В ноябре этого года на ледоколе «Диксон» начнутся морские испытания уникальной лазерной установки для разрушения льда, разработанной в Национальном центре лазерных систем и комплексов (НЦЛСК) «Астрофизика» (входит в холдинг «Швабе» госкорпорации «Ростех») совместно с учеными Арктического и антарктического НИИ Санкт-Петербурга.
Какое отношение к разработанной в России лазерной технологии имеет Стив Джобс и его «Айфоны», как создатели этого лазера переубедили скептиков, не верящих в возможность колоть лазером лед, и как эти технологии могут спасать от наводнений и разливов нефти, в интервью газете ВЗГЛЯД рассказал первый заместитель гендиректора по НИОКР и инновационному развитию холдинга «Швабе» д. т. н., доцент Сергей Попов.
ВОПРОС: Как родилась такая идея – создать лазерную установку для разрезания льда?
Сергей Попов: Все началось в 2011 году, когда в телерепортаже показали операцию в Арктике по освобождению судна из ледового плена двумя самыми мощными ледоколами. И вместе с учеными и инженерами-лазерщиками из НЦЛСК «Астрофизика» мы задумались, как с помощью лазера сделать освоение Арктики более эффективным. Как помочь обеспечивать бесперебойную транспортировку полезных ископаемых и поставку оборудования для их добычи в суровых климатических условиях Северного Ледовитого океана?
Прототипом идеи разрезания льда лазером можно назвать ранее разработанную нами технологию, которой сейчас пользуются практически все. Но мало кто знает, что это отечественная технология. Первым заметил это изобретение и купил наш патент Стив Джобс. Теперь
все экраны на «Айфонах» и «Айпадах» вырезаны с помощью нашего метода и оборудования. Мы используем это изобретение для промышленности, а Стив Джобс – для массового потребителя.
Речь идет об изобретении предприятием «Сапфир» (теперь это «Швабе – Фотосистемы») совместно с Институтом теплотехники метода управляемого лазерного термораскалывания хрупких материалов. До этого экран для смартфонов и телефонов вырезали при помощи алмазного круга, но при этом методе возникал шов, границы экрана требовали шлифовки, а это довольно трудоемкая работа.
Мы же придумали другую технологию: лазером нагреваются локальные точки, образуются небольшие линии на стекле, и следом на нагретую поверхность накладывается хладагент (водовоздушная смесь или азот, например). В результате резкого нагрева и резкого охлаждения возникает трещина маленьких размеров. Такой способ позволяет управлять процессом резки стекла и получать бесшовный экран для смартфона. Кроме того, он позволяет снять кромку 0,5 мм или даже меньше, что делает вырезанное стекло более прочным. И это может быть не только экран смартфона, но и сапфир или другие хрупкие материалы.
ВЗГЛЯД: И как эта технология работает при разрезании льда? Наверно, один из минусов – необходимость огромной мощности для работы лазерной установки при резке льда?
С. П.: Многие действительно думают, что разрезать лед лазером невозможно из-за низкой теплопроводности льда, преобразования воды в пар и других факторов. Вернее, можно, но, чтобы разрезать лед толщиной всего 20 см, потребуется потратить такую мощность, какую вырабатывают две электростанции. На самом деле это как пилить стекло ножовкой: сил затрачено много, а толку мало. Как стекло режут в обычных домашних условиях? Алмаз или диск стеклореза, проходя по поверхности стекла, оставляет царапину, из которой рождается трещина. Чтобы разрезать стекло толщиной 5 мм, достаточно трещины в 0,05 мм. Технология колки льда схожа с технологией резки стекла.
Чтобы, например, разрезать сапфир или стекло для экрана смартфона методом лазерного термораскалывания, мощность лазерного излучения должна быть всего 20–200 Ватт. Это обычная лампочка. Поэтому, чтобы разрезать лед, требуются не такие уж большие мощности.
Еще один важный момент для понимания технологии. Как в настоящее время происходит преодоление ледяных препятствий? Ледокол набирает скорость и своей силой тяжести с учетом клиновидности носовой части проламывает и раздвигает лед.
Суть изобретения в том, что
лед надрезается лазерным лучом, как стеклорезом, в тех местах, где возникают точки концентрации напряжения, по которым лед разламывается.
Для этого нам не нужно резать весь лед, как стекло ножовкой, его надо лишь надрезать, как стеклорезом, на одну десятую доли толщины льда. Поэтому лазерной установке не нужна большая мощность. Оптический расчет и изготовление лазерной головки – это искусство. Наше ноу-хау – сформировать тот пучок лучей, который будет надрезать лед на заданном расстоянии от ледокола.
ВЗГЛЯД: Какие испытания уже были проведены, с какими сложностями столкнулись, что ждете от первого теста на открытой воде в арктических условиях, который планируется провести в ноябре?
С. П.: Сначала мы смоделировали этот метод математически. Потом провели эксперименты со льдом, замороженным в холодильнике из обычной воды. Он колется без проблем. Но ряд ученых нам возразили: в северных морях замерзает соленая вода, поэтому во льду имеются вкрапления воды. Это так называемый паковый (неоднородный) лед.
Поэтому для демонстрации полученных эффектов мы пригласили ученых и практиков более чем из 20 организаций и под видеозапись провели эксперимент с паковым льдом из соленой воды. Мы продемонстрировали всем, что лазерное излучение небольшой мощности способно расколоть лед метровой толщины.
Спустя полгода после этого мы отработали эту технологию в петербургском ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова. Там есть большой бассейн для определения гидродинамических характеристик моделей судов длиной до 3 метров, где можно создавать ледовую обстановку. И был проведен эксперимент с лазерной установкой на макете ледокола в уменьшенном масштабе. Результат также получился положительным.
ВЗГЛЯД: На какую глубину получилось расколоть лед?
С. П.: На расстоянии 10 метров от судна паковый лед метровой толщины. Больше пока не пробовали.
ВЗГЛЯД: А где будет находиться лазерная установка на судне?
С. П.: Почему-то все думают, что лазерная установка должна быть на носу судна. На самом деле она может находиться где угодно. Ее можно закрепить на верхней палубе или внутри. А лазерное излучение передается по оптоволоконному кабелю большого диаметра.
ВЗГЛЯД: В ноябре вы планируете провести испытания в зимнюю навигацию на ледоколе «Диксон» с лазерной установкой. Какие опасения вызывают настоящие испытания?
С. П.: Их много, для этого и нужен натурный эксперимент. Например, от ледокола идут вибрации. В идеале лазерный луч идет по прямой, а на практике если источник, на котором установлен лазер, вибрирует, то у нас может получиться другая картинка. Мы попытались учесть вибрацию математически, придумали гиростабилизацию лазерной головки. Гиростабилизация – это вообще наш конек, мы умеем это делать. Не факт, что на практике все будет один в один как в теории. Поэтому я не могу сказать, что завтра все это заработает. Но в том, что это будет работать, я уверен. Просто надо на практике опробовать и доработать.
ВЗГЛЯД: В чем же практическое значение такой лазерной установки? Заявляется, что она повысит ледопроходимость и класс ледокола?
С. П.: Ледокол «Арктика» может преодолевать лед глубиной 3,5 метра, потому что у него мощная энергетическая установка и огромная масса. А есть небольшие суда, которые могут проходить лед глубиной не более 1 метра. Но с помощью лазерной установки они смогут преодолевать лед глубиной уже до 1,5–2 метров без особой нагрузки. Формально класс судна повышается. Ледокол не станет тяжелее и мощнее от этого, но его возможности по преодолению ледяного поля увеличатся.
ВЗГЛЯД: Государство в рамках Госпрограммы развития Арктики вкладывает огромные средства в постройку дорогих мощных ледоколов. Но если лазерная установка способна увеличить класс ледокола, то, может, такие дорогие и не нужны больше, достаточно ледоколов малого класса?
Сергей Попов: в 2017 году проектом заинтересовался Китай
|
С. П.: Интересный вопрос. Я думаю, что большие суда класса «Арктика» все равно будут нужны. Несмотря на высокий уровень научного прогнозирования, до конца просчитать глубину и движение ледового поля не всегда получается. Периодически лед все равно зажимает суда. Например, на пути ледокола с проходимостью льда глубиной до 1,5 метров появился более толстый лед, для освобождения его из ледового плена приходится организовывать дорогую спасательную экспедицию. А наличие такой лазерной установки поможет ледоколу сохранить проходимость в более жестких метеоусловиях, чем рассчитали метеорологи, что снизит количество спасательных операций.
Согласно экономическим расчетам, установленная на судах лазерная установка позволит снизить транспортные расходы по Севморпути и при разработке арктического шельфа. Например, посчитали, что для перевозок в Карском море вместо трех атомных ледоколов типа «Арктика» и двух атомных ледоколов типа «Таймыр» достаточно будет трех ледоколов с лазерным комплексом. То есть вместо огромных ледоколов достаточно будет ледоколов меньшего класса. Наша технология поможет быстрее реализовать поставленные государством задачи: увеличить сезон перевозки судов по Северному морскому пути, сделать его круглогодичным, а также наращивать грузооборот.
ВЗГЛЯД: Есть ли другие способы применения этой технологии?
С. П.: Мы еще одну разработку прямо «выжали» из этого же лазера. На основе этого же лазера появилась еще одна идея для новой разработки. Она помогает оперативно бороться с разливами нефти на воде. Нефтяную пленку сейчас собирают специальной техникой. В Мексиканском заливе разлитую нефть пытались собирать различными способами в течение длительного периода времени, из-за чего был нанесен огромный урон природе, погибло много рыбы, морских животных и птиц. А с помощью лазерной установки решить данную проблему можно намного быстрее.
Мы проводили опытные испытания при небольших разливах нефти – в час можно убрать несколько сотен квадратных метров нефтяных загрязнений.
Луч лазерной установки направляется на пятно и фокусируется чуть ниже поверхности воды, далее нефтяное пятно загорается и вместе с паром поднимается вверх. Пароводяная смесь сгорает практически без остатка. Продукты горения минимальны. Экологически это безопасно: под поверхностью воды ничего не происходит. Эта технология отработана и запатентована.
Есть пессимисты, которые полагают, что если таким образом опалить большую площадь разлитой нефти, то получится нефтяное облако. Но надо просто найти золотую середину, чтобы нефть на воде сгорала управляемо. А для этого нужны практические испытания.
Мы показывали эту разработку нефтяникам. Они просят готовое изделие. Но готовое изделие требует вложений, а это пока только разработка.
Еще одно наше изобретение может помочь в борьбе с наводнениями. В России много северных рек, и каждой весной в их устьях лед оттаивает позже, чем в южных широтах, возникают наводнения. Для их предупреждения МЧС проводит мероприятия по подрыву льда с применением авиации, а также специалистов в этой области, чтобы раздробить ледяное поле и поднять уровень воды. Это не самые экологичные и безопасные для морской флоры и фауны методы борьбы.
Мы предлагаем установить лазерную установку на судно на воздушной подушке для свободного передвижения по льду. И при помощи лазера создать трещины на ледовом поле по двум диагоналям. Затем в устье рек заходит ледокол и ломает ослабленный лед. Мы уже предварительно договорились с МЧС провести такие натурные испытания.
ВЗГЛЯД: Есть уже потенциальные заказчики лазерных установок?
С. П.: Как минимум два заказчика имеется. Это Северное морское пароходство (данной организацией будет предоставлен ледокол для натурных испытаний в ноябре), а также МЧС.
После презентации лазерной установки на конференции по борьбе с наводнениями представители МЧС, а также правительство Якутской области выразили интерес к данной разработке. В настоящее время завершен этап научных исследований по всем трем изобретениям, однако серийного производства еще нет. Необходимо завершить этап опытно-конструкторских работ.
ВЗГЛЯД: А экспортный потенциал имеется?
С. П.: После проведения экспериментов в Институте имени академика А.П. Крылова проект выдвинули в 2013 году на конкурс в Женеве, где он был удостоен золотой медали Международного инновационного салона Inventions Geneva. На том же мероприятии представители канадской фирмы заинтересовались разработкой. В Канаде ледовая обстановка очень похожа. Однако после введения санкций взаимодействие прекратилось.
В 2017 году проектом заинтересовались также представители Китайской Народной Республики.
ВЗГЛЯД: Сколько уже прошло от начала идеи?
С. П.: Идея возникла в 2011 году и была запатентована в 2012 году нашим предприятием НЦЛСК «Астрофизика». С тех пор постепенно реализуем этот инновационный проект.
ВЗГЛЯД: Финансирования не хватает? В рамках госпрограммы же были выделены средства…
С. П.: Денег, выделяемых на научные разработки, недостаточно. И так как успех данного проекта у многих вызывал сомнения, выделенных средств хватило лишь на моделирование.
ВЗГЛЯД: А теперь поверили?
С. П.: Поверили. Но теперь речь зашла об опытно-конструкторских работах, о практических испытаниях, требующих новых средств. Пока мы пытаемся находить деньги из разных источников. Из-за того что средства выделяются из разрозненных каналов, мы не можем все это сразу сделать. Сейчас мы пытаемся включиться в программу развития морского транспорта до 2030 года и войти в программу развития Арктики как отдельный сегмент.
ВЗГЛЯД: Сколько надо денег, чтобы довести проект лазерной установки для ледоколов и два других лазерных проекта до серийного производства?
С. П.: Это недешевое удовольствие, но суммы далеко не заоблачные. Речь идет о нескольких сотнях миллионов рублей для ледокольного проекта, и примерно столько же нужно на два других проекта – по удалению пятен нефти на воде и разрушению льда в устьях северных рек для снижения риска наводнения. И тогда в течение одного-двух лет мы смогли бы довести все три проекта до товарного продукта.
ВЗГЛЯД: Сколько будет стоить готовая продукция?
С. П.: Не готов точно сказать. Но это будут, скорее всего, десятки миллионов рублей. Лазерная установка для ледокола, которая поднимет его ледовый класс, обойдется всего где-то в 5% от стоимости ледокола.