Куда идут российские нанотехнологии?

Статья любезно предоставлена автором, Олегом Львовичем Фиговским

О.Л. Фиговский

   Отличительной особенностью нанотехнологий является исключительно высокая наукоемкость и затратность, сложность пути от лабораторных исследований до выпуска коммерческих продуктов и в этом плане они похожи на технологии создания новых поколений лекарств. Как сообщает академик Ю.Д. Третьяков, существенные успехи, достигнутые за рубежом, нередко связаны с деятельностью наших соотечественников, причем сегодня российская научная диаспора за рубежом насчитывает около 400 тысяч человек. Он отмечает, что в этой связи заслуживают внимания звучащие в последнее время предложения (Ю. Магаршак, О. Фиговский) широко использовать интеллектуальный потенциал и  опыт коммерциализации нанотехнологий, накопленный нашими  соотечественниками, живущими и работающими постоянно за рубежом. Разумеется, что эти предложения, кажущиеся исключительно привлекательными, могут натолкнуться на серьезные трудности, связанные с особенностями российского менталитета, существенно отличающегося от китайского или индусского, а также с экономическими и политическими реалиями в нашей стране. И, тем не менее, было бы разумно проанализировать серьезно возможные последствия реализации программы объединения русскоязычного творческого сообщества вплоть до создания Объединенного института нанотехнологий по образу и подобию Объединенного института ядерных исследований в Дубне, возникшего более 50 лет назад и успешно функционирующего и в настоящее время.

   Здесь надо отметить, что впервые идея создания Объединенного института нанотехнологий была выдвинута в журнале «Экология и жизнь» несколько лет тому назад, на заре образования Роснано.

   Директор Центра исследований постиндустриального общества Владислав Иноземцев считает, что «можно потратить сколько угодно денег, но новых технологий больше не станет». Он также считает, что принятая недавно концепция инновационного развития-2020 – бесполезна, потому что и скорость принятия решений в России, и сроки их реализации у нас очень сильно отстают от реальной жизни, а документы пишутся для того, чтобы показать их начальству, а не претворить в жизнь. Если мы хотим модернизировать экономику, нужны не толстые пачки «долгосрочных концепций», а две простые вещи: освобождение от налогов инновационных отраслей и создание прозрачных налоговых льгот для вновь создаваемых предприятий. Потому что ни одно существующее предприятие в ходе модернизации не даст возможности применить такую массу новшеств, как то, которое строится «с нуля». Если мы хотим инноваций, нужно обеспечить на них устойчивый и массовый спрос, а не кидаться с государственными деньгами из одного проекта в другой.

   И надо понимать, что экспорт идеи и экспорт продукции – это не одно и то же. Экспорт интеллектуальной собственности и лицензий обеспечивает только 4% американского экспорта. Так что главное – это высокотехнологичная продукция. А ее-то у нас и нет. Мы зря разделяем инновации на «наши» и «не наши». Посмотрите на тот же Китай, там пошли, откровенно говоря, на большое воровство в области технологий. И за последние пару десятилетий подняли страну. А мы все это время пытаемся решить проблему вкладыванием денег в создание нового на пустом месте.

   Но и с идеями становится в России всё напряжённее и связано это с сокращением финансирования научных фондов и проблемами, возникающими у ученых из-за закона о госзакупках. 13 октября 2011 г. в Москве состоялся митинг ученых. Это далеко не первая акция протеста ученых, но она примечательна тем, что исследователи из российских вузов и Академии наук объединились ради того, чтобы добиться удовлетворения четких и конкретных требований. Они требуют не повышения зарплат или раздачи квартир, они выступают за то, чтобы им дали возможность нормально работать. Как отметил научный сотрудник Физического института РАН Евгений Онищенко, возможно, что новые организационные формы, которые создаются в сфере российской науки и технологий, работают более эффективно. Однако вот недавно глава «Роснано» показал  премьер-министру «уникальный планшетный компьютер», который, по словам журналистов, «в отличие от западных аналогов, сделан на основе пластиковой логики». Устройство планируется использовать в сфере образования – в качестве электронной книги. Испытывать чувство гордости за наши, российские, прорывные технологии мешает только одна деталь – разработчиком чудесного устройства является британская компания “Plastic Logic”, в которую недавно вложило 700 миллионов долларов «Роснано». Не меньшую эффективность  демонстрирует и еще одна новаторская форма развития науки и технологий – первый Национальный исследовательский центр, «Курчатовский институт». Не беда, что за годы директорства Михаила Ковальчука, принесшего в институт большие деньги, число публикаций ученых института – по сведениям наиболее авторитетной международной базы данных по научным публикациям – даже несколько упало. Зато о достижениях мирового уровня говорится много. Скажем, в конце 2009 г. все СМИ обошла новость о «расшифровке генома русского человека», которую руководители института преподносили как успех, чуть ли не равный выходу человека в космос. На деле же сотрудники Курчатовского института провели свою работу на закупленном за рубежом оборудовании в то время, когда в США уже начинали предлагать всем желающим услуги по расшифровке индивидуального генома по цене машины среднего класса.

   Вице-премьер правительства России Сергей Иванов сообщил, что государство выделяет на инновации 742 миллиарда рублей, но отмечает, что «Бесконечно наращивать финансирование инноваций из государственных источников мы не можем и не должны». По его словам, львиную долю таких инвестиций должны осуществлять частные корпорации. «Считаю, мы подошли к своеобразному Рубикону, перейдя который, именно частный бизнес должен стать локомотивом массовой инновационной активности, тем более, что за рубежом доля затрат частного сектора в этой сфере превышает 65% от общенациональных инвестиций. Между тем, в России негосударственные компании финансируют лишь 20% затрат на НИОКР», – отметил Иванов.

   В результате, по словам Иванова, в рейтинге 1 000 крупнейших компаний мира, осуществляющих исследования и разработки, представлены только три российские корпорации. По абсолютному объему затрат на исследования и разработки на 108-м месте находится «Газпром», при этом доля таких инвестиций в его выручке составляет 0,6%. На 758-м месте расположился «АвтоВАЗ». В его выручке доля затрат на инновации составляет 0,8%. И на 868-м месте находится «Ситроникс» с долей выручки – 2,6%.

   Генеральный директор Российской венчурной компании Игорь Агамирзян подчёркивает, что инвестируют, как правило, не в проекты, а в бизнесы. А дистанция от блестящей научной или технологической идеи до устойчивого бизнеса огромна. На самом деле нам всем просто нужно немножко времени, чуть-чуть терпения. Очень многое зависит от ментальности людей, живущих в нашей стране. И это, кстати, справедливо для всех стран. Например, для энергичного американца 60-70-х годов очевидным приложением сил ради достижения жизненного успеха было получение хорошего образования, «поступление на службу» в крупную компанию, производящую традиционную продукцию, и постепенное восхождение в ней по карьерной лестнице. Примерно такой же жизненный идеал сегодня в Японии. А для американца девяностых или нулевых годов, верящего в «американскую мечту», все драматически изменилось, выглядит совсем иначе. Совпадает лишь необходимость в получении отличного образования, а дальше… Создание технологического стартапа, привлечение венчурных или бизнес-ангельских инвестиций, продажа компании стратегическому инвестору или выход на IPO… И учреждение нового стартапа. В России тоже произойдет аналогичная смена установок. Ученый или инженер перестанут считать, что кто-то (государство или частный бизнес) должен дать им денег для проведения исследований или разработок ради удовлетворения их собственного любопытства, а начнут думать, как коммерциализировать свои знания и умения, создать успешный технологический бизнес. И тогда появится действительно много потенциально прорывных инновационных проектов, в которые можно будет инвестировать.

   В это время член Совета Федерации Валерий Сударенков сделал доклад на заседании Комитета ПАСЕ по окружающей среде. Он считает, что следует дать упреждающие рекомендации относительно возможных рисков в области НАНО и выработать общеевропейские подходы в отношении нанотехнологий, упредить возможность нанофобии, ввести европейские образовательные программы и стимулировать вклад нанотехнологий в обеспечение здоровья людей.

«Наступление наноэры началось, и она, похоже, неизбежна. Россия – важный игрок на поле нанотехнологий и как многие страны ЕС стимулирует исследования и прикладное применение сверхмалых частиц», – сказал В. Сударенков. Он подчеркнул, что, оценивая общие подходы, следует отметить, что скорость внедрения подобных технологий опережает исследования на их безопасность. Зачастую, по его словам, отсутствует четкая картина происходящего, хотя предварительные выводы говорят о том, что наночастицы ослабляют иммунную систему человека и животных. В. Сударенков заметил, что хорошо известны дискуссии вокруг углеродных нанотрубок, включения наносеребра в состав одежды и других технологий. В. Сударенков предложил инициировать идею созыва Европейского форума по безопасности нанотехнологий. Член Совета Федерации выразил уверенность, что уникальный российский опыт в организации управления рисками в исследовательской деятельности, создании нормативно-правовой базы, организации системы саморегулирования мог бы стать основой для гармонизации международной, в частности европейской, методологической и законодательной базы. Напомним, что в сентябре прошлого года группа парламентариев – членов парламентской ассамблеи Совета Европы внесла предложение о подготовке резолюции по теме «Нанотехнологии – новая опасность для окружающей среды». По мнению экспертов, внедрение нанотехнологий, с одной стороны, может помочь в решении экологических задач, с другой – их развитие может продолжаться только в том случае, если принимаются в расчет риски для человеческого здоровья и окружающей среды.

   Всемирный экономический форум в Давосе в докладе о глобальных рисках в 2010 году поднял вопрос об угрозе, которую может нести все более широкое использование наноматериалов. Стремительная коммерциализация достижений нанотехнологий не сопровождается адекватными исследованиями воздействия наночастиц на живые организмы и экосистемы: использование наноматериалов в мире (за исключением Канады) регулируется государством в лучшем случае рекомендательно. В России токсикологические исследования и надзор за наноматериалами регулируются принятой в 2007 году Роспотребнадзором «Концепцией токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов». Это также скорее декларация, нежели настоящее руководство к действию. Призывы выработать единые правила и стандарты в области нанотехнологий звучат все настойчивее. Международная организация по стандартизации недавно разработала набор тестов ISO 10808:2010 для испытания ингаляционной токсичности наночастиц.

За последние пять лет вшестеро — с 212 в 2006 году до 1317 в 2011 году — выросло число потребительских товаров, в состав которых входят наноматериалы (данные исследовательского центра им. Вудро Вильсона). Это главным образом гигиенические и косметические продукты, а также спортивный инвентарь и одежда. Приблизительно в 30% производители использовали наночастицы серебра — для придания изделиям (от носков и зубных паст до разделочных досок и молочных пакетов) антибактериальных свойств. Фуллерены, наночастицы золота, оксидов титана, цинка и кремния чаще всего включали в состав косметических средств и солнцезащитных кремов в качестве антиоксидантов и ультрафиолетовых фильтров.

Помимо потребительских товаров, нанотехнологические продукты применяются в промышленности: от производства армированных углеродными нанотрубками сверхпрочных пластмасс и самоочищающихся стекол на основе покрытий из диоксида титана до быстрозатвердевающих цементных смесей, легированных нанокристаллическим силикатом кальция. Вымывание наночастиц из таких композитных материалов может оказывать негативное влияние на окружающую среду. Принято считать, что токсичность наночастиц коррелирует с их размером (меньше частица — больше токсичность) и удельной площадью поверхности (больше площадь — больше токсичность). Вдыхание воздуха, содержащего 10 мг на кубический метр частиц диоксида титана диаметром 20 нм, приводит к большему числу случаев рака легких, нежели то же по продолжительности воздействие 300-нанометровых частиц TiO₂ в значительно более высокой концентрации 250 мг/м³. Благодаря небольшим размерам наночастицы способны проникать через кожный покров, пищеварительную и дыхательную системы и аккумулироваться в клетках органов и тканей. Некоторые наночастицы способны приводить к гибели клеток, катализируя окислительные процессы и вызывая нарушения в работе ядра, митохондрий и других органелл. Многочисленные исследования подтверждают зависимость между возникновением серьезных заболеваний (включая раковые, кардиоваскулярные и нейродегенаративные) и продолжительным воздействием наночастиц на организм.

   Следовательно, необходимо полностью учитывать экологические аспекты и создавать экологически безопасные промышленные нанотехнологии. Именно этой проблеме и будет посвящена международная конференция «Environment Friendly Nanotechnologies for Industry» в Казани 30 ноября – 2 декабря 2011 г., где с докладами выступят ведущие специалисты США, Израиля, Китая, Индии, Германии и России.

   Такой экологически безопасной технологией является, например, метод получения тепла и электричества из горючих сланцев без освобождения при этом вредного парникового углекислого газа. Таким образом, преодолено главное препятствие на пути широкого распространения сланцевой энергетики, которая может существенно изменить облик добычи энергоресурсов. Новая технология EPICC, сочетающая производство электроэнергии и захват углекислого газа, может сделать доступными ныне закрытые запасы энергоресурсов. Дело в том, что миллиарды баррелей углеводородов, скрытых в сланцах, сегодня недоступны для разработки, поскольку содержат огромное количество углекислого газа. Проблема утилизации CO₂ до сих пор не решена, а его выпуск в атмосферу грозит масштабными экологическими катастрофами. Последние исследования показывают, что выбросы от производства жидкого топлива из горючих сланцев в 1,25-1,75 раза выше, чем от «традиционного» нефтяного топлива. Только в США сланцы смогут расширить запасы нефти до уровня от 1,2 до 1,8 триллионов баррелей. Один из авторов нового метода добычи, доктор Адам Брандт, отмечает, что почти 3 триллиона баррелей нефти попали в ловушку в темный твердый материал горючих сланцев. При этом США обладают крупнейшим в мире месторождением сланцев, которое расположено в формации Грин Ривер, охватывающей часть штатов Колорадо, Юта и Вайоминг.

Метод Брандта не только позволяет захватить и хранить под землей углекислый газ, но и обеспечивает производство электроэнергии и тепла, необходимых для добычи. Суть процесса заключается в нагреве сланца в скважинах с последующим выделением жидких и газообразных углеводородов. Затем происходит разделение полезных веществ и отходов, при этом температура постоянно ниже необходимой для разложения карбоната и выхода CO₂. Природный газ и разогретые отходы могут использоваться для генерации электроэнергии, что позволяет строить на базе технологии EPICC эффективные теплоэлектростанции. Углекислый газ, как и все продукты работы EPICC, в финале цикла остаются под землей, что исключает вредные выбросы. EPICC не следует рассматривать как эффективный метод получения природного газа из сланцев, вместо этого EPICC добывает газ в качестве промежуточного продукта, обеспечивая самоподдерживающийся процесс с большим выходом тепла и электричества. Таким образом, фундаментальной частью концепции EPICC является интеграция производства тепла и электроэнергии из горючих сланцев.

   Американской компанией Air Fuel Synthesis (AFS) разработана совершенно новая технология синтеза жидкого углеводородного топлива, пригодного для использования в двигателях внутреннего сгорания, причем в качестве сырья используются углекислый газ и вода, находящиеся в достаточных количествах в земной атмосфере. Конечно, эта идея далеко не нова, но ее реализация ранее была признана экономически нецелесообразной. Теперь же, благодаря применению современных химических технологий и использования источников возобновляемой энергии, энергетический баланс технологии приближен к допустимому уровню и компания AFS готовит к демонстрации опытную установку, которая призвана доказать это. В случае успеха экспериментальной установки, собираются поставить эту технологию на коммерческие рельсы. Это позволит всем заинтересованным самостоятельно снабжать себя топливом, что особенно актуально для районов, снабжение которых сопряжено с некоторыми трудностями. Топливо для транспорта можно будет вырабатывать прямо на месте используя "дармовую" энергию из окружающей среды. В предлагаемой технологии используется реакция поглощения углекислого газа из атмосферы с помощью гидроокиси натрия. Получившийся углекислый натрий с помощью электролиза разлагают снова на гидроокись и чистый углекислый газ. Водород получается с помощью электролиза водяных паров, изъятых их атмосферы с помощью вещества-осушителя. Тони Мармонт (Tony Marmont), президент компании Air Fuel Synthesis рассказал в интервью издательству "The Engineer", что полученные углекислый газ и водород далее будут использоваться для синтеза углеводородов. Как известно из курса химии, двуокись водорода взаимодействует с водородом при большом давлении, большой температуре и в присутствии металлического катализатора. Представители компании AFS утверждают, что в разработанном ими процессе требуется 21.4 КВт/ч энергии для того, что бы синтезировать один литр топлива. С энергетической точки зрения баланс составляет около 45 процентов. Фирма AFS, получив поддержку от частных инвесторов, планирует изготовить и запустить опытную установку по синтезу жидкого топлива, производительностью 5 литров в сутки. Эта опытная установка будет размещена в стандартном контейнере, первые её испытания будут проходить при использовании электроэнергии от электрической сети. Лишь позже эта установка будет перемещена в удаленное местоположение, где энергию для ее работы будут вырабатывать несколько ветряных турбин.

   Эти два примера показывают, что новые идеи учёных успешно реализуются в промышленности, но для этого требуется создание нового типа учёного – инновационного инженера. Так, согласно прогнозам "Роснано", к 2015 году только в отечественной наноиндустрии будет 400-500 тысяч занятых. И это при том, что стоимость рабочего места в наукоемких отраслях составляет десятки тысяч долларов. "Естественно, для "экономики знаний" потребуются работники совсем другого уровня, нежели те, что у нас есть сейчас, – говорит генеральный директор Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере Иван Бортник. – Но готова ли к решению этой задачи наша система образования? Например, для большинства университетов мирового класса доля аспирантов в общем числе обучающихся превалирует. Так, в Гарварде этот показатель равняется 59 процентам, в Стэнфорде – 64, Массачусетском технологическом институте – 60, Лондонской школе экономики – 51, в Пекинском университете – 53. В российских институтах эта цифра не в пример меньше".

   "В США из 5 тыс. вузов около 300 можно отнести к категории исследовательских, из них 30 относятся к лучшим университетам мира, – отметил директор по развитию "Лиотех" Игорь Чапаев. – В Великобритании не менее 10 таких университетов, в Японии – 5. При этом наши лучшие вузы, например МГУ, чувствуют себя в мировых рейтингах далеко не комфортно. Результат этого плачевен: например, российская электронная промышленность сегодня – это 2,5 тыс. предприятий, на которых работают 360 тыс. сотрудников. Это примерно столько же, сколько в Южной Корее, Германии, Израиле или на Тайване. Однако эффективность отечественных предприятий во много раз ниже. Кроме того, общая доля электронных предприятий составляет всего 2-3 процента от общего числа промышленных предприятий страны. На мировом рынке доля России не превышает 1 процент".

   В настоящее время таких университетов в России нет и создание их является первоочередной задачей.

Олег Фиговский, доктор технических наук, почетный профессор КТТУ им. Туполева и ВГАСУ, академик Европейской Академии наук, директор INRC Polymate (Израиль) и Nanotech Industries, Inc. (США), зав.кафедрой ЮНЕСКО «Зелёная химия».