Ergi

Поездку в по городам Северной Фризии (Германия, земля Шлезвиг-Гольштейн) организовал институт, в котором я работал. Главной целью поездки был, конечно, Хузум. Здесь в конце марта проходит фестиваль, посвященный цветению крокусов. 

Хузум со своими цветными домиками сильно напоминает Скандинавию. Особенностью его порта является то, что он становится судоходным только во время прилива. Из-за близости моря этот город много раз страдал от штормов и наводнений.

Каждую весну в марте Хузум собирает многочисленных туристов на праздник цветения крокусов Krokusblütenfest. А этих цветов здесь действительно много, наверное, миллионы.

Кто и когда начал сажать крокусы доподлинно не известно. Похоже, что основной целью выращивания цветов было получение ценной приправы - шафрана.

Цветов так много, что создается впечатление сплошного сиреневого ковра.

Далее мы посетили реконструкцию традиционного для этих мест дома. Близость Северного моря и высота прилива оказали сильное влияние на сельское хозяйство и быт в северной Германии. Насколько возможно здесь вручную вырыли каналы и соорудили насыпи. При серьезных наводнениях гребни искусственных холмов оставались на поверхности, а каналы помогали отводить воду. Перед постройкой дома из имеющегося грунта сначала сооружали большой холм. Из-за частых дождей и штормов все строения: дом, хлев, внутренний двор, баню, гараж размещали под одной крышей.

Вторым городом Северной Фризии, куда мы направились, был Фридирихштадт. Этот город больше напоминает Голландию. Насколько я понял, город строили переселенцы из Нидерландов - фризы. Это один из самых древних немецких народов, который когда-то жил по всему берегу Северного моря от Дании до Голландии.

Как и в Голландии здесь есть каналы, у многих лодки.

В Фридрихштадте тоже много крокусов, но меньше, чем в Хузуме.

Зато попадаются и белые, и желтые.

Таким образом, Северная Фризия - самобытный регион Германии, имеющий много общего с Голландией и Скандинавией. Для меня остается загадкой, как столь разные области и разные народы сумели объединиться и создать довольно успешное государство.

Я работаю в одном из исследовательских институтов Технологического института Карлсруэ, Германия. Про свою работу здесь буду рассказывать поверхностно и только то, что доступно в открытой печати. Предыдущие посты про науку: 1. Российская и немецкая наука с моей точки зрения, 2. Немецкая и российская наука с моей точки зрения (Дополнение), 3. Работа в одном из исследовательских институтов России, 4. Один день в исследовательском институте в Германии.

Сначала немного истории. В 2009 году были объединены Университет Карлсруэ, который в основном находится в самом городе и Научно-исследовательский центр Карлсруэ, который в основном располагается на севере за городом в Campus Nord. Новый объединенный центр получил название Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology) по аналогии с американским Massachusetts Institute of Technology.

Я работаю в Campus Nord, бывшем Forschungszentrum, созданном вначале как ядерный исследовательский центр. Здесь же был открыт первый, спроектированный немцами реактор.

В 2000 году правительство Германии в угоду зеленым решило постепенно сворачивать атомную энергетику. А в 2011 после взрыва на Фукусиме в Японии этот план ускорили и из 17 реакторов сразу закрыли 8. На данный момент в Германии работает 7 энергоблоков, которые вырабатывают 13% всей электроэнергии. Очень многие немцы (в том числе и те, у которых я живу) сильно критикуют действия правительства по отказу от атомной энергетики. Во-первых, правильнее было бы сначала обзавестись новыми электростанциями, работающими на других источниках, а потом закрывать атомные. Во-вторых, стоимость электроэнергии для домохозяйств очень сильно выросла (говорят, в 2 раза), а для промышленности не так существенно. Причем о повышение стоимости никто не предупреждал. В-третьих, Германия стала закупать электроэнергию у Франции, а там за границей в каких-то ста километрах от Германии могут стоять атомные электростанции. Если произойдет авария, то Германию все равно может накрыть радиацией из Франции. Таким образом, Германия столкнулась с серьезным дефицитом электроэнергии, и поэтому она вкладывает деньги в альтернативную энергию: солнечную, ветряную, приливную, геотермальную, биологическую энергию (те же дрова) и термоядерную энергию.

Что такое термоядерная энергия? Если просто, то это энергия, выделяемая при реакции объединения более легких атомов с образованием более тяжелых. Однако для запуска реакции необходимо воссоздать по сути условия внутри нашего Солнца: температура порядка 100 млн Кельвин и необходимую концентрацию плазмы. На данный момент наиболее перспективной (и требующей минимальную температуру) реакцией считается экзотермическая реакция соединения дейтерия и трития (изотопы водорода) с образованием атома гелия и одного нейтрона. Далее гифка из Википедии:

В чем преимущества термоядерной энергии? Дешевая термоядерная энергия - это мечта всего человечества. Теоретически с запуском реактора на такой энергии человечество получит почти неограниченный источник энергии, поскольку для реакции можно использовать простые вещества типа изотопов водорода. Другое преимущество термояда в высокой мощности и в том, что он не зависит от положения солнца и скорости ветра.

На каком этапе освоения термояда мы находимся? На данный момент запущены два проекта строительства экспериментальных термоядерных реакторов. Первый проект ITER уже частично строится во Франции. В проекте участвует весь мир, в том числе и Россия. Планируемую дату запуска недавно отсрочили с 2025 до 2035 годов. Этот реактор должен отработать несколько минут, но вся выделившаяся энергия будет просто сброшена в атмосферу. Реактор строится для отработки нескольких концепций работы. На данный момент ITER выглядит так (здесь и далее все фото и рисунки из интернета):

Второй проект DEMO будет намного мощнее ITER и должен будет дать первую электроэнергию. Пока запуск реактора намечается на 2050 год.

Каковы проблемы управляемого термоядерного синтеза? Еще в середине прошлого века человечество столкнулось со множеством трудностей, возникающих при создании условий термоядерного синтеза. Я не могу быть в курсе всех проблем, например, физики плазмы, микроволнового излучения, поэтому коснусь только тех, которые решает материаловедение.

В институте, в котором я работаю, решают следующие проблемы термояда:

1. Создание окна для микроволнового излучения. Я в этой области мало чего понимаю, но для нагрева плазмы из дейтерия и трития необходимо излучение, которое в свою очередь будет поступать в камеру через окно. Понятно, что окно должно выдерживать контакт с плазмой и мощным нейтронным излучением. На фото ниже представлено такое окно, сделанное на основе алмаза. Окно создавалось при участии Технологического института Карлсруэ.

2. Создание источника трития. Для работы термоядерного реактора постоянно необходимо топливо из дейтерия и трития. Если с дейтерием проблем особых нет, то трития в мире всего около 20 кг и стоит он целое состояние. Тритий - это радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада в 12 лет. И в ITER и в DEMO будут стоять источники трития на основе лития. При попадании нейтрона на литий (в составе керамики или жидкости) происходит реакция с образованием трития, который далее будет собираться (только в DEMO) и подаваться в камеру для термоядерной реакции. Предполагается, что в модулях за первой стенкой будут находиться источники трития.

3. Создание размножителя нейтронов. В ходе реакции дейтерия и трития образуется один нейтрон. Только небольшая часть нейтронов будет попадать на литиевую керамику и приводить к образованию трития. Этого будет явно недостаточно для потребностей реактора. Поэтому между модулей с источником трития необходимо помещать модули с размножителем нейтронов (на рисунке ниже в ячейках breeding zone). Одной из концепций размножения нейтронов является модуль, заполненный гранулами бериллия. При попадании одного нейтрона на бериллий образуется два нейтрона и другие побочные элементы. Эти нейтроны частично продолжают реакцию размножения в Be, либо попадают на литиевую керамику, как источник трития.

4. Создание первой стенки. Первая стенка, которая будет непосредственно контактировать с плазмой, будет изготовлена из вольфрама. Одна из проблем вольфрама, которую пытаются побороть в нашем центре - это его низкая пластичность и хрупкость. На рисунке выше эта стенка обозначена "First wall".

5. Выбор основного конструкционного материала внутри бланкета. Для этих целей необходим низкоактивируемый, достаточно жаропрочный материал со стабильными характеристиками при облучении. В качестве такого материала пока выбрана нержавеющая сталь ферритного класса, дисперсионно упрочненная частицами оксидов.

Я перечислил только те области исследования, о которых я слышал. Концепция реактора и бланкета еще не разработана. Некоторые конструкторы всего этого сидят в соседнем с нами здании. Работа финансируется европейскими программами по развитию термоядерной энергетики. По решению одной из вышеназванных проблем я и начинаю работать в качестве экспериментатора.

Что можно сказать о будущем термояда? Энергия явно не будет бесплатной. Для производства трития нужен дорогой литий. Для размножения нейтронов нужен дорогой бериллий. И литий, и бериллий будет необходимо время от времени заменять на новые. Отработавший материал придется как-то утилизировать, причем этот материал будет радиоактивным. Тем не менее это первый шаг человечества на пути к неисчерпаемой энергии. Мне очень импонирует, что мы хоть каким-то боком можем быть причастны к этому великому делу.

По традиции коротко о себе: работаю в Технологическом институте Карлсруэ, в области материаловедения. Предыдущие посты про науку: 1. Российская и немецкая наука с моей точки зрения, 2. Немецкая и российская наука с моей точки зрения (Дополнение).

Сегодня я постараюсь как можно проще рассказать о том, чем я занимался (и продолжаю заниматься) в одном из исследовательских институтов РАН. Резерфорду приписывают слова о том, что если учёный не может объяснить уборщице, которая убирается у него в лаборатории, смысл своей работы, то он сам не понимает, что он делает. Надеюсь, я понимаю, чем занимаюсь, и постараюсь доступно рассказать о своей работе.

В отличии от математики или чистой физики в материаловедении процесс изучения ведется, как правило, группой ученых. Постановка цели и задач исследования, выдвижение новых идей, гипотез, а также предварительное моделирование представляют важную часть работы. Но материаловедение - наука материальная, я бы сказал, основа научного материализма. Практическое исследование или эксперимент являются главными критериями истины, как это считали Гегель, затем Маркс и Ленин. Именно проведение эксперимента в материаловедении занимает большую часть времени и требует максимальных усилий. Многое приходится делать руками, некоторые разрабатывают собственную методику, изготавливают новое экспериментальное оборудование.

Лично я в исследовательском институте РАН занимался и занимаюсь изучением большого круга различных материалов. Я занимаюсь плавкой и изготовлением исходного материала, провожу деформационную и термическую обработку, занимаюсь микроструктурными исследованиями и изучением механических свойств. Большая часть моих работ посвящена сплавам и композитам на основе титана.

Почему титан? Титановые сплавы обладает высокой удельной прочностью. При температурах 200-550°С они по этому параметру опережают все металлы и сплавы. Что это значит? На самом деле прочность титановых сплавов совсем не рекордная. Грубо говоря, один квадратный миллиметр распространенного титанового сплава при растяжении выдерживает вес в 100 кг. Высокопрочные стали могут выдержать и 250 кг, тогда как обычная строительная сталь чуть больше 40 кг. Но благодаря низкой плотности (4,5 г/см3) титан выигрывает по удельной прочности. Именно этот параметр наиболее важен при снижении веса техники для специального применения, например, в авиации, спорте, ракетостроении.

Какие проблемы существуют в отношении титановых сплавов? Несмотря на высокую температуру плавления (около 1700°С) максимальная температура эксплуатации титановых сплавов составляет всего 550-600°С. Это очень мало. Например, никелевые сплавы плавятся при 1400-1500°С, а эксплуатироваться могут вплоть до 1100-1200°С. Высокая жаропрочность необходима в первую очередь при изготовлении деталей двигателя. Чем выше температура внутри любого двигателя, тем выше мощность и КПД. Резонный вопрос, почему бы не заменить весь титан никелем, если жаропрочность у него выше? Дело в том, что плотность никелевых сплавов составляет 8,5-9 г/см3. Полностью никелевый двигатель получится тяжелым, низкооборотистым и маломощным (что и было на заре двигателестроения). Чем выше обороты, тем большую нагрузку испытывают вращающиеся детали, тем более выгодным становится использование материалов с высокой удельной прочностью. В современных самолетах доля титана по массе составляет 14-20%, в военных до 40%.

Вторая важная проблема титановых сплавов - это их стоимость. Себестоимость одного килограмма титана в 50 раз выше, чем черной стали. К примеру, алюминий дороже стали в 4-5 раза, медь в 16, нержавеющая сталь в 10-11. Понятно, что при такой цене титан может использоваться только там, где он незаменим. Если бы удалось снизить стоимость титановых сплавов, использование этого металла стало бы возможным и в других областях.

В чем суть наших исследований? Разными путями мы пытаемся поднять жаропрочность, а значит и температуру эксплуатации жаропрочных титановых сплавов. Как это можно сделать? К сожалению, термическая и деформационная обработка для этого не подходят, т.к. при высоких температурах такое упрочнение не сохраняется. Можно несколько поиграться с химическим составом, однако это направление по большей части исчерпано, т.к. основные принципы легирования титана были обозначены еще в 70-х гг. Получается, что нет более другого способа повышения жаропрочности титанового сплава, кроме создания на основе титана композитов, упрочненных более жаропрочными материалами.

Чем можно упрочнить композит на основе титана? Желательно более прочными и жаропрочными соединениями, имеющими хорошую совместимость с титаном. Из всех известных материалов более всего для упрочнения подходят волокна моноборида титана, который к тому же может образовываться внутри титанового сплава (путем введения бора) при его изготовлении. По разным оценкам прочность волокна составляет 800 кг на квадратный миллиметр (т.е. в 8 раз больше, чем у распространенного титанового сплава). Еще одно достоинство моноборида титана в том, что с титаном он образует очень прочную связь, что предотвращает его вырывание из композита. На фото хаотично направленные иголки - это и есть волокна моноборида титана TiB.

Какова основная цель нашей работы? Мы пытаемся создать такой композит на основе титана и моноборида титана, который по жаропрочности и балансу свойств существенно превосходил бы промышленные титановые сплавы. В таком случае такие композиты смогли бы частично заменить сталь и никелевые сплавы при изготовлении деталей газотурбинного двигателя.

Чем я непосредственно занимаюсь? Наглядно по картинкам постараюсь объяснить. Я изготавливаю композиты на основе разных промышленных титановых сплавов (ВТ1-0, ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ20Л, ВТ22, ВТ25У, Ортосплав), упрочненных различным количеством волокон TiB. Для этого готовлю исходный материал:

Плавлю в камере печи аргонно-дуговой плавки:

Получаю примерно такие слитки:

Поскольку в литом состоянии свойства титановых сплавов и композитов невысоки, далее мы проводим различную деформационную обработку слитков композитов на гидравлическом прессе. Получаем, например, такие заготовки:

Провожу термическую обработку, необходимую для получения оптимального баланса прочности и пластичности. Здесь происходит охлаждение на воздухе после 1050°С:

Далее заготовки разрезаем на микроструктурные исследования или механические испытания. На фото вырезаются плоские образцы для растяжения:

Внешний вид образцов для проведения различных механических испытаний: растяжение, длительная прочность, усталостные испытания, ударная вязкость.

Каковы наши результаты? Исследования еще не закончены, но грубо говоря, жаропрочность удается повысить на 25-50°С. На самом деле это не мало, учитывая, что режимы обработки еще не оптимизированы. Прочностные свойства возрастают на 20-50%, пластичность удается сохранить выше 3-5%. Такую структура композита получаем после нашей деформационной и термической обработки. Видно, что волокна TiB удалось переориентировать вдоль одного направления:

Каковы перспективы, кому все это может понадобиться? К сожалению, это больной вопрос в российской науке. Если бы заводы и промышленность работали в полную силу, то наши разработки были бы востребованными. Меня утешают, что мы не виноваты в сложившейся ситуации и повлиять на это никак не можем. Наши идеи, решения скорее полезны для всей науки в целом, и может быть, в будущем еще найдут применение. Далее планирую рассказать, что я изучаю в Германии.

По традиции коротко о себе: работаю в Технологическом институте Карлсруэ, в области материаловедения. Предыдущие посты: 1. Отопление в одном немецком доме, 2. Быт одной немецкой семьи, 3. Немецкая семья, в которой я живу, 4. Жизнь в немецкой деревне 50 лет назад, 5. Сравнение северной и южной земли Германии.

Сегодня будет короткий пост о том как немцы, у которых я живу, праздновали Пасху. Этот праздник считается вторым по значимости после Рождества. В этом году католическая Пасха выпала на 1 апреля. Отдыхали немцы и в пятницу (страстная пятница), и в субботу, и в понедельник. Школьные каникулы также совпадают с эти праздником, и весной дети отдыхают неделю до и неделю после Пасхи. На работе тоже многие взяли отпуска либо до, либо после этого праздника.

В пятницу немцы с семьей ходили в церковь. В этот день не полагается работать, шуметь и веселиться. Суббота была обычной. В воскресенье тоже с утра полагается в церковь сходить, но из-за сильного ливня с градом прихожан, говорят, было немного.

В воскресенье меня пригласили на праздничный обед. На обед также позвали семью сына с невесткой и внуком, а также дочку с внучкой. Как обычно Адель приготовила очень много и очень вкусно. Лично мне несколько странно, что ни дочь, ни невестка Адель не помогали. Для начала подавали авокадо с кремом из лосося, креветками и перепелиным яйцом:

На горячее вынесли говядину в винном соусе, куриные грудки в соусе с паприкой. На гарнир можно было выбрать феттучини, картофель фри, кнёдли (по-нашему, клёцки), rot Sauerkraut (что-то типа горячей красной квашеной капусты). Также на выбор салат из огурцов и салат из шпината. Обычно все берут всего понемножку, потом просят добавки.

Пока мы ели, детям не терпелось перейти к главному. Наконец, детей попросили выйти, а взрослые начали прятать подарки по всей комнате. Если на рождество подарки приносит Санта Клаус, то на Пасху пасхальный заяц, но в него-то уж точно никто не верит. В основном прятали конфеты, шоколадные зайчики, крашеные яйца, книжки и т.д. Обычно в хорошую погоду взрослые все это прячут в саду, и искать бывает несколько сложнее. Дети справились со своей задачей за пару минут, после чего вынесли десерт. Он представлял собой йогурт, смешанный с сыром (думаю, типа маскарпоне), сливками, яблочным муссом и украшенный гранатом:

Интересно, что немцы не помнят (или не знают), почему в качестве символов Пасхи были выбраны крашеные яйца и заяц. Я пытался сам найти информацию в интернете, но понял, что символы старые, версий много, единого мнения нет.

После обеда Бернард принялся загружать посудомойку и мыть более крупную посуду. Оказывается у них уговор - Адель готовит, а Бернард потом убирается. И опять несколько странно, что дети только поблагодарили и ушли, оставив гору посуды.

Сегодня мы с  Бернардом ездили на трехчасовую велосипедную экскурсию, где он мне показал свою дачу. Об этой экскурсии будет завтра. Про науку и мой предмет исследования тоже начинаю писать.