В Липецком государственном техническом университете работает династия Шпигановичей: Александр Николаевич Шпиганович, его дочь — Алла Александровна Шпиганович и его внучка Виолетта Иосифовна Зацепина. Все трое — доктора технических наук и профессора.

основатель династии 

Александр Шпиганович переехал в Липецк из Караганды по приглашению учёного-металлурга ректора ЛГТУ Сергея Коцаря. До этого успел поработать подземным электрослесарем на одной из шахт Карагандинского угольного бассейна и на заводе стройматериалов «Карагандастройдеталь», где дослужился до должности главного энергетика. Но в 1968 году он занялся научной деятельностью, работал в Карагандинском политехническом институте и к 1994 году, когда им заинтересовался не только Коцарь, но и ректоры многих российских вузов, был уже заведующим кафедрой, которая сначала называлась кафедрой «Горной электромеханики», а потом — «Электроснабжения».

Коцарь, конечно, не случайно пригласил доктора технических наук Шпигановича в Липецк. К тому времени карагандинский профессор был не просто учёным, он был основоположником теории случайных импульсных потоков, имел репутацию крупного учёного, разрабатывающего фундаментальные положения, связанные с безотказностью больших систем энергоснабжения и энергосберегающими технологиями. Уже тогда говорили о научной школе Шпигановича, а основать научную школу дано не каждому. В Липецке в 1995 году он получил кафедру. Как пишут на сайте ЛГТУ, это назначение придало новый качественный импульс её развитию. Благодаря Шпигановичу были открыты сначала аспирантура, а потом и докторантура. Кроме того, он реализовал ещё целый ряд новаторских идей в сфере образования. При нём в ЛГТУ появилась, например, специальность «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений». На тот момент эту специальность можно было получить только в Липецком политехе и в Московском энергетическом институте — там она появилась благодаря стараниям основоположника техноценоза (совокупность технических систем) профессора Бориса Кудрина. Уже позже по этой специальности начали готовить выпускников в других вузах страны.

женщины династии 

Алла Шпиганович пришла в ЛГТУ в 1996 году и работает на кафедре экономики, хотя все её научные работы связаны с энергетикой, а докторская диссертация была посвящена проблеме обеспечения надёжности систем электроснабжения.

Виолетта Зацепина окончила в 2000 году школу с золотой медалью, поступила в ЛГТУ, окончила его с отличием и досрочно защитила кандидатскую диссертацию, а ещё через девять лет — докторскую. В то время ей было 30 лет. Это уже само по себе достижение. В России есть ещё несколько одарённых личностей, которые стали докторами наук примерно в этом же возрасте. По статистике же, опубликованной ВАК России, средний возраст соискателей, защитивших докторскую диссертацию, — 49 лет. А пишут докторскую от 11 до 19 лет. К 39 годам кроме множества статей в научных журналах Виолетта Иосифовна написала двухтомный учебник, три компьютерные программы, пять монографий и шесть учебных пособий.

— Мне всегда нравилось учить, — рассказывает Виолетта Зацепина, которая больше говорит не о научной, а о преподавательской деятельности Шпигановичей. — У меня были к этому способности. В школе я была отличницей, и учителя часто просили меня, чтобы я объяснила ребятам материал. И в детстве я любила играть в учительницу. Что касается энергетики, то я училась в физико-математическом классе 66-й школы и выросла рядом с дедушкой, поэтому выбор случился сам собой.

мозг против искусственного разума 

В сфере электроэнергетики нет практически тем, которых не касались бы Шпигановичи в своих научных работах. Сегодня, например, многие учёные пытаются решить проблему аварийности и низкой надёжности электросетевых комплексов, связанную прежде всего с тем, что эти комплексы очень сложно устроены и ими не так-то просто управлять. Поэтому большинство учёных, которые занимаются разработкой цифровой энергетики, говорят, что управление электросетевыми комплексами нужно передать искусственному интеллекту.
Шпигановичи не отрицают необходимость внедрения в современную энергетику искусственного разума. Но пусть он занимается прогнозированием, моделированием и выполняет шаблонные операции, а управлять энергосистемами, считают они, должен человек.

— По нашему мнению, — говорят Шпигановичи, — искусственный интеллект не обладает достаточными возможностями в принятии важных решений по сравнению с управляющим персоналом. Он действительно способен выполнять какие-то операции, но для анализа нестандартных и сложных ситуаций не всегда может быть использован.

Визуализация энергосистем 

Проблема, правда, состоит в следующем. Всю информацию о том, что происходит в энергосистеме, диспетчер получает с так называемого диспетчерского щита, с мнемосхемы. На нём отображаются основные параметры системы, и, анализируя их, оператор получает представление, что происходит между электростанцией и лампочкой, которая горит, например, в вашей квартире. Это примерно то же самое, что ходить по улице с закрытыми глазами и по звукам догадываться о том, что происходит вокруг. Диспетчеру, замечают Шпигановичи, очень сложно удержать в голове огромное количество информации, проанализировать её в сложных и нестандартных ситуациях, особенно во время аварий на энергосистемах, составить цельную картину о том, что произошло, и принять правильное решение. Что же тогда делать?
Шпигановичи предлагают заменить мнемосхему на киберфизическую 3D-модель с использованием технологии виртуальной реальности. Ландшафт, опоры, провода, кабели, генераторы, трансформаторы и прочее оборудование, говорят они, будет отображаться в этом случае в виде 3D- моделей с точной привязкой к местности.

«Это, — пишут они в своей работе „Пути развития цифровой энергетики“, — позволит перейти от набора цифр и данных, трудно воспринимаемых человеческим умом, к понятной визуальной информации».

В общем, если энергетики примут концепцию Шпигановичей, перед глазами диспетчера будут не лампочки и приборы для измерения напряжения или силы тока, а виртуальная энергосистема типа трёхмерной компьютерной игры, где можно будет своими глазами увидеть всё, что там происходит.

небесная энергия 

Шпигановичи работают и в области альтернативной электроэнергетики. Ей необходимо заниматься, потому что, как пишет Александр Шпиганович в «Вестнике Тамбовского университета», тепловые, гидро- и атомные электростанции «не решают все вопросы обеспечения электрической энергией, особенно малых предприятий или посёлков, которые расположены на значительном расстоянии от энергосистемы». В общем-то не только Шпигановичи, но все, кто работает в области энергетики, говорят, что тут на помощь человеку могут прийти электростанции, которые работают на термальных водах, на энергии приливов и отливов, солнечные батареи, ветрогенераторы или маленькие речки и даже ручьи.

Однако самыми интригующими, по крайней мере с точки зрения обывателя, кажутся работы Шпигановичей в области так называемой грозовой энергетики. Речь тут идёт об электростанциях, которые преобразуют, или, лучше сказать, будут в недалёком будущем преобразовывать в электроэнергию грозовые разряды. По данным, опубликованным в зарубежных научных журналах, один разряд молнии содержит в себе столько энергии, сколько всё население США потребляет в течение 20 минут. В принципе, молнии — это неисчерпаемый источник электроэнергии, и было бы глупо его не использовать.

молния по требованию 

Конечно, не везде грозы бывают часто, и не везде есть смысл строить грозоэлектростанции. Но на земле есть такие, например, места, как район озера Маракайбо в Венесуэле, где грозы гремят до 200 дней в году, извергая 28 молний в минуту. Проблема только в том, что молнии бьют, куда им вздумается, и не факт, что Зевс, который их мечет, будет целиться в молниеприёмник грозоэлектростанции. Следовательно, задача учёных и изобретателей состоит в том, чтобы заставить молнию бить в определённое место.
В 2020 году в научном издании Nature Communications, например, появилась статья, в которой направлять грозовой заряд по устойчивым и заранее определённым траекториям предлагается с помощью лазерного луча.

Так вот, Шпигановичи ещё в 2013 году запатентовали устройство отбора атмосферного электричества, и в реферате к этому патенту пишут, что «разряд молнии инициируется оптическим пробоем воздуха, формируемым пучком импульсного инфракрасного лазера».
Лазер в их устройстве создаёт ионизированный канал между грозовой тучей и молниеприёмником, то есть как бы линию электропередачи или, даже можно сказать, «нору», в которую молния обязательно сунет свой нос, устремится на грозоэлектростанцию и попадёт точно в молниеприёмник. Затем «импульс тока, возникающий при ударе молнии, трансформируется с помощью трансформатора Тесла» и отправляется потребителю. Причём на устройстве Шпигановичей стоит не один, а два лазера. Один прокладывает дорогу в ловушку, устроенную для молнии, другой сканирует атмосферу, отыскивая скопления зарядов, которые, образно говоря, можно выдоить из грозовых туч.

ещё сделаны не все открытия 

Как говорит профессор Зацепина, все фундаментальные открытия в науке об электричестве уже сделаны. Но учёные в этой области, обеспечившей человечеству блага цивилизации, продолжают работать. И работают теперь в том направлении, которое, как можно понять, помогает человеку не только пользоваться этим благом, но и защищаться от него. У Александра Шпигановича есть работа, которая называется «Анализ влияния высших гармонических составляющих на безотказность электроизоляционных покрытий».
Кажется, что тема статьи и вообще эта проблема интересна и, главное, важна только для узких специалистов. Но это не так. Проблема электрического пробоя — это жизненно важная для человечества вещь. Взять хотя бы крупные аварии на угольных шахтах. В своё время в шахте Фушунь в Манчжурии погибло сразу 3 000 человек — там на подъёмном лифте пробило проводку и от электрической искры взорвался метан. Через несколько лет из-за короткого замыкания в электросети метан взорвался на шахте Бэньсиху в Китае, и погибло 1 500 человек. В России с 1992 по 2021 год на угольных шахтах произошли 33 крупные аварии, в которых погибало от двух до 67 человек, и почти все они случились из-за проблем с электроизоляцией. Также как и огромное количество бытовых пожаров тоже случается из-за короткого замыкания.

Да, проводку изолируют, и сама она покрыта диэлектрической оболочкой, и стыки проводов как минимум заматывают изолентой. Но, как выяснил Александр Шпиганович, «существующие методики расчёта не учитывают особенности геометрии проводников и изоляции, что приводит к значительным погрешностям при определении параметров безотказности», то есть к пробою электропроводки.
Предложенная им модель расчёта электроизоляционных покрытий «в значительной степени повышает точность определения надёжности изоляционных конструкций» и, может быть, спасёт не одну человеческую жизнь.

Корреспонденты газеты «Первый номер» привели только три примера из того, чем занимается династия липецких учёных. Чтобы узнать обо всём, к чему они приложили свой талант, нужно прочитать 550 научных статей Александра Шпигановича, 250 статей Аллы Шпиганович и 135 научных трудов Виолетты Зацепиной.

Текст: Виктор Унрау
Фото из архива героев