Немецкая премия будущего 2005
В минувшую пятницу, 11-го ноября, в Берлинском конгресс-центре состоялась торжественная церемония присуждения Немецкой премии будущего за 2005-й год. Эта почётная награда была учреждена восемь лет назад тогдашним президентом Германии Романом Герцогом (Roman Herzog). Она призвана способствовать развитию немецкой науки и, прежде всего, тех её приоритетных направлений, которые могут обеспечить Германии ведущие в мире позиции в сфере высоких технологий. Справедливости ради следует, пожалуй, заметить, что многие эксперты в последнее время всё более критически оценивают работу жюри премии. Но к этой теме мы вернёмся ближе к концу разговора, а сейчас давайте поговорим о тех проектах, что вышли в финал конкурса.
Как и в прошлые годы, их четыре. И хотя премии удостоился, естественно, лишь один, я представлю вам все четыре проекта-финалиста, потому что каждый из них может считаться выдающейся инновацией, достойной самой высокой награды. Но поскольку рассказать о четырёх крупных проектах в рамках одной передачи нереально, сегодня речь пойдёт о проекте-победителе и об одном из финалистов, а об остальных двух мы расскажем через неделю, в следующем выпуске радиожурнала «Наука и техника».
Начнём, конечно, с победителя. Решение жюри огласил, как того требует статус премии, президент Германии Хорст Кёлер (Horst Köhler):
Немецкой премией будущего за 2005-й год награждаются инженер Фридрих Бёккинг, доктор Клаус Эггер и профессор доктор Ханс Майкснер...
Удостоенный премии проект носит название «Форсунки с пьезоэлектрическим управлением: новая техника впрыскивания для экологичных и экономичных дизельных и бензиновых двигателей». Давайте вспомним: ещё совсем недавно любой прохожий мог с первого взгляда отличить дизельный автомобиль от бензинового: дизельный исторгал из выхлопной трубы густые клубы смрадного дыма. Теперь же ситуация изменилась: оказалось, что и дизельный двигатель может быть вполне экологичным. Неслучайно доля машин с дизельными двигателями в общем числе производимых сегодня автомобилей неуклонно увеличивается и уже приближается к 50-ти процентам. Растущая популярность дизельных машин объясняется, с одной стороны, более низкими ценами на дизельное топливо, а с другой стороны – значительным прогрессом в качестве и эксплуатационных характеристиках самих моторов. Но несмотря на это – а, может быть, именно поэтому, – дальнейшее совершенствование дизельных двигателей, то есть, прежде всего, снижение расхода горючего и уменьшение содержания сажи в выхлопных газах, становятся одной из приоритетных задач моторостроителей. Достигаются эти цели, в первую очередь, благодаря специальным фильтрам, собирающим мелкодисперсные частицы сажи, и за счёт улучшенной системы впрыскивания горючего. Но если в области фильтров мировыми лидерами считаются японские и французские инженеры, то по части прецизионных инжекторов и форсунок «впереди планеты всей» специалисты двух немецких фирм – «Robert Bosch GmbH» в Штутгарте и «Siemens VDO Automotive» в Регенсбурге. Вообще-то эти фирмы – конкуренты, однако так уж получилось, что новую систему впрыскивания топлива они разработали хоть и независимо друг от друга, но одновременно. Поэтому и на соискание премии будущего была выдвинута, так сказать, сборная команда двух соперничающих фирм – ситуация совершенно уникальная.
Так что же нового привнесли лауреаты в конструкцию автомобильных моторов? Как известно, система впрыскивания горючего является одним из важнейших компонентов дизельного двигателя. Эта система состоит из топливного насоса высокого давления и клапанной форсунки. Практически все эксплуатационные характеристики двигателя, будь то КПД, экономичность, экологичность или уровень шума, напрямую зависят от эффективности сгорания топлива, а она, в свою очередь, определяется такими параметрами, как давление, под которым топливо подаётся в камеру сгорания, объём впрыскиваемой порции, степень распыления, момент впрыскивания и т.д. И хотя в дизельных двигателях могут быть использованы системы впрыскивания разных конструкций, практически все клапанные форсунки до недавнего времени были с электромагнитным управлением. Именно этот элемент и усовершенствовали инженеры компаний «Bosch» и «Siemens», разработав форсунку с пьезоэлектрическим управлением. Профессор Ханс Майкснер (Hans Meixner) из фирмы «Siemens» напоминает:
Название «пьезо» происходит из греческого языка и означает «давлю». Если вы надавите на такой пьезоматериал, приложите к нему механическое усилие, то он поляризуется, образует на противолежащих гранях электрические заряды противоположного знака.
Собственно, это явление – оно именуется прямым пьезоэлектрическим эффектом – было впервые исследовано ещё Пьером Кюри в 1880-м году. В наши дни этот эффект находит применение во многих технических изделиях – таких, например, как струйные принтеры или газовые зажигалки. Но лауреаты Премии будущего использовали в своих форсунках так называемый обратный пьезоэлектрический эффект: воздействуя на пьезоматериал электрическим полем, они вызывают его механическую деформацию. В качестве такого материала инженеры обеих фирм используют специальную керамику с примесью окислов циркония и свинца, что позволяет ей выдерживать типичные для дизельного двигателя механические и термические нагрузки. Одно из преимуществ пьезоэлектрического управления состоит в его быстродействии: время реакции на сигнал составляет всего лишь 0,00006 секунды. Правда, сама по себе деформация одной такой керамической пластинки чрезвычайно мала – около 0,0001 миллиметра. Поэтому приходится каждый управляющий элемент компоновать из нескольких сотен керамических слоёв.
С другой стороны, эти пьезоэлектрические материалы развивают огромное усилие, за эти доли секунды они могут поднять слона, –
говорит профессор Майкснер. Конкретно такой управляющий элемент развивает усилие в 3 тысячи ньютонов, что и позволяет использовать пьезокерамические форсунки для оптимизации всего процесса работы двигателя. Профессор Ханс Майкснер называет такое управление «taylor made», то есть «скроенным по мерке»:
«Taylor made» означает, например, возможность так регулировать сгорание топлива, чтобы свести к минимуму содержание вредных веществ в выхлопных газах. Особенно в дизельных двигателях можно радикально снизить количество мелкодисперсной сажи. Для этого уже после процесса сгорания в раскалённые выхлопные газы впрыскивается ещё небольшая порция топлива, и почти все ранее уцелевшие частицы сажи при таких высоких температурах догорают.
Внешне форсунка с пьезоэлектрическим управлением напоминает толстую шариковую ручку. Внутри расположен сам пьезоэлемент – он имеет форму цилиндра длиной 4 сантиметра. Подчиняясь управляющему электрическому сигналу, пьезоэлемент укорачивается или удлиняется на 0,04 миллиметра. Поскольку этого всё равно не хватало, конструкторы увеличили ход клапана посредством специального гидравлического устройства. На конце форсунки, словно остриё баллончика в шариковой ручке, ходит взад-вперёд дозирующая игла, открывающая и закрывающая отверстие, через которое и производится впрыскивание топлива. Вроде бы всё просто. Но только работа двигателя требует нескольких сотен впрыскиваний в секунду, и форсунка должна надёжно работать на протяжении не менее чем 20-ти лет в экстремальных условиях высоких температур и давлений до 2-х тысяч бар, обеспечивать низкий уровень шума и при этом обходиться дёшево в производстве. Неудивительно, что разработка такой форсунки заняла в общей сложности свыше 20-ти лет. Новый продукт появился на рынке в 2000-м году. Профессор Майкснер говорит:
Исследователи всегда верят в то, что их разработки, существующие пока только в виде чертежей, уже завтра будут реализованы на практике. Но на самом деле всё происходит в своё время. Когда мы начинали наши изыскания, время для этой конструкции ещё не пришло. Тогда и цены на нефтепродукты были гораздо ниже, и экологическое мышление, идея экономии ресурсов, ещё не получили широкого распространения.
Многолетние усилия увенчались успехом. За счёт того, что пьезокерамическая форсунка в 4-5 раз быстрее обычной, она позволяет производить вместо одного впрыскивания несколько мини-впрыскиваний. В результате такой оптимизации процесса сгорания топлива его расход сократился на 2-3 процента, а эмиссия вредных газов и сажи уменьшилась на 20-30 процентов. Проект обошёлся не дёшево: начиная с середины 90-х годов, обе компании инвестировали в него более 5-ти миллиардов евро. Зато сегодня такие форсунки можно встретить во многих автомобилях разных производителей. Эксперты исходят из того, что в будущем году объём производства достигнет 16-ти миллионов штук. Но и это ещё не всё, – говорит профессор Майкснер:
Теперь эту же технологию мы собираемся перенести и на бензиновые моторы. Они тоже станут тише, экологичнее и экономичнее. Мы твёрдо рассчитываем на 20-процентную экономию бензина.
А на вопрос, когда же бензиновые двигатели с пьезокерамическими форсунками появятся на рынке, другой лауреат – Фридрих Бёккинг (Friedrich Boecking) с фирмы «Robert Bosch» – ответил кратко, но твёрдо:
Cо следующего года.
А теперь мы расскажем о другом проекте-финалисте, хоть и не получившем Немецкую премию будущего, но также вполне её достойном. Он называется «Видеть глазами: акустическая фотокамера» Разработали этот необычный прибор сотрудники Общества поддержки прикладной информатики в Берлине Герд Хайнц (Gerd Heinz), Дирк Дёблер (Dirk Döbler) и Свен Тильгнер (Swen Tilgner). Проект появился на свет совершенно случайно. Его инициатор – Герд Хайнц, по профессии нейроинформатик, – искал тогда лишь способ наглядно продемонстрировать предложенную им модель распространения сигналов в головном мозге – модель, к которой нейрофизиологи отнеслись скептически:
И тогда я сказал себе: ты должен придумать какое-то простое прикладное применение твоей модели, которое смогло бы показать, как функционирует нервная система. Тут нужно было что-то из области техники, и я подумал: а что если попробовать создать на этой основе акустические фотографии. И это получилось...
Герд Хайнц поначалу и сам отнёсся к своей работе не слишком серьёзно:
Это не был смелый шаг исследователя, это была забава, прикол, хохма. А потом вдруг обнаружилось, что мы были первыми, кому эта идея пришла в голову. Мы стали изучать этот вопрос, и выяснилось, что никто ни про какие акустические фотографии не слыхивал. Была акустическая голография, было ещё что-то в этом же роде, но это всё касалось близких расстояний, а дистанционно никто до нас этого не делал.
Так в чём же суть инновации? Собственно говоря, речь идёт о визуализации акустических сигналов. Камера – это сооружение, представляющее собой нечто вроде большой, диаметром около 2-х метров, эмблемы «Мерседеса». В центре окружности размещена цифровая видеокамера, которая фиксирует оптическое изображение объекта, а на наружном обруче и на трёх радиальных лучах внутри него установлены 32 высокочувствительных микрофона, которые регистрируют звуковые сигналы. Специально созданное программное обеспечение производит соответствующие расчёты, после чего совмещает обе картинки – оптическую и акустическую. Амплитуда сигнала, то есть сила звука, находит отражение в соответствующих цветах спектра: громкие звуки получаются на акустическом снимке красными, средние – зелёными, тихие – синими. Частота сигнала, то есть высота тона, отражаются в насыщенности красок.
Путь от первых опытов до нынешнего аппарата был долгим. Разработчики с самого начала же попытались заинтересовать своим детищем промышленность. Это получилось не сразу, но зато потом, когда первая система нашла своего покупателя, стало ясно, что овчинка стоит выделки. Сотрудничество быстро окупилось не только для разработчиков, но и для промышленности. Например, для автомобилестроительной: акустическая камера позволяет анализировать и оптимизировать работу узлов и агрегатов с точки зрения производимого ими шума. Если раньше конструкторам приходилось действовать методом проб и ошибок, поочерёдно отключая и снова включая один компонент за другим, то теперь они могут получить нужную им информацию за несколько секунд. И на станциях автотехобслуживания эта камера может выполнять функцию диагностического прибора. Да и почему только автомобили? Технология акустической фотографии сослужит добрую службу разработчикам любых бытовых приборов – от электродрели до газонокосилка, от пылесоса до стиральной машины. Используя такую камеру, они смогут снизить уровень производимого их изделиями шума – или хотя бы изменить его частотный спектр, чтобы он меньше резал слух.
Одно из главных достоинств камеры – высокая скорость акустического анализа. Между тем, поначалу, 10 лет назад, это было как раз её самое слабое место, – говорит Дирк Дёблер:
Дело в том, что, во-первых, быстрее стали компьютеры – раз в 30 с тех пор, как мы начали работу с акустической камерой. Однако самое главное – то, что мы усовершенствовали алгоритм, заложенный в компьютерную программу, и это ускорило её в 300 раз. Благодаря этим двум факторам быстродействие камеры выросло практически в 9 000 раз. Если раньше на получение одной акустической картинки мы тратили целый уик-энд, то теперь на это уходит несколько секунд. Разница весьма существенная!
К важным достоинствам камеры относится и наглядность результатов анализа, – подчёркивает Дирк Дёблер:
Данные могут быть распечатаны, и такая цветная картинка говорит любому гораздо больше чем бесконечные столбцы цифр. У нас есть такое выражение – «представить результаты в доступной шефу форме». Шефы ведь управленцы, а не акустики, а тут сразу видно: вот красное пятно, здесь источник звука, и этим агрегатом должен заниматься тот-то и тот-то. То есть наша камера даже упрощает распределение сфер ответственности.
На сегодняшний день разработчики уже продали потребителям в самых разных странах мира 46 своих систем. Это серьёзный успех, особенно если иметь в виду, что Общество поддержки прикладной информатики вообще-то бизнесом не занимается. В перспективных планах разработчиков – создание акустической видеокамеры и системы трёхмерной визуализации акустических сигналов.
Вот и всё на сегодня. Как я уже сказал, двум другим проектам, также вышедшим в финал конкурса на Немецкую премию будущего, мы посвятим одну из наших ближайших передач.