Тел.: 8-499-129-17- -499-129-09-22, e-mail: mail@forecast ... · Мониторинг и анализ технологического развития России и мира

Мониторинг и анализ технологического развития России и мира

Июль 2020

Тел.: 8-499-129-17-22, факс: 8-499-129-09-22, e-mail: [email protected]

№ 22, 2 кв. 2020 г.

Исследование осуществлено в рамках программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в 2020 году

Центр макроэкономического анализа и краткосрочного

прогнозирования

Содержание

1. Технологические тренды в России I. Технологический радар России

II. Мониторинг технологического развития в России

2. Технологические тренды в мире I. Мировой технологический радар

II. Мониторинг технологического развития в мире

3. Тема номера: «Аккумуляторные батареи для электромобилей: состояние и перспективы»

2 ЦМАКП, июль 2020

1. Технологические тренды в России


1.1.1. Технологический радар России

Ближняя

(до 2022 г.) Средняя

(до 2027 г.) Дальняя

(до 2037 г.)

Энергетика

Медицина и

биотехнологии

Достигнуто

квантовое

превосходство

Роботы и

беспилотники

Ближняя



(до 2037 г.)

Авиация и

космонавтика

ИКТ и

специализированное

оборудование

Супер-

аккумуляторы

Беспилотный

автомобиль

«Умный дом»

Микроэлектроника

на углеродных

нанотрубках

Мемристоры

Высадка

человека на

Луну

Лазерная

зарядка дронов

Исследовательская

платформа

«Северный полюс»

Цифровой

профиль

гражданина Реактор на

быстрых

нейтронах

БН-1200

5G

Возвращаемый

пилотируемый

корабль

Перспектива

Грузовые БПЛА

(240 кг)

Сверхтяжёлая

ракета

CR929 Автономная

карьерная

техника

Имплантация

выращенных

органов

Персонализированная

медицина

Производство

водородного

топлива

Шестиосный

промышленный

робот

Самолёт на

водородном

топливе

ЦМАКП, июль 2020 4

Самолёт с

адаптивным крылом

«Умные»

электросети

Онколитические

вирусы

Управляемый

синтез

Лечение ВИЧ

Диагностика по

биомаркерам

ЯЭДУ

Сверхзвуковой

лайнер

Общедоступный

спутниковый интернет

Объединение

беспилотников в

единую транспортную

систему

Квантовое

распределение

ключей

«Земля-

спутник»

Эксперименты на

напечатанных органах

и тканях

МС-21 с

двигателем

ПД-14

Облачная

платформа для

квантовых

вычислений


танкер

Система поддержки

принятия врачебных

решений с ИИ

АЭС с

гибким

суточным

циклом

Ил-112В

1.2.1. Мониторинг технологического развития в России: энергетика

Углеводороды

Ученые Томского политехнического университета разработали технологию, которая позволяет выявлять ранее пропущенные залежи нефти и газа на основе уже существующих данных и тем самым продлевать срок эксплуатации месторождений. Технология проходит тестирование на 2 месторождениях на Ямале.

Инженеры Томского политехнического университета представили технологию оценки состояния и прогноза аварий резервуаров нефти на основе лазерной спектроскопии, диагностики металлов и математического моделирования. В настоящее время для этих целей используют лазерное сканирование, но не применяют его в комплексе с аналитикой деформационных процессов, диагностикой металла и объединением всех данных в программном продукте.

Транспорт

Компания «НПК Морсвязьавтоматика» спустила на воду первое в России полностью электрическое судно Ecovolt. Оборудование для судна разработано ООО «НПК МСА». Судно имеет модульную конструкцию, скорость до 7.5 узлов (14.5 км /ч) и дальность хода до 10 часов (до 140 км) на одной зарядке. Экипаж из 2 человек перевозит до 86 пассажиров.

Компания КамАЗ передала в опытную эксплуатация самосвал КАМАЗ-65115, работающий на сжиженном природном газе. За счёт инновационной силовой установки сокращаются затраты на топливо почти в 2 раза по сравнению с дизельными аналогами. По сравнению с использованием компримированного природного газа достигается повышение экологичности и увеличение пробега на 1 заправке.


1.2.2. Мониторинг технологического развития в России: авиация и космонавтика

Самолёты В Воздушно-космических силах России рассказали об эксперименте по применению группы

истребителей Су-35 под управлением самолёта 5-го поколения Су-57 в реальных боевых условиях. В ходе эксперимента самолёты постоянно обменивались информацией в режиме реального времени: информационно-управляющая система каждого самолёта автоматически обрабатывала данные как собственных датчиков, так и датчиков других бортов.

Луховицкий авиационный завод им. П.А. Воронина (ПАО ОАК, ГК Ростех) приступил к сборке фюзеляжа первого опытного самолета Ил-114-300, создаваемого по серийным технологиям.

Радиолокатор

Компания «Аэронавигационные и информационные системы» (ГК Ростех) завершила сертификацию нового радиолокатора для гражданских аэродромов. Локатор АОРЛ-АМИ 2700 мощностью 5 кВт предназначен для обнаружения воздушных судов, определения их координат и последующей передачи информации о воздушной обстановке в диспетчерские центры. В отличие от систем предшествующих поколений, локатор способен точно идентифицировать конкретные самолеты и адресно обмениваться с ними необходимой информацией, снижая уровень искажений, помех и облегчая работу авиадиспетчеров.


1.2.2. Мониторинг технологического развития в России: авиация и космонавтика

Космонавтика

Специалисты ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» (ГК Роскосмос) успешно провели огневые стыковочные испытания нового ионного двигателя ИД-200 КР мощностью до 3 кВт с удельным импульсом тяги до 4 500 секунд. Двигатель ИД-200 КР оснащен углерод-композитной ионной оптикой с повышенными механическими свойствами. В ходе испытаний отработаны алгоритмы управления двигателем. В перспективе, такие двигатели смогут использоваться для коррекции орбиты космических аппаратов и освоения дальнего космоса.

Специалисты центра микроэлектроники холдинга РКС (ГК Роскосмос) разработали технологию группового изготовления маятниковых узлов чувствительных элементов акселерометров. Начало серийного производства на основе новой технологии позволит существенно снизить стоимость этих важнейших элементов систем навигации и управления космической и авиатехники.

Новые материалы

Группа ученых НИТУ «МИСиС» разработала керамический материал с самой высокой температурой плавления среди всех известных на данный момент соединений – около 4200 °С. Благодаря уникальному сочетанию физических, механических и термических свойств, материал перспективен для использования в наиболее теплонагруженных узлах летательных аппаратов — носовых обтекателях, двигателях и острых передних кромках крыльев.


1.2.3. Мониторинг технологического развития в России: роботы и беспилотники

БПЛА

Компания ZALA AERO (концерн «Калашников», ГК Ростех) запустила сервис доставки грузов беспилотниками по воздуху. Система автоматически прокладывает маршрут с учётом рельефа местности и согласует его с органами управления воздушным движением. БПЛА способны летать как автономно, так и под управлением оператора. Восьмимоторные коптеры способны работать в сложных метеоусловиях при наличии осадков, ночью и при скорости ветра до 15 м/с. Отказоустойчивость и дублирование систем управления позволяют безопасно вернуть воздушное судно на точку старта при отказе одного двигателя.

Компания Индустриальные дроны приступила к сертификации тяжёлого грузового БПЛА Braeron. Оснащённый бензиновыми двигателями внутреннего сгорания БПЛА коптерного типа оснащён двумя несущими и четырьмя вспомогательными винтами. Дрон может преодолевать расстояние до 300 километров с полезной нагрузкой до 240 кг. Может использоваться для доставки грузов, для тушения пожаров или в сельском хозяйстве для распыления удобрений и других веществ.

Компания ZALA AERO (концерн «Калашников», ГК Ростех), представила конвертоплан ZALA 421-16EV, способный взлетать и садиться в автоматическом режиме с небольшой площадки. БПЛА может находиться в воздухе 2 часа, с крейсерской скоростью до 110 км\ч.

Компания АС-КАМ представила конвертоплан АС-32-10mp, разработанный на базе предыдущей модели самолётного типа. БПЛА может находиться в полёте до 4 часов со скоростью до 140 км/ч.



Сухопутная беспилотная техника

Компания Яндекс начала тестировать робота-курьера на территории Сколково. Яндекс.Ровер развозит документы и посылки. Отправитель и получатель взаимодействуют с роботом через мобильное приложение.

Компания КамАЗ совместно с компанией Газпром Нефть испытали беспилотные грузовики за Полярным кругом. В ходе эксперимента, автомобили безаварийно преодолели 2 500 км. Контроль за движением осуществлялся из стационарного пункта управления. Сопровождающие специалисты управляли только первым грузовиком. В ходе испытаний на Восточно-Мессояхском месторождении автомобили без водителей продемонстрировали умение передвигаться по заданным маршрутам с высокой точностью, обмениваться информацией через дублируемые системы связи, распознавать препятствия за доли секунды и прогнозировать траекторию движения с учетом актуальной дорожной обстановки.

Компания Яндекс совместно с компанией Hyundai Mobis разработала четвертое поколение собственных беспилотных автомобилей на базе Hyundai Sonata. На новом автомобиле, адаптированном производителем под задачи тестирования системы беспилотного вождения, увеличено количество камер, появились камеры с разным фокусным расстоянием, на передних крыльях установлены лидары, позволяющие раньше замечать людей и технику при выезде из-за угла. Несмотря на усложнение системы автономного вождения, её стоимость сократилась в два раза по сравнению со вторым поколением, выпущенным полтора года назад.



Контроль энергосетей

Компания Лаборатория будущего совместно с компанией Россети Урал начали опытную эксплуатацию роботизированной диагностической системы Канатоход, которая способна проводить диагностику ЛЭП в автоматическом режиме. Система выполнена на платформе квадрокоптера, который садится на провод и едет по нему до следующей опоры ЛЭП. Система позволяет в автоматическим режиме проводить визуальный осмотр ЛЭП с близкого расстояния, не подвергая опасности людей.

Инженеры Томского политехнического университета разработали самоходный дефектоскопический комплекс для контроля качества сварных соединений на трубах магистральных газопроводов. Длинный колёсный робот сочетает в себе сразу два подхода — радиоскопический и радиографический, что повышает качество контроля. В случае потери сигнала, робот сам возвращается на исходную позицию. Комплекс находится на стадии оформления сертификата в системе добровольной сертификации Газпрома.

Сервисные роботы

Компания «Промобот» начала экспортные поставки терминалов для измерения температуры тела Thermocontrol в США. Они представляют собой устройства с видеокамерой, дистанционным термометром и экраном. В базовой версии на экране появляются уведомления и результаты измерения температуры. В более сложной версии работает система распознавания лиц, которую можно интегрировать с системами безопасности, ограничив доступ в здание потенциальным носителям вируса. Обладая аналогичной пропускной способностью, изделие в 3-4 раза дешевле, чем аналоги, работающие на основе тепловизионных комплексов.


1.2.4. Мониторинг технологического развития в России: ИКТ и специальное оборудование

5G

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Катарского университета и филиала Техасского университета A&M в Катаре разработали схему передачи энергии и данных на беспилотные летательные аппараты, которая позволит эффективно использовать дроны в сетях связи нового поколения 5G.

Новые материалы силовой электроники

Ученые НИТУ «МИСиС», ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» продемонстрировали возможность изготовления нового материала, способного заменить кремний в приборах силовой полупроводниковой электроники. В лабораторных условиях удалось вырастить толстые плёнки a-Ga2O3 и ввести в них примесные атомы олова, поставляющие электроны и изменяющие проводимость плёнок в очень широких пределах. Полученный материал позволяет работать с более высоким напряжением, при более высоких температурах, с меньшими потерями мощности по сравнению с аналогами.

ИИ

Студия Артемия Лебедева раскрыла результаты тестирования нейросети, разрабатывающей логотипы. За год нейросеть выполнила 17 коммерческих проектов. Для чистоты эксперимента заказчики не знали, что проект выполняется нейросетью. На сайте компании выполненные нейросетью проекты публиковались с указанием автора Николай Иронов. Опыт признан успешным.

Сбербанк России запатентовал технологию синтеза 3D-проекции лица на основе звукового сигнала. Программное решение, использующее технологии искусственного интеллекта, синтезирует схематичное изображение человеческого лица, соответствующее звучащему тексту. Технология позволит выйти на новый уровень коммуникации машин с человеком.


1.2.5. Мониторинг технологического развития в России: медицина и биотехнологии

Covid-19

Начались клинические испытания двух вакцин от Covid-19, разработанных во ФГБУ НИЦ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи. В ходе эксперимента вакцинировали две группы добровольцев по 38 чел. Через 28 суток будут известны первые результаты.

Ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета смоделировали пептидные молекулы, схожие по строению с «входными воротами» коронавируса в клетки человека. Это позволит сделать на их основе скоростную тест-систему. Если в биоматериале есть Covid-19, то при контакте с пептидными молекулами коронавирус сцепится с ними, что можно будет быстро детектировать. Этот тест сможет распознавать Covid-19 независимо от мутаций последнего.

Онкология

Ученые Томского политехнического университета создали наборы реагентов для генерации технеция-99m на основе производных глюкозы, меченных радиоактивными изотопами. Набор позволяет быстро и просто приготовить качественный радиофармпрепарат для ранней диагностики злокачественных новообразований. Использование радиофармпрепарата на основе глюкозы позволит изучать биохимические процессы организма на молекулярном уровне. Из-за короткого срока жизни изотопа, препарат целесообразно изготавливать непосредственно перед использованием. Препарат прошёл доклинические испытания и разработчики приступают к клиническим.

Группа исследователей НИТУ «МИСиС» и Университета Клемсона (США) предложила новый способ получения наночастиц золота, используемых при диагностике и лечении онкологических заболеваний. Новая технология, основанная на синтезе под воздействием ультрафиолета, исключает использование агрессивных веществ и химических агентов, токсичных для организма.


1.2.5. Мониторинг технологического развития в России: медицина и биотехнологии


Импланты

Ученые НИТУ «МИСиС» и ФГБУ НИЦ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи нашли способ повысить эффективность приживаемости полимерных имплантатов костей при помощи белков. Для этого при производстве широко распространённого для имплантации материала – полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) – добавляется гидроксилапатит, два вида белка, эритропоэтин и костный морфогенетическый белок BMP-2. В ходе экспериментов на мышах удалось увеличить скорость зарастания костного дефекта в 4-6 раз по сравнению с использованием чистого ПЭЭК.

Учёные Томского политехнического университета разработали метод снижения гидрофобности и ускорения растворения скаффолдов – каркасов для роста новой ткани в регенеративной медицине. Применяемые сегодня скаффолды безопасны и биоразлагаемы, но обладают гидрофобностью, что ухудшает контакт с тканями и увеличивает время его рассасывания. В новой разработке за счёт тонкой плёнки оксида графена и плазменной обработки поверхности достигается устойчивое снижение гидрофобности.

Материаловеды НИТУ «МИСиС» и Университета Западной Австралии представили инновационный биорезорбируемый сплав на основе магния, галлия и цинка. Материал может применяться для изготовления временных имплантатов при лечении переломов и других повреждений костной ткани.

Биотехнологии

Коллектив исследователей из разных организаций представил растения, которые светятся в темноте. Исследовав метаболизм биолюминесцентных грибов, учёные смогли перенести необходимые гены в растения, что позволило добиться различимого глазом свечения на протяжении всего жизненного цикла растений. Свечение можно использовать в научных целях, чтобы наблюдать внутренние процессы в растениях. С российской стороны в работе участвовали учёные Института биоорганической химии РАН.

2.Технологические тренды в мире


2.1.1. Мировой технологический радар

Ближняя



(до 2037 г.)

Энергетика

Медицина и

биотехнологии

Полноценный

квантовый

компьютер

Роботы и

беспилотники

Ближняя



(до 2037 г.)

Авиация и

космонавтика

ИКТ и

специализированное

оборудование

Супер-

аккумуляторы


автомобиль

«Умный дом»

Микроэлектроника

на углеродных

нанотрубках

Органическая

электроника

Высадка

человека на

Луну

Лазерная

зарядка дронов

Перспектива

Грузовые БПЛА

(до 500 кг)

Полностью

возвращаемая

ракета

Автономная

карьерная

техника

Имплантация

выращенных

органов Персонализированная

медицина Производство

водородного

топлива

Самолёт на

водородном

топливе


Самолёт с

адаптивным крылом

«Умные»

электросети

Онколитические

вирусы

Управляемый

синтез

Лечение ВИЧ Диагностика по

биомаркерам

ЯЭДУ

Сверхзвуковой

лайнер

Общедоступный

спутниковый интернет

Объединение

беспилотников в

единую транспортную

систему

Мемристоры База на Луне

Суборбитальные

полёты

Аэротакси

Псевдоспутники

Полностью

роботизированное

судно

Корректировка

генома человека Национальная

рейтинговая

система

Твердотельные

аккумуляторы Аккумуляторы

из органических

веществ

2.2.1. Мониторинг технологического развития в мире: энергетика

Солнечные панели

Австралийские учёные представили полупрозрачные солнечные батареи, которые могут использоваться в строительстве вместо затемнённого стекла. Полупрозрачные ячейки имеют КПД 17%, при этом пропуская более 10% входящего света. Для коммерческого применения разработана линейка батарей с разными оттенками серо-коричневых тонов.

Компания Tesla обновила свои солнечные батареи — как традиционного типа, так и модулей, которые выглядят как черепица на крыше. Мощность стандартного модуля выросла с 7,56 кВт до 8,16 кВт при сокращении цены с 19 до 16 тыс. долларов.

Аккумуляторы

Команда ученых из Университета штата Вашингтон и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) разработала натрий-ионную батарею, которая по удельной энергоёмкости сопоставима с литий-ионной и способна выдержать 1000 циклов перезаряда. Это стало возможным благодаря созданию слоистого катода из оксида металла и жидкого электролита с дополнительными ионами натрия. В перспективе натрий ионные батареи могут стать более дешёвой альтернативой литий-ионным.

Инженеры из Брауновского университета (США) разработали способ повысить прочность электролита твердотельной батареи. Твердотельные аккумуляторы потенциально могут хранить больше энергии на единицу массы, чем аккумуляторы с жидким электролитом, но в твёрдом электролите образуются трещины, снижающие характеристики батареи. В новой работе, учёные добавили в керамический порошок графен, что повысило прочность электролита без ущерба другим характеристикам аккумулятора.

Международная команда ученых представила способ повышения удельной энергоёмкости литий-ионный аккумуляторов при помощи кристаллов сурьмы, нанесённых на анод. В отличие от традиционных материалов, кристаллы сурьмы не меняют своего размера при принятии или отдаче ионов лития, что обеспечивает их долгое функционирование.


2.2.2. Мониторинг технологического развития в мире: авиация и космонавтика

Пилотируемый космический корабль

Компания SpaseX успешно запустила космический корабль Crew Dragon с экипажем на борту и пристыковала его к МКС. Crew Dragon стал первым за 10 лет американским пилотируемым космическим кораблём.

Исследование космоса

Автоматический космический аппарат NASA и ESA Solar Orbiter завершил первое сближение с Солнцем, подойдя к нему на расстоянии 77 миллионов километров, что примерно равно половине расстояния между Солнцем и Землей.

Суборбитальный пилотируемый корабль

Компания Virgin Galactic (США) провела испытательный полёт суборбитального корабля SpaceShipTwo. Аппарат на несущем его самолете WhiteKnightTwo поднялся на высоту 15 тысяч метров, затем, отделившись от него, совершил самостоятельную посадку.

Аэротакси

Американская компания Terrafugia, принадлежащая китайскому концерну Geely, представила полноразмерный прототип перспективного электрического аэротакси TF-2A. Аппарат с 8 несущими винтами способен перевозить пассажиров и грузы массой до 200 килограммов на расстояние до 100 километров со скоростью до 180 км/ч и высотой полёта до 3 км.

Электрический самолёт

Самолет Velis Electro компании Pipistrel (Словения) стал первым электрическим самолётом, получившим сертификат безопасности ЕС.


2.2.3. Мониторинг технологического развития в мире: роботы и беспилотники

Взаимодействие человека с роботами

Российско-японская группа инженеров разработала устройство, помогающее посадить сразу два дрона на каждую руку даже с закрытыми глазами. Оно надевается на руку и состоит из площадки с датчиками освещения и виброактуаторами. Во время посадки устройство улавливает свет от светодиодов, установленных на дроне, и, исходя из этого, создаёт вибрации в соответствующей части руки. Это позволяет оператору двигать руки и подстраивать их положение так, чтобы дрон садился в центр площадки.

Точные роботы

Инженеры из Швейцарии и Израиля создали шестиосного робота с двумя манипуляторами для горячего вырезания фигур сложной формы из пенополистирола. Он держит двумя манипуляторами нагреваемую проволоку и меняет в процессе резки ее изгиб, чтобы вырезать поверхности сложной формы. Благодаря алгоритму управления, который оптимизирует движение обоих манипуляторов и рассчитывает для них траектории движения, удаётся получать фигуры сложной формы с высокой точностью.

Экзоскелеты

Японские инженеры создали мягкие экзоскелетные перчатки с пневматическим управлением. Экзоскелет крепится на первые и последние фаланги пальцев, на запястья и на плечи. Между этими опорными деталями к каждому пальцу протянуты тяги от искусственных пневматических мышц, как сгибающих, так и разгибающих. В отличие от жесткого экзоскелета, они сохраняют подвижность пальцев и не мешают шевелить ими самостоятельно. С помощью таких перчаток можно проводить медицинскую реабилитацию или чему-то обучаться, например, игре на пианино.



Гибкие роботы

Учёные Университета штата Северная Каролина (США) создали гибкого робота, похожего на медузу и целиком состоящего только из мягких материалов. Робот приводится в движение при помощи мягких актуаторов и передвигается в воде быстрее живых медуз.

БПЛА

Инженеры из Токийского университета (Япония) создали систему передачи груза на дрон, в которой летающий аппарат выступает пассивной стороной. Траектория движения БПЛА отслеживается системой камер. По этим данным система корректирует положение груза по вертикальной и горизонтальной осям так, чтобы ручка груза совпала с крюком БПЛА. Испытания проводились на коптерах, но система применима для БПЛА самолётного типа.

Компания Scout Drone Inspection провела испытания квадрокоптера, предназначенного для осмотра и выявления повреждений внутренних и внешних сторон крупных резервуаров. В ходе эксперимента, дрон управлялся оператором с использованием подсказок системы. Со временем, система сможет самостоятельно ориентироваться внутри резервуара при помощи лидара. Отснятые материалы обрабатываются искусственным интеллектом, который разрабатывается классификационным обществом DNV GL, специализирующимся в т.ч. на сертификации танкеров.

Корейские инженеры создали небольшой радиоуправляемый двукрылый орнитоптер, способный проводить в воздухе 8,8 минуты без нагрузки и 7,5 минуты с посадочными опорами и грузом, масса которого аналогична небольшому модулю камеры и сопутствующим компонентам. По второму показателю был установлен мировой рекорд для этого класса и массы летательных аппаратов.



Сухопутные роботы

Американские и итальянские инженеры научили одноногого робота Salto-1P после прыжка приземляться в запланированной точке с большой точностью и останавливаться, не падая. Ранее робот мог прыгать только без остановки.

Гонконгские и американские инженеры разработали новую конструкцию актуатора для гидравлических и пневматических роботов. В отличие от существовавших ранее систем, давление в гидравлическом или пневматическим приводе меняется не за счёт насоса, а за счёт скручивания трубки, в которой содержится жидкость или воздух. Скручивание обеспечивается за счёт кругового вращения электромотора, который вращает один конец трубки при неподвижном другом.

Инженеры из Гарвардского университета (США) создали уменьшенную версию миниробота HAMR, который считается одним из самых совершенных в классе минироботов. Новый четвероногий робот имеет длину 2,25 сантиметра и массу 320 миллиграммов. В нем используется восемь пьезоэлектрических актуаторов, работающих с частотой до 200 герц, что позволяет ему передвигаться со скоростью почти 14 длин тела или 30 см в секунду.


2.2.4. Мониторинг технологического развития в мире: ИКТ и специализированное оборудование

Квантовый канал связи

Китайские физики представили результаты эксперимента по созданию квантового канала связи через спутник. Благодаря разработке высокоэффективного телескопа и обрабатывающей оптики, удалось добиться высокой устойчивости связи к естественным помехам. В ходе эксперимента производился обмен сигналами на расстоянии 1120 км.

Лидар

Группа физиков из Швейцарии создала прототип лидара на основе множества параллельных когерентных волн. Представленное устройство работает быстрее современных лидаров и более устойчиво к внешним шумам.

Криоэлектронный микроскоп

Сразу две независимые друг от друга группы учёных сообщили о создании криоэлектронных микроскопов, позволяющих проводить измерения с разрешением 1.2 ангстрема. Такое разрешение дает возможность изучать работу биомолекул на атомарном уровне. Метод криоэлектронной микроскопии был отмечен Нобелевской премией в 2017 году. Теперь удалось значительно повысить разрешение, что расширяет возможности исследования органических молекул.


2.2.5. Мониторинг технологического развития в мире: медицина и биотехнологии

ВИЧ

Ученые из Gilead Sciences (США) завершили первый этап клинических испытаний антиретровирусного препарата, который эффективно подавляет размножение ВИЧ в течение 6 месяцев после приёма. До сих пор носители ВИЧ вынуждены принимать антиретровирусную терапию ежедневно. В новом препарате используются молекулы GS-6207 - ингибитор белка вирусного капсида, которые способствуют увеличению времени действия препарата.

Генная инженерия

Группа учёных из Новой Зеландии, США и Франции создали трансгенных коз, из молока которых можно выделить цетуксимаб — моноклональные антитела к рецептору эпидермального фактора роста, которые применяют для лечения колоректального рака, а также рака головы и шеи. По сравнению с традиционной технологией, цетуксимаб получается более дешёвым и массовым.

Выращивание органов

Китайские биологи разработали метод, позволяющий превратить селезёнку мыши в печень. Поскольку млекопитающее может продолжать жить при удалённой селезёнке, она может использоваться для выращивания печени, что позволяет снять проблему отторжения. В ходе эксперимента, селезёнку обработали экстрактом опухоли, чтобы подавить иммунный ответ и вызвать рост межклеточного вещества. После этого в нее подсадили клетки печени, которые прижились внутри и образовали характерные для печени структуры. Для проверки работоспособности новой печени, учёные на 90% удалили старую. Животные остались живы.

Блокировка биохимических процессов

Группа ученых из Питтсбургского университета (США) создала белок, который на биохимическом уровне блокирует процесс гибели нейронов, чем сокращает последствия инсульта.



Нанотехнологии

Международная группа учёных опубликовала результаты эксперимента по применению наночастиц золота для сокращения гибели нейронов при болезни Альцгеймера, хорее Хантингтона, эпилепсии, травмах головного мозга и инсульте. Из-за выделения чрезмерного количества глутамата нейротрансмиттера, который обычно участвует в возбуждающей связи между нейронами, нервные клетки получают повреждения. Наночастицы золота были сконструированы и функционализированы пептидами, которые позволяют избирательно ингибировать рецепторы таким образом, что блокируется избыточная активность, но сохраняется нормальная работа нервных клеток.

Перепрограммирование клеток

Американские ученые впервые использовали Т-лимфоциты для борьбы с сенесцентными клетками, появление которых сопровождает старение тканей. Для этого они воспользовались технологией CAR-T: модифицировали иммунные клетки так, чтобы они распознавали распространенный на поверхности сенесцентных клеток белок. Метод оказался эффективен не только in vitro, но и in vivo, и улучшил состояние мышей при фиброзе легких и печени, а также при стеатогепатите.

Американские и китайские ученые разработали метод лечения болезни Паркинсона путём репрограммирования астроцитов в нейроны in vivo. При блокировке РНК-связывающего белка PTB1, увеличивается выработка его нейронального варианта nPTB1, который подавляет работу генов, отвечающих за созревание нейронов. В ходе эксперимента in vitro, после подавления экспрессии PTB1 в мышиных и человеческих клетках, за месяц 50%-80% клеток в культуре стали выглядеть как нейроны. В ходе эксперимента in vivo, у лабораторной мыши полностью прошли симптомы болезни Паркинсона.



Covid-19

Исследователи из Массачусетского технологического института (США) разработали пептид, который может связываться с белками Covid-19 и расщеплять их. За основу был взят белок человека, к которому прикрепляется молекула Covid-19. В результате моделирования клеточного взаимодействия, были выделены 23 пептида, которые потенциально могут прикрепляться к молекуле Covid-19. В ходе экспериментов, был выбран один пептид, который прикрепляется и разрушает до 20% белков-«шипов» Covid-19.

Прочее

Инженеры Калифорнийского университета (США) разработали тонкую клейкую пленку, которая при помощи «умных» часов позволяет отслеживать уровень глюкозы и лактата в крови. Плёнка клеится на кожу под «умные часы» и фиксирует количество биомаркеров в поте носителя. В зависимости от количества биомаркеров, на другую сторону плёнки выделяется электросигналы, которые фиксируются «умными часами» и отображают на дисплее количество глюкозы и лактата. Система позволяет отслеживать глюкозу и лактат неинвазивным методом в режиме реального времени.

Инженеры из Массачусетского технологического института (США) разработали гидрогелиевую ленту, которая может за несколько секунд герметично скрепить разрывы во внутренних органах или прикрепить к ним импланты. В новой разработке клей может быть безопасно отделён от поверхности органа. Чтобы обойти естественную скользкость внутренних органов, клей состоит из биосовместимых полимеров, в частности из полиакриловой кислоты, высокоабсорбирующих материалов. Для увеличения прочности приклеивания, разработчики внедрили в материал сложные эфиры NHS, которые образуют прочные и длительные связи с белками на поверхности органа.


3. Аккумуляторные батареи для электромобилей: состояние и перспективы

тема номера:


3.1. Значение АКБ для развития электротранспорта

На современных электромобилях, как правило, устанавливаются два аккумулятора (АКБ): высоковольтный тяговый и стартерный – как на обычных автомобилях. В настоящей работе рассматриваются только тяговые.

Электромобили имеют преимущество перед бензиновыми и дизельными аналогами по стоимости 100 км пути.

Однако, существующие АКБ проигрывают бензиновому и дизельному топливу по ряду показателей, что накладывает ограничения на распространение электромобилей.

У АКБ более низкая удельная энергоёмкость - количество энергии на единицу массы. Это ограничивает дальность движения на одном заряде. На практике, на легковых электромобилях (не гибридах) АКБ может хранить от 24 кВт*ч до 75 кВт*ч энергии и обеспечивать порядка 200-350 км хода. Запас хода сильно зависит от скорости движения. При движении быстрее 100 км/ч дальность сокращается на десятки процентов по сравнению со скоростью 60 км/ч.

Как правило, АКБ требует в разы больше времени на зарядку, по сравнению с заправкой бензобака жидким топливом. При зарядке АКБ от специализированных зарядных станций время зарядки может составить 30-60 минут для зарядки до 80%. При использовании стандартной сети 380 В время зарядки обычно составляет от 5 до 9 часов. При зарядке от бытовой сети 220 В время зарядки может увеличиться до суток и более.

Очевидно, что такие возможности электромобилей приемлемы для коротких поездок по городу, но не подходят для длительных междугородних поездок.

По мере эксплуатации, АКБ теряют максимальную ёмкость по сравнению с первоначальной. Этому способствуют жёсткие условия эксплуатации: глубокие разрядки и неоптимальный температурный режим. Для того, чтобы продлить срок эксплуатации батареи и снизить риск её возгорания, используют систему охлаждения (как правило – жидкостную) или систему, работающую как на охлаждение, так и на обогрев.


3.2. Сравнительная характеристика АКБ разных видов

Характеристики конкретной АКБ сильно зависят от типа, к которому она относится.

Свинцово-кислотные АКБ

Использовались в качестве тяговой АКБ в ранних моделях электромобилей. До сих пор применяются в качестве стартерных АКБ.

Самые дешёвые.

Теряют заряд при переохлаждении.

Удельная энергоёмкость 25—40 Вт*ч/кг.

Срок службы 5-10 лет при соблюдении условий эксплуатации.

Теряют ёмкость при глубоком разряде. При разряде в каждом цикле на 100% ресурс составит около 200 циклов, в т.ч. АКБ начнёт заметно терять мощность после нескольких десятков циклов.

Использовались на General Motors EV1 и tZero.

Никель-металлгидридные АКБ

Имеют удельную энергоёмкость 30-80 Вт*ч/кг.

Срок службы - около 300—500 циклов заряда/разряда без потери мощности. Может эксплуатироваться до 1000 циклов.

Высокий уровень саморазряда по сравнению с другими типами АКБ.

Даже при оптимальном режиме зарядки нужно около 15-16 часов, чтобы полностью зарядить АКБ.

Устанавливались на Toyota RAV4 EV. Широко применяются в быту (т.н. «пальчиковые» и прочие батарейки).



Натрий никель-хлоридные АКБ

Другое название - ZEBRA (Zeolite Battery Research Africa).

Нуждаются в рабочей температуре 190°C - 350°C. Теряют ёмкость при отклонении от рабочего диапазона температур.

Удельная энергоёмкость 95-120 Вт*ч/кг. В отдельных конфигурациях – до 350 Вт*ч/кг.

При соблюдении температурного режима сохраняют ёмкость на уровне 100% до 700 циклов. Всего может прослужить более 1000 циклов.

Имеют нулевой уровень саморазряда, но расходуют много энергии для поддержания оптимальной температуры, на что полный заряд батареи расходуется за неделю.

Нетоксичны.

Использовалась в электрогрузовике Modec EV.

Литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol) АКБ

В различных вариациях устанавливаются на наиболее распространённых современных электромобилях и гибридах.

Удельная энергоёмкость самой батареи 110-270 Вт*ч/кг.

Теряют ёмкость из-за глубоких разрядов или перегревов.

На традиционных li-ion батареях сокращается ёмкость на 20% после 600 циклов.

Токсичны.

Низкий уровень саморазряда.

При механическим повреждении есть риск возгорания, что ставит вопрос об усиленной защите батареи.

Технология быстро развивается.



Развитие литий-ионной схемы

В развитие литий-ионных АКБ было создано несколько семейств АКБ.

В этих семействах АКБ в качестве анода, как правило, используется углерод/кремний и графит. Название каждого семейства АКБ отражает химический состав катода, который может сильно различаться.

Металлы, дающие название каждому семейству, могут использоваться в каждом конкретном типе АКБ в разных пропорциях и образовывать разные структуры на молекулярном уровне. В зависимости от этого, характеристики батареи могут различаться, что позволяет разрабатывать оптимальные АКБ для конкретных задач.

Литий-кобальтовые АКБ (LCO)

Удельная энергоёмкость до 200 Вт*ч/кг

Срок службы до 1000 циклов.

Чувствительны к условиям эксплуатации и механическим повреждениям.

Используется в портативной технике.

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные АКБ (NMC)

Дорогая по сравнению с другими типами АКБ.

Имеет низкий уровень самонагрева.

Удельная энергоёмкость 150-220 Вт*ч/кг.

Отличаются большим сроком службы – 1500 - 2000 циклов.

Пожаробезопасная, не чувствительна к механическим повреждениям.

Установлена на подавляющем большинстве наиболее покупаемых электромобилей. Используется в промышленных и бытовых источниках бесперебойного питания.



Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные АКБ (NCA)

Удельная энергоёмкость до 260 Вт*ч/кг.

Срок службы около 500 циклов.

Устойчива к механическим повреждениям.

Используется на электромобилях Tesla Model S.

Литий-титанатные АКБ (LTO)

Дорогая по сравнению с другими типами АКБ.

Удельная энергоёмкость до 80 Вт*ч/кг.

Срок службы до 7000 циклов!

Время зарядки до 90% может быть сокращено до 5 минут!

Применяется в электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV, в электробусах КамАЗ-6282 и ЛиАЗ-6274, работающих в Москве.

В силу малой энергоёмкости не подходит для дальних поездок, но с учётом быстрой зарядки удобно для использования в общественном транспорте.

Литий-железо-фосфатные АКБ (LFP)

Удельная энергоёмкость 90-120 Вт*ч/кг.

Срок службы около 3000 циклов.

Отличаются повышенной безопасностью.

Низкий саморазряд и высокая устойчивость к низким температурам.

Низкая потеря ёмкости при длительном хранении.

Мало токсичны.

Применяются на автобусах VOLGABUS, работающих в Липецке.




Параметры

сравнения

NCA NMC LFP

Удельная

энергоёмкость,

Вт*ч/кг

200-260 150-220 90-120

Количество

циклов разряда

без потери

мощности

Ок. 500 1500 – 2000 Ок. 3000

Стоимость за 1

кВт

~$350 ~$420 ~$580

Время зарядки,

мин

От 30 От 30 От 60

Применение Tesla Model S Большинство

электромобилей

Автобусы

VOLGABUS

По мнению IEA, наиболее перспективными технологиями для тяговых аккумуляторов электромобилей являются NCA, NMC и LFP.

Все три технологии отличаются высокой безопасностью и низкой чувствительностью к механическим повреждениям.

3.3. Прогнозы

Стоимость АКБ

По данным IEA, стоимость литий-ионных батарей сократилась с 1100 долларов за кВт*ч в 2010 году до 156 долларов за кВт*ч в 2019 году или на 87%.

По прогнозу Bloomberg, стоимость литий-ионных батарей сократится к 2024 году до 100 долларов за кВт*ч и до 61 доллара за кВт*ч к 2030 году.

Удельная энергоёмкость АКБ

По данным IEA, в 2018-19 годах, удельная энергоёмкость в тяговых АКБ коммерческих электромобилей была на 20%-100% выше, чем у их аналогов в 2012 году.

По прогнозу IEA, в ближайшие 5-10 лет удельная энергоёмкость NCA и NMC батарей достигнет 325 Вт/кг, что близко к пределу литий-ионных технологий.

После 2030 года могут получить распространение альтернативные виды АКБ.

Ёмкость батарей и запас хода

По данным IEA, средняя ёмкость аккумуляторов электромобилей, проданных в 2019 году, составила 44 кВт*ч.

По прогнозу IEA, к 2030 году средняя ёмкость составит 70-80 кВт*ч, что будет обеспечивать 350-400 км хода.

Объёмы продаж

По данным IEA, сейчас в год продаются электромобили с совокупной ёмкостью батарей 170 ГВт*ч.

IEA построило два сценария развития электротранспорта:

В сценарии государственной политики (Stated Policies Scenario) к 2030 будут продавать электромобили совокупной ёмкостью 1,5 ТВт*ч в год.

В сценарии устойчивого развития (в Sustainable Development Scenario) - 3 ТВт*ч в год.


3.4. Выводы

По результатам проведённого анализа можно сделать следующие выводы

1) В поисках удачной технологии тяговой АКБ, было опробовано несколько типов АКБ.

2) В настоящее время, на рынке электромобилей сложилась доминирующая технология производства тяговых аккумуляторов – NMC, представляющая собой развитие литий-ионных АКБ.

3) Помимо NMC, считаются перспективными другие направления развития литий-ионных аккумуляторов – NCA и LFP. Все три технологии быстро развиваются и имеют большой потенциал развития.

4) Все три типа аккумуляторов требуют на зарядку не менее 30 минут, в то время как классические автомобили заправляются за несколько минут.

5) Хотя известны LTO-аккумуляторы, которые можно зарядить за 5 минут, они сильно уступают NMC и NCA -аккумуляторам по удельной энергоёмкости, что сокращает запас хода и ограничивает их применение.

6) Исходя из существующего уровня развития тяговых АКБ, для широкого распространения электромобилей должна быть пересмотрена парадигма заправки автомобилей.

7) Возможным вариантом новой парадигмы может стать быстрая замена АКБ на заряженную. В этом случае, собственником АКБ должна быть компания, меняющая АКБ. В этой модели пользователь не является собственником АКБ, а берёт её в аренду.

8) Другим вариантом новой парадигмы может стать зарядка АКБ во время длительных простоев на стоянках. В отличие от предыдущей модели, в этом случае сохранятся неудобства при дальних поездках.

9) Окончательный выбор новой парадигмы будет осуществляться с учётом развития других технологий – водородного топлива, беспилотного вождения, а так же с учётом социальных факторов.


Использованные сокращения

АКБ – аккумуляторная батарея; БПЛА – беспилотный летательный

аппарат; ВИЧ – вирус иммунодефицита

человека: ГК – государственная корпорация; ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» -

Государственный научный центр Федеральное государственное унитарное предприятие «Центр Келдыша»;

ИКТ – информационно-коммуникационные технологии;

НИТУ «МИСиС - Национальный исследовательский технологический университет «Московский институт стали и сплавов»;

КПД – коэффициент полезного действия;

ЛЭП – линии электропередач; МКС – международная космическая

станция; ПАО ОАК – публичное акционерное

общество «Объединённая

авиастроительная корпорация»; РКС – холдинг «Российские

космические системы», входит в ГК Роскосмос;

ФГБУ НИЦ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи – Федеральное государственное бюджетное учреждение Научно-исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи;

ФТИ им. А.Ф. Иоффе – Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе;

ЯЭДУ – ядерная энергетическая двигательная установка.


Использованные источники

Новостные сайты

vedomosti.ru; aviation21.ru; rbc.ru; refnews.ru; nangs.org; roscosmos.ru; ria.ru; rostec.ru; proryv2020.ru; atomic-energy.ru; sk.ru; minenergo.gov.ru; nplus1.ru; robo-hunter.com; robogeek.ru; topwar.ru; tass.ru; techfusion.ru; rusnano.com; popmech.ru; rb.ru; web-canape.ru; nag.ru; cnews.ru; kommersant.ru; hi-news.ru, hightech.fm, hightech.plus, i-mash.ru, interfax.ru, mashportal.ru, rg.ru; phys.org; fortune.com; news.tpu.ru; naked-science.ru и др.

Информационно-аналитические материалы

Bloomberg. Electric Vehicle Outlook 2020. URL: https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/

EV-Sales. Global Top 20 May 2020. URL: http://ev-sales.blogspot.com/2020/06/global-top-20-may-2020.html

Forbes. Tesla’s New Lithium-Ion Patent Brings Company Closer to Promised 1 Million-Mile Battery. URL: https://www.forbes.com/sites/arielcohen/2020/12/30/teslas-new-lithium-ion-patent-brings-company-closer-to-promised-1-million-mile-battery/#1fb27d2a33e3

IEA. Global EV Outlook 2020. URL: https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2020

Революция закончилась. Есть ли альтернатива литий-ионному аккумулятору? URL: https://habr.com/en/company/toshibarus/blog/462185/


Использованные источники

Прочие источники

Ni-MH-аккумуляторы: основные параметры. URL: http://talkdevice.ru/ni-mh-akkumulyatory.html

Батареи ZEBRA - описание, основные характеристики. URL: https://sdisle.com/battery/zebra/nanicl.html

Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы. Преимущества, недостатки, использование. URL: https://virtustec.ru/news/litij-nikel-marganec-kobalt-oksidnye-akkumuljatory-preimuschestva-nedostatki-ispolzovanie.html

Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора. URL: https://eti.su/articles/electrotehnika/electrotehnika_312.html

Современные натриево-никельхлоридные аккумуляторы средней температуры со сверхвысокой плотностью энергии. URL: https://rus.topview-engineering.com/advanced-intermediate-temperature-sodiumnickel-chloride-batteries-with-ultra-high-energy-density-456532

Устройства, эксплуатация и характеристики литий-ионных аккумуляторов. URL: https://akbinfo.ru/litievye/litij-ionnyj-akkumuljator.html

Химия аккумуляторов. Различия, преимущества и недостатки. URL: https://belvaping.com/articles/himiya-akkumulyatorov-razlichiya-preimushhestva-i-nedostatki/

Эксплуатационный ресурс герметичных свинцовых аккумуляторных батарей в составе электронного оборудования. URL: https://www.solarhome.ru/basics/bas-batteries/merunko.htm


Автор обзора:

Артёменко Владимир, эксперт, [email protected]


Documents

Тел.: 8-499-129-17- -499-129-09-22, e-mail: mail@forecast ... · Мониторинг и анализ технологического развития России и мира