Освоение Арктики — сегодня в России одна из приоритетных задач. Академик Вячеслав Михайлович Бузник уверен, что успешно справиться с ней помогут новые специальные материалы.
Вячеслав Михайлович, у нас сейчас освоению северных территорий уделяется очень большое внимание.
Не только сейчас, Арктика осваивается давно. Эскимосы, чукчи, алеуты и другие коренные народы живут в этих местах уже многие сотни, а то и тысячи лет, возможно, с начала голоцена. Русские люди тоже давно осваивают холодные территории. Так, Семен Дежнев еще в середине XVII в. за 15 лет прошел Северным морским путем до Тихого океана, присоединив к русскому царству новые земли. Хотя интерес к северным землям уже имеет большую историю, процесс проходил без серьезной научной проработки и имел эмпирический характер. Это касается и материалов, применяемых в Арктике, — области моих научных интересов. В современном понимании уровень исследований определяется наличием научных публикаций и патентов. Как показал библиометрический анализ, серьезные и системные исследования в арктическом материаловедении зафиксированы лишь полвека назад. В нашей стране они связаны с созданием хладостойких сталей для строительства магистральных трубопроводов при освоении сибирских месторождений углеводородов, со строительством ледоколов и арктических судов. Так что можно говорить, что арктическое материаловедение — молодое научное направление, но без него Арктику освоить невозможно.
АРКТИКА МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКАЯ
Наш мир материален, и в нем все, что ни возьмешь, обязательно начинается и существует в материальной форме. Яркий пример тому — развитие информатики.
Какая связь? Информация материальна?
Материальна ли информация, мысль, идея, теория — об этом философы спорят столько, сколько существуют наука и искусство. Так, граф Калиостро в фильме «Формула любви» рекламировал материализацию идеи и образов. Но никто не спорит с тем, что материальны носители информации. Изначально она передавалась через пиктограммы, наскальные рисунки и живопись, то есть носителем был камень. Потом появились рукотворные носители — глиняные таблички, береста, папирус, пергамент, бумага. С ними появился алфавит, а затем книгопечатание, определившие культуру всей современной цивилизации. Наконец, сейчас передача и хранение информации вышли на совершенно новый материаловедческий уровень — электронный, еще век назад считавшийся фантастикой. Такие трансформации влияют на развитие всего человечества, его мировоззрение, культуру, науку.
Хотите сказать, что скачки в развитии материаловедения — это скачки в развитии цивилизации?
В некоторых случаях да. У нобелевского лауреата по физике Джорджа Паджета Томсона есть замечательное высказывание: «Развитие цивилизации определяется наличием материалов, имеющихся в ее распоряжении». Для России освоение Арктики и холодных территорий, а их в стране большинство, важно, как ни для одного другого государства. Перефразируя Е.А. Евтушенко, можно сказать: «Арктика в России больше, чем Арктика». Это четко и емко сформулировано в высказывании нашего великого соотечественника М.В. Ломоносова: «Российское могущество прирастать будет Сибирью и Северным океаном и достигнет до главных поселений европейских в Азии и в Америке». Будучи помором, он видел важность этого региона для отечества.
Известно, что многие материалы на холоде ведут себя по-иному, чем в климате умеренных широт. Яркий пример — холодостойкость или, лучше сказать, хладноломкость стали, лучшего и самого массового конструкционного материала как по свойствам, так и стоимости. Сталь, которая при обычных температурах достаточно прочна и пластична. при низких температурах под напряжением разрушается. Поэтому для прокладки северных трубопроводов и строительства ледоколов необходимо использовать стали, специально разработанные для этих целей.
Арктическая экспедиция Умберто Нобиле в 1928 г., наверное, тоже из-за этого погибла. До сих пор точно не установлено, почему его дирижабль «Италия» упал недалеко от Шпицбергена.
И не только эта экспедиция, таких было много. Помните, почему погибла экспедиция капитана Татаринова в романе В.А. Каверина «Два капитана»?
Конечно помню: потому что двоюродный брат Татаринова Николай закупил для экспедиции некачественные материалы.
Скорее, не некачественные — не думаю, что он желал своему кузену смерти, — а обычные. А надо было особенные.
Но «Два капитана» — это роман, вымысел. Известно, что В.А. Каверин историю погибшей экспедиции списал с экспедиции знаменитого исследователя Севера В.А. Русанова на боте «Геркулес», пропавшей в Карском море в 1913 г. Но у «Геркулеса» был не стальной корпус, а деревянный.
В экстремальных условиях не только сталь, но и другие материалы кардинально меняют свойства. Вспомните школьные опыты, когда резиновая палочка, которая легко гнется, растягивается и даже завязывается в узел, после обработки жидким азотом (его температура -196° С) становится хрупкой, как хрусталь, и при ударе разлетается на мелкие кусочки. Надо отметить, что в Арктике кроме низких температур есть еще одно бедствие — влага. А это что значит?
Обледенение.
Обледенение и корродирующее воздействие. Вода, попадающая внутрь материала, при переходе температуры через ноль градусов Цельсия замерзает, расширяется, что ведет к внутренним напряжениям и деформациям, сопровождаемым трещинами и разрушениями. Поэтому к материалам, применяемым в Арктике, требования должны быть особо жесткими.
Кроме климатических требований, арктические материалы подвержены и логистическому фактору. В Арктику, как и в космос, нужно все везти. Более того, если в космос можно лететь в любое время года, то завоз в Арктику и на холодные территории можно реализовать только в период речной и морской навигации. Как следствие, арктические материалы должны быть очень прочными, надежными, безаварийными и долговечными. Желательно, чтобы была возможность их ремонтировать на месте, иначе из-за какой-то мелкой для южных широт поломки из строя может выйти весь агрегат. Типичный пример, с которым сталкивались все, кто работал на северных месторождениях, где используется мощная горнодобывающая техника (МАЗы, БелАЗы, бульдозеры и т.д.): зачастую ее заводят в сентябре и глушат по весеннему теплу, поскольку в холод ее вновь не запустишь. По статистике, 30% аварийных остановок техники происходят из-за меленьких резиновых прокладок, которые при низких температурах теряют свои эксплуатационные качества. А теперь представьте, во сколько обходится полугодовой простой БелАЗа.
МАТЕРИАЛЫ СЕМИДЕСЯТОЙ ШИРОТЫ
Но если Арктика нам так дорого обходится, зачем она вообще нужна?
Есть несколько факторов, определяющих необходимость освоения Арктической зоны. Первый — экономический. В России всегда прорыв в Арктику приводил к усилению экономики. Так, основание в 1600 г. первого русского заполярного поселения Мангазеи привело к серьезному росту добычи пушнины. Периодов, когда россияне активно шли в Арктику, было несколько. Помимо экономического фактора, они были мотивированы климатическими, религиозными и социально-политическими обстоятельствами, когда люди были вынуждены уходить в некомфортные регионы. Самым успешным пришествием было советское, когда удачно наложились два фактора: политический (государству было необходимо осваивать эти территории, организовывая северную промышленность, создавать города) и научно-технический (были созданы требуемые морозостойкие материалы. а с ними и необходимая техника и технологии, сделавшие Арктику более доступной и позволившие организовать в ней промышленное производство). Благодаря советскому заделу Россия и сегодня считается лидером, поскольку 80% населения, живущего в арктической зоне, — российское. Самые крупные заполярные промышленные предприятия созданы в Норильске, на Кольском полуострове. Более 60% производства мировой арктической металлургии приходится на Россию. У нас работает единственная в мире атомная электростанция, сооруженная в зоне вечной мерзлоты, — Билибинская АЭС.
А в конце года в бухте Певек должна дать ток самая северная в мире атомная теплоэлектростанция на плавучем энергоблоке «Академик Ломоносов».
Совершенно верно, и это еще одно подтверждение нашего лидерства. Но чтобы его сохранить, а лучше приумножить, нужны системные научные исследования, в том числе и в области материалов. Уместно вспомнить слова Д.И. Менделеева: «Без светоча науки и с нефтью будут потемки».
И как сегодня у нас обстоят дела с этой научной проработкой?
Хуже, чем кажется. Если во времена СССР на долю отечественного арктического материаловедения приходилась почти половина мировых публикаций и патентов, то сейчас планка сильно опустилась (до 5%). Мы провели опрос российских специалистов, в котором среди прочего просили назвать страны мира, лидирующие в арктическом материаловедении. Большинство респондентов поставили на первое место Россию, на второе — Канаду, на третье— США. далее— Норвегию, Финляндию, Данию. А если судить по библиометрическим показателям, то сегодня по патентам и научным статьям «впереди планеты всей» находятся совсем не арктические страны — Япония и Китай. Из 4327 документов, среди которых 3854 патента, эти цифры однозначно демонстрируют практическую направленность арктического материаловедения. На долю Японии приходится 44%, Китая — около 30%. Показатели арктических держав гораздо скромнее. У нас третье место, но отрыв от второго — гигантский.
То есть российские материаловеды переоценивают свои достижения?
Получается, что так. Столь высокая самооценка происходит, возможно, вследствие незнания зарубежных исследований, патриотизма и того факта, что Россия — до сих пор лидер освоения Арктики. В то же время Япония и КНР усиленно рвутся вперед. При этом они идут на восточные хитрости.
Какие?
Публикуя статьи в международных англоязычных журналах, патенты они регистрируют на родных языках, тем самым ограничивая доступ иностранных специалистов к результатам своих практических исследований. Вообще, интерес к арктическому материаловедению растет стремительно. За последние десять лет число выдаваемых в год патентов выросло в три раза, сейчас оно достигло 400. А вот количество журнальных материалов невелико, меньше 50 статей в год.
До академического ажиотажа далековато. Но что сейчас мешает развитию отечественного арктического материаловедения?
В первую очередь, разрозненность исследований и отсутствие кооперации и координации как между научными организациями, так и между отдельными учеными. Во многих научных структурах исследования в этой области имеют характер сопутствующих, часто ведутся эпизодически, бессистемно. Д.И. Менделееву приписывают выражение: «Прибор должен работать не только в принципе, но и в кожухе», однако зачастую академические исследования ограничиваются первой частью в надежде, что кто-то возьмет на себя вторую. Это вторая причина.
Но ведь от конструкторов, занимающихся, скажем, сооружением арктических трубопроводов или строительством ледоколов, есть заказы на лучшие низкотемпературные материалы?
К сожалению, тут не все так радужно. Не все, что лучше, востребовано. Один генеральный конструктор, выступая, сформулировал свою позицию: «Мне не нужно как лучше, мне нужно, чтобы работало». Ученому-материаловеду хочется сделать материал необычный и эффектный, а конструктору нужен надежный и эффективный. Конструкторы и практики при создании техники и сооружений предпочитают новшествам проверенные материалы. Поэтому чем революционней новый материал, тем меньше у него шансов быть востребованным у конструкторов...
...которые уже привыкли к определенной стали или композиту.
Это естественно, поскольку конструктор в них уверен, а с новыми неизвестно, получится или нет. В этом серьезное препятствие для внедрения новых материалов. Устранить разрыв между материаловедами и конструкторами можно, организовав системное и постоянное сотрудничество между институтами материаловедческого, химического и технического профилей, с одной стороны, и структурами, осваивающими Арктику — с другой. Разумеется, одного энтузиазма исследователей недостаточно, очень важна организационная и иная поддержка государства. Информация о роли и значении материаловедения в освоении Арктики должна быть донесена до органов власти и общественности. Это можно сделать в форме дорожной карты «Развитие отечественного арктического материаловедения».
ХОЛОДНО, ЕЩЕ ХОЛОДНЕЕ...
И куда будут вести дороги этой карты?
В упомянутом опросе был вопрос о том, в каких отраслях специальные арктические материалы наиболее востребованы. На первом месте (18%)— морские и речные суда, на втором и третьем — полярная авиация и наземный транспорт (по 15%). Далее идут добыча и транспортировка углеводородов (13%). материалы для горнодобывающей техники (12%), строительные материалы для сооружения, включая жилье и дороги (10%), материалы арктической энергетики (8%), материалы бытового назначения (6%). Интересно отметить, что эти результаты почти совпали с показателями библиометрического анализа.
Цели известны, а из чего, собственно, эти дороги будут строиться?
Тут доминируют высокомолекулярные соединения, полимеры. По числу статей и патентов они превосходят металлы и сплавы почти в семь раз.
Неужели полимеры надежнее металлов?
Дело не в надежности, а в разнообразии и широте их применения. Высокомолекулярные соединения — основа для производства термопластов, эластомеров, реактопластов, олигомеров, используемых как индивидуально, так и в качестве компонентов композитов в клеях, герметиках и лакокрасочных материалах и других покрытиях.
А если говорить не о публикациях, а о реальных объемах?
Тут, конечно, металлы впереди. Их преимущественно используют как конструкционные материалы при прокладке газо- и нефтепроводов, строительстве морских судов, нефтедобывающих платформ, железнодорожной инфраструктуры и прочего.
И как создаются такие новые материалы?
Есть две тенденции. Первая— модифицирование уже существующих материалов таким образом, что они становятся применимыми и в арктических условиях. Например, многие авиационные материалы эксплуатируются в условиях, близких к арктическим или даже более жестких. Самолеты многократно попадают из теплых земных условий в зоны низких температур во время высотных полетов, при больших механических нагрузках. А зачастую именно смена температурного режима наиболее сильно влияет на состояние материала. Очевидно, что многие авиационные материалы и подходы к их производству, эксплуатации могут быть модифицированы для Арктики. Исследования по арктическим материалам во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ) поддержаны Российским научным фондом (гранты № 14-33-0032 и № 18-13-00392). Наглядный пример адаптации к арктическим условиям — высокопористые тепло- и огнезащитные керамические материалы, разработанные для обшивки космического аппарата «Буран». Главный их недостаток — гидрофильность.
Гидрофильность? Воду любят?
Обожают! Капля воды мгновенно впитывается в образец из-за капиллярных эффектов. И если для «сухого» космоса это не критично, то для Арктики с ее высокой влажностью, помноженной на низкую температуру, ситуация более чем серьезная. Впитавшаяся вода губит замечательное свойство материала — низкую теплопроводность, а двукратное замерзание и таяние воды в образце вообще приводит к разрушению массивных образцов. Но мы нашли способы, как справиться с этой проблемой. Достаточно нанести на поверхность образца тончайший, до 10 нм, слой обладающего гидрофобными свойствами фторполимера, и он годами не впитывает влагу.
Используете для лечения гидрофилии гидрофобы? Разумно.
Кроме влагозащиты, такое покрытие попутно помогает решить и много сопутствующих задач: снижает коэффициент трения, повышает износостойкость, коррозионную стойкость, электроизоляционные показатели.
ЗАМКИ СНЕЖНОЙ КОРОЛЕВЫ
Вторая тенденция — целенаправленное создание специально для Арктики материалов. Скажем, на основе такого древнего строительного материала, как лед...
Обыкновенный лед? Ну да, помнится, императрица Анна Иоанновна в середине XVIII в. строила для своего придворного шута князя Михаила Голицына ледяной дом. Только вот, насколько помню, он недолго простоял, с февраля по апрель.
Ну, Анна Иоанновна — далеко не первая, кто догадался создавать ледяные жилища. Канадские эскимосы издавна строили из ледяных блоков свои дома-иглу. Просто, дешево и быстро, - небольшое иглу создается примерно за час. Иную технологию используют якуты. Они сначала строят из дерева вигвам, а потом обливают его водой, которая быстро замерзает и скрепляет шесты намертво и герметизирует щели. Изнутри, чтобы не было теплоотдачи и лед не таял, его отделывали шкурами. Получается просторное, теплое и достаточно надежное жилище.
В Швеции, Финляндии и Канаде ежегодно строятся настоящие ледяные отели, которые функционируют с декабря по апрель. В них даже кровати и стаканы в баре сделаны изо льда. Следует упомянуть и всемирно известный фестиваль ледовых сооружений в Харбине (КНР), ежегодно проводимый зимой.
У нас нехватка на Севере хороших дорог и мостов компенсируется устройством ледовых переправ и зимников. Я по таким ездил. Там зимой на замерзших реках ставят временные знаки дорожного движения, посты ГИБДД. Даже небольшие мотели и кафе стоят на берегах.
Ледовая «Дорога жизни» по Ладожскому озеру в 1941-1943 гг. спасла от гибели десятки, если не сотни тысяч ленинградцев. Кстати, у нее было официальное название «Военно-автомобильная дорога № 101». Лед на полярных станциях используется при создании взлетно-посадочной полосы для полярной авиации. А нефтяники для повышения нефтеотдачи арктических скважин используют так называемые криогели — ледово-полимерные композиты. Вообще, у льда как у строительного материала есть масса плюсов. Это истинно арктический материал, он дешев, всегда под рукой сырье — вода, и его не надо завозить, для его создания подходит природный холод, а период эксплуатации— большая часть арктического года, ему не страшны ни низкая температура, ни высокая влажность.
Скорее, наоборот, они ему полезны.
Но лед — как двуликий Янус. У него на все плюсы есть и минусы, с которыми приходится бороться. Если не считать риска таяния при положительной температуре, то главный недостаток — хрупкость. Стоит на него немного надавить — он трескается.
Так многие материалы— цемент, глина, гипс — тоже хрупкие. Ровно до тех пор, пока их не армируют.
Армировать лед пробовали уже давно. Еще в 1942 г. британский инженер, журналист и разведчик Джеффри Пайк предложил изготавливать композит, на 85% состоявший изо льда и на 15% — из древесных опилок.
ЛСП, ледово-стружечная плита?
По имени создателя новый материал назвали «пайкерит». Он в два раза прочнее чистого льда, тает значительно медленнее, отсутствует хрупкость и он формуем при наложении давления. Англичане даже планировали построить из пайкерита непотопляемый авианосец Habakkuk гигантских размеров (600 х 100 х 60 м). Однако уже в 1943 г. стало ясно, что проект слишком дорог и научно-технически не проработан, и решили отказаться от его реализации.
Значит, тупик?
Отнюдь. То, что было тупиком в прошлом веке, сейчас может стать проходным. Мы во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов ведем системные исследования прочностных свойств ледяных композитов с различными армирующими наполнителями. Изучались наполнители льда различных морфологии и химического состава: полимерные, минеральные, растительные волокна, сетки, опилки, стружка, хвойные иголки и т.д. Если пластина льда, полученная заморозкой дистиллята, разрушается при малом прогибе (порядка 2 мм), то ледяной композит, армированный двумя слоями органических или углеродных волокон, сохраняет целостность даже при растрескивании ледяной матрицы. Прочность композита вырастает до шести раз, а деформация — до 15. Меняется и характер растрескивания: в композитах оно становится многоступенчатым и сильно отличается от разлома ледяного дистиллята по числу и форме трещин. Даже при разрушении ледяной матрицы композит выдерживает нагрузку за счет вводимой арматуры. Структуру ледовой матрицы можно модифицировать, добавляя различные высокомолекулярные вещества, используемые, например, при заливке льда спортивных сооружений. Тип наполнителя, его концентрация существенно влияют на зернистую структуру льда, следовательно, и на его прочностные, эксплуатационные свойства. Сочетание армирования и модифицирования приводит к синергизму, улучшающему физико-механические и другие свойства ледового композита.
Значит, теперь мы сможем построить ледяной авианосец?
Думаю, сейчас в этом нет необходимости. А вот применять ледяные композиты при строительстве хозяйственных объектов в Арктике было бы крайне полезно и экономически выгодно. Сейчас ведутся работы по созданию арктических материалов с элементами «интеллектуальности». Скажем, в ледяной композит вмораживают сенсорное оптоволокно. Частота световой волны, проходящей по этим волокнам, чувствительна к деформации льда, и это позволяет проводить мониторинг деформации ледовой конструкции от внешнего механического воздействия.
Иначе говоря, при деформации будет изменяться цвет проходящего по вмороженному оптоволокну луча?
Примерно так, поскольку частота излучения в конечном счете определяет его цвет. Используя возможность фиксировать накопление деформации льда при циклическом нагружении образца, можно прогнозировать разрушение льда и предупреждать аварийные ситуации. А это чрезвычайно важно для ледовых объектов: дорог, разгрузочных площадок, взлетно-посадочных полос.
Вот так, значит, мы искали-искали лучшие материалы для Севера, а оказалось, что мы все с ним с детства знакомы. Все так просто...
Совсем не просто. У льда более 50 различных параметров, которые определяют его структуру и свойства. Известно около 17 кристаллографических структур льда, да еще три аморфные фазы, как следствие образцы льда сильно различаются по прочностным характеристикам, даже если создаются по одной и той же технологии. Так что лед — очень сложный объект, я бы сказал, капризный и непростой в технологическом плане материал, но очень интересный и неисчерпаемый в исследовательском плане.
Вы говорили, что чем материал интереснее, тем сложнее доказать его важность конструкторам.
Надеюсь, это удастся. В последнее время в мире появились исследования, связанные с управлением прочностными свойствами льда посредством его механической обработки, своеобразная ковка. А вы, журналисты, должны помочь растопить лед скепсиса в отношении льда как конструкционного материала.
В целом перспективы развития отечественного арктического материаловедения представляются оптимистичными, в первую очередь — в силу того, что интерес к арктической тематике порожден потребностями государства, а не только модой и интересом ученых к арктическому материаловедению.
■
Беседовал Валерий Чумаков
