Российские учёные разработали информационную систему «Нанокомпозит»

• 
• Элеонора_Кольцова

В ходе проекта, выполняемого научными сотрудниками, аспирантами и студентами РХТУ имени Д.И. Менделеева, экспериментальным путём и различными методами суперкомпьютерного моделирования решается множество задач, «заточенных» под химическую промышленность, наноиндустрию и водородную энергетику. О некоторых из них рассказала руководитель проекта – заведующая кафедрой информационно-компьютерных технологий РХТУ доктор технических наук, профессор Элеонора Кольцова.

Море программных задач

«Задач и объектов моделирования у нас очень много. В области химических технологий мы решили, например, задачу моделирования очистки отходящих газов при работе двигателей внутреннего сгорания. Нами смоделирован высокопористый ячеистый катализатор – это губка, в которой поры составляют 97%. Он содержит меньше благородных металлов, чем обычный катализатор, а газы очищаются значительно лучше, – рассказывает Элеонора Кольцова. – Иначе говоря, его практическое применение позволяет не только сэкономить дорогое сырьё, но и улучшить экологические характеристики двигателя. Как известно, Россия с 2013 года перешла всего лишь на стандарт “Евро-3”. А в наших моделях содержание NO, CO, выхлопных газов подобрано в соответствии со стандартом “Евро-5”».

Смоделировать такой катализатор на обычных компьютерах крайне сложно. РХТУ, участвующий в разных научных проектах, приобрёл суперкомпьютер и сформировал на его основе вычислительный кластер. «На нём используются две технологии организации параллельных вычислений. Одна из них – традиционная, когда задача считается не на одном узле, а “раскидывается” на все, и вы связываете полученные результаты. Вторая – технология расчёта на графических процессорах (технология CUDA), на основе которой мы создаём под разные задачи своё программное обеспечение», – пояснила руководитель проекта.

Справка STRF.ru:
Проект «Разработка программно-информационного комплекса в области процессов химической технологии, водородной энергетики, наноиндустрии» осуществляется при поддержке ФЦП «Исследования и разработки» на 2007–2013 годы. Начало работ – 18 августа 2011 года, окончание – 8 мая 2013 года. Бюджет проекта – 6 миллионов рублей.
Статьи по теме исследования:
– И.В. Митрофанов, А.А. Краснов, Е.А. Порысева, Э.М. Кольцова. Модуль для полуавтоматического извлечения и обработки данных в области нанокомпозитов // Программные продукты и системы. 2011, № 4, с. 87–90 (импакт-фактор РИНЦ – 0,170);
– И. Карпова, Е. Порысева, Г. Казаков, Э. Кольцова. Разработка онтологии в области нанокомпозиционных материалов // Информационные ресурсы России. 2012, № 2, с. 5–9 (импакт-фактор РИНЦ – 0,163);
– О.С. Кунина, Э.М. Кольцова. Разработка программного комплекса для моделирования германатных стёкол на основе метода молекулярной динамики // Фундаментальные исследования. 2012, № 6 (1), с. 133–138 (импакт-фактор РИНЦ – 0,061).
– Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2012620625. Онтология в области нанокомпозиционных материалов / Карпова И.Н., Порысева Е.А., Казаков Г.В., Кольцова Э.М. – 26-04-2012.
НИР проводилась совместно с Падерборнским университетом (Германия); лаборатория химического инжиниринга разрабатывала программные модули процессов экстракции и дистилляции

Очистка от оксида углерода на высокопористых ячеистых материалах (ВПЯМ). Из презентации кафедры информационных компьютерных технологий РХТУ имени Д.И. Менделеева

Справка STRF.ru:
Высокопроизводительный неоднородный гибридный вычислительный кластер (НГВК) университета состоит из:
– 24 четырёхъядерных процессоров Intel Xeon X5570, 144 GB RAM, 3.6 TB HDD;
– управляющего узла (два четырёхъядерных процессора Intel Xeon X5570, 24 GB RAM);
– системы хранения данных Ready Storage NAS 3160, 12 TB;
– вычислительной сети (Infini Band);
– управляющей сети (Gigabit Ethernet);
– управляющего узла для Tesla (два четырёхъядерных процессора Intel Xeon X5570, 12 GB RAM);
– вычислительного ускорителя Tesla GPU S1070 (четыре графических процессора, 960 вычислительных ядер)

Руководитель проекта – о задачах, решённых на стыке нанотехнологий и водородной энергетики

Создание ПО для расчётов в области нанотехнологий предполагает разработку программ и алгоритмов моделирования процессов получения нанопорошков, наноструктурированных плёнок, покрытий и стёкол, а также нанокомпозитов.

Некоторые исследования находятся на стыке наноиндустрии и водородной энергетики. В 2010 году под руководством Элеоноры Кольцовой была сделана полупромышленная установка для получения углеродных нанотрубок производительностью 30 г/час методом каталитического пиролиза метана. В отходящих газах этой установки при расходе около 100 л/час содержится 80% водорода и 20% метана. «В ходе данного проекта стояла задача разделения метан-водородной смеси и получения в этой установке метана и водорода. Для её решения методами математического моделирования были рассчитаны оптимальные размеры мембраны – диаметр поры, толщина, пористость – и конструкционные размеры мембранного реактора. В результате на выходе мы получили уже 95% водорода, который можно закачивать в баллоны и использовать для технических нужд», – уточнила заведующая кафедрой ИКТ.

Силы молодые

Активное участие в научном проекте принимают аспиранты. Андрей Костин параллельно с моделированием и оптимизацией процесса получения наночастиц диоксида титана золь-гель методом подготовил диссертацию. У аспиранта из Вьетнама Чан Куе готова диссертация о моделировании массопереноса газов в нанопорах мембраны оксида алюминия. Обе работы будут защищаться в мае. Аспирантка Ольга Кунина в конце прошлого года уже защитила кандидатскую, посвящённую разработке информационно-моделирующего комплекса для исследования структуры и свойств германатных стёкол. «Такие стёкла используются в миниатюрных лазерах. Определение структуры стекла – одна из самых интересных задач для технологов», – сказала Элеонора Кольцова.

Под руководством профессора РХТУ Елены Куркиной аспирант Глеб Аверчук разработал алгоритм моделирования, который в 200 раз ускоряет расчёты процесса формирования углеродных наноплёнок методом Монте-Карло. Сейчас он пишет кандидатскую диссертацию.

Елена Куркина: «Чтобы понять, что происходит, надо правильно построить математическую модель химической реакции и создать эффективный алгоритм, описывающий взаимодействие элементов»

К исследованиям также привлекаются наиболее способные студенты, которые решают довольно сложные программные задачи в специально созданном классе параллельных вычислений. Полученные результаты легли в основу четырёх дипломных проектов.

Участники проекта, поддержанного ФЦП «Исследования и разработки»: сотрудники кафедры информационных компьютерных технологий РХТУ, аспиранты, студенты

Разобрались в онтологических дебрях

«Ещё одна группа выполненных работ – создание информационных систем с онтологиями в области катализаторов, кристаллизации и полимерных нанокомпозитов. Что касается последней информационной системы, то, похоже, мы первые, кто её сделал, – поделилась руководитель проекта. – Нами разработан модуль поиска информации из всех опубликованных по этой проблематике статей. Данные той или иной статьи вводятся в информационную систему с росписью свойств нанокомпозитов, что существенно облегчает анализ уже сделанного учёными. Этой очень интересной работой, результатами которой специалисты могут пользоваться онлайн, занималась аспирантка нашей кафедры Екатерина Порысева». На эту тему она, так же как и другие аспиранты нашей кафедры, подготовила кандидатскую диссертацию.

Екатерина Порысева: «Моя часть работы по проекту заключается в разработке информационной системы в области нанокомпозитов»

Востребованы не только академической наукой

Разработки, выполненные по проекту, используются и в РХТУ, и в научных институтах. «Технология организации параллельных вычислений позволила нам оптимизировать характерные параметры катализатора, полученного на основе углеродных нанотрубок. Используя эти результаты, исследовательская группа Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН под руководством М.Р. Тарасевича и В.А. Богдановской получила термически устойчивый катализатор для топливного элемента с содержанием платины на 20% меньше, чем в коммерческом топливном элементе», – привела пример сотрудничества между вузом и академическим институтом Элеонора Кольцова.

Та же исследовательская группа ИФХЭ РАН, по словам руководителя проекта, применила найденные в РХТУ условия получения наночастиц диоксида титана размером ~27 нм для создания катализатора топливного элемента с оптимальными характеристиками.

В наноиндустрии программное обеспечение может использоваться в получении материалов для электроники, волоконной оптики, топливных элементов, а также для создания лазеров. Сформированной в РХТУ им. Д.И. Менделеева базой знаний в области нанокомпозитов заинтересовались НИЦ «Курчатовский институт», ГНЦ ФГУП «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша», ВИАМ, научно-исследовательские институты и университеты Германии.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.