Научно-технического центра мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ.
В прошлом году МФТИ уже удалось обогнать мировых лидеров в области разработок, включая специалистов NASA, которые также создают подобную аппаратуру, но не смогли превзойти Физтех по ключевому параметру — спектральному разрешению.
Ученые вуза создали высокоточный многоканальный гетеродинный спектрорадиометр, который может быть использован в том числе для калибровки и верификации данных проверки глобального спутникового мониторинга парниковых газов в атмосфере. Разработка вуза на сегодняшний день обладает рекордными в мире параметрами по спектральному разрешению. Немаловажно, что такое устройство существенно дешевле аппаратуры, используемой при создании сетей наземных станций. В настоящее время спектрорадиометр проходит приемочные испытания и сертификацию, которые координирует Росгидромет. В серийное производство прибор планируют запустить через год.
Глобальный мониторинг парниковых выбросов требует не только точности, но и масштабного охвата, который позволит обеспечить дистанционная диагностика локальных источников климатически активных газов с помощью лазерного газоанализатора лидарного типа на платформе беспилотников. В частности, он позволяет обнаруживать утечки в магистральных газопроводах, оценивать выделение метана полигонами захоронения твердых коммунальных отходов, а также осуществлять дистанционный мониторинг водных объектов.
В настоящее время только за счет выбросов метана при транспортировке природного газа в атмосферу выделяется около 30 млн тонн эквивалента CO2 в год, что ведет не только к увеличению углеродного следа российского экспорта, но и к значительным прямым потерям ценного сырья. Система, разработанная в МФТИ, позволяет строить трехмерную томографическую картину распространения выброса. Испытания новой разработки физтехов находятся в завершающей стадии.
Зондирование поверхности карбоновых полигонов с дронов и наноспутников
Собирать из воздуха актуальные экологические данные о поверхности Земли, растительности и ее составе, типах почв и т.д. ученым сегодня помогают гиперспектральные камеры, размещенные на летательных аппаратах. Разработкой мини-версии такого оборудования для зондирования карбоновых полигонов с дрона занимаются в Московском государственном техническом университете (МГТУ) им. Н.Э Баумана. Подобная камера больших габаритов уже имеется в арсенале собственных разработок бауманцев, но она используется для решения других задач.
«Разработчикам МГТУ поставлена задача масштабировать нашу гиперспектральную камеру и сделать более компактную версию, чтобы она была транспортабельна дроном для дистанционных замеров с воздуха. Сейчас мы в стадии проработки проекта», — рассказал Михаил Иванов, доктор технических наук, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность» МГТУ.
Подобные гиперспектральные камеры выпускают и российские, и иностранные компании. Буквально несколько дней назад бауманцы договорились с АФК «Система» об использовании такого компактного прибора в исследованиях поверхности Земли из космоса. Партнерский аналог камеры планируется закрепить на кубсате (малом космическом аппарате) МГТУ, который будет запущен уже во втором полугодии этого года.
Помимо гиперспектральной мини-камеры, исследователи работают над созданием и другого оборудования, которое может быть полезно на карбоновых полигонах. Например, в вузе есть наработки собственных мультиспектральных камер и лидара. Тестировать разработанные устройства ученые намерены на территории учебно-опытного лесного хозяйства Мытищинского филиала МГТУ. Здесь вуз планирует развернуть собственный карбоновый полигон, одной из задач которого будет апробация новых приборов и разработка методической документации по работе с ними.
Проект по созданию в России сети карбоновых полигонов для испытаний и разработки технологий контроля углеродного баланса был запущен Минобрнауки в феврале 2021 года. В первый год реализации программы полигоны были созданы в Чеченской Республике, Краснодарском крае, Калининградской, Новосибирской, Свердловской и Тюменской областях. На площадках с разными экосистемами планируется вести как научную, так и образовательную деятельность.