Своё место в наномире

«Несвоевременные» идеи Все это сказано о профессоре Александре Ильянке – единственном в Беларуси обладателе международных патентов в области нанотехнологий, научном руководителе ЗАО «Консалтинг центр «Нанобиология». Когда сворачивание оборонной тематики в начале 90-х годов поставило крест на его работах в сфере ядерной физики, он вовремя сориентировался в тенденциях развития науки и вместе с членом-корреспондентом НАНБ Александром Широковым организовал в БГУ лабораторию атомно-молекулярной инженерии. В ней впервые в республике они начали исследования по нанотехнологической проблематике, то есть в области, где не оперируют даже микроном, поскольку это слишком большая единица для мира атомов. Именно из этой лаборатории возникло малое предприятие, а затем и закрытое акционерное общество, которому суждено было делать такую многострадальную в наших условиях частную науку. Желая приобрести более надежный статус, они просились в свое время под крыло Академии наук, но встретили отказ. Флагман научной мысли посчитал, что не время летать так высоко, когда земных проблем невпроворот. И ошибся. «Несвоевременные» идеи оказались как раз очень актуальными и реализуемыми, а весь пакет наиболее интересных приложений – в руках у Ильянка. Международных охранных документов по нанотехнологиям у него пять (для сравнения, у всей российской науки их 14), но, чтобы не тратиться на защиту каждой находки по отдельности, он упаковал в эти патенты 160 пунктов изобретений. Тут есть и квантовый суперконденсатор, и плоский дисплей с самосканирующей разверткой, и элементы памяти компьютера на полых шариках атомарного размера, и аккумулятор, в два десятка раз более емкий, чем современные. И это далеко не все. В основе многих идей лежит выработанное им новое представление об электроне как сложной пространственной структуре. Благодаря этой находке теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующий шаг – разработать и запатентовать множество квантоворазмерных электронных приборов. Но как можно разглядеть что-то новое в электроне, который измерен вдоль и поперек? Как выясняется, можно. Но не в прямом значении слова «разглядеть». Наблюдая не больше того, что видели другие экспериментаторы, он предложил новую трактовку полученных данных. И с ней согласились авторитетные эксперты из США, Европы, Китая, Южной Кореи и России. По Ильянку получается, что в состоянии покоя, при определенных внешних условиях, электрон может развернуться в кольцо, и такие кольца способны образовывать пары и цепочки. А этот феномен прекрасно объясняет механизм фазового перехода металл—полупроводник, подсказывает разницу между высокотемпературной и низкотемпературной сверхпроводимостью. Именно благодаря новым представлениям об электроне Александр Михайлович стал обладателем второго патента в мире по «горячей» сверхпроводимости, то есть сверхпроводимости в температурном диапазоне почти до кипения воды. Создав, благодаря своему открытию, диэлектрическую ловушку для электронных пар, он показал, что такая система может быть прекрасным элементом памяти компьютера, где плотность хранения информации будет в сто раз выше, чем у лучших современных образцов, и практически достигнет физического предела. Что интересно, поскольку при таком устройстве памяти энергии требуется во много раз меньше, чем обычно, то такой чип не будет перегреваться, и компьютер не потребует постоянного охлаждения. Вполне логично следом у него возникла мысль: если таким образом можно хранить информацию, то ничего не мешает точно так же, в виде «электронного газа», хранить и энергию. Ее можно запасать в тех же наноразмерных порах твердотельного носителя, где, разобравшись по парам, элементарные частицы теряют взаимодействие с кристаллической решеткой и как бы консервируются. Причем энергии будет скапливаться в такой «губке» гораздо больше, чем ее способен принять аккумулятор на электролите. Что и подтвердили лабораторные опыты. Его идеи настолько оригинальны, что первой реакцией многих коллег бывает неприятие. Я был свидетелем того, как на одном из научных семинаров сразу несколько известных ученых недоверчиво переспросили, когда он назвал коэффициент превращения тепла в электрический ток с помощью своего нано-преобразователя. Около 60 процентов – это действительно фантастически много. Но после подробных объяснений скептики убедились, что ошибки нет. То же самое последовало и за сообщением о нанопреобразователе электрического тока в холод с коэффициентом 65—70 процентов. Что мы имеем с Солнца? При достаточном финансировании многое из этого парада идей можно довести до воплощения уже сегодня. Среди таких замыслов – проект «Солнечный дом XXI века», который объединил сразу несколько его изобретений. — Для начала – об остроте проблемы, — поясняет Александр Михайлович. – Если учитывать, что под давлением Евросоюза Россия планирует ежегодно увеличивать цены на газ в среднем на 20 процентов и к 2010 году поднимет на внутреннем рынке его стоимость с 27 долларов до 60 за тысячу кубометров, то нам этот объем будет обходиться не менее 80 долларов. Рядом с этой цифрой затраты на солнечную энергетику уже не покажутся чрезмерными. Тем более что решение об увеличении ее доли в энергообеспечении страны будет приниматься с учетом новых возможностей, которые дает нанотехнология. Ведь если сейчас в зимнее время лучшие технические системы позволяют использовать всего 12—20 процентов солнечной энергии, то нанопреобразователи поднимают показатель до 50—70 процентов. Энергия довольно значительная. На квадратный метр земной поверхности в наших широтах Солнце посылает в год порядка 1 Гкал, что эквивалентно 119 килограммам условного топлива или 132 кубометрам природного газа. Расчеты показывают, что этого источника, если использовать предлагаемые наработки, хватит, чтобы полностью отказаться от использования углеводородного топлива для отопления и освещения жилья и многих производственных зданий. Как же такой дом будет выглядеть? По замыслу, основных изюминок в проекте пять. Во-первых, это непрозрачные вакуумные стеклоблоки с солнечными фотоэлементами, предназначенные для кровли, крыши и стен. Они позволят уменьшить коэффициент теплопередачи стен в несколько раз. Кроме того, эти стеклоблоки могут преобразовывать до 50 процентов падающей на них солнечной энергии в электричество. Дополняют систему вакуумные стеклоблоки с наноструктурированными оптическими фильтрами со встроенными тепловыми коллекторами. Эта обшивка тоже предназначена для теплоизоляции, а также для теплоснабжения. Такие стеклоблоки пропускают 90 процентов видимого излучения на тепловой коллектор и блокируют внутри до 95 процентов теплового излучения, что позволяет использовать их даже зимой в пасмурную погоду. Подсчитано, что в термосе из такого материала вода закипит через 2—3 часа в комнате с рассеянным дневным светом. Особые системы предусмотрены и для окон. Это вакуумные или газонаполненные стеклопакеты с наноструктурированным слоем в виде электрически управляемых «жалюзи». Они в 3—4 раза сокращают потери тепла за счет регулирования прозрачности стекла в видимой и инфракрасной области спектра. Предлагаются также матовые стеклопакеты с наноструктурированным оптическим фильтром, которые накапливают тепло внутри помещения и сводят к минимуму его потери в холодное время года и ночью. Необходимый элемент в этом ансамбле – электрические аккумуляторы на основе наноструктурированных диэлектриков. Вполне экспортный проект Естественно, сразу же возникает вопрос, сколько все это удовольствие будет стоить. Расчеты показывают, что при выпуске более 1 миллиона квадратных метров таких материалов в год квадратный метр их будет стоить от 30 до 150 долларов. Это вовсе недорого, если учитывать, что такая система позволит свести к минимуму закупки нефти и газа, сократить централизованное производство электроэнергии и тепла, исключив соответственно расходы на строительство и обслуживание котельных, электростанций, тепловых, электрических и газовых коммуникаций. По программе вводиться новинка должна постепенно, по мере строительства и реконструкции жилья. Однако производственные мощности есть смысл развивать энергично, поскольку проект ориентирован на экспорт и конкурентоспособен на мировых строительных рынках за счет патентной защиты на весь срок действия охранных документов, то есть в течение 15—20 лет. В развитых странах, кстати, можно и не ограничиваться минимальной ценой. Там никого не испугают и 100—300 долларов за квадратный метр. По расчетам, суммарная рентабельность продаж на внутреннем и внешнем рынках составит 100—300 процентов. К достоинствам проекта можно отнести и то, что технология производства стеклоблоков и стеклопакетов легко адаптируется под существующую промышленную базу. Дело лишь за наноструктурированными пленками, производство которых по силам нашей микроэлектронной промышленности. Опытные образцы такой продукции специалисты «Нанобиологии» уже изготавливали на «Интеграле». Получилось вполне приемлемо. Как и во всяком большом деле, вопрос вопросов – финансирование. Расчеты показывают, что сумма потребуется значительная, но не запредельная. Во всяком случае, она будет гораздо меньше стоимости одного энергоблока АЭС, к строительству которой еще недавно республика готовилась. Проект же «Солнечный дом XXI века», в отличие от АЭС, за счет экспортных поставок многократно окупится уже в первые годы. Его отдача должна возрастать и по мере того, как реконструкция жилья будет на 5 процентов в год сокращать потребление электроэнергии. — Вариантов решения финансовой проблемы может быть несколько, — говорит Александр Ильянок. — Для реализации проекта можно создать специализированный инновационный фонд. Второй путь – под гарантии правительства получить долгосрочные кредиты, возврат которых реально осуществлять за счет ежегодного сокращения на 5 процентов потребления топливных ресурсов. Поскольку речь идет о природосберегающих технологиях, актуальных для всех стран, можно привлечь иностранные инвестиции, в первую очередь Глобального экологического фонда и Всемирного банка. Думаю, такой вариант предпочтительнее. Но инвестору надо показать товар лицом, а для этого следует построить для демонстрации, например, на БелЭкспо «солнечный дом» с использованием не только отечественных нанопреобразователей, но и других передовых достижений научной мысли, включая цифровые интеллектуальные технологии управления этим домом. Какую программу не поднял «Атлант»? «Солнечный дом XXI века» — замысел масштабный и включает в себя многое, что может быть реализовано и в виде независимых проектов. Причем эти локальные программы осуществимы даже в более сжатые сроки. Недавно, например, была возможность первого внедрения нанотехнологий в отечественной бытовой технике. Речь идет о минских холодильниках, которые могли бы оказаться вне конкуренции на мировом рынке. Но из-за кадровых перестановок в руководстве объединения «Атлант», поломавших договоренности с автором новой концепции холодильника, шанс был упущен. Вообще-то, новой концепцию можно назвать с оговоркой. Она построена на использовании элементов Пельтъе, то есть пластин, которые нагреваются с одной стороны и охлаждаются – с другой, если к ним подвести электрический ток. В таком случае компрессоры и хладоагенты не нужны. И такие холодильники в 50-х годах в СССР выпускались, причем из-за того, что там нечему было ломаться, устаревшие аппараты после многих лет безупречной службы хозяева выбрасывали исправными. А расставались с ними все же потому, что такие холодильники потребляли много электроэнергии. Но нанотехнологии в корне меняют ситуацию. Предложенный Ильянком преобразователь электрического тока в холод имеет коэффициент полезного действия вдвое более высокий, чем у компрессионного холодильника, и не оставляет ему шансов на выживание. Решила нанотехнология и проблему экологической безопасности за счет отказа от озоноразрушающих фреонов. Но, не рискнув, и не найдя нескольких миллионов долларов на перестройку производства под проект Ильянка, Минский завод холодильников стал теперь перед неприятным фактом. Английская фирма запатентовала точно такое же решение (увы, на патентование этой идеи денег у Александра Михайловича уже не оставалось) и даже сделала опытный образец холодильника. Это означает, что лет через пять МЗХ может столкнуться с опасной для себя рыночной ситуацией. Ведь компрессионная часть составляет почти половину цены холодильника, а нано-преобразователь дешев. Поезд еще не ушел Принятие большинством промышленно развитых стран национальных программ исследований в области нанонауки и нанотехники стало сигналом для инвесторов к более активным действиям. Возник типичный самораскручивающийся процесс, который привел к тому, что в 2003 году расходы государственных и частных компаний достигли в этой области 6 миллиардов долларов, причем госбюджетное финансирование составило треть этой суммы. Таким образом, с 1998 года инвестиции увеличились на два порядка! Конечно, Беларуси бессмысленно соревноваться, например, в наноэлектронике с такими гигантами, как «Intel» или «IBM». Но, как считает Ильянок, нужно все же искать свои прорывные пути. А для этого стране необходимо предпринимать более серьезные усилия, чтобы иметь право достойно и с выгодой участвовать в международном разделении труда в области нанотехнологий, пользоваться поддержкой, которую оказывает ООН государствам, стремящимся развивать экономику знаний. И еще необходимо принять законодательство, стимулирующее разработки в области высоких технологий. Иначе можно отстать не намного, а навсегда.