Подсмотрено у природы

Жидкие линзы, фотонные кристаллы и выпадение росы из тумана катализатора — подсматривать у природы блестящие идеи для научных разработок — это полезная научная методика. За рубежом такие технологии называют nature-inspired, дословно «природой вдохновленный». В Тюменском госуниверситете начал работать Центр природовдохновленного инжиниринга (ЦПИ ТюмГУ), где вместе с академической наукой и крупными промышленными предприятиями ведется работа по трем направлениям — химические технологии, оптика, микро- и наноэлектроника.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Традиционно химическую реакцию часто понимают как кратчайшую прямую между точкой А (сырьем) и Б (продуктами). И ведут эту реакцию, стараясь максимально точно держаться на этой прямой, на что может уходить слишком много ресурсов,— рассказал научный руководитель ЦПИ ТюмГУ доктор технических наук Андрей Загоруйко.— Потому что в реальности все сложнее, очень часто это не прямой путь, а извилистая тропинка. В природе вообще мало прямых линий. Если мы будем, образно говоря, идти по такой тропинке пританцовывая, вальсируя, мы будем лучше готовы к любым поворотам на пути и в итоге сможем добраться до цели быстрее и легче. На этом принципе и основана одна из наших разработок, где вместо традиционной стационарной парадигмы мы переходим к динамическому управлению, не пытаясь удержать все параметры реакции на одном уровне, а, напротив, целенаправленно раскачивая систему. Эта смена философии дает много выигрышей, даже, как ни странно, повышает надежность и устойчивость работы создаваемых технологий.

Гидрофобность лотоса стоит как десять самолетов

Одна из разработок, взятая учеными из природы,— гидрофобная поверхность листьев лотоса. Цветок хотя и растет в воде, но всегда остается сухим. С помощью технологии цветка лотоса можно решать проблему обледенения корпусов самолетов, которое происходит, как правило, при взлете или при посадке. Ведь малейшая задержка жидкости на корпусе приводит к моментальному намерзанию льда и является реальной серьезной угрозой для обтекаемости корпуса, то есть для сохранения скорости и безопасного балансирования воздушного судна. Но для исключения намерзания недостаточно иметь просто очень гладкую поверхность. Она должна именно отталкивать воду и делать это эффективно. Конечно, самолеты и так уже летают, а значит, проблема обледенения корпуса у них как-то решена. Но разработки новых технологий и существуют именно для того, чтобы убрать это «как-то». Другое дело, что идеальная гидрофобная поверхность, как у лотоса, пока что сама будет стоить как десять самолетов. Так что дальнейшая работа исследователей состоит в том, чтобы сделать эту разработку доступной.

Другим примером подсмотренных у природы идей является технология нанесения активного компонента катализатора на носитель — специальную стеклоткань. В традиционной технологии используют пропитку стеклоткани раствором активного компонента, например соединений платины. Но внутри нитей и в пересечениях между ними катализатор недоступен для реагентов. Новая технология, предложенная ЦПИ ТюмГУ и Институтом катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, связана с туманом и выпадением утренней росы. Нанесение активного компонента на носитель производят из искусственного тумана — взвешенных микрокапель раствора. Микрокапли осаждаются только на поверхности нитей и остаются доступными для реагентов при использовании катализатора. Это снижает необходимое количество активного компонента в три-четыре раза.

Технологию «вынесли» из университета

Основные направления работ в ЦПИ связаны с нефтегазовой тематикой, поскольку Тюменская область — это крупнейший нефтегазовый регион страны. Директор ЦПИ ТюмГУ Андрей Елышев, окончив ТюмГУ, уже будучи кандидатом химических наук, поступил в магистратуру Новосибирского госуниверситета, чтобы изучить научное направление катализа под научным руководством Андрея Загоруйко из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. Так в Тюменском университете возникло целое научно-техническое направление по катализу и химической технологии со штатом научных сотрудников более 30 человек и организацией в ТюмГУ первой лаборатории по цифровому катализу.

— При поддержке стратегического партнера ООО НПП «Союзгазтехнологии» (известный производитель катализаторов и сорбентов еще в советское время) открыта совместная лаборатория для разработки и масштабирования производства новых катализаторов и сорбентов,— сообщил Андрей Елышев.— Сегодня это предприятие предоставляет нам промышленную площадку для экспериментов. Мы установили там свое новейшее и уникальное для территории УрФО оборудование и планируем масштабировать на базе этой компании свои лабораторные результаты до промышленных объемов.

Андрей Елышев пояснил, что многие эксперименты нельзя проводить в научных лабораториях университета, поскольку они происходят с использованием или образованием водорода, который взрывоопасен и требует большой осторожности в обращении. На предприятии «Союзгазтехнологии» такие процессы производить безопасно. Там создана отдельная инфраструктура на удаленной от города площадке для экспериментальных работ с водородом. Кроме того, они имеют все допуски для работы с нефтегазовыми компаниями непосредственно на месторождениях. Университет при всех его компетенциях и новом оснащении оборудованием не имеет соответствующих разрешений, чтобы заниматься производственной деятельностью. Такие технологии нужно во всех смыслах «выносить» из университета.

— Предприятие готово вкладываться в новые задачи, которые мы планируем для них решать в ЦПИ,— это, в частности, утилизация и переработка попутного нефтяного газа (ПНГ), газового конденсата, а также конверсия жидкости в газ с получением на выходе метана из легких бензинов,— пояснил Андрей Елышев.— В случае успеха этой разработки больше не нужно будет сжигать дорогостоящее попутное сырье, предприятия избавятся от больших потерь, которые на подобных производствах принято считать неизбежными.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Проекты по экологии

Вторая задача обратная — конверсия газа в жидкость. При добыче нефти образуется большое количество попутного газа, который до настоящего времени продолжают сжигать в факелах, сильно загрязняя экологию планеты. Этот газ можно переработать, например, в моторное топливо или другой жидкий нефтепродукт. В ЦПИ совместно с компанией ООО НПП «Интор» созданы две установки для разработки процессов переработки ПНГ в легкую фракцию бензина. Внутренние части реакторов сделали прицельно под разработанный в ЦПИ носитель и катализатор. Специалисты сделали свой носитель и нанесли на него катализатор, затем поместили их в реактор, смоделировали сырье, то есть произвели полный цикл работ по химическому инжинирингу. Следующий этап — полномасштабные исследования и коммерциализация их результатов на практике.

Еще одно направление работы ЦПИ — экологически чистое сжигание органических соединений для контроля выбросов предприятий в атмосферу — хорошо и давно разработанная тема Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. Работы в ЦПИ планируется вести по лицензии совместно с указанным институтом.

Сделать реактор за любые деньги — это политика, а не экономика

Мы часто слышим словосочетания «новые технологии», «новые разработки», но имеются в виду не научные открытия, а их прикладное технологическое применение. От первых образцов научной разработки до применения путь занимает иногда десятилетия.

Химия переработки нефти и попутных нефтяных газов работает уже почти сто лет, но многие процессы в ней требуют гигантских капитальных затрат, а отдельные технологии вообще неокупаемые и потому крайне редко применяются. Например, всем известен процесс Фишера—Тропша, в ходе которого попутные нефтяные газы превращаются с помощью катализаторов в жидкие синтетические углеводороды. Транспортировать жидкие углеводороды безопаснее и дешевле, чем перевозить газ. В реализации промышленного процесса Фишера—Тропша каждое государство пошло своим путем, используя немного различные модификации катализаторов и технологий.

Многие лаборатории в России и за рубежом занимаются решением таких задач с разной степенью успешности и рентабельности. Организовать переработку любым способом и за любые деньги — это политика, а не экономика. Во второй половине ХХ века в условиях мировой экономической изоляции ЮАР была вынуждена с нуля создавать мощную отрасль производства бензина из угля — другого источника топлива у них просто не было. Россия пока еще имеет неограниченный доступ к углеводородному сырью, поэтому при выборе технологий нужно оценивать экономические и технологические факторы.

Инвестиции отличаются на порядки

В ТюмГУ крупные промышленные высокотехнологичные компании регулярно обращаются с конкретными пожеланиями и заключают договоры на выполнение исследований, разработку конкретной технологии или синтез вещества с определенными характеристиками. Заинтересованность органов местной и федеральной власти в технологическом развитии Тюмени нетипична для большинства других регионов России. Областные инвестиции даже в крупных научных центрах по сравнению с одним только ТюмГУ отстают на порядки. При этом в Тюмени, в отличие от Новосибирска, который является средоточием основного количества научных институтов Сибирского отделения РАН, практически не представлена академическая наука по тематике работы центра, и, по признанию руководителя ЦПИ Андрея Елышева, компетентных специалистов в ряде областей там остро не хватает.

Тюменский университет является, по сути, единственным научным центром области, а для полноценной работы нужна известная триада «вуз — Академия наук — производственная компания». По этой формуле и строится работа в ЦПИ, где многие специалисты — из научных институтов разных городов Сибири. В Тюмени ежегодно проводятся научно-технологические стратегические сессии с участием губернатора Тюменской области. На одной из таких сессий и было принято решение о развитии химического направления по катализу, которое вошло в ЦПИ.

ЦПИ ТюмГУ — это один из немногих центров развития науки, где она демонстрирует свою интернациональность вопреки внешним обстоятельствам, здесь до сих пор продолжают действовать мегагранты, а иностранные профессора читают студентам лекции. «Ранее совместно с коллегами из Голландии мы открыли лабораторию оптимизации химико-технологических процессов. Недавно к деятельности центра активно присоединился профессор Национального политехнического института Мексики Хорхе Анчейта — всемирно известный эксперт в моделировании каталитических процессов»,— пояснил Андрей Елышев.

Роботы увидят мир через жидкие линзы

Впрочем, не все высокотехнологичные направления можно и нужно развивать совместно с зарубежными исследовательскими группами. Если тема оказывается близка к коммерциализации, крупные корпорации предпочитают обходиться своими силами. Например, направление по разработке жидких линз корейская корпорация LG развивала самостоятельно, и намечавшееся пять лет назад сотрудничество не состоялось в связи с конфиденциальностью разработок у зарубежных коллег. Руководитель оптического направления в ЦПИ ТюмГУ Наталья Иванова рассказала, что ее команда занимается разработкой оптических элементов на основе принципов работы глаза для создания умных систем диагностики, машинного зрения и зрения человекоподобных роботов.

— В качестве оптической среды мы используем жидкости, которые имеют идеально гладкую преломляющую поверхность, легкую перестройку формы оптической поверхности под действием внешних сил и способность выполнять любое количество циклов без износа и потери оптических характеристик,— пояснила Наталья Иванова.— Мы разработали адаптивные жидкостные линзы в виде капель объемом менее 1 мкл. Натяжение глазных мышц у человека вызывает изменение кривизны хрусталика и размера зрачка. А в нашем случае механизм натяжения и сжатия реализуется управлением поверхностного натяжения жидкости за счет воздействия света.

Чем больше света, тем меньше диаметр капли. Уменьшение же светового потока приводит к увеличению площади капли. Точно так же наши зрачки реагируют на изменение освещенности. Кроме кривизны и апертуры, линза реагирует на смещение оптического сигнала перемещением ее за этим сигналом — эффект отслеживания движущихся объектов. Можно сказать, что линза следит за объектом, непрерывно фокусируясь. Фокусное расстояние адаптируется за счет изменения величины и знака кривизны свободной поверхности жидкости по аналогии с изменением кривизны хрусталика глаза. Исследователям удалось реализовать функционирование таких линз в режиме как собирающей, так и рассеивающей линзы, что значительно расширяет возможности ее применения.

В отделе оптики и фотоники ЦПИ ТюмГУ создан прототип круговой диафрагмы на основе двухслойной жидкой системы, которая подстраивается к интенсивности светового потока, либо полностью перекрывая его, либо обеспечивая его максимальное пропускание. Жидкостная диафрагма умеет отслеживать положение сигнала в ее плоскости.

Области применений разработок отдела оптики и фотоники — сверхточная самоюстировка и самофокусировка лазерных пучков, которые нужны для диагностических устройств в медицине и в системах контроля сложного оборудования.

Мария Роговая