Интервью выпускника МАИ В. Костюка журналу «Эксперт»

Академик Валерий Костюк считает, что уже в ближайшем будущем в мировой энергетике заметную роль начнут играть высокотемпературная сверхпроводимость и водород. Россия благодаря советским заделам может оказаться в числе технологических лидеров.

Биография ученого нестандартна: проработав долгое время в МАИ, где он прошел путь от аспиранта до профессора и занимался закрытыми исследованиями для оборонки в области ракетной техники, Валерий Костюк делает чиновничий карьерный скачок: с 1978 года руководит научно-исследовательскими подразделениями Минвуза, Госплана, Минэкономики России. После развала Советского Союза он служил первым зампредом Комитета РФ по науке и технологиям, первым замминистра по науке и технологиям РФ. При этом ему удавалось сохранить себя и в науке: с 1979 года Костюк работал в им же созданном НИИ низких температур, которым руководит до сих пор. За исследование тепловых процессов в ракетных двигателях в 1985 году ученого наградили Государственной премией СССР. За фундаментальные исследования в области низких температур в 1990 году он удостоен Государственной премии РСФСР, а за разработку новых газодинамических систем пожаротушения в 2000 году и за создание новых типов электрических машин на основе высокотемпературных сверхпроводников в 2003 году — премиями правительства РФ.

В 2012 году Валерий Костюк стал лауреатом энергетической нобелевки — премии «Глобальная энергия» за научные достижения в области криогеники и криогенной техники и за использование этих достижений в энергетике.

— Валерий Викторович, читал в вашей биографии, что увлечение авиацией и космонавтикой предопределило выбор профессии.

— Время было такое, интереснейшее. Как раз в 1957 году (а это, помните, год запуска первого искусственного спутника Земли) я поступил на вновь созданный спецфакультет Челябинского политехнического института, на специальность ракетная техника. Материальную часть мы изучали еще на немецких ракетах ФАУ-2, но уже делали научные работы для ракет, разрабатываемых тогда конструкторскими бюро Михаила Кузьмича Янгеля, Виктора Петровича Макеева, Алексея Михайловича Исаева. В институте я увлекся гидродинамическими и тепловыми процессами в двигателях и топливных системах ракет. Дипломную работу выполнял на эту же тему, а по результатам ее защиты ученый совет ЧПИ обратился в Министерство высшего образования с просьбой допустить меня к вступительным экзаменам в аспирантуру без обязательного двухгодичного стажа работы после окончания института, как тогда полагалось. Мне разрешили, и я сразу же поступил в аспирантуру Московского авиационного института. Там я занимался криогеникой и криогенной техникой до 1979 года, когда меня назначили на должность начальника Главного управления науки Министерства высшего образования РСФСР.

— Чем конкретно вы занимались в МАИ?

— Поскольку я работал в Авиационном институте, у нас были связи со всеми советскими конструкторскими бюро, которые разрабатывали ракеты и ракетные двигатели. Многие двигатели потом попали в производство, еще больше было тех, которые так и не пошли никуда. МАИ работал с Подлипками (ныне подмосковный город Королев. — «Эксперт»), с КБ Королева (сейчас это НПО «Энергия»), там же с ОКБ-2 (КБхиммаш им. А. М. Исаева); с химкинским ОКБ-456 (НПО «Энергомаш») Валентина Петровича Глушко; с ОКБ-52, мощной фирмой Владимира Николаевича Челомея (НПО машиностроения, Реутов); с миасским СКБ-385 (ГРЦ «КБ машиностроения им. академика В. П. Макеева»). Многие специалисты-конструкторы, которые занимались там двигателями, были или моими аспирантами, или соискателями ученых званий, и поэтому у нас собиралась полная информация по топливам, мы могли по ним полноценно работать. МАИ был настоящим объединяющим центром образования, который пронизывали тесные связи с КБ, отраслевыми НИИ и заводами. Немудрено, что многие ученые вспоминают те времена с ностальгией: оборонка давала много денег, мы строили новые учебные и лабораторные корпуса. Мы работали как сумасшедшие, я мотался по всем этим КБ и институтам по всей стране. Я считаю, что вот эти годы — с 1963-го по 1978-й, эти 15 лет — были самым интересным периодом в моей жизни.

— Как удавалось совместить исследовательскую работу для чистой науки с поиском решений прикладных, технологических задач?

— Знаете, тут грань тонкая. Первая задача, которая стояла перед нами, — необходимость систематизировать все сжиженные газы по теплофизическим свойствам: кислород, азот, водород, фтор, неон, аргон. В МАИ в итоге было составлено около двух тысяч таблиц с такими свойствами. Все они шли с грифом «Секретно», хотя и существовали похожие американские и другие, но по сопоставлению таблиц можно было сделать определенные выводы, понять, в каком направлении идут исследования. Казалось бы, чистая, как вы говорите, наука, но результаты этих работ, накопленный материал мы тут же передавали нашим КБ. Попутно мы, как специалисты, знающие свойства сжиженных топлив и окислителей, вместе с этими КБ разрабатывали, к примеру, технологию системы запуска двигателей как на Земле, для двигателей первых ступеней, так и в космосе, для второй и третьей ступеней. Ломали голову, в частности, над такой проблемой: если в горячий двигатель запустить криогенный компонент, то он может закипеть, начнется кавитация насоса, и в результате произойдет срыв подачи этого компонента в камеру сгорания. Мы должны были прописать циклограммы (последовательность сложных алгоритмов согласованной работы различных агрегатов в ракетном двигателе, которые обеспечивают его нормальное функционирование. — «Эксперт») запуска на различных двигателях, работающих на определенных криогенных топливах и окислителях. Для этого опять же нужно получить полный набор физических свойств всех криогенных компонентов до фтора включительно. А попробуйте-ка исследовать эти свойства у того же фтора, когда при соединении с ним все взрывается. Волей-неволей приходилось заниматься прикладными вещами в поисках безопасной работы с этим агрессивным галогеном.

— На торжествах по случаю награждения премией «Глобальная энергия» вы говорили, что, используя опыт ракетных криогенных систем в области энергетики, можно получить много различных практических применений. Речь идет о высокотемпературной сверхпроводимости?

— Да, о ВТСП. Это очень интересная тема. Хотя само явление сверхпроводимости, как вы знаете, открыли сто лет назад, этим делом занимались исключительно физики, причем работали со сверхпроводящими материалами только при гелиевых температурах. И все это было бы замечательно, если бы только работы не относились к очень узкому спектру решаемых задач. Скажем, мощные магниты со сверхпроводящими обмотками оказывают неоценимую услугу исследованиям в физике, особенно в ядерной физике. Но в 1980-х годах заговорили о ВТСП. В 1986-м сотрудники цюрихского исследовательского центра корпорации IBM, ученые Георг Беднорц и Алекс Мюллер, синтезировали принципиально новый сверхпроводник — керамическое соединение на основе меди, лантана и бария, который обладал свойствами сверхпроводимости при 35 градусах Кельвина. Потом они за это получили Нобелевскую премию. Открытие вызвало взрыв интереса к теме, и все этим стали заниматься, в том числе у нас в Академии наук, американцы, японцы — все. Дошли чуть ли не до комнатной температуры, но все это были игрушки: очень маленькие магнитные поля, очень слабые токи. Так или иначе, снова обратились к криогенике, придя к выводу, что единственным удобоваримым рабочим телом для высокотемпературной сверхпроводимости является жидкий азот. Он безопасен. Если у вас сверхпроводник теряет свою проводимость и взрывается, то никакого пожара нет — азот есть азот. Но для того, чтобы он работал, нужно было изобрести специальные керамики, их сделали, причем хорошие керамики.

— А они ведь очень дорогие.

— Чрезвычайно дорогие, сейчас хорошая керамика стоит около 250 долларов за метр. Дороговизна высокотемпературного сверхпроводящего материала как раз и стала причиной того, что в мире ведется всего несколько десятков проектов по созданию ВТСП-кабелей. В сетях же, несмотря на то что такие кабели с азотным охлаждением пытались устанавливать еще с конца 1980-х годов, их еще меньше — они стоят только в энергосетях США и Китая. Несколько ВТСП-кабелей работает в режимах, близких к существующим в энергосистемах. Такие установлены в Корее, Японии, а с 2009 года 200-метровый кабель работает и в нашей стране. У американцев таких кабелей шесть, самый длинный, 700-метровый, установлен где-то под Нью-Йорком.

— Насколько я знаю, у нас тоже есть чем похвастаться — в том же НИИ низких температур МАИ разработали первые в мире электродвигатели с использованием ВТСП-материалов.

— Да, приоритет наш, и это было сделано еще в конце 1980-х. Хотя тогда мы попали в плохие финансовые условия и вскоре вынуждены были работать с Siemens, потому что здесь денег на это никто не давал. Сначала это был двигатель мощностью один киловатт для одной системы, потом уже с немцами довели мощность до 500 киловатт, а скоро будет на 1000 киловатт. Но все это было на керамических сверхпроводниках и на азоте. В 1980-х же была программа Государственного комитета по науке и технике, пытались создать ВТСП-материалы с более высокой критической температурой (температура, после превышения уровня которой проводник теряет свои сверхпроводящие свойства. — «Эксперт»). Но свой сверхпроводник мы тогда так и не сделали.

— Наша программа по 200-метровой ВТСП-сети — та, что создана на импортном сверхпроводнике в научно-техническом центре Федеральной сетевой компании, бывшем Всесоюзном научно-исследовательском институте электроэнергетики?

— Это она, но до нее был реализован еще один ВТСП-проект. Тут история такая. Крупнейший наш специалист по сверхпроводимости, член-корреспондент РАН Николай Алексеевич Черноплеков из Курчатовского центра, ныне покойный к сожалению, уговорил в свое время Анатолия Чубайса, тогда главу РАО ЕЭС, у которого был интерес ко всему новому в электро­энергетике, запустить такую программу. Сначала закупили за границей 30 метров провода. Первая задача была намотать из этого провода кабель, потому что это очень сложная штука, многокомпонентная, многослойная. И мы, поскольку занимались криогеникой (речь идет о Научно-исследовательском институте низких температур при МАИ, создателем и директором которого является академик Костюк. — «Эксперт») вместе с ВНИИ кабельной промышленности такой кабель сделали. Надо отметить, что Чубайс тогда купил не только провод, но и холодильную машину, работающую по циклу Стирлинга. Ведь сверхпроводящий кабель существует только тогда, когда он располагается в некой изоляции, нужно все время поддерживать в нем определенную температуру, иначе сверхпроводимости просто не будет. Проводник греется, и выделяется внутреннее тепло, снаружи все это также нагревается. Американцы, как я уже говорил, протянули кабель длиной 700 метров, и это пока предел, но они продвигаются дальше и собираются тянуть на пять километров. По этой схеме им придется через какое-то расстояние ставить очередной очень дорогой холодильник. Но это сумасшедшие деньги: стоимость самого сверхпроводника, стоимость системы криогенного охлаждения. Мало того — при промышленной эксплуатации для обеспечения надежности придется в параллель ставить байпас — резервную линию.

— Для создания какой-либо другой схемы можно что-то взять из вашего опыта работы в ракетной отрасли?

— Мы подумали: а почему бы не использовать тот опыт, который у нас накопился в ракетно-космической технике и не создать собственную уникальную криогенную систему? Впервые мы применили ее при разработке 200-метрового трехниточного кабеля для переменного тока, того самого, что испытывается в научно-техническом центре ФСК. Это был уже следующий сверхпроводниковый проект для электроэнергетики. Активно помогало Министерство образования и науки, половину средств выделила ФСК. В работе кроме НТЦ участвовал МАИ. Так как дело это электрическое, мы попросили академика Волкова быть руководителем проекта (Эдуард Волков, генеральный директор Энергетического института им. Г. М. Кржижановского, головного института электроэнергетической отрасли. — «Эксперт»). Фортов (академик Владимир Фортов — академик-секретарь Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления, директор Объединенного института высоких температур РАН. — «Эксперт») осуществлял научное руководство. Задача была не в том, чтобы купить систему охлаждения — у зарубежных компаний их полно, это элементарно, — а в том, чтобы разработать самим; причем не просто, догоняя эти фирмы, создать конкурентную технологию, а еще и заглянуть в технологическое будущее. Для этой самой двухсотметровки мы такую систему сделали. Там много чего накручено: разработали неоновый рефрижератор, поставили криогенный насос, похожий на те, что ставятся на ракетных двигателях, — одним словом, собрали комбинацию из тех элементов, которые применяли до того в ракетной технике. По расчетам, уже эта система позволяет поддерживать необходимую температуру на участке ВТСП-сети длиной 2,5 километра. Сейчас как раз ФСК хочет получить проект сети такой длины, но только для постоянного тока.

— Расскажите, пожалуйста, что вы имели в виду, говоря о технологическом будущем. Это же не просто процесс удешевления стоимости таких систем для коммерческого применения?

— Я криогенщик, меня интересует создание такой системы охлаждения, которая позволила бы электрикам надежно работать на больших длинах с большой мощностью. И в принципе я считаю, мы этого в известной мере добились. Проблема в другом — удешевить всю систему в существующей парадигме, завязанной на технологии азотного охлаждения, никак не удается. Хотя сам азот не дорог, он требует применения слишком дорогих сверхпроводников, и получается, что вся стоимостная нагрузка системы перекладывается на ее электрическую часть. Но перелом наметился и здесь: в 2001 году японский ученый Акимитсу открыл новый тип сверхпроводника — диборид магния с критической температурой около 39 градусов Кельвина.

— То есть это уже не низкотемпературная гелиевая сверхпроводимость?

— Именно так. Напомню, что технологию НТСП из-за проблем создания гелиевого холода и свойств самого гелия, очень капризного вещества, распространить на электроэнергетику не получится, иначе все бы уже давно такие системы создали. Азотные же системы существуют, потому что достижение азотных температур технологически на порядки более простое, чем создание температур гелиевых. Так вот, возвращаясь к дибориду магния, этот материал по сравнению с другими ВТСП-проводниками стоит сущие копейки: несколько долларов за метр. Мои ученики работают в Японии, они исследуют свойства этого вещества. Кроме дешевизны у него масса других полезных качеств. Так, при водородных температурах плотность критического тока для MgB2 достигает 10 килоампер на квадратный сантиметр сечения провода, то есть через него можно пропускать огромные мощности. Но использование диборида магния означает и переход с азотного на другой уровень температур, который обеспечивает, к примеру, неон. Однако неон сам по себе дорогой, и его к тому же мало. Вот тут нам и пришла мысль: этот сверхпроводник может работать в комбинации с жидким водородом, тем более что у самого водорода, кстати, много преимуществ перед обычным азотом по теплоте испарения, теплоемкости, температуропроводности. Так появилась идея технологии, как мы ее назвали, гибридной транспортной магистрали для передачи энергии. Идея сама по себе простая — качать водород, используемый для различных энергетических целей (он применяется в нефтехимии, оптоволоконной электронике, фармацевтике), по трубопроводам, внутри которых лежали бы сверхпроводниковые электросети, построенные на основе соединения диборида магния. Исходили прежде всего из того, что человечеству никуда не деться от перехода на водородную энергетику.

— Кажется, это все-таки довольно отдаленное будущее.

— Не скажите. Уже сейчас в мире производится 60 миллионов тонн водорода, причем потребление особо чистого электролизного водорода растет на 18 процентов в год. США, к примеру, уже производят более 100 тысяч тонн жидкого водорода.

— А что скажут пожарные?

— Вы знаете, я уже немолодой человек и помню времена, когда составы с цистернами с жидким водородом спокойно ходили от узбекского Чирчика на все наши ракетные полигоны и заводы: в Омск, Загорск, Воронеж. В Союзе летал обычный ТУ-155 на водородном топливе. Председатель Исполнительного комитета Моссовета Владимир Поспелов на «Волге» с водородным баком ездил к Моссовету еще до развала СССР. В принципе водород, на мой взгляд, а я с ним работаю всю жизнь, значительно менее опасен, чем природный газ. Очевидно, что под это дело придется создавать новую инфраструктуру, создавать новые правила и технические условия эксплуатации. Те же американцы уже сейчас собираются строить систему, которая будет состоять из емкости, откуда к заправкам пойдет разветвленная проводящая водородная линия, а источником энергии для перекачки — ее, кстати, много потребуется — будет служить сверхпроводящая электрическая сеть, проложенная внутри.

— Что-то в России делается по этому направлению?

— Академия наук, работая совместно с МАИ, с НИИ кабельной промышленности, намотала экспериментальный сверхпроводящий кабель из диборида магния длиной около 50 метров, сделали свою криогенную систему и, используя старые связи, апробировали все это на водородном стенде в Воронеже (там располагается КБ химавтоматики — предприятие, создававшее жидкостные ракетные двигатели. — «Эксперт»). Результаты исследования и экспериментов опубликованы недавно в журнале Жореса Ивановича Алферова «Экспериментальная физика». Сверхпроводимость диборида магния получена, водород по системе течет. Для дальнейших НИОКР нужно финансирование — это же страшно дорого. Семь миллионов стоило только подготовить стенд к запуску, а на все — мы сделали с десяток экспериментов — ушло почти 50 миллионов рублей.

— Валерий Викторович, легко ли повторить эту систему, она запатентована?

— Повторить, за исключением некоторых вещей, можно запросто. То, что мы сделали, не патентуется, это научное доказательство принципиальной возможности создания гибридной технологии, то есть главным образом в этой работе решается научная задача. Но здесь кроме поиска чисто научно-технических решений нам было очень важно показать, что институты Академии наук, как и в советское время, могут быть связующим центром для вузов, отраслевых КБ при создании новых перспективных технологий.

Фото: Александр Крупнов