Генератор идей. "В МИРЕ НАУКИ" №8-9

Ведущий ученый в области рентгеновской физики и кристаллографии, создатель принципиально нового метода изучения структуры вещества, талантливый организатор науки, один из идеологов развития нанотехнологий в России, автор концепции конвергентных природоподобных технологий и многих других идей, ведущий научной телепрограммы Михаил Валентинович Ковальчук 21 сентября отмечает свой юбилей.

Мы давно сотрудничаем с М.В. Ковальчуком, знаем его не только как ученого и руководителя легендарного Курчатника, но и как обаятельного, увлеченного, широко образованного человека, в котором, как пишут журналисты, лирик часто побеждает физика — не только потому, что он много и вдохновенно цитирует любимых поэтов, но и из-за его влюбленного, даже страстного отношения к науке. Мы рады, что некоторые идеи Михаила Валентиновича Ковальчука были представлены, иногда даже впервые, на страницах журнала «В мире науки» и портала «Научная Россия», но, конечно, прежде всего, в знаменитой телепрограмме С.П. Капицы «Очевидное — невероятное», гостем которой в свое время неоднократно был М.В. Ковальчук.

От всей души поздравляем Михаила Валентиновича с юбилеем и желаем ему крепкого здоровья, неиссякаемой энергии, новых масштабных свершений!

Предлагаем вашему вниманию дайджест из самых ярких материалов М.В. Ковальчука, которые в разные годы были опубликованы в журнале «В мире науки».

КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ: ОТ АТОМНОГО ПРОЕКТА ДО КОНВЕРГЕНЦИИ (ВМН, СПЕЦВЫПУСК, 2013)

«И.В. Курчатов и атомный проект»

В СССР фамилию И.В. Курчатова знал любой школьник. Он, его сотрудники, созданный им институт уже в 1950-е гг. стали легендарными. Конечно, с самим Курчатовым я не был знаком, лишь читал о нем, слышал от его друзей и соратников. Невозможно представить, как этот человек буквально вытащил на себе всю махину советского атомного проекта. И.В. Курчатов был чрезвычайно широко образованным ученым, поэтому он понял и смог решить сложнейшие проблемы атомной энергетики, охватывая самые разные области знаний — химию, физику, геологию, информатику. По сути, он был именно междисциплинарным ученым, это было необходимым требованием для организации новой атомной науки. Научную эрудицию, интуицию, дар собирать вокруг себя настоящих подвижников, концентрировать все силы на достижении приоритета И.В. Курчатов сочетал с блестящим талантом организатора. В мировой науке это встречается крайне редко. Он создал с нуля, в тяжелейших условиях войны совершенную научную систему, школу, которая не только решила в кратчайшие сроки задачу создания ядерного оружия, но и стала родоначальником взрывного развития множества уникальных технологий, научных направлений, которыми мы гордимся и по сей день. Из атомной бомбы возникла атомная энергетика, как одно из ее направлений развилась атомноводородная энергетика, где для получения водорода используют высокотемпературные газовые реакторы. Следующий шаг — от процесса деления атомного ядра к синтезу, термоядерной энергетике, управляемому термоядерному синтезу, для чего было необходимо освоить магнитное удержание плазмы, а значит, возникла потребность в новых материалах со свойствами сверхпроводимости. В процессе создания атомной бомбы возник атомный реактор, а будучи установленным на подводную лодку, он обеспечил ей недостижимый ранее запас автономности.

После этого мы сделали первый в мире атомный ледокол, благодаря чему и сегодня активно присутствуем в Арктике. Для атомного проекта было необходимо научиться выделять различные изотопы и работать с ними, и мы создали промышленность по разделению изотопов, которые лежат в основе ядерной медицины, диагностики, позитронно-эмиссионной томографии, лучевой терапии и т.д. Затем мы начали строить ускорители и нейтронные реакторы, в результате создали уникальную исследовательскую базу, в полной мере работающую сегодня в Курчатовском институте.

Синхротронная эпопея

Я хорошо знал последователя И.В. Курчатова — А.П. Александрова. Он сыграл большую роль в моей научной судьбе. Анатолий Петрович Александров много лет был директором Курчатовского института и президентом АН СССР, обладал огромным авторитетом, жизненным опытом и колоссальной интуицией.

В начале 1980-х гг. во всем мире начиналось развитие микроэлектроники, и благодаря А.П. Александрову наши совместные с Курчатовским институтом работы были включены в межведомственную программу по микроэлектронике. В рамках этой деятельности мы познакомились с Е.П. Велиховым. Тогда это был его главный научный интерес после физики плазмы, УТС. Будучи по своей сути государственным человеком, Е.П. Велихов вынес проблему развития микроэлектроники и информационных технологий у нас в стране на высший уровень, создал и возглавил отделение информационных технологий в АН СССР, начал развивать эти технологии и в Курчатовском институте, где впоследствии родился российский интернет. С 1984 г. началась синхротронная эпопея, когда параллельно шло строительство мощного промышленного синхротрона для микроэлектроники в Зеленограде и небольшого исследовательского в Курчатовском институте. В этой деятельности участвовали многие ученые из Курчатника, новосибирского Института ядерной физики им. Г.И. Будкера, Института кристаллографии им. А.В. Шубникова, ряда зеленоградских НИИ. После развала советской системы ВПК и ключевых министерств строительство Зеленоградского синхротрона заморозилось на долгие годы, а Курчатовский удалось довести до ума. В 1998 г. в Министерстве науки нашими стараниями при активной поддержке академиков А.Ф. Андреева и Ю.А. Осипьяна была открыта Федеральная программа по синхротронному излучению. Е.П. Велихов и тогдашний директор института А.Ю. Румянцев создали в Курчатнике Институт синхротронных исследований и предложили мне его возглавить с учетом моего опыта работы практически на всех синхротронах мира, а также активного участия моей лаборатории рентгеновской оптики и синхротронного излучения Института кристаллографии РАН в создании станций на Курчатовском синхротроне. Будучи кристаллофизиком, то есть междисциплинарным исследователем, благодаря работе на синхротронах, объединяющих ученых самых разных специальностей от физиков-теоретиков до археологов, оптиков и ускорительщиков я все время углублял междисциплинарность.

Директор Курчатовского института

Я включился в работу Курчатовского института в 1998 г., будучи при этом директором академического Института кристаллографии. На синхротроне все еще было в стадии строительства, монтажа первых станций: ПРО, БЕЛОК, РКФМ, рентгеновской кристаллографии, спроектированных и созданных в ИК РАН. В октябре 1999 г. пустили первый пучок, на торжественную церемонию открытия приехал премьер-министр В.В. Путин. Это было знаковым событием: впервые за десятилетие удалось сделать важный шаг для всей нашей науки. По сей день синхротрон Курчатовского центра синхротронного излучения (КЦСИ) остается единственным специализированным источником СИ на постсоветском пространстве.

В 2005 г. Е.П. Велихов предложил мне стать директором Курчатовского института. Для меня это стало неожиданностью. Мы только начали выкарабкиваться из провала предыдущего десятилетия, возглавляемый мной Институт кристаллографии РАН успешно развивал новые темы, связанные с белковой кристаллографией, нанобиотехнологиями, рентгеновскими методами диагностики, получением молекулярных пленок и т.д., а тут предстояла абсолютно новая, колоссальная по масштабам и сложности задача.

Предыдущие перестроечные годы не прошли даром и для такого гиганта советской науки, как Курчатовский институт. Вся научная система России за эти годы была дестабилизирована, состояла из кластеров, каждый из которых боролся за выживание. Я глубоко убежден в том, что наука ни одной страны мира не восстановилась бы после такого глубокого шока. Мы выжили только благодаря огромному потенциалу советской науки, ее научным школам, которые, как каркас,ьпродолжали сдерживать рассыпающуюся на глазах конструкцию.

От микробиологии к нанотехнологиям

Необходим был новый глобальный проект, который и «потащит» за собой уже существующие направления, и даст старт принципиально новой науке.

Сначала мне представлялось, что таким локомотивом может стать синхротрон с его междисциплинарной сущностью, широкими возможностями для материаловедения, диагностики, но в процессе стало ясно, что это пусть важная, но частность, а нужна идеология научного ренессанса. Постепенно эта идеологическая линия начала вырисовываться все яснее. В провальные для российской науки 1990-е гг. во всем мире произошел гигантский скачок в развитии исследований с использованием СИ. Благодаря рентгеновскому и синхротронному излучению развилась, например, молекулярная биология. Неслучайно первые крупные мировые центры наноисследований стали образовываться на базе уже существующих синхротронных источников, прежде всего в США при национальных лабораториях (Аргоннской, Брукхейвенской, им. Лоуренса в Беркли и др.). Эти американские наноцентры были разнонаправленными — кто-то ориентируется больше на биотехнологии, кто-то на нанодиагностику и т.д. На Курчатовском синхротроне мы развернули исследования в области материаловедения, нано- и биотехнологий, молекулярной биологии и медицины, методов нанодиагностики с атомарным разрешением. Поэтому к названию «Курчатовский центр синхротронного излучения» в 2005 г. было добавлено «и нанотехнологий», поскольку к тому времени уже стало очевидно их взаимодополнение. Нанотехнологии, суть которых в конструировании принципиально новых материалов путем направленного манипулирования атомами и молекулами, уже давно развивали и в нашей стране, и за рубежом. Но понимание того, что это не просто еще одна новая технология (пусть даже атомно-молекулярная), а переход на новый этап научно-технологического развития, возникло в начале 2000-х гг.

О расшифровке генома человека

На территории Курчатовского института мы создали Центр нанотехнологий, который включал в себя новый нанотехнологический корпус, модернизированный Курчатовский центр синхротронного излучения и исследовательский реактор ИР-8. В институте существовала также научная школа по микроэлектронике. Из «нанотехнологических» примеров работ тех лет — разработка новых наноконструкционных материалов для корпусов атомных реакторов и наноструктурированных покрытий для различных инструментов; новые методики синтеза наноструктурных электрокатализаторов (в том числе многокомпонентных) и нанесения электрокаталитических слоев; создание экспериментального датчика давления жидких и газообразных сред с уникальными характеристиками на станции ЛИГА с использованием метода глубокой рентгеновской литографии; новые методы получения токонесущих элементов и лент из высокотемпературных сверхпроводников; разработка технологий создания нанопорошков различного применения — от авиации до биомедицины; создание наноэлектромеханических устройств, в том числе микророботов, способных перемещаться внутри кровеносных сосудов, и т.д.

Инфраструктура Курчатовского института — синхротронный и нейтронный источники, суперкомпьютер, технологический комплекс микроэлектроники — составила мощную базу не только для материаловедческих исследований. Мы начали восполнять недостающую биологическую составляющую, собирать коллектив единомышленников, подключили к работе известных российских биологов, прежде всего академика К.Г. Скрябина. Его коллектив в кратчайшие сроки оборудовал биологический корпус, запустили первые направления — генно-инженерное и белковую фабрику. Первой «выстрелила» расшифровка генома. В начале 2000-х гг. во всем мире начался прорыв в геномике, связанный с развитием нанотехнологий и молекулярной биологии, в результате чего появилось новое направление — ускоренная расшифровка генома живых существ. Расшифровка генома человека, произведенная в лаборатории геномики Курчатовского НБИКС‑центра в 2009 г., была восьмой в мире.

ПРЕКРАСЕН НАШ СОЮЗ (ВМН, № 4, 2015)

О НБИКС-технологиях

В Курчатовском институте создан центр НБИКС-технологий. Нанотехнологии — это методология конструирования в основном неорганических материалов путем атомного манипулирования. Биотехнология вводит сюда биоорганику, и мы можем построить гибридный материал — неорганическую подложку, на поверхности которой находится биоподобный детектор, например фоточувствительный белок родопсин. Затем информационные технологии превращают неорганическую подложку в интегральную схему. Мы создаем некий детектор с биоприемником и с интегральной схемой, которая не только что-то измеряет, но и выдает сигнал обратной связи — это известные микроэлектромеханические системы (МЭМС). И, наконец, когнитивные технологии, основанные на изучении сознания, принятии решений, фактически создают базу для создания алгоритма оживления, одушевления создаваемых систем. И все это через когнитивные исследования базируется на социогуманитарных технологиях.

Например, мы решили создать искусственный глаз. Для этого нужно собрать десятки разных специалистов — медиков, биологов, химиков, кристаллографов, физиков, инженеров и т.д. Только их каждодневная работа в одном коллективе, единая цель даст возможность решить эту проблему. Главная идея НБИКС‑конвергенции — воссоздать природоподобные технологии на основе соединения достижений микроэлектроники с образцами живой природы. Современная наука уже способна воспроизводить системы и процессы живой природы — например, синтезировать клетки, искусственные ткани и органы. В этом смысле НБИКС-конвергенция имеет ярко выраженную направленность на человека. Ведь речь идет о новых материалах и системах, необходимых прежде всего для медицины (включая диагностику, терапию, доставку и изготовление лекарств, замену поврежденных тканей и целых органов), для транспорта, связи, жилья, охраны окружающей среды. Еще одно важнейшее направление НБИКС‑конвергенции — воссоздание природоподобной генерации энергии и крайне экономного природоподобного энергопотребления. Такие исследования также полным ходом идут сейчас в Курчатовском институте. Фактически это и есть конвергенция наук и технологий, первый этап НБИКС-проекта — нового прорыва XXI в.

О возможностях НИЦ «Курчатовский институт»

Современная междисциплинарная база Курчатовского института — это един ственный на постсоветском пространстве специализированный источник синхротронного излучения, нейтронный исследовательский реактор, суперкомпьютер, технологический комплекс микроэлектроники, токамаки. Такое сочетание высокотехнологичных установок на площадке одного института не имеет аналогов.

У нас восемь ресурсных центров, в которых сосредоточено самое современное оборудование. Сейчас активно идет создание технологического корпуса, который будет все это переводить в практику.

Чем это полезно для гуманитарных наук? Например, есть объект, которому много тысяч лет. Неважно, какой он — органический, биоорганический, неорганический. Мы пускаем на него пучок рентгеновского излучения или нейтронов, который пронизывает этот материал, и можем его зафиксировать, увидеть поглощение, определить толщину, коэффициент поглощения и т.д. Но часть этого проходящего излучения может отразиться при определенных условиях. И тогда мы можем увидеть отраженные в нем лучи, структуру. Часть поглотится, и поглощение будет выделено веществом в виде флуоресцентного кванта или электрона, имеющего характеристическую энергию. Это своеобразный «лейбл» вещества. Сочетание дифракции и спектроскопии дает возможность определить, в каком положении находится атом в любом веществе и каков тип этого атома. В применении к проблеме сохранности музейных объектов мы можем увидеть и изучить происходящие в них процессы деградации на атомном уровне, понять, почему так происходит, и принять решение, как на это можно повлиять.

О мамонтенке Юке и сгоревших свитках

Синхротронное излучение — это базовая диагностика для многих направлений: от медицины и археологии до наук о Земле. Работа с органическими и неорганическими соединениями, создание трехмерных моделей, исследование объектов на атомарном уровне — лишь малая часть возможностей, которые дает синхротрон. Мы можем с его помощью видеть, как устроены атомарная структура или молекула, можем наблюдать поверхность на уровне мембраны, ее дефекты, примеси и пр. Объектом исследования могут быть различные археологические артефакты, органические останки, содержащие генетические материалы для анализа ДНК, произведения искусства, архитектуры, живописи, ювелирные украшения. При этом можно работать с объектами очень малых масштабов, что крайне важно. Это дает возможность проводить исследования, не рискуя утратить оригинальный объект, ведь достаточно лишь нескольких частиц, чтобы получить нужный результат.

Говоря о возможностях синхротрона, можно вспомнить о свитках, сгоревших при извержении Везувия 24 августа 79 г., но сохранившихся в виде застывшего пепла. С помощью синхротронного излучения удалось прочитать надписи на этих свит ках, сделанные 2 тыс. лет тому назад. Еще один пример — компьютерная томография статуи Будды, которая завершилась удивительной находкой мумии монаха внутри нее.

Сейчас активно развиваются также аддитивные технологии, которые позволяют осуществлять вместе с компьютерными технологиями реконструкцию объектов. Около 20 лет назад, например, с помощью таких технологий были идентифицированы останки царской семьи. Подобные технологии позволяют воспроизводить в принципе любые модели. Это важно, например, не только в медицине, но и в реставрационных работах и т.д.

Из недавних примеров. В Курчатовском институте мы изучали мозг мамонтенка Юки, который пролежал во льду 40 тыс. лет. Была сделана томограмма, а затем стереолитографическая копия его мозга, которая позволила увидеть его структуру и сделать 3D-модель.

Нет сомнений, что такая конвергенция современных естественно-научных методов и гуманитарного знания готовит нам в самом ближайшем будущем много новых интереснейших открытий и находок.

МАЛЕНЬКОЕ СОЛНЦЕ НА ЗЕМЛЕ (ВМН, № 3–4, 2021)

На территории НИЦ «Курчатовский институт» работает цех, где производятся и тестируются сверхпроводящие кабели и для наших токамаков, и для международного проекта ITER.

Сотни тонн таких сверхпроводящих кабелей были изготовлены на предприятиях ГК «Росатом», а затем прошли тестовые испытания на площадке Курчатовского института перед их отправкой на юг Франции в Кадараш, где строится международный термоядерный реактор ITER. Это российский вклад — интеллектуальный и материальный. В основе этого международного мегапроекта — наш токамак, идея которого была предложена и воплощена впервые в мире в Курчатовском институте. А у истоков развития ITER на международной арене еще в 1980-е гг. стоял академик Е.П. Велихов, благодаря которому не только наша страна вступила в этот проект, но и было создано содружество России, США, Евросоюза и Японии для старта ITER. Позже к ним присоединились КНР, Южная Корея и Индия. По технологической и, можно сказать, идеологической сложности аналогов этому проекту в международном масштабе нет. Вклады стран распределяются равными долями между ведущими участниками. Мы поставляем туда технологии и готовые элементы. Ожидается, что на полную мощность реактор сможет заработать в 2035 г. Проект ITER — это не просто создание новой технологии или установки, пусть даже мегауровня, а фактически переход к новым принципам овладения энергией, процессами, происходящими в звездах, когда при слиянии ядер изотопов водорода, дейтерия и трития выделяется огромное количество энергии. Подобного мы пытаемся добиться в проекте ITER. Повторю, что никогда раньше в мире не строили установок такой сложности. Человечество стоит на пороге ресурсного коллапса, но при этом наши потребности в энергетических мощностях будут постоянно возрастать. Очевидно, что для выхода из ситуации необходимо, во-первых, искать новые источники, во-вторых, снижать потребление. Так что термоядерная энергетика может стать альтернативой многим известным источникам энергии. К тому  же сегодня из УТС развились сверхпроводимость, плазменные технологии, которые очень востребованы и в медицине, и в космонавтике.

Пока у нас нет очевидной альтернативы атомной энергетике, но мы понимаем, что топлива, на котором работают современные АЭС, урана-235, хватит на 50–70 лет. А что будет дальше? Сейчас серьезно рассматриваются проекты гибридного реактора, который сочетает в себе принципы ядерной и термоядерной энергетики, то есть сможет стать мостиком к переходу на новые принципы генерации энергии. По прогнозам экспертов, ближайшее десятилетие может стать решающим для реализации таких проектов. Крайне важно и то, что ресурсы топлива для термоядерной энергетики — дейтерия и трития — намного превосходят запасы нефти, газа, угля, урана на нашей планете. Дейтерия много в морской воде, а тритий достаточно легко можно получать из лития.

В обозримом будущем вопрос о новых источниках энергии вместе с нехваткой пресной воды станет ключевым для развития человечества. А, как я уже говорил, в основе термоядерной энергетики — природоподобные технологии, значит, это энергетика будущего.

Подготовила Ольга Беленицкая

Фото предоставлены НИЦ "Курчатовский институт"