Без подкачки новыми идеями нам остаётся только путь копирования – Геннадий МЕСЯЦ
На прошлой неделе вице-премьер Дмитрий Рогозин заявил, что в течение ближайших десяти лет Россия должна войти в число государств с шестым технологическим укладом. Шестой технологический уклад – это когда промышленное производство будет базироваться на открытиях в биотехнологиях, нанотехнологиях, в области новых материалов, информационно-коммуникационных, когнитивных, мембранных, квантовых технологиях, фотонике, микромеханике, робототехнике, генной инженерии, технологиях виртуальной реальности, термоядерной энергетике.
Академик Геннадий Месяц считает, что отечественные научные достижения уже позволят России войти в шестой технологический уклад в числе лидеров. Не последнюю роль в этом сыграют последние открытия, в частности, новых свойств электрической дуги, которые способны устроить переворот во многих отраслях промышленности. Об этом директор Физического института им. П.Н.Лебедева РАН рассказал в интервью ИТАР-ТАСС.
- Что может быть проще электрической дуги? Что тут можно открыть нового?
- Действительно, тривиальнейшая вещь: электрический выключатель. Включаешь – между контактами возникает небольшая электрическая дуга. Впрочем, ещё проще может быть… ну, скажем, дождь. Или морская волна. Явления настолько привычные, что и не задумываешься, как это функционирует. Но если задуматься, то окажется, что их объединяет одно важное обстоятельство: очень долго никто не мог разгадать их механизмов.
Например, у нас нет теории дождя. С неба капает, капли падают, а теории этого процесса нет! Не было теории нелинейных волн, то есть тех самых реальных, существующих в природе, в морях и океанах. В том числе и "волн-убийц" – гигантских волн, которые возникают внезапно, неведомо откуда и могут утопить корабли. Лишь недавно такая теория появилась.
Словом, есть вещи, к которым все привыкли, но которые при внимательном исследовании могут навести на уникальные тайны природы – и, соответственно, уникальные открытия. Если удастся ту тайну раскрыть. Так и с электрической дугой. Все ею пользовались, но вот её механизма разгадать не мог никто.
- Но теперь, судя по энтузиазму, с которым ваш доклад о природе электрической дуги встретили на президиуме академии наук, вам это удалось? В кулуарах кто-то заикался даже о "нобелевке"…
- Чтобы понять, что нам удалось найти, необходимо немного углубиться в предысторию.
Физику дуги стали исследовать более чем 100 лет назад. В настоящее время во всех учебниках, научных книгах и энциклопедиях утверждается, что электрическая дуга - это один из стационарных электрических разрядов. Дуга - это самоподдерживающийся разряд, способный обеспечивать протекание больших токов благодаря наличию характерного для него механизма эмиссии электронов из катода.
При этом в данном явлении есть много фактов, которые очень трудно объяснить с точки зрения классической физики электрических разрядов.
Например, положительные ионы с катода движутся против электрического поля к аноду, их энергия в десяток раз больше, чем катодное падение потенциала; их скорость в сотни раз больше, чем может обеспечить температура катода. Таким образом, катод испускает струю плазмы с такой скоростью, как будто он нагрет до миллиона градусов, а реальная температура катодного пятна равна только нескольким тысячам градусов. Плазменный столб дугового разряда в магнитном поле движется в сторону обратную, чем предсказывает правило Ампера. И так далее. Словом, есть много фактов, которые с первого взгляда не соответствуют законам современной физики.
Потому это физическое явление считалось одной из символических научных загадок ХХ века. К началу XXI века существовало более 20 теорий, которые пытались объяснить все эти противоречия. Над ним работали многие выдающиеся ученые: Комптон, Вуд, Штарк, Холл, Лэнгмюр, Фаулер, Милликен, Дайк, Штенбек, Ромпе и другие. Среди российских ученых следует назвать имена Арцимовича, Кесаева, Грановского, Елинсона, Мандельштама и других – вплоть до наших Нобелевских лауреатов - академиков Семёнова и Сахарова.
Основные процессы, которые обусловливают свойства дуги, происходят на катоде в так называемом катодном пятне (КП). Природа этого пятна не была понятна до сих пор.
Первый ключ к разгадке этого явления мы получили в 1966 году благодаря открытию в Томском политехническом институте явления взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ).
Проблема в том, что все думали, что имеют дело с твёрдым телом - точнее, телами, которые и представляют собою анод и катод. А мы обнаружили следующую вещь: с катода выходит плазма. До анода она ещё не дошла, на аноде ничего нет, но ток течёт. Мы видим ток силой 20-30 ампер! Откуда он? Его могут дать только электроны. Было сделано предположение, что их появление, по-видимому, связано со взрывом микро-неоднородностей.
Так в итоге и оказалось. Выяснилось, что когда взрыв происходит, и плазма не дошла ещё до противоположного электрода, в это время и возникает кратковременный мощнейший электронный ток. Мы это зафиксировали.
Я назвал это взрывной эмиссией. Она начинается тогда, когда вложенная удельная энергия существенно превосходит энергию сублимации, то есть превращения вещества в пар.
Затем, опираясь на многолетние исследования ВЭЭ, нами было показано, что на катоде дуги происходят самоподдерживающиеся электрические взрывы струй жидкого металла. Именно взрывы - из-за большой концентрации энергии. При каждом таком взрыве испускается порция плазмы, получившая название "эктон". То есть мы показали, что рассматривать надо жидкое тело. Именно в такое превращает поверхность электрода электрическая дуга.
В одном эктоне содержится примерно триллион электронов и сто миллиардов ионов. Это на самом деле немного. Но и при таком микроскопическом взрыве давление на катодное пятно превышает десять тысяч атмосфер. Плотность тока достигает сто миллионов ампер на квадратный сантиметр. Длится этот взрывной процесс примерно 10 наносекунд и далее постоянно возобновляется. Пространство, где образуется эктон, называется ячейкой. Процессы в ней и обусловливают все свойства дуги.
Последние новые результаты в этой области были получены нами в конце прошлого года и в этом году. Во-первых, проведена работа по измерению скорости ионов в дуге. Было показано, что одно-, двух-, трёх- и четырёхзарядные ионы меди, несмотря на разные заряды, движутся с одной и той же скоростью. Во-вторых, в дуге есть пороговый ток, который можно объяснить критерием брызгообразования для жидкостей. Таким образом, дуги горят не на твёрдом катоде, а на жидком. В-третьих, при очень большом увеличении в электронном микроскопе отдельных струй жидкого металла мы обнаружили, что их средняя масса равна массе ионов в эктоне. Всё это стало окончательным доказательством того, что электрическая дуга - это процесс порционный, обусловленный взрывами струй жидкого металла.
Эта модель была предложена и разработана нами в ходе совместной многолетней работы Института сильноточной электроники СО РАН и Института электрофизики УрО РАН, которые были основаны мной в Томске и Екатеринбурге в 70-х и 80-х годах прошлого века.
- Прошу прощения, если вопрос покажется неграмотным – но разве это не очевидно, что при создаваемых дугой температурах твёрдое тело и должно переходить в жидкую стадию?
- Те явления, которые мы наблюдаем в этом процессе, объясняются другим. Тем, что при появлении тока добавляется какой-то силовой эффект. Он и обусловливает возникновение микро-взрывов.
Можно провести аналог со светом. Долгое время ведь его считали непрерывным – так сказать, непрерывным процессом. А затем открыли его корпускулярную природу. И у нас то же самое в явлении, которое представляли линейным, обнаруживаются порции частиц. Я думаю, что это такое же окончательное решение проблемы, каким стало открытие порционной природы света.
То есть электрическая дуга - это не стационарный, а циклический или порционный процесс. Происходит он в отдельных ячейках на катоде за время, называемое циклом. В этих ячейках происходит электрический взрыв струй жидкого металла при их взаимодействии с плазмой. Процесс самоподдержания этих взрывов - это и есть основа электрической дуги. Ячейка - это ген дуги, в котором заложены все её свойства: аномальные ионы, низкое катодное падение потенциала, самопроизвольное погасание дуги, обратное движение катодного пятна, образование кратеров на катоде и так далее.
- Какое значение для экономики может иметь ваше открытие?
- Основываясь на наших экспериментах по микровзрывам и на созданной нами соответствующей установке, специалисты берут металл с различными примесями и с помощью микровзрывов получают те ионы, которые им нужны. Без всяких ускорителей! Они при взрыве имеют энергию порядка 100 электрон-вольт – и этого достаточно для имплантации нужного вещества. Например, для покрытий лопаток турбин.
Есть у нас на Урале вертолётный завод. Его машины летают везде, в том числе и в пустыне. Но в том климате и тех условиях эксплуатации очень быстро изнашиваются лопатки двигательных турбин. И вот тогда, основываясь на открытой нами природе электрической дуги, была сделана технологическая линия на этом же заводе, которая наносит специальное покрытие на лопатки, значительно увеличивающее сроки их службы.
Кроме того, используя открытое нами явление взрывной электронной эмиссии и разработанную технологию генерирования мощных наносекундных импульсов, мы создали целую линейку научных установок, научной аппаратуры для проведения исследований. На основе этого была создана сильноточная импульсная энергетика и электроника, оказавшая огромное влияние на создание техники мощных ускорителей электронов, мощных газовых лазеров, сверхвысокочастотных устройств, импульсных рентгеновских устройств большой мощности и так далее.
Ну, и есть очень большая оборонная компонента. Я очень надеюсь, что эта технология будет работать на задачи, сформулированные на недавнем совещании главы военно-промышленной комиссии Дмитрия Рогозина с главными конструкторами оборонных заводов и КБ и учёными РАН, занимающихся исследованиями в интересах оборонного комплекса. Мы рассказывали там о наших делах.
- Кстати, вы удовлетворены тем, что происходило на этом совещании, его решениями? Или всё закончилось благими пожеланиями на словах?
- Понимаете, это процесс. И как всякий процесс он имеет свои стадии. Сначала декларации, затем проект, затем его реализация, а в конце – результат. Но я считаю, что важный результат заложен уже в самом том совещании, поскольку на нём было признано, что учёные России делают важную работу в интересах отечественной обороны. И таких институтов, где ведутся первоочередные оборонные исследования, более 50! Они завязаны на очень серьёзные программы. И неясность нового статуса институтов может, вообще говоря, привести к большим трудностям в обеспечении обороноспособности страны.
Почему, скажем, мы отстали в электронике? Потому что в министерстве электронной промышленности в советские времена была идеология – повторять американцев. Хотя были свои наработки, и часто лучше, чем у тех. Мы могли идти своим путём. Обгонять, не догоняя, - то есть за счёт собственных идей срезать углы, выпрямлять свой путь.
А если свои новые идеи не будут получать развития – что остаётся? Догонять, не догоняя! Без подкачки новыми идеями нам остаётся только путь копирования. Этого допустить нельзя!
Беседовал Александр Цыганов
/ИТАР-ТАСС/