Век умных материалов

Академик Евгений Каблов знает, что будет с материалами в ближайшие двадцать лет, и предлагает поделиться своим знанием с чиновниками и экономистами

Наверное, не случайно целые исторические эпохи получили название от способности человека обрабатывать тот или иной материал — каменный век, бронзовый век, железный век. И в нынешних условиях способность разрабатывать и применять новые материалы остается важнейшей характеристикой степени развития человечества.

Создание тех или иных материалов позволяло сделать качественный скачок в самолетостроении, атомной промышленности и во многих других областях машиностроения и других отраслей. В Советском Союзе ключевую роль в развитии материаловедения сыграл Всесоюзный (ныне Всероссийский) институт авиационных материалов, которому недавно исполнилось 80 лет.

Первый в мире композиционный материал был создан в ВИАМе профессором Яковом Аврасиным еще в конце 1930-х. Он взял различные слои шпона карельской березы, уложил их на соответствующий органический клей, тоже разработанный в ВИАМе, и получил дельта-древесину, которую тогда использовали при строительстве самолетов. Идея разработки и применения полимерных композиционных материалов родилась в ВИАМе по предложению начальника института Алексея Туманова. В ВИАМе вспоминают, что авиаконструкторы Андрей Туполев и Сергей Илюшин заявили тогда, что из тряпок они самолеты делать не будут. А Олег Антонов сказал: а я буду строить. В результате Антонов в своих работах опередил зарубежные компании. В созданных им самолетах уже в 1980-е годы было 25% полимерных композиционных материалов.

В ВИАМе был разработан сплав циркония с добавкой 1,5% ниобия, примененный в тепловыделяющих элементах атомных реакторов силовой установки ледокола «Ленин» и первого промышленного атомного реактора Нововоронежской АЭС. Были созданы алюминиевые сплавы, по прочности сравнимые со сталью, которые используются в центрифугах при обогащении урана по методу академика Исаака Кикоина. Была создана керамика для теплозащиты космических кораблей.

Времена поменялись, но ВИАМ и сейчас во многом определяет политику в области материаловедения в России. Недавно в институте были разработаны и представлены в государственные органы и научной общественности «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года». Мы решили обсудить эту программу с генеральным директором ВИАМа академиком РАН Евгением Кабловым.

— В стране уже разработано большое количество стратегий. Зачем нужна еще одна?

— Главная проблема всех стратегий, которые пишут по большей части экономисты, — отсутствие научно-технологического прогноза, который экономисты сделать не в состоянии. Возьмите, к примеру, «Стратегию-2020», разработанную в основном специалистами Высшей школы экономики и Академии народного хозяйства. Ей явно не хватает понимания того, на какой научно-технической основе будут достигнуты заданные рубежи. В результате эта стратегия рискует остаться на бумаге. Чтобы довести ее до ума, необходимо объединить усилия Российской академии наук, государственных и национальных научных центров, исследовательских университетов, корпоративной науки, всех технократов и ученых-экономистов.

Мы решили не ждать чьих-то решений и разработать такой прогноз в области, которой мы занимаемся, чтобы ответить на вопрос, что должно дать материаловедение для решения задач, поставленных в «Стратегии-2020», в стратегиях развития различных крупных корпораций, министерств и ведомств. Мы уверены, что без разработки материалов нового поколения невозможно достичь успеха в создании современной техники.

В результате мы разработали «Стратегические направления…», где, в частности, оцениваем перспективы создания изделий, предусмотренных стратегиями Объединенной авиастроительной корпорации, корпорации «Вертолеты России», Объединенной двигательной корпорации, Объединенной судостроительной компании, «Росатома», «Роскосмоса», РЖД и других. Я так подробно их перечисляю, чтобы был понятен размах нашей работы. И определяем направления развития материалов практически для всех отраслей промышленности до 2030 года.

Можно сказать, что наша стратегия — это в том числе ответ на заявления некоторых чиновников, что в новой программе развития гражданской авиационной техники наука не должна присутствовать, а должны быть только деньги, чтобы поддерживать потенциал отрасли. Мое мнение: если мы будем поддерживать только потенциал, то потеряем и его.

Надо не рассуждать о поддержке технологического потенциала отрасли уровня 1990-х годов, а думать над тем, как выполнить поручение президента Путина о необходимости реиндустриализации страны на новом технологическом уровне, для чего государство выделяет большие финансовые ресурсы. А при создании новых современных производств надо ясно понимать, какие материалы нового поколения и технологии их производства и переработки будут применяться в достаточно длительной перспективе.

В своей работе мы опирались, конечно, и на свой опыт, и на анализ развития материаловедения за рубежом. Мы убедились, что материалы занимают где-то третью-четвертую позицию в рейтинге наиболее важных научно-технических направлений, которым уделяют внимание Евросоюз, США, Япония, Китай.

Мы ставим перед собой цель обеспечить разработку и серийное производство самолетов целиком и полностью на основе отечественных материалов, отвечающих мировому уровню развития материаловедения. Если для гражданской техники могут быть исключения (хотя отдавать иностранцам такую отрасль производства и такие квалифицированные рабочие места и добавленную стоимость всегда неразумно), то для военной авиации это условие должно выполняться неукоснительно. Мы, в частности, планируем, что к 2020 году появится возможность использовать в конструкциях металлические материалы с памятью формы, а в 2030 году им на смену придут уже интеллектуальные материалы.

— Что это значит?

— Сплавы с памятью формы — это металлические сплавы, которые после предварительной деформации при нагреве способны вернуться к первоначальной форме. Не являясь живыми существами, эти металлы проявляют своеобразную память. Они находят применение в самых разных сферах. Например, в медицине в стентах, которые вводятся с помощью катетера в сосуды кровеносной системы в виде прямой проволоки, после чего они приобретают необходимую спиралевидную форму. В основном для создания таких сплавов используют никелиды титана.

А интеллектуальные материалы могут контролируемым образом изменять свои свойства в ответ на изменения окружающей среды, информировать о том, в каком состоянии находится конструкция, каковы предельно допустимые деформации, каким образом изменить поверхность, форму материала, чтобы обеспечить минимальный уровень напряжения. Наконец, это материалы, которые обладают способностью в зависимости от условий эксплуатации менять пространственное расположение конструкции.

— То есть материал конструкции подстраивается под условия эксплуатации?

— Да, сам подстраивается. Почему птицы никогда не срываются в штопор? Потому что у них так работают крылья и перья, что в любой момент создается наиболее благоприятный угол обтекания и необходимая оптимальная площадь поверхности. Наша задача создать такие материалы, которые за счет изменения состояния несущих поверхностей летательного аппарата обеспечат его устойчивость. Поверхность должна быть активной и противодействовать внешним воздействиям. Это сейчас главное направление всех работ в области создания новых конструкций летательных аппаратов.

Одно из основных направлений развития, которое приблизит создание таких андроидных конструкций, — разработка интеллектуальных полимерных композиционных материалов (ПКМ) второго поколения с функциями адаптации к аэродинамическим и другим нагрузкам со встроенными сенсорами, а также ПКМ третьего поколения с изменяемой геометрией поверхности за счет введения элементов с памятью формы.

Благодаря применению интеллектуальных материалов второго поколения наша конструкция получает центральную нервную систему, способную чувствовать ее состояние, сигнализировать о проблемах, давать команды органам управления, а использование материалов третьего поколения обеспечит конструкцию мышечной системой.

— Как ваша стратегия связана с планами развития той же авиации?

— Приведу один пример. В программе развития одного из мировых лидеров вертолетостроения ОАО «Вертолеты России» предусматривается создание перспективного высокоскоростного (450 км/ч) вертолета. Это потребует разработки композитных лопастей несущего винта с усовершенствованным профилем и новой «жесткой» системы его заделки, в отличие от традиционной шарнирной, а также высокотехнологичного фюзеляжа. Успешно осуществить эту программу удастся, если доля композитных материалов новых поколений в конструкциях вертолетов достигнет 60 процентов. Нам предстоит эти материалы разработать.

— Как вы предполагаете реализовывать свою стратегию?

— Мы сформулировали четыре принципа реализации нашей стратегии.

Первый принцип — неразрывность цепочки: материал—технология—конструкция—оборудование. Он требует одновременной согласованной работы материаловеда, конструктора и технолога. Дело в том, что детали и конструкции из полимерных, слоистых и композиционных материалов, супержаропрочных сплавов зачастую нельзя изготовить по старинке — «выточив из болванки». Их свойства должны быть заложены в материал и в технологию его изготовления еще на стадии их разработки. И это должно обязательно учитываться при конструировании изделий.

Второй принцип, который впервые сформулирован нами: проектирование материалов с учетом их полного жизненного цикла, который включает в себя создание, эксплуатацию, диагностику, ремонт, продление ресурса и утилизацию. Иначе мы превратим нашу планету в кладбище отходов. Конечно, такой подход сложнее традиционного, он требует, например, отказа от применения в композиционных материалах пластиков, которые в природе практически не разлагаются, и перехода на растительные исходные компоненты, разлагающиеся в природной среде, так называемые зеленые композиты. Наряду с этим такой подход дает огромный выигрыш в качестве готового изделия, в глубине переработки сырья и материалов и в возможности их повторного использования.

Третий принцип — компьютерное проектирование материалов на основе самых современных результатов фундаментальных и фундаментальноориентированных исследований. Многие достижения, которые нам удалось за эти годы реализовать, состоялись благодаря тесному сотрудничеству с институтами РАН. Это отличительная особенность ВИАМ. Начиная с момента создания и в самые тяжелые 1990-е годы ВИАМ имел соглашения более чем с сорока институтами Академии наук, результаты исследований которых мы используем.

Показательна работа по созданию керамического конструкционного композиционного материала SiC-SiC, который характеризуется сверхвысокой стойкостью при термоциклических нагрузках в продуктах сгорания топлива и обладает эффектом самозалечивания микродефектов и восстановления до 100 процентов исходных механических характеристик. Без этого материала невозможно создать новые конструкции в области гиперзвука, в области увеличения тяги двигателя.

Во всем мире процесс его получения состоит в следующем: из волокна карбида кремния формируется матрица композита, на которую различными методами, например осаждением из газовой фазы, наносится в качестве основы тот же карбид кремния. У нас в стране нет производства непрерывного волокна карбида кремния. Нам удалось обойти эту проблему за счет применения результатов фундаментальных исследований, выполненных совместно с Институтом общей и неорганической химии РАН и Химико-технологическим университетом имени Менделеева. Была разработана технология, позволяющая создать в заготовке из спеченного порошка карбида кремния матрицу с заданным распределением пор размерами около 50 микрометров, в которых за счет применения золь-гель технологии образуются нитевидные наноразмерные «усы» карбида кремния. В результате мы получили керамический конструкционный композиционный материал с высокой термостойкостью. Изготовленная керамика выдерживает до 10 тысяч циклов нагрева и охлаждения от 600 до 1600 градусов в течение 60 секунд.

Наконец, четвертый принцип — использование при создании материалов «зеленых» технологий.

— Проблемы Академии наук, с которой вы так активно сотрудничаете, постоянно обсуждаются и у всех на слуху, но практически ничего не говорится о проблемах так называемой отраслевой науки. Как быть с ней?

— Я считаю, что нишу отраслевой науки, ориентированной на решение узких прикладных проблем, должна занять корпоративная наука, которая, кроме того, должна выполнять функцию коммутатора и интерфейса между промышленностью и государственным сектором науки.

В любой крупной зарубежной компании обязательно есть корпоративный центр, который работает за счет прибыли, которую корпорация ему отчисляет. Американская «Дженерал Электрик» в начале 2000-х годов выделяла около 200 миллионов долларов в год своему исследовательскому центру, который решал задачи, связанные со снижением себестоимости, с повышением характеристик изделий и с продвижением продукции на мировом рынке.

И у нас любая крупная корпорация, отвечающая за определенную область промышленности, будь то «Ростехнологии», «Росатом», нефтяные и газовые корпорации как государственные, так и частные, должна иметь в своем составе исследовательские корпоративные центры. А исследованиями, связанными с решением государственных задач, с перспективными исследованиями, с фундаментальными научными проблемами, должны заниматься Российская академия наук, государственные научные центры, национальные исследовательские центры типа Курчатовского института. Бизнес может входить в эти исследования на стадии ОКР или покупать их результаты, чтобы организовать производство.

Приведу пример из американской практики, которую мы знаем, потому что тесно сотрудничаем с «Боингом». Когда НАСА после завершения научно-исследовательских работ выходит на ОКР, то «Боинг» или какая-то другая корпорация может вложить в него и свои деньги, если понимает, что эту разработку они смогут использовать при выпуске какой-то новой машины. При этом интеллектуальная собственность передается «Боингу» бесплатно. Но если «Боинг» начнет продавать свою машину за рубеж, то он будет отчислять роялти НАСА и государству. Этого у нас нет, у нас нет такого понятного, ясного закона о передаче интеллектуальной собственности. Тот закон о передаче технологий, который был принят у нас, — это фактически еще одно дополнительное разъяснение, как проводить конкурс.

Американцы своим высшим достижением в двадцатом веке считают формирование национальной инновационной системы, которая стимулирует человека создавать и продвигать инновации, обладать правами на интеллектуальную собственность и защищать свои научно-технические решения патентами. А как можно говорить об инновационной деятельности у нас в стране, если у нас нет рынка интеллектуальной собственности, потому что у нас до сих пор нет четкого и понятного решения, кто является патентообладателем — разработчик или государство, которое заказывает работу? Отсутствие этого решения не стимулирует разработчика подавать заявки на получение патента. В Японии и США ежегодно выдается по 400 тысяч патентов, в КНР — 300 тысяч, а в России — всего 20 тысяч, в то время как в СССР выдавалось более 300 тысяч авторских свидетельств. Сегодня важнейшей государственной задачей является защита всех наших разработок патентами. Это особенно важно с учетом того, что мы вступили в ВТО, где нас ждут тяжелые испытания.

А пока стремительно растет количество подаваемых в Роспатент заявок на изобретения, созданные за рубежом иностранными заявителями. В 2010 году их было около 13 тысяч, в 2011-м — около 15 тысяч. Количество этих заявок почти сравнялось с заявками, поданными российскими юридическими лицами. Делается это для того, чтобы застолбить дорогу на российский рынок для своей продукции и одновременно блокировать производство аналогичных российских товаров, что в перспективе означает фактическое удушение целых отраслей отечественной промышленности. Причем заявки составляются настолько грамотно и подробно, что обойти их за счет внесения в собственную конструкцию или технологию каких-либо изменений практически невозможно. Более того, зарубежные компании подают блокирующие патенты на целые области. После чего нам туда войти будет невозможно, и мы спокойно это принимаем.

— Что нам надо сделать?

— В Америке мы работали в одной фирме и как-то обсуждали один из наших совместных проектов — когда у нас денег было мало, мы зарабатывали в США, в Китае. Посреди разговора встает наш американский коллега Пол и говорит: слушай, у меня идея возникла, я пойду к юристу. Юрист в журнале пишет, что сегодня в двадцать ноль-ноль у Пола возникла идея. Он записал, а Пол пошел дальше работать. Приоритет уже забит за Полом и за компанией. А дальше идет процесс патентования. Такую систему нужно создавать и у нас, на каждом предприятии. А начать надо с воссоздания системы, которая существовала еще в СССР, когда на каждом предприятии был патентный отдел.

До последнего времени права на результаты интеллектуальной деятельности, полученные по госконтрактам, принадлежали государству, потому что так требовали Минфин и Счетная палата. Надо сказать слова благодарности Фурсенко, который, несмотря на давление этих ведомств, во всех договорах писал, что интеллектуальная собственность принадлежит разработчику. Ко мне куча запросов в институт идет на наши разработки, а я не имею права их передавать и не имею права заключать лицензионные соглашения. Это нонсенс, это просто абсурд. Пока этот порядок не действовал, мы зарабатывали по 200 миллионов в год на интеллектуальной собственности. А раз нет возможности зарабатывать, то нет интереса и патенты получать. В результате, если раньше мы получали по 60 патентов в год, то сейчас на уровне 30. Надежды на улучшение сложившейся ситуации мы связываем с внесением изменений в часть четвертую Гражданского кодекса уже в этом году, а также с исполнением государственными заказчиками постановлений правительства РФ, которые ограничивают случаи, когда права на результаты интеллектуальной деятельности могут принадлежать государству.

— Сейчас много говорят о необходимости развития вузовской науки, даже о постепенном перемещении центра научных исследований в вузы…

— Действительно, было бы хорошо, чтобы наши университеты работали как зарубежные. Технический университет города Дельфт в Голландии, один из старейших в Европе, зарабатывает два миллиарда евро. Рейн-Вестфальский технический университет в Германии, в городе Ахен, зарабатывает на уровне полутора миллиардов евро. И нам надо стремиться к тому, чтобы наши вузы могли вести научные разработки и зарабатывать на них, но в том состоянии, в котором они сейчас находятся, они сами не смогут это сделать. Это можно сделать только объединив их усилия и усилия таких крупных центров, как НИЦ «Курчатовский институт» и как ВИАМ. И мы готовы к этому. Уже сейчас мы с нашими вузами-партнерами договариваемся, какое оборудование они должны приобрести, чтобы дополнить наши исследования результатами своих углубленных фундаментальных исследований в более узкой предметной области. Мы подписали соответствующие соглашения с десятью национальными исследовательскими университетами.

В рамках постановления правительства № 218 совместно с Мордовским университетом мы разработали и внедряем на заводе «Электровыпрямитель» в Саранске уникальную технологию получения оснований для силовой электроники. Это алюминиевый сплав, наполненный карбидом кремния. До сих пор эти основания покупали у американской компании. Стоимость одного основания доходила до 500 долларов. Мы разработали инновационную технологию и показали, что наш материал ничем не хуже американского и при этом в два раза дешевле. И сейчас в Саранске создается производство, рассчитанное на 50 тысяч оснований в год. Сами по себе они никогда бы это не сделали и продолжали бы покупать у американцев.

А с МГТУ имени Баумана мы выстроили эффективную систему подготовки научных кадров высшей квалификации. Студенты приходят к нам и начинают работать с третьего курса. Дипломную работу тоже, естественно, делают в ВИАМе. Сейчас мы договорились, что темы кандидатских диссертаций аспирантов МГТУ определяются совместным решением двух ученых советов. И диссертацию они должны делать в ВИАМе, чтобы ее тема была направлена на решение конкретной научно-технической задачи с применением самого современного экспериментального и технологического оборудования. А раз так, то и получать они будут не только стипендию аспиранта 1800 рублей, но и достойную зарплату сотрудника ВИАМ, которая позволит молодому человеку не думать, где деньги взять, а заниматься наукой.

Одновременно мы нашли очень интересное решение по подготовке техников, лаборантов и рабочих кадров, которых катастрофически не хватает. Мы договорились с Московским вечерним металлургическим институтом, что мы ежегодно набираем группу студентов первого курса, которые зачисляются на должности техников и лаборантов. Они работают и получают зарплату, а вечером мы организовали для них соответствующие учебные аудитории, в которых преподаватели вуза проводят занятия, а наши профессора — известные ученые — читают им лекции по специальности. И это дало колоссальный эффект: шесть выпусков — около 90 выпускников — мы уже провели. Некоторые ребята стали уже кандидатами наук и начальниками лабораторий.

В результате за десять лет средний возраст наших сотрудников снизился с 61 года до 44 лет. Сегодня на 1800 сотрудников ВИАМа приходится 810 сотрудников в возрасте до 35 лет.

— Как увязаны «Стратегические направления…» с планами развития самого ВИАМа?

— Под реализацию этих стратегических направлений мы разработали программу деятельности ВИАМа на ближайшие пять лет. Все заработанные нами деньги мы вкладываем в софинансирование тех или иных производств, которые создаются в ВИАМе, потому что многие заводы не готовы воспринимать наши разработки в силу низкого технологического состояния уже устаревшего оборудования.

В 2002 году президент Путин поддержал мое предложение о создании малотоннажных производств на базе нашего и других институтов химической и металлургической продукции с высокими требованиями по качеству и специальными свойствами для обеспечения выполнения гособоронных заказов предприятиями ОПК. Дело в том, что организация производства такого рода продукции в требуемых объемах и необходимого качества на крупных нефтеперерабатывающих, химических и металлургических предприятиях, по мнению их собственников, экономически невыгодна. Сейчас у нас есть 19 инновационных производств, и мы планируем в конце этой пятилетки выйти на 25. И все эти 25 производств защищены нашими патентами. А когда возрастает потребность и появляется возможность организации большого производства, мы готовы продать лицензию на право пользования нашей разработкой любому заинтересованному бизнесмену. И он видит, как это работает не на словах, а на уже готовом производстве. Плюс он имеет возможность направить на обучение своих сотрудников. То есть наши производства работают еще и как центры трансфера технологий.

ВИАМ, который насчитывает 1800 человек и имеет объем выполняемых работ по прошлому году на 3 миллиарда 200 миллионов, заработал чистой прибыли 208 миллионов. Очень мало найдется в РФ научных центров, которые зарабатывают такую прибыль.

— Так, может, имеет смысл приватизироваться и получить свободу рук?

— Мне и Греф, и Чубайс это предлагали. Но я считаю, что научная организация, решающая государственные задачи, должна быть государственной структурой. Кроме того, я уверен: если мы приватизируемся, кончится тем, что всю науку отсюда вынесут и построят здесь офисы.

По моему мнению, оптимальная структура крупного современного научного центра — государственный научный центр, который имеет вокруг себя ряд малых инновационных предприятий с акционерной формой собственности, выпускающих созданную в научном центре наукоемкую продукцию. Учредителями этих предприятий должны быть научные центры и бизнес, который заинтересован в производстве и реализации продукции. Такая схема позволит существенно уменьшить и оптимизировать долю накладных расходов в себестоимости продукции по сравнению с себестоимостью продукции, изготовленной в научном центре.

— Может быть, нам нужен новый госкомитет по науке?

— Мне кажется, что должно быть Министерство просвещения, как было у нас в советское время, которое должно заниматься дошкольным и школьным образованием. И должно быть Министерство науки и высшей школы, в котором ведущую роль должны играть национальные исследовательские центры, институты РАН в тесном взаимодействии с национальными исследовательскими университетами. А пока меня удивляет тот факт, что при формировании нового правительства у нас разделили науку и инновации. Как можно оторвать науку от инноваций, я не могу представить, если нам действительно необходимо от заклинаний «инновации, инновации» перейти к реальным инновациям. Это решение я не понимаю, может, его все-таки разъяснят. Нам необходимо вернуться к этому вопросу и с учетом имеющегося отечественного и зарубежного опыта принять взвешенное решение.

А для решения важнейшей государственной задачи создания и организации выпуска современных конкурентоспособных технически сложных систем необходимо повысить полномочия и персональную ответственность генеральных конструкторов и руководителей крупных национальных научных проектов, причем это должен сделать президент Российской Федерации. Назначение на эти должности необходимо осуществлять тоже указами президента. Важно, чтобы при принятии политических решений, определяющих направления и этапность развития нашей страны, прислушивались к мнению тех, кто результатами своего труда, всей своей жизнью доказал, что он имеет право советовать.

Александр Механик