Уральский ученый приспособил космические технологии для охлаждения беспилотников и серверов
Трубка из нержавейки, наполненная аммиаком, в руке Юрия Майданика напоминает намотанный на палец провод от наушников. В советские годы ученый поставлял тепловые трубки строителям космических аппаратов. Сейчас у него в клиентах российские и зарубежные производители бортовой радиоэлектроники, лазеров и мощных компьютеров, дата-центры. Компания «Теркон-КТТ», основанная Майдаником в родном Екатеринбурге, по планам инвесторов к концу 2016 года выйдет на объем продаж 200 млн рублей. Что изменилось в советском изобретении?
Фитиль для холода
Внутри герметичной тепловой трубки — так называемый фитиль: сеть из тонких трубок-«капилляров» и пор, насыщенных рабочей жидкостью (это может быть вода, этанол или аммиак). Тепло, поступающее на один конец тепловой трубы, испаряет жидкость внутри фитиля. Образовавшийся пар перемещается к другому концу — охлаждаемому. Здесь он конденсируется и снова впитывается в «фитиль», который работает как насос и снова возвращает жидкость в зону испарения. Такую систему с замкнутым циклом, где жидкость прокачивается с одного конца на другой за счет разницы давления, придумала в 1960-х группа американских ученых во главе с Джорджем Гровером. Майданик впервые услышал о тепловых трубках через 10 лет после публикаций Гровера от своего научного руководителя в Уральском политехе. Оборонщики попросили ученых разработать универсальную трубку, в которой не было бы недостатка Гровера — американское изобретение работало, только если источник тепла находился ниже охладителя.
В схеме Гровера трубки с жидкостью были расположены по всей длине «фитиля», уральцы оставили их только в зоне подвода тепла, сильно уменьшив. Диаметр «пор» в фитиле не превышал микрона (для сравнения: средняя толщина человеческого волоса — 50 микрон), что сильно увеличило их «несущую силу». Теперь «фитиль» смог «перетаскивать» тепло как минимум на метр при любом положении трубы в поле тяжести. «Это выглядело как что-то из области фантастики, — вспоминает Майданик. — Вся кафедра бегала к нам смотреть, как жидкость летит вверх по необъяснимым причинам. Мы и сами все не могли поверить, что схема работает». Через три года, когда Майданик уже защитил диссертацию по контурным тепловым трубкам, их образцы отправились к заказчику.
В 1980-х Майданик, уже как глава лаборатории Уральского отделения РАН, познакомился с главой красноярского НПО прикладной механики, которое занималось космической техникой и решило протестировать изобретение. Вскоре в заказчиках появилось и НПО им. Лавочкина. Контурные тепловые трубки, изготовленные группой Майданика, установили в аппаратах «Гранат» и «Горизонт», которые отправились в космос в 1989 году. Сейчас на орбите работает более 500 контурных тепловых трубок и ни одна из них не вышла из строя, говорит Майданик.
С небес на землю
В 2000-х Майданик понял, что изобретение можно адаптировать к новым нуждам — для персональных компьютеров и промышленного оборудования. Но для этого нужно было еще уменьшить их в размерах, придумать, как сделать гибкими. Одно из важных ноу-хау — «фитиль» уменьшенных размеров. Его диаметр теперь не превышает 2–8 мм, на него приходится лишь четверть веса теплопередающего устройства, достигающего в зависимости от конструкции 20–45 г. Общая длина трубки — 200–500 мм. Она переносит количество тепла, сравнимое с тем, что выделяет лампочка 150–200 Вт. И происходит это очень быстро: после подвода тепла к одному концу устройства другой становится горячим через секунду и даже меньше.
В 2002 году тестовые образцы были готовы и представлены на выставке. Майданик рассказывает, что сотрудники японской корпорации Fujikura, производителя систем охлаждения, несколько раз предлагали ему продать технологию, говорили, что на родине у него ничего не получится. «И меня это задело, — вспоминает Майданик. — Я очень хотел сделать производство в России».
Он учредил компанию «Теркон-КТТ» и получил от Фонда Бортника 750 000 рублей на доработку прототипов миниатюрных контурных тепловых трубок. Через несколько лет Майданик познакомился с Аркадием Ивановым, сотрудником Инновационного центра малого и среднего предпринимательства Свердловской области. «Ученый позвонил сам, пригласил в лабораторию, — говорит Иванов, ставший исполнительным директором «Теркон-КТТ». — Обычно научные коллективы неохотно идут навстречу рынку».
В 2014 году компания получила 45 млн рублей от фонда «Лидер-Инновации», созданного при участии РВК, Газпромбанка и «Сибур холдинга». «Если получится организовать производство контурных тепловых трубок с себестоимостью, сопоставимой с другими решениями, то они будут очень востребованными, причем не только в России», — объясняет интерес Константин Надененко, управляющий партнер фонда. Мировой рынок для контурных тепловых труб он оценивает в $1 млрд — если технология завоюет до 10% рынка систем терморегулирования, общий объем которого аналитики компании BCC research на конец 2015 года оценивает в $10,5 млрд.
Первая партия миниатюрных трубок у «Теркон-КТТ» была готова в марте 2015 года. Лаборатория УрО РАН, где продолжает работать Майданик и откуда вышло большинство его сотрудников, ведет новые исследования и лицензирует технологии «Теркон-КТТ» (сама фирма занимается только производством). Например, для подразделения авионики французской Thales Group лаборатория разработала контурные тепловые трубки с фреоном. К блокам управления экраном под каждым креслом подвели тепловые трубки по каркасу — устройства спасают от перегрева бортовую систему развлечений для пассажиров.
«У нас были сомнения в способности команды проекта, ученых и инженеров найти заказчиков для массовых партий труб, — не скрывает Надененко. — Но у компании быстро появился первый коммерческий заказ, и это нас убедило, что инвестировать надо». Он говорит о заказе томского завода «Микран» на системы охлаждения для радиолокационного оборудования. По словам заместителя генерального директора по НИОКР «Микрана» Евгения Мананко, заказ был на несколько тысяч трубок. Обычно в мощной СВЧ-аппаратуре ставят либо жидкостные системы охлаждения, либо воздушные. В первом случае нужны гидрозамки, которые имеют слишком мало стыковок-расстыковок. Во втором — сложно «протащить» воздух для эффективной теплопередачи при минимальных габаритах аппаратуры. «Есть еще масса нюансов, — объясняет Мананко. — Если бы мы не использовали для нашей системы миниатюрные контурные тепловые трубки, а обошлись стандартными решениями, получилось бы в 2–3 раза дороже и технически решение было бы не оптимальным».
Схема контурной тепловой трубы Майданика
Петербургская фирма «О2 Световые системы» тестирует светодиодные светильники для спортивного освещения с контурными трубками уральского завода. Обычные тепловые трубки не подходили из-за габаритов — светильник на 250–500 Вт получился бы тяжелым и большим, отмечает Сергей Феофанов, главный инженер «О2 Световые системы».
По словам Иванова, сейчас дата-центр в Европе тестирует около 40 000 контурных тепловых трубок, которые входят в систему охлаждения для 20 000 серверов, что позволит сэкономить до 20% электроэнергии. А российский производитель беспилотников при помощи миниатюрных трубок хочет попробовать выводить тепло на корпус аппарата — процессор, батарея, двигатель дрона сильно нагреваются, тепло накапливается внутри герметичной «коробки».
Средний заказ «Теркон-КТТ» пока не превышает 5000 трубок. При таких объемах каждое изделие стоит не менее 10 000–12 000 рублей. Если удастся выйти на партии в сотни тысяч устройств, цену можно снизить до 700–800 рублей, обещает Иванов. «Крошечные тепловые трубки будут в холодильниках для перевозки вакцин и лекарств, в солнечных батареях на станциях на севере, не говоря уже о тепловых насосах, гибридном транспорте и электромобилях», — мечтает он.
Сейчас «Теркон-КТТ» ежемесячно выпускает около 1000 миниатюрных трубок на общую сумму 20 млн рублей, но инвесторы ожидают, что по итогам этого года выручка вырастет в пять раз. «Профессор MIT Лорен Грэхэм недавно отметил, что у русских ученых много сильных идей, многие из них стали базой для изобретений, сегодня используемых повсеместно, — говорит Майданик. — Только у наших ученых есть предубеждение: заниматься бизнесом зазорно, выручка, прибыль — это «недостойно» настоящего ученого. А кто сказал, что науку и бизнес нельзя совмещать? Долгие годы занимаясь прикладной наукой, я наконец вижу результаты, воплощенные в реальных продуктах».