Сегодня мир испытывает огромные энергетические проблемы, с которыми ему должна помочь наука. При этом мы сильно зависим от людей и организаций, способных довести научные идеи до коммерческой реализации.
Десять лет назад два аспиранта Стэнфордского университета Джерод Швид и Дэниел Райли приступили к работе над диссертациями по термионным преобразователям энергии. Молодым энтузиастам науки был поручен проект на тему, о которой они на тот момент ничего не знали. Их попросили поработать над любопытным научным явлением - термоэлектронной эмиссией. Название звучит таинственно, но сам принцип достаточно прост. Подобно тому, как при нагревании воды в кастрюле её часть получает достаточное количество энергии, чтобы вырваться наверх в виде пара, нагретый металл начинает выбрасывать наружу электроны. Термоэлектронную эмиссию некогда использовали в радиолампах и кинескопах, но молодым учёным нужно было оценить её возможности для изготовления тепловой машины нового типа, преобразующей тепловую энергию в электрическую. Самое замечательное, что такая машина не будет иметь движущихся частей, сможет работать бесшумно и без проблем, связанных с клапанами, поршнями и другими элементами традиционных ДВС.
ЗАВЕТНЫЙ ПРИБОР
В середине прошлого века в азарте космической гонки США и СССР пытались разработать термоэлектронные преобразователи. В Советском Союзе на этом принципе был создан генератор электрической энергии для спутника. Дальше случился поворот истории. Космическая гонка завершилась и господдержка работ по созданию подобных приборов испарилась.
А теперь давайте перенесёмся в наше время. Аспиранты Джерод и Дэниел смотрят на старую идею в контексте новых условий. Дело в том, что за последние 50-70 лет материаловедение очень продвинулось. Созданы бесчисленные новые соединения и удивительные научные приборы для изучения веществ. И ребята задались вопросом: «Нельзя ли получить эффект термоэлектронной эмиссии не в металлах, а в полупроводниках, подстроив их характеристики под задачу?»
Надо сказать, что Джерод и Дэниел не зря получили свои учёные степени - они проделали феноменальную работу, опубликовали фундаментальные труды, полностью переписав теорию термоэлектронной эмиссии.
Джерод Швид и Дэниел Райли признают, что 50 лет назад не было способа изготовить дешёвые и высокоэффективные термоэлектронные преобразователи. Поэтому идея была ограничена узкой сферой космических исследований. Но сегодня всё иначе. По их мнению, современные технологии микроэлектроники позволяют создать высокоэффективный (КПД 50-60%) преобразователь тепловой энергии в электрическую без движущихся частей. Он будет и масштабируемым, и надёжным. С коммерческой точки зрения, новый преобразователь сможет «победить» тепловую генерацию всех видов.
В какой-то момент ребята поняли, что им нужно переключиться с научных исследований на технологические разработки. Проректор Стэнфордского университета посоветовал им обратиться к производственным предприятиям, поскольку главная задача Стэнфорда - обучать студентов.
ЗАПРЕЩЁННАЯ ЗОНА
Джерод и Дэниел не смогли найти ни одной промышленной компании, готовой поддержать их идею. Производственники говорили: «Покажите работающий прототип», - но как раз его и нужно было создать. Тогда ребята учредили стартап. Увы, знакомясь с его предложениями, потенциальные инвесторы пугались, что потребуются годы и миллионы долларов лишь на то, чтобы подтвердить или опровергнуть концепцию термоэлектронного преобразования.
Помучившись несколько месяцев, оба учредителя сдались. Джерод пошёл преподавать в университет, а Дэниел устроился на работу в консалтинговую компанию. И это была большая потеря для технического прогресса. Потому что на всей планете не найдётся и двадцати специалистов по термоэлектронной эмиссии, способных понять её новую концепцию и превратить её в прорывную энергетическую разработку.
Отмечу, что всё это происходило в Кремниевой долине - инновационном центре США. И отсюда можно сделать выводы о том, в каком состоянии находится экосистема исследований и разработок, о нашей способности поддерживать прорывные инновации.
ВСЕ УЧЁНЫЕ - НА ЗАВОДЫ
Чтобы проследить источник проблем, предлагаю вернуться к середине прошлого века, конкретно - к Ванневару Бушу, энергетику по образованию, который во время войны руководил Офисом научных исследований и разработок США. После войны президент США Франклин Рузвельт направил В. Бушу письмо, где было сказано: «В военные годы мы добились необыкновенного прогресса в научных исследованиях и разработках. Что мы будем делать теперь? Какие подходы сегодня нужны науке?» Ответ В. Буша изложен в его труде «Наука: бескрайний рубеж». Проанализировав работу офиса в годы войны, его глава отметил, что все лучшие умы нации были по необходимости переброшены на практические проекты в оборонной сфере, то есть на заводы, где внедрялись различные технологии. Научные лаборатории опустели. Другого выхода не было.
Ванневар Буш предсказал, что в стране через некоторое время возникнет дефицит учёных. Чтобы его предотвратить, нужно было перераспределить средства, усилив финансирование чисто фундаментальных исследований. Федеральное правительство так и поступило, направляя деньги на научные исследования и разработки в университеты. Это решение определило политику развития науки в США на следующие 65-70 лет. В частности, были созданы сеть национальных лабораторий, Национальный научный фонд, введены должности научных сотрудников, аспирантов и т. д.
Сегодня мы видим, что В. Бушу удалось материализовать своё видение. Практически все дополнительные ассигнования, которые принимались в 1957 по 2012 гг., шли на развитие чистой фундаментальной науки, которая не касается производственных корпораций. Финансирование университетов (с учётом инфляции) увеличилось примерно в 30 раз, тем временем ассигнования на научные исследования в промышленности практически не выросли.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПЛОДЫ
Сегодня мы генерируем больше научных идей и публикаций, чем когда бы то ни было. Мы также выпускаем больше талантливых учёных. И вызревает проблема. Прогнозы на будущее показывают, что лишь каждый десятый молодой учёный сможет найти работу в рамках академической системы, которая его взращивает. При этом два выпускника из трёх вообще не смогут трудоустроиться в сферах науки и технологий.
Как отметил президент Массачусетского технологического института Рафаэль Рейф, «Соединённые Штаты должны найти систематический подход, чтобы расширить "бутылочное горлышко" для внедрения уже имеющихся научных идей». Можно сказать, что маятник доли фундаментальной науки в своём движении дошёл до конца и начинает менять направление.
В июле 2014 г. был запущен пилотный проект инкубатора Cyclotron Road. Мы разместили в Интернете объявление о том, что совместный проект Офиса передовых разработок Департамента энергетики и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли позволяет учёным «перебросить мост» между научной идеей и производством. Учёные получают возможность провести в лаборатории два года, проверяя свои ещё не совсем коммерческие идеи и доводя до ума прототипы.
Количество желающих участвовать в проекте превзошло все наши ожидания. Через две с половиной недели мы были вынуждены закрыть формы для регистрации, поскольку 150 учёных со всей Америки заявили, что они готовы собрать вещи и переехать в Беркли.
ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ
Первый набор в инкубатор Cyclotron Road насчитывал восемь человек, работающих над шестью проектами. Среди них - Джерод Швид и Дэниел Райли, для которых мы даже создали специальную компанию Spark Thermionics. В лаборатории нашлось специфическое оборудование, которое помогло ребятам обнаружить источник энергетических потерь и кардинально продвинуться вперёд, получив грант ARPA-E. Разработкой заинтересовалось и агентство DARPA. Сейчас для нас очевидно, что ребята идут к созданию электростанции на кристалле. Вообще говоря, все наши инноваторы достигли феноменальных успехов - совершили новые научные открытия, перевели пробирочное производство в мелкосерийное, побили мировые рекорды с помощью созданных прототипов или нашли новые приложения для своих технологий. Некоторые даже заполучили инвесторов и первых заказчиков.
Сеть национальных лабораторий обладает неимоверными техническими ресурсами, которые пора переориентировать с фундаментальных исследований на прикладные разработки, чтобы помочь тем ярким инноваторам, которые «застряли» между наукой и производством.
___________________________________
Еще больше интересных материалов ищите на нашем портале Энерговектор.com или подписывайтесь на наш канал.
Портал Энерговектор - это всегда свежие новости, комментарии финансовых аналитиков, оперативные фото- и видеорепортажи. На портале также размещаются расширенные версии статей, публикуемых в газете Энерговектор, с дополнительными иллюстрациями и видеовставками. Мы придаём большое значение вопросам престижа энергетических профессий, развитию отечественного энергетического машиностроения и энергоинжиниринга, обмену опытом и новым «прорывным» технологиям.