Эксперт № 11 (2013)

Нанотрубный выход человечества

Ирик Имамутдинов

Член-корреспондент РАН Михаил Предтеченский разработал дешевую технологию получения совершенных углеродных нанотрубок. Ученый убежден, что их использование в качестве наполнителей при производстве материалов снизит энерго- и ресурсопотребление человечества на десятки процентов, частично решив и проблему эмиссии CO2

Михаил Предтеченский

Фото: Валерий Кламм / Grinberg Agency

Михаил Предтеченский — наш давний знакомый, мы уже писали о нем ( «Акулы академического бизнеса» , «Эксперт» № 16 за 2004 год). Он разносторонний специалист в области механики, теплофизики, энергетики, нанотехнологий, автор и соавтор 260 научных работ, у него 18 авторских свидетельств и патентов, восемь из которых он получил уже после избрания членом-корреспондентом РАН в 2003 году. Предтеченский — ученик академика Владимира Накорякова, представитель новосибирской школы теплофизики и продолжатель этой школы — он заведует отделом в Институте теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН. Он научный руководитель Международного научного центра теплофизики и энергетики, созданного им пятнадцать лет назад для коммерциализации научных идей, председатель правления ассоциации участников научной и инновационной деятельности «Сибакадеминновация», а с лета прошлого года вошел в совет при президенте по модернизации экономики и инновационному развитию России.

— Михаил Рудольфович, когда отслеживаешь динамику энерго- и ресурсопотребления в мире, видишь, что его рост, связанный прежде всего с подъемом экономики стран третьего мира, все больше вступает в противоречие с желанием людей сохранить мир в относительно чистом виде и с нарастающей угрозой ресурсного дефицита.

— Что ж, так и есть. Взять ту же пресловутую проблему углекислого газа техногенной природы. Споры об этом ведь идут в основном о деталях. Как скоро мы ощутим на себе и окружающем нас мире его влияние? Потеплеет ли климат, к чему это приведет, как быстро погибнут колонии коралловых полипов, каковы будут последствия запуска цепной реакции изменений в биосфере океана? Но факты есть факты: за последние полвека техногенные выбросы углекислого газа в атмосферу выросли более чем в три раза, а его концентрация в атмосфере увеличилась на 20 процентов и продолжает расти, уже побив все рекорды за сотни тысяч лет. Варианты исхода такого роста описаны в многочисленных научных работах и, похоже, действительно не сулят нам ничего хорошего уже в ближайшие десятилетия, то есть еще при нашей жизни.

— При этом энергопотребление, а значит, и эмиссионные выбросы будут только расти.

— В потреблении прибавят почти все, но основная доля роста придется, конечно, на развивающиеся страны. Потребление электроэнергии, скажем, статистика владения автомобилем одним индийцем, на порядки отличается от этих же показателей, характерных для среднего американца. Стремление тех же азиатов жить не хуже «золотого миллиарда» понятно. Проблема еще и в том, что число человеческих душ только умножается: в начале двадцатого века нас было два миллиарда, полтора года назад стало семь, а к 2050 году предсказывают, что нас будет девять миллиардов. Увеличение численности населения Земли на 30 процентов с учетом роста подушевого потребления может дать двукратный скачок потребления энергии к середине века. Останавливать же рост населения и убеждать развивающиеся страны добровольно прекратить свое развитие, то есть пытаться стабилизировать энергопотребление и выбросы углекислого газа, сосредоточив работу только на этих запретительных направлениях, — бессмысленно.

— Энергоэффективные технологии, энергосберегающие мероприятия не смогут компенсировать рост потребления электроэнергии?

— А это смотря какие технологии. Если говорить об основных точках роста спроса на электрическую энергию, энергоэффективные решения в целом, играя, конечно, положительную роль, окажут незначительное влияние на преобладающий тренд. Но почему мы говорим только об электропотреблении? С точки зрения сжигания углеводородов на электро- и тепловую энергетику приходится около 40 процентов первичных ресурсов (и такая же доля, упрощенно, эмиссии СО sub 2 /sub ). Остальные же 60 процентов примерно поровну делят между собой транспорт и производство материалов. Сейчас в мире производится 4,5 миллиарда тонн материалов в год. То есть значительная доля получаемой в мире энергии расходуется на добычу и первичную переработку материалов, причем легкодоступные месторождения большинства рудных ископаемых исчерпываются, а добыча и переработка минерального сырья становится все сложнее и требует все больше человеческих ресурсов и энергии. Мало того, к 2050 году при существующей технологической парадигме материалов потребуется вдвое больше. Это означает, что люди просто обречены вводить новые генерирующие мощности, сжигающие углеводороды, увеличивать объемы добычи и переработки этих самых углеводородов, а также различного сырья для производства необходимых материалов, наращивать мировую транспортную систему.

— Подозреваю, вы склоняете меня к мысли, что в целях самосохранения нам неплохо было бы поменять « существующую парадигму» и что сами вы занимаетесь каким- нибудь проектом в этом направлении.

— В этом направлении я работаю последние три года и убежден, что в сфере производства материалов таятся огромные резервы для энерго- и ресурсосбережения. Вот примеры. Расход топлива автомобилей почти линейно связан с их весом, при этом полезный груз обычно в разы меньше собственного веса машины. Похожая ситуация со строительными конструкциями: так, вес мостов в пять раз превышает полезную нагрузку, а вес высотных зданий — в десять раз. Представим себе, что разработаны такие материалы, которые намного прочнее традиционных. Тогда вес самих автомобилей уменьшится, и почти пропорционально снижению веса снизится расход топлива, высотные здания и мосты станут существенно легче и потребуют для своего возведения значительно меньше материалов, а значит, инфраструктурных и логистических затрат, включая расход того же топлива на их доставку, что только умножит синергетический эффект. Важно, что при увеличении прочности материала сокращение веса конструкций будет носить нелинейный характер. Представьте, что мост изготовлен из металла, который в полтора раза прочнее исходного. Нагрузка пролетов на опоры в этом случае уменьшится в полтора раза, но поскольку и материал опор становится в полтора раза прочнее, необходимый его объем уменьшается уже более чем в два раза. Очевидно, что сокращение расхода топливных, энергетических и других ресурсов будет происходить на каждой из стадий производства и использования материалов — от добычи сырья до монтажных работ.

— А разве не пришлось бы для воплощения такого футуристического замысла проводить многомиллиардные R&D в поисках упрочняющих добавок, причем по каждой группе основных материалов? Одним проектом тут явно не обойтись.

— Существует универсальная добавка, или, по-другому, аддитив, которая меняет и расширяет функциональные свойства основных конструкционных материалов, то есть металлов, пластиков и бетонов — того, из чего состоит практически все, что нас повсеместно окружает. Этот аддитив — CNT (Carbon Nano Tubes), углеродные нанотрубки.

— Кажется, их открыли около двадцати лет назад, а уже больше десяти лет назад « Эксперт» писал, что в материаловедении произошла революция, связанная с разработкой методики поточного производства углеродных нанотрубок ( « В космос — по трубам» , № 19 за 2001 год), результатов которой больше ждали в микроэлектронике. Правильно ли я понимаю, что сейчас CNT входят в сферу ваших научных интересов, причем в связи с решением материаловедческих проблем?

— И не только научных, но давайте по порядку о том, как мы пришли к своему наноуглеродному проекту. В действительности открытие уникальных свойств CNT подсказало разработчикам в разных областях путь для создания широкого спектра новых материалов. Так, электро- и теплопроводность CNT в несколько раз выше, чем у меди. Именно на эти свойства трубок с учетом наличия их полупроводниковых модификаций обратили внимание в электронике. Нанотрубки обладают высокой химической стойкостью и стойкостью к температурам более 1000 градусов. Другое важнейшее свойство углеродных нанотрубок — их экстремально высокая прочность, превышающая, к примеру, прочность стали в сто раз. Это, по сути дела, единственный материал, годный для создания троса для космического лифта. Такой лифт пока, конечно, весьма отдаленная перспектива, но эту сверхпрочность в сочетании с протяженной нитеподобной структурой уже сейчас используют в качестве армирующей добавки в широком спектре материалов, где они выполняют роль, сходную с той, что играет стальная арматура в бетоне. Добавка одного процента CNT в алюминий позволяет получать материал со свойствами, близкими к стали. Некоторые детали в автомобилях уже делают из такого материала. Мы вводим CNT в сотых долях процента от общего объема материала в различные пластики, и это не только обеспечивает их электропроводность, но и улучшает механические свойства, которые приближаются к свойствам металлов. Уже сейчас на рынке продаются спортивные товары из таких композитов: велосипеды, горнолыжный инвентарь, клюшки, яхты — то есть те товары, где сочетание прочности и веса имеет принципиальное значение. Опыты с добавками долей процента углеродных нанотрубок в бетон показывают, что они увеличивают его прочность в полтора раза, а пенобетона — вдвое. Благодаря такому разнообразию уникальных свойств нанотрубок ученые и инженеры уже предложили тысячи самых различных вариантов приложений этого материала в электронике, биотехнологии, материаловедении и других областях. Мы насчитали 16 тысяч патентов на применение CNT, зарегистрированных всего за последние несколько лет, причем количество патентов стремительно нарастает. Это говорит о высокой готовности производителей материалов использовать CNT.

— Но само использование CNT кроме каких- то специфических и эксклюзивных областей вроде экстремального спорта ведь не носит пока массового характера? Раз углеродные трубки так хороши и все готовы их использовать, что препятствует их промышленному внедрению?

— Дороговизна и отсутствие промышленных масштабов производства качественных CNT. Как раз эти проблемы мы решаем в своем проекте. Дело в том, что за термином «углеродные нанотрубки» стоит множество их разновидностей, которые отличаются микроструктурными и, соответственно, физико-химическими свойствами. Самые совершенные нанотрубки — одностенные, их стенки имеют толщину в один атом. В зависимости от качества их можно купить на рынке по цене от тысячи долларов до сотен тысяч долларов за килограмм. Как раз они и демонстрируют рекордную прочность и электропроводность. Эти же показатели примерно близки к характеристикам многостенных CNT того же диаметра, но получается, что их удельные характеристики в расчете на единицу массы хуже, чем у более легких одностенных, на порядок. Теперь о том, как трубки получают. В одной из первых технологий получения CNT углерод возгоняется в газовую фазу большими удельными потоками энергии с помощью электродугового разряда или лазерной абляции (испарение вещества лазерным импульсом в виде атомов или молекул. — « Эксперт» ), затем при определенных условиях атомы углерода конденсируются, формируя одностенные нанотрубки хорошего качества. Но энергозатратность всего процесса определяет и их крайне высокую стоимость. Существенно дешевле выращивать углеродные нанотрубки, используя метод каталитического осаждения из газовой фазы. Сначала создается наночастица катализатора, например железа, и если такую частицу поместить в газовую среду, содержащую углеводород с температурой около тысячи градусов, то углеводород будет каталитически разлагаться на поверхности наночастицы с выделением атомов углерода. Наибольшая производительность была достигнута с применением так называемых методов взвешенного слоя. При их использовании наночастицы катализатора создают на поверхности подложки керамического инертного материала размером порядка десяти микрометров, то есть на порядки больше размеров наночастиц катализатора, чтобы ее не унесло газовым потоком. Этот метод позволяет выращивать сегодня самые дешевые многостенные CNT, цена которых приближается к ста долларам за килограмм, а теоретический предел составляет 50 долларов.

— С учетом достаточности использования небольших долей аддитива от общего объема армируемого им материала это не кажется чрезмерной ценой.

— Так же полагали в крупных химических концернах, таких как Bayer, Arkema, Showa Denko. Они, возбужденные перспективами применения CNT, построили промышленные реакторы на базе такого подхода. Сейчас именно такие реакторы обеспечивают большую часть мирового производства нанотрубок, а это сотни тонн в год. Казалось бы, их цена приемлема для ряда применений. Но материаловеды столкнулись с серьезной проблемой практического применения многостенных нанотрубок, полученных таким методом. Дело в том, что материал, выращенный на керамической подложке, представляет собой агломераты из тугопереплетенных CNT размером около миллиметра. Такие клубки распутывать очень сложно и дорого. Промышленных методов для качественной дизагломерации, или, другими словами, распутывания таких клубков, пока не создано. Использование же такого порошка без этого не приносит нужного эффекта. И это основная проблема, ограничивающая в настоящее время рост рынка CNT. Как результат, химические концерны остановили планируемое расширение производства CNT и уже начинают считать такой подход тупиковым. Анализ ситуации на этом рынке привел нас к тем задачам, которые нужно решить, и, я уверен, их решит наш проект: найти коммерчески приемлемый метод получения CNT, причем не агломерированных, а раздельных углеродных нанотрубок, и, конечно, по приемлемой цене. Стоимость экономически будет оправданна в том случае, если затраты на улучшение свойства материала за счет нашего аддитива не будут превышать цену сэкономленного материала, то есть, если мы будем добавлять нанотрубки в алюминий, их разумная цена — сотни долларов за килограмм. Стоимость же трубок, добавляемых в стройматериалы, должна быть на два порядка ниже.

— Михаил Рудольфович, а как начинался сам проект, о реализуемости которого вы говорите с такой уверенностью?

— За годы своей профессиональной деятельности мне приходилось заниматься исследованиями в самых разных направлениях физики. В частности, моя научная деятельность началась тридцать лет назад с исследования свойств наночастиц в молекулярных пучках. Поэтому все, что происходило в области получения и исследования наночастиц, я по возможности отслеживал. Когда начался бум исследований в области углеродных нанотрубок, я и мои коллеги были в курсе основных достижений в этой области. Но, как ни странно это звучит, одна из главных причин того, что мы не начали сразу работать с CNT, состояла в том, что долгое время нам было непонятно, как их можно использовать. Мое отношение к теме резко изменилось осенью 2009 года, когда я побывал на выставке «Роснанотех». Я увидел реальные примеры использования углеродных нанотрубок для получения новых материалов с уникальными свойствами. И там же мне стало ясно, что если удастся существенно уменьшить стоимость нанотрубок, то они будут иметь реальную коммерческую ценность. У меня возникла идея использовать для получения «дешевых» нанотрубок одну из наших разработок, а именно плазмохимический реактор с жидкими электродами.

Фото: Валерий Кламм / Grinberg Agency

— Этот проект получил в свое время премию в 50 тысяч долларов от Фонда Бортника, победив в экспертовском Конкурсе русских инноваций.

— Да, и эти деньги помогли нам завершить создание промышленного образца реактора. Правда, тогда мы предназначали его для уничтожения токсичных отходов. Основное преимущество нашего плазмохимического реактора в том, что в нем в качестве электродов дугового разряда вместо традиционных жаростойких твердых материалов мы используем расплав металла. Это позволило решить основную проблему всех других дуговых плазмотронов — проблему ресурса электродов, которая ограничивает время непрерывной работы и мощности дугового разряда. Чтобы уменьшить эту проблему в традиционных дуговых плазмотронах, для защиты электродов обычно применяют инертные газы, в нашем же поверхность жидких электродов эрозии не подвергается. Поэтому в нем сняты ограничения на состав газовой атмосферы, в которой горит дуговой разряд, а значит, такая машина позволяет существенно расширить возможности плазмохимических технологий. Пригодилась она и для технологии получения CNT. Основное наше преимущество в том, что мы можем выращивать одностенные и двустенные CNT. За счет того, что их удельная проводимость и прочность во много раз выше, чем у многостенных, их можно вводить в матричные материалы в десять-сто раз меньше, чем многостенных нанотрубок. Например, чтобы получить проводящий пластик, нужно ввести всего сотые доли процента наших трубок, а для достижения того же эффекта с помощью существующих технологий с добавлением углеродной сажи ее нужно добавить десятки процентов. Этим и объясняется черный цвет существующих проводящих пластиков. Добавки сотых долей процента наших углеродных нанотрубок позволяют даже сохранить цвет пластика или обеспечить его прозрачность, что открывает новые технологические возможности. Например, можно изготавливать пластиковые прозрачные экраны для сенсорных устройств типа смартфонов или планшетов.

— Очевидно, что ваш проект живет не только идейно. За счет каких ресурсов удалось дать ему жизнь?

— Принципиально важным событием для этих работ было знакомство с бизнесменом Юрием Коропачинским. Юрий занимался поиском перспективных стартапов, а я искал инвесторов. Он сразу оценил масштаб и коммерческие перспективы этого направления, и мы начали обсуждать, как вместе продолжить работу по созданию и коммерциализации технологии синтеза углеродных нанотрубок. Это и был момент старта проекта. Он убедил еще двух своих партнеров по бизнесу, Юрия Зельвенского и Олега Кириллова, войти в проект и начать его финансирование. Так появилась проектная компания OCSiAl («Оксиал»). Принципиально важно, что уже с момента старта сформировалась команда, обладающая полным набором компетенций как в научно-технической области, так и в области бизнеса.

— Запомнились слова Анатолия Чубайса в одном из выступлений, связанных с проблемой CO sub 2 /sub , что есть технологическое направление с выходом годового производства в миллионы тонн, которое потребует не только megascience, но и мегабизнеса. Это, часом, не о вашем CNT- проекте?

— Корпорация «Роснано» вошла в наш проект летом прошлого года, купив долю в OCSiAl и проинвестировав создание промышленного прототипа технологии синтеза CNT. Это было для нас, безусловно, важным событием. И это не только и не столько деньги. Организационный ресурс корпорации, влияние ее руководителя просто выводят проект на другой уровень развития. Важно для нас и то, что со стороны «Роснано» была проделана колоссальная детальнейшая комплексная научно-техническая и бизнес-экспертиза, результаты которой укрепили нашу уверенность в правильности выбранного направления.

— Если не секрет, во сколько оценивается ваш проект?

— Его стоимость составляет сейчас десятки миллионов долларов. Уже в этом году мы запустим опытно-промышленный комплекс, который начнет производить тонны продукта в год. Следующая цель — создание заводов производительностью в сотни тонн углеродных нанотрубок в год. Для инвестирования в очередной этап уже подтягиваются стратегические инвесторы, с которыми мы ведем предметный разговор. Я бы хотел отметить, что мы считали саму разработку технологии синтеза углеродных наноматериалов главным направлением только в момент запуска самого проекта. По мере погружения в проект мы поняли, что для успешного продвижения одного производства наноматериалов не достаточно. Дело в том, что из-за отсутствия рынка таких материалов у потенциальных потребителей — промышленных компаний — нет ни знаний, ни опыта, ни технологий аддитирования углеродных нанотрубок в материалы. Стало понятно, что необходимо подготавливать рынок к суперпродукту, продемонстрировать на конкретных продуктах эффект от введения CNT и научить потребителей их использовать. Поэтому мы выбрали ряд наиболее перспективных, с нашей точки зрения, применений CNT и начали создавать соответствующие продукты с ориентацией на перспективные рынки: это материалы электродов для аккумуляторов и суперконденсаторов, пластики, резины и алюминий. Мы получили ряд впечатляющих результатов. Это не простое бахвальство: недавно я был в Германии, и автомобилестроителей очень заинтересовали наши наработки для аккумуляторов и суперконденсаторов, а также композитные пластиковые детали кузова. То, что мы делаем, оказалось созвучно стратегической линии развития автомобилестроения.

— Очень интересный опыт: из академической школы Сибирского отделения РАН, школы того же Института теплофизики вырастает глобальный, по сути, проект...

— Безусловно, принципиальное значение для успешного его продвижения имеет то обстоятельство, что мы находимся именно здесь, в новосибирском Академгородке, где сконцентрированы институты, представляющие практически все научные направления. Это исключительное место для проведения комплексных исследований, для этого он и был создан когда-то. В шаговой доступности здесь можно найти любого специалиста или высококлассное научное оборудование. Мы используем эту возможность сейчас, так как наш проект создает, по сути, платформенную технологию, очень сложную, комплексную, и требует самых разных компетенций. Необходимо понимание сложных процессов роста наноструктур, процессов их введения в различные материалы и устройства; надо уметь исследовать самые разные свойства полученных материалов. Во многом благодаря возможностям Академгородка за три года работы проект набрал обороты. Первые нанотрубки мы вырастили довольно быстро, но за этим последовала серьезная, кропотливая работа по изучению механизмов роста CNT и оптимизации технологического процесса. Получили мы и ряд принципиальных научно-технических и технологических достижений в области синтеза углеродных наноструктур, вплотную приблизились к созданию реальных прототипов конечных суперпродуктов. В первую очередь это новые композитные материалы и материалы для электрохимических устройств хранения энергии. Возвращаясь к началу нашего разговора, отмечу: мы быстро поняли, что помимо коммерческих перспектив замахиваемся еще и на решение глобальной проблемы техногенной эмиссии СО sub 2 /sub . Это связано как с последующим уменьшением на десятки процентов энерго- и ресурсопотребления при производстве материалов, так и частично с тем, что наша технология предполагает не столько потребление энергии, сколько ее воспроизводство.

— Михаил Рудольфович, заинтриговали, честно говоря. Что вы имеете в виду под воспроизводством энергии?

— Если выращивать CNT в метане (CH sub 4 /sub ), то в результате его разложения в реакторе кроме углерода мы получаем в качестве побочного продукта экологически чистый энергоноситель — водород. Так вот, если этот водород сжечь, выделится энергия, вчетверо превышающая ту, что необходима для поддержания технологических процессов синтеза наноуглеродных трубок. Конечно, в реальном процессе часть энергии будет потеряна, но в отличие от процесса выпуска большинства материалов производство CNT можно организовать без внешнего энергопотребления и без эмиссии СО sub 2 /sub , так как при сжигании водорода образуется вода. Мы считаем, что после создания эффективной технологии бизнес сам начнет создавать не только заводы по производству углеродных нанотрубок, но и объекты водородной энергетики. При этом важно, что водородная энергетика возникает не благодаря навязыванию социальными институтами и государством, а как естественное, экономически оправданное следствие новых производств.

Схема получения углеродных нанотрубок

В реакторе происходит испарение частиц железа (Fe) и одновременное разложение метана (CH4) на атомы водорода (H) и углерода (С). Углерод осаждается на частице железа, на которой и происходит выращивание углеродной нанотрубки (CNT)

График

Прогноз динамики рынка углеродных нанотрубок различных аналитических компаний