Исследования Мирового океана как шаг на пути к устойчивому развитию человечества

28.07.2020
Ведущие российские эксперты по морским инновациям рассказали, как прорывные технологии помогут раскрыть секреты Мирового океана и какие возможности благодаря их внедрению откроются для науки, бизнеса и промышленности.

Фото: предоставлено Кластером информационных технологий Sk.ru

Пираты, тропические острова и манящая лазурь волн — кого из нас не очаровывала морская романтика, не увлекали истории о приключениях, затерянных сокровищах и подвигах бесстрашных капитанов? Стихия, которая кажется нам настолько близкой и знакомой, до сих пор хранит огромное количество тайн и загадок.

Если всерьез задуматься над вопросом о том, что мы на самом деле знаем о Мировом океане, то окажется, что на 95 процентов водный мир все еще остается неисследованным. Мы обладаем гораздо более точными данными о поверхности Луны, Марса и Меркурия, чем о водной оболочке нашей собственной планеты. Острая нехватка различных структурных карт Мирового океана создает серьезный барьер для развития науки и бизнеса, мешает созданию эффективных мер по улучшению экологии и поддержке водной экосистемы.

«Первичная задача сейчас — до 2030-го года наполнить базу данных о дне Мирового океана, собрать новую и актуализировать устаревшую информацию. В первую очередь, это необходимо для того, чтобы наиболее эффективно подходить к прогнозированию хозяйственной деятельности, понимать, что в целом творится на планете», — считает генеральный директор российской научно-исследовательской компании «Морские Инновации» Антон Плешков.

Какие богатства скрывает океан

Конечно, нельзя сказать, что мы совсем ничего не знаем про Мировой океан и его обитателей: технологии спутниковых съемок обеспечивают пространственное разрешение около 2–5 км, то есть дают примерное представление о рельефе дна, течениях, температурах и общем уровне воды.

«Однако такой метод не позволяет сканировать дно с высоким разрешением, только мелководье — первые десятки метров. Все остальное — дорисовка», — объяснил Плешков.

Во многом возросший интерес стран и корпораций к разработкам технологий картирования, позволяющим более детально исследовать океан, обусловлено коммерческими факторами. Мировой океан — это не только среда обитания многих биологических видов и транспортный хаб, но и место скопления огромного объема различных ресурсов, в том числе «топлива будущего» — газогидратов. Их запасы вдвое превышают общемировые запасы всех традиционных видов топлива — угля, нефти и природного газа. Несмотря на то, что на данный момент их добыча нерентабельна, при дальнейшем развитии технологий они вполне способны стать более выгодной заменой: так, из одного кубометра гидрата можно получить около 160 кубометров метана.

Мировой океан богат и рудными минеральными ресурсами, в том числе редкоземельными металлами. По сравнению с сушей, в нем содержится в шесть раз больше никеля, в десятки раз — кобальта, в два раза — марганца. Запасы меди составляют 80% прогнозных ресурсов на суше. Важная особенность глубоководных руд — это высокое процентное содержание металлов, равное или в разы превосходящее показатели наземных месторождений.

Россия — один из пионеров по разведке глубоководных ресурсов, и владеет лицензиями Международного органа по морскому дну на добычу сразу трех их видов — железомарганцевых конкреций (ЖМК), глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС) и кобальтоносных железомарганцевых корок (КМК).

«Обязательства по этим контрактам включают в себя целый цикл работ от геологоразведки до выхода на промышленную добычу. Это очень перспективный рынок, так как в таких конкрециях содержится аномальная концентрация всей таблицы Менделеева. Сейчас на редкоземельные металлы очень высокий спрос, и даже с учетом высокой себестоимости технологий добычи на первых этапах, это будет намного рентабельнее, чем добывать на суше», — отметил советник Министра природных ресурсов и экологии Российской Федерации Евгений Петров.

Однако более серьезно рассматривать возможности по коммерческому освоению этих богатых ресурсов нецелесообразно до тех пор, пока не появится понимание того, как устроено дно Мирового океана и функционирует его экосистема в целом. Сбор точной информации и создание глобальной системы мониторинга актуальных данных — первый шаг на пути к этому.

«Один из самых перспективных векторов развития — создание цифровых двойников водных массивов. Используя такие модели, можно отслеживать изменения рельефа, прогнозировать экологическую ситуацию и связанные с ней риски для рыболовства или транспорта, оценивать объем течений, их температуру, как они взаимодействуют друг с другом и так далее», — рассказал Антон Плешков.

По мнению эксперта, помимо глобальных моделей, можно также создавать двойников более мелких объектов — например, систем река-море. На практике такие решения улучшат понимание логистических процессов, хозяйственного оборота рыбаков и организаций, занимающихся добычей полезных ископаемых, позволят предотвратить техногенные катастрофы. К примеру, обладая данными о температуре в течениях, можно определить оптимальное место для размещения акваферм, зная ветровую нагрузку — где лучше поставить энергетические установки и так далее.

«Без информации о топографических основах мы не можем корректно создать даже первичные модели взаимодействия со средой», — предупредил эксперт.

Масштабные решения для планетарных проблем

Неудивительно, что энергетические, минеральные и биологические ресурсы Мирового океана были признаны определяющим фактором в достижении целей в области устойчивого развития человечества, сформулированных ООН в 2015 году. Ликвидация нищеты и голода, повышение качества здравоохранения и общего благополучия, получение чистой энергии, поддержка экономического роста, ответственное потребление, борьба с изменениями климата и сохранение морских экосистем — решение этих амбициозных задач тесно связано с исследованием океана.

«Здесь ситуация как с фундаментальной наукой: не все ей занимаются, кто-то несет расходов больше, кто-то меньше, но в конечном итоге пользу получает все человечество», — отметил Плешков.

Однако нельзя сказать, что такие исследования не принесут и конкретной, осязаемой выгоды государству и бизнесу: внедрение систем сбора комплексных данных даст возможность оптимизировать практически все виды деятельности — лучше учитывать течения, составляя маршруты движения судов, актуализировать навигационные и геологические карты, сокращать затраты на топливо и многое другое.

«В рамках одного из наших проектов мы проводили работы в Черном море, недалеко от Геленджика, делали съемку полигона. В один из проходов мы обнаружили не задокументированное затонувшее судно, — поделился опытом Плешков. — В условиях все большего охвата хозяйственной деятельностью Мирового океана, таких случаев будет все больше. Для того, чтобы понимать, где произошел инцидент, как ликвидировать его последствия, уменьшить ущерб, как добывать ресурсы — для всего этого нужно понимание среды, в которой мы находимся».

Искусственный интеллект теперь и в море

Наука не стоит на месте, и современные технологии начинают постепенно открывать новые возможности по более высокоточному измерению и отслеживанию динамики водной экосистемы. Если в 1950–1960 годах точность измерений глубины моря определялась метрами, к 1980–1990 годам удалось добиться полуметровых систем разрешения. Сейчас стандартное разрешение измеряется в дециметрах, но есть и решения, которые позволяют получать сантиметровую точность.

Самым важным направлением работы на данный момент стало создание аналитических систем на базе искусственного интеллекта и роботизированных аппаратов, способных заниматься сбором и передачей данных в автономном режиме.

«Чтобы решить масштабную задачу, поставленную ООН — исследовать весь океан к 2030 году — традиционных, основанных на человеческой работе и анализе технологий, совершенно недостаточно. Здесь нужны интеллектуальные системы, способные быстро собирать и анализировать информацию», — пояснил руководитель рабочей группы Маринет НТИ Виктор Олерский.

Такие масштабные задачи, сформулированные международным сообществом, могут быть решены с помощью технологий, уже успешно применяемых в других отраслях, полагает директор по развитию и индустриальным партнерам ИТ-кластера Фонда «Сколково» Сергей Дутов. Для этого в июле Фонд «Сколково» запустил международную программу инновационных проектов «Глобальный Вызов — Искусственный интеллект для Целей устойчивого развития». Программа призвана простимулировать спрос на решения российских стартапов в области искусственного интеллекта.

«Масштабные задачи, сформулированные международным сообществом, могут быть решены с помощью технологий, уже успешно применяемых в других отраслях. Именно поэтому мы запустили проект «Глобальный Вызов» для поиска решений в области искусственного интеллекта и применения их в различных областях, в том числе для анализа данных и автономных систем в море. До 27 августа совместно с «Морскими Инновациями» мы принимаем заявки в номинации «Сохранение морских экосистем». Последующие направления конкурсного отбора будут постепенно включены в программу», — отметил Дутов.

Большие данные и искусственный интеллект — базовые технологии для двух ключевых на данный момент тенденций в морском транспорте: е-Навигации и автономного судовождения. По оценкам Виктора Олерского, их применение должно существенно изменить модель работы отрасли, повысить ее безопасность, предсказуемость и одновременно снизить затраты, связанные с задержками в формальных процедурах, человеческими ошибками, непосредственно сократить затраты на эксплуатацию судов.

Флагманским в области масштабных исследований океана стал проект Nippon Foundation и программы международного сотрудничества «Генеральная батиметрическая карта океанов» (GEBCO) под эгидой ООН Seabed-2030, целью которого стало составление полной базы данных о Мировом океане — в том числе при помощи беспилотных плавательных аппаратов. На сегодняшний день удалось получить измерения пятой части морского дна — существенное увеличение по сравнению с пятью процентами, доступными до старта проекта. О планах по созданию автоматизированной подводной базы, оснащенной ИИ и роботами для изучения морского дна, в 2018 году объявил и Китай.

Перспективным российским проектом в этой области стал МПАК-3D — мобильный комплекс картирования морского дна на шельфе, разработанный в рамках «дорожной карты» Маринет НТИ. В решение интегрировано сразу несколько базовых технологий трехмерной морской геофизической разведки: параметрическая гидроакустика, электроразведка и сейсморазведка, технологии онлайн-обработки больших данных и построения моделей дна, рассказал директор ОЦ Маринет Александр Пинский.

«Каждый из этих элементов представляет из себя передовую технологию, а вместе они дают качественно новый уровень, превосходящий не только российские, но и зарубежные аналоги. В будущем мы также планируем интеграцию МПАК-3D с отечественными технологиями высокоточного позиционирования, измерениями скорости подводных течений и других параметров водной толщи», — поделился Пинский.

Основные барьеры на пути морских инноваций

Получается, что новые технологические решения по исследованию Мирового океана доступны и могут эффективно справляться с поставленными задачами. Тогда чем же обуславливаются низкая степень их внедрения и слабый интерес со стороны крупного бизнеса? По мнению Антона Плешкова, среди основных барьеров стоит выделить особенности прав собственности на информацию, то есть, кто будет ею владеть и распоряжаться, а также стоимость ее получения. На практике самой сложной задачей станет, скорей, не разделение данных между военными и гражданскими нуждами и не определение их законного владельца, а создание единого центра для постановки задач и хранения информации, добавил советник Министра природных ресурсов и экологии Российской Федерации Евгений Петров.

«Данные, конечно, должны принадлежать государству, потому что именно оно несет большую часть затрат. Военным для своих целей необходим очень узкий сегмент — батиметрия и гидравлика. Основной же объем информации регулярно передается в Академию наук, где они находятся в открытом доступе безо всяких ограничений. Проблема в том, что у нас нет коллективного центра, куда бы вся эта информация стекалась, где можно было бы анализировать Big Data», — подчеркнул представитель Минприроды.

Пока же все данные от исследовательских экспедиций хранятся разрозненно и локализованы в тех учреждениях, которые их организовывали, посетовал Евгений Петров:

«С точки зрения постановки задач, в нашей стране не хватает единого органа, ответственного за всю экспедиционную деятельность. Поэтому многие экспедиции дублируются, редко добавляются новые методы, способные увеличивать их ценность. В целом, на данный момент деятельность Минприроды, Минпромторга и Минобранауки в этом направлении между собой очень слабо скоординирована».

Помимо бюрократических препятствий, существуют и проблемы производственного характера, свойственные не только судостроению, но и многим другим высокотехнологическим отраслям — космической, авиастроению и так далее. Речь идет о высоком пороге входа на рынок и долгом пути от разработки до эксплуатации.

Большинство современных морских картографических инструментов — гидроакустические. Однако, по словам Плешкова, область гражданской гидроакустики развита слабо, и компаний, которые занимаются разработкой подобных решений не для военных целей, в России очень мало.

«Это объясняется консервативностью данного сегмента рынка и очень высокими барьерами входа на него. Помимо серьезных требований к квалификации персонала, остро стоит и проблема кооперации между разработчиками и судостроительными компаниями», — сказал эксперт.

Чтобы решение начало эффективно работать, оно должно быть установлено на судно, а для этого — заранее спроектировано. Процесс от проектировки до закладки, испытания и вывода в эксплуатацию занимает очень много времени.

«По самым оптимистичным оценкам, решение будет поставлено на первое серийное судно, произведенное крупной верфью, лет через десять. К этому времени оно уже проходит некий цикл жизни и, чаще всего, устаревает, — пояснил Плешков, — Если учесть, что минимальный срок службы судна — 20–30 лет, и оно должно выработать свой ресурс, прежде, чем его модернизируют, то становится очевидно, почему быстро двигаться в этом направлении просто невозможно».

Данные на вес золота

Еще одной пока не решенной задачей отрасли остается рентабельность. Можно сколько угодно говорить о глобальных целях устойчивого развития, общечеловеческом благополучии и других радужных перспективах, но факт остается фактом: основная доля затрат на внедрение и эксплуатацию таких картографических решений ложится на владельцев судов и предпринимателей. Если принять во внимание еще и низкий уровень освещения темы морских инноваций, то осторожное отношение бизнеса к передовым технологиям исследования океана начинает выглядеть вполне обоснованно.

«Чтобы максимально увеличить достоверность данных о дне, необходимо внедрение новых решений на практически всех действующих судах, которые находятся в океане и речных системах, не говоря о строящихся. Они должны делать точные измерения, быть достаточно дешевыми для массового производства и установки, эффективны с точки зрения эксплуатации — как говорят, foolproof», — сказал Плешков.

То есть должны быть соблюдены три фундаментальных условия: экономическая эффективность решения, желание либо обязанность судовладельца или собственника судна на установку подобных систем и, наконец, законодательное определение операторов данных и других норм использования оборудования.

Есть и хорошие новости: например, в части хранения больших массивов данных на борту судов сейчас нет никаких ограничений, «так как это самые большие машины в истории человечества», рассказал Виктор Олерский:

«На них можно размещать дата-центры значительных размеров, что уже сейчас делают мировые ИТ-гиганты. Ограничением, скорей, выступает передача данных с судов на берег по беспроводным каналам. Пока спутниковая связь остается дорогой и не самой надежной. Однако на протяжении последних десяти лет мы видим стабильное улучшение морской связи, ее удешевление — например, проект спутниковых коммуникаций OneWeb».

Ключевыми технологическими вызовами, считает Олерский, можно назвать онлайн сбор и обработку данных, удешевление носителей исследовательского оборудования, в том числе автономных необитаемых аппаратов, а также повышение точности анализа и моделирования.

Морские инновации: для кого и зачем

Подводя итоги, стоит отметить, что какими бы далекими не казались задачи, которые ставят перед собой исследователи Мирового океана, они напрямую касаются каждого: будь то прорывы в фармацевтике, улучшение экологической обстановки, удешевление топлива или доступ к новым видам товаров и услуг. Использование ресурсов морского дна на основе подобных исследований уже сегодня имеют важное коммерческое значение: около трети всей нефти в мире добывается именно на морском шельфе, подчеркнул Александр Пинский.

Пока Россия не сильно отстает от зарубежных коллег, а в чем-то — например, в области разработки гидроакустических технологий — даже опережает. Однако расслабляться не стоит. Все больше стран подключается к гонке за богатыми ресурсами Мирового океана, начинают заниматься разработкой и добычей минералов в глубоководных районах морского дна за пределами национальных юрисдикций. Так, уже полностью «поделен» самый продуктивный из известных по железомарганцевым конкрециям район Мирового океана — Кларион-Клиппертон в Тихом океане.

«Добыча минералов становится все более актуальным явлением по мере истощения запасов на суше и развития морских технологий, снижающих себестоимость добычи в океане. Безусловно, для этого есть целый ряд еще не решенных никем технологических задач: от подводных добычных комплексов до транспортировки таких ресурсов и обеспечения экологической безопасности добычи. В мире и в России сейчас ведутся первые работы в этом направлении, которое по своим масштабам могут сформировать новую отрасль мировой экономики», — заключил Пинский.

Источник: Российская газета