Новости науки: 10 событий июля

«В науке нет другого способа приобретения, как в поте лица; ни порывы, ни фантазии, ни стремления всем сердцем не заменяют труда», – отметил Александр Герцен, писатель, педагог, философ. Над чем трудятся в поте лица современные ученые? Узнаем в нашем обзоре новостей науки за июль.

Вот почему не болит голова у дятла

Дятлы долбят деревья ради пропитания, то есть поиска насекомых, или создания дупла. Прежде ученые были уверены, что у этих птиц есть специальные амортизирующие органы, которые гасят энергию удара: это спинномозговая жидкость, подъязычный хрящ и губчатая кость. И, дескать, именно это позволяет уберечь мозг дятла от сотрясения.

Однако недавно ученые из Антверпенского университета (Бельгия) совместно с коллегами из Франции и Канады выяснили, что этих «амортизаторов» не существует. А даже если бы они и были, то это бы снизило эффективность долбления дятлами коры и мешало бы им клевать личинок. Исследователи сделали и внимательно изучили сотни скоростных видеозаписей, на которых дятлы трех видов – желна, хохлатая желна и большой пестрый дятел – долбят дерево. И поняли, что нет никакого демпфера (устройство, предназначенное для поглощения энергии колебаний либо уменьшения их амплитуды. – Прим. ред.): череп с клювом у дятла похожи на мощный молоток, а не на защитный шлем. При этом удары действительно не причиняют самой птице вреда. «Отсутствие амортизации не означает, что их мозг находится в опасности во время, казалось бы, сильных ударов. Даже самые сильные удары должны быть безопасными для мозга дятлов, поскольку наши расчеты показали, что мозговые нагрузки у них ниже, чем у людей, получивших сотрясение мозга», – говорит Сэм ван Вассенберг из Университета Антверпена.

Впрочем, защитные механизмы все же есть: это суженное субарахноидальное пространство, стабилизация микротрубочек в нейронах лобной доли и, возможно, сужение шейных вен, которое повышает артериальное давление в мозге.

Ученые также говорят, что с эволюционной точки зрения результаты исследования могут объяснить, почему не существует дятлов с крупными головами и мышцами шеи. Более массивный дятел может нанести более сильный удар, но при этом, вероятно, столкнется с серьезными проблемами в виде того самого сотрясения мозга.

Добавим, что раньше инженеры использовали анатомию черепного скелета дятла для разработки амортизирующих материалов и шлемов. Нынешние же выводы ученых свидетельствуют о том, что ориентироваться на это не стоит.

А бобер-то русский

Специалисты из Копенгагенского университета (Дания) выяснили, в каких мехах щеголяли скандинавы эпохи викингов. В элитных погребениях Х века были обнаружены останки трех женщин, двух мужчин и одного человека, чей пол не удалось идентифицировать, принадлежавших к верхушке тогдашнего датского общества. Эти люди были погребены в меховых одеяниях. Ученые отобрали для анализа 15 образцов. Меха изучили с помощью микроскопии и биомолекулярных методов. Выяснилось, что часть вещей была сделана из меха бобра, другие же – из меха белки, ласки и овцы. Но загвоздка в том, что в Дании бобры, как считается, вымерли еще в эпоху ранней бронзы. Получается, меха привозили из других регионов: Исландии и Древней Руси. Авторы исследования уверены, что позволить себе носить изделия из «импортного» бобрового меха могли только местные богатеи. Обладание такой вещью демонстрировало их статус.

«В эпоху викингов ношение экзотических мехов почти наверняка было очевидным визуальным заявлением о достатке и социальном статусе, подобно высокой моде в современном мире», – отметила Луиза Эрстед Брандт, ведущий автор исследования.

Две тысячи градусов нипочем

Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (Россия) разработали новый тугоплавкий композиционный материал для ракетно-космической отрасли. В его основе – карбонитрид гафния. Он устойчив к высокой температуре и окислению. Ведь космическая техника проходит сквозь атмосферу Земли, и некоторым узлам приходится выдерживать серьезные нагрузки. Причем, при температуре выше 2000 °С, к тому же необходимо, чтобы эти материалы могли выдержать активное окисление. Сейчас используются в основном углерод-углеродные композиты, которые не выдерживают температуру свыше 1600 °С: окисление становится неконтролируемым и покрытие полностью выгорает.

«Предложенный нами композит обладает не только высокой окислительной стойкостью при температурах выше 2000 °С, но и высокими механическими и теплофизическими свойствами. Добавка карбида кремния повысила окислительную стойкость и снизила плотность почти вдвое без падения механических свойств», – рассказал Дмитрий Московских, руководитель лаборатории «Конструкционные керамические материалы».

Чтобы синтезировать карбонитрид гафния, потребовалось горение смеси гафния с углеродом в атмосфере азота, а чтобы получить объемный материал, ученые применили искровое плазменное спекание. Это просто, быстро и энергоэффективно. Новый материал можно использовать для создания ответственных узлов ракетно-космической и другой перспективной техники.

Щепотка смерти

Ученые под руководством профессора Лу Ци из Школы общественного здравоохранения и тропической медицины Тулейнского университета в Новом Орлеане (США) узнали, как влияет на здоровье досаливание пищи. И пришли к неутешительным выводам: это повышает вероятность развития инсульта, риск смерти от сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний.

«В западной диете соль, добавляемая за столом, составляет 6–20% от общего потребления вещества. Это дает уникальную возможность оценить связь между потреблением натрия и риском смерти», – отмечает профессор Ци.

Исследователи проанализировали данные 501 379 человек, которые участвовали в исследовании UK Biobank. С 2006 по 2010 год участников эксперимента опрашивали на предмет того, добавляют ли они соль в готовые блюда и как часто они это делают. Ученые сделали корректировку с помощью факторов, которые могли повлиять на результат: возраст, пол, раса, индекс массы тела (ИМТ), курение, употребление алкоголя, физическая активность, диета и состояние здоровья. После окончания опросов за участниками эксперимента наблюдали еще порядка девяти лет. Преждевременной считалась смерть, наступившая до достижения возраста 75 лет.

Выяснилось, что у тех, кто любил досаливать пищу, риск умереть раньше времени был на 28% выше, чем у тех, кто к соли не прикасался или делал это редко. У мужчин и женщин в возрасте 50 лет, любящих досаливать пищу, ожидаемая продолжительность жизни сократилась на 1,5 и 2,28 года соответственно. Немного снижало риски употребление большого количества фруктов и овощей.

И работа закипела!..

Инженеры Массачусетского технологического института (США) создают поверхности, которые заставляют воду кипеть более эффективно. Кипячение воды или других жидкостей представляет собой энергоемкий этап многих промышленных процессов, включая процессы на большинстве электростанций, в системах химического производства и даже в системах охлаждения электроники.

Есть два ключевых параметра, описывающих процесс кипения: коэффициент теплопередачи и критический тепловой поток (показатель газообразования во время нагрева). Приходится искать компромисс: все, что улучшает один параметр, ухудшает второй. Но команда ученых из Массачусетса смогла значительно улучшить одновременно оба параметра за счет комбинации различных текстур, добавленных к поверхности материала.

«Оба параметра важны, но улучшить их вместе довольно сложно. Если у нас много пузырьков на поверхности кипения, значит, кипение эффективно. При этом большое количество пузырьков может сливаться воедино и привести к образованию газового слоя на поверхности кипения, а он, в свою очередь, препятствует передаче тепла от горячей поверхности к воде», – говорит Янгсуп Сонг, один из авторов исследования.

Ученые добавили ряд микроразмерных полостей на поверхность, что позволило контролировать образование на ней пузырьков, эффективно удерживать их в местах полостей и предотвращать их распространение в термостойкую пленку. Исследователи создали массив полостей шириной 10 микрометров, разделенных примерно 2 миллиметрами. Но такое разделение снизило концентрацию пузырьков на поверхности, что уменьшило эффективность кипения. Чтобы компенсировать этот недостаток, команда создала крошечные полости в нанометровом масштабе и расположила их на небольших «колоннах»-возвышениях, что увеличило площадь поверхности и поспособствовало скорости испарения. Разделение полостей, штифты и наноразмерное текстурирование помогло повысить эффективность процесса кипячения.

Специалисты доказали, что такая структура не просто возможна, но и работоспособна, но масштабировать ее в нынешнем виде пока нельзя. Поэтому следующим шагом будет поиск альтернативных способов создания таких текстур поверхности, чтобы эти методы можно было легко масштабировать до практических размеров.

Мусор с неба

Специалисты Университета Британской Колумбии (Канада) заявили, что в ближайшие десять лет вероятность гибели человека от падающего космического мусора составит 6–10%.

Когда спутники запускаются в космос, части ракет для запуска остаются на орбите. Большинство из них сгорает в атмосфере, но отдельные потенциально смертоносные фрагменты все же могут упасть на Землю. Ученые предполагают, что этот космический мусор может приземлиться, например, на широтах Джакарты (Индонезия), Дакки (Бангладеш) и Лагоса (Нигерия). И вероятность приземления обломков в этих местах примерно втрое выше, чем у Нью-Йорка, Пекина или Москвы. Ученые связывают это с распределением орбит, которые используются при запуске спутников. До сих пор «останки» ракет, к счастью, никого не убили, но в 2020 году 12-метровая труба от китайской ракеты Long March 5B упала на деревню в Кот-д'Ивуаре (Западная Африка) и повредила здания.

Ученые проанализировали данные о космических запусках более чем за 30 лет. Расчеты показали потенциальные риски от падения космического мусора в течение ближайших 10 лет. Учитывались и скорость неконтролируемых повторных входов частей ракет в атмосферу, и их орбиты, и данные о численности населения планеты. В итоге вероятность и составила вышеупомянутые 6–10%. Это при условии, что практика запуска спутников в космос на невозвратных ракетах не изменится. Другие потенциальные сценарии падения космического мусора, например попадание обломка в летящий самолет, в исследовании не упоминаются.

«До сих пор риски оценивались для каждого конкретного космического запуска. Это давало людям ощущение того, что риск настолько невелик, что его можно безопасно игнорировать. Но совокупный риск не так уж и мал. Сообщений о жертвах и массовых жертвах пока не поступало. Но стоит ли ждать этого момента или стоит отреагировать заранее, особенно когда речь идет о человеческих жизнях?» – задается вопросом доктор Аарон Боли, соавтор исследования, доцент кафедры физики и астрономии Университета Британской Колумбии.

Исследователи предлагают правительствам стран обязать космические компании оснащать ракеты системами возвращения на Землю. Да, это увеличит стоимость запуска, но потенциально спасет человеческие жизни.

Отдыхать вам надо, товарищ диспетчер

Физиологическое состояние диспетчеров на вокзалах, станциях метро, промышленных предприятиях и в аэропортах – основа безопасности этих объектов. Сотрудники Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра РАН, Санкт-Петербургского государственного университета и Новосибирского государственного университета разработали программное обеспечение «Компьютерное зрение», которое с помощью нейросети анализирует физическое состояние персонала: нейросеть видит, не хочет ли человек поспать, не устал ли он, не голоден ли.

«Мы разработали программное обеспечение, которое при помощи «компьютерного зрения» по ряду параметров позволяет распознать степень утомляемости оператора компьютера. В первую очередь такая программа поможет избежать ошибок и снижения качества работы для специалистов критически важной для общества и государства инфраструктуры», – рассказывает Алексей Кашевник, старший научный сотрудник СПб ФИЦ РАН.

Нейросети создают графики движения ключевых точек на теле человека и анализируют увиденное: зевание, частоту вдохов и выдохов, продолжительность моргания, скорость перемещения взгляда, кривизну его траектории и другое.

«Мы научили программу распознавать стратегии по данным с трекера. И сейчас система работает так: мы загружаем в нее собранную информацию. Затем программа ее размечает и анализирует. На выходе получаем суммарную оценку и рекомендации о том, насколько сильно оператор нуждается в отдыхе. В ближайшее время мы оптимизируем разработку таким образом, чтобы она могла анализировать данные в режиме реального времени», – комментирует работу нейросети Алексей Кашевник.

Борщевик против нефти

Ученые Губкинского университета (Россия) запатентовали сорбент, который может ликвидировать разливы нефти и нефтепродуктов. Сделали они его из борщевика Сосновского – опасного растения, контакт с которым может вызывать серьезные аллергические буллезные дерматиты. Но в данном случае из него получился отличный сорбент, обладающий большой степенью плавучести и впитывающий загрязнения в течение 1,5 часа.

«Результаты исследований позволяют сделать вывод, что сорбент при высокой степени плавучести обладает большой сорбционной емкостью. По сравнению с известными органическими сорбентами сорбционная емкость сорбента из борщевика Сосновского в среднем больше на 50%», – говорит Юрий Дубинов, кандидат технических наук, заведующий лабораторией кафедры металловедения и неметаллических материалов РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. Н. Губкина.

Ученые надеются, что благодаря этому открытию не только появится отличный вариант очистки технической воды и экстренного устранения разливов нефти, но и сократится количество борщевика, который активно разросся по всей России.

Не говорите гадости!

«Палки и камни могут сломать мне кости, но слова никогда не причинят мне вреда», – гласит шуточная пословица. Звучит прекрасно, но все мы знаем, что это не так. Слова могут ранить. Ученые из Утрехтского и Лейденского университетов (Нидерланды) это доказали, выяснив, что мозг с большим рвением реагирует на негативное высказывание, чем на комплименты.

79 женщин в процессе исследования читали серию повторяющихся утверждений трех типов. Это были комплименты («Мария великолепна!»), оскорбления («Элизабет ужасна!») и нейтральные («Яна – студентка»). 50% женщин слышали фразы, где упоминались их реальные имена, другие 50% – фразы с незнакомыми именами. Так специалисты хотели понять, имеет ли значение тот факт, кому именно адресовано послание.

За активностью мозга следили с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ). Выяснилось, что мозг сильнее реагирует на негативные высказывания, и неважно, в твой ли адрес это прозвучало или в адрес незнакомца. Активность реакции сохранялась даже при неоднократном повторении оскорбления. Негативные высказывания воспринимались как «мини-пощечины». На комплименты же мозг откликался не столь сильно.

И это при том, что исследование проводилось в лаборатории, где женщины не вступали в непосредственный контакт с авторами высказываний. Но даже в таких «стерильных» условиях оскорбления все равно ранили. Авторы исследования связывают эту реакцию с тем, что слова ассоциировались с межличностным взаимодействием, к тому же отрицательные высказывания могли восприниматься мозгом как сигнал о приближающейся опасности.

Властелины вихревых колец

Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) и Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН изучили процесс возникновения потенциально опасных режимов работы оборудования в гидроэлектростанциях и ветроэлектростанциях. Полученные данные помогут сделать работу турбинного оборудования в технологических устройствах с использованием закрученных потоков более безопасной и эффективной.

«Наш научный коллектив занимается численным моделированием, в том числе – применительно к гидротурбинному оборудованию. На протяжении длительного времени мы сотрудничаем с Саяно-Шушенской и Красноярской ГЭС. Одним из первых в мире нам удалось зафиксировать и воспроизвести то, как происходит перезамыкание вихревого ядра в гидротурбине – и при помощи численного моделирования, и экспериментально. Визуально это выглядит как образование некоего кольца, когда вихревой жгут «замыкается» сам на себя. Изучая физику и понимая природу закрученных потоков, и в частности образования вихревых колец, мы можем успешно бороться с негативными последствиями, вызванными данными явлениями, в том числе меняя режим работы оборудования или используя специализированные подходы, будь то подача воды или воздуха в проточный тракт гидротурбины или установка стабилизирующих конструкций», – говорит Дмитрий Платонов, научный сотрудник Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ.

Эти «кольца» отрываются
и ударяются о стенки проточного тракта турбины. Как результат – сильный шум и
локальные перегрузки, а значит, быстрый износ оборудования и риск аварийных
ситуаций. Чтобы обезопасить турбину, на Саяно-Шушенской ГЭС уже установили
«ребра», которые способны гасить интенсивность вихревого жгута, но не влияют на
работу турбины.