Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии

При создании космических аппаратов применяют новый наноматериал — кермет. Зерна металла, размером до 5 нм, окруженные такими же зернами другого металла или его окисла (а чтобы такое получилось, металлов должно быть несколько), спекают под давлением. Получается композит — много металлов вперемешку. Почему металлы разные? Очень просто. Нанопорошок получают размолом металла специальными мельницами (есть и другие способы, но сейчас нам это не важно). При размоле частицы становятся все меньше: начинают с размера несколько микрон и доходят до наноразмера. Однако начиная с диаметра частиц около 25 нм процесс помола сталкивается с препятствием. Отдельные, более мелкие частицы предпочитают слипаться — между ними образуются перемычки, и наноструктура нарушается. А нам нужны частицы от 10 до 5 нм. Именно они обладают нужными нам свойствами. Если соседние частицы принадлежат разным металлам, такого слипания не происходит, как минимум быстро.

Но у нас нет гарантии, что зерно кермета не будет укрупняться с течением длительного времени. Сегодня космический аппарат — как правило, спутник, живущий менее 5–7 лет[20], или вообще одноразовые ракетоносители и разгонные блоки. Этой проблемой можно и не озадачиваться.

В основе некоторых современных автомобилей лежат технологии авиастроения. Таковы, например, компании «Субару» и «Мазда». Существует устойчивое мнение об «авиационном» генезисе некоторых автомобилестроительных компаний, например «Ауди». Как же — авиационные технологии, примененные в автомобилестроении; качество, недоступное другим! Прекрасная основа для продвижения своей продукции.

Представьте, что кто-то решит перенести космические технологии в нашу «земную» жизнь, например в судостроение, под лозунгом: космическое — значит надежное. Гражданское судно или военный корабль, живущие 40 лет и более, — норма. Но как поведет себя критически важная деталь из кермета через 20–25 лет? В рамках космических разработок этого никто не проверял.

Для того чтобы точно знать, как ведет себя материал с течением длительного времени, нужно это самое время. Не каждый процесс можно ускорить, быстро и надежно промоделировать численными методами. Все эти методы сами требуют верификации и, прежде всего, натурного опытного подтверждения, т. е. времени.

Но мы торопимся. У нас множество планов, новых конструкторских решений, которые стали возможными только благодаря появлению нового материала. Такая ситуация — особенность наноматериалов. Мы их для этого и разрабатывали и создавали: сделать невозможное. И мы не можем ждать.

И как результат — вынуждены нести риски.

Риск метастабильного состояния — риск утраты наноструктуры.

Непредсказуемость поведения материала в неординарных условиях.

Риск нештатного ошибочного применения наноматериалов на основании опыта других секторов экономики.

Риск несоответствия высоких темпов технологического развития, требующих новых материалов «сегодня», времени на их полноценную проверку.

1.4. Энергетические консервы

Пакет с неизвестным содержимым — это взрывчатка, к которой поднесен запал, именуемый любопытством.

Кобо Абэ

Мы уверенно предполагаем (и у нас есть на то основания), что нанотехнологии предоставят нам новые возможности, недоступные без их применения. И не последнее место среди таковых занимают возможности, связанные с работой устройств в экстремальных условиях, т. е. таких условий, которые без применения соответствующих материалов были просто недостижимы.

Такие экстремальные условия характерны для больших высокотехнологических установок, важное место среди которых занимают научные установки мега-сайенс, такие, например, как ускоритель элементарных частиц.

В Российской Федерации инициированы проекты по созданию установок класса мега-сайенс. Одной из них является компактный экспериментальный термоядерный реактор — токамак «ИГНИТОР».

Пусть слово «компактный» не вводит вас в заблуждение. Установка все равно весит 500 тонн. Однако за счет применения нанотехнологий в магнитной системе его размер действительно компактный. Для сравнения: токамак ITER, строящийся во Франции международной коллаборацией при участии России, имеет массу реактора 360 000 тонн.

Исторически, Россия — мировой лидер в проектировании и создании таких установок — установок, позволяющих надеяться, что мы сможем вырабатывать электроэнергию за счет термоядерной реакции синтеза. В отличие от ядерной реакции (реакции деления, распада атомов) реакция синтеза потенциально способна дать энергии на порядок больше. Собственно ровно такая же реакция протекает в нашем самом главном источнике энергии для нашей планеты — Солнце. Сила ветра, энергия рек и многое другое, — в конечном счете, это энергия Солнца. Фотосинтез как основа жизни и сама жизнь во всем ее многообразии возможны также за счет энергии Солнца. И попытка человека зажечь маленькое, безопасное солнышко как раз связана с надеждой поджечь термоядерную реакцию в токамаке. «Горит» в токамаке тритий-дейтериевая плазма, удерживаемая, а точнее, гоняемая по замкнутому кругу, сильнейшими магнитными полями. Чем компактнее токамак, тем сильнее надо свернуть в кольцо плазму, что требует более сильного магнитного поля. Но как сделать такой мощнейший магнит? Традиционные решения не подходят. Решение было найдено с применением нанотехнологий. В Российской Федерации создан уникальный наноструктурный сверхпроводящий материал, катушки из которого способны создавать и, главное, выдерживать эти мощнейшие поля.

Здесь надо заметить, что такой проводник обязательно наноструктурирован. Сверхпроводимость — само по себе удивительное квантовое явление. Но вот беда, магнитное поле, даже относительно слабое, его разрушает. И придумали следующее: сделали материал, состоящий из тончайших волокон. Их диаметр — 5 нм, а волокна разные. Каждое сверхпроводящее волокно окружают волокна с обычной проводимостью, и наоборот. И выходит так: ток течет по сверхпроводнику, а магнитное поле, создаваемое этим током, — рядом, в обычном проводнике. И оно может быть сильным и ничего не разрушать.

Но ведь и токи, и магнитные поля — огромны. Постоянно текущий ток в соленоидах достигает 11 мегаампер! Магнитное поле превышает 14 Тл[21] (это поле центрального соленоида токамака «ИГНИТОР»), Такие условия нельзя назвать обычными для любого материала, тем более для материала-сверхпроводника с его сложной волокнистой наноструктурой. Чтобы представить себе колоссальность такого магнитного поля, сравним его с другими — природными и искусственными.

Магнитное поле Земли, привычное нам, которое не только вращает стрелку компаса, но и надежно защищает нас и всю жизнь на планете от безжалостной солнечной радиации, составляет всего 5×10-5 Тл. Отклоняющие дипольные магниты Большого адронного коллайдера, созданные по той же российской технологии и из российских материалов, — от 0,54 до 8,3 Тл. Магнитное поле солнечных пятен[22] — 10 Тл. В токамаке «ИГНИТОР» магнитное поле больше!

Как поведет себя эта структура, ее составляющие материалы в условиях сверхсильных полей, — вопрос далеко не праздный. Соленоид, или попросту катушка, по которой течет ток, — это такой же «аккумулятор» энергии, как и привычные нам. Различие лишь в том, что вместо емкости конденсатора в роли накопителя используется индукция катушки. И вот представьте, что где-то в цепи разрушится сверхпроводимость. Это приведет к катастрофическим последствиям. Токи и напряжения мгновенно вырастут — так устроена индуктивность: если в ней попытаться прервать ток, он тут же возрастает! Вся огромная энергия, накопленная в соленоиде, мгновенно выделится в виде тепла. Мгновенное выделение огромного количества тепла обычно называется проще — взрыв! Иными словами, последует взрыв колоссальной разрушающей силы. И все это держится на тоненьких ниточках диаметром 5 нм.

Вы можете сказать — установка экспериментальная. Расположена она на обособленной территории. Вот, взрывались же на космодромах ракетоносители. Трагедия? Безусловно! Но последствия такой трагедии из-за принятых мер (прежде всего, удаленности космодрома) все же нельзя сравнить с крушением поезда, когда гибнут сотни человек.

Токамак, конечно, строится так, чтобы избежать такого сценария; учитываются и принимаются во внимание различные риски; система управления и защиты строится так, чтобы всего этого надежнейшим образом избежать. Токамак один, ну, быть может, несколько. Для каждого из них предусматриваются самые совершенные технические решения.

Но давайте вспомним, что практически любая нанотехнология — не экзотика. Она, как мы ожидаем, проникает во все аспекты нашей деятельности. И технология сверхмощных соленоидов из сверхпроводящих наноструктурных проводников здесь вовсе не исключение. Их применение планируется в обычной нам энергетике — той энергетике, которая обеспечивает электроэнергией промышленные предприятия, которая приводит поезда на железной дороге в движение, которая дает нам свет и делает возможным работу бытовых приборов. Для таких соленоидов или катушек даже специальное название уже есть — СПИН, что означает аббревиатуру от слов «сверхпроводящий индукционный накопитель». Так вот эти СПИНы — потенциальные устройства обычной силовой энергетики. Ожидается, что они будут неотъемлемой частью наших сетей электропередачи, такой же, как повышающие и понижающие трансформаторы, и будут защищать наши сети от возможных скачков напряжения, приводящих, в том числе, к таким техногенным катастрофам, как веерные отключения. Да и сами трансформаторы тоже будут сделаны из подобного материала.