В декабре этого года должен произойти тестовый запуск источника синхротронного излучения СКИФ («Сибирский Кольцевой Источник Фотонов»), спустя несколько месяцев, по плану, заработают первые рабочие станции комплекса. За последние пару лет в новостях с стройплощадки больше рассказывалось про очередной уникальный компонент самой установки, изготовленный и смонтированный отечественными учеными и конструкторами. В этом пане, ЦКП «СКИФ» стал одним из наиболее удачных примеров импортозамещения в области высоких технологий.
Но по мере приближения к финишу строительства, приходит время уделять больше внимания тому, какие именно исследования будут вести на этом объекте класса «мегасайнз», равных которому на планете пока нет. И такого рода информация уже появляется, правда пока, преимущественно, в специализированных изданиях (ЦКП «СКИФ», в частности, был посвящен свежий выпуск журнала «Наука и технологии Сибири».
Большой пул проектов комплекса так или иначе завязан на решение задач машиностроения. Причем решать их начали еще на стадии его строительства: традиционно многие технологии, созданные под научное приборостроение, впоследствии находят себе более широкое применение в разных направлениях машиностроения.
Так, именно для СКИФ разрабатывались специальные магниты - вигглеры и ондуляторы со сверхпроводящими электромагнитными полюсами с высоким уровнем поля. Как отмечают ученые, установка именно таких сверхпроводящих вставных устройств и позволила сделать размер синхротронного кольца СКИФ очень компактным, по сравнению с аналогичными источниками синхротронного излучения (СИ). Но, помимо этого, их разработка и производство привели к очередному шагу в развитии криомагнитных систем, что вывело Институт ядерной физики в лидеры этого рынка (а он не исчерпывается 60 действующими и несколькими строящимися источниками СИ в мире, криомагниты используются еще много где).
Но, конечно, основной вклад в развитие российской промышленности внесут проекты рабочих станций комплекса. Например – исследования конструкционных материалов (сплавов различных металлов), для совершенствования которых не обойтись без изучения их строения на молекулярном и атомном уровне, что часто выполняется как раз с помощью синхротронного рентгеновского излучения.
Наиболее часто для исследования конструкционных материалов используется рентгеновская дифракция. И в рамках этого метода очевидным преимуществом СИ по сравнению с излучением, формируемым рентгеновскими трубками, является его высокая интенсивность. «Время получения одной дифракционной картины на современных станциях СИ может составлять десятки микросекунд, что позволяет исследовать эволюцию микроструктуры материалов даже при таких быстрых процессах, как сварка, кристаллизация из расплава или трение», - отмечают авторы одной из статей выпуска «НиТС».
В статье также напоминают, что источники СИ позволяют проводить исследования также методами радиографии и компьютерной томографии. Достаточно широкий пучок высокоэнергетического рентгеновского излучения, формируемый сверхпроводящим вигглером, удобен тем, что позволяет освещать и «просвечивать» достаточно крупные образцы. Это дает возможность изучать процессы сварки, наплавки, аддитивного производства и кристаллизации самых разнообразны сплавов.
Важным нюансом является то, что на работающих в настоящее время российских источниках СИ отсутствует оборудование с характеристиками, необходимыми для полноценных исследовательских работ в этом направлении. А вот на ЦКП «СКИФ» оно как раз предусмотрено.
Не меньше, чем материаловеды, в запуске СКИФ заинтересованы авиастроители. В Институте теоретической и прикладной механики СО РАН в рамках научного направления «лазерная микрометаллургия» проводятся исследования с целю получения заданного структурно-фазового состава и механических свойств материала после лазерного воздействия. В дальнейшем, эти фундаментальные научные работы вырастают во вполне себе прикладные технологические решения, востребованные в авиастроении: по высокопрочной лазерной сварке однородных и разнородных сплавов, восстановлении пера лопатки в газотурбинном двигателе и т.д.
В последние годы к ним добавились задачи, связанные с аддитивным производством, осуществившим революцию в обрабатывающей промышленности благодаря своей способности получать изделия сложной формы за короткий промежуток времени и практически без отходов материала.
Но и создание новых технологий лазерной сварки, и производство компонентов двигателей с помощью 3D-принтеров требуют глубоких исследований микроструктуры материалов, вовлеченных в эти техпроцессы. А это, в свою очередь, лучше всего сегодня поучается с использованием мощных источников СИ. Более высокая интенсивность излучения, чем у традиционных рентгеновских трубок позволяет, как уже говорилось выше, значительно сократить время на получение необходимой информации, делая доступным для ученых тех быстропротекающие процессы, которые ранее выпадали из их поля зрения.
Кроме того, спектр СИ позволяет в каждом конкретном случае подбирать оптимальную длину волны или варьировать ее в ходе эксперимента, что значительно расширяет возможности классических рентгеновских методов.
Конечным результатом таких исследований становятся изменения в стратегически важных отраслях промышленности, несущие экономический эффект сопоставимый с общими затратами на строительство ЦКП «СКИФ». Но машиностроением задачи для установки не исчерпываются. Не менее важна она для химической промышленности и развития медицины.
Здесь тоже, параллельно с постановкой научных задач, идет разработка т.н. «пояса внедрения» вокруг комплекса, важным элементом которого является проект «БиоКатТех». Представляя его на форуме «Технопром-2022», директор Института цитологии и генетики СО РАН, академик РАН Алексей Кочетов рассказа: «««БиоКатТех» направлен на синергию между химическим и биологическим катализом, что часто востребовано в современных производствах. С нашей стороны планируются разработки в области ферментов (биокатализаторов), у коллег есть свои важные для экономики предложения», - рассказал тогда прессе Алексей Кочетов.
Эта отрасль имеет большое значение для российской экономики: ежегодно страна импортирует 12,2 тысяч тонн ферментов на сумму более 17,6 млрд рублей. Отсутствие доступных российских аналогов ведет к ограничению их использования и вызывает значительный негативный эффект в различных отраслях – животноводстве, пищевой промышленности и фармакологии. Не лучше ситуация и области традиционных каталитических технологий также довольно сложная. Ограниченные масштабы разработки и внедрения отечественных катализаторов приводят к уязвимости целого ряда критических технологий. Зависимость от импорта катализаторов нефтепереработки в России составляет 60-70%, азотной и химической промышленности – 90%, крупнотоннажного производства полимеров – почти 100 %.
Исправлять ситуацию и предлагается, в частности, с помощью проекта «БиоКатТех», где результаты научных исследований, в том числе – на строящемся синхротронном комплексе «СКИФ», будут превращаться в технологии и опытное производство отечественных ферментов и катализаторов.
Источники СИ сегодня являются наиболее удобным инструментом и для исследования различных биомолекул. Речь идет о т.н. МалоУгловом Рентгеновском Рассеянии (МУРР). Это – единственный экспериментальный метод, позволяющий «увидеть» биологическую макромолекулу такой, какая она есть в ее естественной среде в физиологических условиях организма. Благодаря этому метод МУРР интересен для фундаментальных исследований и полезен для прикладных задач фармацевтической отрасли - может стать незаменимым при установлении молекулярных механизмов действия адресных лекарственных средств, экспериментальной верификации теоретически смоделированных препаратов и вакцин.
Как отмечают эксперты, существующая станция БиоМУР в Курчатовском институте позволяет проводить различные эксперименты в пределах своих возможностей, но ее мощностей недостаточно для удовлетворения растущих потребностей научного сообщества и фармкомпаний в биологических исследованиях. Заполнить этот пробе предлагается как раз с помощью СКИФ.
Перечисленные выше задачи уже сами по себе вполне оправдывают все затраты на строительство нового источника СИ рядом с новосибирским Академгородком. Но ими «портфель проектов» комплекса далеко не исчерпан – предполагается, что всего в рамках ЦКП будет работать более двух десятков рабочих станций по широкому спектру научных направлений. Что, в свою очередь, делает СКИФ наиболее масштабным российским научным проектом в текущем столетии. По крайней мере, пока.
Сергей Исаев