Высокие технологии для лучшей жизни

Росатом инициирует расширение использования новых материалов
10.06.2020
Владимир Полканов

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.

Реализация мероприятий "первой волны" утвержденной дорожной карты уже началась: в ближайшее время планируется сформировать площадки для обсуждения, поиска и экспертизы проектов. А это значит, что высокотехнологичная продукция в ближайшие годы станет неотъемлемой частью нашей жизни и сделает ее интереснее, комфортнее и продуктивнее.

Читайте другие наши материалы