Реальные технические инновации

Сегодняшний выпуск радиожурнала отличается от большинства предыдущих тем, что в нём речь пойдёт не о фундаментальных и, значит, нередко всё же довольно абстрактных научных исследованиях, а о совершенно реальных и конкретных технических инновациях. Спору нет, фундаментальные работы чрезвычайно важны для дальнейшего развития науки, они, собственно, задают направления этого развития, однако это не значит, что прикладные аспекты исследований недостойны нашего внимания – тем более, что именно эти прикладные разработки облегчают наш быт, делают жизнь комфортнее или безопаснее, причём не когда-нибудь в отдалённом будущем, а уже сейчас. О трёх таких разработках мы и расскажем в сегодняшней передаче.

Что может быть страшнее, чем пожар в кабельном хозяйстве, если речь идёт, например, о самолёте? Изоляция тлеет, плавится и перестаёт выполнять свою основную функцию, короткое замыкание сразу же выводит из строя бортовую электронику, и самолёт разбивается – к сожалению, всё это уже случалось, и не раз. К таким же, если не ещё более трагическим, последствиям может привести пожар кабельного хозяйства, скажем, на атомной электростанции. Да и в любом высотном жилом доме от термостойкости кабелей в случае возгорания зависит судьба сотен людей, поскольку именно этот фактор определяет, как долго ещё в экстремальных условиях смогут функционировать системы жизнеобеспечения здания – лифты, освещение, вентиляция и так далее. Понятно, что инженеры разных стран уже давно бьются над созданием термостойких кабелей. Решить эту проблему удалось австралийским учёным.

И-Бин Чжэн (Yi-Bing Cheng), профессор университета Монаш близ Мельбурна, гордо демонстрирует посетителям своей лаборатории кусок самого обыкновенного, на первый взгляд, провода:

Этот трёхжильный электрокабель внешне ничем не отличается от тех, что широко применяются в быту. И он так же гибок при нормальных условиях. Но при высоких температурах его эластичная полимерная изоляция превращается в керамику.

Разработка необычного кабеля по заказу одной из местных фирм началась в 1998-м году и заняла целых 6 лет. Готовый продукт появился на рынке лишь несколько месяцев назад. Прежде чем выдать сертификат, удостоверяющий замечательные свойства кабеля, эксперты надзорного ведомства Австралии подвергли новинку более чем суровому испытанию: сперва кабель поместили на 2 часа в печь, разогретую до температуры 1050 градусов Цельсия, а затем на 3 минуты опустили в холодную воду. Всё это время по кабелю тёк ток, питавший электрическую лампочку, которая ни на мгновение не должна была погаснуть. И кабель с честью выдержал испытание, только по его окончании глазам экспертов вместо мягкой цветной изоляции предстал белый пористый и хрупкий материал, изрядно напоминающий фарфор. И-Бин Чжэн поясняет:

Сначала полимер утратил свою исходную яркую окраску, а затем полностью превратился в керамику. Об эластичности и гибкости говорить уже не приходится. Однако все три токопроводящие медные жилы внутри кабеля, несмотря на высокие температуры, сохранили первоначальную форму. А самое главное – то, что изоляция между ними уцелела.

Полимер, превращающийся при нагреве в керамику, – вещь столь необычная, что министр по делам науки удостоил профессора государственной премии за технические инновации. Превращение и впрямь удивительное. Ведь полимеры – это органические соединения, макромолекулы которых представляют собой длинные цепочки из большого числа повторяющихся звеньев; полимеры отличаются эластичностью, но уже при температуре в несколько сот градусов Цельсия либо распадаются, либо воспламеняются. Керамики же, напротив, производятся на основе минерального сырья; они огнеупорны, но чрезвычайно тверды и хрупки. И-Бин Чжэн говорит:

Вообще-то они резко отличаются друг от друга по свойствам, однако есть у этих двух классов материалов и нечто общее: они не проводят электрический ток. Нам удалось оптимально использовать и эти различия, и это сходство.

Обычные термостойкие электрокабели имеют между токопроводящей медной жилой и полимерной изоляцией ещё один минеральный защитный слой, что делает их производство трудоёмким и дорогим, поскольку требует особых технологий. Между тем, кабели с изоляцией из керамизируемых полимеров могут производиться на самом простом оборудовании. Профессор И-Бин Чжэн примешивает минеральные сырьевые добавки непосредственно к полимеру. Какие конкретно, он не говорит в ожидании патента, но охотно поясняет общую концепцию кабеля:

Мы разработали материал, в котором изолирующий полимер сохраняет при нагреве свои свойства лишь до температуры 400 градусов. При более высоких температурах полимер выгорает, так что остаются только минеральные добавки, которые и спекаются, образуя керамическое покрытие. Если бы выгорание полимера и спекание керамики происходили при разных температурах, то в какой-то момент система становилась бы неустойчивой и уже не могла бы обеспечить надёжную изоляцию токопроводящих жил. Однако нам удалось подобрать ингредиенты материала таким образом, что оба процесса протекают строго синхронно. В результате кабель остаётся стабильным и продолжает проводить ток.

А теперь обратимся к другой разработке. Есть отрасли производства, где уже самое незначительное нарушение герметичности трубопровода может иметь не менее фатальные последствия, чем пожар кабельного хозяйства. Например, на тех же атомных электростанциях или, скажем, на предприятиях химической промышленности. Поэтому из Австралии давайте перенесёмся в Германию, где создано хитроумное уплотнение для трубопроводов, автоматически извещающее дежурного оператора о появлении... нет, даже не течи, а всего лишь первого намёка на неё. Фридрих Кремер (Friedrich Kremer), профессор Института экспериментальной физики при Лейпцигском университете, объясняет:

Это наша опытная установка, позволяющая в автоматизированном режиме производить диэлектрические измерения. Здесь расположен конденсатор – вот его верхняя и нижняя пластины. В данном случае мы поместили между ними образец из полимера, а в качестве прокладки использовали стекловолокно.

Суть изобретения на удивление проста. В стандартное уплотнение – например, из графита, – интегрируются миниатюрные плоские конденсаторы. Практически речь идёт о нескольких парах крохотных металлических пластин, размещённых строго параллельно и очень близко друг к другу, но не соприкасающихся между собой. Как известно любому школьнику, если к этим пластинкам – обкладкам конденсатора – приложить разность потенциалов, в зазоре между ними начнёт накапливаться заряд. Величина электрический ёмкости этого устройства легко может быть измерена. Вот тут-то и начинается самое интересное. Лейпцигские изобретатели предложили интегрировать в слой диэлектрика в зазоре между пластинами мельчайшие кусочки особого, обладающего высокой пористостью полимера. Профессор Кремер говорит:

Если теперь уплотнение перестаёт быть герметичным, если в нём образуются поры или микротрещины, то та текучая среда, что находится под давлением в трубопроводе, будь то газ или жидкость, устремляется в эти каналы и сразу же пропитывает этот наш нанопористый материал.

Пористость этого материала столь высока, что его удельная поверхность достигает нескольких сот квадратных метров на 1 грамм. Благодаря этому свойству полимер мгновенно реагирует на контакт с любой жидкостью или газом изменением своей диэлектрической проницаемости:

В результате ёмкость такого конденсатора резко изменяется, и это служит для оператора сигналом, извещающим его о том, что уплотнение дало течь. Причём он узнаёт об этом задолго до того, как содержимое трубопровода реально просочится наружу.

Вся система функционирует в автоматизированном режиме: данные с конденсаторов поступают в компьютер, который и следит за состоянием трубопровода. Принцип, положенный в основу конструкции новых хитроумных уплотнений, настолько прост, что невольно задаёшься вопросом: почему раньше никто до этого не додумался? Ведь промышленность уже давно требует более надёжных уплотнений для трубопроводов, являющихся источником повышенного риска. Впрочем, реализовать идею на практике было не так-то просто: экстремальные условия внутри уплотнений – прежде всего, высокое давление, – предъявляют особые требования к надёжности электроники и к стабильности нанопористого материала – в данном случае, полиамида. Ещё одна проблема – температура, – поясняет профессор Кремер:

Полиамид сохраняет свои механические свойства лишь до температуры около 450-ти градусов Цельсия, дальнейшего нагрева он не выдерживает. Чтобы эта автоматизированная система слежения за состоянием уплотнений надёжно функционировала в условиях более высоких рабочих температур, понадобятся другие материалы, электроника с использованием термостойких элементов.

Это была бы очень непростая задача, однако пока она перед разработчиками не встаёт: исправные уплотнения обычно не нагреваются до слишком высоких температур. Впрочем, лейпцигские инженеры доказали, что предложенная ими конструкция может использоваться не только для выявления дефектов в уплотнениях, но и для контроля за состоянием трубопровода в целом:

Измеряя ёмкость контрольных конденсаторов, интегрированных в уплотнения, и сравнивая полученные результаты, я могу, во-первых, проверить, правильно ли эти уплотнения установлены, во-вторых, удостовериться в том, что давление внутри трубопровода распределяется равномерно, а в-третьих, отслеживать и регистрировать любые, даже самые незначительные изменения в состоянии уплотнений.

Лейпцигская разработка уже внедряется в производство, и это даёт основания надеяться, что опасные протечки на трубопроводах вскоре уйдут в прошлое. Новый конструкционный материал, разработанный инженерами Дармштадта, пока широкого практического применения в промышленности не нашёл, но это, похоже, дело самого ближайшего будущего. Например, в автомобилестроении. Одним из важнейших элементов пассивной безопасности автомобиля является наличие так называемых зон контролируемой деформации кузова, способных эффективно поглощать энергию удара и тем самым предохранять пассажиров в салоне от тяжёлых травм при столкновении машины с препятствием. Однако дальнейший прогресс в этой области практически невозможен без создания и использования новых материалов с необычными свойствами, – говорит Фалько Байер (Falko Baier), инженер-физик факультета материаловедения и наук о Земле Дармштадтского технического университета:

Обычные металлы, широко известные нам в быту, способны выдерживать значительные нагрузки, они пластичны и не разбиваются, если их уронить с высоты на твёрдую поверхность... Стеклометалл, напротив, чрезвычайно хрупок... А потому он практически не поддаётся пластической деформации, ломается.

Стеклометаллом инженеры-конструкторы называют металл, находящийся не в кристаллическом, а в аморфном состоянии. Достигается такое состояние очень быстрым охлаждением расплава. Фалько Байер поясняет:

Обычно, когда расплавленный металл остывает, он кристаллизуется, то есть его атомы располагаются упорядоченно, образуя геометрически правильную структуру – кристаллическую решётку. Этот процесс требует определённого времени. Если же не дать атомам металла этого времени, то они не смогут образовать решётку. В результате получится не кристаллический, а аморфный материал наподобие стекла – замёрзшая, загустевшая до твёрдого состояния жидкость.

Такое состояние придаёт металлам целый ряд необычных свойств, чрезвычайно интересных для инженеров-конструкторов: они становятся твёрже стали, резко возрастают их стойкость к исцарапыванию и устойчивость к коррозии. В то же время они обладают некоторыми недостатками, не свойственными металлам в кристаллическом состоянии – например, они очень хрупки и практически не поддаются пластической деформации. Однако к материалу, разработанному в Дармштадте, это не относится, – говорит Фалько Байер:

Наш стеклометалл впервые проявил весьма высокую деформируемость при комнатной температуре. Нам удалось довести уровень его относительной деформации до 20-ти процентов от исходных линейных размеров. Мало того, материал продемонстрировал и ещё одно свойство: упрочнение в процессе деформации. Это свойство может оказаться чрезвычайно интересным и положить начало новым технологическим процессам в автомобилестроении или в обработке плоского проката: можно взять довольно мягкую заготовку, которая легче поддаётся деформации, и в итоге после обработки получить более твёрдую деталь.

Чтобы выявить причину столь необычного поведения материала, Байер и его коллеги обратились к стандартному среди металловедов методу: изготовили шлифы и изучили их под микроскопом:

Мы обнаружили мельчайшие включения, своей структурой отличающиеся от окружающего материала. Линейные размеры этих включений не превышают нескольких нанометров. Мы полагаем, что это кристаллиты, микроскопические кристаллики неправильной формы.

Видимо, – полагает Байер, – эти кристаллиты препятствуют распространению трещин в материале, что и делает его менее хрупким. Пластичность в сочетании коррозионной устойчивостью – это свойства, которые очень высоко ценятся в автомобилестроении. Впрочем, не только там, – говорит Фалько Байер:

Эти сплавы отличаются ещё и очень малой плотностью. То есть они могут найти самое широкое применение и в самолётостроении – там, где несущие конструкции должны быть лёгкими, жёсткими и устойчивыми к коррозии.

Для получения материала с вышеуказанными свойствами Байер готовит расплав электротехнической меди с добавкой циркония и алюминия и охлаждает его со скоростью 250 градусов в секунду. Правда, до сих пор исследователям удалось таким образом получить лишь очень небольшие образцы – прутки величиной со спичку и пластины размером с визитную карточку. Однако инженеры смотрят в будущее с оптимизмом. Тем более, что на горизонте уже обозначились первые заказчики:

Автоконцерн «Порше» уже выказал заинтересованность, и фирма «WMF» – известный производитель кухонной металлической посуды и столовых приборов – тоже проявила интерес, и из металлургической компании «Vakuumschmelze» уже несколько раз интересовались. То есть наша работа получила довольно широкий резонанс – мы и сами были этим, честно говоря, несколько удивлены.