Что же такое нейтрино? Путешествие в мир квантов продолжается ⁠ ⁠

Плавучие города. Современные прототипы Атлантиды⁠ ⁠

По мере того, как наша Земля нагревается, ледяные щиты тают, уровень воды в океанах поднимается. С 1880 года уровень морской воды в мире поднялся на 21 сантиметр, причём одна треть этого повышения произошла только за последние 25 лет. Повышение уровня моря может привести к эрозии береговой линии, увеличить наводнения и загрязнить источники пресной воды.

Кроме того, населённые пункты у береговой линии, имеют тенденцию со временем проседать, что повышает относительный местный уровень воды по мере оседания зданий и земли. Сочетание антропогенного оседания и увеличения темпов повышения уровня моря таит опасность для многих городов в дельте. Такие места, как Новый Орлеан, Калькутта, Янгон, Бангкок, Хошимин и Джакарта, несомненно, столкнутся с растущим уровнем солёной воды.

Поскольку в прибрежных городах самая дорогая недвижимость в мире, решение этой проблемы требует большого внимания, и некоторые люди проявляют творческий подход. Вместо того, чтобы просто играть в оборону с волнорезами и дамбами, они фактически строят дома на море. Люди уру в Перу долгое время жили на плавучих островах в озере Титикака.

Сегодня технологические компании из Нью-Йорка и Нидерландов собрали команды дизайнеров и инженеров для строительства прототипов плавучих городов в Пусане и на Мальдивах.

OCEANIX Busan

Южное побережье Южной Кореи, где находится город Пусан, считается сильно подвергаемым влиянию повышения уровня океана. Популярный городской пляж Хэундэ может оказаться под водой к 2030 году. И последствия уже чувствуются — с 2010 года по 2020 год Пусан пострадал от наводнений больше, чем любой другой населённый пункт в Южной Корее.

OCEANIX была основана в 2018 году с целью проектирования и строительства устойчивых плавучих городов. Идея состоит в том, что они будут построены у берегов существующих мегаполисов, что даст им новую, защищенную от наводнений «землю». В 2019 году в ООН согласились построить OCEANIX, а в 2021 году мэр города Пусан подписал контракт на его размещение. В апреле 2022 года в ООН презентовали проект OCEANIX Busan, инициатором которого выступили архитектурные компании Bjarke Ingels Group (BIG) и SAMOO (дочерняя фирма Samsung).

Это один их первых в мире прототипов устойчивого плавучего города. Общая площадь взаимосвязанных районов составляет 6,3 га, на которых смогут проживать 12 000 человек. На каждый район приходится от 30 000 до 40 000 квадратных метров многофункциональных платформ. OCEANIX Busan со временем будет органично трансформироваться и адаптироваться. Начиная с сообщества из 3 платформ и 12 000 жителей, он может расшириться до более чем 20 платформ для 100 000 жителей. Плавучие платформы сопровождаются десятками производственных аванпостов с фотоэлектрическими панелями и теплицами. Районы будут соединяться друг с другом и с материком через мосты, и каждый из них будет служить определённой цели.

Три платформы, с ожидаемым сроком службы 80 лет, будут пришвартованы к морскому дну. 10 метров от платформы будут погружены в воду, а над поверхностью будут выступать всего 2 метра. Внутри платформ будет достаточное пространство, предназначенное для хранения всего, от батарей до систем управления отходами и механического оборудования. Oceanix Busan будет напрямую соединён с Пусаном 80-метровым мостом. Вместо того, чтобы функционировать как автономный город, он первоначально будет функционировать как своего рода район под полной административной юрисдикцией мэрии Пусана.

Взаимосвязанные системы должны будут генерировать 100 % необходимой для работы электричества с помощью солнечных панелей на крыше. Аналогично, каждый район будет фильтровать и пополнять свою собственную воду, перерабатывать ресурсы, а также вести инновационное «городское сельское хозяйство». Город также обеспечит стабильные поставки органических продуктов из «высокоурожайных, беспочвенных и пермакультурных систем».

Планируемое поселение задумывалось как «самоокупаемое», в котором жители могли бы производить себе еду и энергию в «замкнутых системах без отходов». Районы будут спроектированы с коммунальными фермами, предприятиями по выращиванию продуктов питания с аквапоникой и компостными садами, а в окружающих водах будут расположены фермы по выращиванию морепродуктов. Тем временем на необитаемых платформах могут размещаться плавучие ветряные турбины и солнечные батареи или использоваться для выращивания бамбука для строительства новых зданий.

Предложенный BIG городской проект также включает добычу пресной воды с локальными очистными сооружениями и системами для сбора и хранения дождевой воды. Для транпорта архитекторы добавили парки электромобилей — от водных такси на подводных крыльях до паромов на солнечных батареях — которые соединят районы с другими частями города и материком.

Плавучие платформы будут частично погружены в воду и закреплены на морском дне. Якоря достаточно прочны, чтобы платформы оставались на месте, и в то же время достаточно гибки, чтобы подниматься и опускаться вместе с уровнем воды. Здания высотой не более пяти этажей будут построены из лёгких и прочных материалов, таких как древесина и бамбук. Традиционных автомобилей и поездов не будет, жители и гости будут передвигаться пешком или на велосипеде.

Oceanix привлекла частные инвестиции для финансирования проекта, стоимость которого оценивается в 627 миллионов долларов или 10 000 долларов за квадратный метр. Сначала платформы будут собирать на суше, а затем буксировать на воду. OCEANIX финансируется за счёт частных инвестиций, но общая стоимость проекта в Пусане и кто именно за что платит, пока неясны. Стоимость жизни в городе также неясна — авторы проекта говорят, что квартиры будут «доступными», но это всё же относительный термин.

Строительство планируют начать в конце 2023 года и закончить к 2030 году.

Нижняя часть платформ будет покрыта материалом Biorock. Технология Biorock используется для защиты коралловых рифов путём создания каменных материалов под океаном. Это процесс, при котором через морскую воду подается электрический ток очень низкого напряжения. Это вызывает отложение кристаллических солей минералов, растворённых в воде. Отложенные кристаллы в основном находятся в форме карбоната кальция, который создаёт определённую структуру на дне воды, подобно естественным коралловым рифам. Образовавшаяся структура называется био-камнем, она очень прочная и долговечная, что обеспечивает подходящую среду обитания для кораллов. Этот материал, более прочный, чем бетон, но плавучий. Biorock — это уникальная океаническая технология, которая производит единственный морской строительный материал, который растёт, восстанавливается и становится сильнее с возрастом. По словам учредителей Oceanix, технология Biorock использует «электропроводящие материалы», такие как обычная сталь (самый дешёвый и наиболее широко используемый строительный материал), для строительства сооружений любого размера и формы в море. Эта технология обеспечивает большие преимущества, более быстрые результаты и более низкие затраты, чем «любая другая альтернатива для решения широкого круга важнейших проблем управления при работе с морской средой».

Кораллы прилипают к биокамню, где они могут расти намного быстрее, чем естественным путём, используя свою структуру. Эта технология используется для создания структур из карбоната кальция в море, чтобы укрепить коралловые рифы и позволить чувствительным кораллам расти, не подвергаясь опасности из-за загрязнения и глобального потепления.

Процесс формирования Biorock:

В этом процессе электрический ток низкого напряжения проходит между положительно заряжённым анодом и отрицательно заряжённым катодом, помещёнными в морскую воду. Это приводит к электролизу солёной воды с образованием ионов кальция и ионов карбоната, которые прилипают к катоду, образуя слой карбоната кальция.

Технология Biorock позволяет полностью защитить сталь от коррозии. Сталь не успевает проржаветь, так как у ржавчины довольно быстро меняется химический состав и снова превращается в железо. Минералы известняка, которые естественным образом растворяются в морской воде, размножаются на поверхности, образуя постоянно растущее твердое каменное покрытие. При медленном выращивании этот материал примерно в три раза прочнее бетона, изготовленного из обычного портландцемента. Биокамень также является единственным самовосстанавливающимся морским строительным материалом. Так что, если минеральный слой нарушен, сначала отрастает повреждённый участок. Технология Biorock была успешно применена для выращивания волнорезов из известняка для защиты островов и прибрежных районов от эрозии и повышения уровня моря.

Maldives Floating City (MFC)

Мальдивы состоят из 1200 низменных островов и являются одной из самых подверженных воздействию изменения климата стран мира. 80 % территории государства находится на высоте менее 1 метра над уровнем моря. Поскольку к 2100 году Мальдивские острова, по прогнозам, будут погребены в море, правительство Мальдив надеется предоставить до 20 000 местным жителям и туристам возможность переехать в плавучий город уже в 2024 году. Строительство планируется начать в конце 2022 года. MFC предлагает пространство, которого практически нет в столице — Мале является одним из самых густонаселённых городов мира, где на площади 8 квадратных километров проживает более 200 000 человек.

В 2010 году правительство Мальдив согласилось построить плавучий город и плавучие острова в рамках совместного предприятия. Этот генеральный план для островного государства является решением в ответ на чрезвычайную ситуацию, вызванную повышением уровня моря. Мальдивы сотрудничают с архитектурной компанией Waterstudio для создания плавучего города, который разместит 20 000 человек в лагуне недалеко от Мале. Проект под названием Maldives Floating City будет состоять из 5000 малоэтажных домов, дрейфующих в лагуне площадью 200 гектаров в Индийском океане. По мере повышения уровня воды будет расти и город, который строится на цепочке плавучих сооружений в форме шестиугольника, смоделированных по геометрическим формам местного коралла, называемого мозговым кораллом (при рассмотрении сверху будет похож на мозг). Искусственные коралловые отмели будут прикреплены к нижней части плавучего города, чтобы стимулировать естественный рост кораллов.

Мозговой коралл

На платформах будут построены дома, отели, рестораны, магазины, больницы, школы и правительственные здания. Каждая платформа на берегу моря будет иметь площадь 100 квадратных метров с причалом, прикреплённый к фасаду, и террасу на крыше. Плавучий город будет расположен всего в 10 минутах езды на катере от Мале. Проект возглавляет Waterstudio в сотрудничестве с компанией Dutch Docklands при поддержке местного правительства. В городе будут представлены квартиры-студии за 150 000 долларов и семейные квартиры за 250 000 долларов (цены конкурентоспособны с ценами на Хулхумале, рукотворном острове, построенном поблизости).

Как будет выглядеть MFC

За 20 лет Waterstudio реализовала более 300 плавучих домов, офисных зданий, образовательных учреждений и клиник по всему миру. Нидерланды стали центром, так сказать флешмоба, плавучих домов, плавучих парков, плавучей молочной фермы и плавучего офисного здания, которое служит штаб-квартирой Глобального центра адаптации (GCA), организации, занимающейся масштабированием решений по адаптации к изменению климата.

Плавучие дома в Амстердаме

В Dutch Docklands заявляют, что ещё не было попытки построить плавучий город в таких масштабах и такой скорости при полном государственном финансировании. «Несмотря на то, что до этого уже были попытки создания плавучих городов, ни у одного из них не было таких убедительных преимуществ как в проекте MFC: полномасштабной технической, логистической и юридической экспертизы».

Модульные блоки будут строиться в местной верфи, а затем их отбуксуют в плавучий город. Затем их прикрепят к большому подводному бетонному корпусу, который привинчен к морскому дну на телескопических стальных сваях, что позволят им плавно колебаться на волнах. MFC не требует мелиорации земель, поэтому оказывает минимальное воздействие на коралловые рифы. Эти рифы, окружающие город, будут служить естественным волнорезом и стабилизируют его, предотвращая морскую болезнь жителей. Потенциальное воздействие сооружения на окружающую среду было тщательно оценено местными коралловыми экспертами и одобрено государственными органами ещё до начала строительства.

Этот город также будет самодостаточным. Электричество будет подаваться преимущественно за счёт энергии Солнца, а сточные воды будут очищаться и использоваться для поливки растений. В качестве альтернативы кондиционированию воздуха в городе будет использоваться глубоководное морское охлаждение, которое включает перекачку холодной воды из глубокого моря в лагуну, помогая экономить энергию. Первые квартиры будут построены в этом году, жители начнут заселяться в начале 2024 года, а строительство всего города должно быть завершено к 2027 году. Жители будут передвигаться на лодках, а также ходить пешком, ездить на велосипедах, электросамокатах или багги.

В 2021 году наводнения нанесли урон мировой экономике более чем на 82 миллиарда долларов, и, поскольку изменение климата вызывает более экстремальные погодные условия, ожидается, что расходы будут только возрастать.

Конечно, трёх платформ и 12 000 запланированных жителей и мини-архипелага на 20 000 жителей будет недостаточно, чтобы спасти Пусан и Мальдивы от изменения климата по всей Земле. Как и дополнительные платформы, которые Oceanix и MFC планируют построить и подключить к строящимся в ближайшие годы. Но это начало, которое может послужить образцом и источником вдохновения для других сообществ, надеющихся приспособиться к изменениям уровня моря. В конце концов, помощь при стихийных бедствиях и волноломы стоят дорого и требуют тщательного планирования. В долгосрочной перспективе человечеству нужно будет научиться жить с повышением уровня моря. Плавучие города станут одним из способов сделать это для прибрежных населений.

Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Дыхальце осы в электронном микроскопе⁠ ⁠

Дыхальце осы является эффективным вихревым воздухозаборником с фильтрацией, работающим на скоростях до 20 м в сек.

Направление потока воздуха легко определить по наклону волосков

Готовое решение для инженеров

О странной материи⁠ ⁠

ГМ-рис дает на 40% больше зерна⁠ ⁠

Исследователи повысили урожайность риса на 40%, внедрив вторую копию одного гена. Ген, известный как OsDREB1C кодирует белки, которые контролируют другие гены, участвующие в фотосинтезе и использовании азота. Изменения в генетически модифицированном (ГМ) рисе улучшили фотосинтез, ускорили цветение и помогли растению более эффективно поглощать азот, что привело к более крупным и обильным зернам. Исследователи говорят, что такого же повышения урожайности можно добиться, отредактировав собственные гены растения. Этот процесс, как правило, более легко регулируется и более приемлем для некоторых потребителей, чем трансгенная инженерия.

Процесс Габера: от удобрения к химическому оружию (Veritasium)⁠ ⁠

История изобретения способа получения аммиака из воздуха. От удобрения, которое позволило избежать голода и увеличить население Земли на 4 миллиарда человек, до переориентации производства селитры для взрывчатых веществ в Первую мировую войну. А затем и разработка химического оружия. И всё это под авторством одного ученого, Фрица Габера.

Нейтрино⁠ ⁠

Телеграмм-канал с физикой и мемами — https://t.me/phy6_tg/1572

Навигация автономных систем⁠ ⁠

Роботы повсюду, они проникли во многие сферы деятельности. Это неудивительно – весь мир сейчас взял курс на автоматизацию процессов, согласно программе «Индустрия 4.0». Роботов можно увидеть в качестве автономных средств пожаротушения; на складах, послушно перетягивающих грузы; на тротуарах, везущих к вам обед или посылку.

Многие из этих работ просто невозможны без отлаженной системы навигации и ориентации в пространстве. При этом, можно однозначно сказать, что данная задача существенно отличается, в зависимости от того, в помещении ли находится место действия робота.

Если говорить о промышленных объектах, то можно заметить, что здесь наблюдается упрощение задачи. В этом случае, можно разместить некоторое количество маяков, по которым транспортное средство может ориентироваться. Это могут быть светоотражающие метки, линии, разметки на полу, а также магниты. Еще одним элегантным решением, которое может помочь в вопросах перемещения в пространстве транспортного робота является кабель, который вмонтирован в пол здания. Это может решить еще одну проблему – не только помочь сориентироваться роботу, но и подать на него заряд с помощью электромагнитной индукции (рис 1).

Рис. 1. Принцип беспроводной зарядки.

В частности, подобные системы применяются на заводах и некоторых складах в Германии. Такое решение увеличивает автономность системы в пределах помещения, так как ее маршрут можно проложить таким образом, чтобы его большой отрезок проходил вдоль силового кабеля в течении времени, достаточной для подзарядки.

В условиях помещения роботу часто не нужно знать свое точное положение относительно общего пространства, так как его работа ограничена рамками стен. То есть, глобальные координаты не требуются, нужно только положение прочих объектов, которые находятся в помещении, так как они могут являться препятствиями и помешать выполнению возложенной на робота задачи.

Хуже того, часть препятствий может изменять свое положение. Здесь и передвижение людей, и каких-либо транспортных средств, а также появление новых предметов в отсутствии робота или же в процессе прохождения им маршрута.

Наличие динамической среды существенно осложняет процессы навигации, здесь недостаточно единожды загрузить карту и позволить роботу работать по ней, так как это может привести к помехам в выполнении задания или даже несчастному случаю. По этой причине на технику приходится устанавливать дополнительное оборудование, которое могло бы эффективно распознавать препятствия, возникающие на пути, а также обучать ее находить максимально удобный способ обхода препятствия.

И здесь, опять же, нет единого подхода к решению этой проблемы – в одном случае она упрощается, когда препятствие статично. В другом случае, когда помеха не статична, сложность вычислений существенно возрастает по причине необходимости просчитывать все возможные пути передвижения помехи. Данная задача усложняется, так что часть алгоритмов предполагает решение этой проблемы следующим образом – замереть и ждать, пока препятствие само покинет поле деятельности.

По этому механизму работают, в частности, транспортные роботы на автозаводах, которые в случае с обнаружением на своем пути движение становятся на месте и издают звуковой сигнал, чтобы помеха быстрее ушла с предполагаемого маршрута. В ином случае, на базе анализа отрезка пути объекта двигающегося в поле зрения, система просчитывает возможные варианты и старается под них подстроиться.

В помещении данная задача не так критична, но вне его, когда остановка часто может создать дополнительную угрозу для прочих перемещающихся объектов, она стоит довольно остро и часто является одним из краеугольных камней навигации автопилотов и помощников водителя с разной степенью автономности. Здесь и большая скорость объектов, и их хаотичность ввиду их количества. Проблемы весьма существенны, так как прочие участники движения могут сами создать опасную ситуацию, с вовлечением автономного устройства.

И тут проблема навигации может принять не только физическую, чисто прикладную составляющую, но и морально-этическую, так как часто на дорогах может сложиться ситуация, когда выхода без потерь не будет. Тут можно будет увидеть дилемму вагонетки во всей красе, так как выбор может из следующих вариаций: врезаться в автомобиль, в котором передвигается семья, или же, избежав столкновения, влететь на остановку, на которой ждут автобуса люди. Эта проблема, в достаточной степени, замедляет существенное развитие автопилотов, так как встает вопрос, кто будет отвечать за ущерб, нанесенный транспортным средством, двигающимся автономно. Пока что не существует и развитого правового регулирования. Поэтому навигация автономных технических средств на дорогах общего пользования на постоянной основе невозможна.

В случае с роботами, которые работают в помещении, вопрос навигации является довольно хорошо изученным.

В частности, для решения этой проблемы используются лидары, которые сейчас способны не только обнаруживать объекты в зоне работы системы, но и помогать контролировать скорость объекта, для лучшего маневрирования. Кроме того, они же могут помочь выбрать оптимальное место для установки и проложить наиболее корректный маршрут, в текущих условиях.

Постепенное развитие процесса навигации позволило пройти путь от проводов, до практически полной автономности (ограниченной только мощностью батареи), обеспеченной лидарами, которые могут работать в диапазоне 360⁰. Здесь возможны различные варианты, в зависимости от сложности конструкции. Один из возможных вариантов – использование отражателей, что действительно просто и не требует значительных технических ухищрений. Но, такой подход приносит и дополнительные ограничения – отражатели должны быть видны, иначе система может потерять понимание своего положения в пространстве и сбиться с курса. Это касается и другого метода навигации, когда робот ориентируется посредством видеокамер, направленных на потолок и фиксирующих наличие источников света.

Лидары сейчас являются одним из самых распространённых компонентов для решения проблемы навигации. Они проделали действительно серьезный путь с начала века – ранее они занимали довольно большую площадь и не обладали существенным диапазоном действия, тогда как сейчас он может достигать двухсот метров, что перекрывает потребности для работы внутри помещений. Улучшилась частота испускаемого импульса и точность обработки полученных сигналов. Эти сигналы помогают составлять план местности, которая окружает автономную систему, что позволяет получить представление о положении объектов в пространстве. Они поступают неравномерно, так как встречают преграду на пути, что по их возвращении позволяет создать карту пространства в конкретный момент времени, по которой может двигаться робот. Получить представление о том, как именно робот «видит» окружающее пространство можно ниже (рис. 2).

Рис. 3. Складские роботы компании Alibaba

Естественно, количество роботов на маршруте существенно осложняет задачу навигации, но и ее сейчас удается преодолеть, при помощи развития вычислительных мощностей. Также стало возможным многоуровневое перемещение складских систем, включая перемещение по рядам и в вертикальном измерении.

Технический прогресс значительно увеличил доступность этих систем, так что их можно использовать для решения проблем во множестве ситуаций даже при несколько ограниченном бюджете.

Существующие системы часто используют метод навигации, называемый SLAM (simultaneous localization and mapping). Он предполагает одновременную локализацию и построение карты, что решает проблему перемещения даже в неизвестном пространстве, так как позволяет создать карту помещения в процессе движения, чего ранее не было достигнуто. Но метод не идеален, возможна ошибка перемещения, которая накапливается по ходы выполнения задачи. Сейчас система навигации стала доступна в значительной степени, так как многие из разработок имеют открытый статус и доступны для ознакомления.

Существуют различные библиотеки с принципиальными алгоритмами работы навигационных систем, как и движения автономных комплексов. Здесь можно увидеть, как чисто теоретические изыскания, позволяющие создать эффективные математические модели (MathLab), так и адаптированные под решение практических задач, в частности, инструментарии навигации роботов Университета Карнеги-Меллона (CARMEN) и Инструментарий программирования мобильных роботов (MRPT).

SLAM наиболее распространённый способ навигации, но не единственный. Часто его использование применяют с одометрией или же ультразвуковыми датчиками, так как можно столкнуться с рядом ошибок. В частности, если говорить о перемещении по складу, то робот может не понять, что он вернулся именно в ту точку, с которой отправился. Так же может произойти такая ситуация, когда контуры объектов не замыкаются, так что робот не может найти идеальную траекторию, чтобы их обойти. Это может быть сопряжено с задержкой при движении, а также со столкновением, особенно если объект неоднозначно отражает лазерные лучи.

Таким образом, проблема навигации до сих пор остается действительно важной и требует дальнейшего исследования и комплексного подхода, так как цена ошибки может быть довольно большой, а существующие системы не всегда могут уверенно справляться со сложными ситуациями. В частности, подобное привело к осмысленному отказу от лидаров в TESLA, где отдали предпочтение системам компьютерного зрения с помощью видеокамер. Развитие продолжается, возможно, с появлением более совершенного искусственного интеллекта и более эффективных нейросетей, а также закрытием пробелов в законодательстве, можно ожидать появление полностью автономных систем и на дорогах.