От наномикроскопа до громоотвода

В минувший четверг состоялось награждение победителей Девятого конкурса русских инноваций, организованного медиахолдингом «Эксперт» и поддержанного нашими партнерами

Открыли церемонию награждения председатель совета директоров медиахолдинга «Эксперт» Татьяна Гурова и председатель правления Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы, генерального партнера нашего конкурса, Олег Бударгин.

Гран-при конкурса, который вручал г-н Бударгин, присужден сканирующему зондовому микроскопу Solver Next, созданному ЗАО НТ-МДТ (Зеленоград). Solver Next сочетает в себе атомно-силовой и туннельный микроскопы — два ключевых метода зондовой микроскопии. Первый дает ученым информацию о физико-химических и механических свойствах поверхности и позволяет с помощью зонда проводить манипуляции с наноструктурами, например с нанотрубками. Второй, благодаря сверхвысокому разрешению (до 0,1 нм), дает возможность «рассмотреть» отдельные атомы, в частности в мономолекулярных самособирающихся нанопленках.

 pic_text1 Фото: Олег Сердечников
Фото: Олег Сердечников

Однако проводить исследования с помощью этих двух отдельных микроскопов под силу только очень опытным ученым, обладающим к тому же инженерной жилкой: чтобы вручную менять измерительные головки и заново настраиваться на изучаемый образец, нужно досконально разбираться и в устройстве, и в нюансах работы обоих приборов. Но таких уникумов очень мало, даже в мировом масштабе, поэтому рынок приборов, требующих от ученых инженерных навыков, достаточно узок. Зато существует широкий пласт рядовых лабораторий, основная рабочая сила которых — аспиранты и молодые постдоки. Именно для таких ученых, которые еще не набрали достаточно опыта, компания НТ-МДТ разработала свой Solver Next. У прибора всего одна кнопка и несколько вариантов выбора в программном обеспечении. А его внутренности запломбированы — лазить туда теперь незачем. От исследователя требуется лишь задать характеристики образца, которые он хочет измерить, а все настройки Solver Next произведет сам. «Уникальность нашей разработки заключается в том, что все настройки прибор делает самостоятельно: Solver Next сам переключается между двумя измерительными головками — атомно-силового и туннельного микроскопа, сам настраивает оптическую систему и сам подводит зонд к поверхности образца. Тем самым он экономит исследователю массу времени, которое раньше уходило на долгую процедуру ручной смены головок и последующих настроек», — рассказывает Вячеслав Поляков, заместитель директора отдела разработок, ИТ и сервиса НТ-МДТ и руководитель проекта Solver Next. Таким образом, с появлением Solver Next молодые ученые получили возможность использовать в своих исследованиях два основных метода сканирующей зондовой микроскопии. Теперь они могут проводить серьезные научные работы наравне с корифеями и публиковать статьи в ведущих научных изданиях.

Над созданием «искусственного интеллекта» для Solver Next инженеры и программисты компании бились четыре года: нужно было разработать мощную систему управления с обратной связью, способную отдавать команды десяткам крошечных механических моторчиков и пьезокерамических движителей, анализировать, что в итоге получилось, и делать следующий ход. К примеру, надо было научить систему прицеливать луч лазера точно в центр балки-держателя, на которой закреплена иголка кантилевера атомно-силового микроскопа. И это при том, что диаметр «мишени» в этом «тире» — порядка 100 мкм!

В конечном итоге разработчики добились того, что Solver Next научился сам настраивать около двух десятков режимов, включая такие, которые вручную реализовать было невозможно. Прибор, к примеру, умеет быстро переключаться между областями сканирования: с большой области (100x100x100 мкм) к атомарному уровню (3x3 мкм). Это исключительно полезная опция, в частности для тех, кто работает в области наноэлектроники — изучает кристаллы кремния с внедренными примесями, атомы которых формируют в поверхностном слое кристалла наноразмерные транзисторы.

Создав Solver Next, НТ-МДТ фактически сформировала новый рынок — интеллектуального оборудования для массовых научных исследований. «Автоматизация настроек приборов — основной тренд на рынке научного оборудования. Над этой задачей сейчас работают все крупные мировые производители сканирующих зондовых микроскопов. Но пока никому не удалось повторить наш успех, — подчеркивает Виктор Быков, учредитель и генеральный директор НТ-МДТ. — Сегодня Solver Next — единственный на рынке интеллектуальный прибор, способный выполнять все настройки без участия человека».

Эту инновацию мирового масштаба НТ-МДТ, ведущая российская высокотехнологичная компания с оборотом 50 млн долларов, создала на собственные средства. Свой «микроскоп с интеллектом» компания позиционировала в среднем ценовом сегменте, к которому относится научное оборудование стоимостью от 60 до 100 тыс. долларов. «Ценовой сегмент до 100 тысяч долларов — это оборудование для низкобюджетных лабораторий и научных проектов. Таких в мире очень много, и объем этого сегмента рынка достаточно большой — порядка 100–150 миллионов долларов. Мы хотим занять этот рынок, поэтому успех разработки Solver Next был очень важен для нас», — поясняет Денис Андреюк, руководитель службы маркетинга НТ-МДТ.

Компания НТ-МДТ создала первый в мире сканирующий зондовый микроскоп, способный выполнять все настройки без участия оператора

Блесна для золотой рыбки

Российская компания ТЕСИС с ее программным продуктом по моделированию движения жидкостей и газов FlowVision победила на конкурсе в номинации «История успеха». На сцене Политехнического музея ее авторов поздравил Александр Башевский, директор по развитию ЗАО «ИРЭ-Полюс», еще одной весьма успешной российской инновационной компании.

Что делает FlowVision? Допустим, некая компания разработала новый двигатель, турбину, насос. И пока модель есть только в компьютерной системе автоматизированного проектирования CAD, в виде файла. Чтобы понять, как ведет себя новинка в воздухе, воде, разных газовых средах и при разной температуре, нужны натурные испытания. То есть компания должна сделать образец из металла или других материалов и эксплуатировать его в разных условиях, подчас даже в аэродинамических трубах и прочих сложных установках. Это очень дорого, а для некоторых изделий в машиностроении, которые являются частями других механизмов, — почти невозможно.

 pic_text2 Фото: Олег Сердечников
Фото: Олег Сердечников

Естественно, уже несколько десятилетий на помощь инженерам приходят физики и математики, они занимаются компьютерным моделированием, продувают виртуальные модели самолетов виртуальными ветрами, изучают турбулентность виртуальной жидкости в виртуальных насосах и т. д. Вопрос, насколько хорошо работают системы математического моделирования и насколько удобно этим софтом пользоваться инженерам-практикам. Программа FlowVision имеет одни из лучших в мире характеристик по обоим вышеперечисленным параметрам.

Основная инновация FlowVision — технология построения расчетной сетки. В любом подобном программном продукте модель изделия бьется на много маленьких кусочков, ячеек-кирпичиков разной формы, и каждый из них является минимальным элементом, формирующим общую картину течения. Сетка, состоящая из ячеек, зачастую получается неравномерной, а сами ячейки — разной формы и размера, в зависимости от топологии изделия. Но многие программы-конкуренты FlowVision могут обсчитать вовсе не каждую форму. Их алгоритмы таковы, что, например, угол между гранями ячейки не должен быть меньше 20 градусов. В результате инженерам приходится упрощать свои модели под их софт. FlowVision может обсчитать каждую ячейку, какой бы формы она ни была. Причем само изделие может быть из совершенно разных видов материала — металл, ткани, тросы, органика. Для расчета математических моделей нужны мощные вычислительные комплексы, иногда даже суперкомпьютеры. Еще одно удобство FlowVision — его мобильность и распределенная архитектура. Большая часть задачи может считаться на суперкомпьютере, а инженеру достаточно ноутбука. Причем специалисты ТЕСИС придумали оптимальный алгоритм распараллеливания вычислений на суперкомпьютере. Так что задача решается быстрее, чем на западных аналогах.

Инновации FlowVision имеют советские корни. Из ведущего российского НИИ — Института автоматизации проектирования РАН — в частную компанию лет десять назад пришли команды, которые занимались этими алгоритмами. Как рассказывает директор по маркетингу ООО ТЕСИС Александр Щеляев, первым крупным клиентом стала РКК «Энергия», по ее заказу проводилось исследование влияния газодинамической струи на стартовую установку ракет по проекту «Морской старт». Но год за годом ТЕСИС решала все более приземленные и важные для простого обывателя задачи. ЦНИИТМАШ занимался оптимизацией котлов на московских ТЭЦ — чтобы понизить эмиссию вредных веществ. С помощью софта FlowVision они испытывали и новые модели котлов, и новые модели горелок для них. Результат — все московские ТЭЦ теперь «смердят» по международным нормам. ЦНИИТМАШ настолько освоил продукт FlowVision, что вообще отказался от натурных испытаний, а свой московский опыт теперь распространяет на все котлы России. Американский производитель шин Goodyear оптимизировал свою продукцию для мокрой погоды, течение воды по профилю шины рассчитывал FlowVision. Американцы строго-настрого запретили ТЕСИС продавать их программу конкурентам и доплачивают российской компании за это. Среди десятка солидных заказчиков ТЕСИС из атомной отрасли и машиностроения встречаются совсем экзотические. Так, японцы решили с помощью FlowVision оптимизировать блесны! Ведь чем больше блесна похожа на маленькую рыбку, тем лучше на нее клюют рыбки побольше. Поведение своих блесен в воде японцы решили моделировать с помощью российского софта.

«Мы работаем с этой командой более десяти лет», — говорит начальник отдела аэрогидродинамики и теплообмена РКК «Энергия» Анатолий Дядькин, — мы видим, как совершенствуется их продукт. Раньше можно было анализировать поведение наших объектов при движении на малых скоростях, теперь — на сверхзвуковых и транссверхзвуковых. На FlowVision мы решаем задачи при проектировании всех наших изделий — ракет, пилотируемых кораблей и так далее — и анализируем поведение уже летающих объектов. Мы находимся с разработчиками FlowVision в непрерывном диалоге, что невозможно представить при работе с западными производителями аналогичных продуктов. Это очень удачная команда».

Автомобиль без проводов

Лучшим инновационным проектом стала в этом году технология интеллектуализации транспортных средств компании «Промышленная группа “Финпром-ресурс”». Награду вручал Руслан Ноздряков, директор по корпоративным коммуникациям компании Philips в России— крупнейшего европейского производителя электроники.

Если не брать в расчет «Жигули», то, пожалуй, любому ясно, что современный автомобиль буквально начинен электроникой. Множество электронных систем управляет разными процессами — от самых простых опций (управление тормозами, подогрев сидений и проч.) до реализации систем автоматического пилотирования.

 pic_text3 Фото: Олег Сердечников
Фото: Олег Сердечников

Начиная с 1980-х в автомобильной отрасли отмечаются следующие тенденции: во-первых, увеличивается число электронных компонентов, развиваются сети связи бортовой электроники и специального софта; во-вторых, механические и гидравлические системы транспорта начинают уступать свое место электрическим и электронным системам. Как известно, сигналы от этих систем идут по проводам. А это километры проводки, к тому же укладывать ее нужно вручную. В результате возникают две проблемы: сложность монтажа и плохая координация и взаимодействие электронных систем. А значит, трудоемкость, высокая цена, ошибки и отказы. Разработка «Финпром-ресурса» решает обе проблемы.

«Финпром-ресурс» предлагает рынку технологии управления бортовыми системами автомобиля (AVAS, MSP LIN) с высокой экономией ресурсов и ряд действующих приложений: управление дверьми, креслами автомобиля, светом и автомобильными приводами. Уникальной особенностью продукта инноваторов является передача данных по линиям электропитания — специальная технология PLC (Power Line Communication). Это позволяет отказаться от применения автожгутов, используя для передачи энергии и информации линии всего из двух силовых проводов.

Электронные и электрические компоненты автомобиля уже составляют в его общей стоимости в среднем 13–15%. Как считают специалисты, рост этого сегмента носит долгосрочный характер, он повторяет тенденции развития аэрокосмических систем, где авионика составляет до 70% стоимости всего продукта. Технология «Финпром-ресурса» позволяет значительно уменьшить объем проводки, так как энергия и информация идут по одним проводам, а значит, и удешевить бортовую автомобильную электронику. «Наша система двухконтактная, — поясняет Игорь Аблаев, генеральный директор ООО “ПГ Финпром-ресурс”, — там есть толстый провод, где проходит максимальная энергия, и бортовая сеть со многими интеллектуальными функциями. Задача — приблизить автомобиль к компьютеру». Информация в предлагаемой системе «Финпром-ресурса», по сути, идет по силовым проводам. Это позволяет достичь высокой экономии ресурсов. Упрощаются и удешевляются бортовые сети автомобиля. Традиционные дорогостоящие жгуты автопроводов заменяются на отдельные провода. Впрочем, как известно, в электрической сети очень много помех (броски тока, колебания сети). Мы часто видим у себя дома, как мигают лампочки. Есть даже такое явление, как очень быстрое короткое замыкание. Как правило, в таких случаях электроника выгорает. Так что решение пустить информацию по силовому проводу было смелым. Но «Финпром-ресурс» сумел спроектировать некий информационный блок, который действует быстрее: здесь реализована сверхбыстрая реакция на события — 3,3 х 10-5 секунды для создания «интеллектуальных рефлексов» узлов. Например, при коротком замыкании неисправные узлы автоматически выключаются без ущерба для остальной системы. «Мы создали ряд универсальных чипов, объединяющих узлы в опции, — говорит Игорь Аблаев. — Возникает потребность в новом свойстве — объединяются новые опции-функции. В результате уровень программирования и управления в автомобиле возрастает на порядки: интеллектуальное освещение дороги, перспективы автопилотирования, программирование, например под стиль вождения женщины, — все это становится реальностью».

Как это часто бывает, инновации в традиционную машиностроительную отрасль пришли из оборонки, точнее, из авиакосмической индустрии. Город Саратов, где зарегистрирована компания «Финпром-ресурс», как известно, имеет в том числе авиакосмическую специализацию. Все работники компании — инженеры-физики, выходцы из этой индустрии. Большинство из них специализировались ранее на электрических модулях авиакосмического оборудования. Разработкой электронных систем управления автомобилем компания начала заниматься около семи лет назад, когда несколько человек объединились в промышленную группу. Деньги на инновационные разработки зарабатывали сами, в том числе за счет разработки и производства противоугонных систем для автомобилей. Впрочем, до 2008 года больше полумиллиона долларов выручки компания не зарабатывала. Но в прошлом году в части внедрения и зарабатывания за счет своих ноу-хау у «Финпром-ресурса» произошел прорыв. В прошлом году инновационный продукт саратовских физиков апробировался в исследовательском центре PSA Peugeot Citroën в городе Велизи во Франции. В результате «Финпром-Ресурс» успешно реализовал контракт с PSA на управление дверьми автомобиля в проекте «автомобиля будущего». Сейчас идет согласование нового проекта на этот год. «Финпром-ресурс» уже вошел в реестр поставщиков группы PSA. В этом году саратовские инноваторы предполагают наладить сотрудничество с японской Honda.

Предполагаемая бизнес-модель саратовских автоэлектронщиков включает в себя следующие этапы: разработка и дизайн чипов в России, производство чипов в Европе или Азии, продажа специализированных чипов и софта автопоставщикам. Внедрив свои разработки в три марки автомобиля, «Финпром-ресурс» предполагает зарабатывать как минимум 50 млн долларов в год. А пока проект развивается на собственные деньги компании. За пять лет в него вложено чуть меньше 1 млн долларов, включая расходы на маркетинг и продвижение технологий за рубеж. Игорь Аблаев не исключает, что в скором времени им понадобится помощь сторонних инвесторов, искать которых компания предполагает в том числе за счет выхода на IPO.

Европейские автопроизводители уже «зашивают» в проекты своих новых автомобилей технологии управления бортовыми системами, созданные российскими инноваторами

Нановолновые нейтроны

В номинации «Перспективный проект» победителем был признан проект «Источники нановолновых нейтронов (криогенные замедлители) для спектрометров». Его представила группа сотрудников лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) дубнинского Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). Награду авторы получили из рук Ивана Бортника — председателя наблюдательного совета Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, который будет финансировать НИОКР проекта на следующем этапе его разработки.

Нейтронная спектрометрия — один из самых перспективных методов неразрушающего исследования различных материалов и веществ на микро- и наноуровне. В результате взаимодействия нейтронов с изучаемыми образцами на специальных установках (реакторах) возникают различные элементарные частицы, которые далее фиксируются приборами-спектрометрами, и на основании анализа этих данных ученые получают необходимую информацию о внутренней структуре, физических и химических свойствах исследуемых объектов. Для получения базовых реагентов этого взаимодействия, холодных нейтронов, во всем мире активно разрабатываются различные технологии их замедления на специальных криогенных установках.

 pic_text4 Фото: Олег Сердечников
Фото: Олег Сердечников

Как отметил руководитель проекта-победителя кандидат физико-математических наук Сергей Куликов, теоретическая работа по этому направлению ведется на протяжении нескольких десятилетий, но реальные практические результаты начали появляться лишь в середине 1990-х.

Одним из пионеров этих исследований был сотрудник лаборатории нейтронной физики ОИЯИ доктор физико-математических наук Евгений Шабалин (именно он осуществляет общее научное руководство представленным на конкурс проектом). Изначально в качестве основного холодного замедлителя экспериментаторы выбрали метан, который благодаря особенностям своей химической структуры представлялся им наиболее эффективным «тормозящим» реагентом. Однако в ходе дальнейших исследований с использованием метановых замедлителей ученые обнаружили, что они обладают очень низкой радиационной стойкостью и по мере эксплуатации реакторов резко возрастает риск полного разрушения стенок рабочих камер в результате внезапного быстрого роста температуры (такой неприятный эффект, в частности, несколько раз наблюдался в ходе практических экспериментов с метановыми замедлителями как в России, так и в США).

В поисках альтернативных веществ дубнинские исследователи потратили несколько лет, и наконец, после тщательных теоретических расчетов и проведения компьютерных симуляций, Шабалин, Куликов и их коллеги обнаружили новый перспективный реагент — мезитилен, или триметилбензол (ароматический углеводород с химической формулой С9Н12). По словам Сергея Куликова, «мезитилен оказался очень устойчивым при облучении, примерно в сто раз стабильнее метана, к тому же температура его затвердевания составляет всего минус 50 градусов по Цельсию, тогда как у метана — порядка минус 200 градусов, что также является большим дополнительным плюсом при работе. Что же касается жидкого водорода, еще одной предложенной альтернативы, то в целом он близок по своим характеристикам к мезитилену, но при его применении, как и с метаном, возникают серьезные технологические проблемы. Так, на нашем реакторе в Дубне его вообще нельзя применять, так как он очень взрывоопасен и даже самые малые его утечки могут привести к серьезным последствиям. И хотя в ряде зарубежных стран он уже используется, на реакторах с водородными замедлителями инженеры вынуждены конструировать для защиты тройные стенки рабочих камер, что ведет к существенной потере нейтронов».

В дальнейшем группа Шабалина-Куликова убедилась, что в криогенном замедлителе лучше всего использовать мезитилен в виде маленьких шариков диаметром примерно 4,5 мм (сами эти шарики получаются при помощи специальной технологии капельного впрыскивания обычного мезитилена в жидкий азот). В свою очередь, подача мезитиленовых шариков в камеру замедлителей будет производиться путем их пневмотранспортировки по трубам потоком холодного гелия с температурой 20–30 К.

К настоящему времени все необходимые теоретические расчеты учеными ОИЯИ уже осуществлены, собран полномасштабный стенд, получены требуемые низкие температуры, фактически дело лишь за практической проверкой новой технологии на дубнинском нейтронном реакторе ИБР-2М.

Как отметил Сергей Куликов, «развитие нашего проекта официально поддерживается МАГАТЭ, которое выделяет на него небольшую сумму из своего бюджета. Кроме того, два месяца назад был получен госконтракт на развитие нашей технологии по ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009–2013 годы (грант на 10 миллионов рублей). В дальнейшем мы также рассматриваем вариант создания малого предприятия, поскольку мы хотим не только продавать сами замедлители (“железо”), но и оказывать различные консалтинговые услуги, которые в настоящее время очень востребованы во всем мире в этой области исследований. К тому же помимо самого замедлителя в процессе разработки новой технологии у нас получился еще один интересный спин-офф: мы создали установки, которые изучают радиационную стойкость материалов и электронных компонентов. На эти установки мы уже получили несколько отдельных заказов».

По мнению специалистов ОИЯИ, успешное завершение проекта комплекса криогенных замедлителей на основе мезитилена открывает большие возможности для создания новой спектрометрической базы как для проведения фундаментальных исследований — изучения внутренней структуры уже известных и синтеза новых химических элементов и соединений, так и для активного использования этой технологии в различных прикладных исследованиях, проводящихся на различных источниках нейтронов по всему миру (в области материаловедения, биологии, медицины, геофизики, полимерной химии и т. д.).

Безусловно, прежде всего разработчики рассчитывают на то, что технология будет широко востребована на различных нейтронных исследовательских установках за рубежом. Потенциальный объем этого специализированного рынка, по самым скромным прикидкам российских специалистов, составляет от 200 до 400 млн долларов. Кроме того, во всем мире помимо чисто специализированных нейтронных источников есть еще много небольших источников на основе ускорителей. Как отметил г-н Куликов, «такие источники также весьма перспективны, они могут создаваться, скажем, на базе различных вузов, и наши замедлители для них подойдут лучше всего».

Вентилятор с трубой

Для того чтобы вывести в победители проект «Компактный энергосберегающий прибор для вентиляции квартир в условиях климата России» омской фирмы «Экотерм», экспертный совет Конкурса русских инноваций предложил ввести специальную номинацию «Энергосбережение в ЖКХ». Чем же это неказистое устройство, напоминающее вентилятор с насаженной трубой длиной полметра, так приглянулся видавшим виды экспертам? Награду победителям вручил генеральный директор «Эксперт РА» Дмитрий Гришанков.

Бытовой трюизм: жилые помещения нужно регулярно проветривать, чтобы сбалансировать влажность, чтобы не пахло, чтобы исчезли химические выделения из мебели и отделки, да и просто чтобы не было душно. Раньше деревянные окна безо всяких наших усилий участвовали в процессе вентилирования воздуха, и, хотели мы того или нет, огромный объем тепла в прямом смысле выветривался из квартир. Теперь с повсеместной установкой герметичных окон проблема теплопотерь, казалось бы, решается, но нет: оказалось, даже при минимальном, предусмотренном строительными нормами и правилами воздухообмене в новых и реконструируемых зданиях более половины тепла системы отопления расходуется именно на нагрев вентиляционного воздуха, который затем теплым выбрасывается наружу, когда мы открываем форточку для проветривания. Приток свежего воздуха в жилые помещения с современными герметичными окнами осуществляется только при их открывании.

 pic_text5 Фото: Олег Сердечников
Фото: Олег Сердечников

В многоквартирных домах, составляющих основу российского жилищного фонда, где нет систем централизованного
принудительного вентилирования или его сложно наладить, в структуре потерь тепла на стены, двери и окна приходится всего 20–35%, а на вентиляционные — все оставшиеся. Так вот, после установки прибора «Экотерм» в квартирах вентиляционные потери уменьшаются почти на 70%. Если сравнивать с обычным кондиционером, обслуживающим сопоставимую площадь с энергопотреблением 1,5 кВт, прибор омичей, названный в патентном документе незамысловато: «Вентиляционная установка», потребляет всего 20 Вт, причем обеспечивает приток именно свежего внешнего воздуха, работая, в отличие от западных, и при сорокаградусных морозах. Прибор подает в помещение подогретый чистый воздух, сокращая затраты на отопление квартиры в два раза. Эффективность энергосбережения, говорит директор компании Сергей Овчинников, превышает 90%, и образное выражение «перестать обогревать атмосферу» приобретает прямой технический смысл, причем в наиболее запущенном в России сегменте народного хозяйства — в ЖКХ. Прямым результатом энергосберегающего эффекта от применения прибора становится уменьшение потребления домами тепловой энергии не менее чем на треть, а косвенным — снижение выбросов СО2 в атмосферу из-за уменьшения объемов работ котельных и ТЭЦ.

Алгоритм работы прибора прост: реверсивный вентилятор последовательно подает свежий воздух, а затем удаляет загрязненный комнатный, но при этом удаляемый воздух проходит через эффективный теплообменник-регенератор, отдавая ему свое тепло, а поступающий свежий, наоборот, нагревается. Этот регенератор, выполненный из пластика, и является одной из главных «фишек» прибора. Он был разработан руководителем проекта доктором технических наук Юрием Ландой, до «Экотерма» работавшим в НПО «Сибкриотехника», где занимался разработкой и производством микроохладителей для лазерной и специальной техники, начиняющей спутники, а с теплообменниками имел дело при разработке теплообменных аппаратов бортового кондиционера орбитальной станции «Мир». Идеей такого прибора Юрий Ланда заинтересовался, как он говорит, скорее от удивления, когда ему предложили заняться производством подоконных отдушин (это такая штука с каналом, шумоглушителем, фильтром и ветровым клапаном) для установки как раз под герметичные окна. По словам Ланды, сама эта затея для него как криогенщика казалась просто абсурдной: ведь это немыслимо — установить дорогое энергосберегающее окно и тут же сделать под ним дырку. В результате и появилось новое техническое решение, область применения которого, по словам научного руководителя победившего проекта, намного шире того, что представлено в конкурсной работе, и оно защищает целое новое направление в технике вентиляции и кондиционирования. В частности, ими можно оснастить сплит-системы в процессе производства (а это сотни тысяч единиц техники, выпускаемой ежегодно в основном в Японии и Юго-Восточной Азии) либо дооснастить уже смонтированные кондиционеры небольшим блоком, превращающим их в энергосберегающую «всепогодную» установку.

Изолятор для поумневшей сети

В конкурсной номинации «Умные сети будущего» победил проект «Изолятор-разрядник для защиты воздушных линий электропередачи напряжением 10–500 кВ от грозовых воздействий и их последствий» с мультикамерной системой (ИРМК) петербургской компании НПО «Стример». Он был отмечен «профильной» Федеральной сетевой компанией. Награды вручил председатель правления ФСК ЕЭС Олег Бударгин.

Тяжеловатое название проекта не должно никого вводить в заблуждение: дескать, какое отношение имеет изолятор к умным, или, иначе, интеллектуальным, сетям. На деле же это красивый высокотехнологичный продукт, который, несмотря на кажущуюся простоту принципа работы, скопировать невозможно, и только на то, чтобы повторить ИРМК, потребуются годы НИОКР.

 pic_text6 Фото: Олег Сердечников
Фото: Олег Сердечников

Вспомним, какова основная цель интеллектуальных сетей, над созданием которых работают сейчас во всем мире. Прежде всего она заключается в обеспечении надежной работы всей цепочки электроэнергетической системы и, конечно же, самих сетей, которые соединяют между собой производителей и потребителей электроэнергии и должны работать бесперебойно, без всяких незапланированных отключений. Но на практике отключения случаются нередко и становятся головной болью и для самих сетевиков, и для потребителей, и для электростанций, оборудование которых подвергается необоснованным рискам — и все в результате таких сбоев несут немалые финансовые потери.

По данным, которые приводит научный руководитель НПО «Стример», доктор технических наук, профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Георгий Подпоркин, технологические нарушения, из-за которых происходит отключение высоковольтных линий, в первую очередь связаны с так называемыми атмосферными перенапряжениями. Если выйти за рамки профессиональных терминов, речь идет об обычных грозовых разрядах — молниях: именно они ответственны за отключение высоковольтных линий электропередачи в 20–50% случаев (остальное приходится на обрыв проводов из-за обледенения и ветра, загрязнения изоляции и проч.).

Конечно, это известно, и все линии электропередачи защищают средствами молниезащиты: между опорами протягивают специальные тросы (часто спрашивают, зачем нужен четвертый провод, кроме трех фазных, а это грозотрос и есть), которые обеспечивают защиту проводов от прямых ударов молнии, а опоры заземляют, чтобы снизить риск перенапряжения в сети, происходящего после атмосферного разряда. Тем не менее анализ технологических нарушений работы сети в различных регионах показывает, что в двух третях случаев отключений ЛЭП этих грозотросов просто не было на месте — либо они оборвались еще до удара молнии из-за ветра или коррозии, либо их сняли из-за повреждений, а новые вопреки техническим регламентам не установили. Но даже если тросы на месте, гарантии, что отключения не произойдет, все равно нет. Дело в том, что обеспечить хорошее сопротивление заземления опор удается не всегда — например, при их установке на скальных или песчаных грунтах. При низком сопротивлении проблем нет: молния ударяет в грозотрос, далее через опору и ее заземление «стекает» в землю. Но если сопротивление заземления высокое, ток молнии полностью в землю не уходит, на опоре остается высокий потенциал, из-за чего может произойти так называемое обратное перекрытие изоляции, то есть ток побежит от опоры по поверхности изолятора на провода ЛЭП, и возникнет короткое замыкание. Как следствие, линия отключается.

С изолятором-разрядником с мультикамерной системой (МКС), разработанным в «Стримере», таких проблем будет намного меньше. Основной элемент МКС представляет собой профиль из специальной силиконовой резины, который можно разместить по периметру, к примеру, обычного стеклянного тарельчатого изолятора. В такой профиль встраивают стальные электроды, между которыми оставлены небольшие искровые промежутки и от которых, в свою очередь, к поверхности профиля ведут каналы, образующие миниатюрные газоразрядные камеры. При появлении перенапряжения в результате удара молнии, когда ток начинает течь по поверхности изолятора, между электродами МКС загорается дуга, которая, расширяясь, начинает с большой скоростью выдуваться из камер наружу и остывает, гася энергию разряда молнии, которая в результате на саму сеть не передается, и автоматика ее не отключает. Испытания, которые проводились на участке сети 35 кВ Камышинских электрических сетей, принадлежащих «Волгоградэнерго», где на подходах к двум подстанциям был снят грозовой трос и стандартные изоляторы были заменены на ИРМК, показали, что изолятор с мультикамерной системой действительно работает: на этом грозоопасном участке за сезон не случилось ни одного отключения. Испытания нового изолятора-разрядника, говорит Георгий Подпоркин, было бы еще актуальнее провести на Северном Кавказе, где грозовых часов в году почти в десять раз больше, чем в средней полосе России.

Федеральная сетевая компания рассчитывает сэкономить миллиарды рублей, внедрив инновационный громоотвод питерского НПО «Стример»

Федеральной сетевой компании, приветившей нашего победителя, приглянулась возможность применять стримеровские изоляторы на сетях различных классов напряжения, собирая из них гирлянды под соответствующее напряжение и подбирая лишь необходимое количество камер в МКС. Другое преимущество внедрения ИРМК — системное. Дело в том, что, сняв громоздкие, весящие до нескольких центнеров грозоотводные тросы, можно значительно уменьшить суммарный вес и парусность висящих между опорами проводов, а значит, увеличить расстояние между опорами, сократив их число почти на треть и, соответственно, расходы на строительство новых или на реконструкцию старых линий. Речь идет о миллиардах рублей экономии. ФСК, заинтересовавшись разработкой, собирается финансировать доработку и испытания гирлянды уже на 220 кВ и даже запланировала их опытную эксплуатацию без использования грозовых тросов на высоковольтной линии 220 кВ на участке длиной 150 км.