Инновационная премия Intel 2-го Конкурса русских инноваций, ежегодно проводимого нашим журналом, в этом году была вручена настоящим физикам. Название проекта-победителя мне как журналисту, получившему задание написать про него, не предвещало ничего увлекательного: "Волоконные датчики на основе высокотемпературных брэгговских решеток". Как это разъяснить читателю? Какие-то высокие теории... Вот и руководитель проекта, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории плазмохимических технологий Научного центра волоконной оптики при Институте общей физики (ИОФ) РАН профессор Константин Голант выглядел как классический физик - поджарый, в очках, с седой бородкой, окруженный неведомыми приборами. Писать формулы ему явно милее, чем заниматься всем понятными житейскими делами.
Но оказалось, что инновации профессора Голанта и его команды не столь уж оторваны от жизни. Изобретение-победитель - это термометр. Но не обыкновенный градусник из аптеки, а довольно любопытный прибор, который может измерять температуру от -180 до +900 градусов Цельсия, причем в условиях сильных электромагнитных и радиационных помех (например, внутри ядерного реактора). Внешне устройство достаточно просто, но для того чтобы понять, как оно работает, нам-таки пришлось вспомнить основы физики.
Добавьте в кварц азота
Оптическое волокно - это нитка из кварцевого стекла, у которой есть сердцевина. Благодаря сердцевине кварцевая нитка может работать как световод. Загнанный в нитку невидимый инфракрасный свет "прижимается" к сердцевине и оказывается как бы запертым в теле волокна. "Запертые" фотоны могут двигаться со скоростью света только вдоль волокна. По существу, именно тонкая сердцевина оптического волокна ведет свет, предохраняя его от вредного соприкосновения с окружающей средой.
Сердцевина тоже делается из кварцевого стекла, но с присадками. Благодаря им увеличивается показатель преломления стекла сердцевины, что и заставляет свет удерживаться в ее окрестности. Световая волна бежит по сердцевине, отражаясь от границы раздела с периферийным стеклом волокна, которое имеет меньший показатель преломления. На протяжении нескольких десятков лет главная задача производителей волокна состоит в том, чтобы уменьшить потери в сердцевине, сделать так, чтобы волна могла без затухания проходить по волокну как можно большее расстояние. И в значительной мере они это делать научились.
Обычно в качестве присадки для создания сердцевины в стекло добавляют германий - элемент редкий и поэтому дорогой. Между тем известно, что введением дешевого азота вместо дорогого германия тоже возможно увеличить показатель преломления кварцевого стекла. Не хватало лишь одного звена: было непонятно, как работать с азотом в рамках стандартных технологий волоконно-оптического производства. Азотная сердцевина в оптоволокне, точнее технология ее изготовления, и стала тем фундаментом, на котором выросла инновация группы Голанта из Научного центра волоконной оптики при Институте общей физики имени А. М. Прохорова.
Константин Голант решил применить для производства волокна плазмохимическую технологию. Для этого в 1991 году Голант и его коллеги начали строить собственную установку. "Академик Прохоров говорил: 'Новые результаты в экспериментальной физике делаются только на новых установках'. И я с ним абсолютно согласен", - подчеркивает Голант.
Во время строительства и первых экспериментов проект получил немало скептических оценок. Уж больно необычно выглядела тогда и сама технологическая установка, и идея применить азот. Был у скептиков и самый "непробиваемый" аргумент: ни одна зарубежная фирма, ни один зарубежный университет или научно-исследовательский центр с их великолепно оснащенными лабораториями не проводили подобных исследований и разработок.
В 1994 году удалось получить первое "азотное" волокно с малыми потерями, то есть подходящее для телекоммуникационной индустрии. Рубежным оказался 1995 год, когда эти результаты были представлены на крупнейшей международной конференции по оптической связи OFC`95 и опубликованы в ведущих мировых научных журналах. Выступление на конференции и публикации не только обозначили приоритет команды Голанта, но и привлекли источники финансирования проекта. Появились заказы международных корпораций, благо потребность в оптическом волокне, особенно для телекоммуникаций, в те годы неизменно росла. Крупнейший мировой производитель оптоволокна Corning поначалу не мог поверить, что русским физикам удалось сделать долгожданный продукт, но, протестировав его, закупил первые 50 километров "азотного" волокна от Голанта.
Естественно, новое уникальное волокно подверглось тестированию по всем параметрам. Оказалось, например, что оно намного лучше, чем стандартное, ведет себя в условиях радиации. А в одном из экспериментов ученые попытались создать при помощи него сенсор на основе так называемых брэгговских решеток - периодических наноструктур, которые отражают свет определенной длины волны. Они названы так по имени английских физиков, отца и сына Генри и Лоуренса Брэггов, работавших в Лондоне в начале XX века. Именно они, исследуя кристаллы под рентгеновскими лучами, установили, что периодические структуры (в их случае - кристаллы) могут быть отличными зеркалами для волн определенной длины.
На волокне периодическую структуру делают так. Сердцевину экспонируют светом от ультрафиолетового лазера. Но не однородно, а в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии около 400 нанометров. В облученных местах показатель преломления стекла сердцевины возрастает, хотя и очень незначительно (на величину 10 -4). Такой ряд точек и есть брэгговская решетка.
Если по волокну с такой решеткой запустить широкий спектр световых волн, то почти все они пройдут насквозь, не замечая наведенной структуры. Только волны, длина которых соответствует условию Брэггов, будут отражаться от решетки. Длина волны отражения зависит от расстояния между точками и от показателя преломления материала сердцевины световода, в данном случае стекла с азотом. Теперь, если нагреть волокно, показатель преломления изменится, и от брэгговской решетки начнут отражаться волны другой длины.
Если в экспериментальных условиях провести замеры: какая длина волны какой температуре соответствует, - то можно сделать и обратный прибор, который по длине отраженной волны определяет, какая температура в том месте, где сейчас расположена брэгговская решетка. Оптоволокно с брэгговской решеткой превращается в градусник, вернее, сенсор температур. Длина отраженной на брэгговской решетке волны изменится, кстати, не только от нагрева, но и от изменения напряжения и давления (расстояние между "точечками" решетки увеличивается). Так что из того же волокна можно создавать датчики и этих параметров.
Что же в этом нового, спросит просвещенный читатель. По такому принципу волоконные сенсоры создаются уже давно, их можно купить на рынке. Но лаборатория Голанта сделала такой сенсор из своего волокна, легированного азотом. Оказалось, что брэгговская решетка на этом волокне сохраняется при нагреве аж до 1000 градусов Цельсия, тогда как на обычных волокнах исчезает при 300! То есть из волокна, легированного азотом, можно делать совершенно уникальные сенсоры очень высоких (и очень низких) температур.
Идея попробовать азотное волокно в качестве сенсора температур пришла в голову исследователям, в общем-то, случайно. "На физическом уровне мы до конца так и не знаем, почему волокно, легированное азотом, оказалось таким 'хорошим', - говорит молодой сотрудник лаборатории Голанта кандидат наук Олег Бутов. - Это предмет нашего нынешнего исследования. Теоретически все до конца строго не доказано, но экспериментально факт термической стойкости волоконных сенсоров подтвержден тысячи раз".
Золото под ногами
Все изобретения лаборатории плазмохимической технологии были запатентованы, статьи опубликованы в российских и зарубежных научных журналах, но ни о каком бизнесе на замечательных сенсорах речь не шла. Так бы и занимался Константин Голант с коллегами фундаментальной наукой, делал бы доклады на симпозиумах, выполнял бы исследования для Corning и других корпораций, если бы в 1999 году на конференции по микрооптике в Японии к нему не подошел молодой сотрудник фирмы Sony и с экспрессией, на которую способен только японец в крайней стадии возбуждения, сказал: "Вы, русские, все такие! Ходите по деньгам, которые у вас под ногами валяются, и не хотите их поднять". И русский профессор задумался над коммерциализацией своих изысканий.
Благосклонностью фортуны можно объяснить своевременное появление в Научном центре волоконной оптики уроженца подмосковного наукограда Черноголовки 27-летнего бизнесмена Ярослава Гусева. Он с детства хотел быть ученым, в школьные годы занимал призовые места на всевозможных олимпиадах по математике, поступил на мехмат МГУ, но так и недоучился - его закружил финансовый бизнес. К 2000 году он уже стал успешным бизнесменом, владельцем нескольких фирм по финансовому и юридическому консалтингу, операциям с ценными бумагами. Тут-то в нем и проснулась ностальгия по миру науки. Ярослав начал искать перспективный долгосрочный наукоемкий проект. Но найти подходящую команду ученых оказалось непросто. "Вся советская система воспитывала ученого как человека затратного свойства, - отмечает Гусев. - Он брал деньги и тратил на то, что ему хотелось, и, по большому счету, ни перед кем не отчитывался". Многие из встречавшихся ему людей науки были уверены не только в уникальности своих достижений (хотя во многих случаях у них действительно было превосходство над иностранными коллегами), но и в том, что покупатели их продукта должны прибежать сами. "Все просто дураки, поэтому и не инвестируют в наши замечательные разработки", - говорил Гусеву один из научных корифеев родной Черноголовки.
Найти подходящий проект помог случай. Один из давнишних знакомых Ярослава работал в Научном центре волоконной оптики ИОФ РАН и познакомил Гусева с Голантом. "В первую очередь я понял, что этот человек адекватный, с ним можно работать, - вспоминает Гусев, - ну и, конечно, у него действительно была уникальная разработка. Я понял, что из волокна можно делать такие продукты, которые органически вольются в уже существующие зарубежные приборы и принципиально улучшат их показатели. Было понятно, что рынок растущий, имеющий будущее. Важно, что у всего Центра волоконной оптики был правильный менеджмент, его руководитель академик РАН Евгений Михайлович Дианов - человек, который сумел в определенной мере сохранить и коллектив, и базу. В центре было оборудование, на котором ученые могли делать что-то новое. Кроме того, в лаборатории я увидел молодежь, а по нынешним временам это главный критерий жизнеспособности научного коллектива".
Голант, напротив, не сразу воспринял Гусева серьезно. Для начала он предложил варягу из мира бизнеса закупить два очень важных прибора - анализатор оптического спектра за 56 тыс. долларов и аппарат для сварки оптоволокна за 18 тыс. долларов. Голант был уверен, что молодой предприниматель не согласится на такие достаточно крупные по научным меркам инвестиции. Каково же было его удивление, когда буквально через месяц Ярослав сам принес требуемые приборы.
От сенсора к датчику
Вскоре под проект была образована компания "Бизнес-Юнитек". От продажи просто волокна руководство компании отказалось сразу (хотя, например, одна норвежская компания после публикации научной статьи об уникальной термостойкости брэгговских решеток захотела купить сразу 100 километров азотного волокна). Ведь один метр волокна стоит примерно 6 долларов, а сенсор (волокно с нанесенной решеткой), на который идет три метра волокна, стоит на рынке около 150 долларов.
Сенсоры "Бизнес-Юнитек" продавал и продает по сю пору, но только небольшими партиями. Сейчас несколько опытных партий закуплено Siemens (он испытывает их на своих генераторах), а также некоторыми французскими и американскими организациями. Основные инвестиции и усилия команды были брошены на другое - создание продукта с наиболее высокой добавленной стоимостью: конечного прибора, датчика температуры. Помимо сенсора (волокна с брэгговской решеткой) он включает в себя источник света на основе суперлюминесцентного диода, спектрометр и процессор, который может обрабатывать сигналы. "Мы небольшая компания и сознательно решили не распыляться, сосредоточиться на самом интересном сегменте", - говорит Ярослав Гусев.
Температурные датчики - это тот продукт, где у инновации лаборатории есть явные рыночные преимущества. Кроме самого диапазона измеряемых температур датчик обладает еще множеством неоспоримых достоинств. Точность измерения у температурного датчика Голанта оказалась в два раз выше, чем у существующих на рынке (в частности тех, которые выпускает известная компания CiDRA).
"Бизнес-Юнитек" видит сразу несколько отраслей, где без его датчиков не обойтись. Во-первых, это нефтяная и газовая промышленность. Самому сенсору электричество не нужно (лазер, который запускает оптический луч, может находиться на расстоянии нескольких километров), у него не бывает замыканий, а значит, его можно помещать внутри нефтяных хранилищ. Более того, если обычный оптический сенсор прикрепить сложно, то сенсор "Бизнес-Юнитек" в металлизированной оболочке можно ввиду его поразительной термоустойчивости просто припаять. Другое применение в нефтянке - бурение скважин сейчас идет на очень большую глубину. На километровой глубине в земле очень жарко. И измерять температуру бура в этих условиях - критический вопрос.
Следующая сфера применения - электрогенераторы (контроль температуры обмоток). Ведь на оптический датчик не влияют и электромагнитные помехи. (Кстати, это большая проблема отрасли. Пока в электрогенераторах температура вообще никак не измеряется - нет прибора.) Это же полезное свойство делает датчик незаменимым в промышленных СВЧ-печах, которые используются в сельском хозяйстве для просушки зерна или дерева.
Атомная энергетика тоже выиграет от нового продукта. (Напомним, что волокно оказалось еще и радиационно стойким.) Возможно его применение и в авиастроении. Сейчас в самолетах уже используются датчики на основе брэгговских решеток, но изготовлены они из обычного волокна, и в нем лет через десять эксплуатации возникают наведенные космической радиацией потери. Датчики приходится менять. С волокном, легированным азотом, такого не произойдет. По той же причине оно будет востребовано и в космических аппаратах. Недаром, по некоторым данным, NASA сейчас активно работает над совершенствованием оптоволоконных датчиков, но успеха пока не добилось.
К серийному производству
Но сделать такой датчик не в единственном экземпляре, а как коммерческий продукт оказалось непросто. Пока идет этап инвестирования. Кроме непосредственных вложений Гусева помогают и фонды. В 2002 году связка НЦВО-"Бизнес-Юнитек" выиграла гранты двух самых влиятельных научных фондов России - РФФИ и Фонда содействия. Ежегодный объем инвестирования составляет 1,9 млн рублей. А в 2003 году проект по налаживанию производства датчиков на основе высокотемпературных брэгговских решеток получил на нашем конкурсе инновационную премию Intel (ноу-хау группы Голанта не оставило равнодушными специалистов из крупнейшего в мире корпоративного венчурного фонда Intel Capital).
Само производство датчиков должно начаться в первой половине 2004 года. Для этого Гусев сейчас заканчивает оборудование отдельной лаборатории стоимостью более 100 тыс. долларов для Голанта и его команды, где и будут выпускаться первые приборы. Для нее, в частности, изготавливается специальный лазер. Аналогичный западный аппарат на рынке стоит до 120 тыс. долларов, но "Бизнес-Юнитек" нашел группу российских ученых, которые делают хоть и гораздо менее привлекательный внешне прибор, но с точностью на порядок выше и в несколько раз дешевле зарубежных аналогов.
Параллельно идет активная экспериментальная работа, физики постоянно совершенствуют свое изобретение и увеличивают точность датчика до десятой градуса. Изготовлен и собственный чип для анализа показаний датчика, пишется программное обеспечение для пользователей нового прибора. Кроме того, уже разработана технология записи брэгговских решеток сразу в момент вытяжки волокна, что упрощает процесс изготовления сенсоров.
В первой половине будущего года "Бизнес-Юнитек" будет способен выпускать первый серийный продукт. Потенциальные клиенты могут появиться еще раньше - сразу после выступления коллектива Дианова и компании "Бизнес-Юнитек" в феврале 2004 года на конференции Optical Fiber Communications в Лос-Анджелесе - самом престижном мировом форуме по волоконно-оптической связи. Но Гусеву не терпится: он уже думает о продолжении продуктовой линейки - выпуске датчиков натяжения и давления.
