Зигзаг томской молнии

Ирик Имамутдинов
25 сентября 2006, 00:00

Разработка лаборатории Томского НИИ высоких напряжений помогает бурить скважины на шельфе, крепить зеркала к спутникам и очищать воду. К томичам выстроилась очередь из ТНК. Россия выжидает

Сегодня в Томском НИИ высоких напряжений нередко можно встретить эмиссаров западных транснациональных корпораций. Shell, Schlumberger, BP изучают опыт томичей по мгновенному превращению твердой породы в порошок, заказывают им НИОКР и надеются использовать их опыт в бурении на шельфе. Китайцы и корейцы с помощью сибирского ноу-хау намерены очищать воду и осуществлять низкотемпературную пайку различных материалов. Американский венчур больше интересуют новые виды твердых топлив, которые могут разработать в Томске. Просыпаются в последние годы и наши военные и энергетики — им от Томского НИИ ВН нужны новые сплавы и силовая электроника.

Такая востребованность советского технологического задела умилит иного читателя: наконец мы получили конверсию и коммерциализацию в одном флаконе! Правда, для этого еще нужно было пережить увольнения, искус заокеанских покупок с потрохами, финансовый кризис и тесное сотрудничество с нашими и зарубежными спецслужбами.

Николай Яворовский, руководитель лаборатории № 12 Томского НИИ ВН, проект которой победил в пятом Конкурсе русских инноваций (премия корпорации 3М), считает, что ему просто повезло как ученому. Обнаружить такой «судьбоносный» эффект, который окажется применимым в добром десятке отраслей, дано не каждому.

«Представляешь, я взял и в изолированной камере, наполненной аргоном, электрическим импульсом взорвал кусок алюминиевого провода, — вспоминает Яворовский. — Собрал какое-то количество остатков, посмотрел в электронный микроскоп и увидел, что это очень интересно. После взрыва получились сферические частицы, такие идеальные шарики. Химическая технология дает бесформенные куски, а здесь металлическая частица идеально шарообразная».

Получить с помощью электроимпульсного взрыва мириады наночастиц идеальной формы мало-мальски образованному человеку кажется фантастикой. А начиналось все, как водится, в постсоветской инновационной среде, с военного заказа — в 60-е стране нужно было сумасшедшими темпами строить ракетные шахты, и военные понимали, что с традиционными методами строительства в сроки уложиться не удастся.

Как закопать ракету

В 1956 году в Томском политехническом институте создается кафедра техники высоких напряжений (ТВН). По словам Николая Яворовского, кафедра создавалась под проблему электроимпульсного бурения: ученые полагали, что эта технология окажется весьма перспективной для бурения твердых и сверхтвердых пород, в которых и предполагалось создавать шахтные комплексы МБР.

Организовал кафедру и возглавил ее ректор ТПИ профессор Александр Воробьев, крупный ученый и, как нередко случалось в советской науке того времени, талантливый организатор. Под его руководством начались фундаментальные исследования физики диэлектриков, прежде всего их электрического пробоя. Он привлек к этим работам ученых разного профиля — механиков, физиков, химиков, электриков. Исследования показывали, что если вокруг подготовленной, к примеру, в гранитной породе трубы, залитой изолирующей жидкостью (сначала речь шла о трансформаторном масле, солярке, позже как диэлектрик научились использовать обычную воду), расположить систему электродов и подать короткий импульс, то разряд, развиваясь в граните, начинает безжалостно крошить породу вокруг трубы.

К 1968 году были созданы опытно-промышленные образцы установок для бурения скважин, дробления и разрушения горных пород и других токонепроводящих материалов. Но до конца 80-х успели пробурить всего 1000 метров скважин различного диаметра, и до промышленного применения дело так и не дошло. Идея электроимпульсного бурения в то время обогнала технологические возможности смежных отраслей. В первую очередь это касалось создания генераторов импульсов и коммутаторов, они быстро выходили из строя и работали скорее в экспериментальном режиме. Да и не мог институт без сопутствующей госпрограммы один потянуть отраслевой технологический переворот. Но разработки в области электроимпульсных технологий в результате вызвали настоящий фейерверк новых научных и технологических направлений, большинство которых нашло применение и в гражданском, и в военном деле.

Адская машинка

Больше всего, конечно, попользовались наработками высоковольтников военные — особенно в 70-х годах, когда стартовала противоракетная гонка и начали создавать системы вооружений для космоса. Решались, например, следующие задачи, вспоминает Яворовский: «Висит где-то в космосе облако топлива и окислителя и ждет своего часа, нужен мощный импульс, пробивающий вакуум и поджигающий эту адскую машину с фантастической разрушительной силой». Интересно, что американцы очень плотно занимались электроимпульсными технологиям с 40-х до середины 60-х, когда было решено полностью свернуть все работы в связи с их «полной неперспективностью».

В 70-х же годах Николай Яворовский с коллегами начал заниматься электрическим взрывом проводников. Дело в том, что во многих экспериментальных задачах (например, в программе исследований инерционного термояда) необходимо сформировать очень мощный импульс тока. Чтобы его получить, нужно практически мгновенно оборвать ток, и тогда формируется «высокий» импульс, напряжение которого в десятки раз превышает изначально подаваемое на устройство. Взрывной прерыватель напоминает обычный предохранитель, но через проводник пропускается такой мощный ток, что он не просто сгорает — он взрывается и обрывает ток с миллисекундной скоростью.

Такие прерыватели были нужны для так называемого управляемого многоточечного подрыва (УМП) головок противоракетных ракет. Расчет делался на поражение разделяющихся боеголовок противника при массированном налете: после засекания ближайшей боеголовки умные устройства подключали прерыватели мгновенно (пять наносекунд), те взрывались и подавали импульс на взрыватель той части головки, которая была обращена в сторону ближайшей цели, после чего на нее шел узконаправленный поток осколков. Такая противоракета могла взять в оборот до нескольких десятков головок разом.

Как раз во время проведения взрывных экспериментов с прерывателями Николай Яворовский и обнаружил «идеально шарообразные» частицы алюминия. Сейчас бы их назвали нанопорошками (получались частицы размером от 20 нанометров), в советское время закрепилось название ультрадисперсные порошки (УДП). Результаты исследований металла потрясли ученых. Он был «химически жутко активен». Обычный алюминий (он входит в состав большинства войсковых ВВ и топлив: торпедных, ракетных) горит плохо. «А тот, который мы получили, — говорит Яворовский, — горит как порох, ровно, как очень гомогенная однородная система. Причем если скорость горения обычного алюминия в пиротехнических составах десять миллиметров в секунду, то у нашего — сто пятьдесят миллиметров в секунду, и скоростью горения можно было управлять».

Поставил подпись сам

К началу 80-х об алюминии томичей узнали в отделе союзного Госплана, который курировал Министерство общего машиностроения (оно ведало производством систем обычного вооружения, в том числе различными топливами, порохами и т. д.). Толковые управленцы сразу поняли важность развития нового направления и успели включить тему УДП в одну из программ с обильным финансированием в одиннадцатой пятилетке (1981–1985). Тему закрыли, а ультрадисперсные порошки из Томска начали исследовать в десятках институтах и профильных отраслевых организациях, где так или иначе, по словам Яворовского, «занимались порохами, ВВ, первыми ступенями ракет».

В 1982 году Николая Яворовского вызвали в Москву на совещание Военно-промышленной комиссии и предложили на условиях полной финансовой и технической поддержки в течение года сделать опытно-промышленную установку для производства уже не граммов, а килограммов УДП. Яворовский, дав предварительное согласие, рассказал о предложении директору института Василию Ушакову. Тот взъярился, испугавшись ответственности (ведь в случае неудачи, если бы изделие не прошло госприемку, институту грозили бы крупные неприятности), и подписывать документы отказался. Яворовский пошел ва-банк: «Если сам не подпишу, я этого дела никогда не сделаю, а если подпишу, то сделать придется в любом случае. И в очередной поездке поставил подпись сам».

Химическая технология дает бесформенные куски, а здесь получается идеально шарообразная металлическая частица

Через год устройство прошло госприемку и стало нарабатывать электроактивированный алюминий. К концу 80-х годов в институте наработали уже несколько тонн такого алюминия. Этого хватало не только на исследования — была развернута целая госпрограмма создания морской торпеды нового типа, работающей на ультрадисперсном алюминии. Окислителем алюминиевого топлива служила забортная морская вода. Вступая в реакцию с водой, «горючее» превращалось в оксид алюминия, а высвободившийся водород, сгорая, создавал реактивную тягу, превращаясь в итоге в обычную воду.

Изготовили несколько вариантов новых торпед, которые в конце 80-х годов успешно прошли испытания. Моряки тут же окрестили их суперторпедами: американские спутники, пытаясь проследить за испытанием нашей новой торпеды, работавшей на таком топливе, не смогли ее даже засечь — подводная скорость в четыре раза превышала ту, что наши противники в холодной войне могли себе представить.

В 1989 году комиссия ВПК приняла решение построить в Томске опытный завод по производству алюминиевого ультрадисперсного порошка. Ее представители приезжали в Томск, бумаги под строительство завода были подписаны очень большими людьми: министром обороны, начальником оборонного отдела ЦК, не успел подписать только Михаил Горбачев.

Спасибо эстонскому парню

Тогда же дирекция института решила подмять тему УДП под себя. Николай Яворовский не согласился, и в 1990 году его просто уволили из института. «Скорее всего, можно было восстановиться через профсоюз или суд, но все равно не смог бы работать с ними», — вспоминает он. Между тем о работах томичей узнал эстонский кооператор Андрей Уткин, руководитель торговой фирмы «Сервер», уроженец Новосибирска и, по словам Яворовского, талантливый программист. Он оказался успешным предпринимателем, нажил приличное состояние на торговле металлами и, установив партнерские контакты с американцами, наладил первые поставки качественной компьютерной техники в центры сибирской академической науки Новосибирск и Томск. В отличие от своих партнеров, вкладывавших деньги в развитие сети ресторанов, Уткин решил, что будет вкладываться в высокотехнологичный бизнес. Уже к 90-м годам он понимал, что мир рано или поздно вступит в эпоху нанотехнологий, с помощью которых можно будет, к примеру, получать материалы с совершенно новыми свойствами, ожидал весьма прибыльного бизнеса и сразу увидел колоссальные перспективы технологии ультрадисперсных порошков. «Ходил безработным, — рассказывает Николай Яворовский, — думал, может, податься в академию, туда друзья звали, и вдруг письмо из Таллина: приезжайте, дорогу мы оплатим. Переговорил со своими — ну чем мы рискуем? — собрался, занял денег и поехал. Вернулся оттуда через неделю с подписанной бумагой о создании лаборатории». В итоге в Томске была зарегистрирована научно-внедренческая лаборатория «Элитех» («Электроимпульсные технологии») как филиал фирмы «Сервер».

«Финансирование было фантастическим, — продолжает ученый, — мне как руководителю проекта платили пятнадцать тысяч рублей в месяц, а мой сотрудник Олег Лодыжинский (автор широко применяемой сейчас технологии плазменного напыления стекол. — “Эксперт”) получал десять тысяч советских рублей — тогда “Жигули” стоили столько. Но главное, за два с половиной года работы “Элитеха” мы продвинулись колоссально: сделали серию новых машин по производству УДП, на территории академического Томского института химии и нефти создали производственный участок из двадцати машин. Доводили до ума всю технологическую цепочку, занялись технологией пайки разнородных материалов. Было изготовлено несколько тысяч образцов пайки стекла, кварцевого и специального оптического, и различных металлов — вольфрама, молибдена, никеля, титана. В результате получили приличные зеркала для лазеров и космоса».

«Сервер» не занимался благотворительностью. Был составлен бизнес-план по производству ультрадисперсных порошков, главным образом из драгоценных металлов. Предприниматели хотели не просто обойти проблему экспорта таких металлов — их целью был многомиллиардный мировой рынок мелкодисперсного и ультрадисперсного порошков редкоземельных металлов, золота, серебра и платины. Такое золото идет в краски и покрытия, а серебро используется в часовой и автомобильной промышленности. Оба металла входят в состав специальных паст и припоев, потребляемых в огромных объемах в микроэлектронике, при производстве авиационной и ракетно-космической техники. Использование же УДП позволяло увеличить экономию драгметаллов на порядок.

Фирма «Сервер» создала в США, Канаде и Швеции сбытовую инфраструктуру по УДП и уже начала было рекламную кампанию, предлагая потенциальным западным потребителям пробы УДП из различных материалов. В Таллине, где в советское время была одна из самых сильных в Союзе школ по диффузной сварке, пустили участок по пайке.

В конце 1991-го компания Argonide, представлявшая интересы американского ВПК, предложила «Серверу» продать НВЛ «Элитех» вместе со всеми установками и технологическими наработками, а команде переехать в Штаты с минимальными формальностями. Нескольких сотрудников американцам удалось-таки сманить, но Николай Яворовский наотрез отказался. Интересно, что представитель американской компании Антонио Дель-Викарио вскоре был выслан за деятельность, несовместимую с целями, указанными при получении российской бизнес-визы.

Остальное спрятал в Томске

Планы завоевания мировых рынков с уникальными по свойствам порошками рухнули с распадом СССР. «Дело провалилось не потому, что плохо было спланировано, оно профессионально было просчитано русскими ребятами из Таллина — они все вышли из науки и в то же время были очень успешными предпринимателями. Все решило закрытие российско-эстонской границы. Часть оборудования работала в России, часть — в Эстонии, логистика усложнилась невероятно. Если разрешали вывоз из России изготовленной в Томске техники, ее могли не впустить на свою территорию эстонцы. Технологический цикл был нарушен», — вспоминает Яворовский. Мало того, в 1992 году начались проблемы и в Томске. Руководство ИХН, где «Элитех» арендовал площади для производства УДП, не нашло ничего лучше, чем решать свои проблемы из-за прекратившегося госфинансирования за счет «богатых» высоковольтников, шантажируя их рубильником. После нарушений технологических циклов, связанных с несколькими несанкционированными отключениями электроэнергии, из института пришлось уйти. Там осталось три машины, которые почти сразу же были проданы руководством института американцам. «Впрочем, винить их трудно, — говорит Яворовский, — им платить людям было нечем, а удержать квалифицированных специалистов хотелось». Еще несколько установок было продано корейцам, немцам и китайцам из НИИ ВН. Установки с комплектом документации влет уходили за 120 тысяч долларов. Российские службы безопасности сделок с техникой двойного назначения вообще не заметили. Но продали не всё. Почти два года после развала дела Николай Яворовский со товарищи спасал, как мог, оборудование. Из ИХН вывез шестнадцать установок, восемь из них пристроил с помощью «Сервера» на питерском заводе «Большевик», несколько машин удалось-таки переправить в Таллин, остальное «спрятал в Томске».

Главным итогом «эстонского периода» в развитии технологий УДП кроме совершенствования самой технологии стало понимание того, в каких сферах применимы ультрадисперсные порошки. Алюминий — главная любовь Яворовского — можно жечь не только как военное топливо, а, организуя его горение в присутствии различных солей, получать искусственные камни, например рубины и сапфиры. Небольшие (до 0,5%) добавки активного алюминия существенно улучшают качество сложных сплавов, например для сердечников снарядов и броневого снаряжения техники и вполне мирных режущих инструментов (вольфрам—никель—железо) и при спекании железа и неодима для получения супермагнитов.

Замена обычного оксида алюминия на активированный (его получают при импульсном взрыве алюминия в кислороде) при спекании керамики значительно упрощает технологию создания керамических материалов — температура спекания снижается с обычных 1500–1800 градусов на 200–300 градусов.

Еще один огромный рынок использования УДП — низкотемпературная пайка разнородных материалов. Росавиакосмосу, к примеру, нужно крепить сейчас зеркала к спутникам. Но при старте ракеты возникают перегрузки до 8G, и зеркала приходится жестко крепить механически. За счет пайки ультрадисперсным порошком можно существенно снизить вес крепежа в стартовом весе ракеты.

Совсем уж заманчивые перспективы открываются в области силовой электроники. Рано или поздно встанет вопрос о переводе российских высоковольтных линий электропередачи с переменного тока на постоянный — в этом случае потери энергии уменьшаются на 20%. Для этого потребуются выпрямители, построенные по схеме «кремниевые пластины на вольфрамовой подложке». Проблема в том, что сейчас в России нет технологий соединения кремниевых пластин с вольфрамовой подложкой большого диаметра. На лучшем в России заводе «Протон» в Орле освоили диффузную пайку на подложке диаметром 60–80 миллиметров, теперь стремятся к 100 миллиметрам. Немецкий Siemens, применяя нанопорошки, использует 150-миллиметровые подложки, скоро появится электроника, выполненная на 200-миллиметровой технологии. В «Элитехе» провели серию экспериментов пайки вольфрама с кремнием, которые показали, что можно без труда перегнать немцев.

Они пока не продаются

В 1994 году новый директор НИИ ВН зазвал Яворовского на старое место. Техника по производству УДП была разорена или продана, внутреннего спроса на сам порошок не было. «Вояки исчезли, денег не было, и мы начали срочно искать, чем денег заработать. Решили делать водоочистной комплекс», — рассказывает Николай Яворовский.

Интересно, что на эту мысль разработчиков натолкнули чиновники. В стране начались повальные выборы, а первый вопрос, которые задавали жители деревень и небольших поселков на предвыборных собраниях: когда будет вода? «Мы это дело сразу почувствовали, — говорит Яворовский. — Забросили на время все темы, что у нас были, переключились на воду и вот за три месяца сделали водоочистной комплекс ”Импульс”».

Сначала, как и ожидалось, установки покупали предприятия ЖКХ районного масштаба в основном Севера России — в Коми, Тюменской области, Ханты-Мансийском автономном округе. Затем пришли нефтегазовые предприятия. За ними потянулись западные и восточные компании. Мировой производитель систем по очистке воды японская компания Shinko Pantec, приобретя «Импульс», провела сравнительные исследования с аналогичными установками. Оказалось, что по сравнению с лучшими мировыми аналогами «Импульс» потребляет наименьшее количество электроэнергии при хорошем качестве очистки воды.

Оценка столь авторитетной компании стала хорошей рекламой продукции небольшой сибирской лаборатории. К Яворовскому потянулись представители зарубежных компаний. Большинство интересовала возможность покупки технологии. Представитель одной американской венчурной компании уговаривал разработчиков войти в фирму, которая распространяла бы комплекс «Импульс» и развивала электроимпульсную технологию очистки воды в США. Самому Яворовскому в фирме предложили место технического директора. Подумав, ученый отказался. Переехать на полное обеспечение в Далян (бывший Порт-Артур) предлагали китайцы, обещая организовать лаборатории и по водоочистке, и, что для китайцев важнее, по теме УДП. Яворский отказался уже в третий раз. Сегодня лаборатория № 12 Томского НИИ ВН рассчитывает исключительно на себя — добывающий сектор российской экономики ими не интересуется (технологии добычи на шельфе тому же «Газпрому» проще импортировать), в миллиардный (в долларах) проект государства по развитию нанотехнологий томичи тоже не попали, отечественная военка только-только начинает вспоминать о былом технологическом величии, и не факт, что ее повышенный интерес поспособствует бизнес-успеху замечательной разработки. С нашей точки зрения, томское ноу-хау — типичный пока еще пример поднятой с колен советской суперразработки, претендующей на мировое лидерство, но не попавшей в круг «своих», которые государство и крупные корпорации готовы финансировать. Они пока не продаются, и в этом надежда.