Дэниел Франклин - Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей

Примечание

Я хотела бы отметить щедрую помощь, полученную при подготовке этой главы от многих людей. Помимо названных в тексте, особую благодарность хочу выразить Менахему Андерману, Камелю Бен Насеру, Джон Беннеру, Карен Баттерфилд, Сэнди Баттерфилд, Джону Каррингтону, Кэтрин Дикс, Алексу Эллеру, Шейл Канн, Салиму Морси, Флеммингу Расмуссену, Венкату Шринивасану, Ричарду Суонсону и Райану Визеру.

Пол Маркилли

Сочетание новых материалов и методов изменит как то, что может быть произведено, так и то, где все это будет производиться.

«BMW i3» — это красивый электромобиль, и, как можно ожидать, он насыщен новыми технологиями. Тем не менее наиболее важными инновациями в нем являются материал, из которого машина изготовлена, и то, каким образом это сделано. Материал — углеродное волокно, очень прочный, но в то же время легкий композит. Он превратился в автомобиль в процессе, более привычном для текстильного производства. Подобное радикальное новшество существенно изменит облик заводов во всем мире. Оно перевернет традиционную экономику производства, меняя давно устоявшиеся торговые потоки и цепочки производства и сбыта.

Свяжите мне машину

Сборка i3 впечатляет. Вместо Германии этот автомобиль начинает жизнь в Японии. И не со стального листа, а с катушки полиакрилонитрила — синтетического термопластика, вытянутого в длинную нитку, напоминающую леску. Ее наматывают на катушку и отправляют в США. Там ее запекают, получая углеродные нити диаметром всего 7 микрон (миллионных долей метра). Затем около 50 тысяч этих почерневших прядей скручивают вместе и получившуюся более толстую пряжу наматывают на другие катушки. Которые, наконец, отправляются в Германию — на фабрику, расположенную недалеко от Мюнхена. Там на гигантской вязальной машине «пряжа» сплетается в «ковры». По прибытии на автомобильный завод «BMW» в Лейпциге, из этих листов нарезаются заготовки, которые укладываются в несколько слоев. В ходе последующего автоматизированного процесса листы склеиваются между собой при помощи смолы, спрессовываются и отверждаются. В результате получаются жесткие, но легкие детали. В конце роботы склеивают последние, формируя корпус автомобиля.

Производственная линия «i3» не похожа ни на какой другой автозавод. Прежде всего, тут необычайно тихо. Нет грохочущих прессов, штампующих металлические детали, или громкого потрескивания ярких искр сварки. Не существует гигантского и дорогостоящего лакокрасочного цеха для очистки и антикоррозионной обработки металлических конструкций (углеродное волокно не ржавеет). Отличия можно заметить даже в бухгалтерских книгах компании: в целом при производстве «i3» используется на 50 % меньше энергии и на 70 % меньше воды, чем на обычном автозаводе.

В Лейпциге BMW исследует самые новые и усовершенствованные материалы, отнюдь не ограничиваясь одним лишь углеродным волокном. Революция материалов включает много других видов композитов, экзотических новых сплавов, специализированных покрытий, гибридных (частично пластик, частично металл), органических (вышедших из лабораторий биологов) и «умных» материалов (могут запоминать свою форму, ремонтировать себя и даже самостоятельно собираться в компоненты). Более того, составление материала на молекулярном уровне позволит производить на заказ вещества с новыми свойствами и изменять принципы работы материалов, например их реакцию на свет, электричество, воду и тепло. Вместе с тем старые материалы будут постепенно модернизироваться.

Основа успеха как новых, так и улучшенных материалов — возможность их коммерческого использования. Переход к нему от лабораторных исследований может занять годы. Например, углеродное волокно добиралось из лабораторий на предприятия несколько десятилетий. Особенно широкое распространение оно получило при производстве самолетов-истребителей, клюшек для гольфа, высококачественных горных велосипедов и болидов «Формулы‐1». Особая привлекательность этого материала в том, что он оказался не только прочнее стали, но и по крайней мере на 50 % легче ее. Такие характеристики являются следствием молекулярной структуры углеродных соединений, создающих сильные химические связи, как в алмазах. Выкладыванием волокон под различными углами можно усилить прочность компонента именно там, где это особенно необходимо, делая деталь гибкой в одних местах и особо твердой в других.

По мере накопления опыта углеродное волокно стали использовать вместо алюминия в коммерческих аэрокосмических аппаратах, поскольку легкие самолеты расходуют меньше топлива и производят меньше вредных выбросов. В настоящее время из углеродного волокна делают половину корпуса самолетов типа «Boeing 787» и «Airbus A380» и «A350». Но за это приходится платить — во многом потому, что производственные процессы дорогостоящи, медленны и трудоемки. Для малых объемов продукции — такой, как горные велосипеды и самолеты — это имеет меньшее значение. Но автомобилестроение — это бизнес с очень большими объемами производства.

Темные искусства

Найдя более быстрые и дешевые способы использования углеродного волокна, BMW первой использовала его в массовом производстве. Некоторые аналитики прогнозируют, что к середине 2020-х годов оно станет основным производственным материалом, заменив сталь и алюминий. К 2050 году, когда большинство автомобилей, скорее всего, станут электрическими и многие из них будут обходиться без водителя, легкое углеродное волокно обеспечит большую дальность поездок и повышенную устойчивость в случае аварии.

К тому времени в автомобилестроении и других областях производства появится множество иных новых материалов. В основе этого процесса лежит ряд тенденций. Например, все большее понимание свойств веществ на микроуровне благодаря более точным и качественным инструментам, таким как электронные и атомно-силовые микроскопы, масс-спектрометры и рентгеновские синхротроны.

Ученые уже добрались до изучения строительных блоков материи. Каждое вещество состоит из атомов, и поведение каждого из них зависит от того, какому химическому элементу он принадлежит. Все химические элементы обладают определенными свойствами, опирающимися на структуру электронного облака, составляющую внешние слои атомов. Способ сопряжения атомов или обмена электронами формирует структуру молекул — мельчайших частиц любого химического элемента или соединения. Умение проектировать материалы на молекулярном уровне дает ответы на множество сложных вопросов, возникающих при работе с новыми материалами.