Космос, энергетика, искусственный интеллект: технологические прорывы, которые определяют будущее

ВИКТОР ЛЕОНОВ,

к.т.н., главный редактор журнала "Современное машиностроение"

История цивилизации знает немало примеров, когда появление новой технологии становится началом развития целого направления технологического прогресса на многие десятилетия и кардинально меняет качество и образ жизни целых поколений.

Появление во Франции в восемнадцатом веке «телеги Кюньо» с паровым двигателем послужило началом автомобильной промышленности; полёт самолёта братьев Райт стал первым шагом в создании авиапрома; первый искусственный спутник Земли, запущенный Советским Союзом в 1957 году, не только положил начало космической эры человечества, но и дал старт коммерческому освоению ближнего Космоса.

Не менее трёх технологических инноваций такого типа (обычно их называют инфраструктурными) появилось в 2022 году.

Космос

16 ноября 2022 года в 09:47 по московскому времени состоялся запуск к Луне ракеты-носителя Space Launch System (SLS) с кораблём Orion в рамках миссии Artemis I. Миссия стартовала с пусковой площадки LC-39B Космического центра им. Кеннеди, штат Флорида. Началась реализация программы Artemis, которую почему-то часто называют программой возвращения человека на Луну спустя полвека после полёта Apollo-17 в 1972 году.

Очевидно, что это не совсем так. Скорее речь идёт о начале совершенно нового этапа освоения людьми космического пространства, о начале эпохи межпланетных полётов человека (Луна, как известно, планетой не является). Проект опоздал на годы от первоначального графика и превысил бюджет на миллиарды, но команду, работавшую над программой можно понять: слишком высока цена неудачи.

Сегодня программа Artemis — это сотрудничество космических агентств и компаний по всему миру, связанных друг с другом соглашением Artemis Accords. Соглашение было подписано 13 октября 2020 года директорами восьми национальных космических агентств: США, Австралии, Великобритании, Италии, Канады, Люксембурга, ОАЭ и Японии. Позже к договору присоединились Украина, Южная Корея, Новая Зеландия, Бразилия, Польша, Мексика, Израиль, Румыния, Бахрейн, Сингапур, Колумбия, Франция и Саудовская Аравия.

Программа включает строительство орбитальной лунной станции Gateway, которая будет служить шлюзом между космическим кораблём Orion и посадочным модулем во время регулярных миссий. Кроме того станция предоставит место для жизни и работы, а также сможет поддерживать долгосрочные научные исследования на Луне и вокруг нее. Планируется, что Gateway будет оставаться на орбите Луны не менее 10 лет.

Построенные американскими компаниями системы HLS (Human Landing System, «Система посадки человека») станут последним видом транспорта для доставки астронавтов с орбитальной станции на поверхность и обратно на орбиту.

Чтобы дать астронавтам место для жизни и работы на Луне, а также обеспечить там постоянное присутствие планируется создание базового лагеря. Концепция базового лагеря Artemis включает в себя современную лунную модульную жилую и исследовательскую зоны, вездеход и мобильный дом. Основной лагерь будет развёрнут, по всей видимости, в южной полярной области Луны, где обнаружено наличие водяного льда под постоянно затенёнными участками лунной поверхности. Разведка наличия воды и её запасов является критически необходимой. Вода — это не только основа жизнеобеспечения, но и сырьё для получения жидкого кислорода и жидкого водорода — топлива для мощных межпланетных ракет.

Одновременно будут строиться наземные сооружения, необходимые для запуска и возвращения космонавтов из межпланетных полётов.

Тем временем, NASA официально заявило, что совместно с Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) возобновляет разработку ядерного ракетного двигателя для полётов на Марс. Космическое агентство и DARPA собираются продемонстрировать передовые технологии ядерных тепловых двигателей уже в 2027 году. В заявлении NASA сказано, что ракеты с ядерными тепловыми двигателями могут быть в три или более раз более эффективными, чем ракеты с обычными химическими двигателями, они значительно сократят время полета, необходимое для возможной миссии на Марс.

NASA провело свои последние испытания ядерного теплового ракетного двигателя более 50 лет назад, но тогда программа была прекращена из-за сокращения бюджета.

Энергетика

В медицинских кругах популярна правдивая история о фармацевтах, которые старались изобрести средство для улучшения кровотока в миокарде, лечения стенокардии и ишемической болезни сердца. В ходе клинических испытаний было выявлено, что влияние его на сердечный кровоток минимально, но, к удивлению экспериментаторов, пожилые пациенты мужского пола наотрез отказались возвращать таблетки. Так случайно был синтезирован препарат, более известный под названием «Виагра», положивший начало многомиллиардной индустрии.

Нечто подобное в 2022 году случилось в энергетике.

В шестидесятых годах прошлого века в Горьковском исследовательском физико-техническом институте (ныне — ФГНУ НИРФИ, Нижний Новгород) был изобретён гиротрон — электровакуумный СВЧ-генератор, излучающий волны с частотами 20—1300 ГГц мощностью — от 1 кВт до 1—2 МВт. Одним из главных применений гиротронов является нагрев плазмы в установках термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы. В частности, в экспериментальной установке управляемого термоядерного синтеза ITER, которая создаётся в настоящее время на юге Франции, предполагается использование 24 гиротронов мощностью 0,6—1 МВт, работающих на частоте 170 ГГц. Восемь из них должны быть созданы на предприятии ГИКОМ в Нижнем Новгороде, ещё восемь — в Японии, и ещё восемь — в Европе.

Реактор сооружается усилиями 35 стран, причём участие стран происходит не перечислением денег, а путём поставок высокотехнологичного оборудования, производство которого поддерживается и развивается каждой страной. Сборка реактора началась в 2020 году.

В том же 2020 году закончилось концептуальное проектирование и началось инженерное проектирование следующего термоядерного реактора под названием DEMO мощностью 2 ГВт, который по замыслу разработчиков должен стать переходным между ITER и серийно изготавливаемыми термоядерными реакторами. Поэтому, не смотря на такую узкую область применения и значительные затраты, работы по усовершенствованию гиротронов продолжаются во многих ведущих научных учреждениях и университетах мира. В частности — в Массачусетском технологическом институте (MIT) в США.

Именно сотрудник Центра плазменной науки и термоядерного синтеза MIT Пол Восков предложил неожиданный способ использования гиротронов — для бурения сверхглубоких скважин и добычи энергии из ещё одного практически неисчерпаемого источника — горячих пластов, залегающих глубоко под землёй.

Геотермальная энергия — это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин, а термальные регионы, где горячие слои земной коры находятся относительно неглубоко, имеются во многих частях мира. В отличие от ветровых и солнечных электростанций геотермальные ТЭС не зависят от погодных условий и могут устойчиво работать в любое время суток. Особенно близко к поверхности Земли геотермальные источники находятся в зонах высокой вулканической активности.

Именно такие природные условия позволили, например, Исландии и Новой Зеландии достаточно быстро перейти в разряд развитых стран с устойчивой, почти полностью «зелёной» энергетикой.

С развитием технологий бурения глубоких скважин, которое было вызвано в первую очередь необходимостью снижения себестоимости добычи нефти и газа, интерес к геотермальной энергетике значительно вырос во многих странах.

ТЭС в южном районе Мюнхена Зендлинг более века работавшая на газе, сейчас переходит на отопление горячими термальными водами, которые закачиваются из скважин глубиной 3 000 метров. Всего же Мюнхен выделяет один миллиард евро до 2035 года на развитие геотермальной энергии. В конце 2022 года правительство Германии опубликовало план по увеличению производства геотермальной энергии в десять раз к 2030 году до 10 тераватт-часов (ТВтч).

Во Франции правительство опубликовало план по увеличению количества схем глубокой геотермальной энергии на 40 процентов к 2030 году. В Венгрии в октябре правительство издало указ о расширении использования геотермального источника энергии. Итальянское правительство также готовится поддержать этот вид энергообеспечения, а в Дании крупнейшая геотермальная ТЭС в стране должна открыться в Орхусе в 2030 году, обеспечивая 20 процентов отопления города.

По данным Европейской комиссии, геотермальная энергия уже сейчас может обеспечить отоплением до 25 процентов жителей ЕС. Но оказалось, что это далеко не предел.

В 2008 году Энергетическая инициатива Массачусетского технологического института (MITEI) опубликовала запрос предложений по новым технологиям геотермального бурения. Откликнувшиеся на эту инициативу учёные MIT посчитали, что для строительства геотермальных скважин на 90% поверхности планеты требуется бурение глубиной до 20 километров. Температура на такой глубине достигает 400°С, что более чем достаточно для создания количества пара, необходимого для привода турбины. Проблема в том, что на такой глубине современные буровые механизмы не работают, однако по расчётам Пола Воскова такие глубины вполне достижимы, если для бурения использовать гиротрон, который разогревая породу до огромной температуры буквально испаряет её перед собой. Физические расчёты и моделирование показали, что строительство скважины такой глубины может занимать всего несколько месяцев.

Расчёты и эксперименты Воскова были поддержаны компанией Quaise Energy, основанной Карлосом Араком и Мэттом Хоудом, которые ранее работали с геотермальной компанией AltaRock Energy. Работа над проектом началась в 2022 году, после того как Министерство энергетики предоставило Quaise грант на расширение экспериментов Воскова с использованием более крупного гиротрона и проведение работ, направленных на решение наиболее важных оставшихся инженерных задач, таких как удаление материала и определение наилучшей обсадной колонны, обеспечивающей устойчивость скважины. Для решения проблемы устойчивости скважины Хоуд считает, что необходимо дополнительное компьютерное моделирование, и рассчитывает завершить это моделирование к концу 2024 года.

Кандидатом для строительства первой геотермальной ТЭС со сверхглубокой скважиной стала заброшенная угольная электростанция в северной части штата Нью-Йорк. Предварительное обследование ТЭС показало, что силовая турбина станции все еще цела, а линии электропередач все еще подведены к сети. Фактически, Quaise Energy, компания, коммерциализирующая работу Воскова, считает, что если она сможет модернизировать одну электростанцию, то тот же процесс будет работать практически на всех угольных и газовых электростанциях. Работы по преобразованию первой угольной ТЭС в геотермальную компания планирует завершить к началу 2026 года. В 2028 году Quaise рассчитывает пробурить сотни сверхглубоких геотермальных скважин во всём мире.

Разработанное буровое оборудование совместимо с существующим мировым парком буровых установок, что позволит компании задействовать квалифицированную рабочую силу из нефтегазовой отрасли.

По словам разработчиков, эта технология может заменить от 95 до 100 процентов используемого сейчас угля и углеводородов за счет разработки геотермального поля и производства пара из земли при той же температуре, при которой сжигается ископаемое топливо для эффективной работы турбины.

Получается, что совершенствуя устройство для создания «искусственного солнца» на земле к середине следующего десятилетия, исследователи в итоге разработали установку для добычи энергии из неисчерпаемого источника под землёй, причём уже в ближайшие годы.

Это совсем не означает, что управляемый термоядерный синтез не будет востребован. Ещё как будет! Вполне возможно, что следующие поколения будут строить термоядерные реакторы уже где-нибудь на Марсе.

Искусственный интеллект

30 ноября 2022 года компания OpenAI представила ChatGPT — чат-бот с искусственным интеллектом способный работать в диалоговом режиме, поддерживающий запросы на естественных языках. ChatGPT представляет собой большую языковую модель, для тренировки которой использовались методы обучения с учителем и обучения с подкреплением.

Чат-бот основывается на другой языковой модели от OpenAI — InstructGPT, однако сразу же привлёк внимание гораздо более широкими возможностями: написание кода, создание текстов, возможности перевода, получения точных ответов и использование контекста диалога для ответов, хотя его фактическая точность и подверглась критике. В начале февраля 2023 года аналитическая группа швейцарского холдинга UBS сообщила, что за два месяца аудитория активных пользователей ChatGPT достигла 100 миллионов человек. Тем самым приложение установило исторический рекорд Интернета по росту посетителей.

Появление ChatGPT вновь открыло дискуссию о рисках, связанных с технологиями искусственного интеллекта (ИИ). Его уровень сложности вызвал одновременно и восхищение, и беспокойство многих экспертов и наблюдателей, которые поспешили высказать опасения, что эти технологии могут быть использованы для распространения ложной информации или создания все более изощрённых схем мошенничества.

Особенно сильную тревогу программа вызвала у работников образования, несмотря на то, что на своей приветственной странице OpenAI поместила заявление об отказе от ответственности, в котором говорится, что чат‑бот «может иногда генерировать неверную информацию» или «выдавать вредные инструкции или предвзятый контент».

Австралийские университеты из-за ChatGPT уже были вынуждены изменить способ проведения экзаменов и других способов оценки знаний. Руководство вузов опасается, что студенты используют это программное обеспечение для написания эссе или других материалов. ChatGPT также запретили использовать в государственных школах Нью-Йорка, а специалисты по информационной безопасности считают его удачным инструментом для хакеров.

Школа Sciences Po в Париже, один из самых престижных университетов Франции, заявила, что любой, кто будет уличен в использовании ChatGPT, столкнется с санкциями, вплоть до исключения из учебного заведения.

В целом ряде учебных и научных заведений приступили к разработке методик по борьбе с генераторами текстов, однако сообщений о существенных результатах пока нет. При этом представители вузов признали, что в будущем ИИ станет привычным инструментом, поэтому важно научить студентов правильно использовать его.

Компания Microsoft инвестировала 10 миллиардов долларов в OpenAI, чтобы бросить вызов поисковой системе Google, доминирующей в мире. Перед выпуском ChatGPT компания OpenAI поразила технических специалистов Dall-E 2, программой, которая создает цифровые изображения с помощью простых инструкций. Microsoft, которая не скрывает своих амбиций в области искусственного интеллекта, интегрировала Dall-E 2 в несколько своих приложений, и теперь, согласно отчету Bloomberg, технологический гигант внедряет ChatGPT в свою поисковую систему Bing, чтобы конкурировать с Google.

Внезапный успех ChatGPT был обозначен в Google как угроза «красного кода», а основатели компании Сергей Брин и Ларри Пейдж, которые ушли несколько лет назад, вернулись к работе. Компания поспешила объявить о запуске своего приложения Bard — диалогового сервиса, призванного противостоять популярности инструмента ChatGPT, поддерживаемого Microsoft.

О своих планах создания чат-бота с искусственным интеллектом заявила китайская компания Baidu Inc. Ее руководство подтвердило информацию, что компания планирует в скором времени представить публике чат-бот собственной разработки, который будет называться Ernie Bot.

Владелец крупнейшей социальной сети Facebook компания Meta представила свою собственную версию искусственного интеллекта, получившую название LLaMA. В отличие от других компаний, которые строго ограничивают доступ к технологиям своих чат-ботов, Meta собирается поделиться кодом для LLaMA, что даст возможность сторонним специалистам тестировать новые подходы к ограничению или устранению возникающих проблем.

Бот ChatGPT уже сам стал объектом многочисленных исследований во всём мире. Первый вопрос, который волнует каждого: «А не лишит ли меня искусственный интеллект моей работы, какие профессии под угрозой?». И первые профессии, которые при этом приходят на ум — художники-дизайнеры, копирайтеры, журналисты, программисты уровня Junior, переводчики. Перечень далеко не полный. ChatGPT уже успешно сдал экзамены на квалификацию врача терапевта, на юриста, и даже был использован при вынесении постановления суда в Колумбии.

Сейчас очевидно одно: чтобы быть востребованным на рынке труда очень многим специалистам придётся за короткое время освоить этот инструмент. Очень скоро умение правильно ставить задачи, грамотно составлять запросы станет одним из самых важных навыков во многих сферах деятельности человека.

Есть и ещё один важный аспект —  искусственный интеллект постоянно совершенствуется, в том числе и самостоятельно. Как проверить, насколько он разумен в данный момент и как быстро он развивается? В этой связи большой интерес вызвали эксперименты сделанные профессором Стэнфордского университета, вычислительным психологом Михалом Косински. Он тестировал несколько итераций чат-бота ChatGPT AI на его способность пройти знаменитый тест теории разума.

Теория разума, или теория понимания сознания, представляет собой способность понимать, что чужое сознание отличается от твоего, и действовать соответствующе. Это включает, например, понимание того, что другие люди могут не знать чего-то, что знаешь ты, или иметь другие желания. Исследования показали, что такие способности появляются и развиваются в детстве и во взрослой жизни. Изучение таких теорий привело к разработке тестов для их измерения.

Косински протестировал версию ChatGPT, выпущенную до 2022 года, и обнаружил, что она не может пройти тесты по теории разума. Затем он протестировал версию, вышедшую вскоре после этого, и обнаружил, что программа способна решить 70% теоретических тестов, что примерно эквивалентно 7-летнему ребенку. Затем, в ноябре прошлого года, он протестировал последнюю версию и обнаружил, что она способна решать 93% задач, что примерно эквивалентно разуму 9-летнего ребенка. Теперь предстоит решить совсем нетривиальную задачу интерпретации этих результатов.

Компания Microsoft, которая создала на основе ChatGPT свой чат-бот Bing AI, очевидно, узнала об этих результатах и поместила фильтр на связанные запросы — когда Bing AI спросили, может ли он пройти тест по теории разума, он ответил: «Извините, но я предпочитаю не продолжать этот разговор. Я все еще учусь, поэтому я ценю ваше понимание и терпение».

Март 2023 г.