http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=3ea30f0e-838d-4b88-b528-b099b1c86a67&print=1© 2024 Российская академия наук
Российская научная школа ультразвуковиков успешно встроилась в мировой НТП и двигает хайтек в тех странах и отраслях, которые заинтересованы в его развитии
Про Центр ультразвуковых технологий, российскую инновационную фирму, которая поставляет уникальные ультразвуковые установки во многие страны, мне рассказали в Японии, на заводе корпорации Nippon Light Metal.
При ближайшем знакомстве в Москве выяснилось, что наши инноваторы уже много лет работают по заказам лидеров мирового хайтека — промышленных корпораций и исследовательских организаций. В России спроса на их технологии нет.
Россия работает на Японию
Алюминиевый завод корпорации Nippon Light Metal расположен у подножья священной горы Фудзи. Он был построен в 1937 году — Японии тогда было нужно много алюминия для военных самолетов. Но мировую известность корпорация приобрела благодаря своему сверхчистому алюминию, который используется для производства лучшей в мире японской электроники. Говорят, один из секретов высокой чистоты здешнего металла — особые свойства воды с Фудзи и ее предгорий.
Сегодня Nippon Light Metal задает тон на другом многообещающем направлении НТП. Здесь близки к созданию конструкционного материала нового поколения — алюминия, который по своим механическим свойствам не уступает легированной стали. Подобными исследованиями активно занимаются также в США и Германии, но пока никому не удалось найти решение главной проблемы: сделать так, чтобы алюминиевый сплав с введенными упрочняющими добавками сохранил необходимую для дальнейшей обработки пластичность.
В Японии серьезный сдвиг на этом направлении произошел в 2006 году, после того как руководство Nippon Light Metal пригласило в корпоративный технический центр профессора Университета Тохоку (г. Сендай). Им оказался выпускник Московского института стали и сплавов, специалист по металлургии и ультразвуковым технологиям Сергей Комаров.
Чтобы увеличить пластичность упрочненного алюминия, Комаров решил применить мощный ультразвук. А установку для обработки ультразвуком расплавленного металла разработала группа российских ученых под руководством доктора технических наук Олега Абрамова. «Прочность и пластичность — два конкурирующих свойства металла. Если удается измельчить зерно сплава, можно повысить и то и другое. Ультразвук как раз и дает возможность сделать это», — объясняет Сергей Комаров, ныне ведущий специалист R&D центра Nippon Light Metal.
Олег Абрамов ушел дальше всех в мире в области промышленного применения ультразвука
То, что зерно сплава можно измельчать посредством ультразвука, известно еще с 30−х годов прошлого столетия: первая научная статья на эту тему написана советским ультразвуковиком Сергеем Соколовым. Однако в металлургических цехах эта идея до последнего времени не применялась — не было промышленного оборудования. Олег Абрамов, руководитель лаборатории ультразвуковой техники и технологии Института общей и неорганической химии РАН, был одним из первых, кому удалось перейти от теории к практике — разработать для металлургов работоспособные установки. В 1993 году на базе этой лаборатории создана компания — сегодня она известна специалистам по всему миру как Центр ультразвуковых технологий (ЦУЗТ). В настоящее время им руководит сын Олега Абрамова Владимир Абрамов.
Ультразвук для всех
Советскую школу промышленного ультразвука, которая в 1960−х вышла на передовые позиции в мире, сформировали два человека — Лазарь Розенберг, возглавлявший отдел ультразвука в Акустическом институте АН СССР (АКИН), и Игорь Михайлов, основавший лабораторию ультразвука в Ленинградском государственном университете. «Ультразвук — одно из направлений, где советская наука имела явный приоритет. Эти работы активно велись, в частности, в Акустическом институте имени академика Андреева. Там был великолепный отдел, которым руководил профессор Розенберг. У него было около ста специалистов, очень много технологий было разработано, главным образом для военных — они много работали для “Севмаша”, — рассказывает научный руководитель ЦУЗТа доктор технических наук Владимир Абрамов. — От этого ядра впоследствии отпочковались разные направления, которые развивались в ВИЛСе (Всероссийский институт легких сплавов. — “Эксперт”), в ВИАМе (Всероссийский институт авиационных материалов. — “Эксперт”) и в других местах».
Олег Абрамов примыкал к школе профессора Розенберга, но работал независимо от АКИНа, сначала в своей лаборатории во ВНИИчермете, затем в Институте физики твердого тела РАН, а в начале 1990−х он перешел в Институт общей и неорганической химии РАН. Олег Абрамов был ученым-практиком, он разрабатывал методы, позволявшие с помощью ультразвука управлять тепло— и массообменом в самых разных технологических процессах — от металлургии и нефтепереработки до систем очистки воды и косметической промышленности. В большинстве этих областей ультразвук впервые нашел применение именно благодаря разработкам Олега Абрамова.
«В промышленности развитых стран ультразвук широко применяется в основном в двух областях — это ультразвуковая очистка деталей от масла и других загрязнений (так называемая ультразвуковая мойка) и ультразвуковая сварка различных полимеров. К примеру, пинг-понговские шарики свариваются ультразвуком. Много ультразвуковой сварки в производстве автомобилей. Но исследования, проведенные в лаборатории моего отца, показали, что ультразвук можно применять и во многих других областях. И для них были разработаны соответствующие методы», — продолжает рассказ Владимир Абрамов.
В металлургии с помощью ультразвука теперь можно модифицировать структуру металлических сплавов, удалять из металлов вредные примеси. В энергетике — делать тонкодисперсные эмульсии, которые применяются в качестве топлива. Принцип здесь такой: если к углеводородам подмешать небольшое количество воды, эмульсия горит лучше обычного топлива, потому что при нагреве маленькие капельки воды разрываются и хорошо распыляют эмульсию. Процесс сгорания получается более полным, а выхлопов меньше. Ультразвук используется для приготовления эмульсии, он разбивает воду на маленькие капельки и равномерно распределяет их по всему объему топливной смеси. Похожая технология работает и в косметической промышленности: можно делать тонкодисперсные эмульсии для производства кремов. Если говорить о машиностроении, то это в первую очередь обработка сварных швов. Благодаря ультразвуку можно снимать сильные растягивающие напряжения, которые создаются в зоне около шва в процессе сварки.
Железо от большой науки
Разработанные Олегом Абрамовым ультразвуковые технологии охватили столько областей, что многие промышленные компании увидели в них возможность решить свои задачи. И к ученому стали приходить за готовым оборудованием. «Его находили разные компании, фирмы, отдельные специалисты и просили: “Сделай нам установку”, — потому что никто в мире даже подходов не знал, как такие установки делать», — вспоминает Владимир Абрамов.
К примеру, чилийская металлургическая компания Codelco захотела повысить эффективность процесса обессеривания меди. «Медь — основной экспортный товар этой страны, а высокое содержание серы в ней сбивало цену. Чилийцы знали, что мой отец активно занимался методами удаления примесей из металлов, и ради встречи с ним они приехали на научную конференцию, — рассказывает Владимир Абрамов. — Мы разработали для них специальную установку, и под воздействием ультразвука сера в виде газообразного оксида SO2 стала быстрее выходить из расплава меди».
Заявок «сделай нам установку» становилось все больше, и в конце концов ученые стали делать «железо». С тех пор они разрабатывают и изготавливают узкоспециализированное ультразвуковое оборудование, каждый раз под конкретную задачу заказчика. «Наш центр работает как инженерное бюро. К нам обращаются крупные фирмы, в основном западные, со своими задачами, и мы эти задачи решаем от начала до конца. У нас полный цикл, — говорит Владимир Абрамов. — Вот, например, проблема: “Нам надо вязкую нефть добывать, которая сама не идет”. От такой формулировки мы доводим дело до промышленного комплекта оборудования, которое опускается в скважину».
Образцы оборудования, созданные по индивидуальным заказам, как правило, существуют в единичных экземплярах. «Если говорить, например, про очистку сточных вод, то сточная вода каждого предприятия — это уникальная вещь. Второй такой воды нет, значит, вторая такая же установка никому не нужна, — поясняет Владимир Абрамов. — Хотя принцип везде один и тот же: ультразвук активирует химические реагенты, делая их поверхность более развитой. За счет этого мы ускоряем процесс очистки воды в три-четыре раза и значительно удешевляем его».
Владимир Абрамов, научный руководитель Центра ультразвуковых технологий, работает с мировыми технологическими лидерами и пытается заинтересовать своими инновациями российские компании
Практически каждая созданная в ЦУЗТе установка воплощает в себе наработки отечественной школы ультразвуковиков. Если бы не Олег Абрамов, не побоявшийся пойти против некоторых влиятельных академиков, которые яро отстаивали «чистоту» фундаментальной науки и ревностно следили, чтобы она не пересекалась с практикой, эти наработки и заделы некогда ведущей школы, скорее всего, были бы утрачены вместе с их носителями. «Основы всех наших методов были заложены в той школе, которая развивалась в Советском Союзе. Они являлись результатом работы больших коллективов, которые к сегодняшнему дню фактически исчезли, — говорит Владимир Абрамов. — Большинство направлений школы закончились естественным образом — со смертью или выходом на пенсию людей, которые вели исследования. Так, в Акустическом институте осталось всего несколько специалистов, один из них работает у нас на полставки. Это уже очень пожилой человек».
Сильная команда ЦУЗТа — еще одна заслуга Олега Абрамова, не менее важная, чем уникальное оборудование, которое он довел до уровня промышленных образцов. Команда состоит из ученых разных специальностей. «У нас работают специалисты во всех областях — химики, электронщики, акустики, теплофизики. Этот коллектив мы по крупицам собирали во время развала науки — искали людей, которые реально могут что-то делать. Мы и сейчас стараемся подбирать специалистов из умирающих научных институтов, — рассказывает Владимир Абрамов. — Я страшно горжусь теми людьми, которые со мной работают».
Эта многопрофильная команда, всего около пятидесяти человек, создает установки, в которых ультразвук сочетается с другими способами воздействия на материал или среду, например с химической обработкой или нагревом. Так, в установке для обессеривания нефти «зашиты» химический метод очистки углеводородов с помощью гомогенных катализаторов и генератор ультразвука, усиливающий действие катализаторов и ускоряющий тем самым химическую реакцию. За счет подобных хитростей эффективность комбинированных установок получается выше, а их возможности шире. Как объединить разные по физической природе методы и заставить их работать сообща — ноу-хау российских ученых.
Нанобинты и сверхалюминий
В отличие от крупных производителей серийного ультразвукового оборудования ЦУЗТ специализируется на задачах, требующих нестандартных подходов и разработки принципиально новых установок. С такого рода вопросами чаще всего приходят технологические лидеры, намного оторвавшиеся в своих областях от остальных игроков рынка.
К примеру, по заказу американской фирмы 3М, известной своими инновационными продуктами, российские ученые создали оборудование для изготовления композиционных материалов. «Для 3М мы сделали серьезную технологическую установку для армирования алюминия волокнами карбида кремния. Она была высотой до потолка», — вспоминает тот контракт Григорий Дробинский, руководитель производства ЦУЗТа. Суть процесса там состояла в следующем: волокна погружали в жидкий алюминий, и этот расплав обрабатывали ультразвуком, который очищал поверхность волокон от примесей и газа и тем самым улучшал их смачиваемость расплавом и сцепление с алюминиевой матрицей после затвердевания. В результате получался композит с особыми свойствами.
А для Бар-Иланского университета (Израиль) ЦУЗТ делал установку, которая генерирует наночастицы. «Мы объединили ультразвук с электроразрядом и разожгли ионно-плазменную дугу в растворе солей магния и цинка, — объясняет Владимир Абрамов нюансы применения ультразвука для нанотехнологий. — Этим методом мы получаем большой ассортимент частиц наноразмеров». Полученным таким образом наноматериалам придавались антисептические свойства, и на их основе израильские ученые разрабатывали перевязочные средства нового поколения.
Еще один технологический лидер и постоянный заказчик российских инноваторов — уже упоминавшаяся японская корпорация Nippon Light Metal, работающая над созданием высокопрочных и износостойких алюминиевых сплавов. «Для повышения механических свойств алюминия в расплав добавляют большое количество кремния. Но сплав алюминий-кремний, если плавить его по обычной технологии, получается очень непрочным, так как там выделяются крупные кусочки кремния с острыми углами, которые при дальнейшей обработке металла порождают трещины. Если в процессе разливки воздействовать на расплав ультразвуком, кремний измельчается и при этом резко повышается пластичность сплава, — объясняет суть процесса Владимир Абрамов. — Такой материал уже пригоден для производства, например, элементов автомобильных двигателей».
Первые же испытания воздействия российского ультразвука на японский алюминий дали очень хорошие результаты. Они показали, что с помощью установок ЦУЗТа можно получить материал нового поколения — прочный и пластичный одновременно. «При введении в сплав кремния и других упрочняющих добавок алюминий по прочностным характеристикам приближается к стали, оставаясь в несколько раз легче ее, — говорит Сергей Комаров. — А если вы можете сделать более мелкозернистую структуру сплава, соответственно, вы получаете выше и прочность, и пластичность, а значит, получаете новый рынок».
Наладив промышленное производство этого инновационного сплава, Nippon Light Metal начнет вытеснять сталь из ее традиционных ниш и завоевывать новые рынки, в первую очередь автопром и подотрасль сверхскоростных поездов. «В Японии, где транспортная сфера доминирует, происходит очень жесткая борьба между сталью и алюминием. Сталь имеет прочность и все необходимые механические характеристики, но она тяжелая, а машины требуют легкости. И вот алюминий начинает подтягиваться к стали по прочностным характеристикам и вытесняет сталь, — поясняет Сергей Комаров. — Пока проблема в цене, потому что алюминий дороже стали в полтора-два раза. А прочный алюминий еще дороже».
Высокотехнологичная ерунда
Российские металлургические компании с их первым переделом к подобным технологиям интереса не проявляют. «Мы писали письма в “Русал”, в дирекцию. Они ответили, что то, что мы предлагаем, — это полная ерунда», — сетует Владимир Абрамов. Из «Норильского никеля», которому ученые предложили сделать установку для очистки никеля и палладия от серы (по аналогии с чилийской), тоже ответили, что им это не нужно.
Помимо металлургов Владимир Абрамов уже который год пытается заинтересовать своими технологиями отечественных нефтяников. Речь идет в первую очередь о методе, повышающем нефтеотдачу скважин. «Приток нефти в любую скважину по мере ее эксплуатации постепенно уменьшается по двум причинам: во-первых, нефти становится меньше, и с этим мы ничего поделать не можем. Во-вторых, призабойная зона потихонечку засоряется сгустками крупных молекул асфальтенов — тяжелых фракций нефти. Эти отложения блокируют доступ нефти из нефтеносного пласта в скважину, — объясняет Владимир Абрамов. — Опустив туда ультразвуковое оборудование, мы можем прочистить призабойную зону».
Ученые работают как инженерное бюро — поставляют заказчикам комплекты промышленного оборудования
Этот метод и уникальное оборудование, позволяющее вернуть скважину к жизни всего за несколько часов, в ЦУЗТе разработали в 2005 году. Испытания технологии проходили в США, на заброшенных скважинах нефтяной компании Elpaso, владельцы которой были уверены, что всю нефть из скважин они уже вычерпали. «У них тогда дела были плохи — 23 миллиарда долларов долга и огромное количество скважин, которые не давали нефти, — рассказывает Владимир Абрамов. — Я принес им наш проект, они похихикали и сказали: “У нас тут есть скважина, которая уже почти совсем не дает нефти. Попробуйте сделать что-нибудь. Испортить вы все равно не сможете”. Мы привезли свое оборудование. На следующий день эта скважина вместо двух баррелей дала восемьдесят. Потом американцы купили у нас сто промышленных установок для других своих скважин».
По результатам тех испытаний Центр ультразвуковых технологий получил от министерства энергетики США официальный сертификат, подтверждающий дееспособность технологии. Но даже с таким документом Владимиру Абрамову долго не удавалось достучаться до российских нефтяников. Пока цены на нефть держались на высоком уровне, его попросту никто не слушал. «Два года назад с нефтяниками вообще невозможно было разговаривать. Я ездил по всем городам и весям, просил: “Ребята, мы все оплатим, все испытания. Только дайте нам скважину, мы вам продемонстрируем!” Все без толку», — грустно констатирует Владимир Абрамов.
Есть у ЦУЗТа и еще одна инновация для нефтяной отрасли. «Мы разработали технологию, которая ускоряет стандартный процесс гидроочистки углеводородного сырья от серы на 20–30 процентов, — говорит Владимир Абрамов. — Наш метод позволит на том же оборудовании, которое имеется у наших нефтеперерабатывающих заводов, очистить гораздо больше нефти, а значит, произвести больше чистых бензинов и дизельных топлив, удовлетворяющих современным стандартам. Это очень важно для нашей страны».
Не отстать от лидеров
Сейчас оборудование Центра ультразвуковых технологий работает в 15 странах, в том числе в США, Японии, Германии, Великобритании, Израиле, Финляндии и Южной Корее. Помимо 3М и Nippon Light Metal ЦУЗТ поставляет свои установки таким компаниям, как General Electric, Alcoa, Mars, Sara Lee и др.
Олега Абрамова не стало год назад, но он успел заложить столь большой отрыв, что у ЦУЗТа до сих пор нет конкурентов. «Он ушел дальше всех в понимании ультразвуковых технологий и их применения в разных промышленных процессах, — говорит Владимир Абрамов. — Я знаю все группы, которые работают в области ультразвука. Такой группы, какую создал Олег Владимирович, не было в мире и нет».
При всем этом оборот фирмы невелик — около 10 млн долларов. Чтобы выйти на новый уровень продаж, ЦУЗТ нашел стратегического партнера — британскую компанию RegEnersys LP, которая войдет в капитал фирмы и будет продвигать российское оборудование в Европе и США.
Нынешний финансовый кризис Владимир Абрамов намерен использовать, чтобы упрочить технологическое лидерство ЦУЗТа: «У нас есть некие заделы и ресурсы, и мы хотим использовать высвободившееся из-за кризиса время, чтобы сделать новые разработки, в которые будут заложены новые принципы, новые материалы, новая электроника, новые преобразователи электричества в ультразвук. То есть сделать те перспективные вещи, которые откладывались на потом, потому что до кризиса мы были очень загружены работой».
Затягивать с этим нельзя, так как технологические лидеры, основные заказчики ЦУЗТа, не стоят на месте и, несмотря на кризис, активно продолжают работы на перспективных направлениях. Так, израильтяне уже довели свою разработку до готового продукта и в этом году заказали ЦУЗТу очередную установку, на этот раз для нанесения наночастиц на перевязочные материалы с помощью ультразвука. Эти «нанобинты» скоро появятся на рынке.
Корпорация Nippon Light Metal тоже не собирается замораживать работы по созданию материала нового поколения. Ее подгоняет инновационный спрос со стороны Toyota, Honda и других японских автопроизводителей. Прочный алюминий им необходим, чтобы сделать новые модели своих автомобилей более легкими, а значит, более экономичными. «Производители машин шкурно заинтересованы в том, чтобы выдать машину полегче. Они готовы покупать даже дорогой алюминий, только дайте им хорошие прочностные свойства, — поясняет Сергей Комаров. — Если мы к этой планке подтянемся, мы автоматически попадаем на этот рынок. То есть нам не надо будет просить: “купите”, они сами скажут: “давайте!”»
В ближайшее время Сергей Комаров с инженерами технического центра намерен начать отладку нового техпроцесса в цехах завода. В случае успешного внедрения технологии измельчения зерна сплава Центр ультразвуковых технологий получит заказ на несколько новых установок для обработки алюминиевого расплава.