От науки до товара

(Окончание. Начало в ТрВ-Наука № 209)

В предыдущем номере ТрВ-Наука мы познакомили читателей с компанией «ИНФРА Технологии» и ее научным директором, докт. хим. наук Владимиром Мордковичем. Компания занимается коммерциализацией научных разработок, проводимых в отделе новых химических материалов и нанотехнологий в ТИСНУМ (Троицк), которым руководит Мордкович. Здесь — подробнее о производстве синтетического жидкого топлива (СЖТ) и получении материалов на основе сверхдлинных углеродных нанотрубок.

В теме разбиралась Елена Стребкова.

Синтетическая нефть — generation IV

На территории троицкого наноцентра «Техноспарк» построена и уже работает фабрика катализаторов, что является необходимой составляющей производства синтетического топлива. В августе 2016 года ожидается ввод в эксплуатацию завода по производству СЖТ IV поколения — технологическая цепочка завершится.

Процесс GTL (Gas-to-liquids — газ в жидкость) существует в современной промышленности в виде предприятий, на которых реализована технология третьего поколения. Она разработана крупными нефтяными компаниями после арабского нефтяного кризиса (рис. 1). В Катаре и Малайзии есть три завода третьего поколения, созданные англо-голландской Shell и южноафриканской Sasol. Несколько американских компаний сделали похожие разработки, но дальше опытного производства у них не пошло — технология третьего поколения уже очень хороша, но она дороже, чем нефтепереработка. В Катаре сейчас два самых новых, самых больших завода. Катар имеет практически один ресурс — природный газ, и эти предприятия — способ диверсифицировать экспорт. Это себя оправдывает в экономико-политическом ключе. То же с Южной Африкой, которая долго была под эмбарго. «Эти заводы работают, выходя за рамки обычной экономики», — поясняет Владимир Мордкович.

С чисто экономической мотивацией у третьего поколения GTL-технологий сложно. Многие научные группы в Америке, Японии работают над тем, чтобы из этого тупика выйти. Необходим прорыв непосредственно в реакции синтеза Фишера-Тропша. Мордкович знает конкурентов, что называется, в лицо: «Сейчас есть одна английская компания, CompactGTL, и одна американская (тоже с английскими корнями), Velocys, которые далеко продвинулись. Но я полагаю, что мы их очень сильно опередили. Прежде всего компактностью и дешевизной получившегося завода — уже четвертого поколения. Компании третьего поколения пока делают вид, что они нас знать не знают, и отговариваются тем, что мы играем в разных лигах. Так и есть. В любой промышленности, и в химической тоже, есть эффект масштаба. Технология начинает окупаться, если дает не меньше определенного объема. Предел окупаемости завода третьего поколения — 500 тыс. тонн в год. Меньше — никак. Себестоимость этой технологии и так не может пока конкурировать с себестоимостью нефтепереработки. У нас предел, с некоторыми оговорками, — 4000 тонн в год. В сто раз меньше. Поэтому они как к нам относятся: ну вы для маленьких установок, мы — для больших. Понятно, что наши акционеры с удовольствием построили бы и большой завод. Но для этого надо войти в рынок» .

Сквозь тернии

В советское время GTL-разработками занимались три института: Институт органической химии АН, Институт нефтехимического синтеза АН и Институт катализа Сибирского отделения. «Местами сотрудничаем с ними, но идея у нас совершенно новая, — говорит Владимир Мордкович. — Эти институты много лет занимаются особенностями синтеза Фишера-Тропша и тем, как на него влияют различного рода изменения в классических катализаторах. А мы поставили задачу создать катализатор многофункциональный, который одновременно будет осуществлять и синтез Фишера-Тропша, и крекинг слишком тяжелых углеводородов на более легкие частицы, и гидрирование кислородсодержащих побочных продуктов. В результате внутри одной гранулы получается заводик, который работает как три-четыре реактора одновременно» .

Исторически такие исследования реализовывались государственными программами, которых сейчас крайне мало. «В Америке образуются группы из нескольких университетов, пары компаний, все заинтересованы, поскольку получают дармовые государственные деньги, и, возможно, на эти деньги удастся создать продукт. Но даже в Америке, несмотря на перефинансированность там науки, часто возникает сопротивление: не надо, нас и так неплохо кормят. Жаловались американские коллеги, что вроде бы и есть фонды, но ничего сделать не могут, потому что никто не хочет. Это не так легко. Ну и нельзя забывать о том, что, чем более нетривиальна идея, тем с большим трудом она пробивает себе путь в сознании коллег. Не воспринимается. Мы по катализаторам три года не могли ни одной статьи опубликовать. Нам возвращали возмущенные рецензии: „Занимаетесь какой-то ерундой, надо сделать не так“. И только в конце 2014 года нас начали принимать, сейчас у нас публикации в международных журналах, обзор в „Успехах химии“. Мы ничего другого не написали… Что изменилось? Во-первых, стало известно, что у нас началась практическая реализация, это не бессмысленная мечта. Потом, неудачная подача статьи на самом деле тоже публикация. Как нередко жалуются непринятые гении: „У меня украли идею“. Подал в журнал — значит, рецензенты и сотрудники редакции уже всё знают. Коллегам рассказывают с возмущением, что такой-то дурак написал такую-то глупую вещь. А там есть кто-то с более гибкой головой… Накапливается критическая масса. На последней конференции по переработке газа выяснилось, что пять-шесть групп в мире уже потихонечку так работают по этому направлению. На нас не ссылаются, и уже никто не спорит».

Ряд идей отдела Мордковича, а они часто парадоксальны, был недружественно встречен коллегами. Однако Институт катализа обеспечил независимые испытания катализатора, подтвердил результаты по высокой производительности, составу продукта.

Институт нефтепереработки провел для «ИНФРА Технологий» всесторонние испытания СЖТ: насколько оно соответствует стандартам, как легко из него получить моторное топливо, можно ли его смешивать с природной нефтью, передавать по нефтепроводу и т. д. Аналогичные исследования проводили коллеги из американской CoreLab — на соответствие американским стандартам.

Немного истории

«Я изначально катализаторами не занимался, — вспоминает Владимир Мордкович. — Но так получилось, что под мое руководство в мою лабораторию попали несколько человек из Института органической химии — с большой предысторией именно по синтезу Фишера-Тропша, с опытом, идеями. Когда мы начали обсуждать тему, я для себя выяснил, что основная задача заключается в следующем: есть катализатор третьего поколения, надо найти какой-то легирующий компонент и исследовать, как он в разных концентрациях, с разными способами ввода в материал влияет на особенности процесса. Мне показалось это скучным. Стали думать, можно ли сделать производительность повыше. Коллеги говорят: „Катализатор — пористая система, есть диффузионные ограничения, от них никуда не денешься…“ Катализатор — это активный компонент, нанесенный на пористую керамическую основу. Окей, давайте используем достижения химии композиционных материалов. Попробуем сделать искусственную композицию, компоненты которой ускоряют диффузию тепла реакции, движение молекул, которые обеспечивают дополнительные реакции, мы резко интенсифицируем процесс. Стали экспериментировать, и быстро всё получилось. Попали. Как бывает от скрещения разных отраслей науки» .

Изначальное предложение отдела Мордковича — катализатор, который полностью меняет процесс Фишера-Тропша. Однако команда вынуждена не только обеспечивать научную основу, но и разрабатывать всё с нуля: состав катализатора, конструкцию реактора, технологии получения катализатора, загрузки в реактор, ведения процесса получения синтетической нефти.

В научной разработке участвуют все — вплоть до сотрудников опытного цеха. «Масштабируя лабораторную технологию, волей-неволей приходится решать научные задачи. Например, когда ставили на производство катализатор, выяснилось, что один из компонентов, который был разработан для лабораторной методики, совершенно несовместим с одним из видов промышленного оборудования. Или надо делать под заказ специальное оборудование из совместимого материала, или искать вариацию с другим компонентом. Мы разработали вариацию».

Новая, сверхчистая

Синтетическая нефть «ИНФРА Технологий» сразу получается сверхчистой, в ней нет канцерогенов, ядовитых металлов. «Она отвечает нормам „евробесконечность“ по определению, — Владимир Мордкович демонстрирует флакон с кристально чистой жидкостью. — Стоимость газопереработки постоянно падает, в отличие от стоимости нефтепереработки. Завод, который мы делаем, еще больше позволяет снизить себестоимость процесса, она уже ниже, чем у нефтепереработки.

Тема очень горячая. Новые люди с новыми идеями могут выскочить в любой момент. Мировой нефтяной бизнес работает как неразумное существо, на инстинктах. Деньги вбрасываются в моменты, когда нефть дорогая, — тогда бизнес выделяет желудочный сок, который питает научно-технические разработки. Три года назад только в России было 20 групп, а в мире — более 100, которые работали — или говорили, что работают, — над новой GTL. Сейчас всё притихло, в лучшем случае по миру наберется десяток компаний».

Работа «ИНФРА Технологий» заинтересовала российских частных инвесторов: есть доверие к качеству научных разработок компании. «И есть понимание, что спонтанный выброс желудочного сока никогда ни к чему не приведет: серьезная работа делается на долгосрочной основе, — констатирует Мордкович. — Работа началась в 2009 году. Шесть лет — это очень быстро. Если сравнить с нашим самым продвинутым конкурентом Velocys, то мы примерно на одном уровне. В технологии мы далеко впереди, а в смысле развития бизнеса — на одном уровне, может, опережаем месяца на три, а они нас старше вдвое. На них работают вдесятеро больше людей, и финансирование раз в сто больше».

Хочешь, чтобы было хорошо, сделай сам

«Мы думали, что одна из наших разработок будет интересна катализаторным компаниям, другая — нефтяным. Нет. Коммерческий интерес появился только тогда, когда стало известно, что мы строим первый завод промышленного масштаба, — посыпались вопросы и предложения, — не очень понятно, сожалеет ли Мордкович о данном факте. — Покупатели появились только тогда, когда сделано было вообще всё! Не только разработана научная составляющая. Вместо катализаторной фабрики мы освоили производство катализатора, вместо конструкторского бюро — конструкцию реактора, вместо нефтяной компании отработали процесс. Вот тогда бизнес стал смотреть в нашу сторону. Наш принцип: хочешь, чтобы было сделано хорошо, сделай это сам. От начала до конца. Впрочем, никто и не собирается, кроме нас, это делать. Наверно, это моя планида: браться за темы, которые не могут быть ограничены практической значимостью. Можно создавать отрасль» .

Углеродное волокно: «Все знают, что это невозможно»

Производство нанонитей еще не начато — освоение углеродного коттона сейчас в опытной стадии. «Но направление очень интересное, — не теряет научного оптимизма Владимир Мордкович. — Мы находимся в сложной ситуации, потому что не первые, кто хочет это сделать. В 2003 году NASA объявило о создании программы орбитального лифта. Там за три года должны были создать технологию, потратили 15 млн долл. И ничего, собственно, не вышло. На этом фоне нам тяжело: все знают, что это невозможно» .

И все-таки благодаря чему возможно? Здесь, как и в случае с синтетическим топливом, — новый подход к функционалу катализатора, принципиально новая организация работы реактора. «Наш реактор не похож на традиционные, катализатор вводится в зону реакции необычным образом. Моя первоначальная идея — вихревой реактор. Идея запатентована, дала плоды, реактор работает. В Дзержинском, в опытном цехе, реактор пятиметровой высоты. Увидев, как аппарат работает в опытном производстве, я понял: моя идея дала результат, — но это случайное совпадение. На самом деле механизм другой. Мы будем проводить исследования и постараемся выявить детали — надеюсь, фундаментальный результат поможет получить нити длиной в несколько километров, а именно такие нужны для пресловутого орбитального лифта».

«Эта катушка, — Мордкович показывает внушительных размеров шпульку с намотанным на ней иссиня-черным волокном, — пример того, как сейчас работает наша опытная установка. В лаборатории такого результата добиться невозможно, ни о какой намотке мечтать было нельзя» . У большинства исследователей нанотрубки получаются в виде порошка — коротенькие нити в несколько микрон длиной. В данном случае материал действительно представляет собой волокно. После завершения лабораторного этапа у сотрудников отдела новых химических технологий и наноматериалов ТИСНУМ, которым руководит Мордкович, сложилось общее представление, как это работает. Но

когда технологию масштабировали в большую пилотную установку, представление ученых о механизме процесса полностью изменилось.

Нанотрубки существуют

«Если рассчитать или в микромасштабе измерить свойства углеродной нанотрубки, это сразу начинает внушать гигантский оптимизм», — говорит Мордкович. Прочность — 100 ГПа (прочность легированной стали чуть больше 1 ГПа). Модуль упругости — 1 ГПа, в десятки раз больше, чем у чего-либо. Возможность изгиба — под радиусом искривления буквально в десяток нанометров, а любой хоть сколько-нибудь прочный материал не переносит изгиба под радиусом искривления более 1 см. Добавим, что у нанотрубок собственная теплопроводность практически баллистическая — 10⁴(Вт/(м·K)), не как у меди, конечно, но как у хорошего металла. Гигантское радиопоглощение.

Но выяснились две вещи. Первое и главное: нанотрубку нужно получить, вырастить. «Нанотрубка, лежащая в поле электронного микроскопа, имеет длину несколько микрон. И расти не очень-то хочет. Процессы роста нанотрубок, как правило, имеют внутреннее фундаментальное ограничение, которое не позволяет им вырасти больше десятков микрон. Или рост останавливается, или они начинают обрастать углеродом по бокам, превращаясь в солидные углеродные палки, — популярно объясняет сложные химические нанопроцессы Владимир Мордкович. — Сделать прорыв, чтобы трубки получались длинными, очень важно».

Исследования идут лет десять, отдельные экземпляры нанотрубок начали получать в лабораториях в США и Японии, но только как отдельные уникумы.

«Удачные попытки были в Англии, в Кембриджском университете. Профессор Виндл научился выращивать много нанотрубок, не порошковых, длиной в несколько сот микрон. Это прорыв; с другой стороны — прорыв в никуда. Забавная ситуация: у Виндла было много аспирантов, они разъехались по всему свету, и каждый образовал свою лабораторию, повторяющую процесс профессора. То есть результат всё же завораживающий и выдающийся в своем роде».

«Недавно у нас были гости из Испании, показывали свой результат. Нанотрубочки у них коротенькие, и их мало. Наши нанонити накручиваются на катушку порядка 40 минут, и толщина намотки — около 4 см. Их же шпулька, покрытая тонким слоем нитей (толщина 0,5–1,0 мм) получается за 8–10 часов. Принципиально разная производительность, — н е без гордости сообщает Мордкович. — Наши нанотрубки сантиметровой длины. И их действительно много. Абсолютно новая вещь, мы не публиковались нигде еще толком (вот в ТрВ впервые! — Е. С.). Это дает надежду реально реализовать их чудесные теоретические свойства» .

И тут не без сложностей

«Если бы наш путь был чистый, не был усеян „трупами» тех, кто много обещал, но ничего не сделал, может быть, было бы проще. А так — витает определенная аура разочарования. — Однако этот момент, похоже, только раззадоривает ученого. — Нанотрубки в мировой промышленности изготавливаются, но исключительно коротенькими, в виде порошка, и используются как наполнитель для полимеров. А наша нанотрубка — армирующая. Наполнитель — тоже важно, он придает жесткость, электропроводность, но на обычную прочность и другие качества не влияет вообще.

Нанотрубки производят несколько компаний в мире, производят немного. Спрос ограничен, и есть очевидная конкуренция, например, со стороны обычной сажи. Она тоже может заполнять полимеры».

Какова ситуация с будущим сбытом углеродного коттона? Да та же самая, что и с СЖТ. Не то чтобы никто не проявляет интереса. Легко берутся за то, что уже существует, но можно улучшить. Но если это нечто совершенно новое, то люди требуют полностью готовое. «Зато когда сделано, готовы деньги платить, но только за всё. Позиция следующая: „Если вы сделаете это, это и это, может быть, мы тогда испытаем и пустим в дело. Сделайте нам электронную подушку, крученую нить, таблетку». У всех свои заботы, опыты…» — так понимает индифферентность и настороженность предпринимателей от науки Владимир Мордкович.

Еще одна задача: получив длинную нанотрубку, нужно изготовить из нее макроматериал. «Композиты мы делаем в лаборатории. Есть идея продавать большие шпули нанонитей как сырье, но здесь та же ситуация — отрасли-то нет. Кому продавать? Могут интересоваться только те, кто хотят разработать композиционные материалы на этой основе. А основа только появилась. Получается, что, как и с синтетическим топливом, мы вновь должны всё сделать сами. Всю цепочку. От науки до товара».