Арктика будущего

Новые разработки, которые помогут в освоении Арктического макрорегиона

Арктика — уникальная территория, которая имеет стратегическое значение с точки зрения наличия колоссальных запасов важнейших природных ресурсов и пролегающих через нее логистических маршрутов. Помимо непосредственно арктических государств, имеющих побережье на Северном Ледовитом океане, растущую заинтересованность в Арктическом регионе демонстрируют и другие страны. Для нашей страны Арктика и Северный морской путь являются фундаментальными составляющими национальных интересов. Технологические новации, которые развивают во всем мире, такие как беспилотные подводные аппараты, рои самоорганизующихся планеров, автономные буйковые системы, смарт-кабели, в ближайшие годы обещают сделать ледяную Арктику более доступной как для изучения, так и для освоения ее огромных ресурсов.

В начале этого года Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ «ВШЭ» с помощью системы анализа больших данных iFORA выделил самые перспективные технологии для освоения Арктики. Алгоритмы платформы обработали более 144 тыс. научных публикаций по арктической тематике на английском языке за 2021–2025 годы, материалы ведущих аналитических центров. Из этого списка мы отобрали несколько интересных направлений, мирное применение которых сможет облегчить работу людей в суровых арктических условиях.

Мир подо льдом

В 2025 году Китай провел самое масштабное глубоководное исследование Арктики с использованием пилотируемого и беспилотного подводных аппаратов в полярном регионе. Как рассказала South China Morning Post, ученые смогли получить данные о растительном и животном мире Арктики, проанализировать показатели воды и льда, изучить климатические характеристики региона.

В том же году маленький робот-поплавок «Арго» завершил свою миссию в ледниках Антарктиды. В течение двух лет он дрейфовал подо льдом и собирал информацию о показателях воды океана. Как написал журнал Science Advances, он фиксировал профиль от морского дна до основания ледника, погружаясь и всплывая. За это время он проделал путь примерно в 300 км. Восемь месяцев робот провел под ледниками, не появляясь на поверхности. Ученые уже решили, что аппарат безвозвратно потерян, но «Арго» всплыл, предоставив уникальные данные о таянии льда в Восточной Антарктиде. Эти сведения помогут исследователям прогнозировать повышение уровня Мирового океана из-за потепления.

В России работают над роботизированными системами для добычи полезных ископаемых на дне Северного Ледовитого океана. Как сообщили в Объединенной судостроительной корпорации, автономный комплекс «Айсберг» будет работать на ледниковом шельфе: проводить геологическую разведку, бурить скважины с отбором керна при глубинах моря до 4500 м, транспортировать грузы и устанавливать рабочие конструкции.

Систему планируется дополнить еще и подводной зарядной станцией «Октавис», которая станет одновременно и накопителем энергии, и хранилищем данных, сообщил проект Arctic Russia. От нее смогут заряжаться подводные роботы, занимающиеся геологоразведкой. «Октавис» будет передавать с морского дна данные на берег, сообщать о функционировании роботов и их неисправностях, а также собирать информацию об окружающей среде.

Кроме того, в России разработали беспилотные подводные аппараты для доставки грузов «Аргус-Д». Если такой аппарат столкнется во время рейса с проблемами, его управление можно будет переключить в ручной режим. Двигатели аппарата работают от литиевой батареи, он будет развивать скорость до 11 км/ч на глубине 1–3 км.

Эти истории — примеры новых технологий для исследования океанов, покрытых льдом. Они помогут изучать геологию и биоразнообразие региона, наблюдать за тектоническими изменениями, землетрясениями, разведывать и разрабатывать месторождения полезных ископаемых и получать другую информацию, которая недоступна для традиционных методов исследования. Они показывают, что беспилотные подводные системы уже сейчас ориентированы на широкое внедрение. Что еще разработчики предлагают для использования в ближайшей перспективе?

Автономные подводные аппараты

Автономные подводные аппараты (АПА) — одно из таких перспективных направлений. Для полярных условий они привлекательны тем, что в течение длительного времени могут работать без участия человека под толстым слоем льда. Большая часть морской поверхности Арктики скрыта подо льдом, и это затрудняет ее исследование обычными методами. Бурение толстого ледяного покрова бывает трудным технологически и очень дорогим с экономической точки зрения. Тем более такой метод позволяет изучить только маленькое пространство вокруг скважины. Подводные лодки для таких целей тоже не очень подошли: у них невысокая маневренность, а качество собираемой информации не устраивало ученых.

Полярные АПА гораздо удобнее: они небольшие по размерам, мобильны, не требуют управления и устойчивы к жестким арктическим природным условиям. Кроме того, они не приносят столько вреда хрупкой экосистеме океана, как другие, более грубые методы исследований. Для них разрабатывают технологии криогенной защиты, устройства для зарядки прямо под водой, запуск со льда или даже с вертолетов.

Первым задокументированным случаем применения полярного АПА исследователи называют использование аппарата UARS в 1972 году в море Бофорта специалистами из США. В последующие десятилетия полярные экспедиции разных стран испытывали свои аппараты в арктических водах. Сейчас активно ведутся разработки гибридных устройств, которые могут как работать автономно, так и управляться с помощью радиосвязи или кабеля оператором.

Сегодня разработчики пытаются решить несколько проблем, стоящих на пути серийного применения АПА в Арктике. Одна из них связана с улучшением питания аппаратов. Хоть литиевые батареи и заменили устаревшие щелочные, однако при низких температурах они тоже достаточно быстро теряют энергию и изнашиваются. Еще одна задача — высокоточная навигация под толстым слоем льда. Вода сама по себе тушит радиосигнал, а здесь появляется и препятствие в виде льда. В таких условиях аппаратам бывает сложно установить связь с навигационными спутниками. Инерциальная и геомагнитная навигация в широтах с неустойчивым магнитным полем тоже начинает сбоить. Эти и другие причины приводят к тому, что использование АПА в полярном регионе пока считается достаточно рискованным. В 2010-х годах исследователи объявляли, что риск потери аппарата в полярных водах почти в пять раз выше, чем для миссий в открытой воде без льда. Под шельфовыми ледниками этот риск вырастал в девять раз.

Решения этих проблем ожидают очень многие. Данные о водах Арктики помогают ученым понимать и прогнозировать изменение климата. Изучение состава воды дает возможность определять выбросы парниковых газов и метана. АПА также могут исследовать экосистемы подо льдом, составлять карты дна океана.

В промышленности возлагают надежды на поиск и разработку арктических месторождений газа, нефти и минеральных ископаемых. Кроме того, американские автономные аппараты LRAUV уже тестировались для обнаружения утечек нефти в водах океана. Об этом сообщал Monterey Bay Aquarium Research Institute (США). Такая технология очень важна, потому что нефтяные разливы подо льдом вряд ли возможно обнаружить с поверхности. В случае аварии АПА могут быстро доставить в нужный район вертолетом и сразу запустить в воду.

Подводные аппараты могут обследовать кабели, платформы, трубопроводы и другие коммуникации на дне океана в любое время года. Для поддержания безопасности морских путей их можно использовать для мониторинга ледовой обстановки, разведки маршрутов.

«Данная технология будет востребована для работы на арктическом шельфе для поиска, контроля и добычи углеводородов, по мере развития технологий и геологических исследований — для добычи редких и редкоземельных металлов и элементов, — комментирует Александр Воротников, координатор экспертного совета экспертного центра «Проектный офис развития Арктики». — Для России она станет доступна по мере реализации и обновления национального проекта «Промышленное обеспечение транспортной мобильности»».

Рои глайдеров

Очень перспективным выглядит применение в Арктике роевых систем — набора автономных аппаратов, которые действуют согласованно. Значимость этой технологии в том, что рой может охватывать и контролировать очень большие морские пространства, до нескольких километров вокруг себя. При этом они, как и АПА, могут работать месяцами, не требуя человеческого вмешательства. Они способны погружаться на глубину до 1 км, подниматься к поверхности и дрейфовать.

Пока рои подводных планеров (их еще называют глайдерами) — это дело будущего, скорее всего, недалекого. Но одиночные аппараты уже создаются и проходят испытания. Существуют проекты, которые могут стать основой для роевых технологий. Например, это платформа в районе Лофотен — Вестеролен в Норвежском море.

Рой позволит заниматься распределенным мониторингом льда. Сейчас, для того чтобы роевые системы могли вести какую-то общую работу, разную для аппаратов, входящих в рой, для них разрабатывают алгоритмы распределенного интеллекта.

Еще одна сфера применения роев — поиск объектов под водой. Аппараты, входящие в рой, должны уметь определять местонахождение без GPS, обходить препятствия, планировать маршрут, осуществлять координацию. Чтобы это стало возможным, внутри роя должна быть устойчивая коммуникация. Для этого нужны алгоритмы кооперации и планирования. Кроме того, они должны избегать конфликтов с другими устройствами, уметь адаптироваться к внешним условиям (например, к течению).

Отличительная особенность глайдеров — низкое энергопотребление. Они движутся в основном за счет изменения плавучести. Это достигается сменой центра тяжести аппарата с помощью гироскопа, давления, объема или плотности за счет наполнения специальных цистерн. В научных публикациях обсуждается и создание гибридных роев — планеров, работающих совместно с АПА и воздушными дронами. Коммуникацию с летательным аппаратом в таких системах предлагается устанавливать через специальные всплывающие станции.

«Конечно, в этой области Россия заметно отстает — примерно на несколько десятилетий, — считает Александр Воротников. — В нашей стране такие технологии уже используются, например, для воздушных беспилотных авиационных систем при чрезвычайных ситуациях. Можно ожидать, что рои будут применяться и в морских глубинах».

В более отдаленном будущем предполагается использовать рои под управлением искусственного интеллекта. По сути, это будут самоорганизующиеся и самоуправляемые подводные сетевые системы.

Автономные буйковые станции

Автономные буйковые станции (АБС) уже давно играют важную роль в исследованиях Арктики. Это еще один вариант освободить человека от работы в тяжелых климатических условиях и переложить сбор данных на автоматические системы. АБС используют для круглогодичного мониторинга воздуха, ледяного покрова и воды. Их размещают как на дрейфующих льдах, так и в толще океана. Современные аппараты работают на литиевых батареях, рассчитанных на один-три года. Данные с АБС передают через спутниковые системы. Водные станции за счет изменения плавучести аппарата могут погружаться в воду и всплывать. К самой станции крепится «хвост» из датчиков, которые собирают данные. На надводной части станции находятся датчики, которые фиксируют показания воздуха и ветра. Когда аппарат находится под водой, используется инерциальная навигация.

Буйковые станции активно использует Арктический и антарктический научно-исследовательский институт. Так, в сентябре 2025 года его сотрудники подняли со дна Северного Ледовитого океана станцию, которая проработала четыре года. В Арктике также действуют АБС других стран, входящих в Арктический совет.

Ценность технологий АБС в том, что они позволяют получать непрерывные данные. Их можно использовать для изучения изменения климата, прогнозирования ледовой обстановки и погоды. Еще одно преимущество: АБС годами не требует обслуживания. Станция собирает, фильтрует и передает информацию без вмешательства человека.

«В течение максимум пяти лет они будут использоваться повсеместно, — отмечает Александр Воротников. — Уже сейчас есть примеры использования АБС, например на шельфе Сахалина. Здесь они применяются для мониторинга скорости и направления течений, параметров волнения и уровня моря, температуры и солености воды, мутности и концентрации растворенного кислорода».

Сейчас наметился тренд на переход отдельных АБС к сетям, которые будут действовать примерно как рои подводных планеров, дрейфуя в океане на расстояние до 1 км. Еще одно перспективное направление — интеграция буев с глайдерами, которая переведет пассивную систему в активную. В целом АБС — это относительно дешевая и масштабируемая технология мониторинга океана. С внедрением в такие системы распределенного интеллекта они станут еще более ценными для наблюдения и сбора данных.

Для России интеграция АБС в цифровую систему навигации важна для развития Северного морского пути. Поддержка ледоколов и торговых судов с помощью информации от буйковых систем сделает их частью логистики, а не инструментом для исследований, каким они являются на сегодняшний день.

Умные кабели

Трансарктические волоконные кабели нового поколения — это подводные оптоволоконные линии, которые прокладывают по дну океана, обеспечивая интернет-соединение, например, Европы и Азии. Такой маршрут короче, чем через Суэцкий канал. Кроме того, эти каналы дают доступ к глобальной сети полярным регионам и используются научными станциями в Арктике. Но такое использование кабелей сейчас кажется несовременным: ученые считают, что каждый канал должен стать частью глобальной сенсорной системы. Смарт-концепция предполагает встраивание датчиков прямо в кабель. По замыслу разработчиков, они будут измерять давление, температуру, сейсмическую активность, наклон и деформацию дна. Такие системы позволяют получать долгосрочные данные в реальном времени без организации экспедиций и запуска аппаратов. Это особо актуально для Арктики, где обычные приборы трудно обслуживать.

Отдельное направление — акустические кабели. Сейчас самой прорывной в этом направлении считается технология Distributed Acoustic Sensing (DAS). Работает она так: по оптоволокну пускают лазерные импульсы, при этом часть света отражается обратно. Любые вибрации, звук, движение воды, проходящие суда меняют характеристики сигнала. Система превращает кабель в гигантский микрофон, и отрезок в 1 км становится виртуальным аналогом тысячи датчиков. Технология DAS уже позволяет фиксировать крики китов, штормы, волны и движение судов, землетрясения, процессы подо льдом.

На базе смарт-кабелей развивается система океанического зондирования. Она дает высокую пространственную детализацию. Другой метод — интерферометрия — применяется для изучения приливов и отливов.

Умные кабели могут заменить гидрофоны и традиционные буйковые системы. Они способны работать десятилетиями, не требуя обслуживания или ремонта.

«Это дело ближайшего будущего, примерно 10 лет, — полагает Александр Воротников. — Например, исследователи из Университета Вашингтона уже научились использовать подводные интернет-кабели как гигантские сейсмографы. Новая система с искусственным интеллектом улавливает даже слабые землетрясения, которые раньше терялись в океанском шуме».

В отдаленном будущем умные кабели смогут создать цифровой двойник океана. Их объединение со спутниками, буйковыми системами, АПА и глайдерами даст возможность получения максимально полной информации и позволит прогнозировать на ранней стадии опасные природные явления.

По словам Александра Воротникова, опыт создания цифровых двойников в России уже существует. «Уже есть цифровой двойник северного завоза. Существуют цифровые двойники предприятий и муниципальных образований. Платформа «Арктик Лабс» также уже используется как цифровой двойник Северного морского пути. Можно предполагать, что в течение 10–15 лет будет создан и цифровой двойник Арктики с системой предиктивного анализа. Работу необходимо вести в рамках реализации национального проекта «Экономика данных и цифровая трансформация государства»», — объясняет эксперт.

Криогенные системы хранения водорода

Водород рассматривается как одна из альтернатив ископаемого топлива. Производить его относительно несложно, но возникает проблема с хранением больших объемов этого газа. Один из способов ее решения — создание криогенных хранилищ в Арктике.

В жидкое состояние водород переходит примерно при –253 °C. В таком виде он имеет большую плотность, поэтому криогенное хранилище может «упаковать» большие объемы газа. Поддержание таких низких температур требует непростых инженерных решений с вакуумной изоляцией в несколько слоев, активным охлаждением и минимизацией притока тепла извне. Суровый арктический климат привлекателен тем, что он помогает экономить энергию при работе хранилищ.

Правда, есть ряд задач, которые для воплощения этой идеи еще предстоит решить. Низкие температуры полярных широт, соленый воздух и сильный ветер — это дополнительная нагрузка на конструкции и материалы, и она сильнее, чем в регионах с более мягким климатом. При этом даже в холодных арктических условиях разработчикам нужно искать эффективные способы термоизоляции. Без активного охлаждения потери при испарении могут достигать 3%. Применение криогенных холодильников дает возможность довести эти показатели практически до нуля.

Как альтернатива хранению чистого водорода выступают технологии накопления его в связанном виде: гидриды металлов и другие твердые поглотители, органические носители водорода, химические соединения (аммиак или метанол) и т. п. Они дают возможность хранить водород в более стабильных формах без создания экстремальных температур, что очень важно для перевозок.

«В России в настоящее время хорошо развита технология сжижения газов, — рассказывает Александр Воротников. — Однако развитие криогенных систем требует отработки практических технологий и займет не менее двух-трех десятилетий».

Сейчас ученые обсуждают возможность производства водорода прямо в Арктике для использования его энергии в полярных проектах. Также рассматривается перевозка больших объемов водорода на криогенных танкерах, которая может быть экономически выгодной на протяженных маршрутах. В любом случае эти технологии станут востребованными только тогда, когда водород войдет в число широко распространенных источников энергии.