Немецкая премия будущего за 2003-й года
В минувший четверг, 13-го ноября, в новом здании Технического музея в Берлине прошла торжественная церемония вручения Немецкой премии будущего за 2003-й год. Напомню, что эта почётная награда была учреждена шесть лет назад тогдашним президентом Германии Романом Герцогом (Roman Herzog). Она призвана способствовать развитию немецкой науки и, прежде всего, тех её приоритетных направлений, которые обеспечат Германии ведущие позиции в мире в сфере высоких технологий. Иными словами, при определении проекта-победителя предпочтение отдаётся не фундаментальным исследованиям, а прикладным инновациям, то есть разработкам, в которых научные идеи нашли конкретное техническое воплощение. Помимо почётного диплома, лауреат премии получает и денежное вознаграждение, составляющее 250 тысяч евро.
Как и в предыдущие годы, для участия в финале жюри отобрало четыре проекта. И хотя премии удостоился, естественно, лишь один, я решил представить вам все четыре, потому каждый из проектов-финалистов может с полным правом считаться выдающейся инновацией и достоин самой высокой награды. На это указал, вручая премию победителю, и президент Германии Йоханнес Рау (Johannes Rau):
Сама система отбора кандидатов на Премию будущего предполагает, что в финал выходят четыре проекта, из которых каждый, безусловно, заслуживает этой премии.
Понятно, что рассказать подробно о четырёх крупных проектах в рамках одной передачи невозможно. Поэтому сегодня речь пойдёт о проекте-победителе и об одном из финалистов, а о двух других финалистах мы поговорим в одной из следующих передач.
Проект, удостоенный премии, называется «Легче, светлее, быстрее: жидкие кристаллы для плоских телеэкранов». Он реализован дармштадтской фирмой «Мерк». Что же такое жидкие кристаллы? Впервые они были описаны в 1888-м году австрийским ботаником Фридрихом Райнитцером (Friedrich Reinitzer). Он обнаружил, что некоторые органические соединения имеют как бы две точки плавления: при нагревании эти твёрдые кристаллические вещества переходят в жидкое состояние, образуя сначала мутный, и лишь затем – прозрачный расплав. Причём оказалось, что в этом температурном интервале такие жидкости обладают упорядоченностью молекул и, как следствие, анизотропией, то есть зависимостью от направления, ряда физических свойств, что характерно для твёрдых кристаллов. Однако тогда это открытие не нашло практического применения, и жидкие кристаллы почти сто лет пребывали в забвении. Хартмут Феннен (Hartmut Vennen), сотрудник фирмы «Мерк», говорит:
Жидкие кристаллы – это небольшие молекулы палочкообразной формы, обладающие двумя весьма практичными свойствами: образовывать упорядоченные тонкие слои, то есть самоорганизовываться, и менять ориентацию под воздействием электрического напряжения.
Именно эти свойства и позволили, в конечном счете, использовать жидкие кристаллы для изготовления дисплеев для визуального воспроизведения информации – в наручных часах, микрокалькуляторах, компьютерных мониторах. Долгое время, однако, считалось, что для цветных телевизоров жидкие кристаллы не годятся. Руководитель проекта-победителя Казуаки Таруми (Kazuaki Tarumi) говорит:
У меня как у исследователя очень простой девиз: древняя японская мудрость гласит, что учёному нужны три вещи – «ун», «кон» и «дон». «Ун» – это удача, везение; «кон» – выдержка, терпение. Думаю, эти два свойства не требуют пояснений. А «дон» в буквальном переводе означает глупость. Тут, конечно, не имеется в виду, что учёный должен быть дураком. Однако если он окажется слишком умным и сообразительным, то будет всё время искать что-то ещё более интересное, чем то, чем он занимается в данное время, и может бросить начатое дело, не довести его до конца.
Именно так и поступили 30 лет назад другие компании, активно занимавшиеся жидкими кристаллами. А фирма «Мерк» проявила упорство и, как теперь ясно, дальновидность. Маттиас Бремер (Matthias Bremer), один из участников проекта, поясняет:
На протяжении последних десяти лет мы стали свидетелями стремительного прогресса в области вычислительной техники. Это касается как аппаратных средств, так и используемого нами программного обеспечения, так что многие свойства жидких кристаллов мы теперь можем предсказать, не переступая порог химической лаборатории.
Такой виртуальный конструктор позволяет из отдельных атомов и молекул синтезировать новые соединения, в том числе и никогда не существовавшие ранее, с неизвестными свойствами. Именно так и были получены кристаллы с вертикальным упорядочением (Vertical Alignment) – те самые, что прославили фирму «Мерк». Как и все прочие жидкие кристаллы, они тоже меняют свою пространственную ориентацию под воздействием электрического поля, но делают это иначе, – говорит Маттиас Бремер:
Скажем, у меня есть ячейка с двумя стеклянными пластинами и жидкими кристаллами между ними. Молекулы обычных кристаллов ориентируются горизонтально, в плоскости стекла, а когда я прилагаю напряжение, они поворачиваются и принимают вертикальное положение. Молекулы наших кристаллов всё делают наоборот: в отсутствие поля они упорядочиваются вертикально, а в поле – горизонтально.
Новые кристаллы имеют перед старыми целый ряд преимуществ в том, что касается контрастности, быстродействия и энергопотребления. Хартмут Феннон говорит:
Контрастность – это, в принципе, соотношение между светлым и тёмным. В старых мониторах тёмное состояние достигалось за счёт того, что молекулы жидких кристаллов под воздействием внешнего напряжения поворачивались и переставали пропускать свет. В кристаллах нового поколения, разработанных нами специально для телевизоров, всё происходит наоборот: здесь отсутствие света является исходным состоянием, а приложив внешнее напряжение, мы как бы открываем световой вентиль.
Это позволило повысить контрастность. Хартмут Феннон продолжает:
Если вы станете рассматривать на дисплее своего компьютера движущиеся объекты, то заметите, что за ними тянется как бы шлейф. Это связано с малым быстродействием традиционных жидких кристаллов. У наших новых кристаллов этого недостатка нет.
Успех стал возможен лишь благодаря современной вычислительной технике, – подчёркивает Казуаки Таруми:
Благодаря химическому молекулярному конструктору нам удалось одним выстрелом убить двух зайцев: повысить и контрастность, и быстродействие. Без этих улучшений наша продукция не имела бы никакой перспективы.
В лабораториях фирмы «Мерк» синтезированы уже тысячи различных жидких кристаллов. Некоторые состоят из более чем 20-ти компонентов, причём один может иметь форму порошка, другой – вязкой жидкости, а дозировки порой измеряются миллиграммами. Но главный вопрос, волнующий разработчиков, – что же получилось в конечном счёте? Найдёт ли применение эта смесь? Мелани Клазен-Меммер (Melanie Klasen-Memmer), ещё одна участница проекта, говорит:
Тут порой случаются большие сюрпризы – как в положительном, так и в отрицательном смысле слова. Нередко бывает, что почти все свойства точно отвечают нашим ожиданиям, но какое-то одно нас никак не устраивает, и соединение приходится браковать.
Сегодня на фирме «Мерк» два лабораторных робота помогают синтезировать всё новые и новые варианты кристаллов, ведь у каждого клиента – свои требования к продукции: одному нужно высокое быстродействие, другому – чтобы дисплей выдерживал экстремальные температуры. Маттиас Бремер говорит:
Важную роль играет интуиция, особенно там, где создаётся что-то новое. Конечно, чаще всего комбинируют вещества с определёнными свойствами, примерно зная, что получится. Но бывают и озарения.
В любом, даже самом большом, плоском телевизоре содержится не более 4-х граммов жидкокристаллической смеси. Тем не менее, мировая потребность составляет сегодня 60 тонн, и 50 из них производятся фирмой «Мерк». Из Дармштадта сосуды с драгоценным грузом отправляются в Японию, Южную Корею, Сингапур – там находятся изготовители конечной продукции. Казуаки Таруми не скрывает своего разочарования:
Мы разработали одну ключевую технологию. А все прочие технологии, в том числе и производственные, сконцентрированы, к сожалению, в Азии. Европа в целом и Германия в частности в этой сфере безнадёжно отстали.
Между тем, по мнению экспертов, объёмы производства плоских жидкокристаллических телевизоров вырастут в ближайшие 5 лет в 10 раз: с 3-х миллионов до 30-ти миллионов аппаратов.
А теперь мы расскажем о другом проекте-финалисте, хоть и не получившем Немецкую премию будущего, но вполне её достойном. Речь пойдёт о системе превентивного обеспечения безопасности пассажиров в легковых автомобилях, разработанной штутгартским концерном «ДаймлерКрайслер» и получившей английское название «Preventive Safety», сокращённо «Pre-Safe». Руководитель проекта Родольфо Шёнебург (Rodolfo Schöneburg), возглавляющий в концерне Центр систем безопасности и функций транспортных средств в Зиндельфингене, говорит:
Идея создания системы «Pre-Safe» появилась лет 5 или 6 назад. При этом мы старались копировать природу. Ведь каждое живое существо располагает защитными рефлексами, которыми оно реагирует на внешние угрозы, и что-то в этом роде мы попытались встроить в автомобиль. В создании системы участвовал целый ряд сотрудников самого разного профиля – специалисты в области подвески и ходовой части, электрики и электроники, пассивной и активной безопасности.
Чтобы эффективно предотвращать аварии, система должна уметь их предвидеть, – подчёркивает Родольфо Шёнебург:
Мы вот уже 30 лет изучаем автокатастрофы и знаем, что многим из них предшествуют критические для водителя ситуации. Такие аварии составляют примерно две трети от их общего числа. Критическая ситуация означает либо экстренное торможение, либо когда машину заносит, то есть она выходит из-под контроля, становится неуправляемой.
Это обстоятельство и послужило основой для разработки системы «Pre-Safe», – говорит Шёнебург:
Главное новшество тут состоит в соединении, слиянии активной и пассивной безопасности. Первая призвана не допустить аварию, вторая – уменьшить тяжесть последствий аварии, если она всё же произошла. На практике это означает, что в системе «Pre-Safe» мы используем сенсорику устройств активной безопасности для повышения пассивной безопасности.
Инженер Карл-Хайнц Бауман (Karl-Heinz Baumann) добавляет:
Я давно размышлял над вопросом, нельзя ли найти способ активировать систему безопасности в автомобиле заблаговременно, прежде, чем произойдёт столкновение. Эта мысль меня не оставляла, она приходила ко мне снова и снова, зрела, и я решил, что она, пожалуй, стоит того, чтобы попытаться её реализовать.
Ещё один участник проекта, профессор Томас Брайтлинг (Thomas Breitling), поясняет:
Мы ввели в компьютер параметры, описывающие транспортное средство в процессе движение, то есть положение осей, колёс, рулевого управления, а также состояние противоблокировачного устройства тормозной системы и системы стабилизации ходовой части, и это позволило нам смоделировать реальное поведение машины в самых разных ситуациях и дорожных условиях. На основе этих расчётов были определены те критические параметры, при которых должна срабатывать система «Pre-Safe».
Порой эта система распознаёт опасность даже раньше, чем её осознаёт водитель. Родольфо Шёнебург говорит:
Интересно в системе «Pre-Safe» то, что мы используем сенсоры, которые и так имеются в автомобиле. Скажем, в каждом «Мерседесе» есть система оптимизации торможения ABS и система стабилизации ходовой части ESP. И сигналы этих датчиков мы используем для выявления критической ситуации. Как только такая ситуация возникает, включается устройство реверсивного натяжения ремней безопасности. Одновременно закрывается люк в крыше, если он был открыт, кресло пассажира, сидящего рядом с водителем, автоматически переводится в наиболее безопасное положение.
Мы хотим максимально сблизить эти положения – наиболее удобное и наиболее безопасное. Конечно, анализ аварий показывает, что реализовать оптимальное положения не всегда возможно – ведь мы используем лишь те электромоторы, которые и без того имеются в машине. Но в большинстве случаев нам всё же удаётся улучшить ситуацию.
Разработчики позаботились и о том, чтобы внезапная активация системы «Pre-Safe» не пугала водителя. А ремень безопасности, автоматически затянутый в критический момент, должен так же автоматически расслабиться, если всё закончилось благополучно. Родольфо Шёнебург поясняет:
Самым большие препятствия нам пришлось преодолеть при разработке устройства реверсивного, то есть обратимого, натяжения ремня. Устройство состоит из бесщёточного электромотора, зубчатого приводного ремня и электронной панели с микропроцессором, который на основе заданного алгоритма просчитывает вероятность аварии и в критической ситуации затягивает ремень.
Большое достоинство «Pre-Safe» состоит ещё и в том, что эта система, в отличие, скажем, от подушек безопасности, – многоразового действия, то есть может быть активирована сколь угодно часто. И она чрезвычайно эффективна. Статистика свидетельствует о том, что в двух случаях из трёх система успевает сработать. Родольфо Шёнебург говорит:
Начиная с осени прошлого года, система «Pre-Safe» является элементом базовой комплектации «Мерседесов» S-класса. Это означает, что сегодня по дорогам ездят 75 тысяч машин, оборудованных этой системой. И мы знаем, что система работает. Конечно, мы планируем в будущем оснастить ею и другие модели, но когда это произойдёт, я пока сказать не могу.
Профессор Бауман добавляет:
Создать тренд в технике вы можете лишь в том случае, если у вашей идеи найдутся последователи. Так вот, все отраслевые конференции и семинары свидетельствуют о том, что системы превентивного обеспечения безопасности водителя и пассажиров в автомобиле вызывают у наших коллег-конкурентов большой интерес и признаны ими в качестве одного из главных направлений развития автомобильной техники.
Тем временем конструкторы «ДаймлерКрайслер» работают над системой «Pre-Safe» следующего поколения. В критической ситуации она будет автоматически поднимать стёкла в дверях и выдвигать в салоне специальные амортизаторы, что позволит более дифференцированно защищать от травм водителя и пассажиров в зависимости от их массы и комплекции. Но и это ещё не всё, – говорит Родольфо Шёнебург:
Сегодня мы реагируем на состояние транспортного средства. Следующий шаг будет заключаться в том, чтобы учитывать окружающую обстановку. Для этого нам понадобятся совсем другие сенсоры. Наш концерн уже давно экспериментирует с автомобилем, который ориентировался бы на улице самостоятельно, с помощью видеокамер. В таком автомобиле и система превентивного обеспечения безопасности будет располагать гораздо более широкими возможностями.
Вот и всё на сегодня. О двух других проектах, вышедших в финал конкурса на Немецкую премию будущего, мы расскажем в одной из ближайших передач.