Графитовый свиток
Углеродные нанотрубки — структуры, способные совершить революцию в металлургии, машиностроении, энергетике и медицине. Но промышленники верят не в чудеса, а в прикладные технологииЖурнал и аналитический центр «Эксперт-Урал» продолжают серию публикаций, посвященную перспективным рынкам для обрабатывающей промышленности. Начало серии было положено еще в середине 2013 года. Тогда мы обрисовали идеологию, цели и задачи нашего исследования (см. «Никакая волна не доходит до дна», «Э-У» № 32 от 12.08.2013). Далее последовали подробное описание методологии («Свободная касса», «Э-У» № 47 от 25.11.2013) и краткие выводы по нескольким нишам («Ешь, молись, люби», «Э-У» № 1 — 2 от 23.12.2013).
В течение 2014 года мы намерены подробно рассказать о двенадцати наиболее интересных и перспективных лакунах. Первые четыре текста будут посвящены прорывным технологиям, остальные восемь — условно традиционным рынкам. Старт марафону в феврале дали аддитивные технологии (см. «Напечатай мне 3D-барашка» , «Э-У» № 7 от 10.02.2014).
Второй перспективной инновационной нишей, на наш взгляд, являются углеродные нанотрубки.
Прочная структура
Углеродные нанотрубки (УНТ) — цилиндрические структуры, состоящие из одной, двух или нескольких свернутых графитовых плоскостей. Представляют собой добавки в виде раствора, пасты или порошка. Обладают уникальными свойствами. Связь атомов углерода друг с другом в них имеет рекордную прочность: модуль Юнга (физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации) — около 1 млн атмосфер (у алмаза ниже). Теплопроводность УНТ в восемь раз выше, чем у меди, а электропроводность не подчиняется закону Ома. Благодаря этому можно создавать современные материалы с улучшенными характеристиками во многих отраслях промышленности. Так, у композита никеля, содержащего 2% УНТ, коэффициент трения снижается на 60%, износа — на 80%, а твердость увеличивается на 68%. Прочность на растяжение никелевой пленки, полученной электроосаждением, при использовании трубок возрастает на 270%. Скорость коррозии цинковой пленки падает в два раза.— Углеродные нанотрубки могут быть использованы для создания практически любых композитов, — разъясняет Игорь Баронин, генеральный директор НТЦ «Гранат» (Электросталь, Московская область). — Число публикаций по этой тематике в мире с 2000-го по 2011-й годы выросло более чем в 40 раз. 90% из них посвящено полимерным композиционным материалам (ПКМ), 10% — металлическим и керамическим. Такое распределение объяснимо: относительно высокий спрос на ПКМ формирует машиностроение (в том числе судо-, авто-, авиакосмическое, мобильное, радиоэлектронное, ОПК). Приведу лишь некоторые примеры их использования: это электропроводные полимеры для снятия статического электричества, применяемые в топливных системах автомобилей; термостойкие клеи и герметики для космического машиностроения; облегченные малозаметные (технология «Стэлс») военные катера с запасом хода до 3 тыс. миль; композитный электропроводный несущий сердечник проводов ЛЭП.
Крупнейшим потребителем углеродных нанотрубок в мире, по данным отчета The global markets for carbon nanotubes to 2020 консалтинговой компании Future Markets, являются страны Азиатско-Тихоокеанского региона (47%), второе место занимает Северная Америка (28%), третье — Европа (24%).
В США еще в 2009 году полетел первый самолет для воздушной акробатики с обтекателем двигателя из композита с нанотрубками. Некоторые элементы планера самолета F-35 компании Martin Lockheed изготовлены из таких композитов. В обшивке самолета Boeing 787 Dreamliner наряду с алюминием есть и композиционные материалы с использованием УНТ. Финская компания Amroy Europe Oy, используя нанотрубки, выпускает эпоксидный концентрат Hybtonite для морских судов, ветрогенераторов, спортивного инвентаря и прочего.Ведущие производители нанотрубок — китайская CNano и японская Showa Denko (их мощность — по 500 тонн УНТ в год), французская Arkema и бельгийская Nanocyl (по 400 тонн), американская Nanoamor (30 — 50 кг в сутки).
Мировой рынок УНТ, по подсчетам Future Markets, за три последних года мог прирасти примерно на 40%. По оптимистичным оценкам консалтера, объем продаж трубок в 2013-м составил 4,1 млн тонн, по пессимистичным — 3,7 млн тонн. Международные эксперты предрекают этой нише большое будущее. К 2020 году потребление УНТ способно увеличиться до 10,5 — 12 млн тонн. Движителями роста должны стать металлурги, электронщики, энергетики, машиностроители и представители медицинского и военно-промышленного комплекса.
НИ без ОКР
Для России УНТ, монолитные и композиционные материалы из них — тема не новая (к монолитным материалам мы относим пленки, покрытия, нанобумагу, из которой делают фильтры для удаления вирусов или обессоливания воды, защиту от электромагнитного излучения, сенсоры, полевые эмиттеры, электроды электрохимических устройств и т.д.). Изыскания в этом направлении ведутся чуть ли не 30 лет. В 2010 году Институт проблем химической физики (ИПХФ) РАН выполнил госконтракт на проведение ОКР по теме «Технология и оборудование для получения однослойных и многослойных углеродных нанотрубок высокой степени чистоты». В рамках этого проекта в России были созданы три площадки для выпуска УНТ. Первая — в Черноголовке на базе ИПХФ РАН (однослойные нанотрубки электродугового синтеза). Вторая — в Тамбовском техническом университете (многослойные трубки, получаемые методом каталитического пиролиза углеводородов). Третья — в Институте катализа Сибирского отделения РАН (многослойные трубки). Плюс к этому — «Гранат», в основу производства которого легли разработки Эдуарда Ракова, профессора Российского химико-технологического института.— Ни одно из этих производств в настоящее время полностью не загружено, — сетует генеральный директор компании «Углерод Чг» (площадка в Черноголовке) Анатолий Крестинин. — Я вижу этому две причины. Во-первых, УНТ — новый материал. Сначала мы думали: достаточно произвести нанотрубки, замешать их в полимер или спрессовать в таблетку для суперконденсатора, и можно идти торговать. Суждение было ошибочным. О масштабировании призводства и применения нанотрубок можно говорить только после встраивания нанотрубок в известный рыночный продукт и демонстрации более высоких потребительских качеств такого продукта. Технологию применения УНТ нам никто бесплатно не отдаст и даже не продаст. В Америке все, что касается трубок высокого качества, подпадает под ограничения Координационного комитета по контролю над экспортом. Сейчас в России подобные прикладные работы уровня ОКР делать и финансировать некому. Отраслевые институты исчезли. Бизнес хочет отбить инвестиции быстро, гарантированно и иметь высокую маржу. Роснано вкладывается в проекты создания производств на базе законченных ОКР, которых в нашей стране практически не осталось. Фонд Сколково финансирует НИР. Возможностей федеральных целевых программ недостаточно. Но главное — у нас нет высокотехнологичных отраслей промышленности, а следовательно, и спроса на инновационные решения. Во-вторых, в настоящее время УНТ довольно дорогие. Один грамм однослойных трубок высокого качества стоит тысячи рублей, многослойных — чуть дешевле. В таких условиях начинать их применение нужно с отраслей, где за ценой не постоят (космос, авиация, ВПК). Следует также иметь в виду: как только дело доходит до технологии, всякие публикации сразу прекращаются. Наращивание производства УНТ в мире идет непрерывно, а об их применении практически ничего не слышно. Большинство фирм в США работают по прямым госконтрактам с министерством обороны, NASA и другими военными ведомствами.
Из личных бесед с учеными-предпринимателями, пытающимися наладить производство УНТ, становится понятно, что основная трудность, с которой они сталкиваются, — внедрение и гомогенное распределение нанотрубок в различных матрицах, будь то жидкости, полимеры, металлы или композиты. Потому крайне важным направлением является модифицирование поверхности УНТ. Компания, которая сумеет сделать эту технологию дешевой, получит великое преимущество над конкурентами.
Опрошенные нами специалисты выделяют и еще одну вечную проблему — кадры. В команде должны быть не только ученые с компетенциями в УНТ, но и два-три человека с куражом, «как в цирке».
Протрубим
Переместимся на Урал. Перспективы в инновационных нишах мы оценивали на примере Свердловской области (методологию без труда можно «приземлить» на соседние субъекты).
На Среднем Урале сосредоточены потенциально мощные потребители материалов с использованием УНТ — предприятия химической, строительной и машиностроительной отраслей и энергетики. На наш взгляд, внимательнее нужно присмотреться к химпрому (53 млрд рублей — выручка свердловских предприятий, 442 миллиарда — уральских), где могут быть востребованы катализаторы, пластмассы и композиты, покрытия.Перспективы также просматриваются благодаря созданному научно-техническому заделу. На территории в области развития нанотехнологий работают несколько подразделений УрО РАН (Институт физики металлов, например, имеет 13 патентов), вузы, а также Уральский институт металлов, СвердНИИхиммаш, УралНИТИ и НИИпроектасбест. На базе Уральского федерального университета функционирует Центр коллективного пользования «Современные нанотехнологии» и научно-образовательный центр «Наноматериалы и нанотехнологии».
Попытки коммерциализировать разработки в области нанотрубок и пленок из них в Свердловской области предпринимались неоднократно.
— Работы по внедрению технологий модификации поверхности путем нанесения алмазоподобных покрытий велись на предприятиях с начала 90-х, — рассказывает старший научный сотрудник Института физики металлов Анна Рубштейн. — Проекты реализовывались, например, на Артинском механическом заводе, Уральском заводе транспортного машиностроения, Свердловском инструментальном заводе, в ОАО «Барс», Новоуральском научно-конструкторском центре, НИИ ортопедии им. Чаклина. Однако, несмотря на положительный эффект применения пленок, нашему коллективу не удалось довести хотя бы одну технологию до практического применения на производстве. Причина, на наш взгляд, — нежелание руководства компаний заниматься внедрением инновационных наукоемких технологий, которые требуют капиталовложений на приобретение необходимого оборудования и наличия высококвалифицированных специалистов.
В то же время предприятия области закупают и используют инструмент с износостойкими покрытиями зарубежных фирм (израильской Iscar, шведской Sandvik, японской Mitsubishi Carbide). В медицине ситуация схожая: алмазоподобные пленки закупают у французской M.I.L. SA.
Каков итог? В России и на Урале речь идет, скорее, об опытно-экспериментальном, а не о промышленном производстве нанотрубок. Ни один из инвесторов прибыли пока не получает, но все рассчитывают, что вот-вот наступит бум.