НАУКА И ОБЩЕСТВО: РЕПОРТАЖ С БЕРЕГОВ НЕВЫ
Среди нескольких десятков интереснейших докладов, прозвучавших на форуме в течение трех дней, специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь" остановилась на выступлениях "нобелевцев": физиков Карло Руббиа и Айвара Джайевера, химика Яна Ли, а также академиков Евгения Велихова, Дмитрия Львова, Александра Некипелова, Филиппа Рутберга, докторов физико-математических наук Вячеслава Андреева и Сергея Капицы. Размышляя о тайнах Вселенной и насущной необходимости поиска возобновляемых источников энергии, о жестком прессинге общества потребления на окружающую среду, о глобальном потеплении и угрозе биоразнообразию земного шара, ученые в который раз задаются тревожным вопросом: не оказывается ли человечество у последней черты?
ТАЙНЫ ВСЕЛЕННОЙ
Карло Руббиа, итальянский физик, нобелевский лауреат 1984 года, удостоенный премии за работы, которые привели к открытию элементарных частиц, служащих переносчиками слабого взаимодействия, - W- и Z-бозонов, рассказал об экспериментах последних лет, проводившихся в ЦЕРНе - Европейской организации ядерных исследований. В свое время, имея группу в 100 человек, Руббиа обеспечил реализацию грандиозного проекта ЦЕРНа - постройку сверхмощного протонного ускорителя, а также создание 1200-тонной детекторной камеры, позволяющей идентифицировать и определять свойства новых частиц, поисками которых занимаются ученые. В последние годы им удалось существенно продвинуться в понимании процессов, происходящих во Вселенной. Астрофизики уверены, что основную часть Вселенной заполняет пока еще неуловимая темная материя. В настоящее время наиболее вероятным "подозреваемым" на роль завладевших нашим миром невидимок считаются WIMPs - слабовзаимодействующие с обычным веществом массивные частицы ("вимпсы"). Они тяжелее протонов и нейтронов, из которых состоят ядра атомов, и способны взаимодействовать с ними только посредством гравитации. Никаким другим образом оказывать влияние на обычное вещество они не могут. Для регистрации очень редких столкновений между WIMPs и нормальными частицами физики устанавливают детекторы глубоко под землей, ограждая их таким образом от космических лучей, способных исказить картину. Несветящаяся темная материя предположительно образует гало, окружающее галактики наподобие облака и простирающееся в десятки раз дальше их видимой границы. Взаимодействие частиц темной материи, в первую очередь их аннигиляция, очень интересует физиков. Поток гамма-квантов, родившихся после аннигиляции разновидностей WIMPs, называемых нейтралино, может быть на порядок выше, чем считалось ранее. Для разработки моделей этих процессов используют теорию суперсимметрии (SUSY). Эксперименты, проводимые сейчас в ЦЕРНе по детектированию WIMPs и SUSY-эффектов, могут помочь экспериментаторам получить новые знания об устройстве мира.
Академик Евгений Павлович Велихов начал свое сообщение "Вращение во Вселенной" со слов, что российским ученым следует говорить о простых и дешевых вещах, учитывая взаимоотношения науки и общества в нашей стране. Он рассказал об изящных и недорогих экспериментах, проводимых в возглавляемом им Российском научном центре "Курчатовский институт". Цель этих экспериментов - моделирование в лабораторных условиях процессов, происходящих в галактиках.
Приблизительно 80% галактик высокой светимости (светимость галактик меняется от нескольких миллионов светимостей Солнца до нескольких сотен миллиардов - для галактик-гигантов) относятся к спиральным. Любую спиральную галактику можно представить в виде газового диска. Этот диск крутится дифференциально: в середине - быстрее, а по краям, на периферии, - медленнее. Поэтому ученые давно задаются вопросом, почему характерный симметричный спиральный узор дисковых галактик не исчезает, ведь, казалось бы, дифференциальное вращение должно растянуть и размыть его за несколько оборотов?
Ученые из Курчатовского института смоделировали спиральную структуру галактик, заменив газ водой. В специальной "сковородке" они крутили с разными скоростями налитую тонким слоем воду. Результаты опытов подтвердили, что движение воды и процессы в газовом диске галактики можно описать одинаковыми уравнениями гидроаэромеханики. Таким образом, модельный эксперимент подтвердил предсказанный теоретиками механизм образования галактик, так называемую гидродинамическую теорию формирования спиральной структуры галактик с быстро вращающимся ядром. За это исследование физики Курчатовского института получили Государственную премию. Сейчас ученые готовят другой оригинальный эксперимент, который будет моделировать процессы, определяющие солнечную активность, а также явления, происходящие при падении вещества на гравитирующий центр. Моделирование нестационарных гравитационных процессов представляет особый интерес, поскольку они служат основным источником энергии в космосе.
ПЛАЗМА НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЕ
Академик Филипп Григорьевич Рутберг, директор Института проблем электрофизики (ИПЭФ) Российской академии наук, рассказал о разработках ученых института в области использовании биомассы в качестве возобновляемого, экологически чистого источника энергии.
Сегодня уже 14% мировой энергетики работает за счет возобновляемых источников энергии, в том числе 11% - за счет биомассы, запасы которой колоссальны. Ее использование может дать 92 миллиона тераджоулей энергии в год. По мнению академика, для этого надо заменить малоэффективные, экологически опасные методы переработки отходов, включающие реакцию с кислородом, на высокотехнологичные плазменные методы переработки биомассы. Новый метод обращения с отходами - высокотемпературный плазменный пиролиз - использует достижения физики плазмы и ракетной техники. Основа плазменной переработки отходов - разложение молекул на атомы при температурах от 1200 до 2000оС (для самых вредных соединений - до 4000оС). Последующее быстрое охлаждение, так называемое закаливание, не дает возможности соединиться им снова. Плазменный метод практически незаменим для переработки отходов сельского хозяйства, деревообрабатывающей, лесной, химической промышленности и медицинских учреждений. Такие отходы часто весьма токсичны или опасны с точки зрения распространения инфекции. Плазменный пиролиз позволяет опасные вещества необратимо перевести (без сортировки) из твердого состояния сразу в газовое и получить синтез-газ - смесь водорода с монооксидом углерода (СО), которая лишь немногим уступает по энергетической ценности природному газу.
Первая созданная в ИПЭФ РАН установка предназначена для переработки весьма специфичного смешанного вида отходов - медицинских. Установка производительностью 150-250 кг/ч (это потребности большого госпиталя) была сделана по заказу и на средства США. Позже в США построили другие установки, которые уже обогревают небольшие городки с населением порядка 30 тысяч человек. Наши плазмотроны работают также в Японии, на Тайване, колоссальные заказы сделал Китай.
Плазмотроны, сконструированные в ИПЭФ РАН, работают на переменном токе. Это делает их более дешевыми, эффективными и надежными по сравнению с установками такого типа, изготовленными в Германии, где электрическая дуга для превращения газа в плазму зажигается с помощью постоянного тока. В России плазмотроны петербургских ученых пока не востребованы. Но разработчики уже договорились с властями Ленинградской области о строительстве в Лодейном Поле крупного завода для утилизации отходов города и частично для его теплоснабжения.
БЛЕСТЯЩЕЕ БУДУЩЕЕ СОЛНЕЧНОЙ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ
О достижениях солнечной фотоэнергетики - абсолютно чистого источника энергии - рассказал доктор физико-математических наук Вячеслав Михайлович Андреев, заведующий лабораторией Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (ФТИ). Фотоэлементы нашли практическое применение лишь с середины 50-х годов, когда удалось достигнуть достаточно высоких значений кпд. Современная солнечная фотоэнергетика базируется на кремниевых фотоэлементах на основе гетерострук тур, мощность которых в последние годы растет с небывалой скоростью - 30-40% в год. В общей сложности в мире установки солнечной фотоэнергетики производят сейчас один гигаватт энергии в год. К 2030 году, как ожидается, эта цифра вырастет до 200 гигаватт. Переход от однопереходных фотоэлементов (содержащих один p-n-переход) к четырехпереходным дал трехкратное увеличение их кпд - до 33% при наземных измерениях. Для создания таких сложных структур в ФТИ построена современная техническая установка, на которой сейчас ведут работы с четырех-пятислойными фотоэлементами, и уже достигнут кпд более 35%. То есть ученые вплотную подошли к возможности создания экономически эффективных четырехпереходных элементов с кпд 45%.
Каскадные фотоэнергосистемы на основе As-Ge способны концентрировать солнечную энергию в сотни тысяч раз, благодаря чему их можно применять не только в космосе, но и на Земле.
Одна из задач солнечной фотоэнергетики - разработка эффективных концентраторов света, первые из которых были основаны на параболических зеркалах. В современных концентраторах, использующих панели, собранные из микролинз Френеля, удалось преодолеть основную проблему - тепловые потери и перегрев элементов.
Перспективное направление развития фотоэнергетики - солнечные термофотобатареи, позволяющие получать селективное излучение (излучение определенного спектра). Разработанные термофотобатареи уже имеют кпд 27%.
Суммируя достижения солнечной фотоэнергетики, профессор В. М. Андреев констатировал, что эффективность кремниевых элементов выходит на насыщение. Это требует поиска новых материалов для солнечных батарей. Фотоэлементы могут стать конкурентоспособными с другими источниками энергии, если стоимость вырабатываемой с их помощью энергии снизится до 0,5 евро за один ватт мощности. Как ожидают ученые, этого можно достичь к 2030 году, пока же солнечная энергия обходится в 3 евро за один ватт.
У ПОСЛЕДНЕЙ ЧЕРТЫ
Ян (Юань-Цзе) Ли, тайваньский физико-химик, получивший Нобелевскую премию в 1986 году за вклад в развитие исследований динамики элементарных химических процессов, назвал XXI век критическим для человечества. На рубеже двух веков мы вступили в новую эпоху: на смену конкуренции, основанной на военной гонке, пришла конкуренция в области высоких технологий.
"Одни это поняли и начали богатеть, другие еще не поняли, и это скоро скажется на их благополучии", - считает ученый. По мнению Яна Ли, человечество уже в ближайшее время может столкнуться с проблемой голода из-за острой нехватки источников энергии, с экологическими катастрофами - из-за "сверхразвития", со страшными эпидемиями - из-за стремительного переноса по миру бактерий и вирусов, которые гораздо быстрее человека приспосабливаются к новым условиям существования. "Наш мир стремительно сжимается! Мы движемся к миру без границ", - утверждает Ян Ли.
Если тайваньский ученый говорил о сжатии пространства, то профессор Сергей Петрович Капица - о сжатии времени. Каждая последующая эпоха, переживаемая человечеством, становится все короче. Однако, согласно его теории, народонаселение планеты не будет стремительно увеличиваться бесконечно, и уже к 3000 году, в не столь отдаленном по меркам истории будущем, приблизится к своему пределу, который оценивается в 10-12 миллиардов человек (см. "Наука и жизнь" № 3, 1998 г.). Однако, по мнению профессора, лимитирующие факторы роста народонаселения - не среда и не ресурсы. Переход к стабильной популяции определяется пределами возможностей информационного общества, в эпоху которого мир уже вступил.
НАУКА И ЭКОНОМИКА
Ян Ли в своем выступлении отметил, что наука не может развиваться по плану. Практически все самые значимые достижения и открытия ХХ века не были предсказаны: ни полупроводники, ни компьютеры, ни космические исследования, ни успехи генетики. Диссонансом этому факту прозвучал доклад академика Александра Дмитриевича Некипелова о среднесрочной правитель ственной программе развития экономики в России, в том числе науки и наукоемких технологий. В планах правительства - финансирование науки по конечному результату, то есть переход на сметное финансирование, что, по мнению академика, для фундаментальной науки и здравоохра нения нереально и даже опасно. А. Д. Некипелов отметил резкое падение спроса в стране на наукоемкие технологии и существенную потерю потенциала в высокотехнологичном секторе экономики. Академик Дмитрий Семенович Львов привел подтверждающие это мнение данные. В 1992 году рост ВВП в наукоемком секторе России составлял 7,3% в год, а в 2000-м - 0,9%. Для сравнения: в США эти цифры составляли соответственно 28,1 и 33,9%.
По мнению академика А. Д. Некипелова, страна сейчас находится на некоем переходном рубеже, когда необходимо осознать опасность сырьевой модели, выработать стратегическую цель и найти средства для ее реализации. Без активных действий государства решить задачу модернизации экономики невозможно. Видит ли правительство в Академии наук "локомотив" перехода к инновационной экономике? С одной стороны, есть мнение о целесообразности перевода Академии на самоуправление, но одновременно рассматривается вопрос о назначении директоров институтов.
"Забудьте о грантах! Займитесь маркетингом, - посоветовал в своем докладе "Как начинать бизнес в области высоких технологий" лауреат Нобелевской премии американец Айвар Джайевер. - Правда, существует миф, что ученые - плохие бизнесмены, - добавил он, - и это сущая правда!"
Действительно, ученым есть чем заняться и помимо бизнеса. Ведь, как сказал Карло Руббиа, мы до сих пор не знаем, чем заполнены 95% Вселенной.
