Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ выделил с помощью системы анализа больших данных iFORA приоритетные технологии, необходимые для бережного и ответственного применения в Арктическом регионе. Расчеты данного исследования произведены на массиве из около 150 тыс. различных источников за последние годы., отобранных по тематике Арктики.
Арктика играет фундаментальную роль в климатической системе Земли, обладает огромными запасами природных ископаемых и уникальным биологическим разнообразием. При этом Заполярье нагревается вчетверо быстрее планетарной нормы, а рост экономической активности создает дополнительную углеродную нагрузку на хрупкий баланс региона. Новая модель арктического присутствия предусматривает комплексную интеграцию сквозных технологий, формирующих целостную экосистему — от подледного мониторинга до декарбонизации транспорта и создания «умной» инфраструктуры в условиях вечной мерзлоты (табл. 1).
Основой для непрерывного исследования труднодоступных районов Арктики и Северного Ледовитого океана становятся роботизированные системы. Автономные необитаемые подводные аппараты (ранг 1) способны вести многомесячные миссии под паковым льдом (морской лед толщиной не менее трех метров), собирая данные о температуре, солености вод и др.
Посредством бортового искусственного интеллекта (ИИ) они могут самостоятельно менять маршруты и режим отбора проб для изучения наиболее важных с научной точки зрения участков, таких как зоны распространения теплых глубинных вод в Гренландии. Для охвата больших акваторий задействуют рои подводных планеров (5), которые могут передвигаться в воде без традиционных двигателей и одновременно вести мониторинг тысячи квадратных километров.
Помимо подводных роботов, для всесезонной системы наблюдений в Арктике на льду и в толще воды размещаются автономные буйковые станции (10). Благодаря высокой адаптивности они могут анализировать данные и самостоятельно корректировать настройки своей работы: например, увеличивать частоту измерений при обнаружении аномального потепления воды или начала таяния ледника, активировать дополнительные датчики при регистрации сейсмической активности, передавать сигнал тревоги в режиме реального времени и др.
Собираемые с мобильных и стационарных платформ данные важно быстро переслать для анализа с помощью технологий высокоскоростной и устойчивой передачи. Основой стратегической инфраструктуры коммуникаций нового поколения, обеспечивающей связность и отказоустойчивость глобальных сетей, выступают прокладываемые по дну океана трансарктические волоконно-оптические кабели (7). Причем роль их не ограничивается лишь поддержанием связи. Ключевой инновацией является интеграция этих линий с подводными SMART-кабелями (12), оснащенными различными сенсорами для мониторинга состояния океана.
Например, технология распределенного акустического зондирования (2) превращает десятки километров кабеля в «микрофон», способный круглосуточно фиксировать источники подводного шума, движение льдин и даже перемещение морских млекопитающих. Первый проект по строительству такой масштабной инфраструктуры — европейский Polar Connect: к 2030 г. на основе SMART-кабелей будет создана уникальная арктическая обсерватория для изучения Северного Ледовитого океана.
В условиях постоянного ледяного покрова, сложного рельефа дна и экстремальных температур неприменимы традиционные методы прокладки и обслуживания волоконно-оптических коммуникаций. Робототехнические устройства для подледного монтажа (14) могут без вспомогательных судов-носителей выполнять точные операции на морском дне: производить обследование трассы, укладывать кабель, осуществлять диагностику и ремонт подо льдом.
Непрерывный поток данных, генерируемых подводными роботами, научными станциями и кабелями-сенсорами, пытаются увязать в единую архитектуру управления. В качестве виртуальной модели региона, объединяющей разрозненные потоки информации от всех элементов наблюдательной сети, выступает цифровой двойник Арктики (11). С его помощью прогнозируют динамику таяния ледников, проводят оценку последствий добычи ресурсов и др.
В ряду практических приложений такой виртуальной модели — ИИ-системы для предиктивного анализа (13): которые могут, например в случае их применения для оптимизации логистических маршрутов, моделировать образование трещин, дрейф и сжатие ледниковых полей и заранее выявлять районы сильного шторма или повышенной активности судов.
По прогнозам исследователей, которые ведут мониторинг климатических изменений и просчитывают с помощью цифровых технологий негативные последствия антропогенного воздействия на регион, к 2100 г. из-за общих выбросов и углеродного следа транспортного сектора может растаять до 70% приповерхностной арктической вечной мерзлоты. Значительно снизить углеродоемкость судов можно за счет перехода на альтернативные виды энергии — водородных и аммиачных двигателей для ледоколов и др. (6).
Аммиак, богатый водородом, становится ключевым кандидатом на роль чистого топлива для крупнотоннажных ледоколов. Параллельно развивается направление водородных двигателей для наземного и маломерного транспорта. Например, уже создан самый мощный (3100 лошадиных сил) в мире железнодорожный локомотив, работающий на водороде, способный заменить дизельные аналоги в Арктической зоне.
Развитие водородной экономики в Арктике напрямую связано с использованием местных запасов природного газа. Обширные территории арктических стран представляют собой идеальные и практически неограниченные резервуары для захоронения углекислого газа, позволяющие не только производить низкоуглеродный водород для собственных нужд, но и потенциально экспортировать его. Переход от серого водорода, получаемого из метана, к голубому возможен благодаря применению технологии улавливания и хранения углерода (3): углекислый газ захватывается и безопасно инъецируется в глубокие геологические формации.
Однако ключевым технологическим барьером на пути к альтернативной энергетике остается эффективное и безопасное хранение водорода в условиях Арктики. Чтобы обеспечить развертывание в регионе распределенной инфраструктуры, которая бы включала стабильные и компактные металлогидридные накопители (водород удерживается в них в виде гидридов металлов), заправочные станции для транспорта и долгосрочные хранилища для сезонного аккумулирования энергии, создаются криогенные системы хранения сжиженного водорода (8).
В арктических льдах и водах, богатых запасами природных ископаемых, скрываются целые экосистемы, до сих пор остающиеся малоизученными. Проводить мониторинг биоразнообразия и инвентаризацию морских организмов без необходимости их отлавливать, анализируя лишь следы их ДНК в пробах из различных образцов окружающей среды, позволяют миниатюрные биосенсоры нового поколения и устройства для отбора проб экологической ДНК (4), предназначенные для функционирования в экстремальном холоде. Уже разработанные для идентификации фитопланктона передовые сенсоры подобного типа помогают прогнозировать состояние рыбных ресурсов и углеродного цикла.
Одним из приоритетных направлений освоения Арктики является изучение вечной мерзлоты и ледников, поскольку их таяние может привести к пробуждению древней уникальной биосферы, в том числе потенциально патогенных микроорганизмов. Эта же, доныне законсервированная во льдах, криофильная микробиота способна открыть доступ к биотехнологиям на основе холодолюбивых микроорганизмов (9). Их ферменты, стабильные при низких температурах, могут стать основой для новых промышленных процессов в пищевой и фармацевтической отраслях или экологии, например для биоремедиации арктических почв.
Помимо биологических рисков, повсеместное таяние ледников дестабилизирует ландшафты и инфраструктуру по всему арктическому региону, что создает критическую потребность в поиске новых низкотемпературных композитных материалов и сплавов. «Умные» инженерные фундаменты для зданий в вечной мерзлоте (15) могут в режиме реального времени отслеживать просадку грунта и термическое состояние основания, компенсируя изменения. Без внедрения этих технологий новые проекты в сфере добычи ресурсов, логистики или жилищного строительства будут нести риски структурных повреждений.
Анастасия Малашина
