​​У нас уже открыто, или Как появляются новые технологии

Я занимаюсь тем, что у каждого в кармане, — литийионными аккумуляторами, на которых работает, например, смартфон. Это дело непростое: мы хотим, чтобы батарея служила дольше, вмещала больше энергии, не взрывалась, работала в мороз и при этом заряжалась за пятнадцать минут. И все это должно быть дешево. Я и моя научная группа занимаемся активными электродными материалами — это «порошки», в которых и хранится энергия аккумулятора.

Новый образ городской жизни весь на литийионных аккумуляторах: они во всей портативной электронике, в самокатах, электромобилях. Схематично аккумуляторы для всех этих устройств выглядят одинаково, но, как говорится, дьявол в деталях и требования к ним разные. Для чистого электромобиля ключевой параметр — энергия на единицу массы: чем он выше, тем дальше едешь на одной зарядке. Для гибрида, где есть другой источник энергии в виде бензинового мотора, важнее мощность: батарея должна быстро отдавать энергию при разгоне и принимать при торможении. Высокая мощность и высокая энергоемкость в одном аккумуляторе плохо уживаются, поэтому универсальная батарея на все случаи жизни — миф, и ученым приходится искать решения для каждого конкретного вида применения.

Потребительские требования переводятся в химические задачи. Например, нужно придумать метод получения катодного материала с наиболее высокой плотностью, чтобы аккумулятор стал более компактным, причем это надо сделать экономичным способом. Мы предложили получать сферические частицы порошка (они пакуются наиболее плотно) сушкой его водной суспензии микроволнами. Купили три мик­роволновки, две сожгли, а с помощью третьей нашли способ получать частицы нужной формы и размера. Метод запатентовали, мои молодые сотрудники основали стартап WaveTech и сейчас работают над прототипом полупромышленной мик­роволновой распылительной сушилки. Здесь идея вышла за рамки изначальной задачи: наш метод, например, годится для производства сухого молока и может применяться во множестве других отраслей, работающих с веществами, чувствительными к нагреву, например в фармацевтике. Мы такие решения называем горизонтальными технологиями, поскольку они могут менять целые индустрии.

Я сейчас привел пример конкретного практического решения четко сформулированной задачи. Уметь трансформировать открытие в производство важно, но наука не всегда работает «под заказ». Мы любим конкретные задачи, но еще больше любим придумывать то, что заказчик еще даже не нафантазировал. В таком поиске мы используем наши знания кристаллической и электронной структуры вещества, методов синтеза и, конечно, огромный опыт, без которого обойтись невозможно. Все равно в среднем процесс движения нового материала от лаборатории до промышленного использования может занимать от десяти до двадцати лет и требует значительной экспериментальной работы. Сейчас же очень важно вывести открытие в производство быстро — это позволит обойти конкурентов и захватить основной объем рынка. Очевидный способ сократить путь — использовать больше расчетных методов и предсказательную силу искусственного интеллекта, но полностью отказаться от работы в лаборатории все равно невозможно. Поэтому мы сейчас продвигаем идею сочетания ИИ с высокопроизводительным автоматизированным экспериментом, а еще с передовыми методами исследования, такими как электронная микроскопия с атомным разрешением. Это не только сократит время и затраты, но и даст ИИ огромный массив достоверных данных для обучения, без которых он часто предсказывает бессмыслицу. 

Как рождаются идеи? Главное — уметь задавать правильные вопросы и смотреть по сторонам. Однажды я обсуждал с молодыми коллегами стабильный источник углеродного сырья для анодных материалов и пошутил про борщевик: мол, растет сам по себе в огромных количествах, почему бы не попробовать. А коллеги сделали из него хороший материал, мы опубликовали научную статью, и тема взлетела в медиа, ведь всегда интересно, когда такое вредоносное растение предлагают переработать во что-то полезное.

Ученый, как ни странно, должен думать о деньгах. Приведу пример из своей сферы. Аккумуляторы работают на литии, а это редкий и дорогой элемент. Натрий в тысячу раз дешевле, и в Китае уже делают ­натрийионные батареи промышленно. Мы сейчас получили грант на создание натрий­ионных аккумуляторов — это альтернатива для «народных» электромобилей, крупногабаритного транспорта, систем стационарного хранения, где небольшой проигрыш по энергоемкости окупается низкой стоимостью. А есть еще другие металлы, на которых можно создавать аккумуляторы, например калий или магний. То есть наша задача — это поиск золотой середины между ценой, мощностью и энергоемкостью. Самые продвинутые решения не всегда оказываются жизнеспособными, если потребитель не готов нести расходы.

Технологический прогресс двигается с такой скоростью, что люди стали воспринимать его как само собой разумеющийся. Они даже возмущаются, если процесс стопорится, если за пару лет никто не придумает, как сделать, чтобы телефон, в котором они сидели целый день, к вечеру не разряжался. Они садятся в экологически чистый электробус там, где вчера ездили только старые маршрутки, и не видят за этим революции и даже просто труда ученых. На их взгляд, все происходит так, как и должно быть, — все время что-то новое. Мои исследования именно об этом. У нас в Сколтехе мы смогли выстроить работу так, чтобы открытия не оставались только статьями, а оперативно превращались в практически значимые технологические решения и прототипы. В этом смысле наука — это и творчество, и инженерия, и ответственность.

Ответственность здесь в первую очередь перед налогоплательщиками, на деньги которых в значительной степени финансируется наука. Бывает, что в обществе формируются завышенные ожидания практической отдачи от научного открытия, а потом они не сбываются, по крайней мере, в разумный период времени. В свое время мир верил, что изобретенный материал графен и нанотехнологии решат все задачи сразу, что вот-вот появится сверхпроводимость при комнатной температуре и радикально изменит нашу повседневную жизнь к лучшему. Многие из этих прогнозов пока не оправдались. Но эти волны ожиданий подталкивали лаборатории к поискам, открывали источники финансирования и в результате приводили к новым открытиям. Наука не всегда дает гарантии, но она движется к цели. Иногда прямым путем, а иногда так, извилисто, но все равно работает на цивилизацию.