Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Рассмотрены сырьевые ресурсы производства жизненно важных продуктов и обоснована неизбежность перехода на возобновляемые источники сырья для обеспечения жизнедеятельности человека.
металлы, неметаллы, уран, водород, углерод.
Прогресс человечества неразрывно связан с его умением производить и использо-вать жизненно важные материалы. В истории цивилизации такого рода материалы опре-деляли название целых эпох: каменный век, бронзовый век, железный век. С начала про-мышленной революции в конце 18-го в. и по настоящее время сплавы железа с углеро-дом – сталь и чугун – являются основными конструкционными материалами для изготов-ления деталей машин и технологического оборудования во всех отраслях промышленного производства.
Около 90% конструкционных материалов создано на основе металлов и только 10% имеет в своей основе неметаллические вещества. Такое соотношение отражает объектив-ные закономерности реального мира. Из всех химических элементов, представленных в периодической системе Д.И. Менделеева, только 92 элемента встречаются в естественных условиях в природе, а не созданы искусственно. Из них 80 элементов являются металла-ми, из числа которых 65 элементов находят активное применение в технике. Среди метал-лических материалов преобладают черные металлы, к которым относят железо и его спла-вы.
Остальные металлы составляют лишь около 10% общего количества машинострои-тельных материалов на металлической основе. Их условно относят к цветным металлам. В отраслях массового машиностроения наиболее широко применяются сплавы на основе меди и алюминия. Остальные металлы используются в технике в соответствие со своими специальными свойствами. Среди них можно выделить легкие (магний, титан), тугоплав-кие (вольфрам, молибден и др.), легкоплавкие (свинец, олово и др.), радиоактивные (уран, радий и др.), благородные (золото, серебро и др.) металлы.
Доступные для использования ресурсы разных металлов не всегда соответствуют их значению для развития современной техники. Лишь некоторые металлы содержатся в зем-ной коре в ощутимых количествах: запасы железа, сплавы которого количественно преоб-ладают в номенклатуре машиностроительных материалов, составляют 4,65%, а алюми-ния, сплавы которого занимают второе место по объему производства и потребления, в земной коре чуть ли не в два раза больше – 8,8 %. Достаточно много содержится и магния – 2,1%. Содержание кремния в земной коре составляет 26%, это самый распространен-ный в природе химический элемент.
Запасы других металлов, без которых невозможно повысить технические характе-ристики сплавов черных металлов до приемлемых для конструкционного применения значений, оценивается лишь в долях процента: титан 0,63%; хром 0,02%; медь и никель по 0,01%; вольфрам 0,0001%. Особенно бедна природа благородными металлами.
Природные ресурсы неметаллических материалов более внушительны. Земная кора состоит главным образом из кремнезема и солей кремневой кислоты – силикатов. Многие силикаты и соединения кремния с другими химическими элементами входят в состав тех-нической керамики, свойства которой имеют не только конструкционное, но и функцио-нальное применение. Из природных силикатов слюда используется: как электроизолятор, асбест служит огнеупором. Химическое соединение кремния с углеродом (карбид крем-ния, который носит техническое название карборунд) имеет высокую твердость и приме-няется в качестве абразивного инструмента. Силикаты служат сырьем для производства стекла. Стеклянные волокна являются одним из компонентов стеклопластиков, которые с успехом заменяют металл в машиностроении, а также служат основой волоконной оптики.
В последние годы активно развивается новое направление материаловедения – тео-рия и практика применения композиционных материалов, которые в ряде случаев сочета-ют в себе металлические и неметаллические вещества. Объем их производства можно оце-нить как 5% общего количества конструкционных материалов, а уровень применения как стадию широкого промышленного опробования в отраслях массового машиностроения и устойчивого роста масштабов использования в передовых отраслях специального маши-ностроения.
Общий объем технического, а не только машиностроительного, применения материалов больше соответствует уровню их ресурсного обеспечения исходным сырьем (табл.). Доля металлических материалов составляет лишь около 3% по объему и около 13% по весу в общем количестве потребляемых мировым сообществом материалов. Свыше 90% объема потребностей человеческого общества в материалах удовлетворяется керамикой с практически неограниченным ресурсным обеспечением и древесиной, которая является возобновляемым природным ресурсом.
Таблица
Мировое потребление основных видов материалов
|
Показатель |
Металлы |
Полимеры |
Керамика |
Древесина |
|
|
черные |
цветные |
||||
|
Масса, млн т,(%) Объем, млн м3 (%) Стоимость, % |
810 (12) 104 (2,5) 50,8 |
80 (1,2) 1,8 (0,4) 7,9 |
110 (1,8) 100 (2,4) 17,6 |
4200 (62) 2000 (44,9) 17,3 |
1600 (23) 2300 (49,8) 6,4 |
Однако даже практически неограниченные на наш век сырьевые ресурсы производ-ства материалов не беспредельны, они конечны. После завершения выработки доступных сырьевых ресурсов человечество будет вынуждено обратиться к материалам из возобнов-ляемого сырья. Одним из таких материалов является древесина, потенциальные возмож-ности технического применения которой в машиностроении не до конца осознаны инже-нерно-технической общественностью.
В качестве машиностроительного материала нового поколения представляет инте-рес модифицированная древесина. Модифицированной называют цельную древесину с направленно измененными свойствами. Для модифицирования используют физические, химические, радиационные или комбинированные методы.
Накоплен определенный опыт использования древесных материалов в машинострое-нии. Наибольшее внимание машиностроителей привлекала прессованная древесина. Ос-новной сферой ее машиностроительного применения были антифрикционные детали уз-лов трения. Как главное преимущество прессованной древесины по сравнению с традици-онными антифрикционными материалами отмечают ее работоспособность в абразивных средах. Определены рекомендованные значения нагрузок и скоростей скольжения анти-фрикционных деталей из прессованной древесины для различных смазочных средств. Об-ратим внимание, что в условиях низких нагрузок и скоростей скольжения узел трения с деталями из прессованной древесины может работать вообще без смазки. Кроме того, прессованная древесина вследствие своего строения хорошо поглощает энергию удара и вибрации. Поэтому для работы в условиях вибрационных нагрузок детали машин из прессованной древесины предпочтительнее, чем детали из традиционных материалов кон-струкционного назначения.
Конструкторам хорошо известно, что металлические материалы при эксплуатации в условиях низких температур области резко теряют пластичность, поэтому основным кри-терием выбора конструкционного материала для работы в арктических широтах служит порог хладноломкости. Примечательной особенностью древесных материалов является необычное поведение в условиях воздействия низких температур. Для прессованной дре-весины при отрицательных температурах в районе -60°С допустимая нагрузка на изготов-ленные из нее детали узлов трения возрастает в 2 раза, а коэффициент трения резко сни-жается. Это позволяет рекомендовать прессованную древесину для изготовления анти-фрикционных деталей узлов трения машин, механизмов и технологического оборудова-ния, предназначенных для эксплуатации в тяжелых условиях Крайнего Севера. Практи-ческая реализация данной рекомендации обеспечит повышенную работоспособность и надежность машиностроительной продукции в условиях вечной мерзлоты и абразивных рабочих сред при минимальных затратах. Машиностроительное применение модифициро-ванной древесины особенно актуально для обживания необъятных арктических просторов нашей страны.
Отметим еще один аспект рассматриваемой проблемы.
Функционирование изготовленных из конструкционных материалов машин и техно-логического оборудования по производству жизненно важных продуктов для комфортно-го существования человека требует непрерывного снабжения их энергией. Выработка энергии также основана преимущественно на использовании невозобновляемых сырьевых ресурсов. Основной источник энергии для человечества в настоящее время – сжигание угля, нефти и газа. Но их запасы ограничены, а продукты сгорания загрязняют окружаю-щую среду: угольная электростанция дает больше радиоактивных выбросов, чем атомная такой же мощности. Альтернативные способы выработки энергии, основанные на природ-ных неисчерпаемых ресурсах (использование энергии солнца и ветра, гидроэнергетика) не получили должного развития и занимают скромное место в мировом балансе потребляе-мой энергии. Атомная энергетика минимизировала потребление сырьевых ресурсов, одна-ко она также основана на использовании ограниченного природой сырьевого ресурса – урана, которого в земной коре содержится всего 0,0003%.
Современная цивилизация основана на использовании электроэнергии, сырьевые ис-точники производства которой ограничены. Альтернативой энергетическому голоду счи-тают производство электроэнергии в процессе термоядерного синтеза химических элемен-тов. В отличие от атомных реакторов, где происходит процесс распада ядер тяжелых хи-мических элементов с образованием более легких элементов, термоядерные реакторы осу-ществляют синтез тяжелых элементов из легких. Выход энергии на единицу массы ядер-ного вещества в реакциях синтеза в несколько раз больше, чем в реакциях деления. Это основная причина исключительного внимания научно-технического сообщества к науч-ным и опытно-конструкторским работам в данной области.
Термоядерная энергетика имеет ряд потенциальных преимуществ перед получивши-ми широкое распространение атомными реакторами:
– доступное и практически неисчерпаемое сырье. Это водород и его изотопы: тритий и дейтерий. В частности, 1 г дейтерия содержится в 60 литрах воды;
– радиационная безопасность. Атомный реактор содержит десятки тонн радиоактив-ного топлива, которое преобразуется в радиоактивные отходы. Термоядерный реактор использует лишь один радиоактивный изотоп водорода – тритий и только в граммовых количествах, а продуктами термоядерного синтеза являются нерадиоактивные и неток-сичные водород и гелий. Кроме того, в отличие от потенциально взрывоопасных атомных реакторов, термоядерная реакция при разрушении установки моментально прекращается, не создавая опасности теплового взрыва.
Практической реализации потенциальных преимуществ термоядерной реакции пре-пятствуют специфические термодинамические условия ее протекания – она возможна только при температуре рабочего тела свыше 100 млн град. (размерность в град. К или °С в данном случае несущественна). Поэтому данная разновидность ядерной реакции и полу-чила соответствующую приставку – термо…Такие температуры ни один из существую-щих на Земле материалов не выдержит. Поэтому термоядерную реакцию осуществляют в импульсном режиме, а водородную плазму в термоядерном реакторе удерживают при помощи магнитного поля. Материал первой стенки (обращенной к высокотемпературной водородной плазме) должен обладать минимальным значением катодного распыления, чтобы не загрязнять плазму примесями. Примеси излучают энергию, что снижает темпе-ратуру плазмы ниже порогового значения и термоядерная реакция затухает.
Такой материал нами создан. Он называется объемный углеродный наноматериал
(BCN – Bulk Carbon Nanomaterial).
Сырьевые ресурсы углерода широко представлены в природе. Его общее содержание в земной коре составляет 0,35%. Он содержится как в свободном виде (природные алмаз и графит), так и в виде химических соединений, которые входят в состав ископаемых топ-лив (уголь и нефть), а также различных горных пород. Природный газ также состоит из химических соединений углерода с водородом, обычно в нем содержится свыше 90% ме-тана. Кроме того, углерод является основой органической жизни, он является важнейшим элементом растительного и животного мира Земли. В воздухе всегда имеется углекислый газ (химическое соединение углерода с кислородом). Углекислый газ в огромных коли-чествах выделяют живые организмы и поглощают растения и деревья, а также он выбра-сывается в атмосферу в процессе сжигания органического топлива (дрова, торф, уголь, мазут, бензин, керосин и др.).
Среди других химических элементов углерод выделяется многочисленностью и раз-нообразием своих химических соединений. Число его только изученных соединений при-мерно в 50 раз превышает суммарное количество химических соединений всех остальных элементов вместе взятых. Многие из химических соединений углерода имеют техничес-кое применение. Широкое применение в машиностроении получили полимеры – химичес-кие соединения, в основе которых лежит гигантская цепочка из атомов углерода.
Применение BCN позволило существенно улучшить технико-экономические показа-тели термоядерных реакторов типа Токамак, где он заменил сплав вольфрам - рений в конструкции диффузора реактора. Диффузор из BCN в течение многих лет эксплуатации термоядерных реакторов типа Токамак серий Т-4, Т-3М, Т-7 и последующих серий успеш-но ограничивал рабочее тело реактора из дейтерий-тритиевой плазмы с температурой свы-ше 100 млн град. Он успешно выдерживает 8000 рабочих циклов термоядерного реактора без следов разрушений.
Замена сплава вольфрам - рений на BCN обеспечила уменьшение потери мощности на излучение плазмы в 3 раза, увеличение количества полезных имульсов в 5 раз и сниже-ние интенсивности рентгеновского излучения в 20 раз. В пересчете на применение BCN в качестве материала обращенной к водородной плазме стенки термоядерного реактора электростанции тепловой мощностью 5 тыс. МВт это означает выработку дополнительно-го количества бесплатной электрической энергии в объеме 10 млрд кВт·ч/год.
В данном проекте реализован весь комплекс уникальных свойств BCN. Определяю-щим преимуществом, обеспечившим принципиальную возможность применения BCN в столь жестких условиях, являются его низкие эмиссионные свойства. По стойкости к ка-тодному распылению он в 15 раз превосходит лучшие углеродные материалы традицион-ной технологии.
В представленной статье вкратце изложена мировоззренческая позиция автора, по-служившая основой для написания учебного пособия для вузов «Машиностроительные материалы нового поколения», которое выходит в издательстве Инфра-М. Пособие пред-назначено для студентов технических вузов, ориентированных на создание новой техники. Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС ВПО-27-Материаловедение по спе-циальности: «Материаловедение и технологии материалов в специальном машинострое-нии». Пособие может быть полезно инженерно-техническим работникам, занятым разра-боткой и эксплуатацией объектов новой техники.
Дидактический материал, вошедший в учебное пособие, использовался автором в течение многих лет для проведения занятий со студентами Университета машиностроения (ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет»).
Выводы
1. Сырьевые ресурсы производства и функционирования машин и технологического оборудования для обеспечения жизнедеятельности населения Земли конечны.
2. Альтернативой сырьевому голоду является постепенный переход на неметаллические материалы конструкционного назначения и возобновляемые сырьевые ресурсы.
3. Альтернативой энергетическому голоду можно считать постепенный переход на возобновляемые (солнечная энергетика, гидроэнергетика, ветрогенераторы и др.) и неограниченные (ядерный синтез) источники энергии.
1. Волков Г.М. Машиностроительные материалы нового поколения: учебное пособие для студентов вузов - М.: Инфра-М, 2017. - 240 с.
2. Жабрев В.А. (ред.) Стекло и керамика ХХ1: перспективы развития - СПб: Янус, 2011. - 303 с.
3. Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы: учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2002. - 464 c.
4. Рифкин Дж. Если нефти больше нет... Кто возглавит мировую энергетическую революцию? - М.: Секрет фирмы, 2006. - 416 с.
5. Сибикин Ю.Д. , Сибикин М.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие - М.: КноРус , 2010. - 232 с.
6. Старостин В.И. Минеральные ресурсы и цивилизация - М.:, МАКС Пресс, 2014. - 160 с.
7. Субботин М.Л., Курбатов Д.К., Филимонова Е.А. Обзор состояния исследований демонстрационных термоядерных реакторов в мире // Вопросы атомной науки и техники, Сер. Термоядерный синтез, 2010, вып. 3. - С. 55-74.
