"סטיב ג'ובס היה הראשון שקנה את הפטנט שלנו"
בנובמבר השנה יתחיל שוברת הקרח דיקסון בניסויים ימיים של מערכת לייזר ייחודית לשבירת קרח, שפותחה במרכז הלאומי למערכות לייזר ומתחמי לייזר (NCLSK) אסטרופיזיקה (חלק מהחזקת שבבה של תאגיד המדינה Rostec) יחד עם מדענים ממכון המחקר הארקטי והאנטארקטי של סנט פטרסבורג.
מה הקשר של סטיב ג'ובס והאייפונים שלו לטכנולוגיית הלייזר שפותחה ברוסיה, כיצד שיכנעו יוצרי הלייזר הזה ספקנים שאינם מאמינים באפשרות לשבור קרח בלייזר, וכיצד הטכנולוגיות הללו יכולות להציל משיטפונות ונפט נשפך, בראיון לעיתון VZGLYAD, סיפר הראשון לסגן המנהל הכללי למו"פ ופיתוח חדשני של Shvabe Holding, דוקטור למדעים טכניים, פרופסור חבר סרגיי פופוב.
שאלה: איך נולד הרעיון הזה - ליצור מכונת לייזר לחיתוך קרח?
סרגיי פופוב: הכל התחיל ב-2011, כשדיווח טלוויזיה הראה מבצע בקוטב הצפוני לשחרור ספינה משבי קרח עם שניים משוברי הקרח החזקים ביותר. ויחד עם מדענים ומהנדסי לייזר מהמרכז לחקר אסטרופיזיקה חשבנו איך להפוך את הפיתוח של הארקטי ליעיל יותר בעזרת לייזר. כיצד נוכל לעזור להבטיח הובלה חלקה של מינרלים ואספקת ציוד כרייה באקלים הקשה של האוקיינוס הארקטי?
אב הטיפוס של הרעיון של חיתוך קרח בלייזר יכול להיקרא טכנולוגיה שפיתחנו בעבר, שכיום משתמשים בה כמעט כולם. אבל מעטים יודעים שמדובר בטכנולוגיה ביתית. סטיב ג'ובס היה הראשון שהבחין בהמצאה הזו וקנה את הפטנט שלנו. עַכשָׁיו
כל המסכים באייפון ובאייפד נחתכים בשיטה ובציוד שלנו. אנו משתמשים בהמצאה זו לתעשייה, ובסטיב ג'ובס לצרכן ההמוני.
אנחנו מדברים על המצאה של מיזם ספיר (כיום זה שבב - פוטוסיסטמס), יחד עם המכון להנדסה תרמית, של שיטת הפיצול התרמי בלייזר מבוקר של חומרים שבירים. בעבר, המסך לסמארטפונים וטלפונים נחתך באמצעות גלגל יהלום, אך בשיטה זו הופיע תפר, גבולות המסך דרשו השחזה וזו עבודה די מפרכת.
הגענו לטכנולוגיה נוספת: נקודות מקומיות מחוממות בלייזר, קווים קטנים נוצרים על הזכוכית, ואז מורחים על המשטח המחומם נוזל קירור (תערובת מים-אוויר או חנקן, למשל). כתוצאה מחימום חד וקירור חד, מופיע סדק בגודל קטן. שיטה זו מאפשרת לך לשלוט בתהליך חיתוך הזכוכית ולקבל מסך חלק לסמארטפון שלך. בנוסף, זה מאפשר לך להסיר את הקצה של 0,5 מ"מ או אפילו פחות, מה שהופך את הזכוכית החתוכה לעמידה יותר. וזה יכול להיות לא רק מסך סמארטפון, אלא גם ספיר או חומרים שבירים אחרים.
VZGLYAD: ואיך הטכנולוגיה הזו עובדת בעת חיתוך קרח? כנראה שאחד החסרונות הוא הצורך בכוח עצום לתפעול מכונת הלייזר בעת חיתוך קרח?
S.P.: אנשים רבים באמת חושבים שחיתוך קרח בלייזר הוא בלתי אפשרי בגלל המוליכות התרמית הנמוכה של הקרח, ההמרה של מים לקיטור וגורמים נוספים. או יותר נכון, זה אפשרי, אבל כדי לחתוך קרח בעובי של 20 ס"מ בלבד, תצטרכו להוציא את הכוח ששתי תחנות כוח מייצרות. למעשה, זה כמו ניסור זכוכית עם מסור: הושקע הרבה מאמץ, אבל מעט שכל. איך חותכים זכוכית בתנאי בית רגילים? דיסקית חיתוך יהלום או זכוכית, העוברת על פני הזכוכית, משאירה שריטה, ממנה נולד סדק. כדי לחתוך זכוכית בעובי של 5 מ"מ, מספיק סדק של 0,05 מ"מ. הטכנולוגיה לשבירת קרח דומה לטכנולוגיה לחיתוך זכוכית.
כדי, למשל, לחתוך ספיר או זכוכית למסך סמארטפון באמצעות פיצול תרמי בלייזר, הספק קרינת הלייזר צריך להיות 20-200 וואט בלבד. זו נורה רגילה. לכן, כדי לחתוך את הקרח, לא כל כך הרבה כוח נדרש.
עוד נקודה חשובה להבנת הטכנולוגיה. כיצד מתגברים כיום על מכשולי קרח? שוברת הקרח תופסת מהירות ובכוח המשיכה שלו, תוך התחשבות בחרטום בצורת טריז, פורצת ודוחפת את הקרח.
מהות ההמצאה היא זו
הקרח נחתך בקרן לייזר, כמו חותך זכוכית, באותם מקומות שבהם מופיעות נקודות ריכוז מתח, שלאורכן נשבר הקרח.
לשם כך, אנחנו לא צריכים לחתוך את כל הקרח, כמו זכוכית עם מסור, אנחנו צריכים רק לחתוך אותו, כמו חותך זכוכית, בעשירית מעובי הקרח. לכן, התקנת הלייזר אינה זקוקה להספק רב. חישוב אופטי וייצור ראשי לייזר הם אומנות. הידע שלנו הוא ליצור את קרן הקרניים שתחתוך את הקרח במרחק נתון משובר הקרח.
VZGLYAD: אילו בדיקות כבר בוצעו, באילו קשיים נתקלת, מה אתה מצפה ממבחן המים הפתוחים הראשון בתנאים ארקטיים, שמתוכנן להיערך בנובמבר?
S.P.: ראשית, דגמנו את השיטה הזו באופן מתמטי. אחר כך ערכו ניסויים עם קרח קפוא במקרר ממים רגילים. הוא דוקר בלי בעיות. אבל מספר מדענים התנגדו לנו: מים מלוחים קופאים בים הצפוני, ולכן יש תכלילי מים בקרח. זהו מה שנקרא חבילת קרח (הטרוגני).
לכן, כדי להדגים את ההשפעות שהתקבלו, הזמנו מדענים ומתרגלים מיותר מ-20 ארגונים, ובמסגרת הקלטת וידאו, ערכנו ניסוי עם קרח אריזה ממי מלח. הוכחנו לכולם שקרינת לייזר בעוצמה נמוכה מסוגלת לפצח קרח בעובי מטר.
שישה חודשים לאחר מכן, פיתחנו את הטכנולוגיה הזו במכון המחקר המרכזי של סנט פטרבורג. אקדמאי א.נ קרילוב. ישנה בריכה גדולה לקביעת המאפיינים ההידרודינמיים של דגמי ספינות באורך של עד 3 מטרים, בה ניתן ליצור תנאי קרח. ונערך ניסוי עם התקנת לייזר על דגם של שוברת קרח בקנה מידה מופחת. גם התוצאה הייתה חיובית.
VZGLYAD: כמה עמוק שברת את הקרח?
S.P.: במרחק של 10 מטר מהכלי יש קרח חבילה בעובי מטר. עדיין לא ניסיתי יותר.
VZGLYAD: והיכן תמוקם מתקן הלייזר על הספינה?
ש.פ.: משום מה כולם חושבים שהתקנת הלייזר צריכה להיות על חרטום הספינה. למעשה, זה יכול להיות בכל מקום. זה יכול להיות קבוע על הסיפון העליון או בפנים. וקרינת לייזר מועברת דרך כבל סיב אופטי בקוטר גדול.
VZGLYAD: בנובמבר, אתה מתכנן לערוך בדיקות ניווט בחורף על שוברת הקרח דיקסון עם מערכת לייזר. מהם הפחדים מניסויים אמיתיים?
S.P.: יש הרבה מהם, ולשם כך אנחנו צריכים ניסוי בקנה מידה מלא. לדוגמה, רעידות מגיעות משוברת קרח. באופן אידיאלי, קרן הלייזר נעה בקו ישר, אך בפועל, אם המקור עליו מותקן הלייזר רוטט, אזי אנו עשויים לקבל תמונה אחרת. ניסינו לקחת בחשבון את הרטט מבחינה מתמטית, הגענו לייצוב ג'ירו של ראש הלייזר. ייצוב ג'ירו הוא בדרך כלל הצד החזק שלנו, אנחנו יודעים איך לעשות את זה. לא העובדה שבפועל הכל יהיה אחד לאחד כמו בתיאוריה. לכן, אני לא יכול לומר שמחר הכל יעבוד. אבל אני בטוח שזה יעבוד. זה רק צריך להתנסות ולבדוק בפועל.
VZGLYAD: מהי המשמעות המעשית של התקנת לייזר כזו? האם נאמר שזה יגדיל את יכולת שבירת הקרח ואת המעמד של שוברת הקרח?
S.P.: שוברת הקרח Arktika יכולה לשבור קרח בעומק 3,5 מטרים, כי יש לה תחנת כוח חזקה ומסה עצומה. ויש כלים קטנים שיכולים לעבור קרח בעומק של לא יותר ממטר אחד. אבל בעזרת מערכת לייזר הם יוכלו להתגבר על הקרח כבר עד לעומק של 1-1,5 מטר ללא עומס רב. רשמית, המעמד של כלי השיט גדל. שוברת הקרח לא תהפוך מכאן לכבדה וחזקה יותר, אך יכולתו להתגבר על שדה הקרח תגדל.
VZGLYAD: המדינה, במסגרת התוכנית הממלכתית לפיתוח האזור הארקטי, משקיעה רבות בבניית שוברות קרח יקרות ועוצמתיות. אבל אם מערכת לייזר מסוגלת להגדיל את המעמד של שוברת קרח, אז אולי כבר אין צורך בכאלה יקרות, האם מספיק שוברי קרח ממעמד קטן?
ש.פ.: שאלה מעניינת. אני חושב שעדיין יהיה צורך בכלים גדולים ממחלקת Arktika. למרות רמת החיזוי המדעית הגבוהה, לא תמיד ניתן לחשב במלואו את העומק והתנועה של שדה הקרח. מדי פעם, קרח עדיין מהדק ספינות. לדוגמה, קרח עבה יותר הופיע בדרכו של שוברת קרח עם חדירת קרח בעומק של עד 1,5 מטר, ויש לארגן משלחת חילוץ יקרה כדי לשחרר אותו משבי הקרח. והנוכחות של מערכת לייזר כזו תעזור לשובר הקרח לשמור על סבלנות בתנאי מזג אוויר קשים יותר ממה שחישבו המטאורולוגים, מה שיפחית את מספר פעולות החילוץ.
על פי חישובים כלכליים, מתקן הלייזר המותקן על ספינות יפחית את עלויות ההובלה לאורך נתיב הים הצפוני ובפיתוח המדף הארקטי. כך למשל, חשבו כי לתחבורה בים קרא, במקום שלוש שוברות קרח מונעות בכוח גרעיני מסוג ארקטיקה ושתי שוברות קרח מסוג טיימיר, יספיקו שלוש שוברות קרח עם קומפלקס לייזר. כלומר, במקום שוברי קרח ענקיים יספיקו שוברי קרח ממעמד קטן יותר. הטכנולוגיה שלנו תסייע להשיג את המשימות שהציבה המדינה מהר יותר: להגדיל את עונת השינוע של ספינות לאורך נתיב הים הצפוני, להפוך אותה לכל ימות השנה, וגם להגדיל את מחזור המטענים.
VZGLYAD: האם יש דרכים אחרות להשתמש בטכנולוגיה הזו?
S.P.: "סחטנו" ישירות פיתוח נוסף מאותו לייזר. בהתבסס על אותו לייזר, הופיע רעיון נוסף לפיתוח חדש. זה עוזר להתמודד במהירות עם נזילות שמן על המים. סרט השמן נאסף כעת עם ציוד מיוחד. במפרץ מקסיקו ניסו לאסוף נפט שנשפך בדרכים שונות לאורך תקופה ארוכה שבגללה נגרם נזק עצום לטבע, דגים רבים, בעלי חיים ימיים וציפורים מתו. ובעזרת התקנת לייזר ניתן לפתור בעיה זו הרבה יותר מהר.
ביצענו בדיקות ניסיוניות עם דליפת נפט קטנה - ניתן להסיר כמה מאות מטרים רבועים של זיהום נפט בשעה.
הקרן של יחידת הלייזר מופנית אל הסליק וממוקדת ממש מתחת לפני המים, ואז כתם השמן נדלק ועולה יחד עם הקיטור. תערובת הקיטור ומים נשרפת כמעט ללא שאריות. מוצרי בעירה הם מינימליים. זה ידידותי לסביבה: שום דבר לא קורה מתחת לפני המים. טכנולוגיה זו פותחה ומוגנת בפטנט.
ישנם פסימיסטים המאמינים שאם שטח גדול של שמן שנשפך נשרף בדרך זו, ייווצר ענן שמן. אבל אתה רק צריך למצוא דרך ביניים כדי ששמן על המים יישרף בצורה מבוקרת. וזה מצריך מבחנים מעשיים.
הראינו את ההתפתחות הזו לאנשי השמן. הם מבקשים את המוצר המוגמר. אבל המוצר המוגמר דורש השקעות, וזו עדיין רק פיתוח.
המצאה נוספת שלנו יכולה לעזור בבקרת שיטפונות. ישנם נהרות צפוניים רבים ברוסיה, ובכל אביב הקרח מפשיר בפיהם מאוחר יותר מאשר בקווי הרוחב הדרומיים, ומתרחשים שיטפונות. כדי למנוע אותם, משרד מצבי חירום נוקט באמצעים לערעור הקרח באמצעות תְעוּפָה, כמו גם מומחים בתחום, לשבור את שדה הקרח ולהעלות את מפלס המים. אלה אינם הידידותיים ביותר לסביבה ובטוחים עבור שיטות בקרה של חיים ימיים.
VZGLYAD: האם יש כבר לקוחות פוטנציאליים למערכות לייזר?
S.P.: יש לפחות שני לקוחות. מדובר בחברת הספנות הצפונית (ארגון זה יספק שוברת קרח לבדיקות בקנה מידה מלא בנובמבר), וכן במשרד מצבי חירום.
לאחר הצגת מתקן הלייזר בכנס בקרת שיטפונות, הביעו נציגי משרד מצבי חירום וכן ממשלת אזור יאקוטסק עניין בפיתוח זה. נכון לעכשיו, שלב המחקר המדעי על שלושת ההמצאות הושלם, אך אין עדיין ייצור סדרתי. יש צורך להשלים את שלב הפיתוח.
VZGLYAD: האם יש פוטנציאל יצוא?
ש.פ.: לאחר עריכת ניסויים במכון על שם האקדמיה א.פ. קרילוב, הפרויקט הועלה בשנת 2013 לתחרות בז'נבה, שם הוענק לו מדליית הזהב של סלון החדשנות הבינלאומי בהמצאות ז'נבה. באותו אירוע התעניינו נציגי המשרד הקנדי בפיתוח. בקנדה תנאי הקרח דומים מאוד. אולם לאחר הטלת סנקציות, האינטראקציה פסקה.
ב-2017 התעניינו בפרויקט גם נציגי הרפובליקה העממית של סין.
VZGLYAD: כמה זמן עבר מאז תחילת הרעיון?
S.P.: הרעיון עלה ב-2011 ונרשם בפטנט ב-2012 על ידי החברה שלנו NCLSC Astrophysics. מאז, אנו מיישמים בהדרגה את הפרויקט החדשני הזה.
חוות דעת: מימון לא מספיק? במסגרת תוכנית המדינה הוקצו כספים ...
S.P.: הכסף שהוקצה למחקר ופיתוח אינו מספיק. ומכיוון שהצלחת הפרויקט הזה הייתה בספק עבור רבים, הכספים שהוקצו הספיקו רק לדוגמנות.
VZGLYAD: ועכשיו אתה מאמין?
ש.פ.: הם האמינו. אבל עכשיו אנחנו מדברים על עבודת פיתוח, על מבחנים מעשיים שדורשים אמצעים חדשים. בזמן שאנחנו מנסים למצוא כסף ממקורות שונים. בשל העובדה שהכספים מוקצים מאפיקים שונים, אנחנו לא יכולים לעשות את כל זה בבת אחת. כעת אנו מנסים להצטרף לתכנית לפיתוח התחבורה הימית עד 2030 ולהיכנס לתכנית לפיתוח הארקטי כמקטע נפרד.
VZGLYAD: כמה כסף צריך כדי להביא את הפרויקט של מתקן לייזר לשוברי קרח ושני פרויקטי לייזר נוספים לייצור המוני?
ש.פ.: זה לא תענוג זול, אבל הסכומים רחוקים מלהיות בשמיים. אנחנו מדברים על כמה מאות מיליוני רובל עבור פרויקט שבירת הקרח, ובערך זהה כמות נדרשת לשני פרויקטים נוספים - להסרת כתמי שמן על המים ולשבור קרח בפתחי נהרות הצפון כדי להפחית את הסיכון לשיטפונות. ואז, תוך שנה או שנתיים, נוכל להביא את כל שלושת הפרויקטים למוצר מסחרי.
VZGLYAD: כמה יעלה המוצר המוגמר?
S.P.: לא מוכן לומר בוודאות. אבל סביר להניח שזה יהיה עשרות מיליוני רובלים. מערכת לייזר לשוברת קרח, שתעלה את דרגת הקרח שלה, תעלה רק כ-5% מעלותו של שוברת קרח.
מידע