Высокие технологии для лучшей жизни

Фото pixabay.com

Исполнительный комитет по развитию в РФ высокотехнологичной области "Технологии новых материалов и веществ" провел 5 июня заочное заседание. Ранее, 27 апреля, правительством РФ была утверждена дорожная карта по развитию таких технологий. Это стало важным шагом в выполнении подписанного в июле 2019 года соглашения между федеральным кабмином и госкорпорацией Росатом. Расширение использования аддитивных технологий, новых материалов, редких металлов, уже незаменимых в современном обществе, позволяют качественно улучшить его жизнь.

В основе дорожной карты лежат четыре ключевых направления, определяемых в соответствии с мировыми трендами: это аддитивные технологии, полимерные и композиционные материалы, редкие и редкоземельные металлы, новые конструкционные и функциональные материалы и вещества. На заседании исполнительного комитета, в состав которого вошли более 60 представителей власти, госкомпаний, институтов развития, крупного бизнеса, научных и образовательных организаций, было принято решение о создании Центров компетенций по продуктовым направлениям "Полимерные композиционные материалы" и "Редкие и редкоземельные металлы", а также определены задачи центров по реализации дорожной карты.

Дорожная карта Росатома стала первым документом, утвержденным в рамках реализации соглашений правительства РФ с высокотехнологичными компаниями, и уже перешла в стадию активной реализации. Так, 25 мая было подписано соглашение между госкорпорацией и ФГУП "ВИАМ", направленное на сотрудничество в сфере развития аддитивных технологий, полимерных композиционных материалов и продукции на их основе.

Все продуктовые направления тесно связаны между собой и с каждым годом все более активно входят в нашу жизнь. В России уже разрабатываются и производятся изделия из металлических сплавов, высокотемпературной керамики, полимерных композиционных материалов, которые требуют дальнейшего развития и создания современного оборудования и программного обеспечения и подготовки специалистов в этом стремительно развивающемся научно-техническом направлении.

3D-печать

Тема 3D-печати - одна из самых "раскрученных" в мире: никого уже не удивишь "распечатанным" кузовом для суперкара или уникальными кроссовками, учитывающими индивидуальные анатомические особенности стопы. Не так давно появились принтеры для печати еды, возможности которых несравненно шире, чем у привычных мультиварок. Они позволяют создавать оригинальные блюда без лишних усилий: просто загрузи рецепт из интернета, правильно распредели ингредиенты, а принтер полностью приготовит как простейший сэндвич, так и изысканное блюдо высокой кухни.

Встречаются и социально значимые проекты. Например, в Мексике в 2020 году на 3D-принтере собираются изготовить целый поселок для бездомных. А американские биологи из института Wake Forest успешно осуществили 3D-печать живой ткани: напечатанные ухо и мышечная структура после имплантации животным нормально функционировали и развили систему кровеносных сосудов.

В России сегодня 3D-печать востребована в первую очередь в машиностроении для высокотехнологичных отраслей - авиации, космонавтики, судостроения, энергетики и добывающей промышленности. Новые технологии позволяют в три раза ускорить технологические процессы, поднять до 90% эффективность использования материалов.

Активно развивается применение аддитивных технологий в медицине, например, в эндопротезировании. Аддитивные изделия, ячеистая структура которых позволяет кратно ускорять остеоинтеграцию, дают новые шансы людям с ограниченными физическими возможностями. Ведутся работы по производству на 3D-принтерах биологических объектов. Время печати и изготовления прототипов пилотных изделий уже сегодня измеряется несколькими часами и днями, что совершенно меняет работу конструкторов, ее темпы и эффективность.

В Росатоме с помощью этих технологий создают опытные образцы элементов атомных реакторов: внутрикорпусные устройства и антидебризные фильтры. 3D-печать позволяет создавать изделия с меньшей массой, чем у аналогичных, произведенных классическим путем, что совершенно не сказывается на их свойствах при применении.

В перспективе 3D-технологии будут применяться при сварке крупногабаритных металлических конструкций сложной конфигурации в судостроении и реакторостроении. Это направление активно развивается в передовых университетах России, научных организациях и промышленных предприятиях.

Принтеры следующего поколения - 4D - будут изготавливать детали или готовые изделия из новых материалов с программируемыми свойствами, высоким качеством, высокой точностью и производительностью. Речь пойдет уже не о принтерах, а о целых цифровых цехах, заводах.

Композиты

Еще одно динамично развивающееся направление - полимерные композиционные материалы. Они широко представлены в изделиях, с которыми мы соприкасаемся ежедневно. Например, когда едем на велосипеде (углепластиковая рама), в вагоне метро (интерьер из стеклопластика) или автомобиле (элементы корпуса, диски, баллоны высокого давления).

Композиты широко используются в строительной отрасли: системы внешнего армирования на основе углеродных лент применяются для усиления зданий и сооружений при реконструкции, усиления опор ЛЭП и мостов, восстановления несущей способности после аварий. Они все чаще вытесняют традиционные материалы из сферы ЖКХ: большое распространение получают композитные люки, трубы, скамейки, опоры уличного освещения. Такие материалы не только практичны, но и эстетичны: отличное подтверждение этому - легкие, маневренные и красивые яхты из углепластиков.

Но прежде всего композиты - это "материалы будущего". Сочетая в себе лучшие свойства традиционных материалов, они активно используются в технологических решениях, предъявляющих повышенные требования к физико-механическим и прочим характеристикам их элементов. Например, в болидах "Формулы-1", лопастях ветроустановок и космических летательных аппаратах.

Первой отраслью, оценившей их преимущества (легкость, высокая прочность, технологичность, стойкость к агрессивным средам), стала авиация. К настоящему моменту доля полимерных композиционных материалов в передовых образцах пассажирского самолетостроения возросла с 1% до 50%, что способствует повышению топливной экономии, снижению выбросов и стоимости обслуживания на всем жизненном цикле. Сегодня композиты используются в различных отраслях мировой промышленности: космической, автомобиле- и судостроении, строительстве, безуглеродной энергетики (ветро-, водородная энергетика), индустрии спортивных товаров. Более того, мы все чаще соприкасаемся с композитами при активном досуге: когда берем в руки хоккейную клюшку, удочку или лыжные палки.

Расширение сферы применения композитов сопровождается увеличением требований к их свойствам. В связи с этим быстрее всего растет спрос на углепластики - на 11% в натуральном выражении ежегодно, то есть рынок "удваивается" каждые семь лет.

Редкие металлы

Редкие и редкоземельные металлы также давно вошли в нашу жизнь: они являются неотъемлемой частью любой электроники - батареи, экрана смартфона, ноутбука или компьютера, микрочипов, устройств памяти и др. Без них в составе оптоволокна невозможен высокоскоростной качественный Интернет. Применяются они в медицине, например, в составе сверхмощных магнитов для томографов.

Стеклянную поверхность экрана любого гаджета делает сенсорной, то есть реагирующей на прикосновения, крупица редкого металла индия. Напыление европия и тербия дает цветовые оттенки на экране, частицы тантала регулируют мощность телефона, а литий и кобальт "аккумулируют" энергию, которая делает мобильный телефон собственно "мобильным".

Другой металл, германий, лежит в основе систем инфракрасной термографии, то есть ночного видения, применяемой в самолетах и кораблях. Своей высокой скоростью ракеты и самолеты обязаны еще одному металлу, рению, из которого изготавливаются корпуса и лопасти турбин, сопла двигателей и др.

В медицине кроме производства электронных приборов и инструментов такие металлы очень важны и в протезировании - тантал уникален своей биосовместимостью, благодаря которой изготовленные из него протезы принимаются организмом.

Отдельного внимания заслуживает использование редкоземельных металлов в каталитическом процессе крекинга нефти: оно играет значимую роль в переходе к самому современному экологическому стандарту "Евро-6", регулирующему содержание вредных веществ в выхлопных газах автомобилей. Вопросы экологии актуальны для всего продуктового предложения в области "Технология новых материалов и веществ": вся продукция и процесс ее производства экологически безопасны, и это дополнительный стимул к ее широкому внедрению.

Перспективным направлением являются новые конструкционные и функциональные материалы и вещества. Потребность в углеродных материалах, функциональных пьезоматрицах, химических волокнах, высокопрочных пластмассах, сплавах и других инновационных материалах в российской промышленности очень высока. Они будут широко применяться при производстве медицинской техники, материалов для жилищного строительства и других социально значимых сфер.

Такие материалы обладают более высокими механическими, электрическими, магнитными, радиационными, оптическими или другими характеристиками, что позволяет их применять практически в любой сфере жизнедеятельности.

Особо показателен пример возможного применения этих материалов в совершенно фантастическом кейсе, о котором не мечтал и Жюль Верн. В будущем у ракет может появиться альтернативный вид транспорта, позволяющий выйти в космос - "космический лифт". Он представляет собой ленту, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе. Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца, и лента находится непрерывно в натянутом состоянии. По теоретическим расчетам углеродные нанотрубки позволяют изготовить трос чрезвычайно большой прочности на разрыв в сочетании с низкой плотностью, а значит, создание космического лифта является решаемой инженерной задачей. Фантастичность этого проекта, кстати, не испугала NASA, которое уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований.