«От атомного проекта — к природоподобным технологиям»
Президент Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук в интервью «Известиям» рассказал об атомном проекте, стратегических приоритетах и новых вызовах, стоящих сегодня перед человечеством.
— Лаборатория № 2 — будущий Курчатовский институт — была основана в 1943 году для создания атомного оружия. Затем здесь развивался мирный атом, а сегодня НИЦ «Курчатовский институт» занимается природоподобными технологиями. Это всё звенья одной цепи?
— Определенно да. Это отражение внутренних закономерностей развития науки, процесса познания человеком окружающего его мира.
За свою историю человечество прошло сложный путь: от пассивного созерцания до активного преобразования природы. По мере развития человечества, усовершенствования технических устройств, вычленения и быстрого развития отдельных научных дисциплин, основанных на экспериментальном подходе, единый массив знаний о мире — натурфилософия — разделился.
Человек начал искусственно разделять на сегменты этот единый массив для его упрощения, понимания, для более подробного изучения явлений, объектов, их анализа.
В итоге такая узкая специализация в науке, с одной стороны, позволила детально изучить и понять многие процессы, но, с другой стороны, привела к утрате целостной картины мира. Созданная человеком узкоспециализированная наука породила, в свою очередь, отраслевые технологии и определила отраслевую организацию промышленности.
Но уже в конце XIX века появились трансграничные дисциплины — биохимия, геохимия, биофизика. Затем возникли области знания, связавшие науки о природе с науками о человеке: кибернетика, бионика, позднее генная инженерия и др. То есть внутренние закономерности развития науки привели к обратному процессу — уже не разделения, а нового слияния наук.
Работа в лаборатории биофизики
— С чего начнется такое «великое объединение»?
— Невозможно сложить все сотни дисциплин сразу. Поэтому сегодня новый мировой тренд научного развития — конвергенция нано-, био-, информационных и когнитивных наук и технологий — НБИК-конвергенция.
Нанотехнологии — это метод направленного конструирования материалов любого вида, в основном неорганических, на атомарном уровне.
Биология, биотехнологии вводят сюда органические компоненты, и сочетание нано- с био- дает возможность получить искусственный биологический, или гибридный, материал — например, полупроводник с детектором из фоточувствительного материала типа белка фотородопсина.
Информационные технологии делают эту систему интеллектуальной — то есть не просто датчиком, который что-то измеряет, но и обрабатывает сигнал, дает на него «ответ». А когнитивные технологии, основанные на изучении сознания, дают нам алгоритм для «одушевления» этих систем. Думаю, что к этой группе наук присоединятся еще какие-то.
Именно такой междисциплинарный подход — основа для развития природоподобных технологий. Это по глобальности задач и влиянию на развитие всего человечества сравнимо с атомным и космическим проектами ХХ века.
— Но ведь в начале атомного проекта вопрос стоял буквально о жизни и смерти: успеет ли наша страна — Курчатов и его коллеги — создать атомную бомбу?
— Здесь речь о правильности выбора тактических и стратегических приоритетов. Перенесемся на минуту в победный май 1945 года. Советский Союз выиграл великую войну. Мы имели самую большую, самую боеспособную и технологически оснащенную армию в мире. Но через несколько месяцев — в августе 1945 года — атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки стали прямой угрозой самому существованию нашей страны. Но мы создали атомную бомбу и средства ее доставки, установив на долгие десятилетия ракетно-ядерный паритет в мире.
В ходе реализации этой программы развился целый ряд отраслей, которые и сегодня определяют нашу конкурентоспособность на мировых рынках. Это атомная энергетика, атомный подводный и ледокольный флоты, ядерная медицина, новое материаловедение, суперкомпьютеры, космические технологии и исследовательские мегаустановки.
Представьте, если бы после войны власть послушалась не Курчатова с небольшой группой ученых, которые продвигали развитие ядерных технологий, а других людей — тоже выдающихся, но ретроградов. Правильный выбор приоритетов определяет зачастую будущее развитие не только отдельных стран, но и всего мира.
Сегодня ситуация точно такая же. Перед человечеством стоит глобальный вопрос: как жить дальше? И вновь, помимо правильных тактических приоритетов, чтобы жить сегодня, нужны стратегические прорывы, которые преодолеют кризис и выведут цивилизацию — и в первую очередь нашу страну — на качественно новый уровень.
— В чем глобальность момента? Ведь человечество переживало в своей истории немало подобных кризисов.
— Я бы назвал современный кризис на просто глобальным, а цивилизационным, связанным с устойчивым развитием мира. Человечество требует огромного количества ресурсов, причем не только энергетических. Речь идет о питьевой воде, еде, биоресурсах, энергоносителях.
Система расширенного воспроизводства и потребления, построенная после Второй мировой войны, была создана для обеспечения «золотого миллиарда». Но глобальное вовлечение в систему современного промышленного производства всё большего количества стран поставило человечество перед проблемой ресурсного коллапса.
Благодаря глобализации машина по истреблению ресурсов обслуживает сегодня уже не «золотой миллиард», а весь мир. Это — глобальный цивилизационный кризис. И факты налицо: весь военный пояс сегодня в странах Ближнего Востока — именно там, где нефть и газ. Поэтому если мы будем продолжать двигаться таким путем, то рано или поздно человечество придет к ресурсному коллапсу. Но придет к нему через череду кровавых войн, которые уже начались.
Военный пояс сегодня в странах Ближнего Востока — именно там, где нефть и газ
— Но любой, даже самый тяжелый кризис, можно преодолеть...
— Если мы сделаем качественный прорыв — перейдем прежде всего на новые принципы генерации и потребления энергии, на порядки более экономичные, основанные на технологиях и образцах живой природы, которые действуют в гармонии с ней, а не в антагонизме, как было последние три сотни лет. По сути, необходимо создать принципиально новый природоподобный технологический уклад, новую техносферу. Президент Владимир Путин, выступая в 2015 году в ООН, сказал, что полное решение проблем, стоящих перед человечеством, заключается в создании уклада, который включит технологии в естественный ресурсооборот природы.
В основе таких природоподобных систем — соединение современных технологий, прежде всего микроэлектроники, с конструкциями, созданными живой природой.
— Можете привести примеры? И какое отношение имеют эти технологии к Институту атомной энергии, как когда-то назывался НИЦ «Курчатовский институт»?
— А здесь мы возвращаемся к вашему первому вопросу про звенья одной цепи. Ядерная реакция — это деление ядра атома, в результате чего выделяется огромное количество энергии. Эти процессы лежат в основе и ядерного взрыва, когда процесс деления неконтролируем, и работы атомной электростанции. Оба этих направления развивались в лаборатории № 2 под руководством Игоря Курчатова в первые десять лет ее существования. Но есть еще ядерная реакция, связанная не с делением, а с синтезом. И одну такую реакцию каждый из нас наблюдает ежедневно — на Солнце, где происходит синтез легких атомов, в результате чего выделяется огромное количество энергии. Вот вам первая природоподобная технология. И ею занимался Курчатовский институт начиная с середины 1950-х годов, создав впервые в мире технологии управляемого термоядерного синтеза. Чтобы воспроизвести солнечные процессы на Земле, необходимо создать плазму с температурой в десятки и сотни миллионов градусов Цельсия. Дальше вопрос: как удержать в стабильном состоянии плазменный шнур с температурой 100 млн градусов Цельсия? Ведь не существует материала, способного выдержать такую температуру: всё испарится мгновенно.
В Курчатовском институте создали тороидальную камеру с магнитными катушками — всем известный токамак. Это пространственный тор, бублик, в котором плазма удерживается магнитным полем. Именно русское слово «токамак» стало основой развития термоядерной энергетики во всем мире. И один из крупнейших международных мегапроектов ИТЭР, отцом-основателем которого был Евгений Павлович Велихов, представляет собой строительство такого огромного токамака — прообраза энергетики будущего.
Е. П. Велихов
Далее. С момента запуска у нас в институте первого в Евразии реактора Ф-1 в 1946 году мы начали изучать влияние радиационного излучения на живые организмы. На сегодняшний день мы можем изучать воздействие излучения и частиц всех видов на живые организмы. Например, определить, как они влияют на стволовые клетки, иммунную систему, структуру белка. Также возможно изучать влияние излучений на органы и когнитивные функции человека, чем раньше у нас в стране никто не занимался. Во всех ядерно-физических институтах, входящих сегодня в состав НИЦ «Курчатовский институт» (ПИЯФ, ИТЭФ и ИФВЭ), исторически сложилась уникальная, мирового уровня «облучательная» база, включающая в себя различные источники излучения частиц. В последние годы мы вывели на новый уровень нашу медико-биологическую исследовательскую инфраструктуру — после включения в состав НИЦ «Курчатовский институт» в 2017 году одного из крупнейших российских биологических центров ГосНИИгенетика.
— Если не ошибаюсь, этот институт вышел когда-то из Курчатовского?
— Верно. Еще в августе 1948 года начался крестовый поход на генетику — я имею в виду печально известную сессию ВАСХНИЛ, где Трофим Лысенко поставил на генетике клеймо буржуазной выдумки, несовместимой с марксизмом-ленинизмом. В этом же ключе в марте 1949 года готовился подобный разгром физики на Всесоюзной конференции физиков, которая не состоялась после обращения Игоря Васильевича Курчатова к руководству страны. Многие уволенные из других институтов после сессии ВАСХНИЛ биологи, генетики нашли убежище в Институте атомной энергии, куда их пригласили работать Игорь Васильевич Курчатов и Анатолий Петрович Александров. Потом уже были созданы радиобиологический отдел и специальная биологическая лаборатория, которую в 1960 году возглавил Сос Исаакович Алиханян. По сути, это тогда была единственная в стране генетическая лаборатория. Здесь проводили исследования мирового уровня. Именно на ее основе почти через десять лет был создан самостоятельный Научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов (ГосНИИгенетика. — «Известия»), который стал основой для создания у нас в стране биотехнологической промышленности, одной из самых крупных в мире. В СССР тогда производили весь набор аминокислот, витаминов, антибиотиков, сырья для лекарств. Таким образом, основы генетических исследований в стране были заложены в Курчатовском институте, а сегодня это направление вернулось в свою альма-матер в лице ГосНИИгенетики.
А вообще говоря, медико-биологические, генетические исследования мы развернули на новом уровне с созданием в 2009 году курчатовского НБИКС-центра, где мы развиваем природоподобные технологии. Первый геном человека в России, восьмой в мире, был расшифрован у нас в 2009 году. Сегодня генетические исследования уже поставлены на поток в ряде российских научных институтов.
— Можно ли считать, что мы первые в мире по данной тематике?
— Сегодня мы перевели эти исследования на новый уровень, выстроив полную исследовательскую цепочку. Сейчас в Курчатовском институте работает целый комплекс: лаборатории стволовых клеток, иммунологии, молекулярной биологии, генетики.
Также сегодня очень важное направление — создание принципиально новых материалов с заданными свойствами, такими как биосовместимость и биоразлагаемость. Они уже применяются, например, в хирургии: импланты, протезы, шовная хирургическая нить. Биоразлагаемую нить не надо после заживления раны вытягивать щипцами: она со временем сама рассасывается и просто исчезает. Или представьте себе полиэтиленовый пакет, который через некоторое время после применения бесследно разлагается под действием солнечного света. Это очень простые примеры, но на них сегодня работает довольно сложная отрасль. Она занимается в том числе созданием полноценных заменителей человеческих тканей и органов — кожи, трахеи, суставов, многого другого. Этим у нас занимается междисциплинарный коллектив медиков, биологов, химиков и, конечно, физиков.
— Вы сказали о создании принципиально новых материалов с заданными свойствами. Речь идет о нанотехнологиях?
— Знаете, сегодня уже очень трудно провести грань между нано- и био-, информационными и когнитивными технологиями — настолько всё переплетено. Еще у всех на слуху аддитивные технологии. Их сегодня множество, но объединяет их единый принцип: построение модели происходит путем добавления материала, в отличие от традиционных технологий, где создание детали — это удаление «лишнего» материала.
Пример из недавнего прошлого, когда возникла необходимость идентифицировать останки царской семьи. Была проведена томограмма черепов, сделаны их компьютерные модели, которые затем превратились в пластиковые. Далее, используя методику компьютерного наложения, ученые сравнили каждый череп с фотографиями членов царской семьи. Это именно аддитивные, стереолитографические технологии — за несколько часов на 3D-установке можно вырастить любую модель.
То есть стереолитография — технология аддитивного производства моделей, с помощью которой можно детально изучать и антропологические объекты, использовать для реставрационных работ, в медицине. В антропологии она используется для дополнения костными участками скелетов и фрагментов останков.
Кстати, именно такими работами мы сейчас занимаемся в рамках интереснейшего проекта по изучению девяти древнеегипетских мумий из коллекции Пушкинского музея.
С помощью аддитивных технологий можно создавать модели оперируемых органов человека на основе томографии больного органа и изготавливать их методом стереолитографии. На изготовленной модели хирург разрабатывает технологию операции.
В наши дни аддитивные технологии используются повсеместно: научно-исследовательские организации с их помощью создают уникальные материалы и ткани, промышленные гиганты используют 3D-принтеры для ускорения прототипирования новой продукции.
Мы итерационно приближаемся к пониманию целостности окружающего мира, механизмов и законов его функционирования.
