Чорне золото. Частина ІІ. Вуглецевий хай-тек

Інтелект — основа сучасної економіки

Перед тим, як почати говорити про перспективи Донбасу, потрібно згадати особливості сучасної економіки. В умовах постіндустріалізму левова доля ціни формується не за рахунок сировини, зарплати працівникам або ще якоїсь статті витрат, яка відігравала велику роль за часів класичної індустріальної системи, але за рахунок інноваційної складової.

Саме інновація є базою в нинішній економіці. Сьогодні будь-яку сировину можна придбати у декількох місцях. Оскільки сировину пропонують одразу кілька постачальників, то і ціна її відповідно може знижуватись. Але технологію може запропонувати менше виробників, ніж тих, хто пропонує сировину. Оскільки постачальників інтелектуального продукту менше, то і цінність, і ціна цього продукту більша. Ідея зараз — найдорожчий товар.

Складові майбутнього успіху Донбасу

Вільний простір

Економічна структура Донбасу переживає скрутні часи у зв’язку з військовими діями. З одного боку це надзвичайно погано: зниження обсягів виробництва та постачання продукції на внутрішній та зовнішній ринки, відсутність робочих місць, як наслідок, зростання кримінальної загрози, соціальні проблеми та ін. Але, як казав Уінстон Черчиль, криза — це не лише проблеми, але ще й нові можливості.

Українська промисловість має суттєвий недолік: вона створювалась для соціалістичної системи, і це стало одним із факторів, який робить її продукцію нерентабельною і конкурентно нездатною в умовах вільного ринку. Завмирання та ліквідація заводів радянскього зразку розчищає місце для нових можливостей. Наразі в Донбасі відбувається щось подібне до знищення дзайбацу — виробничих об'єктів Японії, що за часів імператора належали олігархічним колам, і які не змогли б конкурувати на міжнародній торгівельній арені. В той же час зберігається інфрастуктура — мережа ЛЕП, транспортні шляхи тощо. Вільний простір для дій — перша складова можливого трампліну, завдяки якому Донбас може злетіти вгору. Ні, не «в повітря», а саме «вгору».

Сировина

З першої частини «Чорного золота» видно, що кам’яне вугілля стало центровим фактором, що забезпечив індустріалізацію Сходу. Ця ж копалина може зіграти роль чинника, що запустить нову індустріалізацію наших східних областей.

Нажаль, на сьогодні є певні складнощі, пов’язані із ціною. За даними сайту www.investmine.com середня ціна за 1 тону паливного вугілля, що видобувається шахтним способом, коливається біля 43 доларів (це число справедливе як для європейського, так і для американського вугілля). Для українського вугілля лише одна собівартість складає 65 дол/м.т. Ступінь виснаженості українських шахт не вища від інших, як то американських, австралійських чи європейських. Не останнім фактором, що впливає на вартість є модернізація обладнання шахт, адже чим примітивніша технологія виробництва, тим дорожчим зазвичай є кінцевий продукт.

Головним чином, висока ціна на наше вугілля — це наслідок загальної неринковості внутрішньоукраїнських умов, тобто задля її зниження, потрібно змінювати внутрішній економічний устрій в нашій країні. Якщо лихоманить весь організм, то неможливо знизити температуру тільки в одному окремому пальчику.

В найближчі десятки років ціна на вугілля та й інші енергоносії буде лише знижуватись. Коксовою смолою, газом та продуктами їх переробки вже нікого не здивуєш, активоване вугілля — теж не найкращий приклад «високих технологій». Тим не менше, саме наявність цієї сировини є другою складовою можливого розвитку Донбасу. Якщо так є, то який потенціал несе в собі вугілля? Відповідь лежить в його хімічній будові.

В 2013 році американський хімік та матеріалознавець Дж. Тур разом із своїми колегами опублікував роботу, в якій вугілля розглядалось як дешеве, економічно доцільне джерело графенових квантових точок (ГКТ). ГКТ — це графенові лусочки, розмір площі яких не перевищує 30 нм. Вони можуть бути зібрані в пакети до 10 листів або знаходитись в рідкому середовищі у вигляді моношарів. Тур показав, що вугілля містить до 20% ГКТ в своєму складі.

Ось ми і дішли, дорогий читач, до найцікавішого — до вуглецевого хай-теку — третьої складової успіху. В Україні вдало співпали наявність кваліфікованих науково-інженерних кадрів та вигідної сировини.

Вуглецевий хай-тек

ГКТ — це не просто уламки вугілля. Це один з елементів нового етапу науково-технічної революції, яка зараз відбувається, хоча це і не помітно для звичайної людини. Неможливо охопити усі галузі застосування графенових матеріалів, зокрема ГКТ, і докладно розповісти про них тут. Але деякі основні моменти все ж таки намагатимусь висвітлити.

Напівпровідники

Основна «фішка» застосування ГКТ — це напівпровідникова техніка. Перші прототипи радіоприймачів були створені в ХІХ сторіччі. Основою тодішньої радіо- та схемотехніки були лампи. Лампа — це система з катоду (тобто, електроду, з якого вилітають електрони), аноду (електроду, в який входять електрони, що відірвались від поверхні катоду) та спеціальної складної сітки між катодом і анодом, на яку подають певну різницю потенціалів, що дозволяє регулювати величину потоку електронів між катодом та анодом. І весь цей електродний комплекс знаходиться у вакуумному середовищі всередині скляного кожуха. Регулювання струму між катодом і анодом дає можливість керувати сигналом.

Проте у лампи є суттєвий недолік. Електропровідність вакууму досить низька, тому через лампи не можуть проходити великі електричні струми. Для створення більш потужних схем на лампах потрібно застосовувати більші напруги. Це тягне за собою збільшення габаритів та маси лампи. Схеми та прилади стають важчими і більшими. Крім того, з точки зору експлуатації, лампа не дуже зручна, адже можна розбити скляний кожух.

Це «коло сансари» вдається розірвати, якщо використовувати напівпровідники. В 1910—1920-х роках було створено перші напівпровідникові діоди, а в 1948 році американські фізики отримали Нобелівську премію за створення біполярного транзистора. Так як із появою напівпровідникових приладів з’явилась можливість оперувати більшими струмами, автоматично зникла потреба в створенні масивних електронних компонентів для розробки потужних схем. Відбулась компактизація радіо- та електронних приладів. Напівпровідникова техніка продовжувала розвиватись і в 1958 році американцями було винайдено першу мікросхему. Мінімізація приладів перейшла на якісно новий рівень. Вже в 1961 році на підприємстві Fairchild Semiconductor було запроваджено їх серійне виробництво. Таким чином, схема на лампах могла бути виконана на друкованій платі розміром, наприклад, 100×100 мм, на транзисторах — 40×40 мм, а на мікросхемі — 10×10 мм. Різниця та переваги очевидні.

В ХХ сторіччі виникла нова наука — кібернетика — наука про керування технікою (від грецького κυβερναω — керувати, правити). Потреба в цій дисципліні виникла у зв’язку із створенням нових виробництв, де були задіяно не тільки людську працю, але й машинну. Найважливіше досягнення кібернетики — електронно-обчислювальні машини (ЕОМ). Перша ЕОМ була створена в США в 1945р. Це були високі шафи з електронною начинкою, що займали кілька кімнат. Напівпровідники дали життя персональному компьютеру, який знаходиться у кожного на столі вдома, на роботі, в центрах керування технологічними процесами і в кіностудіях, де створюються фільми та анімація і, взагалі, простіше сказати, де комп’ютери зараз не використовуються.

Таким чином, розвиток напівпровідникової та, зокрема, обчислювальної техніки, характеризується зменшенням габаритів та маси робочих схем, а також можливістю оперувати більшими величинами електричних струмів.

Які ж нові горизонти перед нами відкривають вуглецеві напівпровідникові матеріали?

Знову ж таки, мінімізацію, в першу чергу. Оскільки одношарова ГКТ має товщину одного атому вуглецю, це означає, що якщо дивитись на цю площину з торця, то і найкращий сучасний мікроскоп її не побачить. Фактично ми майже позбавляємось третього виміру в структурі і можемо говорити про двовимірні прилади. Сучасні обчислювальні елементи, наприклад, процесори, створюються на базі кремнієвих польових МОН-транзисторів (МОН — метал-оксид-напівпровідник). На 1—2 см2 кристалу процесору зараз можуть розмістити кілька мільярдів МОН-транзисторів. При збільшенні кількості цих елементів на одному кристалі розробники зтикаютсья із проблемою струму витоку, пов’заним із розсіюванням енергії. ГКТ розсіює менше енергії, тому і струм витоку менше.

Під час проектування транзисторів, також задають і частоту, на якій він здатний працювати, тобто з якою швидкістю транзистор вмикається/вимикається. У 2012 році компанія IBM презентувала прототип графенового транзистору з частотою 100 ГГц (параметр може бути збільшено до 1000 ГГц), в той час як звичайні кремнієві здатні працювати на частоті кількох гігагерц через фізичні обмеження.

Частота, на якій здатний працювати транзистор, що знаходиться на кристалі процесора, — не єдина вимога для створення високопродуктивного процесору. Тактова частота процесору задається спеціальним приладом — кристалічним осцилятором, aka кварцем. ГКТ і тут стають у нагоді, адже осцилятори на базі графену або ГКТ здатні генерувати частоту близько 1000 ГГц (нинішні комерційні кремнієві процесори працюють на частоті максимум 4.5 ГГц). При синхронізації роботи транзисторів та осциляторів отримуємо процесор, який в сотні разів швидше проводить обчислювальні операції.

Але і це іще не все. Самі ГКТ можуть функціонувати як одноелектронні транзистори. Ідея таких елементів досить молода — їй близько 20 років. Одноелектронний транзистор (ОЕТ) — це прилад, що дозволяє маніпулювати одним електроном за рахунок квантових ефектів. Дослідники відкрили, що ОЕТ має ефект пам’яті. Відкритий транзистор може відповідати одиниці, закритий — нулю. В сучасних комерційних жорстких дисках ефект пам’яті забезпечується зміною вектору намагніченості доменів в матеріалі жорсткого диску. Оскільки домен — це утворення з досить великою кількістю атомів, то відповідно і збільшення об'єму пам’яті потребує зменшення числа атомів в домені. Існує певна фізична границя мінімізації об'єму домену і вона складає кілька мільонів часток. Нинішній рівень розвитку літографічної технології дає можливість створювати ГКТ, що складаються із 60 атомів вуглецю. Таким чином, є можливість зменшити розмір елементарної одиниці пам’яті і, як наслідок, збільшити об'єм інформації, яку може зберігати носій, у кілька тисяч разів.

Сонячна енергія

Напівпровідники — це також інструмент досягнення енергетичної автономності. Кремнієві сонячні батареї мають низкий коефіцієнт конверсії сонячного випромінення в електричний струм, тобто ступінь перетворення енергії сонячних променів в енергію електричного струму невелика — до 30%. Спеціально для кліматичних алармістів: перевага сонячних батарей зовсім не в тому, що вони не шкодять довкіллю. Кайф від використання цієї «зеленої технології» полягає в автономності та відновлюваності джерела енергії, а не, а тому, що вона довкіллю не шкодить. А екологічні катастрофи якраз бувають там, де про економіку не думають.

У сучасних комерційних сонячних батарей через низький коефіцієнт конверсії досить обмежені можливості застосування. Ну, давайте краще в числах, так зрозуміліше. Сонячна панель за 50 $ площею в 1 кв. м генерує 1 ампер струму при 12 вольтах напруги. Друзі, це всього лише 12 Вт потужності. Ця панель достатньо ефективна для зарядки мобільного телефону в поході, проте цього явно не вистачить для забезпечення потреб окремої родини в електроенергії. На одна лампочку розжарювання в 60 Вт повинно припадати 5 кв. м таких панелей. В середньому одна родина споживає 5 кВт·год електроенергії в день. Звичайно, зараз ринок може запропонувати й потужні панелі на 300 кВт на 1 кв. м (конверсія — ~25%), щоправда їх вартість буде більше 5000 $, тобто вони задорогі для звичайного споживача.

Нещодавно іспанці продемонстрували принципові можливості створення сонячних комірок на базі графену та ГКТ, які матимуть коефіцієнт конверсії близький до 50%, що відповідає потужності 600 кВт на 1 кв.м. Тобто за бажання, можно майже в 2 рази збільшити кількість електроенергії, що виробляється сонячною батареєю.

Заключне слово

Ще можна довго розповідати про застосування ГКТ в медицині, створенні суперконденсаторів (які, до речі, дуже зручно використовувати в якості накопичувача і джерела електрики), квантових комп’ютерів, які здатні оперувати в 2 рази більшою кількістю інформації, ніж звичайні, та ще багато-багато іншого. Суть, сподіваюсь, вже зрозуміла. ГКТ — це елемент майбутнього, яке може бути в Україні. А джерело ГКТ знаходиться на Донбасі.

Чи зможемо ми реалізувати потенціал Сходу, залежить від нас. Не від Кабміну, Ради чи американських партнерів, а саме від нас з вами. Ми маємо потурбуватись про створення вигідних умов для ведення бізнесу, щоб мати високотехнологічне виробництво. Так, дійсно, зараз видобуток вугілля в Україні є нерентабельним. Навіть створення ринкових умов дозволить знизити на 1 тону вугілля до 50 доларів. Вуглевидобування стане вигідним, якщо зробити його елементом хай-тек індустрії. Так, звичайно, що виживуть не всі шахти. Але ті, що залишаться, будуть мати перспективи. Потрібні нахабні проекти, які кидають виклик звичайному. Потрібен ризик.

Коли Схід почне асоціюватись із передовими технологіями, а не з війною, то тоді фраза «Сонце України стає на Донбасі» перейде із розряду телевізійно-журналістських штампів у реальну площину.

Частину І «Трохи економічної історії Донбасу» можна прочитати тут.