Проекты MegaScience – панацея для науки или ящик Пандоры?

Ровно год назад в июле 2011 на совещании в Дубне В.В. Путин заслушал предложение ряда российских научных функционеров о слегка необычном и спорном способе возрождать науку. Речь шла о том, чтобы запустить на территории Российской Федерации масштабные, да что там, мегамасштабные проекты типа нашумевшего андронного коллайдера. Пакет этих проектов так и назывался «Проекты MegaScience». Бюджет предложения составлял 133 миллиарда рублей. Сейчас тема снова набирает актуальность, поскольку часть проектов была в минимальном количестве профинансирована, и что-то по ним уже сделано. Вопрос стоит так – нужно либо бросить эту затею, либо довести ее до конца.

Это вообще что?

Всего проектов было предложено шесть. Их описания в упрощенном изложении можно почитать здесь. Нормальному человеку хоть чуть-чуть понятны, пожалуй, только два – «Игнитор» и «PEARL». Первый – это термоядерный реактор, какие сейчас работают на атомных станциях, только намного-намного круче. А второй – это супермощный лазер. Чтобы было понятно, что в данном случае значит «супер», мощность лазера составит 5 петаватт (10¹⁶ ватт). Для сравнения: промышленные лазеры, которые могут плавить и резать металлические листы имеют мощность порядка единиц киловатт (10³ ватт). Все-таки трудно себе представить, что может делать лазер в триллионы раз мощнее, чем тот, который прорезает куски металла.

Остальные проекты из списка нормальному человеку вообще ничего не говорят, кроме того, что в одном из них будут изучать «очарованные тау-частицы». Но, как только нормальный человек начинает вчитываться, и узнает, что «очарованные (англ. «charm») частицы - D-мезоны - будут получаться при столкновении вещества и антивещества в электрон-позитронном коллайдере», ему становится понятно, что тут тоже все непонятно.

Гмм... забрать у пенсионеров и вложить в «очарованные частицы»?

Проекты изначально подавались в двух аспектах. Во-первых, это поможет нам поднять умирающую отечественную науку из руин и вдохнуть в нее новую жизнь. Во-вторых, это даст нам бесценные знания об устройстве Вселенной. Именно второй пункт и вызвал на упомянутом вначале заседании, а также на всех последующих обсуждениях самую горячую критику. Зачем нам знать, что было в первые секунды после Большого взрыва?! Мы что, рассчитываем, что взрыв повторится и тогда можно будет погреть руки? 133 млрд. рублей – деньги не маленькие, в мире надвигается вторая волна кризиса, нефть вот-вот начнет дешеветь, металлургия уже падает. А еще у правительства социальные обязательства – врачи, учителя, пенсионеры, военные. Наши ученые, что совсем сдвинулись, что предлагают такое?

Разумная логика есть и вполне серьезная даже в получении фундаментальных знаний. Когда Бор, Резерфорд, Эйнштейн и компания разрабатывали теорию строения ядра, это была чистейшая заумь. Но так все повернулось, что всего через 20 лет взорвалась первая боевая атомная бомба, сделанная на основе этих «абстрактных знаний». А следом появился и «мирный атом» - электростанции, ледоколы, подлодки. Нет, подлодки не совсем мирные, но мысль понятна.

Ученых интересует не вообще все об устройстве мироздания, а те области, где работают большие силы и высокие энергии.

Фундаментальные знания на субъядерном уровне могут очень скоро обернуться гигантскими бенефитами. Т.е. мы выходим из области понятий «выброшенные деньги» в область понятий «высокорискованные инвестиции».

Уровень неопределенности пока зашкаливает, но мы доверяем ученым, которые «роют землю», и считают, что «роют» в правильном направлении. Если они отыщут искомое, то мы, как инвесторы получим, как минимум, «прирученную энергию» в гигантских количествах.

Что на счет возрождения науки?

Действительно, немного непонятно, как шесть отдельных локальных экспериментальных комплекса могут способствовать оздоровлению всей науки в России. На самом деле, они будут - и механизмов оздоровления несколько.

Первый и главный – это масштабность. Именно благодаря масштабным и невероятно амбициозным проектам Советский Союз снискал себе славу великой державы. Это в полной мере касается и науки. Работа в крупном, известном в мире научном проекте дает любому ученому огромную прибавку в статусе. А для российских ученых, которые за 20 лет назад перешли из категории «одна из самых престижных и уважаемых профессий» в категорию «нищие чокнутые неудачники», вопрос социального статуса сегодня очень и очень важен. Если проекты будут реализованы, это будет мощнейшим сигналом всему обществу: «Мозги в нашей стране востребованы!»

Еще одно важное следствие масштабности – это возможность формировать сильные и долгоживущие научные школы. Почти все ученые из бывшего СССР, которые успешно реализовали себя за рубежом, в частных беседах и в интервью относят себя к той или иной известной школе – «я считаю себя учеником Капицы», «я работал в научной школе Йоффе», ученики Жореса Алферова, даже возвращаются в Россию с успешными инновационными бизнесами («Оптоган» – производство светодиодов). Научная школа формируется вокруг большой и активно действующей научной инфраструктуры. Если будут работать большие установки, тогда будут появляться молодые генераторы великих идей, часть из которых сможет создать новые традиции уже российской науки.

Наконец, масштабность проекта придает совсем другой смысл и работе международных команд. Например, когда Сколково приглашает одного, двух или даже пятерых иностранных ученых, это задает высокую планку качества для одной, двух или пяти научных команд в России. При реализации любого из проектов MegaScience в работу будут одновременно вовлечены сотни научных коллективов. И даже при небольшой концентрации иностранных специалистов все российские команды очень быстро вынуждены будут подтянуть свои стандарты работы под единые для всех общие требования.

Второй очень значимый фактор оздоровления науки кроется в выстраивании научно-производственной инфраструктуры. Любой из мега-проектов требует огромного количества вспомогательной работы – строительства научных центров, оснащения их оборудованием, в том числе и уникальным. Поскольку все комплексы будут на территории России, большая часть заказов на создание элементов инфраструктуры будет передано российским компаниям. Это в свою очередь потянет за собой всю цепочку – появится долгосрочный (долгосрочный!!!) заказ на новые кадры, появится возможность долгосрочного (!) планирования финансовых поступлений.

А это именно те факторы, которые фатально мешают расти научно-ориентированным производственным предприятиям сегодня. Научно-производственная база, точнее, ее отсутствие – это одно из главных препятствий, мешающих развитию современной прикладной науки в России.

Опять все скрадут!

Традиционно в России деньги всегда и отовсюду «немного теряются». Первое, что приходит в голову помимо красивых слов о высокой науке: «Скрасть решили! А чтобы воровать было проще, надо чтобы проект был большой. Тогда и не так заметно, и украсть можно больше». Сразу вспоминаются сменявшие один другого начальники «олимпийского проекта», дороги в Москве, которые дешевле было бы вымостить золотыми слитками, истории с закупками томографов для больниц. Коррупция у нас везде, и наивно было бы думать, что хоть в каком-то крупном проекте не появится кто-то, кто захочет украсть.

Только в отличие от загадочных НИР (научно-исследовательских работ), которые давно уже прослыли каналом обналичивания бюджетов для некоторых корпораций, проекты MegaScience имеют четкие края начала и конца. Причем конец – это работающая установка. Гигантская, фантастически сложная, но она либо работает, либо не работает.

Поэтому, конечно будут коррекции бюджета (давайте угадаем, в какую сторону... ну, хором?). Не исключено, что будут и сдвиги сроков. Но, если в проекте цель – построить реактор нового типа, то этот реактор должен будет работать и давать энергию. Если строится ускоритель для элементарных частиц, то в назначенный день, со скоростью, предусмотренной проектными нормами, стаи, или стада, или сгустки этих самых элементарных частиц должны будут нестись навстречу мишени или друг другу.

А все-таки, в чем смысл?

Дальше идет очень краткое (заведомо загрубленное и упрощенное) описание возможных бенефитов и смысла с точки зрения собственно науки по каждому из шести проектов MegaScience.

Новый шаг в ядерной науке и ядерной энергетике

1. Реактор термоядерного синтеза в Троицке. Реакции, происходящие с атомными ядрами таят в себе поистине неисчерпаемый запас энергии. Однако, какие именно реакции лучше подходят для использования в энергетических установках – это вопрос, прежде всего, возможностей наших технологий. Например, слияние ядер с превращением более легких элементов в более тяжелые – это весьма привлекательный с энергетической точки зрения процесс. Однако, чтобы начать «собирать» энергию, надо сперва нагреть компоненты смеси до 150 миллионов градусов. Попробуем представить себе, из какого материала должны быть стенки предполагаемого «реактора», чтобы они выдерживали такой нагрев? Сегодня в распоряжении ученых таких материалов нет. Однако есть способы удерживать нагретую плазму (а при таких температурах вещество существует в виде плазмы) с помощью магнитного поля. И эти технологии стремительно совершенствуются. Например, реактор «Игнитор» в Троицке при сопоставимой мощности по проекту должен быть почти в 40 раз меньше (см. рисунок) своего ближайшего аналога, который строится сейчас во Франции (тоже, кстати, с участием России).

На рисунке - сравнительный масштаб токамаков ITER и «Игнитор»

2. Уже упомянутыйлазер PEARL в Нижнем Новгороде может быть еще одним ключом к закрытой пока двери термоядерного синтеза. Его огромная мощность позволяет очень быстро нагреть небольшой объем вещества до тех самых 100-200 млн. градусов, при которых может начаться термоядерная реакция.

На рискунке - лазерная установка 2006 года.

Т.е. это альтернатива токамаку «Игнитор», в котором нагрев плазмы должен происходить с помощью электрического тока. Какой из подходов окажется более перспективным пока сказать сложно – ученым как раз не хватает экспериментальных данных о том, что делает с веществом и с вакуумом лазерное излучение такой высокой мощности.

Два гигантских микроскопа

3. Высокопоточный пучковый исследовательский реактор ПИК в г. Гатчина Ленинградской области – это очень сложная, очень дорогая и гигантская по размерам разновидность хорошо известного прибора – микроскопа. Только в обычном микроскопе в качестве «щупа» используется видимый глазом свет, а в Пучковом Исследовательском Комплексе – поток нейтронов (составных элементов атомного ядра). С помощью такого инструмента можно получать информацию о том, что и как располагается внутри атомных ядер, а также как изменения в ядрах связаны с микро- и макроскопическими свойствами вещества, т.е. теми, которые мы привыкли изучать обычными средствами. Самый простой и понятный прикладной аспект – изучение того, как меняются свойства материалов в условиях сильной радиоактивности. Это, в частности, необходимо для создания новых ядерных установок и научно-обоснованного предсказания сроков службы их конструкционных материалов.

На рисунке - Исследовательский нейтронный реактор ПИК в Гатчине

4. MARS - источник синхротронного излучения четвертого поколения, который планируется создать в Курчатовском институте в Москве. Синхротрон – это гигантское кольцо, в котором разгоняют до огромных скоростей небольшие количества заряженных частиц, например, электронов. Каждый раз, когда разогнанная кучка электронов поворачивает (они ведь должны летать по кольцу!), каждый электрон испускает энергию в виде кванта света. Поскольку электроны летят очень «дружно» и скорость их огромна, то испускаемый при поворотах такого пучка импульс излучения (так называемое «синхротронное излучение» или СИ) обладает уникальными характеристиками. Именно его и используют для исследования – как в обычном микроскопе, только точность, яркость и длинна волны таковы, что можно характеризовать структуру молекул. Особенно ценные достижения с помощью СИ были получены на биологических молекулах. Фактически, СИ – это способ исследовать логику работы биологических машин на самом глубоком молекулярном уровне. Четвертое поколение синхротронов – это лучший набор характеристик из тех, что сегодня есть в мире.

Два коллайдера – на далекую перспективу

5. Электрон-позитронный коллайдер Институте ядерной физики СО РАН в Новосибирске. Это та самая «фабрика очарованных частиц», о которой говорилось в начале. Смысл научной задачи в том, что по всем понятиям нормальной логики в нашей Вселенной должно быть поровну вещества и антивещества. Но вещество мы регистрируем, а антивещество найти не можем. Получается, что с самого начала из Вселенной исчезло больше половины ее материи – куда делось пол-Вселенной? Рабочая гипотеза в том, что некоторые ядерные реакции могут создавать такую ассиметрию материи, и вот частицы для этих реакций («очарованные D-мезоны») планируется получать и исследовать в коллайдере в Новосибирске. Для ответа на тот же вопрос создавался знаменитый Большой адронный коллайдер, только там накапливают и исследуют другие частицы – «прелестные».

Вот как выглядит Коллайдер

6. Ускорительный комплекс коллайдера тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) будет построен на территории Объединенного института ядерных исследований в Дубне на базе действующего ускорителя Нуклотрон. Его главная задача – получать и исследовать свойства так называемой кварк-глюонной плазмы. Обычная плазма - это такое состояние вещества, когда электроны не могут больше удерживаться вокруг ядер за счет сил притяжения их зарядов и существуют в виде смеси или газа. Кварк-глюонная плазма – это когда составные части ядер не могут больше находиться в единой структуре. Такая плазма предположительно возникает при температуре в триллионы градусов и именно в таком состоянии находилось все вещество сразу после Большого взрыва.

Итак... Фундаментальная наука быстро становится прикладной

Здесь полезно будет вспомнить, что еще 60 лет назад обычная плазма считалась чем-то совершенно экзотическим. Однако с тех пор разработано огромное множество абсолютно прикладных технологий с использованием этого состояния вещества – ею наносят покрытия на металлические поверхности для придания им твердости, ею контролируемо «травят» (очищают) слои кремния при производстве микроэлектроники, одним словом, плазма сегодня – неотъемлемая часть технологического арсенала. Синхротронное излучение, среди прочего, используется для производства фотолитографических шаблонов для все той же микроэлектроники. Электронная микроскопия, где образец исследуется с помощью пучка электронов, еще 50 лет назад была весьма экзотическим подходом, а сегодня является одним из главных исследовательских методов для работы на уровне отдельных атомов и молекул. Другими словами, значительную часть фундаментальных наработок удается конвертировать в технологии, причем в достаточно короткое время. Вовсе не исключено, что и экстремальные состояния ядерных частиц в скором будущем найдут свое применение в технологических приложениях.

Используем все готовое

И еще одно важное обстоятельство в пользу проектов MegaScience. Мы будем строить их не на пустом месте. Советский Союз в свое время изрядно оторвался от стран-конкурентов в деле строительства гигантских исследовательских комплексов. Например ПИК в Гатчине был заложен более 30 лет назад. Естественно, сейчас проект принципиально переработан. Технологии в нем – новые, а инфраструктура – уже имеющаяся. И так по каждому из шести проектов: мы берем советские наработки, заменяем и обновляем ту часть инфраструктуры, которая устарела и развалилась, заполняем рабочую часть полностью новой «начинкой» и имеем абсолютно современную установку за половину проектной стоимости. С учетом «потерь» и расширения бюджета получим ту же или даже меньшую цену, которую платят развитые страны за сооружение у себя аналогичных научных объектов.

Объекты MegaScience в России еще не построены, а иностранные научные группы уже соперничают за право войти в состав международных коллективов для работы на них. Как водится, идеи российских ученых самые оригинальные, и в мировой науке это хорошо знают и ценят.

(иллюстрации - с сайта http://www.cnews.ru)