Деловой, научно-технический журнал

Карбоновая поляна как колыбель шестой революции машин

 

 

ВИКТОР ЛЕОНОВ, к.т.н., главный редактор журнала "Современное машиностроение"

 

 

По всем известным признакам мы находимся на пороге шестого цикла Кондратьева или другими словами – шестого технологического уклада. Согласно известному утверждению австрийского экономиста Йозефа Шумпетера каждому такому периоду предшествует инновационный взрыв – появление и быстрое распространение прорывных инноваций.

 

В самом упрощенном виде инновации принято подразделять на базисные (прорывные) и улучшающие. Все они являются коммерческим воплощением соответствующих новаций - открытий и изобретений. Далеко не все новации сразу после их появления оказываются вовлеченными в хозяйственный оборот. Они могут быть не востребованы в силу различных причин, как то: неготовность экономического и социального общественного устройства, отсутствие или несоответствие существующих промышленных технологий, отсутствие материалов с необходимыми свойствами, и пр. Это вовсе не означает их бесполезность. Напротив, такие новации в совокупности формируют бесценный технологический потенциал человечества и могут быть востребованы с появлением новых знаний на новом этапе развития по прошествии десятилетий или даже веков.

Оценивая какую-либо инновацию необходимо учитывать следующее:

- каждая оценка может считаться объективной и верной только для конкретного временного отрезка, соответствующего конкретному технологическому, экономическому и социальному укладу;

- ценность инновации во многом зависит от ее способности к диффузии, то есть от того, насколько данная инновация применима и востребована в самых разных сферах жизнедеятельности;

- существуют ложные инновации (энергия торсионных полей, фильтры Петрика, восстанавливающие числовые ряды Грабового и т.п.), которые в идеале вообще не должны являться предметом оценки научного и делового сообщества, а потому рассматривать их в данной статье мы не будем.

Базисные инновации неодинаковы по своему значению. Существуют базисные инновации, которые при всем своем глобальном характере имеют достаточно короткий жизненный цикл, обусловленный появлением новых, вытесняющих технологий. В качестве примера можно привести следующую последовательность: виниловые пластинки (фото- и кинопленки) → магнитные пленки и кассеты → оптические компакт-диски → полупроводниковые носители информации. Такие инновации образуют последовательный поступательный вектор развития.

Вместе с тем, примерно раз в 48 лет (период цикла Кондратьева) на этапе общей экономической депрессии возникают кластеры базисных инноваций, которые приводят  к резкому повышению производительности труда и общему снижению стоимости единицы продукции массового потребления. Формируется новая повышательная траектория экономического развития. На этом этапе особенно большое значение имеет появление множества улучшающих инноваций. Их совокупность обеспечивает диффузию новых  магистральных технологий в смежные отрасли и вызывает синергетический рост экономики в целом. Все это в свою очередь порождает новые стандарты качества жизни и социального устройства общества. Очевидно, что в этом случае инновации из фактора экономики становятся уже категорией геополитики.

Экономист Николай Кондратьев начал отсчет больших циклов мировой экономической конъюнктуры, названных его именем, со второй половины XVIII века, что объяснял отсутствием более ранних макроэкономических данных. Однако неслучайно именно в это время появляются первые инженерные устройства для полезного преобразования материалов, энергии и информации – машины, а также их производство – машиностроение. И если некоторые инновации, которые называют инфраструктурными, распространяют свое влияние на два и более цикла Кондратьева, то технологии машиностроения безусловно составляют общую парадигму технического прогресса. И при этом, что очень важно, уровень развития машиностроения является главным индикатором научного, технологического и экономического уровня развития того или иного государства.

Первым промышленным товаром массового потребления была, как известно, одежда, а точнее ткань для ее изготовления. Поэтому естественным началом промышленной революции стало изобретение в 1764 году английским ткачом Джеймсом Харгривсом механической прялки, которую он назвал в честь своей дочери «Дженни». Эта прялка резко, примерно в двадцать раз увеличивала производительность труда прядильщика в не зависимости от его квалификации. После ряда улучшающих изобретений ткацкие машины и ткацкие фабрики  уже в девяностых годах XVIII века получили повсеместное распространение, а текстильная промышленность Англии поставила себя вне конкуренции, снабжая тканями все развитые страны мира. Собственно с этого времени и начинается отсчет больших экономических циклов.

Функционально любую машину независимо от ее целевого предназначения можно условно представить как совокупность трех основных частей: механической (комплекс исполнительных и передаточных механизмов); энергетической (устройства для преобразования одного вида энергии в другой) и информационной (автоматизированные системы сбора, обработки данных и принятия решений). Многократное и относительно быстрое увеличение эффективности хотя бы одной из этих составляющих за счет появления новых материалов, технологий, источников энергии лежит в основе каждого нового технологического уклада.

Первые три цикла Кондратьева последовательно сформировали почти весь типовой ряд существующих сегодня механизмов и энергоустановок. В исторически короткий промежуток времени были изобретены почти все известные виды двигателей, некоторые из которых, например двигатель Стирлинга, находят коммерческое применение только сейчас. В свою очередь прогресс в машиностроении вызвал бурное развитие транспорта, металлургии, прикладной химии, добывающих отраслей.

Начиная с четвертого цикла, наряду с появлением принципиально нового типа энергогенерации – атомной энергетики, стало возрастать значение информационной составляющей машин. Толчком для этого послужило внедрение практически во всех отраслях промышленности конвейерно-поточного массового производства на основе научной организации труда, развитие средств коммуникации и появление электроники -  в начале ламповой, а затем и полупроводниковой. Дальнейшее экспансивное развитие информационных технологий связано с началом формирования пятого технологического уклада, базисной инновацией которого стала микроэлектроника.

 

Пузыри и ориентиры

Развитие информационных и коммуникационных технологий на основе кремниевой микроэлектроники было столь впечатляющим, что породило распространенное мнение об окончании промышленного этапа развития цивилизации и о начале эры постиндустриального общества. Сейчас понятно, что поощрение вывода массового промышленного производства в развивающиеся страны было стратегической ошибкой развитых государств. Эта ошибка привела к существенной деградации мировых индустриальных центров таких, например, как Детройт, но, с другой стороны, способствовала возникновению новых промышленных центров в Китае и других странах с развивающейся экономикой. Впрочем, политика новой индустриализации, объявленная США и другими развитыми странами способна в достаточно короткий срок вновь кардинально изменить ситуацию. Разумеется, если эта политика строится на внятных целевых критериях, принятых на законодательном уровне, а также на промышленном освоении перспективных технологий нового технологического уклада.

Контуры этого развития уже достаточно отчетливы для того, чтобы можно было их назвать, не особенно рискуя ошибиться. В нашей официальной риторике эти направления почему-то  принято называть пузырями: «зеленый пузырь», «сланцевый пузырь» и т.п. В причинах такой, вызывающей недоумение позиции разбираться мы не будем: они, в общем-то, лежат на поверхности. Однако попробовать оценить перспективы новых технологий и разобраться, насколько существенным может оказаться их влияние на наше близкое будущее все-таки стоит.

Итак -  «зеленый пузырь», или на гражданском языке – получение энергии из возобновляемых источников. Теоретической основой для критиков альтернативной энергетики служит концептуальный доклад, сделанный Петром Леонидовичем Капицей на сессии Академии наук СССР, посвященной 250-летнему юбилею Академии. Было это в 1975 году. Как раз в самом начале пятого экономического цикла. Выдающийся ученый, безусловно, сделал объективную, глубокую и исчерпывающую оценку возможностям альтернативной энергетики, опираясь на существующие в то время знания. Подчеркиваю: основываясь на знаниях, существовавших именно в тот конкретный временной период!

Не претендуя на полноту обзора, перечислим лишь некоторые из новых технологий, которые по информации из различных открытых источников находятся на стадии опытно-промышленных работ и достаточно скоро могут не только существенно изменить ситуацию на мировых рынках, но и серьезно повлиять на нашу повседневную жизнь.

О чем не мог догадываться академик Капица? Например, об углеродных нанотехнологиях, потенциал которых действительно поражает воображение. Первым доступным двумерным материалом стал, как известно, графен, за открытие и исследование которого два профессора Манчестерского университета – Андрей Гейм и Константин Новоселов, были удостоены Нобелевской премии, а также титулов рыцарей-бакалавров. Еще раньше были открыты другие формы углеродных наноматериалов – углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные сферы (фуллерены) с толщиной стенок в один атом. На сегодняшний день центры по изучению наноматериалов и созданию на их основе коммерческих приложений существуют практически во всех ведущих университетах мира. Тем не менее, после шумного ажиотажа, вызванного первыми результатами исследования их уникальных свойств, сейчас наблюдается некоторое информационное затишье. Маркетологам и пиарщикам хорошо известно, что это состояние обычно предшествует выводу на рынок новых технологий и новой продукции. А для того, чтобы рынок был подготовлен к их восприятию, организуются тщательно дозированные «утечки» информации в СМИ. Так вот, ориентируясь даже на такую скудную информацию можно с уверенностью утверждать, что в ближайшем будущем нас ожидают прорывы в области тепловой и особенно электрической аккумуляции, а также появление фотоэлектрических элементов на основе графена, имеющих коэффициент полезного действия, кратно превышающий тот, что сегодня демонстрируют кремневые солнечные панели. Уже этих приложений было бы достаточно для того, чтобы сделать выводы о том, что грядущее поколение машин неузнаваемо изменит весь уклад нашей жизни. А где эти изменения произойдут раньше и кому оставаться в стороне от прогресса, определится в ближайшие несколько лет. То есть, время еще есть, но его все меньше и меньше.

Еще одна поистине революционная  технология представлена американской компанией Coskata. Суть этой технологии заключается в изготовлении этанола из любого сырья, содержащего углерод (в том числе из твердых производственных и бытовых отходов), путем получения синтез-газа в процессе газификации сырья с дальнейшей прямой конверсией синтез-газа в этанол. Ядром технологии является биореактор с глубоководными бактериями, подвергнутыми генной модификации. Эти микроорганизмы потребляют синтез-газ (CO + H2) и выделяют чистый этиловый спирт, оставаясь практически не восприимчивыми к  примесям, что снижает требования к качеству исходного сырья. Стоимость конечного продукта, объявленная компанией Coskata, составляет 26 центов за литр, что уже значительно дешевле, чем стоимость эталона, полученного традиционным образом из растительного сырья, но при этом не происходит вытеснения продукции сельского хозяйства из производства продуктов питания и кормов для скота. Особенность технологии Coskata состоит в том, что она практически стирает грань между биотопливом, к которому традиционно причисляют этанол, и топливом, полученным из ископаемого не возобновляемого сырья, ведь одним из наиболее экономически эффективных способов получения больших объемов синтез-газа является технология подземной газификации угля (ПГУ). Горячая дискуссия о том, что важнее: продукты питания или биоэнергетика, не стихающая со времен знаменитого доклада академика П.Л.Капицы, объявляется закрытой.

В этой связи интересным представляется проект строительства станции ПГУ для промышленной добычи синтез-газа из пластов бурого угля на Чукотке. Проект реализуется компанией Ervington Investments, которая принадлежит Роману Абрамовичу, совместно с австралийской компанией Linc Energy. Проект любопытен уже тем, что представляет собой не только поучительный пример грамотного реэкспорта технологий, но и пример, наглядно иллюстрирующий тезис о том, что некоторые изобретения могут десятилетиями ждать своего часа. Метод ПГУ был предложен Д.И.Менделеевым в восьмидесятых годах XIX века и воспет В.И.Лениным в статье, опубликованной в газете «Правда» под названием  «Одна из великих побед техники». СССР многие годы был безусловным лидером  в этой области. Достаточно сказать, что станция ПГУ на Ангренском месторождении бурого угля в Узбекистане, запущенная в эксплуатацию еще в шестидесятых годах прошлого века легендарным ВНИИПодземгаз (ныне – ОАО «Газпром промгаз»), на сегодня является единственным коммерческим промышленным энергетическим предприятием такого типа. И принадлежит это предприятие как раз компании Linc Energy, которая была учреждена в Австралии при участии канадской компании Ergo Exergy, которая в свою очередь была основана при участии специалистов в области ПГУ, эмигрировавших из СССР  в Канаду в 1991 году. Такой вот затейливый получился вираж. Остается добавить, что, по некоторым сведениям, научное сопровождение работ Linc Energy осуществляет Институт горного дела им. А.А.Скочинского.

Целью чукотского проекта по заявлению компании Ervington Investments является получение жидкого топлива, но тип топлива не уточняется. Это может быть давно и хорошо освоенная технология получения моторного топлива на основе процесса Фишера — Тропша, но, с учетом того, что синтез-газ также является наиболее продуктивным источником получения водорода, этим топливом может быть и сжиженный водород. Косвенным подтверждением этого служит тот факт, что Ervington Investments принадлежит более 15%  акций в британской компании AFC Energy, занимающейся разработкой недорогих водородных топливных ячеек. Ну, а если представить, что проект будет когда-нибудь дополнен технологией Coskata, то Роман Аркадьевич имеет все шансы превратить Чукотку с ее скудной флорой в крупного игрока на рынке биотоплива.

Что касается развития механической составляющей машин, то и здесь углеродные технологии обещают нам массу перемен.

Объемная печать давно не является предметом литературных фантазий. Уже сегодня 3D-принтеры успешно используются на малых и средних производственных предприятиях и показывают неплохие темпы роста рентабельности. Это при том, что в качестве расходных материалов пока в основном используются старые добрые АБС-пластики. Неизбежное снижение стоимости самих принтеров и появление на рынке недорогих расходных композитных материалов с заданными свойствами на основе углеродных нанотехнологий позволит получать очень и очень многие предметы повседневного спроса, что называется непосредственно из Интернета. Никогда еще массовое конвейерное производство полного цикла не получало такие серьезные вызововы!

Впрочем, не менее существенное влияние композитные наноматериалы уже оказывают на авиационную и космическую промышленность. Доля таких материалов в авиалайнерах последнего поколения составляет порядка 50%, в беспилотниках  приближается к 100%, вытесняя тем самым металлы и дорогие металлические сплавы. Обычно авиационные и космические технологии приходят в транспортное, корабельное и тяжелое машиностроение с временным дисконтом примерно в пять лет. По-моему, металлургам и горнякам есть о чем задуматься уже сейчас.

Означает ли столь бурное развитие углеродных технологий конец технологий на основе кремния? Думается, что «посткремневая эпоха» такая же чепуха, как и «постиндустриальное общество». Цифровые интегральные схемы на основе кристаллов кремния с учетом их технологичности и изученности еще достаточно много лет будут составлять основу информационных технологий. Когда-нибудь физический предел, обусловленный размером кристалла кремния будет  преодолен именно при помощи графена – исследования в этом направлении впечатляют, но видимо уже на следующем этапе развития.  Хотя в области коммуникаций, систем визуального отображение информации и фотоэлектрики кремнию скоро придется сильно потесниться.

И еще о «пузырях». Уже состоявшаяся как самостоятельная отрасль промышленности добыча нефти и газа из отложений горючих сланцев видимо в скором времени будет конкурировать на рынке углеводородов с еще одной технологией – добычей метана из газогидратных донных отложений. Об этом свидетельствует начало масштабных опытно-промышленных работ в Японии и Канаде. Спорить о том есть эти технологии или их придумали враги занятие, по меньшей мере, праздное. Не смотря на то, что ни сланцевый газ ни добыча метана из газогидратов не обещают нам дешевых углеводородов и повышения производительности труда, их геополитическое значение сомнений не вызывает. Значимость этих технологий заключается уже в том, что они фактически переводят природный газ в категорию местных энергоресурсов (сланцы распространены по всему миру) и развенчивают миф о скором истощении ископаемых углеводородных месторождений (запасы метана в газогидратных отложениях практически неисчерпаемы).

Есть две модели поведения в складывающихся условиях. Первая – уподобится английским луддитам начала XIX века, которые боролись за права ремесленников, разбивая ткацкие машины. В нашем случае это финансирование протестов зарубежных экологических организаций против «грязных» сланцевых технологий  в странной надежде остановить их распространении. С луддитами в Англии справились быстро и кардинально: ввели смертную казнь за разрушение машин. С экологами в наше время получилось куда более гуманно: изобрели технологии безводного фрекинга, которые наряду с решением реальных проблем экологического характера позволили значительно повысить отдачу сланцевых пластов.

Вторая модель поведения заключается в максимально оперативном и адекватном реагировании  на возникающие вызовы. Например, вовремя отказавшись от строительства еще одного, заведомо ненужного в новых условиях газопровода из Ямала в Европу. Справедливости ради необходимо отметить, что сланцевая добыча углеводородов поставила крест не только на крупных проектах Газпрома, но и на глобальных газотранспортных проектах таких нефтегазовых гигантов как BP и ConocoPhillips, которые подписали в 2008 году соглашение о строительстве магистрального газопровода от месторождения North Slope на Аляске до Чикаго и вынуждены были свернуть эти работы три года спустя.

 

Траектории развития и псевдоинновации.

Работы но изучению закономерностей и процессов, влияющих на формирование больших циклов мировой экономики, активно ведутся во многих научных центрах мира. Ценность этих исследований заключается прежде всего в получении краткосрочных, среднесрочных и долгосрочных прогнозов развития на основе сложных математических моделей и обработки больших массивов статистических данных. Желающих глубоко вникнуть в суть вопроса отсылаю к работе, выполненной в рамках    программы Российской академии наук «Экономика и социология знания» под руководством академиков РАН Виктора Садовничего и Аскара Акаева (В.А.Садовничий,  А.А.Акаев, А.В.Коротаев, С.Ю.Малков. Моделирование  и прогнозирование мировой динамики.  –  М.: ИСПИ РАН, 2012). А пока прогнозирование представляет собой увлекательный и азартный процесс, наподобие игры в казино. Угадал – все, ты пророк, не угадал – стыдливо ушел в тень. До следующего прогноза. Отсюда и ценность рецептов процветания, предлагаемых нашими местными футурологами. Тем не менее, результаты исследований инновационных процессов такими учеными, как Герхард Менш, Масааки Хироока и др., позволяют нам вовремя распознать некоторые опасные процессы и, при условии адекватного реагирования на них, избежать значительных потерь. К таким явлениям, безусловно, относятся псевдоинновации. Их не следует путать с ложными инновациями. С ложными инновациями все достаточно просто: если от них отсеять всю наукообразную шелуху, то в сухом остатке будем иметь либо банальный и скучный «распил», либо клинику психиатрического типа. Псевдоинновации, напротив, не являются деяниями, подпадающими под уголовное или административное преследование. И в этом состоит их главная опасность. По всем формальным признакам они представляют собой улучшающие инновации. Но, как говорится в старом анекдоте, есть нюансы. На начальном этапе существования любой базисной инновации появление инноваций ее улучшающих невозможно переоценить. Чем их больше, тем быстрее и глубже процесс формирования технологического кластера. На последнем этапе жизненного цикла базисной инновации положительная роль улучшающих инноваций заключается в сглаживании негативных проявлений, которые неизбежны при переходе к новым реалиям. А вот когда в страну импортируется базисная технология прошлого экономического периода, жизненный цикл которой объективно находится на исходе, и за счет косметических улучшающих нововведений выдается за технологию завтрашнего дня, то это и есть псевдоинновация. Если требуются примеры, то это ровно то, что сейчас делает РОСНАНО. Не так давно был шумно анонсирован плод взаимодействия РОСНАНО с ГК «Ренова» - гибрид мотора Дизеля с кремниевой солнечной панелью, сделанной по завезенной от куда-то древней технологии. Жутковатый мутант, если вдуматься. Ненужно пытаться постичь здесь тайною глубину инженерного замысла. Мы имеем перед собой хрестоматийную иллюстрацию термина «псевдоинновация». Правда, необходимо отметить, что у ГК «Ренова» имеются и вполне дееспособные, подающие надежды «дочки». У РОСНАНО, к глубокому сожалению, таковых обнаружить пока не удалось. Огорчает даже не то, что впустую тратятся огромные деньги. В конце концов, не потратили бы здесь - украли бы в другом месте. Тревогу - и тревогу обоснованную, вызывает сам факт постепенного превращения страны в свалку отработавших свое технологий. В некотором смысле, это даже опаснее чем превращение в свалку отработанного ядерного топлива. Очевидно (но к несчастью, не всем), что такое, с позволения сказать, «развитие» неизбежно лишает нас будущего. Как минимум еще лет на пятьдесят. Призывы создать в Сколково Силиконовую долину оптимизма почему-то тоже не добавляют. Есть простое встречное предложение: давайте оставим Силиконовую долину в Америке, как символ замечательного, но уходящего этапа развития цивилизации и начнем создавать какую-нибудь Карбоновую поляну, имея в виду предстоящее доминирование углеродных технологий. Могу на вскидку назвать десяток перспективных проектов, разработанных и готовых к внедрению, причем это только в Санкт-Петербурге. Уточню: речь идет о разработках, сделанных и доведенных до уровня опытных образцов, конструкторской и технологической документации в петербургских академических институтах и университетских лабораториях.

Так чего же не хватает? В первую очередь, нужны ясные, внятно сформулированные целевые ориентиры. Запрет на лампы накаливания или директивный перевод транспорта на газовое топливо в качестве целевых установок выглядят нелепо и смешно. А введение энергопайков для населения и вовсе выглядит как демонстрация беспомощности. Или как попытка вернуть страну в средневековье. Для сравнения: в соседней Финляндии, давно освоившей технологии энергосбережения, потребление электроэнергии в бытовом секторе в пять раз (!) превышает аналогичный показатель в России. Кстати, скандинавские страны демонстрируют не только нам, но и всему миру потрясающие темпы перехода на возобновляемую и распределенную энергетику, причем лидером в этом процессе является, как это не парадоксально, Норвегия, обладающая колоссальными запасами ископаемых энергоресурсов и развитыми промышленными технологиями их добычи и переработки. Так может быть пора, наконец, осознать, что жилье может и должно быть не только энергосберегающим, но и энергогенерирующим. Пора понять, что свалки твердых бытовых отходов, которые в буквальном смысле душат российские города, могут и должны быть источником ценного сырья для производства электрической и тепловой энергии, моторного топлива, современных углеродных материалов. Казалось бы, что может быть проще, чем принять нормативные акты, регулирующие и стимулирующие альтернативную энергетику, распределенную  микроэнергетику, глубокую переработку отходов. Тем более, что изобретать ничего не нужно: аналогичные нормы уже действуют практически во всех цивилизованных странах, включая братскую Украину. Надо только внимательно изучить опыт их применения и адаптировать к нашим реалиям, максимально учитывая при этом региональную специфику. Но нет. Даже такие, в сущности простые и логичные шаги почему-то не предпринимаются, хотя и регулярно обсуждаются на различных научно-практических конференциях.

Нелинейность траектории развития магистральных базисных инноваций имеет одно важное следствие: сложная система, подверженная слабо прогнозируемым воздействиям в условиях естественного стремления к равновесному состоянию, должна обладать способностью к самоорганизации, что подразумевает наличие эффективных обратных связей – как положительных, так и отрицательных. Как это соотносится с вертикалью власти и режимом ручного управления судите сами.

 

Custom Search

     

 

      

      

    

 

     

 

      Конференция по искусственному интеллекту

      

       

Вход на сайт