Созданный российскими инноваторами электроизолирующий аэрозоль может подавлять коррозию металлов. Если поставленный на Байкале эксперимент даст положительные результаты, инновация займет нишу замедлителей коррозии для массового потребительского рынка. Восход окрашивает ледяной покров Байкала в медно-золотистые тона. Показавшийся из-за дальнего мыса пурпурно-красный диск солнца протягивает к нашему «уазику» дорожку цвета свежей ржавчины. «Уазик», единственная движущаяся точка в этом царстве безмолвия и неподвижности, мчится с максимально возможной здесь скоростью 50 км/ч и истошно дребезжит, подпрыгивая на выступающих краях льдин и наметенных сугробах. Дорожка неотступно следует за нами. Все оттенки оранжевого и красного причудливо перемигиваются на неровностях льда. Характерный сухой треск, сопровождающийся частыми удаляющимися щелчками, заставляет оторваться от этого фантастического зрелища и вспомнить, что под нами не асфальт автострады, а лед озера Байкал и до дна здесь километра полтора. Лед расходится аккурат между колесами «уазика», трещина стремительно бежит вперед, обгоняя машину. Водитель резко поворачивает руль влево, «уазик» несет и крутит на гладком льду, но трещина, слава богу, остается в стороне. «Ржавая» дорожка тоже отцепляется и отскакивает куда-то назад вправо. Подобные приключения — неотъемлемая часть путешествия по льду Байкала, столь же величественного, сколь и коварного. Однако другой дороги на базу экспедиции ученых, которые развернули в глубинах озера уникальный детектор для регистрации пришедших из дальних галактик нейтрино, нет. Байкальский нейтринный детектор — одна из трех установок в мире, способных отслеживать природные потоки нейтрино высоких энергий и определять их параметры. Благодаря успешному развитию этого научного проекта Россия вот уже тридцать лет остается мировым лидером в популярном на Западе направлении astroparticle physics — исследований на стыке астрофизики и физики элементарных частиц. Уникальная подводная установка дала начало многим инновациям, некоторые из которых легли в основу новых высокотехнологичных продуктов. В нынешнем году здесь решено испытать еще одну отечественную инновацию — электроизолирующий и влаговытесняющий состав, который, как считает его разработчик, способен замедлять процесс коррозии. Год назад компания «ЛогТрансПром» с этим продуктом победила в Конкурсе русских инноваций, и вот теперь у инноваторов появился шанс внести свою маленькую лепту в успех Байкальского проекта. Ловушка для нейтрино Несмотря на активное развитие технологий антикоррозионной защиты, ржавчина ежегодно уничтожает 20–30 млн тонн металла. Подсчитано, что из 20 млрд тонн железосодержащих руд, освоенных человечеством к началу нынешнего столетия, результаты переработки почти 14 млрд тонн уже безвозвратно потеряны из-за коррозии. От этой напасти страдают в первую очередь развитые страны. По данным Европейской федерации коррозии и Международного конгресса специалистов по антикоррозионной защите, экономические потери от коррозии достигают 3–5% ВНП. А американская Национальная ассоциация инженеров-коррозионистов подсчитала убытки Штатов от коррозии в абсолютных цифрах — получилось около 300 млрд долларов в год. В нашей стране оценок экономического ущерба от коррозии не проводилось с конца 70−х годов. Однако очевидно, что у нас дела в этой области обстоят не лучше, а скорее, даже хуже, чем на Западе. В России, как известно, ржавеет все — от гвоздей и арматуры до трубопроводов, мостов и космических кораблей. Нейтринный детектор, развернутый в глубине Байкала, коррозия тоже не обошла стороной. Она стала одной из самых больших проблем, с которыми ученым приходится иметь дело при эксплуатации подводной установки. «Наш детектор представляет собой висящую под водой зонтичную конструкцию двести метров в диаметре, которая объединяет 11 гирлянд-стрингов с 228 фотоэлектронными умножителями, — рассказывает под уютный треск поленьев в печке руководитель Байкальского проекта Григорий Домогацкий, член-корреспондент РАН, заведующий Лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН. Деревянная изба, которая на время зимних экспедиций превращается в штаб руководителя проекта, стоит на самой кромке берега, и до ближайшей цивилизации отсюда больше сотни километров. — Нижние элементы установки находятся на глубине 1400 метров, верхние — в приповерхностном слое воды, на глубине 15–20 метров». «Зонтик» содержит множество металлических составляющих: бронированные кабели, крепежные зажимы, разъемы, корпуса приборов, обечайки, болты, якоря и т. п. Вода облизывает металл круглый год, так что обычной (химической) коррозии есть где разгуляться. Но это не все. Поскольку элементы конструкции изготовлены из металлов с разной химической активностью, в местах их контакта возникает электрохимическая коррозия. Этот тип коррозии проявляется даже в том случае, если непосредственного контакта между металлами нет — за счет токов, которые стекают в воду с приборов детектора. А напряжение, поданное на многие составляющие установки, порождает анодную коррозию, при которой молекулы металла уходят с поверхности в воду в виде катионов — Fe+, Zn+ и т. д. По оценке Андрея Кошечкина, инженера-исследователя ИЯИ РАН, ток в один ампер за год может легко съесть три-четыре килограмма металла. Эти три разновидности коррозии из года в год подтачивают практически все металлические элементы и узлы установки. Из-за чего детектор не может долго работать в автономном режиме — каждый год приходится поднимать составные части конструкции из-под воды и что-то менять. И так практически все железо по кругу. И было бы еще полбеды, если бы только теряли железо. Но такое «техобслуживание» приходится проводить самим ученым — кандидатам и докторам наук. А ведь нейтринный детектор не маленький прибор на лабораторном столе. Подъем элементов конструкции с глубин Байкала, их разборка и ремонт на открытом льду в условиях сибирской зимы поглощают не только деньги, но и время, и людские силы — самый ценный ресурс проекта, которого остро не хватает на другие, более важные задачи. Чаще всего из-за коррозии выходят из строя бронированные кабели-тросы — и те, что внутри «зонтика» служат для передачи электросигналов и выполняют грузонесущие функции, и те, по которым с берега подается электропитание для аппаратуры детектора. Последние, подточенные коррозией, порой лопаются прямо на глазах у ученых, когда они начинают поднимать части конструкции из воды. «В прошлом году семижильный кабель электропитания проржавел на глубине двести метров и оборвался. Из-за этого два стринга с фотоэлектронными умножителями остались без питания, и до нынешней экспедиции установка полгода работала не на полную мощность, — рассказывает Григорий Домогацкий. — Обидно, что от коррозии страдает участок длиной всего около ста метров вблизи установки, где много стекающих с аппаратуры токов. Но приходится оставлять на дне Байкала все шесть с лишним километров кабеля и прокладывать новую кабельную линию. А это дело трудоемкое и опасное». На этом теоретическая часть о нюансах эксплуатации подводной установки закончена. Решено, что новое средство будем пробовать именно на броне кабелей. Александр Макаров, разработчик инновации, грузит ящик с опытной партией баллончиков в «уазик» руководителя проекта, у которого над колесами кружева выеденного ржавчиной железа, и мы снова трясемся на сугробах и выбоинах льдин. На этот раз наш путь лежит в ледовый лагерь, что в четырех с лишним километрах от берега. Осколок научной школы На привезенные с берега оранжевые баллончики с игривым названием «Рохер» физики-теоретики из Москвы, Санкт-Петербурга, Дубны и Иркутска — команда Байкальского проекта — поначалу смотрят с улыбкой. Но разговор по делу ставит все на свои места. — Нужно, чтобы ваш препарат не только обволакивал проволоки оплетки кабеля, но и затекал между витками. Какая у него текучесть? — спрашивает Макарова Игорь Белолаптиков, научный сотрудник Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна). — Сам состав жидкий. Он распыляется из баллончика и легко затекает даже в маленькие щели. А минут через пятнадцать образуется пленка. — А какая у пленки механическая прочность? Кабель иногда приходится перегибать и растягивать. — Если протягивать кабель через шкив лебедки, то пленка, конечно, не выдержит. А вообще она достаточно эластична — выдерживает растяжение на 10 процентов и изгиб на угол до 90 градусов. — Отлично. То, что надо. А при каких температурах работает ваш препарат? — От минус 60 до плюс 250 градусов. В этом же диапазоне температур можно вести и сам процесс обработки металла. — Даже так?! Здорово! — удовлетворенно кивает головой Белолаптиков. «Здорово» означает, что составом можно будет спокойно пользоваться посреди байкальской зимы, где иногда может стукнуть и минус 40. Однако самый важный вопрос для команды физиков-практиков, которые своими руками собрали и уже несколько раз перебрали на морозе и ветру подводную установку: каковы требования к подготовке обрабатываемого металла? Как правило, подобные средства требуют идеально чистой и сухой поверхности. А сушить поднятые из-под воды конструкции на открытом льду среди зимы — занятие абсурдное. «Рохер» заслуживает оценку «супер», когда выясняется, что он превосходно ложится даже на сырой металл. «Специально сушить ничего не нужно. Препарат сам вытеснит влагу из всех пор и трещин на обработанной поверхности», — поясняет Александр Макаров как нечто само собой разумеющееся. И заметив, что кто-то из команды ученых отколупывает с кабеля хлопья ржавчины, добавляет: «Его можно наносить и на уже начавший коррозировать металл. Когда губка ржавчины пропитается влагоотталкивающим составом, она сама станет барьером между водой и еще нетронутым ржавчиной металлом». «Если это действительно так, будет просто отлично!» — подводит итог Игорь Белолаптиков. Примечательно, что борьба с коррозией не входила в список задач, которые решались на стадии разработки «Рохера». Он создавался как электроизолирующее, влаговытесняющее и смазывающее средство. В основе препарата — полимерные кремнийорганические соединения. Эти соединения — новое слово в данной области: до сих пор подобные средства создавали на основе полиакрилатов и полиуретанов. Кремнийорганические соединения отличаются от обычных углеродных полимеров тем, что часть атомов углерода (от нескольких процентов до 60–80%) заменена атомами кремния. Синтезом таких соединений и изучением их свойств наука начала активно заниматься в 40−х годах прошлого столетия, когда технологии позволили получать из металлического кремния жидкость. Было замечено, что при замещении углерода на кремний полученный состав проявляет неожиданные свойства. К примеру, у обычного аспирина при подобном замещении токсичность падает в тысячу раз при сохранении всех лечебных свойств. В нашей стране этой темой занимались в Институте химии и технологии элементорганических соединений (ГосНИИХТЭОС). Научная школа академика Кузьмы Андрианова, одна из самых сильных в мире, успешно работала на оборонку — создавала новые материалы, компоненты химического оружия, добавки к реактивным топливам и т. п. В частности, для обшивки космического корабля многоразового использования «Буран» были синтезированы особые кремнийорганические соединения, которые при обжиге образовывали кремний-керамику, способную выдерживать температуру в 1500–1600 градусов. Из «мирных» приложений к достижениям школы относятся материал для искусственного глазного хрусталика, силиконовые заменители кожи и мышечной ткани, а также биостимулятор роста растений, повышавший урожайность зерновых культур на 10–20%, а бахчевых и силосных — на 40–50%. В 90−х годах институт, а вместе с ним и школа Андрианова прекратили свое существование. Препарат-электроизолятор «Рохер» появился на свет в 2006 году, уже после развала школы. Александр Макаров, научный сотрудник ГосНИИХТЭОС, совместно с коллегами из Института тонкой химической технологии им. Д. И. Менделеева разработал рецептуру препарата и технологию его синтеза. А также создал особый катализатор, в присутствии которого жидкий состав быстро полимеризуется и превращается в пленку толщиной 20–30 микрон. Пленка обладает высокой адгезией к разным материалам (крепко «прилепляется» к поверхности металлов, бетонов и т. д.), способна держать тысячу вольт на пробой и абсолютно непроницаема для влаги. За счет своей гидрофобности пленка вытесняет воду, и даже если она трескается, трещина не затягивает влагу, как это происходит у аналогов «Рохера», а отталкивает, то есть продолжает защищать поверхность от соприкосновения с водой. По расчетам Макарова, срок службы пленки составит не менее двадцати лет. Электроизолирующие свойства состава и его влагостойкость уже подтверждены гостовскими испытаниями. Автор разработки уверен, что препарат-электроизолятор может с успехом замедлять процесс коррозии. Этот «побочный эффект» будет следствием того, что «Рохер» не только перекроет доступ воды к металлу, но и будет препятствовать перетеканию электронов с поверхности металла к окислителю (окислителем является растворенный в воде кислород), а значит, существенно снизит скорость и электрохимической, и анодной коррозии. Именно сочетание водоотталкивающих и электроизолирующих свойств препарата оказалось как нельзя кстати для байкальского детектора, составляющие которого находятся под напряжением и постоянно соприкасаются с водой. По идее, «Рохер» должен помочь подавить все три типа коррозии, разрушающей гордость российской науки. Удобная инновация В производственном цехе в подмосковном Красногорске операторы смешивают готовые химические компоненты, а катализатор — ноу-хау Александра Макарова — синтезируется отдельно, в собственной лаборатории компании «ЛогТрансПром». «ЛогТрансПром», точнее, ее генеральный директор Михаил Журавский, выступил инициатором рождения «Рохера», а также инвестором и менеджером этого инновационного проекта. Изначально было решено выпускать «Рохер» в форме аэрозоля и расфасовывать в баллончики-распылители. «Нам нравится создавать новые продукты, простые и удобные в использовании, — объясняет Журавский, зачем он с партнерами пустился в эту затею. — Мы заметили, что при огромном многообразии средств, имеющихся в нише электроизоляционных материалов, ни одно их них не удовлетворяет потребителя на все сто процентов. Маслами, к примеру, невозможно обрабатывать поверхности со сложной геометрией, они не обладают достаточной адгезией. Изолента и термоусадочная пленка бесполезны, если нужно заизолировать электрические контакты в труднодоступных местах. Электротехнический вазелин, солидол и им подобные смазки нестойки и нетехнологичны — их нужно намазывать пальцем. Для нанесения электроизоляционных лаков требуются сложное оборудование и как правило высокие температуры. А наш препарат нужно просто встряхнуть и распылить — все остальное он сделает сам». За два года, 2007−й и 2008−й, в проект было вложено более 5 млн рублей. За это время и за эти деньги исходное кремнийорганическое соединение с неким набором свойств превратилось в линейку готовых продуктов под общим брендом «Рохер»: смазка «Автомобилист», консервант «Консерва», электроизолятор «Электрик» и его модификация «Водник» для условий повышенной влажности. Прежде всего инноваторы намерены продвигать препарат в двух нишах — ЖКХ и транспортная инфраструктура. В первой «Рохер» пригодится для обработки уязвимых с точки зрения электроизоляции и влагозащиты мест: электрощитов, лифтов, установленного в подвалах оборудования, антенн, водосливов, приводов гаражных ворот и даже таких мелочей, как висячие замки и дверные петли. Во второй — для защиты разных типов контактных групп и бетонных поверхностей тоннелей, опор мостов и путепроводов, которые страдают от агрессивных веществ, содержащихся в выхлопах автомобилей. «В выхлопных газах присутствует много окислов серы. При их соединении с влагой получается серная кислота, а бетон в атмосфере серной кислоты “плывет”, — объясняет Александр Макаров. — А наш препарат как раз очень хорошо стоит в кислоте». По оценкам Михаила Журавского, объемы ниши ЖКХ — тысячи тонн препарата и десятки миллионов рублей в год. Масштабы второй ниши уж точно не меньше. Основными преимуществами «Рохера» в борьбе за рынок станут удобство в эксплуатации, отсутствие хлопот с подготовкой поверхности и нетоксичность. Еще один несомненный плюс инновации — предельно простая технология применения. Узнаем через год Наступает самый ответственный момент эксперимента. Удостоверившись, что нога прочно стоит на краю майны, Александр Макаров склоняется над водой, поближе к кабелю, и направляет струю из баллончика на еще серые и уже рыжие проволоки оплетки. На обработку полутора метров кабеля выше зажима уходит секунд тридцать. Порция инновационного препарата достается и одному из двух зажимов-лягушек. Аэрозоль пузырится на металле, пузыри постепенно лопаются, образуется почти незаметное глазу бесцветное покрытие. Пробуем на ощупь — поверхность липкая, словно в клейстере. Игорь Белолаптиков прилепляет на оплетку хвостик ярко-голубой изоленты — он будет показывать границу обработанного и необработанного участков кабеля. «Ждем двадцать минут, пока завершится процесс полимеризации», — командует Александр Макаров. Мы с радостью пользуемся представившейся возможностью спрятаться в отапливаемый балок, который здесь в шутку называют кают-компанией. За горячим чаем, приправленным особыми байкальскими травами, ученые рассказывают, что, пытаясь хоть как-то обуздать коррозию, они уже перепробовали массу доступных им способов: обматывали кабели и разъемы изолентой, заливали жидкой резиной, покрывали эпоксидкой, вешали рядом с наиболее уязвимыми узлами болванки из алюминия, чтобы они оттягивали на себя блуждающие токи. Ничего не помогло. Интересно, что Институт физической химии и электрохимии РАН, наследник отечественной школы коррозионистов, куда специально привозили с Байкала куски съеденных ржавчиной кабелей, тоже ничем реально не сумел помочь создателям подводного детектора. И не только им. Отечественные специалисты-коррозионисты признают, что отсутствие эффективных практических методов подавления коррозии и коррозионно-стойких материалов сдерживает развитие целых отраслей. В их числе — машиностроение, металлургия, ТЭК, авиакосмическая техника и др. На массовом рынке тоже до сих пор нет средства, которое бы эффективно замедляло процесс коррозии и которым бы мог пользоваться любой неспециалист. Другими словами, ниша бытовых замедлителей коррозии, работающих по принципу «обработал и забыл», свободна. …Игорь Белолаптиков отпускает ржавый ручной тормоз лебедки. Щит с управляющими модулями и розетками разъемов медленно уходит в глубину. В прозрачной воде еще долго виден голубой «флажок» на кабеле-тросе. Откуда-то из-подо льда доносятся глухие стуки и что-то похожее на глубокие вздохи. Это первые признаки байкальской весны: за день на теплом солнце лед нагревается и расширяется, лопаясь в своей толще. Его толстый панцирь становится ненадежным, и нужно не упустить момент, чтобы вовремя свернуть ледовый лагерь. Смог ли «Рохер» приостановить коррозию, будет понятно через год, когда очередная, тридцатая по счету, зимняя экспедиция поднимет металлические конструкции и сравнит, что сталось с обработанными и с необработанными участками оплетки. Если свойства «Рохера» как замедлителя коррозии подтвердятся, для него это послужит входным билетом в колоссальную по объемам нишу подручных технических решений. Для Байкальского проекта успех эксперимента будет означать экономию самого дорогого ресурса — времени и творческой энергии команды, которые сейчас очень нужны для кардинального (в десятки раз) расширения подводной установки. Штаты при содействии Германии (проект AMANDA/IceCube) уже строят во льду Южного полюса свой детектор с чувствительным объемом 1 км3, который сможет регистрировать особо интересующие науку нейтрино с энергиями свыше 1016 электрон-вольт. Чувствительный объем байкальской установки пока 0,01 км3. Если мы хотим оставаться в числе мировых лидеров, нам от американцев отставать нельзя. Наука против ржавчины Основы отечественной научной школы в области изучения механизмов коррозии и методов ее подавления в 30–40−х годах прошлого столетия заложили академик Владимир Кистяковский и член-корреспондент АН СССР Георгий Акимов. Советские коррозионисты считались одними из самых сильных в мире. Так, Галина Чернова и Никон Томашов обнаружили, что, если вводить в сплавы небольшое количество палладия или платины, они хорошо пассивируются — на их поверхности образуется пленка, которая препятствует разрушению металла. Впоследствии реализовали это открытие американцы — научились использовать палладий и платину для легирования своих сплавов. Наши металлурги подобных сплавов не делают. В советское время локомотивом для развития многих направлений школы служили задачи, поставленные оборонкой. В частности, активное создание наземной инфраструктуры для военного космоса дало толчок исследованиям в области ингибиторов — замедлителей процесса коррозии. В отличие от защитных покрытий, которые, как правило, наносятся в промышленных условиях, например в гальваническом цеху, ингибиторы помогают отсрочить коррозионное разрушение уже собранных и запущенных в действие установок и сооружений. По словам доктора химических наук Юрия Кузнецова, заместителя директора Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина (ИФХ) РАН (наследника школы антикоррозионистов), это направление в России по-прежнему на мировом уровне. К примеру, специалисты института умеют конструировать на поверхности металлов супрамолекулярные структуры из наноразмерных монослоев разных ингибиторов. Эти наработки можно использовать, в частности, для создания средств временной защиты металлоконструкций от атмосферной коррозии. «Мы близки к созданию технологии, которая позволит без последствий держать металлические изделия в течение определенного времени на улице или перевозить их без всякой упаковки», — говорит Юрий Кузнецов. Еще один многослойный пирог, уже другой природы, создан под руководством доктора технических наук Владимира Головина для работы в высокоагрессивных средах. «Это полимерные градиентные покрытия, состоящие из нескольких слоев, которые наносятся один на другой, — объясняет Юрий Кузнецов. — Один слой обладает, например, низкой водопроницаемостью, другой обладает низкой проницаемостью агрессивных хлоридов, третий — сульфатов и так далее». Такие покрытия используют, в частности, для теплообменников, в том числе на АЭС. Создан даже специальный робот, который наносит эти полимерные пасты на внутреннюю поверхность узких трубок, залечивая тем самым пораженные коррозией участки. Однако, несмотря на все усилия науки, коррозия продолжает собирать дань со всех агрегатов и сооружений, где есть хоть один металлический болт. /, 26.05.09/ |