Фантастические сплавы, и где они обитают

В этом году исполняется 195 лет со дня, когда впервые были получены первые крупинки чистого алюминия. Этот удивительный металл скрывается в коре Земли в огромном количестве, но в виде оксидов, а чтобы получить его в чистом виде, надо приложить массу усилий. Но оно того стоит! Как использовали алюминий 200 лет назад, как он воплотил фантазии писателей научпопа, что ждёт нас в будущем — слово экспертам Алюминиевой ассоциации России.

— В 1964 году фантаст Айзек Азимов изложил своё видение мира через 50 лет, в котором предсказал появление 3D-изображения, беспроводных гаджетов, беспилотных машин, звонков в любую точку мира. Всё это наши сегодняшние реалии. Так что в каждой сказке есть только доля сказки, особенно если речь идёт о завтрашнем дне с применением алюминия — конструкционного материала будущего, — отмечает руководитель сектора "Машиностроение" Алюминиевой ассоциации России, директор по продажам прокатной и прессовой продукции коммерческого назначения "Арконик Россия" Егор Балыкин

Знаменитый писатель жил уже в эпоху развитой металлургии. Уже тогда алюминий помогал реализовывать самые разные задачи — от упаковки до авиаперевозок. А начиналось всё в 1825 году, когда датский физик Ханс Эрстед в своей лаборатории решил воздействовать амальгамой калия на оксид алюминия с последующей отгонкой ртути. И получил крупинки серебристого металла, который ещё много десятилетий будет цениться дороже золота.

Любопытно, что название "алюминий" придумал английский химик Гемфри Дэви за 17 лет до Эрстеда. В 1808 году он записал в своём дневнике: "Если мне посчастливится найти металлическое вещество, которое я ищу, я предложу для него название "алюминий". Гемфри Дэви пытался получить этот металл и использовал для этого примитивный способ электролиза, однако потерпел неудачу.

А спустя два года после экспериментов Ханса Эрстеда немецкий химик Фридрих Вёлер, изменив методику их проведения, снова выделяет алюминий, причём в гораздо большем количестве — целых 30 граммов!

Сейчас один только Красноярский алюминиевый завод выпускает почти миллион тонн в год, а 170 лет назад алюминий было настолько сложно производить, что ни о каком массовом распространении говорить было невозможно. Вот французский император мог себе позволить алюминий: Наполеон III повелел сделать из него погремушку для своего новорождённого сына — королевские прихоти.

К этому моменту французский химик Анри Сент-Клер Девиль и его немецкий конкурент Роберт Бунзен уже изобрели химический способ производства алюминия. За 36 лет с его помощью было выпущено целых 200 тонн металла — невиданный объём для XIX века!

В конце XIX века технологии шагнули так далеко, что недавние мечтатели оказались в самом центре бушующего прогресса. Именно мечтатели двигают мир вперёд. В 80-х годах XIX века произошло два значимых для науки и промышленности события: в России Карл Байер запатентовал метод извлечения глинозёма (основного сырья для производства алюминия) из бокситов, а в Америке Чарльз Холл создал технологию электролиза алюминия, позволившую существенно снизить издержки его производства.

Седьмой номер журнала "Наука и жизнь" от 1890 года размещает статью "Алюминиевый век", в которой авторы предрекают металлу стать заменой железа. Сплавы алюминия, и ныне представляющие уже значительный практический интерес, в будущем, с удешевлением алюминия, наверное, будут играть очень важную роль в промышленности. Эти сплавы очень многочисленны. Как общее положение можно указать, что алюминий улучшает качества почти всех металлов, к которым прибавляется в малых количествах. Он увеличивает прочность их, блеск мягких металлов и сообщает им большее сопротивление действию химических агентов. Он сплавляется почти со всеми полезными металлами.

И с этого момента мы двигаемся вперёд на алюминиевых ногах. Карл Бенц в 1899 году представляет публике свой первый автомобиль — с алюминиевым корпусом, в 1903 году братья Райт поднимают в воздух летательный аппарат, двигатель которого собран из алюминиевых деталей. В 1907 году стараниями Роберта Неера в Швейцарии появляется знакомая нам фольга, и наконец Альфред Вильм в Германии замешивает алюминий с магнием, марганцем и медью и получает дюралюминий.

За последние 120 лет алюминий поселился практически во всех сферах, это едва ли не самый востребованный и перспективный металл. В начале XX века люди мечтали научиться летать, и следующие 120 лет алюминий и дюралюминий остаются главным компонентом в авиастроении. Сегодня мы мечтаем об освоении других планет, межзвездных путешествиях — и здесь алюминиевые сплавы, много лет использующиеся в околоземной космонавтике, получают всё большие перспективы.

— В космонавтике будут более широко применяться новые высокопрочные сплавы (типа 1580) для конструктивных элементов, а также сплавы с низким коэффициентом теплового расширения (типа 2ХХХ) для корпусов оптических систем и микроэлектронных компонентов — для исключения их деформации и повреждения в условиях космических полётов. Алюминиевые сплавы с добавлением элементов, хорошо поглощающих космическое излучение, будут использоваться при создании как космических скафандров для выхода в открытый космос, так и лёгких внутренних скафандров для защиты человека при дальних перелётах, — отмечает эксперт Алюминиевой ассоциации России Снежана Равлюк.

Специалист также добавил, что в более далёкой перспективе, безусловно, алюминий будет широко использоваться при строительстве лунных и марсианских баз, потому что он очень технологичен, обладает свойствами радиационной защиты и подлежит переработке, что особенно важно в условиях ограниченности ресурсов в космосе; ожидается развитие композитных деталей из высокопрочных ровингов из оксида алюминия вместо углеродных волокон; появятся композитные алюмокарбоновые материалы.

Ещё в 1935 году Дэвид Келлер в своей книге "Живая машина" описывал самоуправляющийся автомобиль, с тех пор человечество проделало огромный путь в сторону бесшумных и автономных транспортных средств для всех землян. Сейчас промышленность уже предлагает такие машины потребителям. Ну почти такие. Автомобилестроение — одна из важнейших сфер для производителей алюминия во всём мире.

— Что касается новых возможностей применения алюминия, то в сфере транспорта будет наблюдаться рост алюминизации с целью облегчения ТС, в том числе и в сегменте электромобилей. Конечно, электромобили, которые уже поголовно изготавливаются из алюминиевых сплавов (кузов, агрегатная часть, шасси, колеса), будут всё больше захватывать рынок, — добавила Снежана Равлюк.

Эксперты говорят об алюминизации и считают этот процесс необратимым. Даже если ваш будущий автомобиль будет передвигаться на каком-то альтернативном источнике энергии (водород, биотопливо, карманные атомные реакторы — неважно), он будет лёгким за счёт применения алюминиевых сплавов и тяжёлым уже не станет никогда. Кроме того, возникают новые виды транспорта — автомобиль из года в год всячески пытается "оторваться" от дорожного покрытия и стать самолётом. Для этого ему надо сбросить пару сотен килограммов веса, а это возможно либо с карбоном, либо с проверенным временем алюминием.

Сейчас различные компании реализуют проекты в сфере высокоскоростного транспорта — это и азиатские железнодорожные поезда, развивающие скорость до 500 километров в час, и Hyperloop Илона Маска. Все они нуждаются в снижении массы и сохранении прочности, поэтому алюминий занимает всё большее место в этих разработках.

Отдельный тренд — мультикоптеры. Если маленький дрон можно сделать полностью из пластмассы, то большой грузовой или пассажирский коптер потребует как минимум каркаса жёсткости — и здесь алюминий наготове. Вы скажете: пластик и композитные материалы тоже не стоят на месте! И будете правы, но как всегда, есть одно но, о котором говорят эксперты.

— На самом деле у алюминия здесь нет конкурентов, даже если мы вспомним о композитных материалах. Ведь при выборе материала необходимо помнить, что сейчас важно не просто спроектировать и изготовить транспортное средство, но ещё и подумать о том, что будет по завершении его срока службы. То есть провести оценку стоимости всего жизненного цикла. Здесь алюминий вне конкуренции — ведь конструкции из арамидных волокон или карбона фактически не утилизируемы, — рассказал руководитель сектора "Автомобилестроение", профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана Егор Балыкин.

А алюминий и его сплавы не просто утилизируемы. Их можно переплавлять и использовать снова и снова так долго, как никакой другой материал на планете. Наглядный пример — экологичные упаковки ПЭТ (полиэтилентерефталат), они хорошо перерабатываются, но всего пять-шесть раз. Если мы хотим передать нашим детям пригодную для жизни планету, нам придётся переходить на новые экологические принципы, и здесь практически бесконечный рециклинг алюминия также подсказывает дорогу.

Альтернативная энергетика — ещё один тренд последних десятилетий, который был предсказан научно-популярной фантастикой XX века. Конечно, сам по себе алюминий энергию не вырабатывает, но возможности обработки его сплавов крайне велики. И это позволяет применять алюминий в неожиданных сферах и в неожиданных ролях.

— Предполагается расширение возможностей применения за счёт различных форм обработки: например, алюминия с хорошей полируемостью (6ХХХ) для изготовления оптических зеркал из алюминия вместо стекла. Идеален этот металл с точки зрения цены, лёгкости и коэффициента отражающей способности (свыше 98%). Будут создаваться огромные системы зеркал для перенаправления солнечной энергии на элементы солнечных батарей. Повышение гидрофобности поверхности позволит ещё больше увеличить коррозионную стойкость AL, вода будет скатываться с поверхности, грязь не будет прилипать и удерживаться на поверхности. Этого можно достичь с помощью обработки AL-лазером по специальной технологии (практически гравировка на микроуровне), — отмечает Снежана Равлюк.

Самая актуальная тема последних десяти лет — экологичные аккумуляторы, которые нужны для новых автомобилей и сейчас уже даже и лёгких самолётов. Ещё Азимов был уверен, что экологически чистая электроэнергия — это будущее всей планеты, но он не знал, можно ли её накапливать, не нанося урон всему живому. В новом веке эксперты уверены, что на смену нынешним аккумуляторам могут прийти новые.

— Алюминиево-воздушные аккумуляторы обеспечивают высокую плотность хранения энергии, а значит, и дальность пробега электромобилей, корпуса которых также уже производят из алюминия. На одной зарядке можно проехать более 1500 км. Да и не только о наземном транспорте идёт речь — уже есть прототипы электросамолётов, их оснащённость такими батареями — вопрос времени, — рассказал руководитель сектора "Машиностроение" Алюминиевой ассоциации России, директор по продажам прокатной и прессовой продукции коммерческого назначения "Арконик Россия" Егор Балыкин.

Кстати, о воздушном транспорте. Пока мечты фантастов о транспорте, который мог бы приземляться и взлетать в любых условиях без специально оборудованных площадок, реализовались лишь частично. Зато активно развивается сфера быстро возводимых временных конструкций — алюминиевые взлётно-посадочные площадки, небольшие отрезки дорог. В труднодоступных регионах такие лёгкие и прочные "инфраструктурные конструкторы" могут стать настоящим спасением.

Более того, алюминий можно использовать для создания фальцевых пешеходных дорожек. Фальцевые швы отлично зарекомендовали себя в кровле — сталь в таких конструкциях служит около 30 лет, а алюминий — порядка 75 лет! А всё потому, что этот цветной металл значительно меньше подвержен коррозии, чем та же сталь.

— На заводах в будущем будут установлены качественные лёгкие искробезопасные мостки, переходы и ограждения из алюминия. Это признак современного высокотехнологичного производства, ведь оснащение цеха с современным оборудованием должно быть из высокотехнологичного материала. Наша страна (как крупнейший производитель алюминия) обладает большими конкурентными преимуществами в этом направлении, — отметила руководитель сектора ТНП Наталья Куденкова.

Фантасты XX века большое внимание уделяли дизайну в архитектуре и технике, и знакомые нам по иллюстрациям и фильмам ажурные строения и каркасные конструкции — это не просто про красоту. Бионический (или генеративный) дизайн — это когда объект проектируется нестандартным способом для уменьшения массы и увеличения прочности. Сейчас бионика уже вошла в нашу жизнь — посмотрите хотя бы, как ажурные несущие металлоконструкции заменяют бетонные в новых терминалах аэропортов. Но алюминий в силах продвинуть эту сферу вперёд, ближе к тем представлениям о городах будущего, которые описывали в книгах мечтатели XX века. Химическая промышленность и наука в ближайшее время подойдут к созданию специальных сплавов на основе алюминия под специфические прочностные, эксплуатационные и декоративные требования застройщиков, архитекторов и частных заказчиков.

— В архитектуре такие свойства алюминия, как коррозионная стойкость, лёгкость и долговечность, позволят архитекторам реализовывать самые смелые идеи. Уже сейчас фасадные алюминиевые панели делают городскую среду яркой, предлагая обширную палитру цветов. А ещё алюминиевые конструкции "научились" самоочищаться и очищать окружающий воздух, преобразуя органические загрязнители в безвредные вещества, которые смываются дождевой водой. Скоро умные панели станут привычными на всех новых зданиях, — рассказал Егор Балыкин.

Интересно, что фантасты подробно и ярко описывали города, архитектуру, машины, устройство общества и значительно реже быт отдельного человека. Между тем у нас в домах фантастические прогнозы сбываются в неменьшей степени. И похоже, что именно активное развитие и использование различных алюминиевых сплавов является тому причиной.

Наталья Куденкова добавила, что альтернативы алюминиевой посуде — сковороде, кастрюле — нет, ведь покрытия будут трансформироваться и меняться, делая её более функциональной и эстетичной. В качестве основы будет оставаться алюминий. Алюминиевые корпуса и декоративные детали гаджетов и бытовой техники и сейчас придают этим изделиям вид продукции третьего тысячелетия.

Согласитесь, алюминий проделал длинный путь от бесценной погремушки для французского императора до радиатора на графической карте вашего компьютера? Если бы не алюминий и его отличная теплопроводность, у нас бы не было столько доступных компонентов для профессиональной и игровой компьютерной техники. И это ещё один аспект, который вряд ли можно встретить в романах писателей-фантастов.

Зато различные экзоскелеты, бионические протезы и средства реабилитации будоражили фантазию писателей последние 70 лет. Одно из первых и самых известных описаний экзоскелета представлено в романе Роберта Хайнлайна "Звёздный десант" (1959), хотя и в "Туманности Андромеды" (1957) Ивана Ефремова описываются похожие конструкции. Кинематограф обожает экзоскелеты – от "Звёздных войн" Джорджа Лукаса до "Аватара" Джеймса Кэмерона. И если быть максимально точным, создание полноценного экзоскелета без применения алюмосплавов попросту невозможно.

— Аддитивные технологии с использованием алюминия могут активно применяться в медицине, в частности при изготовлении каркасов и других элементов технических средств реабилитации. Новые функциональные возможности и программное обеспечение позволят пациентам быть мобильными, а в будущем дадут возможность передвигаться вертикально, — рассказала Наталья Куденкова.

Алюминий используют в протезах с 1912 года, и инженеры продолжают придумывать самые невероятные способы применения этого металла в реабилитации. Американец Хью Хэрр потерял обе голени во время альпинистского восхождения и уже 40 лет разрабатывает протезы, которые испытывает на себе. Он продолжает заниматься альпинизмом. Отправляясь в горы, Хэрр надевает одну из сконструированных им самим пар специальных "ног": длинные алюминиевые протезы с небольшой резиновой стопой, благодаря которым он превращается в гиганта ростом 2,1 м, протезы со стопой в виде алюминиевых когтей, заменяющих альпинистские кошки, или клиновидные полиэтиленовые протезы-ледорубы.

Все города будущего, кроме совсем уж мрачных образцов постапокалипсиса, ярко освещены. По крайней мере, фантасты второй половины XX века хотели видеть их такими. В нынешнем веке фантастика рисует всё более мрачные и тёмные картинки будущего, вероятно, потому, что в настоящем наш мир освещён вполне ярко. В том числе благодаря и алюминиевой промышленности.

— Освещение — крупный потребитель алюминия в самых разных видах. Растёт доля светодиодных светильников в дорожной инфраструктуре и для коммерческих помещений. Как правило, для корпуса таких светильников используется алюминиевая шина. Алюминий в виде оксида — это сам светодиодный кристалл. В данном случае алюминий предстаёт в непривычном для нас соединении — прозрачном виде. Светотехническое оборудование будет становиться всё более компактным, эффективным и энергоэффективным. В России уже появляются предприятия, выпускающие такую продукцию, — отметила Наталья Куденкова.

Есть ещё множество способов и сфер применения "серебра из глины". О многих из них писатели-фантасты даже не догадывались, а мы не догадываемся каждый день, хотя и используем эти технологии постоянно. И ещё больше потенциальных сфер применения для этого удивительного металла находится каждый год. Новый разработанный сплав показывает алюминий с какой-то новой стороны. И Россия — один из крупнейших производителей алюминия в мире — имеет все необходимые преимущества, чтобы строить инновационный алюминиевый XXI век на правах лидера.