Немецкая премия будущего (часть 2)
Сегодня мы завершаем рассказ о проектах, выдвинутых на соискание Немецкой премии будущего за 2005-й год. Неделю назад я представил вам два проекта из четырёх, вышедших в финал конкурса, – речь тогда шла об экологичных и экономичных пьезокерамических форсунках для автомобильных двигателей (этот проект и удостоился премии) и об акустической фотокамере как средстве визуализации звука. Теперь же давайте обратимся к оставшимся двум проектам, тем более что каждый из финалистов может считаться выдающейся инновацией, достойной самой высокой награды.
Начнём с проекта, в котором речь также идёт о визуализации, только не звука, а внутренних органов и тканей человека с целью медицинской диагностики. Для этого вот уже более 3-х десятков лет в медицине наиболее широко применяется рентгеновская компьютерная томография, всё чаще заменяющая традиционный, привычный всем рентгеновский снимок. Профессор Дитрих Грёнемайер (Dietrich Grönemeyer), хирург, кардиолог и радиолог, поясняет:
Классическая рентгенография позволяет нам практически видеть только воздух и кости. А рентгеновская компьютерная томография – это технология, позволяющая на экране монитора получать послойное цветное трёхмерное изображение внутренних структур организма пациента, не прибегая к помощи скальпеля или каких-либо иных инвазивных методов. Причём сегодня всё это происходит с поистине умопомрачительной скоростью. И для врача, и для больного это мечта, ставшая явью.
Именно в погоне за скоростью и родился тот проект, который был выдвинут на соискание премии. Его авторы – научные сотрудники фирмы «Siemens Medical Solutions» в Эрлангене. Им удалось разработать рентгеновскую трубку новой конструкции – она получила название «Straton» – и тем самым придать мощный импульс дальнейшему развитию компьютерной томографии. Как известно, основным элементом компьютерного томографа является рентгеновская трубка, которая вместе с детектором быстро вращается вокруг пациента. Получаемые при этом послойные изображения тканей и органов, так называемые срезы, поступают в компьютер, где специальная программа и составляет из них пространственную картинку, которую можно виртуально поворачивать, увеличивать, разглядывать с разных сторон и так далее. Рентгеновское излучение образуется в вакуумной трубке при столкновении с анодом пучка электронов высоких энергий, излучаемых катодом. Проблема, однако, в том, что лишь 1 процент этой энергии трансформируется в рентгеновское излучение, остальное превращается в тепло. Чтобы справиться с избытком тепловой энергии, анод принято выполнять в виде очень массивного вращающегося металлического диска – таким образом, раскалённая зона тотчас уходит из-под пучка электронов. И тем не менее, удержать под контролем температурный режим анодного узла очень трудно: анод разогревается до белого каления. Профессор Вольфганг Кнюпфер (Wolfgang Knüpfer), один из разработчиков новой трубки, поясняет:
В обычной рентгеновской трубке температура на анодном диске может достигать 2-х тысяч градусов Цельсия. Это вынуждает медиков делать в процессе диагностических исследований перерывы, чтобы дать аноду хотя бы немного остыть. И эти перерывы могут быть довольно долгими, особенно если речь идёт об исследованиях, требующих максимальной мощности излучения. Приходится ждать иногда 8-9 минут. А иначе анод просто расплавился бы.
В трубках традиционной конструкции отвод тепла от вращающегося в вакууме анода происходит за счёт излучения, а это не слишком эффективный процесс. Профессор Кнюпфер и его коллеги доктор Карин Зёльднер (Karin Söldner) и доктор Петер Шардт (Peter Schardt) сделали ставку на принудительный отвод тепла, используя масло в качестве теплоносителя. Карин Зёльднер говорит:
Мы на фирме «Siemens» решили сделать трубку частью вакуумного кожуха. Такая конструкция позволила нам интегрировать непосредственно в анод систему масляного охлаждения, что существенно повысило эффективность этого процесса. В целом это дало нам возможность увеличить мощность трубки, уменьшить её габаритные размеры и массу и повысить скорость её вращения.
Профессор Кнюпфер добавляет:
Тепло, которое как бы излучается кожухом аппарата, тут же отводится потоком циркулирующего масла. Этот процесс – процесс тепловой конвекции – гораздо эффективнее с точки зрения охлаждения, чем лежащий в основе всех прежних рентгеновских трубок процесс теплового излучения. Наша конструкция позволяет отводить тепло примерно в 100 раз быстрее. Конечно, мы провели все необходимые измерения, и оказалось, что температура в масляной ванне не превышает 120-ти, максимум 140-ка градусов Цельсия – и это при мощностях, которые традиционные трубки вообще не выдержали бы.
Разработка уникальной трубки заняла 7 лет. Первые томографы на её основе появились на рынке в ноябре 2003-го года. Сегодня фирма «Siemens Medical Solutions» выпускает две модели – «Sensation 16» и «Sensation 64», – которые позволяют за один оборот снимать соответственно 16 или 64 среза. Модель «Sensation 64» является самым быстрым компьютерным томографом в мире. Столь высокое разрешение впервые позволило получить достаточно детальное изображение бьющегося сердца. И длится такое обследование всего 10 секунд. Доктор Петер Шардт (Peter Schardt) поясняет:
Для пациента обследование с помощью компьютерного томографа на основе трубки «Straton» означает значительный прогресс в том, что касается диагностики дисфункций сердечно-сосудистой системы. Та визуализация, которую обеспечивает наш прибор, позволяет в большинстве случаев обойтись без ангиографического исследования коронарных сосудов с помощью катетера. Мало того, что такая катетерная ангиография, будучи инвазивным методом диагностики, связана с немалым риском, так она ещё и проводиться должна в стационаре. А компьютерная томография – исследование амбулаторное. Кроме того, за счёт более быстрого охлаждения нашей рентгеновской трубки время пребывания пациента в томографе значительно сокращается – особенно, когда речь идёт о таких сложных обследованиях как, скажем, диагностика опухолей печени. Для системы здравоохранения в целом это, в конечном счёте, означает ощутимую экономию финансовых средств.
Немалую роль играет и то обстоятельство, что масса трубки «Straton» составляет всего 30 килограммов, в то время как масса прежних трубок не опускалась ниже 80-ти килограммов. Профессор Кнюпфер говорит:
При компьютерной томографии бьющегося сердца качество визуализации в значительной мере зависит от того, с какой скоростью рентгеновская трубка с детектором вращаются вокруг пациента. Тут необходима очень высокая частота вращения, а это означает огромные центробежные силы. При том, что один оборот в современном томографе занимает всего 330 миллисекунд, трубка испытывает ускорение в 20, а то и 30 ускорений свободного падения. О дальнейшем наращивании скорости со старыми тяжёлыми трубками нечего было и думать, традиционная технология тут была бессильна. А благодаря тому, что наша трубка такая компактная и лёгкая, мы можем реализовать другие технические концепции и за счёт этого на порядок увеличить частоту вращения.
Хотя каждый экземпляр томографа нового образца стоит недёшево – около 1,4 миллиона евро, – фирма «Siemens Medical Solutions» уже продала в клиники разных стран мира почти 500 штук, и заказы продолжают поступать. А то, что трубка «Straton» может развивать мощность до 60-ти киловатт – при том, что мощность традиционных трубок не превышает 10-ти киловатт – делает этот прибор весьма интересным и полезным инструментом и вне медицины – например, в технике в сфере неразрушающего контроля.
А теперь – о последнем проекте. Последнем по порядку, но не по важности. Речь идёт о высокоэффективном противогрибковом средстве защиты растений – препарате «F500», разработанном научными сотрудниками фирмы «BASF» в Людвигсхафене – доктором Хубертом Заутером (Hubert Sauter) и Клаусом Шельбергером (Klaus Schelberger). Хуберт Заутер говорит:
«F500» – это фунгицид очень широкого спектра действия, обладающий высокой эффективностью в борьбе практически со всеми грибковыми заболеваниями растений, встречающимися на всех континентах. В основе этого препарата лежит природная субстанция «стробилурин А». Мы её несколько видоизменили и научились синтезировать искусственно.
Известная с середины 70-х годов субстанция «стробилурин А» была выделена из широко представленных в лесах Центральной Европы грибов рода стробилюрус (Strobilurus). Все они – стробилюрус съедобный (S. esculentus), стробилюрус черенковый (S. tenacellus), стробилюрус шпагатоногий (S. stephanocystis), – растут на сосновых шишках. Сама по себе эта субстанция изначально была высокоэффективным природным фунгицидом, позволяющим стробилюрусу одерживать победы в борьбе с другими грибами за место под солнцем. Однако использовать это вещество в его первозданном виде в сельском хозяйстве оказалось невозможно. И тогда специалисты фирмы «BASF» взялись за эксперименты. Они синтезировали в лаборатории ни много ни мало 18 тысяч различных дериватов «стробилурина А», прежде чем им удалось найти оптимальное решение. В какой-то мере учёные действовали методом проб и ошибок, проявив при этом поразительное терпение. Доктор Заутер признаёт:
Отчасти это, скажем так, было несколько рискованно – взять и заменить в молекуле вещества два атома углерода на атом азота и атом кислорода. Мы подумали, а вдруг – вдруг! – свойства изменятся не очень сильно, но в нужную сторону. Нам повезло: всё так и произошло.
«F500» эффективно справляется с более чем ста различными грибковыми заболеваниями растений. Сегодня он применяется уже в 50-ти странах мира. В Германии фунгицид используется, прежде всего, для защиты от грибов-паразитов посевов злаковых культур и плантаций винограда. Когда два года назад в Бразилии неизвестное ранее грибковое заболевание грозило погубить весь урожай сои, местных фермеров спас от разорения именно фунгицид «F500». Каков же механизм его воздействия на грибы-паразиты? Доктор Хуберт Заутер поясняет:
Эффективность в борьбе с грибковыми заболеваниями объясняется тем, что фунгицид внедряется в митохондрии – органеллы клетки, обеспечивающие гриб энергией, – и блокирует их работу. Это особенно разрушительно действует на гриб в период прорастания спор, поскольку оно является очень энергоёмким процессом. В результате весь мицелий гибнет.
Но у препарата «F500» есть и ещё одно немаловажное достоинство: он повышает урожайность растений за счёт укрепления их жизнестойкости, – добавляет Клаус Шельбергер:
Широкий спектр действия препарата – это первое, что выделяет его среди прочих средств защиты растений. Но столь же большое значение имеет и то, что он оказывает общеукрепляющий эффект на растения.
Хуберт Заутер поясняет:
Это означает, что он действует и на само растение, а не только на грибы-паразиты. Препарат положительно влияет на весь обмен веществ растения, а это не только повышает урожайность, но и приводит к тому, что растение становится менее восприимчивым и к вирусным, и к бактериальным инфекциям, а не только к грибковым.
А теперь я хотел бы вернуться к той теме, которую я затронул в предыдущем выпуске радиожурнала «Наука и техника», только начиная рассказ о проекте-лауреате Немецкой премии будущего и других проектах-финалистах конкурса на её соискание. Дело в том, что многие эксперты в последнее время всё более критически оценивают работу жюри премии, считая, что эта награда перестала выполнять отведённую ей функцию. Напомню, что премию учредил в 1997-м году тогдашний президент Германии Роман Герцог (Roman Herzog). При этом он чётко сформулировал цель начинания: способствовать развитию немецкой науки и, прежде всего, тех её приоритетных направлений, которые могут обеспечить Германии ведущие в мире позиции в сфере высоких технологий, а кроме того, стимулировать создание новых рабочих мест. Иными словами, при определении проекта-победителя предпочтение следует отдавать вовсе не фундаментальным исследованиям, какими бы выдающимися они ни были, а именно прикладным инновациям, тем разработкам, в которых смелые научные идеи уже нашли конкретное техническое воплощение. С одной стороны, нынешние проекты-финалисты вроде бы отвечают этим критериям: все разработки внедрены в практику несколько лет назад и успели получить широкое мировое признание. Но с другой стороны, непонятно, как премия нынешнего года, кому бы из соискателей она ни досталась, может способствовать развитию немецкой науки: все эти фирмы – «Siemens», «Bosch», «BASF» и т.д. – являются крупнейшими международными концернами, вовсе не нуждающимися в такой мелочи, как четверть миллиона евро. Более того, они сами же и выступают в качестве спонсоров Немецкой премии будущего. Так не разумнее ли, не дальновиднее ли было бы, – задаются вопросом многие независимые эксперты, – выдвинуть на соискание премии небольшие, нуждающиеся в поддержке, но перспективные фирмы, не успевшие пока прочно встать на ноги, однако уже заявившие о себе интересными техническими инновациями. Для таких фирм присуждение премии действительно могло бы стать судьбоносным моментом, переломным этапом в их развитии, важным стимулом в работе. Пока же, – язвят некоторые эксперты, – Немецкую премию будущего следовало бы переименовать в Немецкую премию настоящего или даже прошлого: она присуждается за разработки, которые являлись инновациями раньше, а сегодня уже таковыми не являются.
Ну что ж, будем надеяться, что в последующие годы жюри проявит больше смелости и готовности к риску, то есть те самые качества, которыми должны обладать соискатели премии.