Монологи о главном

Монологов не будет. Будет только эта, первая из задуманного цикла статья. Потому что 27 апреля — спустя два года после Чернобыльской катастрофы не стало еще одного из героев Чернобыля — академика Валерия Алексеевича Легасова.

Он был одним из самых молодых и самых активных членов нашей редколлегии. Был нашим автором и советчиком, неизменно приходившим на помощь в самые трудные дни,— иначе не умел. Он был страшно занятым человеком, работал по 12—14 часов в сутки на чрезвычайно важном для науки и для жизни стыке химии и ядерной физики. И тем не менее всегда находил, выкраивал время для журнала, который считал своим.

Он вылетел в Чернобыль наутро после аварии и оставался там в самые черные, самые ядовитые дни и ночи — до середины мая. А в общей сложности его вахта в Чернобыле составила четыре месяца — вместо допустимых двух-трех недель. Но даже не это было самым тяжелым — все эти месяцы именно на нем лежал груз ответственности за принимаемые физико-химические решения, от которых на многие годы зависела судьба целого региона. Он предложил состав смеси, которой засыпали горящий реактор и благодаря которой последствия Чернобыльской трагедии оказались меньше, чем могли быть.

Не меньше мужества проявил он, отстаивая в различных инстанциях, в том числе самых высоких, необходимость полной информированности людей о масштабах и возможных последствиях происшедшего. Его доклад на совещании экспертов МАГАТЭ в Вене вызвал рукоплескания даже тех, кто приехал туда с целью устроить обструкцию советским атомщикам: даже противников убеждали откровенность и аргументированность его четырехчасового доклада.

В последние годы он много болел: дни и ночи Чернобыля не прошли даром. Но убила Валерия Алексеевича не только радиация. Весь комплекс обстоятельств, приведших его к самоубийству, должен быть расследован до конца.

Его схоронили на Новодевичьем: как иначе — академик, член Президиума... Поклонитесь его могиле при случае. А нам, знавшим Валерия Алексеевича, все кажется, что если уж не судьба ему жить долго, то лучше бы лежать ему рядом с другими героями Чернобыля, отдавшими, как и он, свои жизни, чтобы выжили другие.

Он был выдающийся ученый, человек, мысливший государственными и глобальными категориями, в чем так легко убедиться, читая его последнюю статью. В следующих он хотел написать об энергетике и экологии, о химическом образовании, как он его себе представлял (был даже заголовок — «Все начинается с учебы»), о постоянно волновавшей его в последние годы проблеме безопасности химических и не только химических производств...

Теперь эти материалы сможет (сможет ли?) нам дать лишь его архив, который еще предстоит разобрать и осмыслить.

Предпринимаемые ныне огромные усилия по обновлению промышленного потенциала страны могут оказаться неэффективными из-за того, что в цепи задуманных и запланированных действий пропущено одно ключевое звено — забота о создании (или восстановлении) необходимого уровня отечественной химической науки. Комплексная программа химизации предусматривает увеличение производства тех веществ и материалов, в которых сегодня ощущается особенный дефицит. Но такой подход при всей его очевидной важности не ликвидирует нашего технологического отставания. Можно «заткнуть все дыры» и тем не менее остаться в положении плетущихся в хвосте у НТР. Кстати, эту привычную аббревиатуру мы по-прежнему расшифровываем как научно-техническая революция, а надо бы — в соответствии с мировыми реалиями — иначе: научно-технологическая! Ибо абсолютное большинство достижений НТР (технической) невозможно без коренных перемен в технологии.

Комплексная программа химизации в том виде, в каком она принята несколько лет назад, не затрагивает роли химических процессов в нехимических отраслях. А она, эта роль, стала ключевой повсюду, будь то металлургия или энергетика, вычислительная техника или средства связи, транспортные системы или защита окружающей среды.

Примеров, подтверждающих этот тезис, великое множество. Приведу лишь один, лично мне наиболее близкий, хотя не убежден, что читателям «Химии и жизни» не известны эти цифры и факты: в топливном цикле ядерной энергетики 15 % производимых операций — химические. Это и кислотное выщелачивание ураносодержащих руд, и приготовление особо чистых концентратов, и перевод соединений урана в газовую фазу для разделения изотопов, и последующее восстановление газа до урана или его оксидов, и изготовление необходимых материалов и композиций для активной зоны атомных реакторов, и так далее, и так далее вплоть до радиохимической переработки отработавшего ядерного топлива, разделения и захоронения радиоактивных отходов. Химические процессы и процедуры — везде, на каждом этапе.

Если бы такое положение было лишь в атомной энергетике, то, может быть, и не стоило бы ставить вопросы рациональной, действительно современной химизации так остро. Но приходится, потому что ситуация в любой энергетической и не только энергетической подотрасли фактически та же. Еще в большей степени это относится к электронике, строительству, машиностроению. Во всех этих отраслях, равно как и в самой химической промышленности, становится все более ощутим недостаток фундаментальных химических знаний об используемых процессах и материалах. Прогресс угольной и газовой промышленности, к примеру, связан с необходимостью все в большей степени использовать химические превращения исходного сырья в наиболее удобные для транспортировки и утилизации формы.

Или — другой пример, еще более масштабный. Мы все чаще говорим и пишем о необходимости использовать природные ресурсы, в том числе минеральное сырье, более комплексно, с максимально возможной полнотой. Все — за, и тем не менее эти благие призывы чаще всего так и остаются призывами. Публицисты охотнее всего сваливают эту общую нашу беду на ведомственность, неповоротливость аппарата и т. п., но не называют главной причины сложившегося положения. А она — в отставании фундаментальной химии от насущных потребностей технологии. Комплексный подход к природному сырью станет реален лишь при новой технологической стратегии, опирающейся на фундаментальные химические знания, которых сегодня не хватает, к сожалению, очень часто. Сколько в наших загашниках интересных, многообещающих идей, имеющих, вроде бы, теоретическое обоснование, проверенных в лабораторных условиях и тем не менее — неготовых к реализации в промышленных масштабах! Неготовых, прежде всего, из-за недостаточно детального понимания авторами и всеми нами существа процессов, идущих в химически сложных системах. Так, начало промышленного освоения Астраханского газового месторождения продемонстрировало неготовность химической науки к решению фундаментальных экологических задач, связанных с крупномасштабной переработкой такого сырья, и это, опять же, лишь один пример.

Приоритеты химии

Опыт предыдущих поколений, опыт зарубежных коллег к нашим нынешним условиям применим лишь до определенных пределов. И все же не считаться с этим опытом было бы глупо. В США, например, к дальнейшему прогрессу во всех областях техники и технологии видят один магистральный путь — через углубленное познание химической сути процессов и явлений.

С этой целью еще в 1982 г. Национальная Академия наук и Национальный исследовательский совет США поручили комиссии из 350 ведущих химиков страны во главе с профессором Калифорнийского университета Дж. Пименталом провести анализ состояния химической науки, ее интеллектуального и экономического потенциала. Больше трех лет работала эта комиссия, и в итоге был опубликован ее обширный — больше тысячи страниц — доклад «Анализ возможностей химической науки».

Главный вывод этого анализа, к которому и нам не грех было прислушаться, состоит в следующем:

два ближайших десятилетия должны принести революционные изменения в фундаментальных химических знаниях и в способности использовать эти знания для достижения целей, поставленных обществом.

Что имеется в виду? Прежде всего, кардинальные перемены технологии — во всех областях производства. В основу этих перемен должны лечь не столько прикладные, сколько фундаментальные, подчеркиваю, фундаментальные химические исследования. Для этого комиссия предлагала ежегодно, начиная с 1987 г., увеличивать на 20—25 % ассигнования на фундаментальные химические исследования. Без этого, по мнению Пиментала и его коллег, США не смогут сохранить роль мирового химико-технологического лидера в условиях возрастающей конкуренции со стороны Японии и Западной Европы.

Нас, нашу химическую науку и технологию, в числе главных конкурентов не называли, и это, к сожалению, реальность.

Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об ускоренном развитии приоритетных направлений химической науки и технологии» появилось позже, и первая же фраза этого постановления констатировала: «Масштабы и уровень фундаментальных и прикладных исследований в целом ряде областей химической науки и промышленности не отвечают потребностям народного хозяйства». Далее в постановлении сформулированы и поименованы важнейшие области химических исследований, без серьезного обновления которых НТР попросту невозможна.

Это новые конструкционные и функциональные органические и неорганические материалы (полимерные, композиционные, керамические, металлические, эластомеры, искусственные и синтетические волокна), а также способы их защиты от коррозии и износа.

Это химическая безопасность и охрана окружающей среды.

Это тонкий органический, неорганический и элементоорганический синтез, цель которого — создание новых веществ и материалов (в этом пункте постановления дальше следует довольно внушительных размеров перечень, заканчивающийся словами «и других продуктов малотоннажной химии»).

Но этим перечисление приоритетных направлений не исчерпывается.

Следующие пункты — новые высокоэффективные химико-технологические процессы, включая каталитические, мембранные, металлургические, электрохимические, а также процессы, связанные с применением высоких энергий и физических методов ускорения химических реакций;

новые процессы углубленной и комплексной химической переработки минерального сырья, нефти, газа и твердых горючих ископаемых;

химическая энергетика и создание новых химических источников тока и систем преобразования энергии;

новые методы инструментального химического анализа, химический мониторинг и диагностика химических процессов, свойств материалов и изделий;

химическая информатика.

Журнальных страниц вряд ли хватит на конкретизацию каждого из этих положений, поэтому и здесь ограничусь лишь одним примером — из области, хорошо знакомой читателям «Химии и жизни» по публикациям последних лет. Тематика знакомая, но пример, полагаю, многих удивит.

По признанию японских специалистов, приоритет их электронной продукции на мировом рынке, ее надежность и высшее качество объясняются, в первую очередь, достижениями мембранной технологии в этой отрасли. Их достижениями. И точно так же, далекое не только от японских, но и от европейских стандартов качество нашей электроники, в том числе бытовой, объясняется нашим отставанием в разработке мембранных материалов и методов применительно к этой требовательной отрасли.

Какие нужны материалы

Любой вид человеческой деятельности, начиная с производства пищи и кончая запуском космических ракет, так или иначе связан с потреблением материалов. В основе производства абсолютно всех видов материалов лежат химические процессы. Разработка и создание новых веществ, препаратов и материалов, а также усовершенствование известных и существующих — главная задача современной химии. В качестве составных элементов она включает в себя синтез новых веществ и материалов, исследование их свойств и анализ поведения в различных условиях эксплуатации. Эту область химии обобщенно называют химическим материаловедением. Благодаря усилиям химиков созданы такие почти фантастические материалы, как органические металлы, несгораемая бумага, заменители крови и многое другое. Первостепенная важность науки о материалах осознана обществом в целом и нашла законодательное закрепление в ряде государственных и межгосударственных документов и программ.

Особенность настоящего момента развития материаловедения и производства материалов состоит в том, что на смену массовому производству определенного, устойчивого ассортимента материалов пришло малосерийное и быстро обновляемое производство с большой номенклатурой. Химические предприятия во всех странах сейчас выпускают 50 % продукции, которой двадцать лет назад вообще не было. Однако разработка новых химических продуктов и материалов требует больших материальных затрат. Например, для того, чтобы найти лишь одно средство защиты растений, которое можно будет пустить в промышленное производство, синтезируется 12—15 и более тысяч веществ. В США на каждый внедряемый в производство промышленный продукт приходится до 450 теоретических разработок. Из них примерно 100 проходят лабораторные испытания, а в опытное производство на полупромышленных установках идут лишь десять, из которых не более половины приобретают в конце концов хозяйственное значение. Считается, однако, что эти несколько продуктов с лихвой перекрывают затраты на все предварительные разработки, и это, как правило, действительно так. Поэтому нет ничего удивительного в том, что в индустриальных странах средства, затрачиваемые на исследования в области химии, в среднем, вдвое превышают ассигнования на другие области науки и технологии.

В условиях астрономически расширяющегося ассортимента материалов лишь фундаментальные исследования могут позволить выработать наиболее экономичную стратегию разработки новых материалов. В связи с этим особое внимание уделяют научным и технологическим разработкам тех материалов, которые представляют собой наиболее многообещающие «ростки нового», то есть выделяют приоритеты в развитии химии. Мы тоже пошли этим путем, хотя и с некоторым опозданием.

Обратимся к конкретным материалам и веществам.

Металлы и сплавы еще долго не утратят своего лидирующего положения среди конструкционных материалов. В соответствии с этим не утрачивают своей значимости и такие направления активности химиков, как борьба с коррозией, разработка физико-химических основ комплексного легирования, создание разнообразных методов обработки поверхности, включая защитные покрытия, и ряд других, ставших уже традиционными направлений.

Однако на этом фоне необходимо выделить то поле деятельности, которое обещает породить совершенно новый класс металлических материалов с рекордными прочностными, электромагнитными и антикоррозионными свойствами, и в котором мы пока еще не проявили должной активности. Речь идет о новых направлениях в создании аморфных металлических материалов, порошковой металлургии и симбиозе этих технологий.

Даже в области традиционной порошковой металлургии положение в стране далеко не благополучно. По объему производства порошков на основе железа мы отстаем от США в несколько раз. Еще хуже обстоит дело с качеством этих порошков: уровень примесей в них выше в 7 раз, они не удовлетворяют требованию гранулометрической однородности, не разработаны технологии получения легированных порошков, ассортимент наших порошков (примерно 30 марок) резко уступает западному (200 марок). Многие из этих бед связаны с недостаточным использованием прогрессивных приемов диспергирования металлов и в частности с малым использованием химических методов.

Проводимые за рубежом интенсивные исследования аморфных металлических сплавов создали предпосылки для их промышленного выпуска, стремительно развивающегося по масштабам: к 2000 г., по планам фирм, он вырастет в 100 раз и достигнет сотен тысяч тонн. Только в электротехнической промышленности США годовой экономический эффект от их применения составит около 400 млн. долларов — благодаря снижению энергопотерь на перемагничивание в силовых трансформаторах и электродвигателях.

До последнего времени практическое применение (в основном, в электротехнической промышленности) находили аморфные сплавы на основе элементов семейства железа. Однако за рубежом уже созданы научная и технологическая базы для получения аморфных легких сплавов на основе алюминия и магния, интерес к которым проявляют, в первую очередь, авиация и космонавтика.

Полученные сверхбыстрой закалкой расплавы таких аморфных материалов перерабатываются в изделия самого различного геометрического профиля и назначения методами порошковой металлургии. На стыке этих двух направлений рождается новая отрасль технологии металлических материалов. Этот взаимообогащающий симбиоз позволяет получить недоступные для любых других технологий неравновесные пересыщенные сплавы и композиты, обладающие повышенной прочностью и коррозионной стойкостью при высоких температурах.

Роль химического материаловедения в развитии этого нового направления должна быть весьма заметной: изучение процессов перехода из аморфного в кристаллическое состояние, особенно в многокомпонентных системах, способы синтеза порошков, установление связи между составом и механическими, коррозионными и электромагнитными свойствами — все это в значительной степени химические вопросы.

Читателям «Химии и жизни» вряд ли нужно доказывать очевидную значимость синтетических полимерных материалов. Но остается фактом, что по производству пластмасс и синтетических смол на душу населения мы отстаем не только от развитых капиталистических, но и от европейских социалистических стран (14,5 кг у нас против, например, 52 кг в НРБ или 62 кг в ЧССР). Даже при выполнении запланированных к 2000 г. заданий наше серьезное отставание от США по объему производства полимерных материалов сохранится.

Поэтому первой задачей в этой области остается не только выполнение, но и перевыполнение заданий Комплексной программы химизации по объему производства базовых полимеров, особенно полипропилена (производство которого должно вырасти в несколько раз), полистирола, синтетического каучука. И здесь роль науки, роль новой технологии — первостепенна. Так, увеличить выпуск бутадиена для производства каучуков можно за счет переработки сжигаемого ныне на нефтехимических комбинатах избыточного этилена — с помощью новых высокоэффективных каталитических процессов. Поднять производительность реакторов синтеза полиэтилена низкой плотности на 20 % позволит переход к инициаторам полимеризации на основе перекисей жирных кислот.

Одновременно с совершенствованием производства традиционных полимеров химической науке предстоит решить множество задач по разработке новых полимерных материалов с улучшенными и принципиально новыми свойствами.

Одной из «горячих точек» нынешней полимерной науки представляются полимерные смеси и сплавы различного назначения. Громадные и пока еще очень мало используемые у нас возможности заключены в превращении базовых полимеров в новые материалы путем их рационального, научно обоснованного смешения и сплавления. Масштабы открывающихся при этом перспектив сравнимы с переходом металлургии от индивидуальных металлов к сплавам целевого назначения.

В полимерных смесях и сплавах во многих случаях удается сочетать высокие физико-механические характеристики, недостижимые для отдельных пластиков. Число исследований и разработок в области полимерных смесей в США и других промышленно развитых странах в последние годы растет в геометрической прогрессии. С 1970 г. суммарное число патентов, взятых на смеси полимеров, превысило 65 тысяч. Особенно развивается применение смесей в качестве конструкционных материалов для машиностроения. Ежегодный прирост этой продукции в мире за последние пять лет составляет около 17 % (при росте общего производства пластмасс 3 % в год). Есть основания считать, что к середине 90-х годов применение индивидуальных полимеров станет такой же редкостью, как использование сегодня индивидуальных металлов.

Увеличивая производство индивидуальных конструкционных полимеров — традиционных и новых, мы не устраним отставания, если не позаботимся (уже сегодня!) о серьезном развитии фундаментальных научных исследований и конструкторских разработок, основанных на глубоком знании возможностей полимерных смесей и сплавов.

По существу, это еще один вид композиционных материалов, которым «Химия и жизнь» в последнее время посвятила несколько публикаций. Поэтому отдельно на композитах останавливаться не будем. Замечу только, что в мировом химическом материаловедении элементом нового идеологического и методологического подхода стала разработка гибридных материалов, в которых полимеры сочетаются в единую конструкцию с металлами или керамикой на молекулярном уровне.

Керамические материалы  —

третий «кит», для нашего народного хозяйства столь же важный, как материалы металлические и полимерные. До последнего времени прогресс различных отраслей промышленности был связан с так называемыми функциональными керамическими материалами, т. е. керамикой со специальными магнитными, электрическими, оптическими, термическими и другими свойствами. Сейчас «керамическая ветвь» химического материаловедения в существенной мере ориентирована на конструкционные керамические материалы, обладающие исключительно высокой механической прочностью при высоких температурах.

Важнейшая техническая задача, решаемая на основе такой керамики,— создание керамических газотурбинных двигателей, дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания промышленного и транспортного назначения. Керамические материалы обещают здесь достижение рекордных параметров, однако для этого нужны и «рекордные» керамики, причем выдающиеся их свойства должны быть достижимы не в лабораториях, а в условиях промышленного технологического процесса.

Выполненные в мире исследовательские программы показали, что повышение рабочей температуры в камере сгорания двигателей и температуры на входе турбины до 1200—1370^о С — реально. При этом к.п.д. может достигнуть 45 %, двигатель становится «всеядным» по отношению к составу топлива, не требуется систем охлаждения лопаток турбин и цилиндров ДВС, экономия топлива может составить 35 %, повышается экологическая чистота двигателей по выбросам и шуму.

Керамические материалы позволят решить еще не одну техническую задачу, но для керамики как нового класса конструкционных материалов существуют свои специфические проблемы, требующие участия химической науки. Первая из них — выявление взаимосвязи микроструктуры керамики с характером развития механических напряжений, возникновением и распространением микротрещин. Чрезвычайно важны также новые технологии получения высокочистого сырья для новой керамики (в том числе сверхпроводниковой) и надежный контроль процессов создания оптимальной микроструктуры. Главенствующая роль здесь за химическими методами. И контроля, и синтеза.

Задачи химической науки в области материаловедения столь же бесчисленны, как бесчислен сам мир современных материалов. Техника развивается очень быстро. Оттого трудно однозначно прогнозировать, какие конкретные материалы могут понадобиться уже в ближайшем будущем. Важно, что без фундаментального научного задела создание таких материалов — не реально. Вот почему развитию и нуждам химического материаловедения следует уделять несравненно большее внимание, чем это делалось до сих пор. Вот почему создание этого задела представляется самым главным из всех приоритетных направлений развития химической науки и технологии.