«Магниевая долина»: в ТГУ разрабатывают перспективные легкие сплавы

Команда ученых Тольяттинского государственного университета занимается разработкой современных сплавов на основе магния, чрезвычайно востребованных сегодня в медицине, авиации, автомобилестроении. В вузе рассказали об особенностях, перспективах и преимуществах применения таких материалов.

Растровый электронный микроскоп, с помощью которого исследуют с высоким разрешением качество сформированной специальной термомеханической обработкой микроструктуры биорезорбируемых магниевых сплавов

Магниевое направление развивается в ТГУ давно, и в сфере исследований этого материала университет является одним из ведущих в России. Серьезный толчок был дан в 2010 году, когда разработки тольяттинцев поддержало правительство РФ: на конкурсной основе университет получил мегагрант на создание лаборатории под руководством ученого с мировым именем D.Eng. (доктора технических наук), профессора Алексея Виноградова. Для выполнения этой задачи он вернулся из Японии в Россию. В дальнейшем правительство РФ продлевало финансирование по мегагранту.

Магний — достаточно универсальный металл, и соединения на его основе могут применяться в различных сферах. Научный поиск в ТГУ ведется разнонаправленно: это и технологии создания новых сплавов, их сварки, и образование вспененных композитов, и генерация защитных (износостойких) слоев на поверхности изделий. Всем этим в ТГУ занимаются четыре группы ученых под руководством профессоров Дмитрия Мерсона, Михаила Криштала, Александра Ковтунова и Валерия Ельцова.

Если изначально речь шла в основном о техническом применении магниевых сплавов в качестве конструкционных материалов, то вскоре исследователи ТГУ пришли к пониманию, что магниевые сплавы будут чрезвычайно востребованы и в медицине.

Чтобы изделие из магниевого сплава могло быть применено в медицинских целях, оно должно отвечать главным требованиям — растворяться (резорбироваться) с заданной скоростью и без вреда для организма. С тем, чтобы раствориться, у магния проблем нет — он имеет низкую устойчивость к коррозии. Это делает его применимым для изготовления биорезорбируемых имплантов и стентов, например в травматологии, ортопедии, стоматологии и даже кардиологии. Сейчас стенты и импланты производятся из титана или нержавеющей стали, а это значит, что их нужно будет извлекать из организма в рамках повторной операции. С магнием этого делать не придется. Но необходимо управлять скоростью растворения в организме, чтобы не дать медицинскому изделию раствориться до заживления тканей.

С помощью технологии плазменно-электролитического (микродугового) оксидирования (ПЭО) ученые ТГУ научились создавать на поверхности магниевых сплавов твердые износо- и коррозионно-стойкие керамические слои. Это защищает сплав от механического, коррозионного либо совместного воздействия. Именно ПЭО отводится роль «регулировщика», который заставляет имплант из магниевого сплава раствориться в организме человека с заданной скоростью.

Проверка биорезорбируемого магниевого сплава на склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением (внезапному разрушению)

Материаловеды вуза создали ультрамелкозернистые магниевые сплавы, которые обладают требуемым набором свойств для изготовления медицинских имплантатов, в том числе заданной скоростью резорбции (растворения), разработали технологии получения полуфабрикатов, необходимых для производства конечных продуктов. В основу ключевой технологии положен патент «Способ гибридной обработки магниевых сплавов», принадлежащий ТГУ.

Медизделиями из биорезорбируемого магния уже заинтересовался большой бизнес — «Медицинская торговая компания» (Санкт-Петербург) и ТГУ создают совместное производство. В проекте примет участие Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (Уфа), входящий в консорциум «Новые технологии для магниевых сплавов», ООО «Оренпресс» (Оренбург) и НПП «Солар» (Самара).

В сентябре 2023 года на территории ТГУ должен начаться серийный выпуск заготовок и самих биорезорбируемых имплантатов. Контроль качества прутков и готовых изделий возьмет на себя ТГУ — для этого в университете есть необходимое оборудование и специалисты. «Медицинская торговая компания» займется регистрацией готового продукта в качестве медицинского изделия в Федеральной службе по надзору в сфере здравоохранения РФ. Раньше такие изделия в России не производились — закупались за рубежом. В год же осуществлялось порядка пяти тысяч операций с их использованием. Введение санкций стало стимулом для организации производства в России.

«Магниевая тема» привлекает новые поколения ученых — на средства гранта, полученного в рамках госзадания под патронажем НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего», для молодежи в ТГУ открыли специальную лабораторию. На ее создание выделили 45 млн рублей. В лаборатории молодые учёные работают над проблемой повышения коррозионно-усталостных свойств имплантатов. Возглавляет лабораторию молодой учёный кандидат физико-математических наук Михаил Линдеров.

По инициативе ТГУ в декабре 2020 года был создан консорциум «Новые технологии для магниевых сплавов». В него также вошли Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (Томск), Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Самарский государственный медицинский университет (СамГМУ), Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук и в качестве индустриального партнера — ООО «Соликамский опытно-металлургический завод».

Готовые биорезорбируемые имплантаты и крепежные винты для челюстно-лицевой хирургии

В партнерстве с Соликамским опытно-металлургическим заводом Тольяттинский государственный университет разработал жаропрочный магниевый литейный сплав. Он обладает повышенной температурой воспламенения (на 200°C выше, чем у лучших образцов подобных сплавов) и предназначен для использования в авиационной промышленности.

Этот сплав необходим для отливки поршней двигателей беспилотных летательных аппаратов. За счет придания новых свойств мощность и надежность двигателя будет в разы выше, и он сможет успешно конкурировать с зарубежными аналогами, в том числе применяться в силовых установках мощностью до 300 л.с. на воздушных судах малой авиации.

ДВС в этом сегменте пока нет альтернативы. Газотурбинные двигатели подобной мощности неэкономичны по расходу топлива, а для массивного электропривода необходимы дорогие аккумуляторы, пояснил старший научный сотрудник института машиностроения ТГУ Павел Ивашин.

Благодаря использованию новых сплавов конкурировать с импортными производителями можно будет не только в выпуске авиационных двигателей, серийное производство которых сегодня в России попросту отсутствует, но и в нише малой садовой мототехники, лодочных моторов и т.п.

С 2019 года в вузе занялись разработкой еще одного перспективного направления — пеномагния. Это высокопрочный пористый материал на основе магниевого сплава, главным преимуществом которого служит способность гасить механические колебания и поглощать энергию удара, что и обусловливает его применение в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли — там, где важны небольшой вес и значительная прочность конструкции. Причем в ТГУ научились создавать материал с управляемым размером пор и даже порами разного размера внутри одного изделия.

Кроме того, в ТГУ есть компетенции в области сварки изделий из магния, что может быть востребовано для разработки технологии 3D-печати.

«ТГУ обладает различными компетенциями в работе с изделиями из магниевых сплавов — от формирования требований к химсоставу и технологий получения требуемой структуры до методов управления скоростью коррозии, а также в смежных технологиях. Поэтому мы целенаправленно формируем центр превосходства в сфере магниевых технологий как «Магниевую долину», то есть целую экосистему генерации знаний и получения практических эффектов. Сквозная идея, объединяющая усилия ученых и специалистов ТГУ и наших партнеров в рамках «Магниевой долины», — повышение уровня технологической готовности продуктовых проектов до создания новых производств инновационной продукции, в том числе для обеспечения технологического суверенитета и импортоопережения. Магниевое направление зафиксировано в программе развития ТГУ в рамках федеральной программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» и программы развития НОЦ мирового уровня «Инженерия будущего», то есть поддержано Министерством науки и высшего образования России и лично губернатором Самарской области Дмитрием Игоревичем Азаровым», — отметил Михаил Криштал. 

Автор: Алексей Окунев

Владимир Куделькин: «Надеюсь, со временем мы создадим 4D-модель всей России»

Президент консорциума «Интегра-С», заслуженный изобретатель РФ Владимир Куделькин в рамках проекта «Сделано в Самаре» рассказал о геоинформационной системе (ГИС) «Интегра 4D-Планета Земля», позволяющей отслеживать события в любой точке в любое время, а также управлять объектами.

— С момента основания «Интегра-С» делает основной акцент в своей деятельности на разработке новых для рынка продуктов. Чем обусловлен выбор вами соответствующей стратегии?

— С детских лет я всегда старался что-то придумать, изобрести. В юности тоже был очень любознательным студентом. Тяга к созданию нового не отпустила меня и после окончания университета. Например, в период службы в армии я разрабатывал электронную систему управления мобилизацией Советского Союза. Мой интерес к изобретательству сохранился и после увольнения из Вооруженных Сил.

Помню, на старте бизнеса технический директор предлагал пойти простым путем, взяв в работу готовые идеи. Но я с этим не согласился, сказал, что нам необходимо сделать что-то свое, то, чего нет у других. С тех пор мы продолжаем придерживаться заданного курса. И могу сказать, эта стратегия полностью себя оправдала. Например, то, что мы разрабатывали еще в 1996 году, в Германии начали делать сравнительно недавно. Речь идет о трехмерных моделях объектов с привязкой к географическим координатам и времени.

Наша же современная геоинформационная система «Интегра 4D-Планета Земля» предоставляет пользователю возможность работы с четырехмерными объектами — 3D-модель и время. А еще мы начали применять нейроаналитику. Так что в Германии сейчас отстают от нас на 27 лет.

— Эту разработку вы считаете наиболее значимой для консорциума?

— Да, это уникальная ГИС, второй такой в мире нет. В этой системе все объекты, датчики, устройства и даже видеоизображение привязаны к географическим координатам и времени. То есть это виртуальный 4D-мир с объективной реальностью. Можно ввести время и координаты, а система выдаст изображение с камер в данной точке и промежутке времени.

Функционал ГИС отвечает самым разным задачам. В первую очередь это обеспечение безопасности общества, защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Кроме того, система позволяет обезопасить предприятия, учреждения, объекты транспортной инфраструктуры. В ней есть и дополнительные сервисы. Так, гостиницам ГИС предлагает не только управление системами безопасности и жизнеобеспечения, но и специальный комплекс автоматизации обслуживания клиентов.

— Что вдохновило вас на создание этого продукта?

— Я всегда считал, что ГИС нужно сделать приближенной к тому, как все существует в природе. Мы ведь, по сути, в каком мире живем? В 4D. Хотя у окружающих были сомнения по поводу необходимости системы не то чтобы в 4D, но даже в 3D. Меня спрашивали, зачем это нужно, ведь вполне удобно пользоваться и 2D. А я не понимаю, как можно не учитывать существование высоты и времени, помимо длины и ширины. И я не прогадал. Без учета привязки ко всем нынешним параметрам невозможно было обработать всю поступающую по объекту информацию.

— Насколько активно бизнес и муниципальные структуры сейчас пользуются «Интегра 4D-Планета Земля»?

— Нашу систему сейчас много где применяют — например, на Керченском транспортном переходе (Крымский мост), а также в акватории пяти морских портов полуострова (Севастополь, Керчь, Ялта, Феодосия, Евпатория). Также ею оснащено более 300 объектов РЖД на территории РФ — железнодорожные вокзалы, ситуационные центры, вагоноремонтные депо, мосты, тоннели, парки, подстанции, более 40 морских портов и 20 гидроузлов… В теплоэнергетическом комплексе ГИС обеспечивает безопасность ряда ТЭС — Адлерской, Таврической, Балаклавской.

В аэропортах благодаря нашему продукту осуществляется контроль за движением самолета на посадочной полосе и правильностью его парковки, за маршрутом машины, разгружающей багаж, определяется территориальное нахождение работников аэропорта.

Используют «Интегра 4D-Планета Земля» и для контроля над целыми регионами. С помощью нашей ГИС, например, ситуацию на подведомственной территории отслеживают в правительстве Тульской области (ситуационный центр губернатора).

Также сейчас все более популярной становится тема создания «цифровых клонов» предприятий. Такой «клон» уже, к примеру, сделан для Люберецких очистных сооружений. Работаем по этой теме и с Волжским трубным заводом. В ряде случаев клон создается с учетом дополненной реальности. То есть на деле объект может быть еще не построен, а его цифровая «копия» уже существует, и мы можем отлаживать процессы управления им до ввода его в эксплуатацию.

— Получается, интерес к продукту в последнее время заметно растет?

— Верно. За примером далеко ходить не нужно. Недавно мы представили свои продукты на выставке «Технологии безопасности-2023» в Crocus Expo. В ходе мероприятия обратили внимание на возросший к нам интерес. Да и в целом ощутимо увеличивается объем заказов — и по «Интегра 4D-Планета Земля», и по видеонаблюдению, которым мы тоже занимаемся. Думаю, тому способствуют и тенденция к цифровизации, и заданный президентом курс на отечественный софт.

— А есть ли спрос на «Интегра 4D-Планета Земля» среди иностранных заказчиков?

— Интерес к нам со стороны иностранцев есть. Недавно Германия интересовалась нашими разработками с целью решения вопроса управления подводными дронами. Но началась специальная военная операция России на Украине, и переговоры были прекращены.

— Предпринимаются ли попытки разработать аналоги вашей четырехмерной ГИС?

— В России — нет. Что-то пишут на эту тему японцы, но это больше научные статьи. При этом фразы их работ почему-то звучат так, будто взяты с наших сайтов. В направлении разработки похожего продукта движется Германия. Но пока они работают, как я уже говорил, с 3D-моделями. Возможно, они догонят наш текущий уровень через 5-10 лет. Но и мы не стоим на месте.

— Работа над совершенствованием «Интегра 4D-Планета Земля» продолжается?

— Да, этот процесс непрерывен. К примеру, некоторое время назад в ПО «Интегра 4D-Планета Земля» была реализована нейросетевая технология, которая позволяет при помощи искусственного интеллекта обрабатывать поступающие различные данные. А прямо сейчас у нас выходит новая версия данного продукта. Она вобрала в себя все последние технические новшества. В целом, чем больше мы совершенствуемся, тем больше понимаем, что нужно трудиться в этом направлении еще активнее. Надеюсь, со временем мы придем к цифровизации всей России.

— Над какими-либо новыми продуктами сейчас ведет работу «Интегра-С»?

— Не вижу смысла распыляться. Думаю, необходимо улучшать и углублять то, что есть сейчас. Так, мы сосредоточились над совершенствованием платформы, активно работаем над созданием «цифровых клонов» объектов и территорий. К примеру, в настоящий момент проектируем один из крупнейших строящихся аэропортов в России, который расположится под Санкт-Петербургом.

При этом мы продолжаем искать партнеров, которые помогут нам обучить систему под разные виды задач. Чтобы она одинаково легко управляла как банком, так и металлургическим заводом или птицеводческим комплексом. Но ведь самостоятельно мы ее этому не научим! Поэтому ищем поддержку у представителей бизнеса. В рамках данного сотрудничества мы, со своей стороны, осуществляем разработку софта, а партнеры помогают доработать систему под задачи того или иного объекта.

— Разработки новых продуктов всегда требуют серьезных вложений. Привлекает ли «Интегра-С» сторонних инвесторов к своим проектам?

— На разработку текущих продуктов компания расходовала исключительно собственные средства. И это удовольствие действительно не из дешевых. Например, на создание «Интегра 4D-Планета Земля» ушло порядка нескольких миллиардов рублей. Но мы все же не сторонники идеи о том, что все нужно сделать самим. Я всем конкурентам предлагаю быть партнерами, дополнять друг друга и совершенствоваться вместе. Ведь на все не только денег не хватит, но и головы. Поэтому нужно объединять усилия. Каждый может сфокусироваться на том, в чем он хорош, а остальное докупать у партнеров.

— Нашлись ли уже конкуренты, выразившие готовность к сотрудничеству с вами?

— Да, подвижки определенно есть. Многие фирмы начали с нами сотрудничать. Например, ранее мы выпускали не только софт, но и сопутствующее оборудование. Тем же занимался и наш нынешний партнер. Теперь мы договорились, что каждый будет заниматься своим делом. Они производят сейчас только оборудование, а софт закупают у «Интегра-С». В нашем случае — обратная ситуация.

Справка

«Интегра 4D-Планета Земля» представляет собой геоинформационную систему высокого уровня, которая привязывает данные к географическим координатам и времени. Она применима для работы как с небольшими объектами (например, одиночными зданиями или подвижными средствами), так и с территориально протяженными объектами, такими, как города, регионы, государства. В числе подсистем ГИС — модуль видеонаблюдения и видеоаналитики, система контроля и управления доступом, охранно-пожарная сигнализация, система 112, управление освещением, Глонасс/GPS, периметральная, радиационная и химическая защита и т. д. «Интегра 4D-Планета Земля» работает под управлением операционных систем с открытыми исходными кодами Linux, Astra Linux, РЕД ОС и других.