Введение

Окружающий нас мир изменяется с космической скоростью. За одно поколение происходит переход человеческой цивилизации из одного технологического уклада в следующий. Мое поколение, родившихся в 30-ые годы 20-ого века и доживающие в первой декаде 21-ого века, наблюдали и испытали на себе 4-ый технологический уклад (тяжелая индустрия, появление космической техники и технологий, ядерного оружия и «мирного атома»). Страны лидеры с развитой демократией и рыночной конкурентной экономикой переходят к 6-ому технологическому укладу, научно-технологическим ядром которого является кластер, включающий в себя нано-, био-, информационные и когнитивные (NBIC) технологии [1].

Герман Евсеевич Кричевский
Д.т.н., проф. ГОУ ВПО «Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности»
Нанотехнологии, биотехнологии, отделка текстильных материалов
г. Москва ул. Ленинский проспект д.137 кор.1 кв.32
тел./факс 8 (495) 438–1350
gek20003@gmail.com

Обращаем ваше внимание на анонс новой монографии Г.Е. Кричевского: «Нано-био-химические технологии в проиводстве нового поколения волокон ,текстиля и одежды». Ознакомиться с материалом можно здесь

РФ растеряв все достижения 4-ого технологического уклада, пропустила 5-ый технологический уклад и вынуждена, если мы хотим сохраниться в динамически развивающемся глобальном мире, как самостоятельная, значимая, великая держава, включиться в общий процесс вхождения в 6-ой технологический уклад. Это задача может быть решена только единением усилий политической, экономической, культурной элиты и большей части общества. Эта сверхзадача, мегапроект и не ясно справимся ли мы с его реализацией, поскольку средства и методы, использованные для индустриализации большевиками не будут приняты нашим обществом и внешним миром.

Великими державами сегодня являются и становятся не как во все предыдущие периоды истории, вплоть до 2-ой мировой войны, путем силового завоевания (Древняя Греция, Рим, Испания, Великобритания, Австро-Венгрия, СССР) территорий, а за счет научно-технического прогресса (США, Япония, Германия, Англия). Попытка продолжить линию агрессии и не учета смены парадигмы развития цивилизации во время и после 2-ой мировой войны кончились катастрофой для 3-его Рейха и для СССР. Нужно нам, россиянам, от самого верха и до самого низа, как это не мучительно трудно сменить свое имперское мировоззрение, понять, что и нефть и газ не вечны, оружие массового уничтожения, доставшееся нам от предыдущей политической системы устареет, если не развивать современные науки и не реиндустриализовывать экономику, что наука и производство развивается успешно при мировой кооперации с самыми передовыми в этом отношении странами. Что если государство не будет финансировать и общество обязательно контролировать науку и образование, то мы не только не станем великой страной, но и не удержимся в ряду стран с неразвитой экономикой.

Даже фокусирование (финансирование, всяческая поддержка) на NBIC- технологиях не обеспечит выхода и входа в 6-ой технологический уклад, т.к. для этих технологий, как и всяких других, необходимо иметь развитые перерабатывающие отрасли (химическая, машиностроительная, приборостроительная, легкая, фармацевтическая, микробиологическая и др.) промышленности, где все эти технологии найдут применение. В противном случае все успешные, конкурентоспособные NBIC технологии утекут за рубеж, как наши природные богатства (нефть, газ, металл, древесина, пушнина и др.). Такой путь совсем отвергать не стоит, но опыт мировой экономики показывает, что новые технологии и продукция на их основе с высокой добавленной стоимостью выгоднее иметь в своей стране, чем вывозить природное и «интеллектуальное» сырье. В таблице 1 показана смена и содержание технологических укладов индустриального периода. [1]

Таблица 1. Смена и содержание технологических укладов индустриального периода.

Смена вектора развития мирового производства текстиля и одежды

Развитие мирового производства текстиля также подчиняется необходимости перехода к 6-ому технологическому укладу. Волокна, текстиль существенно расширяют области применение за счет традиционных технологий (механические: прядение, ткачество, плетение, вязание, химические (куда же без них!)) в сочетании с NBIC технологиями. [1,2] Развитые страны, перемещая производство в развивающие страны (Китай, Индия, Пакистан, Турция и др.), развивают у себя производство технического и «умного» текстиля с высокой добавленной стоимостью (технического, медицинского, спортивного, косметического текстиля (и волокон)). В настоящее время производство технического текстиля в мире достигло ~35% с годовым ростом ~ 10–12%, а медицинского текстиля, который условно относят к техническому, составляет до 25% с годовым ростом до 15%.

Далее приведены основные показатели мировой экономики производства текстиля в 21-ом веке, с учетом технического текстиля нанопродукции и медтекстиля. [1]

Мировая экономика производства текстиля и одежды

• 2010 г. ~ 200 млрд. DS суммарно.
• Технический текстиль ~ 35% ~ 60 млрд.DS.
• Защитный текстиль ~ 4,5 млрд.DS. Рост ~ 5% в год.
• Армейский текстиль – секрет, экспертная оценка ~ 1,5 млрд.DS (США, Франция, Германия, Южная Корея, Китай, Индия, конечно РФ).
• Нанотекстиль (суммарно) ~ 3,5 млрд.DS.
• Российская федерация. Надежной статистики нет, в мировых источниках такая информация отсутствует. Рынок РФ обеспечивается отечественной текстильной и легкой промышленностью на ~ 30%. Остальное импорт!

Технологии двойного назначения – движитель научно-технического прогресса во все времена. Боевой комплект одежды солдата 21 века

В культовом кинофильме «9 дней одного года» физики и лирики спорят именно об этом, о том, что успехи в области военной техники находят применение в мирной жизни. Хороша или плоха эта зависимость, но она очевидна, ее подтверждает вся история цивилизации. Такие великие открытия, как огонь, колесо, луки, стрелы, порох, ядерная энергия, космическая техника, радиоэлектроника, биохимии, а сегодня и все NBIC технологии работают на войну, оборону и на множество абсолютно мирных областей (медицина, спорт, отдых, мода и т.д.), в том числе на производство нового поколения волокон, текстиля, одежды и других изделий на их основе.

Не использовать возможность двойного назначения всех прорывных технологий – это лишать себя возможности их коммерциализации и компенсации затрат общества на их военную составляющую. Продукция на основе новых технологий всегда дает высокую добавочную стоимость, в нее вкладывать инвестиции и развивать выгодно! Не понимают это только очень недалекие руководители. На примере создание боевого комплекта одежды солдата 21-ого века покажем возможности NBIC технологий в оборонных и мирных целях, где это очень наглядно и близко нам – текстильщикам.

В последние несколько десятилетий сменилась парадигма, стратегия ведения военных и антитеррористических действия: достижение цели не любой ценой, а при минимальных людских потерях своих солдат и мирного населения с обеих сторон. Циничное мировоззрение отечественных генералов, выраженная великим советским военным начальником маршалом Георгием Жуковым: «Русские бабы еще нарожают» – не применимо никогда, а в новом более гуманном мире тем более. В свете сказанного выше в боевом комплекте одежды современного солдата огнестрельное оружие и армейская одежда становятся паритетными по своей значимости. Ниже приведены основные положения смены концепции ведения боевых и антитеррористических действий в 21-ом веке.

• Защита и обеспечение жизнедеятельности бойца не менее важны, чем его вооружение.
• Максимальное сохранение человеческого капитала, а по возможности переход на боевую робототехнику, управляемую дистантно (например, самолет – беспилотник).
• Максимально облегченный (~ 20 кг) боевой комплект армейской многофункциональной одежды, выполняющей одновременно защитные, коммуникативные, сенсорные, лечебные свойства, усиливающие мышечную и интеллектуальную силу бойца.
• Человек (боец) – обмундирование – оружие = единый гибкий адаптивный комплекс.
• Эти вещи могут быть достигнуты только за счет сочетания традиционных и NBIC технологий.

Требования, предъявляемые к боевому комплекту одежды современному солдата армий США, НАТО, России [3] сводятся к следующим:

1. Комфортность:
   • Легкость, мягкость, простота использования;
   • Климат-контроль» пододежного пространства;
2. Многофункциональность:
   • а) Защита от:
     • переохлаждения;
     • перегрева;
     • бактериологической атаки;
     • антибаллистика (пули, осколки, взрывные волны);
     • химической атаки;
     • радиации (рентген, α-, γ-излучение);
     • маскировка (дневное, ночное время);
     • супергидрофобность (водоотталкивание);
     • огнезащита;
   • б) Коммуникативность – связь со штабом, соседом, полевым госпиталем. Вместо рации на несколько килограмм – «рация – пуговица» (несколько грамм) на воротнике.
   • в) Сенсорность: мониторинг, предупреждение и реакция внешние опасности.
   • г) Лечебные свойства, первая помощь: введение лекарств трансдермально, быстрое наложение гипса, лангетки. Датчики: температура, давление, пульс, воздействие ударной волны.
   • д) Автономная энергетика – генерация, сохранение и использование энергии.
   • е) Ориентация на местности: GPS, ГЛОНАС, ночное освещение, диоды, квантовые точки.
   • з) Долговечность и легкость обеззараживания.
   • и) Экономика: цена, легкость ремонта и ухода, возможность хранения ~ 10 лет.

Как можно видеть этот джентльменский набор мультифункциональности даже по каждой отдельной составляющей достичь не просто. Придание одновременно всех перечисленных свойств является еще более сложной, но теоретически возможной, что доказывает опыт в создании подобной армейской одежды таких стран, как США, Англия, Франция, Южная Корея. К счастью в зависимости от рода войск и характера выполняемых боевых действий набор требований может варьироваться в сторону снижения их количества. Но основные из них будут оставаться обязательными.

Посмотрим какие научно-технологические задачи решаются и должны быть решены для достижения перечисленных выше требований и придания боевому комплекту одежды многофункциональности. Как можно видеть из дальнейшего изложения задачи эти очень разные, требующие для их решения знаний в фундаментальных естественнонаучных областях (физика, химия, механическая технология, математика, биология), так и в специалистов в области прикладных наук (микро- и наноэлектроника, бионика, материаловедение, медицина, текстильная химия, механической технологии производства текстиля (прядение, ткачество, вязание, плетение); физика и химия полимеров, технология производства волокон и пленок и др. Совершенно очевидно, что для реализации таких проектов, как междисциплинарных и межотраслевых, понадобится слаженная работа единой команды из специалистов всех выше перечисленных областей знаний и практик.

Ниже кратко обозначены научно-технологические проблемы, необходимые для создания боевого комплекта одежды солдата 21-ого века.

Легкость: нановолокна и нанопленки из нового поколения волокно- и пленкообразующих полимеров.

Климат-контроль пододежного пространства. 3D конструкция ткани, дышащая (нано-, микропоры) и водоотталкивающая одежда.

Многофункциональность. Защита от переохлаждения, перегрева – покрытия из полимеров с «памятью формы» и обратимыми фазовыми переходами.

Защита от бактериологической атаки: новое поколение наноразмерных бактерицидов.

Антибаллистика: 3D объемный текстиль из специальных синтетических волокон (арамидные) и генномодифицированного паучьего шелка (бронежилет, каска, маска, экзоскелет).

Супергидрофобность: создание на поверхности волокон наношероховатой поверхности на основе гидрофобных полимеров (фторированные этилены) – эффект «Лотоса».

Химическая атака. Введение в покрытие текстиля молекулярных «ловушек» (циклодекстрины, дендримеры) отравляющих веществ.

Радиация. Самая сложная задача, которую трудно обеспечить без существенного утяжеления комплекта одежды. Частичная защита от радиационной пыли и слабого рентгеновского α и γ – излучения.

Огнезащита: Использование огнестойких волокон (ароматические полиамиды) и антипирены в наноформе.

Маскировка. Дневное время. Идеальное решение – «дельфийский плащ» на основе метаматериалов с «отрицательной» оптикой. Физики всего мира работают. Фото- и электрохромные красители обратимо изменяющие окраску под действием освещения или слабого электрического тока. Добиваются очень высокой степени маскировки.

Ночное время. По отношению к приборам ночного видения. ИК-приборы: подбор рисунок и цвет окраски. УФ-радары: работают над проблемой от радарного обнаружения!

Коммуникативность. Инкорпорирование в текстиль (одежду) нано- и микроэлектроники, квантовые точки, гибкий дисплей, процессор, антенны, GPS, ГЛОНАС и другие микро- и наногаджеты (рис.1).

Рисунок 1. Пример схемы коммуникативной одежды.

Сенсорность одежды. Чувствительные полимерные материалы к химии, радиации, бактериям; передают сигнал актуаторам для реагирования и защиты.

Датчики основных параметров организма, пульс, давление, температура и др.

Лечебные свойства: Одежда как первая медицинская помощь. Создание из текстиля депопрепаратов. Своеобразная трансдермальная капельница. Текстиль – как «емкость» для лекарства. Полимеры с обратимыми фазовыми переходами, мгновенно образующие гипсовую повязку на месте повреждения, как импульс на механическую деформацию (пули, осколки) .

Автономная энергетика. Солнечные панели на фотоактивных веществах (кремний, фотохромные красители), пъезоэлектричество (ходьба, другие движения).

Ориентация на местности. GPS, ГЛОНАС, спутниковая связь. Наноэлектроника (антенны, приемники, гибкие дисплеи, интеркорпорированные в ткань, одежду).

Усиление мышечной силы (скорость движений, суперпрыжки, подъем больших грузов), экзоскелет, минидвигатели (рис.2). Биомиметика – ботинки для гор наподобие ящерицы геккон (ботинки для гор).

Рисунок 2. Экзоскелет, усиливающий мышечную силу в несколько раз.

Следует подчеркнуть, что как было уже сказано ранее, NBIC – технологии должны сочетаться с традиционными технологиями производства текстиля и одежды: производство природных и химических волокон (традиционный и нановолокна), прядение, ткачество, вязание, химическая технология отделки. Эти традиционные технологии хорошо известны и описаны в отличии от NBIC-технологий, получивших развитие в последние 15–20 лет. В таблице 2 показаны примеры использования NBIC-технологий для создания многофункциональной современной одежды боевого комплекта солдата.

Таблица 2 Примеры NBIC-технологи в создании боевого комплекта одежды солдата 21-ого века.

Как можно видеть из примеров, представленных в табл. 2 одни и те же свойства одежды достигаются чаще всего ни одной, а сочетанием NBIC-технологий. В этом проявляется синергизм свойственный этим технологиям и междисциплинарность каждой из них.

Попробуем проследить это взаимное влияние NBIC-технологий на примере одного свойства – легкости боевого комплекта одежды (определено Пентагоном в границах 18–20 кг к 2020 году):

• только с помощью нанотехнологий можно получить легкие, прочные, с заданными свойствами нановолокна. Например, с помощью технологии электропрядения. Это типичная технология по схеме «сверху – вниз» (в электрическом поле происходит расщепление струи волокнообразующего полимера, выходящего из сопла на наноструйки будущих нановолокон);
• если взять в качестве волокнообразующего полимера генномодифицированный и произведенный по образу и подобию «паучьего шелка белок, то получим не только тонкое и легкое, но сверхпрочное волокно. Эта технология имитации паучьего шелка – бионика или биотехнология;
• если из этих волокон произвести текстиль, обладающий лечебными свойствами, то необходимо использовать знания биологии, механизма заживления ран, последние достижения в области эффективных антимикробных нанопрепаратов;
• обмундирование произведенное из легких, прочных волокон, обладающих лечебными свойствами (первая медицинская помощь) должна быть удобной, комфортной, эргономной, что достигается использованием знаний когнитивных наук о законах зрительных, осязательных, эмоциональных ощущениях человека;
• коммуникативность такой одежды достигается в основном за счет наноразмерных сенсоров, миниатюрных антенн, передатчиков, приемников других видов гаджетов, органически встроенных в структуру волокон, нитей, ткани, одежды. А это уже микро-, наноэлектроника и IT-технологии.

Это только один пример синергизма, число которых множество при создании одежды солдат настоящего и будущего.

Как было сказано ранее, все достижения в военной и оборонительной технике успешно с некоторыми доработками всегда переходят в цивильные области. Это касается и боевого комплекта одежды. Если посмотреть на те свойства, которые надо придать армейскому обмундированию, то они без исключения необходимы и для изделий из текстиля, используемых в других областях.

В таблице 3 приведены примеры результатов использования NBIC-технологий в армейском обмундировании в мирных областях (медицина, спорт, обустройство современного дома, техника).

Таблица 3 NBIC-технологии двойного назначения в цивильных областях.

С каждым годом расширяется использование NBIC-технологий для создания одежды сотрудников силовых структур, профессий, связанных с нештатными ситуациями и для цивильных областей.

В таблице 4 дана экспертная оценка состояния в мире и РФ применения классических и NBIC-технологий для достижения свойств, необходимых для армейской и цивильной одежды.

Таблица 4 Состояние (в мире и РФ) классических и NBIC-технологий, используемых для придания армейской и цивильной одежде многофункциональных свойств (функция).

• +++ – сильно продвинутые технологии;
• ++ – начало продвижения технологии;
• + – на стадии разработки технологии;
• — – отсутствие.

Возможные варианты выполнения проекта «боевой комплект одежда современного солдата РФ»

Мы в решении такой задачи не одиноки, над ней работают серьезные научно-технологические и инженерные школы во многих развитых (США, Франция, германия, Япония, Южная Корея) и развивающихся (Китай, Индия) странах.

Поскольку самые большие успехи в этом направлении имеют США, то рассмотрим, как на государственном уровне решаются там эти проблемы, так как в области NBIC-технологий США является безусловным, признанным лидером (более половины всех патентов, компаний разработчиков и производителей, наивысшие инвестиции, самый большой объем произведенной продукции, наиболее полное наполнение боевого комплекта одежды NBIC-технологиями и апробация его в различных горячих точках мира).

Ниже будут приведены две организационные схемы научно-технологических проектов создания одежды солдата 21-ого века США, в основе которых лежат требования к комплекту и научно-технологические (инженерные) достижения этих требования (см. табл. 5).

Обе схемы предусматривают обязательное руководство, финансирование и контроль за проектом Пентагона, при активном инвестиционном участии бизнеса всех уровней и современной и развитой промышленности США (один из мировых лидеров в производстве волокон, текстиля, одежды, технического текстиля). Как можно видеть различия в этих двух схемах ( рис. 3,4) (специально для конкуренции) состоит в том, что в первой схеме концентрация всех научно-технологических разработок происходит в специализированном научно-технологическом центре (в наших терминах – специализированный НИИ, по комплексной, междисциплинарной и межотраслевой проблеме (рис.3)).

Этот институт ISN (Institute solder nanotechnology – институт солдатских нанотехнологий) организован вливанием в структуру одного из самых продвинутых в мире Университетов в области науки и техники МТИ (Массачусетский технологический институт, MIT). В ISN работает команда очень компетентных высочайшей квалификации специалистов (физиков, химиков, медиков, биологов, математиков, биохимиков, материаловедов, текстильщиков всех направлений). Команда немногочисленная (~ 40 человек), которая берет не числом, а «умением». Институт ISN может с помощью руководства МТИ привлекать к работе любого сотрудника МТИ, со всех факультетов, кафедр и других научных институтов МТИ (обучается 40 тысяч студентов и аспирантов).

Финансирование идет из Пентагона (50 млн.DS на 5 лет – не космические цифры, если сравнивать с отечественными мегапроектами «Сколково», РОСНАНО и др.). Примерно такую же сумму на проект дает бизнес. В результате Пентагон получает технологию и заказанную продукцию (покупает по контракту у промышленности), а бизнес, промышленность получает технологии для производства инновационной продукции в различных цивильных областях со значительной добавленной стоимостью (коммерциализация). От реализации такой схемы выигрывают все:

• государство решает проблему национальной безопасности;
• бизнес и промышленность  – прибыль и дальнейшее развитие;
• научное и инженерное сообщество получает финансовую поддержку для выполнения сложных прикладных задач, требующих сочетание фундаментальных исследований и инженерно-технологических решений;
• высшее образование получает мощный импульс в подготовке специалистов новых направлений, подготовка которых требует новых и, прежде всего, междисциплинарных подходов;
• гражданин США, как налогоплательщик, получает уверенность в эффективных затратах (прозрачность отчетов на конгрессе) на этот проект и возможность приобретать на отечественном рынке отечественную инновационную продукцию;
• гражданин США, как потенциальный военнослужащий или сотрудник профессий, связанных с высокой степенью риска, получает новый уровень защиты во внештатной ситуации;
• экономика США в целом получает конкурентоспособное преимущество в реализации новой инновационной армейской и цивильной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

На схеме рисунка 3 показана вышеописанная схема функционирования института ISN.

Рисунок 3

Вторая схема (рис.4) организации проекта с той же целевой функцией, что и в первой схеме, отличается тем, что в решении проблемы государственной важности вовлечены 8-мь очень сильных по научно-технологическому уровню университетов, а проектом руководит научно-технический совет, в который входят представители всех 8-ми университетов. Схема варианта 2 организации работы показана на рисунке 4.

Рисунок 4

Приведенные схемы 1 и 2 успешно реализуемые в США интересны не только сами по себе, но и как информация к размышлению. По отчету Пентагона в результате внедренных технологий в производство боевого комплекта одежды солдат США в 2009–2010 гг. при прочих равных условиях потери боевого состава армии США снизилась на 15%.

В РФ по заказу Минобороны и силами ВПК проводятся систематические научные и опытно-конструкторские работы по совершенствованию боевого комплекта одежды солдата армии РФ.

Однако системное отставание отечественной науки в NBIC-технологиях, исчезновение многих отраслевых НИИ, слабое финансирование фундаментальных и прикладных работ на государственном уровне, а главное резкая деиндустрилизация перерабатывающей промышленности (машиностроение, приборостроение, химическая, фармацевтическая, текстильная и легкая и другие отрасли) существенно затрудняют конкуренцию в данном проекте, как и во многих других государственно важных проектах. В то же время работа над этим междисциплинарном, межотраслевым проектом, его роль локомотива, фермента, катализатора, импульса, двигателя для развития многих отечественных перерабатывающих отраслей, для развития фундаментальных и прикладных наук, а коммерциализация этих технологий дало бы существенную добавку в бюджет РФ.

На рисунке 5 предложен проект схемы организации комплекса (института, центра) для решения данного проекта в РФ.

Представленная схема учитывает как мировой опыт, так и особенности отечественной отраслевой, ВУЗовской и академической наук, состояние отечественной экономики и промышленности перерабатывающих отраслей.

Рисунок 5

Проект этот межотраслевой и междисциплинарный и поэтому ни в одном ВУЗе нет специалистов для формирования полной команды, поэтому следует за основу схемы принять два главных звена, без которых не удастся эффективно реализовать проект:

• головной институт по данной проблеме в структуре ВПК (ЦНИИ ТОЧМАШ – Ростехнология), имеющий большой опыт в решении задач по разработке боевого комплекта одежды российской солдата;
• создание на базе одного из ведущих национальных исследовательских Университетов (например МИФИ) научно-технологического инженерного центра «Армейское обмундирование солдата РФ 21-ого века».

Такой центр можно было бы организовать в структуре МИФИ, имеющего хороший задел по многим направлениям NBIC. Центр может привлекать лучших специалистов из других ВУЗов, академических и отраслевых НИИ по принципу формирования временных творческих коллективов.

К работе этого центра могут быть привлечены студенты, аспиранты, преподаватели факультетов и кафедр МИФИ и других ВУЗов.

Заказчиком и инвестором по данному проекту должно быть Минобороны, а формулировать технические задания для выполнения различных частей проекта и в комплексе должен головной отраслевой институт ЦНИИ ТОЧМАШ, который будет производить интеграцию, сборку всех частей проекта в единое целое – боевой комплект солдата РФ 21-ого века.

Литература:

1. Кричевский Г.Е. Химические, био- и нанотехнологии в производстве нового поколения волокон, многофункционального текстиля и одежды 21 века (монография). 2011. В печати.
2. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. 3 т., М., МГУ, 2001 г., 298 стр.
3. Military textiles. Edited by E Wilusz, US Army Natick Soldier Center, USA. Woodhead Publishing Series in Textiles No. 73, May 2008, 384 pages.
4. Сайт ЦНИИТОЧМАШ http://www.tsniitochmash.ru/