"Российская газета" продолжает серию публикаций о премии "Глобальная энергия". Почему? Уникальные, нестандартные решения, как бы выросшие неожиданно высокими, стройными, яркими растениями среди ровного поля, всегда привлекают внимание. Этот проект, запущенный 15 лет назад в России, достойно занимает самостоятельное место в научно-технологической жизни планеты. За годы своего существования премия, сохраняя уникальность, обросла всеми характерными чертами крупнейших конкурсных проектов мирового масштаба. Это и наработанный международный авторитет, и состав окружающих премию ученых - как номинантов, входящих в круг самых титулованных специалистов глобального значения, так и экспертов: их, ни много ни мало, более трех тысяч из 90 стран мира! С 2003 года лауреатами премии стали 34 ученых первой величины из Великобритании, Германии, Исландии, Канады, России, США, Украины, Франции, Швеции и Японии. Весьма достойной выглядит и денежная составляющая награды: в 2016 году она составила 39 миллионов рублей.
Традиционно работа оргкомитета конкурса начинается осенью, когда имеющие право выдвигать на премию всемирно признанные ученые и эксперты энергетического рынка могут реализовать свое право. Вот как раз ранее упомянутые 3000 экспертов из 90 стран и начинают выдвигать своих фаворитов, ведущих специалистов мирового уровня. В этом году список именитых претендентов превысил 150 человек почти из тридцати стран. Далее каждый номинант проходит 3 независимые друг от друга международные экспертизы: 85 экспертов международного класса, представляющих 18 стран, составляют итоговые таблицы собственных предпочтений. В результате суммирования баллов формируется лонг-лист номинантов. Это закрытая информация.
Думаете, все так просто? Как бы не так. В дело вступает Международный комитет по присуждению премии "Глобальная энергия", собравший 20 выдающихся специалистов из тринадцати стран, который после первичного обсуждения кандидатур составляет свой шорт-лист и уже в ходе тайного голосования отбирает самых достойных звания лауреата этой престижной международной премии.
Многоступенчатая отборочная процедура организационно устроена весьма непросто, она формировалась, судя по всему, все 15 лет существования проекта и регулярно корректировалась. На правах анонимности ряд ученых, ранее входящих в Международный комитет по присуждению премии, сказал мне, что оргкомитет очень внимательно следит за чистотой процесса: корректирует и сами нормативные документы и не боится выводить из своих органов людей, которые только заподозрены в попытках "продвинуть" кого-то из своих. Такая система гарантирована от проявлений узкоотраслевой зашоренности, давления авторитетами титулов, интриганства или политической сиюминутной предвзятости. Интригу удается сохранить до самого последнего момента, то есть до процедуры объявления победителя, которая, напомним, в этом году состоится 6 апреля.
Причем такая система отбора не исключает и сюрпризов, как произошло, к примеру, в прошлом году, когда Комитет единственным победителем из 140 достойных номинантов со всего мира неожиданно назвал нашего соотечественника академика РАН Валентина Пармона, а ведь во все предыдущие конкурсные сессии награждалось по два-три лауреата.
Удивит ли сюрпризами год 2017? И тогда, к примеру, на лауреатский подиум триумфально взойдет человек и вовсе без всяких ученых степеней, такой, как Илон Маск, за которого "болела" редакция "РГ" в 2016 году, или, наоборот, достаточно предсказуемо победителем станет увенчанный славой предыдущих научных достижений маститый ученый? Узнаем 6 апреля.
В поисках "островка стабильности"
Мы поговорили с несколькими известными экспертами, спрашивая их, кто может претендовать на победные лавры в этом году. Нам назвали десяток фамилий, и мы на свой страх и риск решили представить некоторых из них. Надеемся, читатель простит автору желание рассказать подробнее прежде всего о наших выдающихся разработчиках и специалистах, достойных, по мнению экспертов, лауреатства.
Академик РАН Юрий Оганесян, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в подмосковной Дубне, в работе которого участвуют 18 стран - один из самых именитых и известных широкой общественности российских ученых, который мог бы войти в список номинантов "Глобальной энергии". Вот уже больше полувека академик занимается синтезом и исследованием новых химических элементов, которых нет в таблице Менделеева. При его участии были синтезированы многие химические элементы, которых до того в природе не существовало. В последние годы именно благодаря Юрию Оганесяну наша страна фактически стала лидером в "трансурановой гонке" сверхтяжелых элементов. В Дубне были последовательно получены элементы с порядковыми номерами со 113 по 116, 118, а затем, позднее, и 117. Причем 118-й элемент в признание заслуг нашего выдающегося ученого был назван Международным союзом чистой и прикладной химии (IUPAC) оганесоном. Так Оганесян стал вторым ученым в мировой истории, чье имя присвоено новому элементу при жизни его открывателя.
Для чего нужны такие исследования? Например, одним из важнейших итогов проведенных экспериментов по 117 элементу, занявшему последнюю рамку в седьмом ряду таблицы Менделеева (он получил название "теннессин" в честь штата Теннесси и был синтезирован вместе с американскими учеными из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса), стало то, что он оказался ожидаемо очень долгоживущим. Конечно, это долгожительство определяемо только по физическим меркам: период полураспада самого тяжелого из синтезированных изотопов теннессина со 177 нейтронами составил 78 миллисекунд. Но это в 87 раз больше, чем зафиксированное ранее время полураспада оганесона.
В будущем в лаборатории, где работает Оганесян, приступят к синтезу и других элементов в попытке экспериментально подтвердить гипотезу об "островах стабильности", предсказанных теоретически. Эти изыскания необходимы не только для понимания устройства нашего мироздания, говорит академик, но и отвечают на более "приземленные" вопросы: являются ли вновь синтезированные сверхтяжелые элементы "нормальными" химическими элементами и вписываются ли они в таблицу Менделеева в предсказанные им места? По словам самого академика, очевидно, что о каком-то применении сверхтяжелых элементов говорить пока не приходится, но приборы, разработанные для их синтеза, уже используются, так, в частности, с их помощью на устойчивость к радиации испытывается космическая электроника.
Переключить за миллиардную долю секунды
Академик РАН Игорь Грехов - еще один представитель нашей науки, который мог бы заслуженно занимать верхние строчки рейтинга номинантов "Глобальной энергии". Сейчас академик работает руководителем Отделения твердотельной электроники Санкт-Петербургского физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН. Старейшина силового полупроводникового приборостроения с 1960-х годов стоял у самых истоков создания этой новой отрасли промышленности. Часть техники, как многое тогда, начинала разрабатываться для военных, как, например, мощные полупроводниковые устройства для бесперебойного питания реакторов атомных подводных лодок, затем многие результаты этих исследований перетекали и в мирные отрасли промышленности, например, в импульсную сварку и в электроэнергетику. Известно, к примеру, что суммарная мощность советских электростанций в 1988 году составляла более 350 ГВт. Примерно половина от всей энергии, вырабатываемой ими, проходила по пути к потребителю через различные преобразователи с помощью приборов силовой полупроводниковой электроники - диодов, транзисторов, тиристоров. Все они так или иначе были созданы в нашей стране при участии Игоря Грехова.
Цикл исследований, проведенный Греховым в 1970 годах, привел к открытию физических явлений, позволивших разработать новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами, которые были в состоянии увеличить на порядки величины импульсной мощности. Эти исследования оказали огромное влияние на развитие этого направления в мире в целом, и на их основе было создано новое целое научно-техническое направление - силовая полупроводниковая импульсная энергетика, в которой Россия и сейчас занимает лидирующие позиции в мире.
Изыскания в этой области продолжились, и уже в наше время академик и его коллеги получили за них две Государственные премии правительства России по науке и технике. В 2002 году - за работы по созданию и освоению производства нового поколения мощных тиристоров и диодов для энергоемких отраслей промышленности, энергетики и транспорта, а четырьмя годами позднее - за исследования процессов нано- и субнаносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках и создание на их основе нового класса сверхмощных полупроводниковых устройств. Под руководством Игоря Грехова были созданы новый прибор силовой микроэлектроники - интегральный тиристор с полевым управлением и ультрабыстрый диод, а также разработаны первые в России силовые приборы на основе карбида кремния - диоды Шоттки и наносекундный размыкатель тока. Их внедрение влечет за собой существенное увеличение эффективности при передаче и преобразовании электроэнергии при существенном снижении потерь. Так, по словам самого академика, сейчас в развитых странах более 60 процентов вырабатываемой электроэнергии преобразуется именно в полупроводниковых приборах, и поэтому уровень преобразовательной техники, развиваясь, оказывает существенное влияние на энергетику в целом. В России же через такие преобразователи проходит только 30 процентов электроэнергии. Рост этой доли до передовых мировых значений позволит сэкономить почти столько же энергии, сколько ее генерирует в нашей стране, например, вся атомная энергетика.
Солнце в мелкой ячейке
Возможно, по мнению экспертов, участие в финальной гонке и исследователей из Научно-технического центра тонкопленочных технологий в энергетике Евгения Терукова и его коллег приведет к существенным подвижкам в области фотовольтаики. Учредитель этого Центра - российский производитель солнечных модулей компания "Хевел". Основная цель НТЦ - проведение НИОКР, разработка технологических решений, направленных на повышение качества и эффективности модулей и ФЭП, созданных как на основе тонкопленочных структур аморфного кремния, так и на основе более перспективной гетероструктурной технологии.
Напомним, что основу тонкопленочных модулей составляют пленки полупроводниковых материалов, себестоимость производства которых гораздо ниже, чем у сборок из поликристаллического кремния, поскольку в них используется на два порядка меньше кремния, чем в поликристаллических модулях, в которых кремний занимает 40 процентов в структуре стоимости. Поэтому себестоимость производства пленок в пересчете на ватт получаемой электроэнергии меньше показателей для тех же поликристаллических модулей. Важно и то, что, несмотря на сравнительно более низкий кпд, тонкопленочная технология обеспечивает сопоставимые объемы выработки электроэнергии. Дело в том, что поликристаллические фотоэлементы воспринимают прямое падение солнечных лучей, а тонкопленочные умеют улавливать и рассеянный свет. К тому же эффективность пленок не так зависима от перепада температуры на поверхности, как у кремниевых модулей, что особенно важно для России.
Правда, кпд тонкопленочных модулей составляет около десяти процентов, а лабораторный максимум не превышает 13. Заслуга группы Терукова заключается в создании гибридной технологии на стыке тонкопленочной и классической кремниевой, иначе говоря, гетероструктурной технологии, которая позволила получить промышленный образец солнечного модуля с кпд около 20 процентов, и лабораторный - 22 процента при сохранении более 70 процентов оборудования для производства тонкопленочных модулей. Другое ее достижение - это работа над сырьем для этой технологии, а именно: применение в производстве солнечных модулей кремниевых пластин толщиной 90 микрон, что вдвое тоньше обычно применяемых в солнечных модулях ячеек. За счет этого при их изготовлении кремния используется меньше, а общая себестоимость пленок падает на 20 процентов.
Очевидно, такой результат очень важен для российского производителя с точки зрения наращивания своих конкурентных возможностей экспортной направленности. Установленная мощность солнечных электростанций в мире за десять лет выросла в 64 раза, а общий объем инвестиций только за 2015 год составил 328,9 миллиарда долларов. Это в 2,5 раза больше, чем вложено за то же время в традиционную тепловую генерацию. В европейских странах в 2014 - 2015 годах сто процентов прироста мощностей пришлось именно на ВИЭ, а в угольной и атомной генерации больше выбывает мощностей, чем вводится. По результатам 2015 года было введено 236 гигаватт фотоэлектрических электростанций, по итогам 2016-го этот показатель превысил 300 гигаватт. Так что спрос на модули российской разработки должен только расти.
На пути к "естественной" ядерной безопасности
В списке потенциальных российских номинантов, названных нашими отраслевыми специалистами, и двое всемирно известных ученых, работающих в области ядерной энергетики. Это ведущий специалист по созданию реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем Виктор Орлов и советник генерального директора ГК "Росатом" Владимир Асмолов, авторитетный профессионал в области ядерной безопасности.
Виктор Орлов еще в середине 1970-х годов организовал в Курчатовском институте отдел для разработки реакторов на быстрых нейтронах на основе опыта работы с реакторами атомных подводных лодок со свинцово-висмутовым теплоносителем. "Быстрые" реакторы для крупномасштабной ядерной энергетики должны были отвечать ряду концептуальных требований. В первую очередь, это неограниченная обеспеченность топливными ресурсами за счет полного использования запасов природного урана в таких реакторах, а также естественная безопасность их функционирования, которая исключала бы аварии с радиационными выбросами с последующей эвакуацией населения при любых отказах оборудования, ошибках персонала или внешних воздействиях. Преимуществом "быстрой" энергетики должно стать и снижение радиационной опасности отходов деятельности АЭС за счет замыкания топливного цикла со сжиганием в реакторах долгоживущих радионуклидов. Достижение замкнутого топливного цикла исключило бы и возможность выделения оружейных ядерных материалов из технологической процедуры, укрепляя режим нераспространения ядерного оружия. Сейчас в "Росатоме" разработки в этом направлении продолжают вестись на базе двух уже действующих натриевых "быстрых" реакторов на Белоярской АЭС, а также в рамках программы "Прорыв", предполагающей создание реактора со свинцовым теплоносителем "Брест", одним из идеологов и научных руководителей которой является Виктор Орлов.
читайте также
Владимир Асмолов также приверженец концепции развития ядерной энергетики в направлении "быстрых" реакторов, но мировую известность получили прежде всего его работы в области безопасности традиционных тепловых реакторов с водяным теплоносителем, которые составляют основу современного мирового парка АЭС. Как ученый он занимался научными аспектами ликвидации Чернобыльской аварии, разрабатывал новые подходы к повышению безопасных условий функционирования атомных электростанций. В 1994 году в Курчатовском институте Асмолов возглавил международный проект "Маска", за которым последовал следующий "Расплав", задачей которых было изучение взаимодействия различных материалов в корпусе реактора, прежде всего в аварийных ситуациях. Одним из результатов исследований стала разработка так называемых "ловушек расплава", предохраняющих распространение радиационного воздействия за пределы реакторной зоны. Такими ловушками обустраиваются сейчас все новые реакторы российского дизайна, в том числе и на заграничных станциях. Похожее устройство локализации расплава могло бы ограничить масштабы повреждений на станции в Фукусиме в пределах одного реактора, и череды тяжелых аварий на АЭС удалось бы избежать.
Просто Маск и граф Перовский
Не будем делать секрета из очевидного: у нас есть выдающиеся ученые и проекты, но чрезвычайно высоки на победу в "Глобальной энергии" и ставки потенциальных зарубежных претендентов. Имена двух, пожалуй, самых публичных фигур, читаются легко. Прежде всего это Илон Маск, чье имя едва ли нуждается в дополнительном представлении. Он один из самых раскрученных и успешных технологических предпринимателей планеты последнего времени. В его активе есть как уже запущенные, так и разрабатываемые проекты: от земных Pay Pal, Tesla и вакуумного транспорта Hyperloop до космических - Space X и Mars Colonial Transporter. Правда, общественная популярность нередко становится препятствием для победы в специализированных конкурсных проектах, направленных на поощрение ученых за разработки мирового значения. В каком признании нуждается, к примеру, Маск?
Вторая известная всему, и не только узкопрофессиональному, миру фигура - американец Стивен Чу. В его активе уже есть Нобелевская премия, которую он получил в 1997 году за создание методов охлаждения и пленения атомов с помощью лазерного света. Казалось бы, тема, далекая от профессиональных интересов ученых-энергетиков. Но они-то как раз знают, что Чу с 2004 года возглавлял престижнейшую Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли с бюджетом в 700 миллионов долларов, где занялся исследованиями в области возобновляемых источников энергии - биотоплива и искусственного фотосинтеза. А в 2008 году Стивен Чу стараниями Барака Обамы взлетел на пост руководителя могущественнейшего в США департамента энергетики, и при нем звезда альтернативной энергетики в стране загорелась как никогда ярко. Любопытно, что при этом министр был проводником либеральной политики, обеспечившей и американскую сланцевую революцию.
Среди других зарубежных имен ученых с мировой известностью, активно работающих на поприще той же альтернативной энергетики, Эйке Вебер, Михаэль Гретцель и Генри Снэйт. Все они занимаются изысканиями в области фотовольтаики. Михаэль Гретцель - руководитель исследовательской лаборатории LPI (Laboratory of Photonics and Interfaces) в Лозанне. Он один из разработчиков так называемой ячейки Гретцеля, работающей на принципах фотосинтеза - сходного с биохимическим процессом, с помощью которого растения преобразуют энергию света в карбогидраты. В основу ячейки Гретцеля положен пористый слой наночастиц оксида титана, покрытых органическим красителем. Электроны с органического красителя, способного эффективно абсорбировать солнечный свет, перетекают на проводящий электрод из диоксида титана. Именно этот материал, по мнению других исследователей, и есть слабое звено всей ячейки, который не дает ей не продемонстрировать должную производительность.
Поэтому группа ученых, работающих в британском Оксфорде под руководством американца Генри Снэйта, еще одного возможного претендента на премию "Глобальная энергия", изучает возможность применения перовскита (назван в честь русского графа Перовского) - титаната кальция - материала, который журнал Science включил в топ-10 прорывов 2013 года, подразумевая возможность использования его именно в солнечной энергетике. Одно из принципиальных преимуществ таких ячеек перед созданными с помощью кремниевых технологий состоит в том, что они могут эффективно работать в различных диапазонах солнечного света. Это позволяет им преобразовать в электричество большее количество падающей на них солнечной энергии. Но над их усовершенствованием еще предстоит поработать.
Надо сказать, что Генри Снэйт весьма известный ученый - в престижном рейтинге самых цитируемых ученых, публикуемых Thomson Reuters, он уже два года подряд занимает места в первой тройке. Станет ли он лауреатом "Глобальной энергии", или это будут другие ученые, о которых мы написали выше? Узнаем шестого апреля.
