Ученые готовы к полету на Марс

Могут ли химические реакции происходить в твердом теле? Оказывается, да, и очень многие. В преддверии Дней науки ученые Института химии твердого тела и механохимии СО РАН популярно рассказали о своих уникальных разработках.

ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ

Директор ИХТТМ СО РАН Николай Ляхов отметил, что в области химии твердого тела одно из наиболее популярных в мире направлений – так называемая зеленая химия. Химическая реакция без участия жидкостей позволяет организовать производство без стоков и сохранить экологию. Порошки, с которыми работают в этой отрасли науки, легко улавливать и утилизировать или перерабатывать в другие полезные вещества, то есть процесс становится практически безотходным.

Большинство мировых промышленных предприятий использует технологии «end of pipe» (на конце трубы), где заканчивается производственный цикл и начинается борьба с выхлопными газами и вредными отходами. Иногда на очистку стоков уходит больше средств, чем на основное производство. Программа «Зеленая химия» способна решить эту задачу.

В США работать по ней начали в 2007 году. За 20 лет американская химическая промышленность планирует повысить использование сырьевых биовозобновляемых материалов с 3% до 25%. При переработке растительное сырье нуждается в обогащении не меньше, чем нефть, и этим занимается механохимия. Полученные обогащенные продукты эффективно используются. Замдиректора института д.х.н. Олег Ломовский рассказал, что под Москвой в г. Медынь сегодня строится единственный в России опытный завод по производству биоэтанола – топлива третьего поколения. Получать его будут по технологии ИХТТМ СО РАН из обыкновенной соломы.

Один из вопросов «зеленой химии», над которым работает институт, – переработка растительного сырья для извлечения полезных веществ. Природа заключила их в клетку, прочная оболочка которой очень устойчива к химическим и механическим воздействиям. Поэтому механохимия в этой области, с одной стороны, добывает из клетки ценные биоактивные компоненты, а с другой – пытается сделать растворимыми, то есть биодоступными сами клеточные стенки.

Среди примеров реализованных технологий этого направления – производство компонентов функционального питания для людей (не БАДы) и биологически активных компонентов для сельского хозяйства. Не менее актуальна замена пестицидов и гербицидов в растениеводстве и антибиотиков для животных экологически чистыми веществами. Ведь все, что мы используем в пищу, отражается на нашем здоровье. Над этими проблемами работают во многих странах. В Японии для борьбы с патогенными микроорганизмами широко применяются препараты из грибов. В странах ЕЭС синтетические кормовые антибиотики запрещены, поскольку они повышают устойчивость бактерий к применяемым препаратам и снижают сопротивляемость организма животного и человека. У разработанного нашими учеными инновационного продукта большие перспективы.

ИХТТМ СО РАН совместно с Институтом теплофизики и Институтом геологии и минералогии с 2009 года разрабатывает новую технологию производства целлюлозы. Традиционно ее делают из древесины с большим количеством отходов – лигнина. Поскольку в технологическом процессе используется кислота, сжигать его нельзя – всю страну накроет кислотными дождями. Сегодня миллионы тонн отходов хранятся на берегу Байкала, загрязняя стоками воду озера. Как их безопасно утилизировать, никто не знает. Переработка древесины без кислот позволит сжигать лигнин как любое экологически чистое топливо, а его теплотворная способность близка к нефти.

ЗАЧЕМ НАМ ЭТО НАНО?

Если размолоть и обжечь известь, получится цемент. Чем тоньше помол, тем быстрее обжиг и меньше расход энергии. В Институте химии твердого тела и механохимии изготовлены и активно используются биореакторы для измельчения сырья до наноразмеров. Полученные порошки нужны не только для производства строительных материалов, но и для упрочнения конструкционных сталей, изготовления быстрорастворимых лекарственных форм, аккумуляторов электромобилей и многого другого. Профессор НГУ д.х.н. Владимир Полубояров рассказал о композиционных материалах с новыми свойствами – жаропрочных никелевых сплавах, цветных металлах, чугунах и даже золоте. С предложением модифицировать золото в ИХТТМ обращалась компания из Швейцарии. Однако повысить прочность лопатки турбины ГЭС или элемента насосного оборудования нефтяной скважины для решения проблем промышленности гораздо дороже золота. Замена этих деталей требует остановки производства и миллионных вложений.

Для Новосибирского электровакуумного завода в институте создана упрочненная техническая корундовая керамика для плавки стали, а для Новосибирского инструментального завода разработана технология изготовления твердосплавных инструментов.

Руководитель группы механохимии и органических соединений д.х.н. Александр Душкин пояснил, что сегодня особенный интерес представляет технология производства быстрорастворимых лекарств, так как цены на медпрепараты постоянно растут, а с увеличением растворимости (соответственно, и биоактивности) действующего вещества можно в десятки раз снизить его содержание в препаратах, уменьшив себестоимость. Это позволит не только повысить экономический эффект для производителя, но и сберечь здоровье пациентов за счет меньшей дозировки.

Отдельного внимания заслуживает работа ИХТТМ СО РАН с госкорпорацией «Роснано». В частности, проект производства нового полимерного материала для упаковки продуктов со свойствами керамики и пластмассы будет реализован совместно с ЗАО «Уралпластик». Тонкий упаковочный материал обладает твердостью, износоустойчивостью, термостойкостью, гибкостью, упругостью и способностью к вторичной переработке. Основное преимущество пленки – значительное сокращение расходуемого полимера за счет увеличения прочности и тонкости. Кроме того, полученный материал обладает высокой газонепроницаемостью, поэтому между собой ученые шутят, что проблема сохранения продуктов для полета на Марс (по расчетам, этот срок составляет около пяти лет) ими уже решена. Инвестиции в проект производства упаковки составят 2,3 млрд руб.

Второй совместный проект с «Роснано» – производство литий-ферро-фосфатных батарей из наноразмерного композиционного катодного материала. В нем принимает участие китайская компания Thunder Sky, производящая литиевые батареи для электромобилей. Производственная линия будет запущена на ОАО «НЗХК». Руководитель этих работ к.х.н. Нина Косова рассказала, что традиционные катодные материалы современного производства микронных размеров имеют невысокий КПД. К примеру, около 40% веса аккумулятора в наших мобильных телефонах играют роль балласта. Для небольших батарей это несущественный факт, но не для автомобильных аккумуляторов. Новый наноразмерный катодный материал дешев, нетоксичен в производстве и устойчив к температурам от -40 до +55. Но самое главное – он обеспечивает высокую удельную мощность и быстрый заряд-разряд аккумулятора (обычно процесс занимает часы, здесь – минуты). Вложения в этот проект составят 13,88 млрд руб.

Мария ШКОЛЬНИК