Композитный лед для русской Арктики
Освоение Арктики потребует создания новых материалов, устойчивых к холоду и влаге, среди которых будут и неожиданные — например, армированный лед
«Если пластина льда, полученная заморозкой дистиллята, разрушается при малом прогибе (порядка двух миллиметров), то ледяной композит, армированный двумя слоями органических или углеродных волокон, сохраняет целостность даже при растрескивании ледяной матрицы. Прочность композита вырастает до шести раз, а деформация — до 15», — утверждает академик РАН, советник генерального директора Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), научный руководитель лаборатории ТГУ «Полифункциональные химические материалы» Вячеслав Бузник.
Россия является лидером в освоении арктических пространств, здесь у нее сформулированный стратегический интерес. 80% людей, живущих в арктической зоне, — россияне. Самые крупные заполярные промышленные предприятия созданы в Норильске, на Кольском полуострове. Более 60% производства мировой арктической металлургии приходится на Россию. У нас работает единственная в мире атомная электростанция, сооруженная в зоне вечной мерзлоты, — Билибинская АЭС.
Эффективное освоение Арктики не может обойтись без проектирования новых материалов, поскольку низкие температуры и влажность критически влияют на свойства самых популярных конструктивных материалов — стали и полимеров: они становятся хрупкими и коррозируют.
При этом вопреки ожиданиям экспертов Россия, как и другие арктические страны, не является лидером по количеству научных публикаций по этой теме. Согласно обзорному исследованию (В. М. Бузник, Е. Н. Каблов «Состояние и перспективы отечественного материаловедения». Вестник РАН, 2017, т. 87, № 9, с. 827–839) российские публикации по этой теме хоть и занимают третье место, но значительно отстают от японских и китайских.
Впрочем, в последние годы интерес к теме растет. В авиационном и космическом ВИАМе ею занимаются в лаборатории арктического материаловедения. Лаборатория адаптирует к условиям Севера материалы, ранее созданные для других целей; создает материалы специально для Арктики, занимается испытаниями и мониторит состояние отрасли в целом.
Например, в институте адаптировали к арктическим условиям материал марки ТЗМК (он состоит из тонких волокон оксидов алюминия, кремния и циркония), разработанный в свое время для обшивки космического аппарата «Буран». Логика понятна: материал имеет потрясающие теплоизолирующие свойства и прочность. Но с точки зрения арктического использования есть и минус: он пористый и гидрофильный, то есть быстро накапливает воду, что при замерзании приводит к его разрушению. Исправить это удалось путем нанесения тончайшего слоя гидрофобных (отталкивающих воду) фторполимеров. Это само по себе потребовало остроумного технического решения: оказалось, что фторполимеры хорошо растворяются в сверхкритической (состояние между жидкостью и газом) углекислоте, и из такого раствора их можно наносить тончайшим слоем. (Работа проведена в ВИАМе совместно с Институтом элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН).
Хотя разработчики новых материалов часто жалуются, что конструкторы, проектирующие машины и строения для Арктики, недостаточно хорошо знают, какие новые материалы разработаны и испытаны в российских институтах, есть некоторые примеры их использования. Так, 16 различных материалов установлены на опытном вездеходе арктического назначения марки
РУСАК (ООО «Русская автомобильная компания», Набережные Челны).
У академика Вячеслава Бузника с соавторами в 2022 году вышла новая статья (Smirnov, O. I., Nuzhnyi, G. A., Novoskol’tseva, O. A. et al. Materials for Freezing Ice Objects. Inorg. Mater. Appl. Res. 13, 134–137 2022) посвященная новым материалам изо льда, а в 2020-м — научно-популярная книга «Лед в разных измерениях». В разговоре с Вячеславом Бузником «Эксперт» сосредоточился на свойствах материалов будущего изо льда и узнал о композитной переправе через Лену, ледяном авианосце и ракетной базе.
— Вы много лет занимались разработкой новых высокотехнологичных материалов, например для авиации. И вдруг лед! Он же не новый, и еще он тает. Почему вы занялись льдом?
— Жизнь ученого разнообразна. Льдом я заинтересовался, по сути, случайно: пять-шесть назад вынужден был заниматься анализом материалов для Арктики, изучить возможные перспективы их применения. Лед показался мне интересным и прошедшим испытания длительной практикой материалом.
Лед ведь и правда применяют давно-давно: эскимосы больше тысячи лет используют его для строительства своих домов — иглу. И якуты лед использовали. У эскимосов, кроме льда и слежавшегося снега, никакого строительного материала не было, а у якутов были деревья. Поэтому они из бревен делали избы — они назывались якутские балаганы, — а лед использовали как герметик: они сруб, который делали, обливали водой, и он плотно герметизировал все щели. А чтобы этот герметизатор не таял, снаружи и внутри отделывали шкурами стены. И лед не тает, и внутри тепло сохраняется.
Ледовары и ледоборцы
— Как выглядит лед с точки зрения создателя новых материалов?
— Лед — очень противоречивый материал. Для большинства людей, особенно живущих как мы, в зоне умеренного климата, он прежде всего связан с неудобствами. Лед — это холод, а холод — это дискомфорт. К тому же недаром дни, когда появляется гололед, называют «день травматолога» или «день жестянщика»…
— И еще все эти неприятные реагенты на тротуарах…
— Совершенно верно. Людей, которые борются со льдом, называют ледоборцами. Допустим, они обрабатывают самолет реагентами, предохраняющими от замерзания, — знаете, иногда приходится подолгу сидеть в самолете и ждать, пока его обработают реагентами.
Но у льда есть и положительные стороны. Поэтому есть не только ледоборцы, но и ледовары — создающие лед. Например, это люди, которые заливают катки. Ледовары существуют давно! А сейчас это целая большая интересная наука, ведь разработан искусственный лед. И искусство ровно залить каток совсем не простое. А еще это бизнес — кому поручить залить каток.
— Каток — это прекрасно, но ведь польза льда этим не исчерпывается?
— Какие функции может выполнять лед? Во-первых, это носитель холода, поэтому он используется при хранении продуктов. Задолго до всяких холодильников продукты хранили в леднике. И сейчас, если вы зайдете в любой супермаркет, где есть рыба, она всегда лежит на льду или на снегу.
Другая полезная функция льда совсем не столь очевидна. Она заключается в том, что лед — это носитель информации. Когда лед замерзает, то в зависимости от условий окружающей среды, состояния атмосферы в него попадают биологические и химические элементы, которые могут нести информацию о том, что в те времена происходило в атмосфере. Если лед пробурить, как это делается в Антарктиде, вытащить этот длинный керн и исследовать его, то можно узнать, какая в разные времена была температура и другие условия среды. Получается, лед служит сохранению памяти о прошлом. Скажем, во льду или в якутской мерзлоте находят мамонтов — они сохраняются настолько хорошо, что уже прочитали их генетический код.
На Алтае раскопали лет тридцать назад знаменитую «пазырыкскую принцессу» или «принцессу Укока» — она сохранилась очень здорово, несмотря то что пролежала две тысячи лет. Дело в том, что после того, как ее захоронили, она была залита водой, а потом все замерзло, и все это время она пролежала фактически во льду. Поэтому лед — важный хранитель информации.
— Во льду ведь могут сохраняться и опасные для нас древние микроорганизмы?
— Этого исключить нельзя, потому что бактерии могут сохраняться десятки тысяч лет, и если их потом поместить в соответствующие условия, они начинают размножаться. Но степень опасности оценить трудно — в этом вопросе среди ученых есть свои оптимисты и пессимисты.
— Вернемся к пользе льда. Мы ничего не забыли?
— Так мы еще о главных вещах не сказали! Нельзя забывать, восемьдесят процентов пресной воды на Земле — это лед. Сейчас, например, делается попытка реализовать очень дорогой проект — наладить транспортировку ледяных айсбергов из Антарктиды к Арабским Эмиратам, у арабов много денег. Вроде бы все просто: подцепил айсберг несколькими буксирами и тяни. Но в реальности получается очень сложная система — например, подводная часть айсберга отличается от подводной части корабля, она не очень хороша с точки зрения динамики, она очень неустойчива. Легко могут возникнуть такие ситуации, когда не вы тянете айсберг, а он вас. И другая проблема: пока вы дотянете его до экватора, он очень сильно растает. Поэтому я пока к этому проекту отношусь настороженно.
И наконец, самое главное для меня полезное свойство: лед твердый. Раз лед — твердое вещество, значит, он может исполнять функцию конструкционного материала — использоваться для строительства сооружений, для заливки, для получения нужных поверхностей. В своей работе я сосредоточился в основном на этом.
— Почему именно на этом?
— Потому что мне стало ясно, какой это замечательный материал. Конечно, новое — это хорошо забытое старое, и я не первый, кому это пришло в голову. Но дело в том, что я был знаком с очень модным в последние годы течением в материаловедении — созданием композиционных материалов — и задумался о том, как можно улучшить лед.
Композит — это материал, в котором находится два вещества, но ни одно в другом не растворяется, между ними есть граница. Композиты иногда обладают новыми свойствами, которые нехарактерны для их компонентов. На самом деле это все тоже давно известно. В Библии описана технология создания саманного кирпича, необожженного. Ее суть в том, что в глину добавляется солома, играющая роль арматуры, в результате материал обладает повышенной прочностью. И полимерные композиционные материалы, ныне модные в ракетостроении или авиации, по сути, устроены так же: там есть матрица, как в самане глина. Она может быть полимерной — таковы, например, эпоксидные смолы, которые в принципе-то хрупкие, но в них вводится арматура в виде углеродных полимерных волокон.
— Похоже на железобетон…
— Да, очень широко распространенный композит — железобетон, состоящий из бетонной матрицы и железных прутьев. А самый модный, углепластик, по сути, то же самое, только арматурой там служит углеродное волокно, а матрицей — пластик.
И вот какой у меня возник вопрос. Лед как конструкционный материал имеет не только плюсы, но и два больших минуса: он существует только при отрицательных температурах и он очень хрупкий, не выдерживает больших нагрузок. Как в песне пелось: «не ходи по льду, лед провалится, не люби вора, вор завалится». А нельзя ли его сделать прочнее?
— Композиты славятся только прочностью?
— Благодаря арматуре полимерно-композиционные материалы получаются более легкими, чем металлы и сплавы, трещинностойкими, коррозионностойкими, а по прочностным свойствам не уступают стали. Да и по цене тоже достаточно хорошо получается. Логично предположить: а что если лед попробовать тоже так использовать? Кстати, опять, если поискать в истории, то и это уже было. Когда Емельян Пугачев воевал в оренбургских степях, зимой не было материалов для строительства фортификационных сооружений. Тогда брали солому или стог сена, обливали его водой, и получался прочный материал для строительства укреплений.
— Но почему арматура, даже соломенная, так увеличивает прочность?
— Если вы возьмете ледяную балку и проведете с ней испытания: закрепите оба конца, а потом начнете в центре давить, — то, немного деформировавшись, лед трескается, и балка мгновенно разрушается. Все из-за микротрещин: возникнув, они быстро распространяются, соединяются в большие трещины, и материал ломается. А в композиционных материалах микротрещины доходят до арматуры и на ней заканчиваются. Арматура должна быть сделана из материала более прочного, чем матрица. Но известна, кстати, вот какая парадоксальная вещь. Когда трещина появляется в металле — такое недавно было на МКС, — то знаете, как ее локализуют? Ее со всех сторон обсверливают, и трещина, доходя до отверстия, стопорится.
— Благодаря арматуре лед может обрести еще какие-то ценные качества, кроме прочности?
— Может! Лед становится более эластичным, деформируемым; если мы надавим на балку из композитного льда, она начнет прогибаться, но не разламывается. Такой лед можно ковать, сплющивать, что угодно.
— Вы ведь не соломой лед укрепляете?
— Конечно не соломой. Когда стало ясно, что изо льда можно делать интересные композиты, основной вопрос в этом и заключался: а чем же его нужно наполнить? Например, в инженерном положении русской армии 1914 года были рекомендации, как ледяную переправу упрочнить: ветками. Но мы искали что-то получше.
Ледяной авианосец и другие авантюры
— Бывают дисперсные материалы, типа опилок. Существовал очень популярный в сороковые годы довольно прочный материал под названием пайкерит — его получали, замораживая водный раствор, в котором 14 процентов составляли опилки. Во время Второй мировой войны была даже такая хорошая авантюра: из пайкерита пытались создать что-то вроде непотопляемого авианосца, на который можно было бы сажать самолеты. Англичане хотели сделать такую посадочную площадку в северных морях, чтобы с нее могли взлетать самолеты, и для борьбы с подводными лодками немцев.
— Что помешало?
— Во-первых, стоимость проекта, во-вторых, одно дело получить материал, а другое — сделать из льда огромный корабль. Там длина разбега для самолета должна была быть порядка шестисот футов. А пока этот лед делали, были созданы самолеты, которые стали летать значительно дальше, и необходимость в нем исчезла. Но методика не пропала: наработки по этому материалу использовали, когда строили ледовые развлекательные сооружения. В Финляндии, например, так сделали ледяную копию знаменитого барселонского собора Саграда Фамилия.
Была еще одна большая авантюра, которую даже на время удалось реализовать. В 19571959 годах американцы решили сделать подледную ракетную базу — тогда ракеты типа «Поларис» могли бы достигнуть Советского Союза. Они планировали построить целый город под очень толстым льдом в Гренландии. Но возникла следующая проблема: оказывается, лед-то все время двигается. Это, в общем-то, известный факт, не знаю почему американцы не учли этого… Они уже много всего сделали, построили, кажется, три тысячи километров дорог, но лед все время двигался и разрушал уже возведенные строения. Датчан, которым принадлежала Гренландия, они тогда обманули: те только потом узнали, что это было такое. А природу не обманешь.
— А почему лед двигается?
— Под действием силы тяжести горные ледники всегда находятся в движении, не только в Гренландии.
Эти не сработавшие авантюры учат осторожности. Поэтому я очень сдержанно отношусь к тому, что вот мы сейчас упрочним лед и у нас сразу все получится идеально. Мы сделали и испытали большое количество образцов и нашли материалы, которые были бы хороши для упрочнения льда. В первую очередь это, по моему мнению, материалы, состоящие из полимерных волокон. Это базальтовые волокна или углеродные — в зависимости от их расположения, количества слоев, количества волокон в слоях можно получить хороший результат. Лучший мы получили пока что у базальта: волокна из него повышают прочность льда примерно в восемь раз.
Таблица 1. Показатели криосферы Земли*
Гибкий, но капризный
— Неужели из базальта можно делать волокна?
— Да, получаются такие минеральные нити. Базальт плавят, а потом вытяжкой получают эти нити. Мы их сворачиваем в ролики, а потом делаем из них базальтовую арматуру.
— И у такого композита вырастает не только прочность, но и эластичность?
— Армированный лед становится деформируемым, его способность деформироваться увеличивается где-то в пятнадцать раз. На тех образцах обычного льда, что мы исследовали, достаточно двух миллиметров деформации, чтобы лед треснул. А композитный лед не трескается при деформациях до тридцати миллиметров.
— Трудно было получить эластичный лед?
— Конечно, чтобы получить такой композит, мы провели много исследований, проверили больше тысячи материалов и выбрали нужные. Особенность льда в том, что это очень капризный материал — самый капризный из всех, которые у нас есть! И в технологическом плане, и в эксплуатационном…
— С чем связан его капризный характер?
— Причины разные. Первая и основная — это единственный твердый материал, который образуется с помощью водородных связей. Они устанавливаются между очень простыми молекулами H2O — помните из курса химии?
— Это когда электроны атомов кислорода слегка притягивают атомы водорода соседних молекул воды?
— Абсолютно верно, в молекуле H2O атом кислорода имеет два «родных» атома водорода, связанных с ним прочной ковалентной связью, а вот атомы водорода у соседних молекул получаются для этого кислорода как бы двоюродными, они притягиваются намного слабее. Это и есть водородные связи.
— Какие ощущаемые нами свойства льда создают эти слабые связи?
— Благодаря им лед имеет целых четырнадцать кристаллографических фаз, зависящих от температуры, а главное, от давления, при котором он формировался. Трудно найти какой-то простой материал, у которого было бы столько разновидностей. Но в обычных земных условиях преимущественно образуется гексагональная фаза льда. Поэтому снежинки — это, как правило, гексагональные, шестиконечные звезды.
Кроме того, лед, как и металл, имеет зернистую структуру. А у металлов прочностные свойства очень сильно зависят от размеров зерен и их формы. И у льда тоже: при его формировании получается так, что во льду возникает очень много различных примесей, они агломерируют между собой, и этот конкретный лед начинает отличаться от других видов льда по структуре, текстуре, устойчивости и так далее. Поэтому он и считается капризным.
— Вспоминается известная байка о том, что инуиты различают то ли десять, то ли сто видов снега, в зависимости от фантазии рассказчика… Вы тоже, когда смотрите на лед, видите не лед вообще, а какую-то конкретную его разновидность?
— У нашей работы другая специфика: материаловеды не столько разбираются, какой бывает в природе лед, сколько делают свой. Мы создаем контрольные образцы матрикса из дистиллированной воды, а потом делаем из дистиллята и арматуры разные композиты и изучаем их свойства. Они зависят и от того, как заливать арматуру. Например, если заливать послойно, лед будет гораздо прочнее. Знаете такой очень ходовой и модный термин — «аддитивные технологии»? Можно сказать, что и мы получаем лед с помощью аддитивных технологий.
— Как в 3D-печати?
— Да-да, там вещи создаются путем послойного нанесения материала. Кто-то из великих скульпторов ответил на вопрос о своем методе работы так: «Беру глыбу мрамора и отсекаю все лишнее». Так вот, в аддитивных технологиях все наоборот: ничего не отсекается, а наносится только то, что нужно. При заливке льда каждый слой делается толщиной примерно в миллиметр, а занимает создание одного слоя до десяти часов. А ведь бывает, нужно сделать тысячи слоев.
— А эти базальтовые нити тоже тоньше миллиметра? Мы накладываем слой нитей, потом заливаем его, потом опять слой нитей и опять заливаем?
— Да, все так, укладываем нити в ряд. Но сначала исследователи определяют, каким должно быть оптимальное количество этих нитей, где и как они должны быть расположены, сколько должно быть слоев в ледовой балке.
— Хорошо, мы получили этот замечательный суперлед, гибкий и прочный. Но ведь он по-прежнему тает, а даже на Крайнем Севере бывают плюсовые температуры.
— Пока мы думали только о первой части, прочностной. Но я считаю, что и проблема сохранения льда вполне решаема. А решение состоит в том, чтобы в лед ввести какие-то проводники, которые могли бы проводить холод, замораживая его изнутри. Идет сверху таяние, а внутри температура этого композитного льда понижается. Реально ли это? Я думаю, что да. Если вы бывали на Северах, то, возможно, помните, что в Якутске или в Норильске все большие дома стоят на сваях. Это для того, чтобы тепло, которое идет от дома, не допустить в вечную мерзлоту, чтобы не было таяния. И еще вокруг свай устанавливают различные хладагенты и устройства, охлаждающие их. То есть технически это решаемая задача, вопрос, скорее, в том, сколько это будет стоить. Хорошему современному материалу недостаточно быть функциональным — важно еще, чтобы его было легко и недорого сделать. И еще, конечно, он должен быть экологичным — например, мы должны понимать, что делать с базальтовой начинкой, если лед растает.
Ледяные мосты, причалы и острова
— Если учесть все эти факторы, где и когда можно будет применять композитный лед?
— Думаю, на данном этапе работ первейшее применение — для упрочнения ледовых переправ через реку. На них будут слой за слоем накладываться и замораживаться базальтовые нити, а потом по этому мосту поедут автомобили.
— У нас распространены ледовые переправы?
— Да, во многих случаях распространены. В Якутске, например, вообще моста через Лену нет, его построить очень сложно из-за вечной мерзлоты. И зимой через Бабушку Лену, так они ее называют, можно переехать только автомобилем по ледовым переправам. Поэтому якуты проявляют к нашим работам очень большой интерес, по их просьбе мы уже проводили инженерные испытания не в лабораторных условиях, а в реальных, когда автомобиль заезжает на такую систему и переправляется по ней.
Но дороги и переправы — это далеко не все. Другое интересное применение — разгрузочные площадки на необорудованном берегу, когда суда к нему подходят, а причалов нет. И взлетно-посадочные площадки, на которых все это можно делать. И ледовые пирсы. И целые ледовые острова — канадцы и американцы их уже используют, когда на мелководье нужно проводить бурение морского дна. Они намораживают ледяной остров, туда ставят бурильное оборудование и бурят скважины.
Есть еще один очень интересный чисто российский проект, который реализуется только в одном месте — в Якутске, на Лене. Там делают ледовые доки и в них производят зимний ремонт кораблей.
— Эти ледовые острова тоже делаются из композитного льда?
— Не знаю, это их коммерческая тайна. Иногда коммерческие тайны берегут даже лучше, чем государственные. Знаю, что года три-четыре назад они работали на такой разгрузочной площадке, двенадцать раз на нее снимали грузы с приходящих судов. Но на тринадцатый раз, когда там работал бульдозер, по платформе пошла трещина, и бульдозер с работающим в нем человеком ушли под воду. Хороший композитный лед не позволил бы быстро образоваться такой трещине.
— А с уже образовавшимися трещинами можно что-то сделать?
— Вы, возможно, слышали, что в Харбине проводится ежегодный праздник льда и снега. Там изо льда, который вырезают в реке Сунгари, выстраивают большие-большие сооружения. И там возникает проблема: как сморозить строительные балки? Скажем, когда вы имеете дела с металлом, есть хороший метод — электросварка. Сварили мы, например, две трубы — но как измерить, насколько хорошо? Есть способ: эти трубы начинают растягивать, и если труба лопается не по шву, а в другом месте, то качество отличное. Мы тоже попробовали эту идею, создали криогели, помогающие приморозить друг к другу два блока льда. И прочность наших швов оказалась выше прочности льда: под давлением конструкция разрушается не по шву, а трескаются сами ледяные блоки.
— А если отрешиться от человеческих нужд, от вечной борьбы ледоваров с ледоборцами, и посмотреть на лед с точки зрения планеты. Я слышал о криосфере — как о некоей важной оболочке планеты наряду с биосферой.
— Роль криосферы в жизни нашей планеты трудно переоценить. Скажем, весь теплооборот планеты на тридцать процентов зависит от криосферы, идет через нее. Лед и снег обладают очень хорошей отражающей способностью, их альбедо — 0,35. Кто-то скажет: «Плохо, много тепла уходит назад в космос», — но для тех людей, которые живут в теплых краях, это может быть и очень здорово. Меня когда-то поразил тот факт, что самый энергопотребляющий регион в Соединенных Штатах — Калифорния. Просто энергию они употребляют не на отопление, а на охлаждение. Лед регулирует и уровень океана: в теплые времена он повышается, а потом снижается. Мы сейчас живем в теплый период, междуледье, но на самом деле вслед за ним придет холодный.
— Какие книги повлияли на вас как на ученого? Вы ведь наверняка читали знаменитую «Колыбель для кошки» Воннегута про лед-девять, который кристаллизуется при высокой температуре?
— Я всегда очень любил научно-популярные книги. Вспоминаю выражение того самого Воннегута: «Ученый, который не может рассказать школьнику, чем он занимается, — просто авантюрист». Наверное, я ушел в науку потому, что воспитывался на таких книгах. В шестидесятые годы их издавали очень много — по космосу, атомной энергетике и так далее, все это воспитывало и привлекало людей. А сейчас я сам пытаюсь для них писать. Выпустил несколько книжиц — «Лед в разных измерениях», «Современное материаловедение на примере фторполимеров», сейчас готовлю еще одну. Такие книжки тоже непросто писать, но это, может быть, даже полезнее, чем научный труд.
Процент публикаций по арктическому материаловедению:
Это четверка стран — лидеров по доле от общего числа научных публикаций в области арктического материаловедения за все годы до 2017-го. Доля открытых российских публикаций лишь 5%. Отечественные публикации стали появляться в конце 1970-х годов, что можно связать со строительством магистральных трубопроводов при освоении сибирских месторождений углеводородов и с развертыванием исследований по созданию хладостойких сталей. Затем из-за распада государства наступила депрессия, интерес стал возобновляться только в 2000-е годы.
Источник: В. М. Бузник, Е. Н. Каблов, Вестник РАН, 2017, том 87, № 9, с. 827–839
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl