Сергей Донченко: новые ядерные часы решат фундаментальные научные проблемы
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) 18 февраля отметит 70-летие. На протяжении всей своей истории институт занимался решением задач, связанных с проведением высокоточных измерений в сложных условиях. В последние годы здесь был модернизирован эталон времени и частоты, новые характеристики которого позволили России занять лидирующие позиции по вкладу в формирование координированной шкалы времени. О новых разработках учёных ВНИИФТРИ, создании сверхточных часов для навигации на Луне и Марсе, о повышении точности спутниковых систем навигации с помощью измерений физических полей Земли, а также о том, когда человечеству станет доступен новый уровень понимания Вселенной, гендиректор института Сергей Донченко рассказал в интервью специальному корреспонденту РИА Новости Денису Кайырану.
Генеральный директор института Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений Сергей Донченко. Архивное фото
- Какие новые эталоны были созданы в институте за последние несколько лет?
- С самого основания наш институт занимался решением важнейших для государства проблем. Его основатели смотрели не на год-два, а на десятилетия вперёд. Метрология является одной из базовых отраслей для экономики и безопасности страны, поэтому подход к научным исследованиям у нас не поменялся.
ВНИИФТРИ непрерывно совершенствует эталонную базу в соответствии с требованиями времени и запросами потребителей. За последние пять лет были модернизированы 24 важнейших эталона. Среди них самый важный, потому что с его применением связаны почти все виды деятельности человека и государства, эталон времени и частоты. При модернизации его погрешность достигла менее 10 в минус 17 степени, что соответствует характеристикам современных эталонов времени и частоты передовых стран, таких, как США, Франция, Англия.
Были впервые созданы оптические стандарты частоты, причём целых два поколения, и уже создаётся третье. Работа ни на минуту не прекращается, потому что стоит только немного остановиться, и всё - тебя обогнали. А точность определяет возможности государства в различных областях как экономики, так и обороны и безопасности.
- Например, какие?
- К примеру, скоро будут созданы сети связи шестого поколения. Они дадут новые возможности за счёт существенно большей скорости передачи информации. Скорость при одной и той же достоверности определяется возможностью стандарта частоты, который используется для формирования сообщений. Чтобы перейти от пятого к шестому поколению, нужно провести существенную модернизацию многих систем, в том числе и государственного эталона. Часть оборудования можно купить за рубежом, многое мы сегодня разрабатываем и создаем сами, но если не будет этой базовой работы, то мы не сможем развернуть сети шестого поколения.
- Сейчас у нас база для шестого поколения есть?
- Да, она уже создана и идет её дальнейшая модернизация. Чем точнее эталон времени и частоты, тем точнее мы можем предоставить услуги навигации в стране, от точности позиционирования в несколько метров перейти к десятку сантиметров. Это нужно для внедрения беспилотного транспорта, технологий умного города и других направлений.
Кроме него мы модернизировали ряд эталонов в радиотехнике. Перешли в новый диапазон частоты - до 178 ГГц. Они находят применение в более узком плане, но также определяют возможности, которые мы можем предоставить для формирования различных систем связи, информатики, специальных систем.
- В прошлом году Россия внесла наибольший вклад в формирование мировой шкалы времени. За счет чего это удалось?
- В советское время вес нашего эталона времени и частоты в мировом эталоне формирования координированной шкалы времени составлял примерно 12 процентов, в три раза меньше, чем у американцев. Эталон нашей страны превзошел американский хотя бы на несколько процентов - на 1-2, впервые. Причем это не наши фантазии, это подтверждает оценка Международного бюро мер и весов. Вклад российского эталона составил 23%.
Есть объективные причины. Первая - это понимание важности эталона у руководства страны. Государством была оказана поддержка, которая позволила провести модернизацию, разработать новые оптические часы, новые водородные часы.
Но поддержка ещё не гарантирует решения задачи. Для этого нужны люди - профессионалы, которые знают, как это сделать. Мы приумножили коллектив института за счёт молодёжи, а также нам удалось вернуть из Японии, Франции, Германии и Италии пятерых ведущих специалистов в этой области, которые уехали в 90-е годы, но всё это время оставались там на острие разработок.
- Как у вас получилось их вернуть?
- Во-первых, они видели, что в стране стало уделяться этому внимание. Информация по финансированию этих программ была в открытом доступе. Второе, это субъективные причины различного характера, у кого-то что-то не сложилось, у кого-то личные причины, кто-то просто соскучился по берёзкам и мыслить себя вне средней полосы России не может. У кого-то просто ностальгия. Многие из этого поколения хотели бы вернуться, а вот их дети уже вряд ли.
- За счет чего планируете удерживать лидерство по вкладу в формирование шкалы времени?
- Планируется модернизация и дальнейшее развитие эталона времени и частоты. Сейчас идут новые государственные программы, например, "Квантовые сенсоры и метрология" в рамках реализации национальной программы "Цифровая экономика", где разрабатываются новые приборы - мобильные оптические часы, дорабатываются часы, которые будут иметь погрешность менее десяти в минус 18 степени, начинается работа по разработке ядерных часов.
- Вы упомянули про разработку оптических часов. Можете сказать, когда появится третье поколение?
- Оно гарантированно должно быть сделано к 2030 году. Но мы надеемся, что это произойдёт чуть раньше. Наверное, в 2027-2028 годах проведём испытания, подтвердим характеристики. Прибор уникальный, всего два образца на всю страну, поэтому, чтобы их исследовать и понять возможности достигнутых характеристик, уйдёт ещё год. Надо будет сравнивать со всеми эталонами, которые существуют в мире, и с тем, что у нас есть.
Ранее вы говорили, что следующее поколение ядерных часов сможет показывать до двадцать одного знака после запятой.
Да, действительно, потенциально ядерные часы могут иметь стабильность где-то на уровне 10 единиц в минус 20 - минус 21 степени. Всё мировое научное сообщество занималось поиском перехода для этих часов. Его нашли немецкие ученые из PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Федеральный физико-технический институт - ред.). После того, как были опубликованы результаты, ведущие страны стали вести усиленно разработку ядерных часов. А это фактически новая технология. Нужны новые лазеры в этом диапазоне волн, их нет ни у нас, ни за рубежом. Нужны специализированные чистые материалы, которые, кстати, изначально были и есть только у Российской Федерации, поэтому это у нас большой задел на будущее в этом плане.
На мой взгляд, мы находимся на этапе сейчас создания прототипа часов, выбора направлений, по которым их можно создать. Научная проблема решена, осталась задача технологическая. Все проблемы решаемые, но всё равно потребуется определенное время. Реально можно ожидать что уже не прототип, а экспериментальный образец, если быть оптимистом, появится, наверное, где-то в 2030-2032 годах. Пессимистом не хотелось бы быть.
Ядерные часы позволят многие вещи решить. Не только для экономики страны, но и фундаментальные. Все расчёты показывают, что если у вас такие стабильные часы, то можно вести исследования в области подтверждения темной материи. То есть это совсем мы переходим в новый порядок понимания вселенной и вообще жизни. Поэтому появление такого точного инструмента позволит создать те направления в науке, которые мы до конца еще не понимаем.
- Когда появится российский абсолютный гравиметр?
- Планируем, что в конце этого года. Абсолютный квантовый гравиметр фактически уже есть, ведутся его испытания. Образец собран, ведётся его доработка. Все технологические проблемы, которые нужно было решить, решены, в конце года мы должны провести предварительные испытания, и у нас будет создан первый российский абсолютный квантовый гравиметр.
- Какие возможности даст обладание таким прибором?
- Фактически это база под модернизацию и создание новой навигационной системы, основанной на измерениях естественных физических полей - гравитационного и магнитного, которая потом будет интегрироваться со спутниковыми ГЛОНАСС, GPS, Galileo. В России абсолютные пункты гравиметрии появятся в Москве, Санкт-Петербурге, Иркутске и Хабаровске.
На их основе можно будет с помощью менее точных и громоздких относительных гравиметров проводить всевозможные измерения. Допустим, идёт модернизация БАМа, возникают проблемы, связанные с просадкой грунта из-за пустот. С помощью гравиметрических инструментов их можно будет найти заранее. Это же позволит искать полезные ископаемые - пустоты указывают на газ или нефть, а плотная масса - на металлы или другие ископаемые.
- Когда можно будет говорить, что гравиметры получат бытовое применение?
- Массовое применение ГЛОНАСС и GPS началось лет через 30 после их появления. Всё ускоряется, но широкое внедрение гравиметрии, на мой взгляд, ждать ещё не менее 10-15 лет. Приборы существенно уменьшатся в размерах, когда появится квантовый гравиметр, пока идёт поиск квантовых эффектов, которые позволят это решить.
Такая система позволит предоставить бесшовную навигацию, она не будет теряться в тоннелях или горах. Да, сейчас гравиметрия позволяет позиционировать с точность 100-200 метров, но там, где спутниковые навигационные системы не работают, это уже хорошо.
- Можно ли будет когда-либо полностью отказаться от спутниковой навигации в пользу гравиметрии?
- Думаю, что в будущем система будет интегрированной. Кроме того, мы стоим на пороге освоения Луны и ближайших планет. Там системы могут быть только космическими. Уже ведутся работы по созданию систем навигации для Луны и Марса, разрабатываются технические элементы, например, новые часы, на базе которых будут работать эти системы.
- Вы их разрабатываете?
- Мы участвуем в разработке. К сожалению, в этой области страна немного уступает. Американцы уже создали первые образцы, ртутные часы для дальнего космоса и испытывают их на орбите.
- Мы догоняем или пытаемся как-то срезать и перегнать?
- Мы пытаемся их и догнать, и обогнать путём того, что создаем часы на новых принципах. Попытаться повторить, и одновременно закладываться в разработку чего-то нового, что будет лучше, это нормальный вариант развития, когда кто-то создал что-то до вас. Но кроме часов для дальнего космоса нужна еще система координат.
Давайте помечтаем. Допустим, мы осваиваем Луну, строим на ней станцию, где будут жить исследователи. Это значит, нужен космический корабль, который будет стартовать с Земли и каждый раз садиться в одну и ту же точку на Луне. Бессмысленно говорить о нём, если у вас нет системы координат на Луне. А на любом космическом аппарате все системы координат строятся на основе высокоточных часов. Только когда оптические часы шагнут в космос, можно будет говорить о том, что реально можно осваивать Луну, и ещё более удалённый Марс.
Цена ошибки, если вы построите систему координат с большими погрешностями, очень высока - вы просто не будете знать, как перемещаться, как грузы перемещать. Поэтому я думаю, что эта задача будет решаться в несколько этапов. Вначале появится орбитальная станция, на которой можно будет отработать систему координат и часы для этой задачи, а уже потом база на поверхности Луны.
Совместно с одним из институтов "Роскосмоса" мы сейчас разрабатываем прибор для очень точного измерения расстояния до Луны. Потому что и система координат будет строиться с помощью измерительных средств.
- Часы, которые вы разрабатываете, подойдут только для полетов на Луну или на любую планету Солнечной системы?
- Очень важно, в каких условиях часы будут работать. Условия на Земле нам понятны, на Луне примерно тоже. На Марсе, наверное, будут похуже, там есть определённые поля, космические излучения, потоки тяжёлых заряженных частиц. Поэтому и такой тонкий уникальный инструмент, как часы для Марса, всё-таки будут отличаться.
Тот, кто создаст такие часы, получит колоссальные преимущества, и горе тому, кто не создаст. Это подтверждается и исторически. В XIV-XV веках англичане опередили всех, потому что сделали первый точный хронометр и обладали новыми возможностями мореплавания. А как была уничтожена Непобедимая армада испанцев? В том числе потому, что после того, как корабли раскидало после шторма, они не смогли быстро собраться все вместе.
- Как будет проходить отработка такого прибора?
- Было бы хорошо провести такой эксперимент на МКС. У нас там серьёзное участие, а таких экспериментов не было, хотя, американцы проводили. Мы предлагаем поставить этот эксперимент и считаем, что он необходимы.
- Что собой будет представлять такой эксперимент?
- Оптические часы будут доставлены грузовым кораблем. Предварительно космонавтов обучат работе с ними. Потом посмотрим, как они в этих условиях будут работать, и какие могут возникнуть нюансы, и сверим с их работой на Земле. Похожие стандарты используются на спутниках ГЛОНАСС, но здесь будет новое перспективное устройство.
- Готов ли относительный гравиметр, и началась ли его реализация?
- Мы три первых образца "Пешехода" уже создали. Они прошли испытания, получили действительно хорошие результаты. На этот год запланировано создание ещё десяти. Потом мы предоставим их потребителям, чтобы они могли их протестировать и дать нам предложения по доработке. По субсидии Минпромторга внедрение этих приборов должно начаться в 2026 году, так что мы всё равно идем с опережением.
Ранее главный научный сотрудник ВНИИФТРИ Виталий Пальчиков сообщил, что в 2029 году придется прибавить к времени всемирному одну секунду из-за ускорения Земли. Как это удалось выяснить и опасно ли это?
Земля то замедляется, то ускоряется, сейчас режим ускорения. Почему так происходит, это вопрос к геофизикам. Одной из возможных причин может быть потепление, таяние ледников и перераспределение массы воды. Но это может быть и не основная причина. Земля разогревается, идут усиленные процессы внутри планеты. Причём это может быть совсем не связано с выбросами от человеческой деятельности и вряд ли является предвестником серьезного катаклизма.
Техническая проблема добавления или вычитания секунды у нас уже давно не вызывает никаких проблем.
- Ранее ваш институт импортозаместил гигагерцовые осциллографы и эталоны мощности электромагнитных колебаний. В каких еще областях вы помогли избавиться от необходимости приобретать зарубежные приборы?
- Мы разработали линейку волноводных ваттметров. И завершаем разработку коаксиальных. Расширили их диапазон до 178 ГГц. Приборы по характеристикам соответствуют ведущим фирмам - американской Keysight и немецкой Rohde Schwarz. С этого года мы начали серийное производство, получили заявки на поставку 20 приборов.
Также разрабатываем специализированную аппаратуру для измерения частоты и времени - измерители временных интервалов, разрабатываем новый частотомер, новый осциллограф для жёстких условий. В планах - разработка калибратора осциллографов и создание хорошего анализатора спектра для жестких условий. Это серьезная государственная программа по возрождению отечественного высокоточного приборостроения.
Не отказались ли на фоне геополитической ситуации от сотрудничества некоторые зарубежные организации, с которыми ранее было налажено взаимодействие?
Ни одна международная организация не может отказаться от сотрудничества в области метрологии по тем направлениям, где участвует наш институт. Но определённые проблемы появились. Например, некоторые международные сличения приходится проводить не через, допустим, Францию или Германию, а Китай или Турцию.
Но это не показательный пример. Метрология, это двигатель мировой торговли, и без неё невозможно связать воедино все элементы. Там, где наш вес не очень велик, нам затрудняют работу. А в таких направлениях, как время и частота, где наш эталон даёт вклад 21-23%, отказаться нельзя, это приведёт к проблемам мирового масштаба.
- Есть ли у вас разработки, имеющие более бытовое применение?
- Многие разработки нашего института находят широкое прикладное применение. Недавно наши сотрудники разработали экспресс-тест, который позволяет находить растительные жиры в сливочном масле и точно определить их содержание. Тест занимает несколько минут, он позволяет сократить количество образцов перед проведением полноценных исследований, которые обычно идут несколько дней. Эффективность метода подтверждена на практике. У учёных, которые его придумали, не было такой задачи, они занимались плановой программой и решили применить свои наработки и в этой области. Это и отличает учёных от обычных людей - у них постоянно новые идеи в голове и мысли о том, как бы и куда бы их приложить.
(https://ria.ru/20250217/d...)