Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II отмечает свой 250-летний юбилей. Сегодня первое высшее техническое учебное заведение России представляет собой не только кузницу кадров для компаний минерально-сырьевого сектора, но и один из крупнейших в стране научных кластеров. В его составе работают 8 крупных структурных подразделений, занимающихся, как прикладными, так и фундаментальными исследованиями в самых разных направлениях - от сокращения антропогенного воздействия на окружающую среду до получения уникальной высокомаржинальной продукции конечного потребления.
Всего же на территории вуза действуют 42 лаборатории, которые располагаются на общей площади 30 тысяч квадратных метров. Их приборно-лабораторный фонд насчитывает свыше 3,5 тысяч единиц оборудования. Причём, 22 из них стоят более двадцати миллионов рублей каждая, а 360 считаются особо ценными, поскольку позволяют вести изыскания мирового уровня.
Впрочем, инвестиции в инфраструктуру – важная, но далеко не самая главная составляющая успеха. По мнению ректора Владимира Литвиненко, «уровень текущего состояния и перспективы развития университета определяет научная среда». А для её формирования требуются не только финансовые средства, но также наличие эффективных долгосрочных стратегий, нацеленных на создание оптимальных условий для труда и обучения.
«Только правильно мотивирующая среда доверия может обеспечить интеграцию научной, научно-технической и образовательной деятельности учёных, преподавателей, студентов и аспирантов в научных центрах, оснащённых лабораторным оборудованием мирового уровня. Именно она позволяет получить в результате экспериментов новые знания и создать условия для их дальнейшего внедрения в промышленности. Это весьма сложная и труднореализуемая задача, которая требует колоссальных усилий всего коллектива, и имеет гораздо большее влияние на результат, чем даже денежные средства. Её решение крайне важно и для преемственности поколений в науке. Ведь будущие учёные и инженеры получают возможность самостоятельно выполнять эксперименты и видят затем плоды своего усердия. Полученные в таких условиях навыки научного исследования, интерпретации данных и написания на их основе уникальных научных статей позволяют нашим выпускникам использовать в дальнейшем приобретённый опыт для умножения знаний и повышения качества своей производственной деятельности», - подчеркнул Владимир Литвиненко.
Важнейшими элементами научной среды, вне всяких сомнений, являются и богатые традиции вуза. Поэтому перед тем, как выяснить, какие перспективные исследования ведутся сегодня в университете, «Форпост» составил рейтинг лучших технологий, созданных учёными или выпускниками Горного за два с половиной века его истории и оказавших существенное влияние на инновационное развитие России. Правда, ценность многих научных достижений столь велика, что ранжировать их мы решили не по значимости, а по хронологии.
1807 год
Пожалуй, первым, по-настоящему, крупным вкладом специалистов вуза в решение государственных задач, стало создание самого современного на тот момент в России оружейного завода в Ижевске. Его проект подготовил выпускник, а впоследствии и директор Горного кадетского корпуса Андрей Дерябин. Он же возглавил и саму стройку, а точнее – коренную модернизацию градообразующей железоделательной фабрики.
Уже к началу войны с Наполеоном предприятие сумело поставить русской армии около 10 тысяч солдатских гладкоствольных кремнёвых ружей, которые заряжались с дула. Оно также производило дробовики, штуцеры, карабины, мушкеты и пистолеты. С годами завод стал одним из важнейших звеньев оборонной промышленности СССР и России, подарив стране винтовку Мосина и автомат Калашникова.
1861 год
Изобретение выпускника Горного университета Павла Обухова позволило провести реформу металлургической отрасли страны и перевооружить российскую армию, что было крайне актуально после Крымской войны. Поражение в ней наглядно продемонстрировало наше техническое отставание от ведущих западных держав - Великобритании и Франции, которые к тому времени уже совершили промышленную революцию.
Одной из наиболее острых проблем было низкое качество артиллерийских орудий, что подтвердила оборона Севастополя и ряд других сражений. Трендом того времени было увеличение калибра, а вместе с ним и огневой мощи пушек. Это повышало их роль в подавлении живой силы противника, но и заметно снижало долговечность изделий. Продлить срок службы стволов можно было за счёт улучшения качества стали, что англичанам удалось сделать уже к середине ХIХ века.
Метод её выплавки, предложенный Павлом Обуховым ещё в пятидесятые, позволил России наверстать геополитических противников и даже превзойти их. Испытания орудий, созданных по новой технологии, завершились в 1861 году полным триумфом - ни одна иностранная пушка не сумела сделать на полигоне более двух тысяч выстрелов, а обуховская превзошла этот результат вдвое.
Для того, чтобы поставить производство инновации «на поток», под Петербургом был построен завод, названный впоследствии именем выпускника Горного университета.
1878 год
В своём 300-страничном исследовании «Нефтяное производство, составленное по новейшим данным», профессор Санкт-Петербургского горного института Конон Лисенко недвусмысленно указал на существенное отставание российских нефтяников от своих американских коллег. И предложил ряд инноваций, которые затем были успешно внедрены на отечественных НПЗ. Эти технологии позволили заметно увеличить процент извлечения из чёрного золота полезного компонента при производстве керосина.
На тот момент это было очень актуально, поскольку керосиновые лампы становились всё более и более популярными среди населения в связи с их очевидными преимуществами по сравнению с масляными. Следствием этого стал нефтяной бум и острая потребность в модернизации профильной промышленности. Конон Лисенко не только адаптировал западную технологию углублённой переработки к составу и свойствам каспийской нефти, которая имела свои особенности, но и создал в девяностые годы новое поколение эффективных керосиновых ламп.
На фото: основатели Русского химическое общества. В верхнем ряду третий справа Конон Лисенко, второй справа Дмитрий Менделеев
1882 год
По инициативе руководства петербургского вуза в России создан Геологический комитет, в задачу которого вошло систематическое изучение недр Российской империи и поиск месторождений полезных ископаемых. Само собой, этим направлением деятельности рудознатцы занимались и ранее. Берг-коллегия, которая систематически организовывала экспедиции для поиска новых залежей, как известно, появилась ещё при Петре. Однако необходимость в очередной раз наверстывать европейские страны, которые вырвались вперёд, внедрив технологии, рождённые второй промышленной революцией, вынудила власти интенсифицировать эту работу.
Один из самых недооценённых по своему вкладу в развитие России императоров - Александр III после своей коронации провозгласил, что минерально-сырьевой комплекс является «наиважнейшей частью экономического развития государства нашего», и начал внедрять этот постулат в жизнь. В том числе в столь важной сфере, как восполнение ресурсной базы, необходимой для ускоренного строительства железных дорог, современных металлургических и нефтеперерабатывающих предприятий.
Главным идеологом создания Геологического комитета и его первым директором был Григорий Гельмерсен, ректор Санкт-Петербургского горного университета. В состав новой организации также преимущественно вошли именно представители старейшего технического вуза России.
1888 год
Профессор Санкт-Петербургского горного института Николай Славянов впервые в мире применил на практике дуговую сварку металлическим электродом под слоем флюса, защищавшим расплавленный шов от атмосферных загрязнений. В присутствии государственной комиссии он сварил коленчатый вал паровой машины на одном их пермских заводов.
Изобретение электрической дуговой сварки позволило повысить прочность шва и, как следствие, эффективность ремонтов масштабных узлов и механизмов: коленвалов, паровых цилиндров, зубчатых колёс и т.д. На Всемирной электротехнической выставке 1893 года Николай Славянов был удостоен медали с формулировкой «За произведённую техническую революцию».
1920-е
Исследования профессора петербургского вуза Александра Скочинского в области борьбы с выбросами метана в выработках и рудничными пожарами, а также внедрение разработанных им методов снижения запылённости шахт позволили резко сократить количество жертв среди горняков.
Учёный, в частности, установил зависимость метанообильности рудников от их локации и разработал статистический метод прогноза газонасыщенности пород. Долгие годы он применялся горными инженерами во всем мире: благодаря возможности предсказать, сколько газа выделится в процессе работы в забое, удавалось избегать множества ошибок при проектировании, строительстве и эксплуатации шахт.
1929 год
Итогом геологической экспедиции под руководством Павла Преображенского стало открытие Волго-Уральской нефтегазоносной провинции. Эксплуатация её залежей в годы Великой Отечественной войны позволила удовлетворить возросшую потребность государства в горючем. А в послевоенные годы она и вовсе вышла на первое место в СССР по количеству добытых баррелей, превзойдя Бакинскую. Например, в 1965 году там было произведено более 71% отечественной нефти.
В связи с освоением месторождений Западной Сибири доля «Второго Баку» постепенно стала снижаться. Сейчас степень выработанности запасов там около 65%. Тем не менее, в Татарстане, Башкортостане, Самарской, Оренбургской областях и Пермском крае, по-прежнему, можно увидеть многочисленные станки-качалки, поднимающие из недр один из наиболее ценных природных ресурсов, которым располагает Россия. Ежегодно оттуда поступает на рынок порядка 90 млн тонн чёрного золота.
1941 год
Профессор Ленинградского горного института Александр Кузнецов вместе с группой соавторов предложил военным новое взрывчатое вещество «Синал» (Si N Al), созданное на основе алюминиево-кремниевой смеси и разработанное изначально для работ на карьерах. В качестве активной добавки в нём использовалась кембрийская глина, которой на окраинах города было предостаточно. В условиях дефицита боеприпасов эта инновация стала настоящим научным прорывом и позволила обеспечить Ленинградский фронт гранатами и взрывчаткой.
1980-е
Во второй половине 70-х годов стало очевидно, что существовавшая в СССР технология производства алюминия не позволяет получать металл высшей пробы, востребованный аэрокосмической промышленностью, самолётостроением и рядом других отраслей. Научный прорыв на этом направлении, совершённый профессором кафедры металлургии Ленинградского горного института Виктором Сизяковым, не только вывел качество продукции алюминиевых заводов на уровень, не имеющий аналогов во всём мире, но и позволил увеличить рентабельность профильных предприятий.
Учёный предложил внедрить в производство технологию полного обескремнивания нефелинов, из которых получали глинозём для производства алюминия. Это стало возможным благодаря синтезу нового класса сверхактивных ионообменников – гидрокарбоалюминатов кальция в среде сильных электролитов. Виктор Сизяков и по сей день работает в университете – продолжает трудиться над совершенствованием материалов и сплавов, а также передаёт свой уникальный опыт молодёжи.
2012 год
Специалисты Санкт-Петербургского горного университета впервые вскрыли подледниковое озеро Восток в Антарктиде, которое лежит под ледяным панцирем Шестого континента на глубине 3769 метров, и взяли уникальные пробы реликтовой воды (эта экосистема миллионы лет была изолирована от внешнего мира). Мировая научная общественность признала достижение российских учёных уникальным и сопоставимым по своему уровню с первым полётом человека в космос.
В 2015-м представители Горного университета, а также Института Арктики и Антарктики были удостоены премии Правительства РФ в области науки и техники «за разработку теоретических основ экологически чистых технологий и технических средств бурения, а также их реализацию в условиях ледников Антарктиды». К этому моменту им удалось уже дважды проникнуть в озеро, доказать цикличность изменения климата Земли и проследить, благодаря собранным данным, четыре ледниковых и межледниковых периода.
День сегодняшний
Сейчас работа на Белом материке продолжается. Ежегодно учёные Горного университета командируются в Антарктиду с целью бурения скважин и испытания в полевых условиях новых профильных технологий, которые, как и 50 лет назад, по-прежнему создают именно специалисты петербургского вуза. Одна из задач – получение кернов льда с различных глубин для их дальнейшего изучения в лабораториях ААНИИ. Дело в том, что в связи с постоянными отрицательными температурами осадки, выпадающие на Востоке, не тают, а год за годом накапливаются, уплотняются в фирн, а затем превращаются в лёд, который постепенно растекается от центра материка к его краям.
Тот, что лежит на поверхности, - современный, а чем он ниже, тем старше. В минувшем сезоне, например, специалисты Горного университета подняли керн с глубины 3514 метров. Его возраст - около миллиона лет, а значит, исследования газового и изотопного состава этого цилиндра позволят узнать, какие события происходили в атмосфере Земли в то время и к каким последствиям они привели, а также помогут уточнить прогноз климатических изменений на будущее.
С каждым годом научно-исследовательская деятельность учёных вуза становится всё более и более обширной, а в роли её заказчиков выступает всё больше и больше отечественных компаний. В 2021 году в Санкт-Петербургском горном университете с целью разделить научный и образовательный процессы, но сохранить при этом возможность для привлечения к изысканиям талантливой молодёжи, было создано пять новых научных центров. Это решение было принято для того, чтобы самые ценные приборы оказались в руках ведущих учёных, которые занимаются наиболее важными направлениями исследований, привлекая к ним представителей профильных кафедр, аспирантов и студентов.
Игольчатый кокс
Во многом, благодаря такой конъюнктуре, сотрудники Санкт-Петербургского горного университета уже получили в этом году несколько опытных партий игольчатого кокса, который в нашей стране пока не производится. Более того, исключительное качество этого высокомаржинального продукта, который необходим для производства литий-ионных аккумуляторов, а также графитированных электродов, то есть проводников, использующихся для нагревания и плавки металла в электродуговых печах, было подтверждено сторонними экспертами.
Стоимость игольчатого кокса в десятки раз выше, чем обычного. Но для того чтобы его произвести, нужно самым тщательным образом просчитать все параметры оборудования и определить качественные характеристики исходного сырья – отходов, остающихся после переработки нефти. Любая ошибка в расчётах может сказаться на свойствах конечного товара и, как следствие, на его цене. Для того чтобы избежать подобного развития событий, необходимо провести огромное число экспериментов, связанных с разделением тяжёлых фракций и анализом полученного результата.
Актуальность этой работы заключается в том, что СССР в 70-80-е годы строил новые нефтеперерабатывающие заводы на территориях, которые теперь входят в составы других государств - Украины, Беларуси, Литвы, Туркменистана и Казахстана. В итоге после развала Советского Союза, России достались 26 морально и физически устаревших производств, 8 из которых были запущены ещё до начала Великой Отечественной, пять - сразу после неё, а девять – в пятидесятые годы. Единственным исключением стал Ачинский НПЗ, введённый в эксплуатацию в 1982 году. В связи с этим средняя глубина переработки нефти в нашей стране в девяностых годах прошлого века не превышала 65%. И сейчас, несмотря на то, что этот показатель достиг 84%, он всё равно крайне мал.
То есть учёным необходимо искать решения, каким образом можно повысить эту цифру, ведь мазут, гудрон и прочие отходы переработки нефти становятся всё менее востребованными на рынке. Одно из решений – как раз таки изготовление игольчатого кокса, производство которого, благодаря циклу экспериментов, проведённых в лабораториях Горного университета, теперь вполне реально локализовать в России.
Повышение продуктивности сибирских месторождений газа
Новые блокирующие составы или сшиватели, созданные в лабораториях научного центра «Арктика» первого технического вуза России, уже прошли в нынешнем году опытно-промышленные испытания на Ковыктинском газоконденсатном месторождении. Их внедрение в производство позволит избежать проблем при бурении скважин, которые возникают там в связи с неконтролируемым притоком рапы. Солёные подземные воды нарушают циркуляцию буровых растворов, что приводит к их поглощению пластом, а это в свою очередь провоцирует дополнительные простои оборудования и снижение рентабельности добычи.
Учитывая, что Ковыктинское месторождение, наряду с Чаяндинским, является ресурсной базой для поставок российского голубого топлива в Китай, это серьёзная проблема. Ведь на повестке дня стоит проект строительства трубопровода «Сила Сибири-2», который в связи с отказом европейцев от сотрудничества с Россией в энергетической сфере, может стать существенным источником прибыли для «Газпрома» - одного из крупнейших налогоплательщиков в нашей стране. Но, прежде чем браться за реализацию этой идеи, необходимо создать условия для повышения дебета скважин. В противном случае претворить её в жизнь будет чрезвычайно трудно.
Собственно, именно эту задачу и решали учёные Горного университета. Испытания разработанных ими блокирующих составов на одной из скважин Ковыктинского газоконденсатного месторождения показали «стабилизацию циркуляции, без значительного проявления рапы». Лабораторные эксперименты, в процессе которых были подобраны оптимальные компоненты сшивателя для данного конкретного месторождения, продолжались в течение полугода.
Ликвидация Коркинского разреза
В числе наиважнейших задач, уже реализованных вузом, - научный аудит проекта ликвидации Коркинского разреза, где добыча угля велась, начиная с 1934 года. Его длина – 3 километра, ширина – 2,5 километра, а глубина – около пятисот метров. Работы там давно уже не идут, но, несмотря на это, объект и после их завершения являлся источником негативного воздействия на окружающую среду и здоровье местных жителей. Там периодически происходили локальные эндогенные пожары, вызванные самовозгоранием породы, а также обрушались борта, что угрожало зданиям, расположенным неподалёку.
Сегодня откосы стали устойчивыми. Причём, во время работ по их укреплению, геомеханики Горного университета постоянно выезжали на место и лично контролировали процесс. Участвовали в проекте и экологи, которые вели мониторинг качества воздуха в Коркино и сделали вывод, что оно заметно повысилось.
Полная рекультивация территории займёт несколько десятков лет. Это время потребуется для того, чтобы заполнить Коркинский разрез уплотнённым, обезвоженным закладочным материалом, подготовленным на основе хвостов обогащения Томинского ГОКа. Его верхний горизонт будет засыпан грунтом и засажен деревьями. В конечном итоге вместо опасного для природы и населения объекта там должна появиться парковая зона с озером.
Само собой, эти три проекта – лишь малая толика той работы, которая идёт сегодня в лабораториях вуза. Более того, впереди, как следует из заявлений его руководства, решение ещё более масштабных задач. Ведь на заседании Оргкомитета по подготовке и проведению празднования юбилея Санкт-Петербургского горного университета, которое прошло ещё в августе под председательством Валентины Матвиенко, был сделан акцент не на торжествах, а на дальнейшем развитии первого высшего технического учебного заведения России. Оно включает, в том числе, бурение двух сверхглубоких скважин до 8 тысяч метров для термодинамического исследования генезиса углеводородов и поиска глубинной нефти. Кроме того, вуз продолжит вести исследования в области водородной энергетики, повышения безопасности труда шахтёров, в том числе за счёт автоматизации производств, получения новых материалов и сплавов, обладающих уникальными свойствами, увеличения нефтеотдачи пластов, снижения техногенной нагрузки на природу и много другого.
Водородная энергетика
Одним из наиболее актуальных направлений исследований во всём мире сегодня является водородная энергетика. Учёные Санкт-Петербургского горного университета также занимаются этой сферой деятельности, причём их достижения признаны научным сообществом многих стран мира. Если говорить об эффективном получении из самого лёгкого в природе газа электрической энергии, то специалисты вуза пришли к однозначному выводу: на современном этапе развития цивилизации это возможно только электрохимическим методом, при помощи так называемых водородных топливных элементов. По сути, они представляют собой батарейку.
Построить автомобиль или автобус, который работает на водороде (Н2), с технологической точки зрения, само собой, возможно, и это неоднократно доказывали самые разные компании, представлявшие широкой общественности опытные образцы такого транспорта. Проблема в том, что экономически они нерентабельны, причём никаких прорывов, которые позволили бы изменить ситуацию, не предвидится. То есть использоваться все эти прототипы ещё долгое время будут исключительно в презентационных целях.
А вот исследования в сфере получения, транспортировки, хранения и сгорания водорода в цикле электромагнитной индукции, а это основной способ получения электроэнергии и тепла на ТЭЦ, показали эфемерность перспектив его использования вместо природного газа. Дело в том, что существующие системы генерации рассчитаны на температуру горения от 1500 до 2500° C. У водорода она значительно превышает этот уровень. То есть человечеству, для внедрения в жизнь технологий, основанных на использовании первого номера таблицы Менделеева в качестве глобального энергоресурса, необходимо, как минимум, с нуля построить всю необходимую для этого инфраструктуру.
Это колоссальные затраты. Однако прежде, чем их совершить, если по каким-то причинам такое вложение средств будет признано целесообразным, необходимо провести огромное число экспериментов в области материаловедения и других смежных областях науки. Ведь водород – это газ, способный проникать в кристаллическую решётку практически любой стали. И для того, чтобы обеспечить его безопасное производство, транспортировку, хранение и использование необходимы сверхпрочные сплавы. Само собой, гораздо более дорогие, чем те, которые используются сегодня. Есть и ещё одна проблема: образование в процессе сжигания водорода оксида азота NO2. Это ядовитый газ с удушающим воздействием.
Резюмируя всё вышесказанное можно отметить, что с учётом физических законов окружающего нас мира, термодинамических и логистических недостатков Н2 потребуются многие десятилетия, а, быть может, и столетия для того, чтобы он потеснил углеводороды и стал неотъемлемой частью глобальной энергетики. В то же время, специалисты первого технического вуза России получили обнадёживающие результаты в области использования профильных технологий в нефтехимии и агрохимии.
Государственное регулирование
Учёные Санкт-Петербургского горного университета традиционно уделяют большое внимание и такому направлению исследований, как вклад минерально-сырьевого сектора в достижение целей устойчивого развития. По мнению представителей вуза, добиться их будет возможно лишь в случае эффективного управления ресурсами со стороны государства. Само собой, как регулятора, а не участника производственного процесса, эта функция должна остаться за частным бизнесом.
Сейчас в разных странах между правительствами и добывающими компаниями используются различные формы гражданско-правовых отношений. Но подавляющее большинство из них не учитывают ни потребности в приросте запасов, ни необходимости создания добавленной стоимости, ни ожиданий местного населения, в том числе в сфере рационального природопользования. Отсутствует и чёткая государственная политика, направленная на создание взаимовыгодных для бизнеса и государства «правил игры» и способствующая более эффективному управлению минерально-сырьевыми ресурсами. В то же время самодостаточной экономика любого государства, в том числе и нашей страны, может быть лишь при профессиональном рыночном регулировании процесса добычи и прироста запасов.
Например, горнорудные или нефтегазовые компании получают сегодня основную прибыль от экспорта сырья, в связи с чем не слишком заинтересованы в строительстве перерабатывающих, в частности, нефтегазохимических предприятий. Как подчеркнул ректор Санкт-Петербургского горного университета Владимир Литвиненко, «подобные проекты хоть и являются высокомаржинальными, но в то же время требуют огромных финансовых вложений, то есть одновременно являются и высокорискованными». Задача правительства - оценить, какие факторы (налоговые вычеты, льготные кредиты или что-то другое) мотивируют инвестора, и создать максимально благоприятный деловой климат.
«Мы должны перейти от разрозненного и зачастую неэффективного управления ресурсами к более интегрированной модели. Но для этого нам необходима прозрачная и дееспособная государственная политика в отношении минерального сырья. Она должна не только определять объём добычи на тех или иных месторождениях, но также декларировать такие показатели, как прирост ресурсной базы; вовлечение полезных ископаемых в глубокую переработку; создание внутри страны полноценных технологических цепочек, нацеленных на производство продукции конечного потребления; число специалистов по тем или иным направлениям подготовки, которые должны выйти из стен университетов, и так далее. Только в этом случае наше природное богатство, которое само по себе инертно, может быть эффективно преобразовано в человеческий, социально-общественный и физический капитал. Усиление государственного регулирования – это наилучший способ обеспечить баланс между спросом и предложением, а значит и устойчивость развития отечественной экономики. В том числе за счёт минимизации техногенного воздействия на природу», - заявил Владимир Литвиненко.
Он также отметил, что все выполняемые эксперименты и заявленные планы развития Санкт-Петербургского горного университета направлены на реализацию стратегической задачи, вот уже 250 лет стоящей перед вузом. Она заключается в повышении эффективности работы минерально-сырьевого комплекса, который представляет собой становой хребет отечественной экономики, и, как следствие, качества жизни всех без исключения россиян.
