Производственная линия «i3» не похожа ни на какой другой автозавод. Прежде всего, тут необычайно тихо. Нет грохочущих прессов, штампующих металлические детали, или громкого потрескивания ярких искр сварки. Не существует гигантского и дорогостоящего лакокрасочного цеха для очистки и антикоррозионной обработки металлических конструкций (углеродное волокно не ржавеет). Отличия можно заметить даже в бухгалтерских книгах компании: в целом при производстве «i3» используется на 50 % меньше энергии и на 70 % меньше воды, чем на обычном автозаводе.
В Лейпциге BMW исследует самые новые и усовершенствованные материалы, отнюдь не ограничиваясь одним лишь углеродным волокном. Революция материалов включает много других видов композитов, экзотических новых сплавов, специализированных покрытий, гибридных (частично пластик, частично металл), органических (вышедших из лабораторий биологов) и «умных» материалов (могут запоминать свою форму, ремонтировать себя и даже самостоятельно собираться в компоненты). Более того, составление материала на молекулярном уровне позволит производить на заказ вещества с новыми свойствами и изменять принципы работы материалов, например их реакцию на свет, электричество, воду и тепло. Вместе с тем старые материалы будут постепенно модернизироваться.
Основа успеха как новых, так и улучшенных материалов — возможность их коммерческого использования. Переход к нему от лабораторных исследований может занять годы. Например, углеродное волокно добиралось из лабораторий на предприятия несколько десятилетий. Особенно широкое распространение оно получило при производстве самолетов-истребителей, клюшек для гольфа, высококачественных горных велосипедов и болидов «Формулы‐1». Особая привлекательность этого материала в том, что он оказался не только прочнее стали, но и по крайней мере на 50 % легче ее. Такие характеристики являются следствием молекулярной структуры углеродных соединений, создающих сильные химические связи, как в алмазах. Выкладыванием волокон под различными углами можно усилить прочность компонента именно там, где это особенно необходимо, делая деталь гибкой в одних местах и особо твердой в других.
По мере накопления опыта углеродное волокно стали использовать вместо алюминия в коммерческих аэрокосмических аппаратах, поскольку легкие самолеты расходуют меньше топлива и производят меньше вредных выбросов. В настоящее время из углеродного волокна делают половину корпуса самолетов типа «Boeing 787» и «Airbus A380» и «A350». Но за это приходится платить — во многом потому, что производственные процессы дорогостоящи, медленны и трудоемки. Для малых объемов продукции — такой, как горные велосипеды и самолеты — это имеет меньшее значение. Но автомобилестроение — это бизнес с очень большими объемами производства.
Темные искусства
Найдя более быстрые и дешевые способы использования углеродного волокна, BMW первой использовала его в массовом производстве. Некоторые аналитики прогнозируют, что к середине 2020-х годов оно станет основным производственным материалом, заменив сталь и алюминий. К 2050 году, когда большинство автомобилей, скорее всего, станут электрическими и многие из них будут обходиться без водителя, легкое углеродное волокно обеспечит большую дальность поездок и повышенную устойчивость в случае аварии.
К тому времени в автомобилестроении и других областях производства появится множество иных новых материалов. В основе этого процесса лежит ряд тенденций. Например, все большее понимание свойств веществ на микроуровне благодаря более точным и качественным инструментам, таким как электронные и атомно-силовые микроскопы, масс-спектрометры и рентгеновские синхротроны.
Ученые уже добрались до изучения строительных блоков материи. Каждое вещество состоит из атомов, и поведение каждого из них зависит от того, какому химическому элементу он принадлежит. Все химические элементы обладают определенными свойствами, опирающимися на структуру электронного облака, составляющую внешние слои атомов. Способ сопряжения атомов или обмена электронами формирует структуру молекул — мельчайших частиц любого химического элемента или соединения. Умение проектировать материалы на молекулярном уровне дает ответы на множество сложных вопросов, возникающих при работе с новыми материалами.
Это сильно отличается от того, что было в прошлом. Перед тем как Томас Эдисон в 1879 году продемонстрировал первую работающую лампочку накаливания, в поиске подходящей нити для своего изобретения ему пришлось пройти долгий путь проб и ошибок, испытав 1600 различных видов материалов — от кокосового волокна до волос из бороды коллеги. Сегодня найти подходящие материалы вроде новых полупроводников — чтобы создать светодиоды, превращающие электроэнергию в свет гораздо эффективнее горячих нитей, — изобретатель может с помощью облачного суперкомпьютера. Изобретение светодиодов случилось благодаря успехам в области материаловедения. А к 2050 году их преемники из отдельных световых элементов превратятся в осветительные пленки, встроенные в потолочные панели зданий. Производителям последних придется стать специалистами еще и в области освещения, чтобы не дать компаниям, занимающимся светом, захватить рынок потолочных панелей. С подобными смещениями специализации бизнеса столкнутся и многие другие отрасли.
Этот процесс могут ускорить усилия по сбору больших данных, например как это делается в проекте с открытым доступом Materials Project на базе кластера суперкомпьютеров в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Калифорния. Он предполагает сбор и хранение свойств около 100 тысяч известных и предсказанных соединений для формирования своего рода «генома материалов». Таким образом, при необходимости найти вещество с заданными свойствами для конкретной работы: проводимость, твердость, эластичность, способность впитывать или отталкивать другие соединения и т. д., — будущие исследователи вместо того, чтобы пойти по пути Эдисона, укажут требуемые характеристики, и компьютер предоставит им список подходящих вариантов.
Некоторые из уже найденных материалов станут хорошей альтернативой кремнию при изготовлении более быстрых и мощных чипов для компьютера и лучших батарей. На эту роль вполне может претендовать графен — «чудо-материал» всего в один атом толщиной, открытый в 2004 году в Манчестерском университете. Ведется исследование и множества других наноматериалов. Они вызывают повышенный интерес еще и потому, что при организации материи на таком микроскопическом уровне в ней возникают совершенно необычные явления. С помощью современных технологий обработки можно превратить некоторые сыпучие материалы в наноматериалы, что позволит воспользоваться вновь возникшими их характеристиками или улучшить имеющиеся, будь то физические, химические, механические или оптические.
Подобные преобразования изменят не только производство продукции, но и жизнь людей. Более мощные аккумуляторы позволят создать широкий диапазон электромобилей и обеспечат более длительную работу множества мобильных устройств — от смартфонов до домашних роботов. Они также поспособствуют переходу к рынку энергии из возобновляемых источников путем сохранения ее в энергосистеме, а также в зданиях, самостоятельно генерирующих солнечную и ветряную энергию. Благодаря этому к 2050 году многие дома и предприятия перейдут на автономные электрические сети.
Мощные компьютеры нередко помогали ученым делать все новые открытия. Подобная ситуация сложилась и в области индустриализации. Все больше и больше продуктов будут начинать свой путь к потребителю в качестве виртуальных прототипов задолго до создания реальных физических объектов. Например, с помощью компьютера можно спроектировать новый автомобиль, уточнить параметры его двигателя и подвески, подобрать наилучшие аэродинамические характеристики. Используя виртуальную реальность, можно будет даже провести тест-драйв получившейся машины. Подобным же образом компьютеры могут быть использованы для проектирования и моделирования производственных систем, предназначенных для превращения виртуальных идей в реальность.
Печатный мир
Зачастую эта реальность будет означать не только модернизацию существующих методов производства, но и разработку совершенно новых. Наиболее перспективный процесс в этом отношении — аддитивное производство, известное многим под названием «3D-печать». Хотя она начала применяться еще в 1980-х, усовершенствованное аппаратное и программное обеспечение лишь в последние годы привело к созданию широкого спектра 3D-принтеров стоимостью менее 1000 долларов для любителей и более 1 млн долларов для специализированных инженерных приложений.
Сегодня эти машины используют десятки различных методов для печати предметов из самых разных материалов: пластика, стекла, металла, керамики и даже биологических веществ. Тем не менее фундаментальный принцип, лежащий в основе этой технологии, остается неизменным: наращивание слоев вместо их удаления путем разного рода обработки (как на традиционном производстве). При этом образуется меньше отходов, поскольку 3D-принтер накладывает материал только там, где это необходимо. Эти устройства могут воспроизводить и сложные формы, геометрию которых трудно или невозможно изготовить при помощи обычных инструментов, и даже структуры внутри твердого объекта (которые могут создаваться внутри внешних слоев с самого начала).
Поначалу 3D-печать использовалась в первую очередь для быстрого прототипирования, что по большей части предполагает изготовление вещи в одном экземпляре, причем за небольшой промежуток времени и дешево. Настраивать традиционные машины на заводе для того, чтобы сделать всего один экземпляр — дорогой и достаточно долгий процесс. С 3D-принтерами, управляемыми программным обеспечением, в этом отношении гораздо проще. Поэтому сегодня существует стабильная тенденция к тому, чтобы получать все больше конечных продуктов с помощью аддитивного производства (или прямой объемной цифровой печати).
Кое-кто считает, что в будущем в каждом доме появится 3D-принтер, позволяющий создавать н