15 января 2013

Заработать на коллайдере

Тоннель для проекта XFEL

Сегодня на исследовательских суперустановках получаются результаты, нужные не только ученым, но и предпринимателям. Рост интереса бизнеса к мегасайнс — верный признак скорого появления прорывных технологий

Незаметно для обывателя мы вступили в новую эпоху отношений науки и человечества. Окончание холодной войны, резкое удорожание исследований на переднем крае, их все более междисциплинарный характер и одновременное созревание бизнеса для использования продвинутой исследовательской инфраструктуры в своих целях меняют привычный для второй половины XX века ландшафт «большой науки». Наблюдателям, чтобы подчеркнуть эти изменения, даже пришлось ввести новый (не слишком операциональный) термин: на смену big science пришел megascience.

Большие установки типа коллайдеров, нейтринных ловушек или лазеров на свободных электронах, во-первых, стали неподъемны для одной страны, а во-вторых, оказались интересны не только физикам, но и химикам, биологам, материаловедам и даже агрономам с инженерами. И, что самое любопытное, их экспериментальное время часто еще до запуска стали раскупать корпорации, средние и даже малые инновационные фирмы. Все это очень похоже на ситуацию начала новой технологической волны, когда промежуток между фундаментальным результатом и коммерческой технологией резко сокращается и бизнес торопится расставить фишки до окончательного скатывания шарика в какую-нибудь из лунок. Тем более что шариков в этой партии по-видимому, больше одного — все больше экспертов склоняются к мысли о междисциплинарном и межотраслевом характере новой (шестой, в терминах Фримена—Перес) волны. Об этом же свидетельствует и широкий, пусть пока еще и чересчур расплывчатый, спектр коммерческих заказов на экспериментальное время мегаустановок.

Что такое меганаука

Эпоха свободного развития «большой науки», активно стимулируемой ВПК, оказалась относительно недолгой: уже в конце 1960-х и особенно в 1970-е (на фоне глобального энергетического кризиса) национальные научно-исследовательские бюджеты ведущих мировых держав подверглись существенной усушке и утруске, общее восхищение рядовых обывателей удивительными открытиями заметно поубавилось, и фундаментальная составляющая стала быстро терять свои приоритетные позиции при принятии госчиновниками принципиальных финансовых решений в области научной политики.

На смену свободному бюджетированию «большой науки» пришла суровая социально-экономическая логика — произошел переход к управлению крупными научно-технологическими проектами на базе строгого учета их реальной общественной отдачи, основывающейся как на анализе чисто финансовых показателей (стремление к сокращению издержек строительства и последующая эксплуатация новых исследовательских установок), так и на смещении общих акцентов в сторону роста прикладной ориентации этих научных инсталляций и числа создаваемых благодаря их использованию производных высоких технологий.

Применение этого нового метода менеджмента больших научных программ и проектов, ставящего во главу угла предварительную оценку их социально-экономической эффективности, фактически стало обязательным элементом государственной научно-технической политики. Наконец, дополнительным мощным стимулом, благодаря которому в последние два десятилетия данный тренд приобрел всеобщий характер, стало четкое осознание идеологами дальнейшего развития «большой науки» фатальной ограниченности финансовых ресурсов, имеющихся даже у самых экономически сильных государств, для успешного автономного осуществления новых исследовательских мегапроектов.

Новая идеологема megascience обязана своим возникновением Организации по экономическому сотрудничеству и развитию (ОЭСР), под эгидой которой в 1992 году была создана межгосударственная структура Megascience Forum.

На специальной конференции, проведенной ОЭСР в 1995 году во Франции и посвященной меганаучной проблематике, ее участники предприняли попытку дать более четкую расшифровку этого понятия: к megascience было предложено относить крупномасштабные исследовательские проекты, преимущественно осуществляемые на базе международной кооперации, которые, как правило, практически невозможно продублировать из-за их значительных размеров и затрат на строительство, требующие предварительного создания формальных управленческих структур и нацеленные на «производство нового знания при помощи передовых технологических решений».

Таким образом, новый термин «меганаука» был использован идеологами ОЭСР прежде всего для того, чтобы подчеркнуть комплексный межгосударственный характер стратегических альянсов, которые должны формироваться при создании новых исследовательских проектов и установок.

Еще одной важной чертой современной меганауки, отличающей ее от проектов «большой науки» прошлого столетия, следует признать устойчивое увеличение значимости частно-государственного партнерства, то есть рост вовлеченности хайтек-индустрии (прежде всего крупных международных корпораций) как в процесс планирования и финансового участия в строительстве, так и в последующую эксплуатацию новых научно-исследовательских инсталляций.

Как отметил заместитель директора Национального исследовательского центра (НИЦ) «Курчатовский институт» и специальный представитель НИЦ в европейских исследовательских организациях Михаил Рычев,

«значительная часть новых megascience-установок XXI века уже на самых ранних этапах их работы (и даже проектирования) начинают ориентироваться на решение прикладных, “реальных” задач. Иными словами, нисколько не снижая уровень традиционных исследовательских работ на подобных установках, их создатели весьма быстро эволюционируют в сторону чистой прагматики, то есть активного поиска возможностей прямого использования новых научных результатов в сегодняшней промышленности. Это сильно меняет не только общую атмосферу вокруг этих мегаустановок, но и, на мой взгляд, весь окружающий научный ландшафт. Фактически сегодня в крупнейших научных центрах помимо увлеченных исследователей, коих мы привыкли видеть на мегаустановках, в большом количестве появились люди, у которых есть частные деньги на заказ тех или иных исследовательских работ, а также на то, чтобы следующее поколение этих установок возникало сразу вслед за предыдущим».

Другая ключевая особенность меганауки XXI века — растущая синергия, междисциплинарность научных экспериментов, осуществляемых на современных исследовательских установках. Еще лет пятнадцать назад практически все эти установки обслуживали потребности чистой физики. Это могло быть и материаловедение, и физика твердого тела, поверхностей и проч., но, так или иначе, все это имело отношение к решению сугубо физических задач. Сегодня же на крупнейших научных ускорителях (синхротронах, коллайдерах и т. д.) значительная часть экспериментальных задач уже носит нефизический характер. По словам Михаила Рычева, во многом это произошло благодаря тому, что «мы уже опустились на атомарный (нано-) уровень и теперь хотим конструировать материалы из отдельных атомов, в том числе те, которых до этого в природе не существовало, то есть ученые, по сути, снова превращаются в естествоиспытателей-многостаночников. И в этом смысле сама экспериментальная установка становится неким скелетом, объединяющим представителей очень многих отраслей знания — физиков, химиков, инженеров, многочисленных айтишников и, наконец, биологов, которые в последнее время становятся главными инициаторами постановки новых задач, которые должны решаться с помощью всей этой сложной конфигурации».

Большая европейская стройка

В последние годы глобальное первенство в сфере планирования и создания новых меганаучных установок и научно-исследовательской инфраструктуры у былого безоговорочного лидера, Соединенных Штатов, постепенно перехватывает «старая» Европа. Так, в текущей версии дорожной карты Европейского стратегического форума по исследовательским инфраструктурам (ESFRI), ведущего органа ЕС, осуществляющего предварительный отбор и последующую координацию проектов категории megascience, к настоящему времени представлено порядка 50 крупномасштабных панъевропейских проектов и программ, находящихся на различных стадиях разработки и практической реализации.

Не у всех из них судьба безоблачна. В частности, нобелевский лауреат американский физик Стивен Вайнберг предполагает, что руководящие органы Еврокомиссии могут в скором времени сократить представленный в последней версии дорожной карты ESFRI обширный список новых исследовательских инсталляций. Однако пока серьезных поводов для беспокойства ученого сообщества на сей счет нет — практически все заявленные проекты пусть и медленно, но развиваются.

Пожалуй, наиболее болезненной темой в научных кругах до сих пор остается оценка перспектив успешного завершения самой долгоиграющей меганаучной стройки в современной истории человечества — первого в мире экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, сооружение которого в настоящее время ведется во французском Кадараше. Однако этот проект выходит на финишную прямую: уже заключены контракты более чем на 80% комплектующих, получение первой плазмы планируется на 2020 год.

Интересно также отметить, что в ходе весьма неспешной работы над созданием ИТЭР у этого проекта постепенно образовался целый шлейф сопутствующих исследовательских подпроектов и инсталляций. В непосредственной близости от главной стройплощадки ИТЭР в Кадараше планируется соорудить исследовательский реактор JHR (Jules Horowitz Reactor), предназначенный для экспериментальной проверки возможности создания гибридной ядерно-термоядерной установки нового поколения. Одним из непосредственных «бенефициаров» этого реактора, стоимость строительства которого пока оценивается в 750 млн евро, должна также стать ядерная медицина: после запуска на нем планируется нарабатывать различные короткоживущие радиоизотопы, которые будут поставляться медицинским учреждениям для последующего использования в диагностических и терапевтических целях.

Еще одна «производная» ИТЭР — установка IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility), совместный проект Евратома (Европейского сообщества по атомной энергии) и Японии, специально создаваемая для стандартизации результатов испытаний различных материалов.

Другой важнейший панъевропейский проект — XFEL, рентгеновский лазер на свободных электронах в немецком Гамбурге. Его строительство было начато в 2009 году, в июне 2012-го закончена двухлетняя постройка шестикилометровой системы туннелей, а первые эксперименты намечены на 2016 год. Задача XFEL — увидеть структуру вещества. Излучение рентгеновского диапазона позволит «сфотографировать» отдельные молекулы и протекание химических реакций. Яркость будущего рентгеновского лазера будет превосходить существующие источники синхротронного излучения более чем в 100 млн раз, а длительность импульса на нем будет составлять около 100 квадриллионных долей секунды. Изначальная стоимость — 1,082 млрд евро — уже подросла на 150 млн, причем доля активно участвующей в проекте России составляет чуть меньше четверти.

Сопоставимый по финансовым затратам с XFEL международный проект, реализуемый в Центре по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца в немецком Дармштадте (FAIR, Facility for Antiprotons and Ions Research), — комплекс ускорителей и детекторов, включающий в себя тяжелоионные синхротроны, накопители вторичных пучков и электрон-ионный коллайдер. Его стоимость чуть более миллиарда евро. Основную часть профинансировала Германия, остаток — партнерство из девяти стран, опять-таки включая Россию. На FAIR около трех тысяч исследователей со всего мира будут выполнять эксперименты для понимания фундаментальной структуры материи и механизмов эволюции Вселенной, в том числе исследование структуры ядра, реакций с пучками редких изотопов, антипротонную аннигиляцию и сжатую барионную материю. Предусмотрена также отдельная установка по облучению при высоких энергиях для биофизических и материаловедческих исследований.

В самом скором времени должно начаться и сооружение еще одной исследовательской физической мегаустановки — самого мощного в мире генератора холодных (низкоэнергетических) нейтронов European Spallation Source (ESS). Научно-исследовательский центр ESS, затраты на строительство которого уже сейчас оцениваются почти в 1,5 млрд евро, будет построен в шведском городе Лунд. Первый этап строительства этого нового гигантского ускорителя, размеры которого будут лишь немногим уступать самому большому научному гиганту — женевскому Большому адронному коллайдеру, — запланирован уже на 2013 год, а его запуск в эксплуатацию — на 2019–2020-й.

Наконец, в ноябре 2012-го Еврокомиссия официально дала старт практической реализации амбициознейшего проекта ELI-NP (Extreme Light Infrastructure Nuclear Physics Facility), одобрив выделение на него первого транша в размере 900 млн евро. Двумя отличительными особенностями этого мегапроекта являются, во-первых, то, что в ходе его реализации будет построено сразу четыре различных исследовательских центра, а во-вторых, три из четырех новых лазерных установок, мощность каждой из которых будет превышать мощность любого из существующих сейчас лазеров, будут сооружены в странах Восточной Европы — в Румынии, Венгрии и Чехии. Ожидается, что первый из суперлазеров проекта ELI вступит в строй уже в 2017 году.

В заключение имеет смысл упомянуть еще о двух европейских проектах-«миллиардерах» — гибридном исследовательском реакторе MYRRHA (Multipurpose hYbrid Research Reactor for High-Tech Applications) и сверхкрупном наземном телескопе E-ELT (European Extremely Large Telescope), строительство которого должно скоро начаться в Чили, а также о целой серии панъевропейских биологических инфраструктурных проектов-«средневесов» (Elixir, Erinha, ISBE, Instruct и Euro-Biomaging), каждый из которых в стоимостном выражении тянет на несколько сотен миллионов евро.

Основные европейские проекты мегаустановок

Проект Описание Затраты на строительство (млн евро) Эксплуатационные расходы (млн евро в год) Затраты на вывод из эксплуатации (млн евро)
ESRF Upgrade of the European Synchrotron Radiation Facility 241,3 93,5  
European XFEL Hard X-Ray Free Electron Laser 1082 77 80
ILL 20/20 Upgrade of the European Neutron Spectroscopy Facility 171 5 161
FAIR Facility for Antiproton and Ion Research 1026 118  
SPIRAL2 Facility for the production and study of rare isotope radioactive beams 196 10  
PRACE Partnership for Advanced Computing in Europe 100    
JHR High flux reactor for fission reactors material testing 750 35 80
ITER   ≈ 13000    

Мегаустановки и реальный бизнес

Как мы уже отмечали выше, современные установки megascience, в отличие от big science второй половины прошлого века, все более активно задействуются для решения вполне прикладных задач. При этом конкретные приложения могут быть весьма далекими от изначальной области исследований. Например, ускорители, разработанные как инструменты для фундаментальной науки, в настоящее время повседневно используются в промышленности и медицине. Так, Центр по изучению тяжелых ионов (GSI), который сейчас является движущей силой проекта FAIR, разработал инновационную ионно-пучковую радиотерапию для лечения тяжелых опухолей. GSI, используя технологию трехмерного сканирования, построил первый ионно-терапевтический центр в Радиологическом университетском госпитале в Гейдельберге. Лицензию на эту технологию сейчас получила компания Siemens, которая строит установки радиотерапии для лечения онкологических больных.

Кроме того, не следует упускать из виду, что исследовательские мегаустановки дают колоссальный косвенный эффект. В ходе их разработки приходится решать уникальные технические задачи, и найденные решения вскоре нередко оказываются востребованными с коммерческой точки зрения. Например, в ходе работы над XFEL была создана сложнейшая система охлаждения: сверхпроводящие ускорители частиц для лазеров на свободных электронах работают при температуре –271 °C. Были также разработаны новые композитные материалы, устойчивые к радиации; создано много наработок в области высокочастотной электроники, технологий импульсной мощности. По результатам опроса 57 поставщиков оборудования для XFEL более половины из них будет в состоянии использовать продукты, разработанные для рентгеновского лазера, для других целей.

В свою очередь, создание установки FAIR требует разработки быстропереключаемых сверхпроводящих магнитов, сконструированных для генерации высокоинтенсивных импульсов ионов, аппаратных и программных решений для обработки крайне высокого потока данных и электроники, способной выдерживать условия экстремально высокой радиации, генерируемой интенсивными пучками. Такая электроника наверняка будет востребована на АЭС и в космических кораблях.

По примерной оценке Михаила Рычева, на ведущих европейских установках megascience доля времени, выкупленного крупным частным бизнесом, таким как Siemens, Basf, Pfizer и др., составляет около 10% общего объема, а еще около 30% приходится на задачи, решаемые по заказу бизнеса различными исследовательскими университетами. А Уве Сассенберг, директор специального проекта Science Link, основной задачей которого является привлечение внимания различных частных компаний стран Балтийского региона к исследовательской инфраструктуре, предоставляемой мегаустановками (XFEL, FAIR, ESS и др.), в беседе с нами отметил: несмотря на то что 85% экспериментального пользовательского времени на отслеживаемых в рамках его проекта установках до сих пор приходится на решение чисто научных задач, интерес частного бизнеса к возможностям меганаучных установок постоянно растет. Так, по итогам очередного этапа сбора Science Link частных заявок на участие в различных экспериментах, завершившегося в декабре 2012 года, его команде удалось привлечь порядка 30 новых компаний из всех восьми стран Балтийского региона (за исключением России), причем, что любопытно, 70% новых заявителей оказались компаниями малого и среднего бизнеса, представляющими весьма широкий спектр отраслей (биотех, строительство, производство новых материалов, химическая промышленность и производство косметических продуктов, сельское хозяйство и ряд других).

Наконец, согласно данным, представленным на сайте European Fusion Development Agreement (EFDA), ряд ведущих европейских научных центров (CERN, ESO, ESS и др.) рассчитывают за период с 2012-го по 2020 год заключить коммерческие контракты с различными частными клиентами на общую сумму порядка 10 млрд евро.

С учетом того что ежегодные операционные расходы на поддержание нормальной работы всех этих сверхзатратных исследовательских установок в среднем составляют порядка одной десятой общей стоимости их строительства, очевидно, что топ-менеджеры подобных проектов не могут не быть заинтересованы в том, чтобы отбить хотя бы часть этих эксплуатационных издержек за счет продажи столь драгоценного времени их работы частным клиентам. Например, на сайте вышеупомянутого проекта Science Link приведен весьма длинный перечень потенциальных возможностей, предоставляемых для реального бизнеса новыми исследовательскими установками, четко сгруппированный по семи основным направлениям: сельское хозяйство и пищевая промышленность, химическая промышленность, строительство и инженерное проектирование, энергетика и транспорт, производство продуктов личной гигиены и санитарии (косметика, парфюмерия и проч.), материаловедение и нанотехнологии. И наиболее осведомленные в этом широком спектре практических услуг промышленные компании, по словам Уве Сассенберга, «безусловно, уже успели сделать для себя соответствующие полезные выводы».

Опять медленно запрягаем

В проектах мегасайнс участвует и Россия. В предстоящие пять лет мы планируем инвестировать в шесть европейских научно-технологических мегапроектов более 1 млрд долларов (решение об увеличении нашей доли финансирования европейского лазера на свободных электронах XFEL было принято в конце прошлого года). И в большинстве из них Россия оказывается второй или третьей по объему финансирования и количеству наших соотечественников, которые работают в проектных командах. Есть амбиции запускать мегасайнс-проекты и на собственной территории. В конце 1999 года в РНЦ «Курчатовский институт» начал работать источник синхротронного излучения «Сибирь-2» — один из первых работающих образчиков мегасайнс в России. В этом году в Гатчине запускается нейтронный высокопоточный пучковый исследовательский реактор ПИК. Его сооружение обошлось почти в 18 млрд рублей. В ПИКе и организационно, и финансово участвует Германия, которой он будет особенно интересен, если в результате общественного неприятия атомной тематики придется закрыть экспериментальные реакторы в Германии.

В середине 2011 года правительственная комиссия отобрала основных претендентов на проекты уровня мегасайнс в России. Всего поступило 28 проектов, выдвинутых крупными научными центрами РАН, МГУ, СПбГУ, ОИЯИ, НИЦ «Курчатовский институт», концерна «Росатом», а также отдельными группами ученых. В качестве критериев отбора устанавливались не только уровень обоснования проекта и возможность получения принципиально новых знаний в области фундаментальных наук, но и его интересность для зарубежных коллег. В результате было отобрано шесть проектов. Помимо уже упомянутого ПИКа это «Игнитор» — совместный проект Италии и России по созданию токамака; PEARL (PEtawatt pARametric Laser) — проект создания сверхмощного пятипетаваттного лазера в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде; NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — ускоритель тяжелых ионов на территории Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Задача последнего — изучение перехода ядерной материи в кварк-глюонную плазму, а также свойств смешанной фазы этих состояний. Участие в нем также принимают Германия и еще несколько европейских стран. К ним следует добавить электрон-позитронный коллайдер в Институте ядерной физики СО РАН и MARS (Multiturn Accelerator-Recuperator Source) — источник специализированного синхротронного излучения четвертого поколения в Курчатовском институте, который будет востребован в спектроскопии, рентгеновском структурном анализе биологических объектов, для фотолитографии и в производстве интегральных схем. Однако с момента отбора проектов российского мегасайнса кардинальных изменений в их судьбе (если не считать активно продвигаемый «Курчатником» ПИК) так и не произошло.

Мало интересуется мегасайнс-установками и отечественный крупный бизнес, который часто вовлечен в такие проекты по указанию государства. Например, проект XFEL технически финансируется через «Роснано», но ни сама корпорация, ни ее инновационные компании интереса к проектам не выказывают. «Росатом» участвует в создании FAIR, но пока своих задач в этом проекте так и не сформулировал. Наш малый и средний инновационный бизнес, в отличие от того же европейского, просто не имеет точек входа в большую исследовательскую инфраструктуру. Уже через несколько лет, когда волна разовьется, это грозит ему потерей инновационности. Нельзя сказать, что власть не озабочена этой проблемой: и в правительстве, и в окружении президента есть последовательные идеологи активного участия в мегасайнс и подключения к этой инфраструктуре инновационных компаний, — но нынешняя скорость принятия решений, возможно, допустимая в условиях технологического межсезонья, в восходящей фазе новой волны просто поменяет знак.              

Авторы - Дан Медовников, Тигран Оганесян, Виталий Сараев