Передний край

Сразу три проекта Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН были поддержаны Минобрнауки РФ по итогам конкурса федеральных целевых программ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». В Уральском регионе таких проектов-победителей всего восемь. Уральские электрохимики создают энергосберегающий способ получения сплавов алюминия со скандием и с бором, разрабатывают новый токоподводящий анодный узел электролизера Содерберга для ОАО «РУСАЛ Красноярск» и создают технологию пироэлектрохимической переработки отработавшего ядерного топлива в замкнутом топливном цикле. В реализации этих проектов заинтересованы такие крупные предприятия, как «ОК РУСАЛ», ГНЦ-НИИ атомных реакторов, ОАО «Газпром», НПЦ магнитной гидродинамики, Красноярский алюминиевый завод, ООО НПФ «Сосны», ОАО «Сверд-НИИхиммаш». Сегодня все они — индустриальные партнеры ИВТЭ.

Незаменимые сплавы
Новые энергосберегающие технологии получения сплавов алюминия со скандием и алюминия с бором, которые разрабатываются в лаборатории электродных процессов ИВТЭ УрО РАН под руководством доктора химических наук профессора Ю.П. Зайкова, будут испытаны на крупномасштабной лабораторной экспериментальной установке уже в 2015 году. Этому предшествовала большая работа, но прежде чем рассказать о ней, несколько слов о ценности алюминиевых сплавов.
Сплавы алюминия со скандием обладают повышенной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, что отвечает потребностям высокотехнологичных отраслей — автомобильной и аэрокосмической, роботостроения, однако используются они пока очень ограниченно из-за их высокой стоимости. Сплавы алюминия с бором также отличаются высокой прочностью, а еще хорошей электропроводностью и могут применяться в качестве относительно недорогого легирующего материала и для очистки алюминия от переходных элементов, что повышает его чистоту и улучшает эксплуатационные характеристики. Лигатуры Al-B выпускают лишь несколько предприятий в мире, а в России их вообще не производят.

Как известно, заинтересовать производственников в реализации отечественных наукоемких технологий, в частности в переработке техногенных отходов, даже в нынешних условиях кризиса и политики импортозамещения очень непросто. Но ученым из Института металлургии Уральского отделения РАН это, похоже, удалось. Для начала они выиграли конкурс и получили субсидию в 26 миллионов рублей из федерального бюджета на трехлетние прикладные исследования в номинации «рациональное природопользование». Между прочим победителей этого конкурса в Свердловской области всего три: ИМет, Институт горного дела УрО РАН и Уральский федеральный университет. Теперь ученые-металлурги разрабатывают технологию получения композиционных флюсообразующих добавок на основе отходов производства вторичного алюминия для полной комплексной переработки высококальциевых рафинировочных шлаков в шлаковый щебень и минеральные вяжущие вещества. Проект этот комплексный, он охватывает три промышленные отрасли: черную металлургию (производство стали), цветную металлургию (производство алюминия) и строительство. Уральские специалисты придумали, как с выгодой для всех участников цепочки утилизировать сразу два вида техногенных отходов: алюминиевого и сталеплавильного производств.
О проекте и итогах первого года его реализации рассказал руководитель работы доктор технических наук Олег Юрьевич Шешуков (лаборатория пирометаллургии черных металлов Института металлургии УрО РАН):
— Многие виды шлаков черной металлургии перерабатываются и используются в строительстве, но это касается только стабильных шлаков. А мы выбрали отходы, до сих пор утилизации не подлежавшие, — высококальциевые рафинировочные шлаки, которые при охлаждении и затвердевании претерпевают так называемый силикатный распад, превращаясь в мельчайшую пыль. Использовать их невозможно, они просто помещаются в отвалы. Объем образования таких шлаков составляет около 2 % от объема производства стали. В России ежегодно выпускается около 70 миллионов тонн стали, соответственно образуется до 1,4 миллионов тонн саморассыпающихся шлаков. Для Свердловской области, где сосредоточено множество металлургических предприятий, это тоже довольно серьезная проблема.

Звезда по имени Солнце для нас, землян, — без преувеличения «наше все». Она светит, греет, а еще предоставляет человечеству неисчерпаемый энергетический ресурс. Эксперименты по преобразованию солнечной энергии в электричество в промышленных масштабах начались в 1980-е годы. Сегодня гелиоэлектростанции становятся существенной частью европейской энергетической инфраструктуры, активно развивается солнечная энергетика в США и Канаде. Подобные энергетические проекты привлекательны для экваториальных стран с максимальным солнечным ресурсом. Есть даже планы строительства солнечных электростанций на орбите.
Каким же образом происходит преобразование солнечного света в электричество? На полупроводниковую пластину падает поток фотонов, которые поглощаются атомами поверхностного слоя полупроводника; в результате образуются пары электрон — дырка, которые разделяются на p-n-переходе и формируют потенциал на выходных контактах такого устройства. Фотопреобразователи — солнечные батареи — рассчитаны на преобразование видимой части солнечного спектра. Рекордный КПД таких приборов достигает 40%. Основные усилия ученых и производителей солнечных батарей направлены на повышение эффективности преобразования и снижение стоимости. А еще очень важно, чтобы они были легкими и для их производства требовалось меньше ресурсов, электроэнергии и дорогих материалов, поскольку нужны квадратные километры солнечных батарей. Именно поэтому сегодня наиболее перспективно создание тонкопленочных солнечных панелей.

Международная группа ученых расшифровала геном человека, жившего около 45 тысяч лет назад в Западной Сибири. ДНК была выделена из кости, найденной на берегу Иртыша в одном из сел Омской области. Свой вклад в общее дело внесли и уральские ученые: они дополнили данные генетиков информацией о среде обитания человека того времени. Итоги масштабного исследования были опубликованы в конце октября на страницах журнала «Nature». Подробнее о находке и ее изучении корреспонденту «НУ» рассказал исполняющий обязанности заведующего лаборатории палеоэкологии Института экологии растений и животных УрО РАН кандидат биологических наук Павел Андреевич Косинцев.
— Фрагмент бедренной кости древнего человека был найден вместе с останками других млекопитающих на берегу реки Иртыш в 150 километрах от Тобольска, в селе Усть-Ишим Омской области. Берега рек — традиционный объект полевых исследований как у профессиональных палеонтологов, так и у любителей. Крупные водные артерии, такие как Иртыш и Обь, каждую весну выносят на берег множество костей, вымывая их из отложений. Благодаря этому без существенных затрат времени и сил можно получить большие коллекции ископаемых.

Не так давно в Свердловской области отмечали 310-летие уральской металлургии. Дата, конечно, славная, но у нее есть и «оборотная» сторона. За три с лишним века развития металлургической промышленности на Урале накопились сотни миллионов тонн отходов, включая вскрышные горные породы, отвалы обогатительных фабрик, отходы металлургических переделов. Одной из самых серьезных проблем стало накопление токсичных отходов алюминиевого производства — красных шламов. На российских предприятиях их ежегодно складируют более 10 миллионов тонн, а утилизируется не более 5%.
О проблемах и перспективах переработки красных шламов мы поговорили с директором Института металлургии УрО РАН доктором технических наук Е.Н. Селивановым. Для начала я попросила Евгения Николаевича обрисовать общую ситуацию на мировом и российском рынках алюминия.
— Сегодня мировое производство алюминия достигает 50 миллионов тонн в год. Исходное сырье для этого — бокситы, в ходе металлургической переработки которых (способами Байера и спекания) выделяют глинозем, а затем электролизом — «крылатый» металл. Россия выпускает его свыше 3 миллионов тонн в год на заводах Сибири, Урала и других регионов. Среди предприятий, выпускающих алюминий, только уральские обеспечены собственным отечественным сырьем. В этом есть свои преимущества и недостатки. Заводы не зависят от внешних источников сырья, но в ходе переработки бокситов образуется от одной до полутора тонн красного шлама на каждую тонну глинозема. На уральских предприятиях «производится» 1,5 миллиона тон красного шлама ежегодно.

Недавний результат группы физиков-теоретиков под руководством академика М.В. Садовского (Институт электрофизики УрО РАН) был признан Объединенным ученым советом по физико-техническим наукам Отделения одним из важнейших достижений 2013 года. Ученые исследовали электронную структуру нового высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) халькогенида железа и провели сравнение двух классов новых ВТСП — халькогенидов и пниктидов железа.
Напомним читателю, что первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводников на основе купратов открыли Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году, за что уже в 1987 им была присуждена Нобелевская премия. Однако, по словам Михаила Виссарионовича Садовского, несмотря на беспрецедентные усилия мировой науки за прошедшие с тех пор без малого тридцать лет, природа высокотемпературной сверхпроводимости в купратах до конца не выяснена.
В 2008 году был открыт новый класс ВТСП — слоистые соединения на основе пниктида железа, а позже халькогенида железа. Уральские физики-теоретики сразу приступили к их исследованию. В том же году академик М.В. Садовский опубликовал в журнале «Успехи физических наук» первый в мировой литературе обзор, посвященный новому семейству ВТСП. А последний его результат выставлен на интернет-сайте Международного архива препринтов, существующий уже 25 лет , на который любой активно работающий физик может выложить свои результаты до того, как они будут опубликованы в «бумажном» варианте.
О новых высокотемпературных сверхпроводниках и в целом о природе высокотемпературной сверхпроводимости — наша беседа с Михаилом Виссарионовичем.
— Открытие 2008 года сопоставимо со сверхпроводниковым бумом 1986-го?
— В общем, да, во всяком случае, оно вызвало явный всплеск интереса к высокотемпературной сверхпроводимости. ВТСП на основе железа посвящены уже более тысячи статей. И это неудивительно, ведь их открытие нарушило «монополию» купратов в физике ВТСП и продемонстрировало возможность синтеза других перспективных высокотемпературных сверхпроводников. Но главное, надеюсь — исследования нового класса ВТСП позволят продвинуться в теоретическом понимании механизмов высокотемпературной сверхпроводимости.