От океанских глубин до бескрайних просторов космоса: новые технологии дают учёным возможность лучше понять окружающий нас мир.
От океанских глубин до бескрайних просторов космоса: новые технологии дают учёным возможность лучше понять окружающий нас мир. Программа “Футурис” представляет три проекта.
Роботы на морском дне
Долгое путешествие по Атлантике позади, исследовательское судно встает на якорь в испанской Малаге. На протяжении нескольких недель международная команда ученых на его борту занимались изучением морских экосистем.
Мюррей Роберт, морской биолог, координатор проекта АTLAS: “Океан быстро меняется. Во-первых, растет кислотность воды, во-вторых, на фоне глобального потепления вода становится теплее. Меняется и характер течений… Все эти процессы мы должны лучше понять”.
Морские биологи говорят о беспрецедентности отмечаемого сегодня темпа изменений экосистем океана. В рамках Европейского исследовательского проекта Северную Атлантику изучают 25 команд специалистов.
Ковадоньа Орехас Сако дель Валле, морской биолог: “Мы впервые достигли столь значительной глубины. Роботы позволили нам сделать уникальные подводные снимки. С помощью дистанционного оборудования мы исследовали доселе скрытые зоны и смогли увидеть распределение там популяций живых организмов. А это важный шаг к понимаю функционирования экосистемы океана”.
Дистанционно управляемые роботы способны функционировать под огромным давлением. Эта команда погрузила робот на глубину в 2000 метров для исследования подводных гор в районе Азорских остров.
Мюррей Роберт, морской биолог, университет Эдинбурга: “Вы не можете как следует исследовать морское дно, не спустившись туда. Роботы становится нашими глазами и руками в толще воды, мы можем с их помощью исследовать значительные площади, получая изображения в высоком разрешении. А еще можем осторожно забрать образцы придонных живых организмов”.
Образцы фауны океанических глубин позволят ученым понять генетические связи между морскими организмами Средиземного моря и Атлантического океана.
Жуанна Болида, морской биолог: “Речь идет о зонах в океане, которые крайне важно изучить и взять под защиту. Данные о генетических связях между семействами морских организмов абсолютно необходимы, если мы хотим наладить по-настоящему грамотное управление подводным генетическим материалом на европейском уровне”.
Собранные учеными данные позволят лучше понять, как океан реагирует на климатические изменения и набирающую силу промышленную эксплуатацию ресурсов морского дна.
Грядки под прицелом камеры
Современные технологии позволяют специалистам по-новому взглянуть на сельское хозяйство, чтобы найти способы сделать его более эффективным и экологичным. Программа “Футурис” побывала на Украине, где проходит часть исследований европейского научного проекта.
Журналистам продемонстрировали беспилотный аппарат, снабженный специальной камерой для высококачественной съемки сельхозугодий. Он автономен и управляется с помощью компьютера. Чёткость снимков получается гораздо выше, чем у спутниковых изображений.
Микола Лавернюк, исследователь в области искусственного интеллекта Института космических исследований Украины: “Мы анализируем детальные изображения, на которых видно, какая культура где произрастает. Введя полученную информацию в компьютерную модель, мы можем создать подробную карту-классификатор”.
Ученые используют специальное мобильное приложение и камеру с широкоугольным объективом для сбора статистических данных по каждой культуре.
Богдан Ялимов, исследователь в области обработки спутниковых изображений: “Мы пытаемся узнать все о состоянии растений – начиная от посадки, как она растёт, и заканчивая сбором. Эти данные помогут повысить урожайность”.
Команда Института космических исследований изучила более 5 тысяч земельных угодий по всей Украине. Полученные изображения загружаются в модель, которая распознаёт их при помощи алгоритмов искусственного интеллекта. Итог работы – цельная сельскохозяйственная карта.
Наталья Куссул, заместитель директора Института космических исследований: “Поскольку мы имеем дело с большим объемом данных, необходимо обрабатывать их автоматически. Для этого мы разрабатываем интеллектуальные методы, модели, которые имитируют возможности человеческого мозга.
Эта компьютерная система автоматически распознает и классифицирует типы земельных площадок и культуры, которые на них произрастают”.
Эта система, испытанная в разных странах, на разных континентах, способна предоставлять данные о состоянии полей по всему миру. Это может помочь прогнозировать урожайность, а значит – уменьшить скачки продовольственных цен на глобальном рынке.
Свен Джильямс, координатор проекта “Sigma”: “Мы пробуем разные методы – картографию культур, сельхозстатистику, мониторинг сельхозпродукции. Нам также важно воздействие земледелия на окружающую среду. Исследование этих площадей поможет нам разработать еще более точные методы, которые мы применим на глобальном уровне”.
Телескоп будущего расскажет о прошлом
Радиотелескопы позволяют астрономам изучать всё более отдалённые области Вселенной. Чем больше такой инструмент, тем он чувствительнее. В Кембридже учёные работают над созданием обсерватории трансконтинентального масштаба.
В их распоряжении – площадка с антеннами, прототип крупнейшего в мире радиотелескопа SKA. Как следует из английской аббревиатуры, эффективная площадь антенны телескопа (состоящей из множества отдельных антенн) достигнет квадратного километра.
Телескоп, таким образом, будет состоять из двух основных частей, размещенных в Австралии и Южной Африке, вдали от источников помех. Антенны в австралийской части будут выглядеть так же, как в Кембридже.
Элой де Лера Аседо, астроном, университет Кембриджа: “Своими металлическими контурами антенна напоминает новогоднюю елку: Они улавливают летящие сверху фотоны, преобразуя их в электрический ток. Ток достигает верхушки антенны, на которой установлена электронная начинка – вот в этой белой коробочке. Сигнал в ней многократно усиливается – до показателей, которые затем изучают наши суперкомпьютеры”.
Простые антенны, расставленные на большой площади, превращаются в одну гигантскую антенну. Это гораздо дешевле, чем строить параболическую “тарелку” подобного масштаба.
Джефф Вэг, исследователь, проект “SKA”: “SKA” – это новый этап в развитии радиоастрономии. Уже начато строительство двух его сегментов. Первый – низкочастотный, по сути – антенна, которую вы уже видели ( точнее – 130 тысяч таких антенн). Второй сегмент – это комбинация средне- и низкочастотных “тарелок” (всего около 200). Их разместят в Южной Африке”.
Телескоп будет полностью собран и введен в эксплуатацию после 2020 года. Среди его задач – исследование раннего периода существования Вселенной, изучение крупномасштабных космических катаклизмов.
Джефф Вэг, исследователь, проект “SKA”: “Представьте, что у нас есть возможность наблюдать в 3-D своего рода “кино” об эволюции газов, изменении структуры Вселенной от самого раннего периода ее существования (это где-то миллиард лет после Большого Взрыва) до сегодняшнего дня, наблюдать галактики, в том числе и наш родной Млечный путь”.
Сборка крупнейшего в мире телескопа требует решения беспрецедентных по сложности задач – и научных, и логистических. 130 тысяч антенн для австралийской площадки легко монтируются,выдерживают разные погодные условия, и что, немаловажно, недорого стоят.
Элой де Лера Аседо, астроном, университет Кембриджа: “Вся электронная “начинка” антенн должна быть защищена от песка, который неизбежно будет попадать внутрь. Наша антенна должна быть устойчивой, ведь там дует ветер, достигающий 160 км в час. Мы учли и другие “сюрпризы” климата пустыни”.
Сегменты в Австралии и ЮАР задуманы как дополняющие друг друга части единой трансконтинентальной обсерватории. Обработка данных, поступающих с каждой отдельной антенны, требует беспрецедентных компьютерных мощностей.
Рози Болтон, исследователь, университет Кембриджа: “Расчётами займутся два гигантских суперкомпьютера – по машине на каждую площадку. Речь идет о самых мощных на сегодняшний день компьютерах. Учтите, что поступающие в них с телескопа данные по объему превысят весь мировой интернет-трафик. Мы говорим о действительно гигантской компьютерной системе”.
Представить себе будущий телескоп в уменьшенном, но близком к замыслу масштабе позволяет развернутый в Нидерландах проект “LOFAR”. Речь идет о системе (на сегодня – крупнейшей в мире), объединяющей 40 тысяч антенн низкочастотных диапазонов.
Микаэль ван Хаарлем, директор проекта “SKA” в Нидерландах, ASTRON: “На центральной площадке “LOFAR”- 25 станций, другие станции расположены по всей Голландии, есть у нас и зарубежные площадки – в Германии, Польше Швеции, Франции, Великобритании. Скоро появится еще одна – в Ирландии”.
Оптоволоконные кабели соединяют все станции телескопа “LOFAR” с компьютерным центром, где поступающие с антенн сигналы преобразуются в детальные карты неба.
Микаэль ван Хаарлем, директор проекта “SKA” в Нидерландах, ASTRON: “Значительная дистанция между антеннами, которую обеспечивают наши международные станции, позволяет увидеть очень четкую, детализированную картину неба. Такого качества изображения не получить, если антенны находятся поблизости друг от друга”.
Для детального изучения того или иного участка неба ученые разработали компьютерную систему, усиливающую сигналы с искомого направления.
Хаис Шоондербек, инженер, ASTRON: “Все сигналы, приходящие с нужного участка, приводятся к единой фазе, остальные же – усредняются, нивелируются”.
Для телескопа “SKA” понадобятся сотни тысяч устройств передачи данных по оптоволоконной сети. На рынке каждое из таких устройств стоит около тысячи евро. Голландские инженеры нашли более простое и удобное решение.
Петер Меет, исследователь, ASTRON: “Мы сократили стоимость устройства до 25 евро за комплект. Это значительно дешевле имеющихся аналогов. Наше компактное устройство легко подключается через USB и выполняет поставленные задачи”.
Через несколько лет гигантская трансконтинентальная обсерватория с ее антеннами, разнесенными на 3 тысячи км, будет сканировать небо в тысячи раз быстрее, чем телескопы предыдущего поколения. Ученые надеются ответить на фундаментальные для человечества вопросы о происхождении и современном устройстве Вселенной.