Наносвод: авторский подкаст Анатолия Чубайса

Последние события и самая актуальная информация о деятельности РОСНАНО

Нобелевская премия за наноматериалы. Часть 2(21)

«Наносвод» — подкаст, созданный, чтобы давать простые ответы на сложные вопросы об инновационных технологиях и людях, которые их делают.
03 сентября 2020

Что объединяет обтекатели ракет, истребители пятого поколения и судостроение? Как сверхсовременные материалы спускаются с орбиты в нашу повседневную жизнь и насколько трудно их «приручать», если за открытия в этой области получают Нобелевскую премию. Об этом речь пойдет во второй части серии выпусков «Наносвода» с Анатолием Чубайсом и советником Председателя Правления РОСНАНО по науке Сергеем Калюжным.

Елена Тофанюк: Простите, а вы можете рассказать, что такое фуллерен?

Сергей Калюжный: Фуллерен — это химическое соединение, которое состоит из 70–90 атомов чистого углерода и имеет форму футбольного мяча. Раньше мячи были из таких шестиугольных заплаток. Если атомы углерода расположить по вершинам такого мяча, то получится фуллерен, довольно устойчивое химическое соединение.

Елена Тофанюк: Тоже применяется для прочности, да?

Сергей Калюжный: Для прочности — мало, потому что эта молекула не обладает такими армирующими свойствами, как трубка. Трубка — это длинная молекула, которая может в одном направлении обеспечивать армирующие свойства. Графен — это плоскость, которая может укреплять, армировать какой-то материал. А фуллерен — точка, мячик, который находится в океане материала.

Анатолий Чубайс: Тут все просто, Лена. Вот не знаю, как Вас, а нас в школе учили, что углерод в природе может существовать в форме двух кристаллических решеток. Одна решетка называется графит, она послойная, поэтому, когда мы графитовым карандашом пишем, слой за слоем отрывается, остается след. Вторая форма — пирамида. Если углерод в форме пирамиды, то это алмаз, объясняли нам в школе. Он сверхпрочный, потому что пирамида как конструкция очень прочная. Я с этим знанием школу закончил, все прекрасно. А в 90-е годы выяснилось, что, оказывается, кроме этих двух форм, есть еще форма под названием фуллерен. А потом выяснилось, что есть еще и трубка. А затем Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию в начале 2000-х годов. Они открыли, что кроме этих форм существует еще и графен, то есть просто один слой атома углерода. Вот и получилось три наноматериала. Первый — графен, один слой материала, 2D его иногда называют — два направления, два измерения. Второй называется нанотрубка. Материал 1D — он совсем малого диаметра, по-моему, 3–5 нанометров, но зато он длинный. Ну и фуллерен — то есть просто шарик, одна молекула.

Сергей Калюжный: У которой измерение — ноль.

Анатолий Чубайс: Да, строго говоря, это 0D.

Сергей Калюжный: 0D, да. По-научному это называется аллотропные формы углерода.

Анатолий Чубайс: Какие из этих материалов могут улучшить базовые прочностные свойства? Для цемента, металла и пластика самое главное, конечно, это прочность. Это и есть фундаментальный драйвер прогресса. Так вот, из этих трех наноматериалов, как мы сейчас доразобрались, всерьез повлиять на прочность могут именно нанотрубки. А не фуллерен и не графен.

Сергей Калюжный: Есть применение графена для точечного повышения прочности, но гораздо в меньшей степени, чем углеродных нанотрубок.

Елена Тофанюк: В общем, мировая научная мысль вокруг углерода и его кристаллической решетки вертится. Правильно я понимаю?

Сергей Калюжный: Это основной элемент жизни. Вся жизнь состоит из углерода.

Елена Тофанюк: Хорошо. А мы можем представить использование этих суперматериалов где-нибудь в космосе, на Марсе?

Анатолий Чубайс: Да в том-то и дело, что это не интересно.

Елена Тофанюк: Почему?

Анатолий Чубайс: Да по тем причинам, о которых я говорил. Возьмем один из трех материалов, о которых мы сейчас говорили — углепластик, самый прочный из всех троих. Соответственно, дальше ищем сферу его применения. Первой сферой стал космос. Например, головной обтекатель баллистической ракеты. Это, как правило, углепластик. Почему? Да потому что вывод каждого килограмма веса в космос обходится очень дорого. Уменьшить вес в космосе невероятно важно. Экономия каждого грамма вывода — это экономия веса. В космосе в год используется тонна, две, три, это все не про массовое производство. Но следующим шагом из космоса углепластик опустился в авиацию. Боинг-дримлайнер — 52% углепластика. Что такое черное крыло, про которое многие слышали? Истребители пятого поколения, в том числе российские, — это углепластик. Наш Сухой Суперджет без черного крыла, а МС21 — это уже черное крыло, углепластик. В Ульяновске есть прекрасный завод, называется «Авиастар», который методом вакуумной инфузии обеспечивает изготовление ключевых деталей черного крыла для самолета МС21. Следующая стадия, следующий передел, это, конечно же, земля. Углепластик, прежде всего, пойдет в транспорт. И для нас важнейшее событие было год назад, когда Средне-Невский судостроительный завод в Питере спустил на воду катамаран «Грифон» — первое гражданское российское пассажирское судно, у которого корпус из углепластика. Это передел колоссального значения. Судостроение за всю свою историю прошло один передел — переход с дерева на металл. То, что происходит сейчас, это начало гигантского перехода с металла на углепластик. И объединенная судостроительная корпорация активно и всерьез этим занимается. «Грифон» подтвердил свою работоспособность. Это был первый эксперимент — работающее реально судно, на котором можно в Петербург плавать и сейчас. А дальше речь идет о переводе его в серию. И переход углепластика на землю и воду — это, конечно, важнейший прорыв с точки зрения масштаба будущего рынка. Следующая стадия и следующий настоящий прорыв — это строительство. Потому что то, что сегодня происходит в других отраслях с углепластиком — это элитные спортивные изделия, клюшки, карбоновые велосипеды, это все хорошо, конечно, но это все…

Сергей Калюжный: Ракетки, автомобили спортивные.

Анатолий Чубайс: Вот не случайно Калюжный говорит, спортивные автомобили. То есть дорогие престижные модели, у которых сверхважно сэкономить каждый килограмм веса. Это прекрасно, но масштаб рынка не тот. А переход в массовое строительство, это дело серьезное. Например, наша компания разработала технологию СВА, систему внешнего армирования.

Это что такое? Стоит нормальный российский железобетонный мост в деревне, который нормально разваливается, как мы привыкли видеть. Из него начинает торчать арматура во все стороны. Нужно либо его сносить, полностью ремонтировать, либо вместо этого обернуть в углепластиковую ткань, которая является сверхпрочной. Можно упрочнить колонны, не разбирая мост, это технология, за которой уже могут быть серьезные потенциальные объемы. Это серьезная история. Космос, авиация, транспорт, строительство — вот стадии развития углепластика с последовательно масштабным расширением рынка.

Елена Тофанюк: В обратную сторону, на самом деле.

Анатолий Чубайс: Да, конечно. А теперь представьте, что вдруг кто-то сможет соединить одно с другим, то есть углепластик с нанотрубками. Вот наша главная мечта. Я вам сейчас выдал мой самый главный и совершенно секретный замысел, о котором ни один человек на белом свете не знает, кроме нашей команды. А замысел состоит вот в чем. Если углепластик — это самый прочный из массовых современных материалов, и если одностенные нанотрубки — это наноразмерная добавка, вот та самая соль, которой можно посолить, то давайте мы этой солью посолим углепластик? И вот это будет уже просто что-то совсем немыслимое. Где сейчас основные драйверы, где самый большой вообще рынок для композитных материалов углепластика? Это даже не авиация.

Елена Тофанюк: Где?

Анатолий Чубайс: Я думал, Вы догадаетесь. Сегодня самый большой рынок для углепластика — это ветроэнергетика. Представьте ветростанции. Одни лопасти, которые мы изготавливаем в Ульяновске, 62,5 метра длиной. И это изделие, 62 метра, невозможно сделать из металла. Потому что вес будет такой, что он не выдержит. Такой прочностной разрыв не выдерживает никакой металл, даже титан. Поэтому ветроэнергетика и есть драйвер для развития композитных материалов, в том числе углепластика. Современная ветроэнергетика без углепластика невозможна. Сама лопасть — это очень сложное многослойное изделие. Но главную нагрузку в ней несет именно углепластиковый лонжерон. А теперь представьте, что мы сможем его еще и упрочнить одностенными нанотрубками. Вот это было бы настоящим прорывом. Мы про это думаем, но пока никто еще не сумел сделать.

Елена Тофанюк: Мне кажется, мы постепенно подобрались к теме, как новые материалы влияют на глобальное потепление и на экологические проблемы.

Анатолий Чубайс: Я, наверно, был на десятках конференций про глобальное потепление. Всерьез занимаемся этой тематикой. Думаю, по-настоящему ее понимаем. Традиционная логика выглядит так. Откуда берется глобальное потепление? Понятно, антропогенный фактор. Прежде всего, СО2, двуокись углерода. Она создает парниковый эффект. Откуда берется СО2? Это С плюс О2, углерод плюс кислород, то есть сжигание углеводородного топлива. Любого, будь то уголь, нефть, газ, неважно. Это все равно углеводороды. Эта логика везде и всегда традиционная. Из нее всегда следует ответ, как бороться с проблемой глобального потепления. Главное — это энергоэффективность, то есть меньше потреблять энергии на единицу произведенного продукта, и возобновляемая энергетика. И то, и другое правильно. Конечно же, и энергоэффективность, и возобновляемая энергетика — это важнейшие способы фундаментального влияния на проблему потепления. Но мы считаем, что материалы — не менее значимые факторы влияния на СО2. Почему? По очень простой причине. Представьте себе, что мы получили композитный материал, который вдвое прочнее, чем железобетон. Это означает, что стену здания можно сделать в два раза уже. Что фундамент нужно будет делать даже не в два, а в несколько раз менее тяжелым, это означает, что по всей технологической цепочке, начиная с производства железной руды, нужно будет вдвое меньше материала, вдвое меньше перевозок, это означает, что эффект на энергию, на СО2, от количества произведенных материалов не меньше, чем от энергоэффективности. Наше исследование показало, что наши одностенные углеродные нанотрубки способны в материалах дать глобальный эффект от СО2, который больше, чем весь эффект от возобновляемой энергетики. Экология материала и глобальное потепление — фундаментально связанные между собой вещи. И здесь резервы гигантские. А самое главное, что здесь вызов. Мы находимся в ситуации, что если мы не решим проблему приостановки темпов повышения температуры на Земле на полтора градуса к 2035 году, то возникает угроза существования человечества. Без всяких преувеличений. Масштаб вызова абсолютно колоссальный. И на него отвечать нужно энергоэффективностью и возобновляемой энергетикой. И не в меньшей степени теми самыми новыми композитными материалами, о которых мы говорим с Сергеем Владимировичем.

Сергей Калюжный: Я добавлю несколько цифр. Из исследования лауреата Нобелевской премии Игоря Башмакова следует, что 28% мировой глобальной эмиссии углекислого газа идет от производства базовых материалов. Тех материалов, о которых мы говорили вначале. Песок, щебень тоже требуют энергии, чтобы их добыть, перевезти, расфасовать и так далее. Так вот, 28%. Если нам удастся хотя вполовину уменьшить производство базовых материалов, то мы получим существенное снижение глобальной эмиссии СО2 и значительно уменьшим энергические потребности для производства таких материалов. И естественно, будут существенные сокращения в строительстве.

Елена Тофанюк: Вот как раз хорошо, что Вы сказали, Сергей Владимирович. Не угрожает ли все это нашим традиционным индустриям? Ведь будет сопротивление.

Сергей Калюжный: Прогресс остановить сложно. Есть такое выражение: «каменный век закончился не потому, что закончились камни, а потому, что люди придумали, как получать железо». Эра железа сейчас в расцвете, после цемента второй материал — чугун и сталь, которые производятся в первую очередь для строительных и транспортных целей. Композитные материалы вытесняют железо. Древесина в значительной степени уже из строительства вытеснена, идет замена технологического уклада. Всегда новое угрожает старому. Но к этому нужно относиться творчески и философски. Нужно использовать хорошие черты, хороший базис, который имеет сталелитейная, алюминиевая промышленность, и обогащать его новыми свойствами, которые мы можем получить с помощью нанокомпозитных материалов. Теми же углеродными нанотрубками можно увеличить прочность алюминия до прочности стали, например. И таким образом этот материал получит второе дыхание.

Анатолий Чубайс: Елена, вот посмотрите, как на Ваш вопрос отвечает реальный бизнес. Как ведут себя крупнейшие нефтяные, газовые компании во всем мире? Есть два типа поведения. Первый: мы ничего не знаем, это все глупость. Второй: ребята, тема серьезная, нужно, как минимум для пиаровских задач что-то делать, а как максимум нужно начинать заниматься и этим энергетики видом тоже. Если вы возьмете любую крупную нефтяную компанию, начиная от Exxon Mobil, у них всех сегодня компоненты зеленой энергетики являются абсолютно обязательными. Возьмите NL, крупнейшую в Европе компанию в традиционной энергетике. Примерно 7–8 лет назад NL начала заниматься всерьез возобновляемой энергетикой. Сегодня у NL 42 тысячи мегаватт возобновляемой энергетики. Вся российская энергосистема — 240. У них 42 тысячи только возобновляемой, по миру. Это гигантский разворот, кстати говоря, касается не только западных компаний. Если нашу родную…

Елена Тофанюк: Да, вот хотела как раз про наших спросить.

Анатолий Чубайс: Картина здесь простая. В ветроэнергетике РОСНАНО является компанией №1, но нас отложили. А кто идет за нами по объему? «Росатом». Сергей Кириенко 5–6 лет назад в наших долгих разговорах для себя сформулировал позицию, что «Росатом» должен диверсифицироваться. Помимо традиционных производств, связанных с атомной энергетикой, нужно заниматься новой энергетикой. Пожалуйста, «Росатом» два месяца назад ввел в Майкопе крупнейшую ветростанцию в России. Отличный результат. И собирается этим заниматься дальше. У Ассоциации развития возобновляемой энергетики два сопредседателя. Один ваш покорный слуга, другой — Кирилл Комаров. Это «Росатом». Традиционная компания, по-настоящему, энергетически по-настоящему думающая о завтрашнем, послезавтрашнем дне, начинает наращивать эту точку опоры именно в стратегическом плане. Это второй тип поведения. А первый тип, напоминаю: да бог с ним, само рассосется.

Сергей Калюжный: Я приведу еще один пример из компании «Газпром», мирового лидера по производству газа. В Европе сейчас принята стратегия водородного развития. «Газпром» обратил на это внимание и выдвинул свое предложение по обеспечению Европы водородом. Кроме того, он предлагает решения, связанные с пиролизом метана. Водород с точки зрения климата нейтральный, потому что при его сжигании не получается углекислого газа. Получается технический углерод, который можно использовать для каких-то целей. И «Газпром» тоже поворачивается в эту сторону.

Анатолий Чубайс: То есть речь идет о том, чтобы….

Сергей Калюжный: СН4 подвергать пиролизу с получением Н2 и углерода.

Анатолий Чубайс: Разделить на С и Н2. Вот что происходит…

Елена Тофанюк: А дальше из этого углерода получают разные кристаллические состояния и новые материалы. Так?

Сергей Калюжный: В первую очередь его можно использовать как технический углерод для добавок в шины. Технические углероды имеют очень много применений в промышленности.

Елена Тофанюк: Будущее за композитными материалами и добавками из углеродов, правильно я понимаю?

Анатолий Чубайс: Да, можно так сказать.

Елена Тофанюк: Поводим итог нашей беседы.

Анатолий Чубайс: Да, я бы сказал, что современные массовые материалы — это углепластик, стеклопластик и, мы верим, еще и базальтопластик. А завтрашний день — это нанокомпозитные материалы, прежде всего, основанные на одностенных углеродных нанотрубках.

Елена Тофанюк: Ну что же, очень интересно. Спасибо вам большое. Мы что-то забыли обсудить, Анатолий Борисович?

Анатолий Чубайс: Да нет, я считаю, что основные вещи сказали. Может, Сергей Владимирович добавит что-то?

Сергей Калюжный: Я всегда сторонник нанокомпозитных материалов. Я рад, что вы пришли к такому выводу. Но справедливости ради нужно сказать, что пока что самой большой нанодобавкой являются глины. Монтмориллониты, которые добавляются в различные композитные материалы для придания барьерных свойств и так далее. Но, как мы видим из темпов развития нашего проекта OCSiAl, рано или поздно, думаю, углеродные материалы выйдут на первое место как основные наноаддитивы для промышленности

Анатолий Чубайс: Да, монтмориллонит — это клей, который действительно, имеет серьезные объемы, сейчас уже миллиардов, наверно, на 8–10 они вышли. Это много. Но мне все-таки кажется, что стратегически он никак не может конкурировать с углеродными нанотрубками.

Сергей Калюжный: Стратегически — да, в перспективе углеродные материалы выйдут на первое место как аддитив.

Анатолий Чубайс: Да.

Елена Тофанюк: Прекрасно. Спасибо.

Анатолий Чубайс: Спасибо, спасибо вам. До свидания.

Сергей Калюжный: До свидания.