Новосибирск и Новосибирская область: свежие новости, объективный анализ, актуальные комментарии

Башня сбрасывания, инфракрасные фотоприёмники: как институты Академгородка готовятся к «Технопрому-2019»?

Лаборатория №15 ИФП СО РАН изучает, как ведёт себя соединение кадмий-ртуть-теллур в разных условиях

Две недели остаётся до международного форума «Технопром-2019», который стал одной из «визитных карточек» делового и научного Новосибирс­ка. К разработкам, выполненным в столице
Сибири, на этом форуме всегда повышенное внимание. Особенно сейчас, когда на горизонте создание Академгородка 2.0.

Аэрогидродинамика, машиностроение и энергетика. Этих трёх «коней» собираются запрячь в одну «упряжку» в новом междисциплинарном комплексе, который будет создан на базе четырёх институтов СО РАН: теплофизики, теоретической и прикладной механики, гидродинамики и химической кинетики и горения.

— В комплексе будет создан целый ряд экспериментальных установок для изучения процессов в космосе, энергетической сфере, мировом океане. И всё это для того, чтобы у нас появился новый этап научно-технического задела, который был бы полезен реальному сектору экономики в разных сферах — транспорт, судостроение, охрана окружающей среды и других, — рассказывает директор института теплофизики Дмитрий Маркович.

Для современной микроэлектроники и лазерных систем, работающих на таких мощностях, которые трудно представить человеческому сознанию, очень важно своевременно охлаждаться. В лаборатории интенсификации процессов теплообмена Института теплофизики сейчас заняты поисками оптимальных механизмов такого охлаждения.

— Тепловые потоки в электронном оборудовании достигают величины 1 кВт на квадратный сантиметр и больше. Для сравнения — мощность конфорки на кухонной плите 1,5-2 кВт, но она распределяется по площади в десятки квадратных сантиметров. Вот такой объём теплового потока нам надо отвести с одного сантиметра. И на таком уровне в мире работают всего несколько лабораторий, — говорит заведующий лабораторией Олег Кабов.

Попутно учёные выясняют механизмы испарения и теплообмена между мельчайшими частицами вещества — толщиной от 1 микрона до 40 нанометров (а в одном микроне 1 000 нанометров). В этом году в лаборатории сделали стенд, который позволяет исследователям моделировать все процессы, которые происходят с тончайшими плёнками внутри вакуумной камеры. Это те самые плёнки, которые помогают охлаждать наши смартфоны и другую «умную» технику. У них низкое термическое сопротивление, что позволяет им свободно испаряться, отводя в сторону высокие тепловые потоки. Исследования различных методик охлаждения микроэлектроники востребованы самыми разными производителями: Институт теплофизики сотрудничает, например, с НПО имени Лавочкина. А в этом году планируется заключить контракт с красноярской фирмой «Информационные спутниковые системы», которая в течение ближайших пяти лет собирается построить сверхинтенсивную тепловую трубу для размещения на орбите.

Но все необходимые эксперименты для понимания того, как все эти наночастицы поведут себя в космосе, выполнить в условиях земного притяжения невозможно. Значит, исследователям из института самим надо становиться космонавтами. Попасть на МКС, чтобы проводить там нужные исследования, слишком дорого (да и нереально с учётом ограниченных возможностей станции), но туда хотя бы можно доставить оборудование — и там уже запланированы восемь соответствующих экспериментов. Более доступный, хотя и тоже недешёвый вариант, — эксперименты в специальном самолёте Европейского космического агентства в Бордо. Во время особого параболического полёта в салоне этого самолёта несколько раз подряд на 20 секунд наступают условия микрогравитации — почти космической невесомости. И за эти 20 секунд надо успеть провести эксперимент. В итоге для того, чтобы протестировать только один процесс — будь то испарение капель или течение ручейков газа, — команда из пяти — восьми человек должна выполнить несколько параболических полётов.

Проблему могло бы решить наличие в Академгородке так называемой башни сбрасывания — 200-метровой вертикальной трубы: тело, сброшенное в неё, за 9 секунд достигнет состояния невесомости. Тот объём экспериментов в невесомости, который сейчас проводится в количестве нескольких штук в год, в башне можно будет выполнять за один день. Пока таких башен, доступных для работы учёных, в России нет вообще, так что новосибирская, если она появится, станет первой.

В Институте теоретической и прикладной механики тоже ждут появления башни сбрасывания. В создаваемом междисциплинарном комплексе этот институт будет отвечать за «авиационное» направление работы, эксперименты в условиях невесомости нужны и здесь. Сейчас в ИТиПМ проектируются три установки для исследований разных проблем авиатехники: климатическая аэродинамическая труба, с помощью которой будут решаться вопросы, связанные с обледенением самолётов; импульсная гиперзвуковая труба для испытаний макетов гиперзвуковых самолётов и плазменный стенд для изучения теплообмена возвращаемых космических аппаратов.

Совсем скоро на этой установке начнётся первый в Зауралье промышленный выпуск гетероструктур для микроэлектроники

— Новая аэродинамическая труба стоит очень дорого — речь идёт о десятках миллиардов рублей, — говорит заместитель директора института Андрей Сидоренко. — Сейчас по программе федерального Минобрнауки получили 38 миллионов рублей, планируем купить на них вычислительный кластер и систему для оптической диагностики потоков. Половина денег у нас тратится на чистое моделирование, половина — на эксперименты.

Эта сумма — не единственный федеральный транш для Академгородка в 2019 году. «В рамках нацпроекта "Наука" федеральное Министерство науки и высшего образования провело конкурс на обновление приборной базы ведущих научных организаций. 14 ведущих организаций Новосибирского научного центра получат в этом году почти миллиард рублей — это более 20 процентов от всех средств, которые получат российские научные учреждения по конкурсу», — отметил министр науки и инновационной политики НСО Алексей Васильев.

Как говорят специалисты, сейчас перед отечественным самолётостроением поставлена задача в ближайшие десять лет построить первый пассажирский сверхзвуковой самолёт небольшой вместимости. Параллельно будут осваиваться гиперзвуковые скорости — для воздушно-космических самолётов, на перелёт которых в любую точку земли будет достаточно трёх-четырёх часов.

Ставят микромир на службу человеку и в Институте физики полупроводников. И одно из главных направлений, по которому идёт работа, связано с тремя элементами таблицы Менделеева. Соединение кадмия, ртути и теллура, выращенное в виде кристаллов в условиях сверхвысокого вакуума, даёт уникальные свойства, которые используются при создании инфракрасных фотоприёмников.

Лаборатория, в которой создаётся уникальный материал на основе этого соединения, чем-то похожа на кабинет средневекового алхимика — с той разницей, что установленное здесь по последнему слову техники оборудование выращивает не философский камень, а идут все процессы в обстановке полной стерильности.

— Исследования свойств полупроводников позволяют создавать новые вычислительные системы, — говорит заведующий лабораторией №15, заместитель директора института по научной работе Максим Якушев. — Свойства кадмий-ртуть-теллура таковы, что открывают перед нами перспективы новой электроники. Скажем, сейчас очень сложно создавать источники излучения в диапазоне 25—50 микронных волн. Однако на наших структурах рекордный диапазон излучателя составил 31 микрон. Даже сами разработчики пока до конца не знают, что можно извлечь из открывающихся возможностей. Например, у нас в институте создан медицинский тепловизор с разрешением в одну сотую долю градуса, он может записывать температурный профиль человека с кадровой частотой 100 герц и выявлять разные заболевания. Прибор аттестован для применения в медицине, но чтобы методика стала официально утверждённой — процесс долгий.

Несколько лет назад ИФП включился в совместный проект с предприятием «Экран-оптические системы» по производству полупроводников на основе другого не менее интересного соединения — арсенида галлия. Для этого в одном из помещений института была смонтирована единственная в своём роде за Уралом установка фирмы Riber, в которой идёт тот же самый процесс, что и в лаборатории №15 — молекулярно-лучевая эпитаксия. Идёт при минимальном участии человека: от оператора требуется только загружать в аппарат сырьё.

По словам сотрудника компании «Экран-оптические системы» Ивана Телегина, установка может производить 10 тысяч гетероструктур в год, а применяться они будут в микроэлектронике, микропроцессорах, исследовании космоса. Оборудование и кадры, его обслуживающие — вклад предприятия, технологическое сопровождение, — вклад ИФП. То есть её запуск (пока технический, технологический ещё впереди) и есть плод того самого содружества науки и бизнеса, на который будет ориентирован Академгородок 2.0.

Виталий СОЛОВОВ | Фото автора