|
|
|
№ 1 (3722), 23 января 2006 года
|
 |
|
|
|
|
Грузите
нанокристаллы
ведрами
Ученые Петербургского университета способны очистить город от устаревших боеприпасов. Модифицированные взрывчатые вещества предлагается использовать в качестве сырья для синтеза нанокристаллитов, пользующихся большим спросом на высокотехнологичном рынке.
Опасное соседство
Вдоль дороги от Большой Ижоры в сторону Соснового Бора длинной чередой тянутся военные арсеналы. Ту же картину можно наблюдать в окрестностях Ломоносова, Павловска, Пушкина, Гатчины, Васкелово. Петербург сегодня буквально окружен военными базами с устаревшим вооружением. Многие из них находятся в непосредственной близи от кварталов города, населенных пунктов области и промышленных объектов — например, рядом с АЭС в Сосновом Бору. Зачастую склады занимают стратегически важные для Петербурга площади, например, в Кронштадте.
По расчетам экспертов, на военных складах по всей стране хранится около пяти миллиардов снарядов, срок эксплуатации которых давно истек. Некоторые из них находятся в арсеналах чуть ли не со времен русско-японской войны. По оценкам Генерального штаба ВС РФ, сегодня складские помещения переполнены в 2-3 раза, а к 2012 году размещать боеприпасы будет просто негде.
— По закону новые боеприпасы нельзя хранить вместе с устаревшими, — комментирует руководитель инициативной группы по переработке взрывчатых веществ научными методами, сотрудник НИИ физики СПбГУ Владислав Борисович БОЖЕВОЛЬНОВ. — Снаряды с истекшим сроком хранения попросту вытаскивают на улицу, оставляют чуть ли не под открытым небом. Если у изделия истек нормативный срок, необходимо смотреть за ним вдвойне внимательно. Однако людей, обслуживающих боеприпасы, нет. Это общая проблема наших Вооруженных Сил. Возникает вопрос: кто отвечает за безопасность этих снарядов, кто их охраняет?
Целевая программа комплексной утилизации устаревших боеприпасов находится в стадии разработки уже много лет. До недавнего времени от снарядов с истекшим сроком годности избавлялись несколькими вынужденными способами: сжигали, взрывали или затапливали. Естественно, все это наносило и наносит ущерб экологии региона. По статистике, загрязненность почв и воздуха на Северо-Западе в среднем в два раза превышает норму, что сопоставимо с показателями Урала, одного из самых индустриально нагруженных и экологически неблагополучных регионов страны.
Владислав Борисович отмечает, что квалифицированно к утилизации начали подходить только недавно. В основном речь идет о химиках, которые научились перерабатывать однородные взрывчатые вещества в неплохие лаки и краски. Однако проблема состоит в том, что химической переработке поддаются далеко не все боеприпасы.
— Как утверждают специалисты, головной болью при утилизации являются так называемые смесевые взрывчатые вещества, — поясняет директор государственного предприятия «Импульс-М» Сергей Павлович СМИРНОВ. — Эти вещества ядовиты и — как бы сказать помягче — «неуправляемы». Сегодня для того, чтобы они не взорвались при сверхнормативном хранении, используют так называемую флегматизацию — попросту сплавляют их с маслами или парафином. Однако сжечь такие смеси становится еще труднее, а объем ядовитых веществ в них резко возрастает. Поэтому флегматизация — это не решение проблемы, а откладывание ее на завтра.
Разворот на сто восемьдесят
С.П.Смирнов и В.Б.Божевольнов познакомились в 1995 году. Первый пытался спасти от уничтожения уникальный комплекс, проектировщиком и директором которого являлся. Второй — много лет занимался исследованиями нанообъектов и очень заинтересовался использованием мощностей «Импульса» для синтеза наноструктурированных материалов.
«Импульс» представляет собой «пятиэтажный» подземный комплекс, заложенный в конце 70-х годов для испытаний аппаратуры подводных лодок в предельно жестких условиях. Создание засекреченного предприятия было регламентировано двумя постановлениями ЦК КПСС — к проектировке, строительству и эксплуатации были привлечены лучшие специалисты. В результате, — полушутя-полусерьезно замечает Смирнов, — по сложности комплекс был сопоставим с орбитальной станцией. Однако в начале 90-х, после развала СССР, эксплуатация объекта оказалась нерентабельной, и его решили закрыть. Группа инициативных инженеров во главе со Смирновым стала искать выход — и нашла его. Оказалось, что комплекс как нельзя лучше подходит для переработки взрывчатых веществ в нанокристаллиты — мельчайшие частицы вещества, манипуляции с которыми позволяют ученым создавать материалы с новыми свойствами.
Исследованиями наноматериалов Владислав Борисович Божевольнов занимался еще с начала 80-х годов. За двадцать лет университетские специалисты накопили уникальный опыт, который было решено использовать для решения проблемы утилизации. В 1996 году Божевольнов и Смирнов пришли к проректору по науке Санкт-Петербургского государственного университета Владимиру Николаевичу Трояну с проектом переработки устаревших взрывчатых веществ в нанокристаллиты. Университет проект поддержал. Сегодня в рамках «Наукограда Петергоф» создается междисциплинарный центр нанотехнологий и наноструктурированных материалов, который объединит физический, химический, математико-механический и геологический факультеты СПбГУ. Именно этот центр возьмет на себя научное сопровождение технологического процесса.
Элементарные манипуляции
Ученые, занимающиеся нанотехнологиями, имеют дело с очень маленькими частицами вещества — размером от 1 (10-9 м) до 1000 нанометров, что сопоставимо с размерами атомов или небольших молекул. На таких уровнях электронные свойства систем становятся квантовыми, и материал приобретает совершенно новые качества.
— Если мы покрываем определенную поверхность миниатюрными нанокристаллами, то на них можно легко вырастить более плотный материал со свойствами, которые будут транслироваться от этих кристаллов, — объясняет Божевольнов. — Работа со взрывчатыми веществами в этой связи интересна тем, что большинство обычных материалов имеют гексагональную структуру, а детонационные — как правило, кубическую. Электрофизические свойства у них разные. И если мы на детонационном материале нарастим обычный, то в рамках одной химической структуры получим так называемый композитный активный материал с новыми электрофизическими свойствами, которые мы можем прогнозировать.
Сфера применения наноматериалов необычайно широка. В первую очередь, это антикоррозионные покрытия, обеспечивающие принципиально новый уровень защиты поверхностей. Нанотехнологии окажутся незаменимы в водородной энергетике: например, для разработки аккумуляторов водорода — через железо водород проникает легко, а нанопокрытие его удержит. Еще одно направление — создание топливных элементов для прямого преобразования химической энергии в электрическую. КПД современных двигателей внутреннего сгорания в среднем составляет всего 20 %, а у электрических двигателей — более 90%. Адсорбирующие свойства наноматериалов можно использовать для создания поглотителей шума и радиоволн (по сути, технология самолетов-невидимок «Стеллс» основана на использовании разнообразных саж, представляющих собой нанокристаллиты), производства разнообразных датчиков и дозаторов. Медики смогут вшивать нано-структурированные контейнеры с дозаторами, в нужный момент впрыскивающими в организм лекарство. Уже существуют наноструктурные аналоги целых органов — например, почек, фильтрующих токсины, или поджелудочной железы, регистрирующей дисбаланс в организме и в нужный момент синтезирующей инсулин. В сфере альтернативных источников энергии ближайшая цель — создание солнечных батарей. На нанокристаллитах можно выращивать очень дешевые полупроводниковые фоточувствительные материалы. Уже сегодня с одного квадратного метра можно получать до 100 Вт энергии, в перспективе — до 0,5 кВТ.
Для создания наноматериалов требуется первоначальное сырье — те самые нанокристаллиты. Их синтез в промышленном масштабе — важнейшая задача, стоящая сегодня перед отечественной наноиндустрией. По словам Владислава Борисовича Божевольнова, производство нанокристаллитов можно организовать двумя способами. В первом случае для их синтеза требуются «очень чистые» химические реактивы и большое количество электроэнергии. Результат — граммы конечного продукта. Это очень дорогой способ, который сегодня применяется на некоторых российских предприятиях для создания уникальных изделий электроники. Божевольнов и Смирнов предложили гораздо более экономичный выход: использовать, по сути, даровое сырье — устаревшие взрывчатые вещества. При взрыве в реакторе они способны дать и энергию, и исходный материал для синтеза нанокристаллитов.
Собрать «ведро нанокристаллитов»
По замыслу авторов проекта, комплекс государственного предприятия «Импульс-М» должен превратиться в экспериментальный реактор, реализующий последние достижения фундаментальных исследований в области синтеза нанокристаллитов. Подготовленные специальным образом взрывчатые вещества будут загружаться в камеру и подрываться. Фактически, твердое взрывчатое вещество быстро превратят в смесь жидкого углерода и газообразных продуктов. В камере установятся огромная температура и огромное давление. Если температура будет падать медленнее, чем давление, то продукты детонации просто разлетятся по сторонам. Если же медленнее будет падать локальное давление, появится возможность подобрать режимы, при которых начнется кристаллизация.
— После этого из газообразного вещества нужно выделить нанокристаллиты, — рассказывает Владислав Борисович, — фактически собрать ведро наноразмерных частиц в пятиэтажном здании. Для этого потребуется выявить зону, где они образуются, и подать туда при высоком давлении некоторую жидкость, которая, подобно обычному туману, сконденсируется на нанокристаллах. Такая «капелька тумана» — это уже довольно крупная частица, и ее можно поймать. Отделив впоследствии жидкую фазу, можно получать нанокристаллиты в нужном объеме к определенному времени. Дело в том, что нанокристаллиты — очень активные вещества, их невозможно хранить долго. Поэтому покупатель должен будет забрать их на месте.
Оборудование «Импульса» позволяет управлять процессом в очень широком диапазоне. Сегодня у этого процесса есть два направления развития — производство крупных поликристаллов, годящихся только для абразивов (этим путем идут существующие предприятия Белоруссии, Украины и России), или же производство гомогенных фракций кристаллитов (Китай). Специалистам Петербургского университета удалось выделить две фракции таких кристаллитов: это хорошо известная фракция наноалмаза (целевой продукт) и фракция углерода с ярко выраженными квантовыми электронными свойствами при комнатных температурах. Последние очень перспективны для производства катализаторов, покрытий, поглощающих акустические или электромагнитные волны в заданных диапазонах.
По словам Божевольнова, уже сейчас за нанокристаллитами, которые будут синтезированы в рамках проекта по утилизации боеприпасов, выстроилась очередь покупателей — настолько велик на них спрос. Стоимость нанокристаллитов на рынке — от 5 до 15 долларов за грамм. Таким образом, за килограмм продавец может получить до пятнадцати тысяч долларов. Однако нанокристаллиты — товар специфический. Во всем мире вопросами его реализации занимаются специализированные научные конференции, которые вырабатывают особые методы сертификации и контроля качества. Проходят такие международные конференции и в нашей стране. К сожалению, они особенно отчетливо позволяют увидеть фундаментальную проблему российской наноиндустрии — катастрофическое отсутствие специалистов. «Если я не подготовлю магистра, который со стороны промышленности будет способен покупать материал, мне его продать будет некому, — пожимает плечами Божевольнов. — Поэтому университет должен будет сначала продать Министерству промышленности и энергетики специалиста, а потом новый материал».
У истоков новой отрасли?
— Главное, что мы поняли и через что нам удалось перешагнуть, — у чиновника все хорошо, пока нет вопросов, — говорит В.Б. Божевольнов. — Выходить к чиновнику с объяснением, что на самом деле все плохо, — дело изначально безнадежное и даже опасное. Сохранить «Импульс» было тяжело именно потому, что он был немым указанием на проблему. В середине девяностых, когда мы стали ходить по кабинетам со своим проектом, на нас смотрели, как на сумасшедших. Вокруг был бардак, воровство, а мы приходили и говорили о какой-то утилизации научными методами, которая может быть выгодна для всех. Тогда все зарабатывали на продаже гильз. Взрывчатое вещество флегматизировали, оставляли на складе, а гильзу — как-никак первоклассная латунь — сдавали в цветмет. 15 кг под мышкой, по полтора доллара за килограмм — неплохие деньги».
— Когда нас поддержал университет, а потом и ведомственные институты — работать стало гораздо легче, — продолжает Сергей Павлович Смирнов. — К нам стали относиться с пониманием на всех уровнях. Начинают вникать — оказывается, мы предлагаем решение, а не просто говорим о проблемах.
По словам Божевольнова, больше всего его обрадовала положительная реакция военных. Люди выслушивали объяснения ученых, вникали в ситуацию и меняли свое отношение к проблеме. «Они понимают, что в рамках только технических решений данный подход не развить — это принципиально новое научное направление. В конечном счете, университет даст продукт Министерству промышленности и энергетики, Федеральному агентству по атомной энергетике, которому нужны антикоррозионные и водородостойкие покрытия, а военные получат новые технологии утилизации, которые в дальнейшем будут эксплуатировать самостоятельно».
Сегодня вокруг проекта объединились уже девять отраслевых институтов и научно-образовательных учреждений. И это не предел: подключается ЛЭТИ, Политех, Физтех. Сейчас перед командой стоит сложная задача организации взаимодействия. Государственное предприятие «Импульс-М» будет интегрироваться в структуру университета. Получена поддержка Роснауки, пилотный проект обсуждается на правительственном уровне.
По словам С.П.Смирнова, с 1 января начнется очередной этап по переоборудованию и модернизации «Импульса». Необходимо подготовить внутренние поверхности камеры – зачистить их, демонтировать непрофильное оборудование и поставить новое. «Первыми потребителями нанокристаллитов будем мы сами, – говорит Смирнов, — необходимо создать идеальную поверхность внутри камеры».
После того как камера будет подготовлена, университет заключит договор с военными, чтобы те предоставили специалистов для обслуживания комплекса в рамках программы утилизации. Военные должны привезти боеприпасы и загрузить их в камеру. Выполнение несвойственных университету функций по инженерно-техническому обслуживанию экспериментального реактора при этом останется за специализированным предприятием, а организация технологического процесса — за учеными СПбГУ.
— Наши математические физики на теоретическом уровне уже давно решают задачи, которые стоят перед нами сегодня, — говорит Божевольнов. — Мы должны объяснить им нашу прикладную задачу, выслушать, снова перевести их рекомендации с теоретического на экспериментальный уровень. После этого нужно будет придумать, как изменить оснастку комплекса «Импульс-М» под реализацию их условий.
— На голом энтузиазме за девять лет мы сделали все, что могли, — резюмируют оба. — Теперь нужны реальные финансовые вливания на министерском уровне. Первый этап уже позади — определены структурообразующие компоненты отрасли, налажены взаимоотношения. Сейчас начинается второй этап — включение в технологический процесс, старт экспериментов на базе «Импульса». На повестке — создание экспериментального реактора, первые испытания на котором ожидается провести уже к концу 2006 года. А дальше — с появлением первых миллиграммов продукции появятся и покупатели. На третьем этапе мы должны будем вывести продукт на рынок и передать часть технологий военным и промышленным министерствам. Наличие собственного продукта позволит активизировать и фундаментальные исследования с привлечением специалистов биологического, медицинского факультетов университета и биомедицинских центров нашего города. Как видите, масштаб работ огромный — собирается чуть ли не новая отрасль».
Сухой остаток
По ожиданиям разработчиков проекта, создание технологической схемы промышленной утилизации боеприпасов, в которую будет включен синтез нанокристаллитов, позволит достичь сразу нескольких результатов. Будет создано российское наукоемкое производство конкурентоспособного продукта со стопроцентным отечественным ноу-хау. Затраты Министерства обороны на утилизацию снарядов снизятся за счет применения новых технологий. Сегодня военные возвращают при утилизации примерно 15% вложенных средств, сдавая гильзы на переплавку. Если они согласятся привлекать технологии создаваемого центра, то возврат автоматически возрастет до 25%: не надо будет тратиться на флегматизацию и сложные методы уничтожения снарядов. Вместе с тем, производство напрямую зависит от научного сопровождения, поэтому ученые рассчитывают на то, что нынешние и дальнейшие научные исследования в этой сфере также получат достойное финансирование. На уровне города появится возможность решить проблему экологически чистой утилизации боеприпасов с истекшим сроком хранения. Петербург избавится от серьезной угрозы и сможет использовать для стратегически важного строительства территории, к которым сегодня примыкают арсеналы и военные базы. 
Игорь Макаров
|
