Этюды для инженеров

Аудио

«Что было, то и будет;

и что делалось, то и будет делаться,

и нет ничего нового под солнцем».

— Книга Екклесиаста, 1:9

Чтобы что-нибудь изобрести, нужно этого очень захотеть и все время об этом думать. Конечно, не просто захотеть, а приложить свои умственные способности к решению какой-то задачи, желательно практического свойства, и еще лучше в рамках служебных обязанностей, потому что изобретательство для внутреннего потребления может снизить мотивацию, да и работа отвлекает. Процесс изобретения сам по себе приятен, даже если не приносит желаемого результата, и мне немного жалко тех, кто, встретив нестандартную проблему, не пытается ее решить, а успокаивает свое воображение библейскими сентенциями типа «Ничто не ново под Луной» или «Если бы это было возможно, то кто-нибудь уже это сделал» , перед тем как сесть смотреть телевизор или читать вот этот рассказ.

Прелесть профессии инженера как раз в том, что надо все время что-то изобретать по работе, точнее тебе постоянно встречаются задачи, которые теоретически уже могут быть решены, но ты об этом не знаешь, или просто не хочешь открыть справочник Перри, тем более пойти в библиотеку и посмотреть патенты. Хорошо, что про патенты я понял в достаточно юном возрасте, и научился сдерживать первое побуждение -придумать все самому, а сначала, хотя бы и поверхностно, посмотреть, не изобрел ли уже кто-то чайник со свистком или иголку с дыркой у острого конца. Вот Исаак Зингер начал выпускать свои швейные машинки, а тут появляется некий Элиас Хоу со своим патентом на такую машинку и иголку, и пришлось платить ему отчисления с продаж.

О своем первом столкновении с патентованием я написал в рассказе «Патентный эксперт». Через пару лет после окончания института мне пришлось работать в качестве внештатного патентного эксперта, задача которого заключалась в проверке на новизну заявок на изобретения. Обработав первые несколько десятков заявок, я пришел к выводу, что большая часть изобретателей нечестные люди, поскольку в 80% случаев мне удавалось найти уже известный прототип или полный аналог предлагаемого изобретения. Вывод был совершенно неправильный – я в то время был не в состоянии понять, что для многих людей изобретательство – это страсть, подобная наркотической зависимости, а возможная слава и денежное вознаграждение факторы третьестепенные. Мало кому интересно тратить время на поиски аналогов в патентных файлах иностранных государств, которые ещё и надо переводить на русский язык. Кстати, компьютеров тогда не было, а файлами называли картонные папки с тесемочками, хранящиеся в Институте патентной Экспертизы на Бережковской набережной Москвы.

Чуть позднее мне в руки попала книга Генриха Альтшуллера «Алгоритм изобретения», где автор разработал теорию решения изобретательских задач, позволяющую в значительной мере алгоритмизировать творческий, по сути, процесс. Главная идея: правильно сформулировать задачу и найти внутренний антагонизм, а затем использовать известные приемы для его устранения. Скажем, танкер везет ливийскую нефть на Одесский нефтеперегонный завод, а на обратном пути должен заполнить свои емкости водой, чтобы сохранить устойчивость. В Триполи воду выливают в море и происходит загрязнение окружающей среды. Решение простое и элегантное: в трюме устанавливается резиновая мембрана, и нефть заливается с одной стороны, а вода с другой. Жидкости между собой не контактируют и противоречие снято.

Часто искомое решение или подходящий метод уже имеются в другой области знаний, и нужно всего лишь применить его для конкретных условий. К примеру, некий архитектор обнаружил, что человеческая кость внутри не сплошная, а решетчатая, и использовал подобную структуру в строительстве зданий, достигая максимума прочности при минимальном весе конструкций. Заметим, что медики знали про это уже со времен первых фараонов, и, кстати, архитектора звали Антонио Гауди, а свои исследования структур костей, ветвей, раковин и пчелиных сот он воплотил в проекте церкви «Саграда Фамилиа» в Барселоне. Чем дальше друг от друга находятся области задачи и заимствования идеи, тем выше уровень изобретения, его патентоспособность и прилагающаяся слава.

Как инженер-химик, я старался применять теорию изобретений и методологию Альтшуллера в своей работе, и, как правило, весьма успешно: если искать, то выявить противоречие удается достаточно просто, труднее, когда их несколько. Далее, согласно теории, человек «варится» в альтернативах и методах, то есть перебирает их как кусочки пазла, но вот когда наступит озарение или вспышка-инсайт, всегда остается неизвестным и неожиданным, видимо, надо просто посильнее захотеть. Я даже пришел к обобщенному фундаментальному выводу, что если ты чего-то действительно хочешь: работу, позицию, дом на берегу океана, женщину или мужчину, похудеть, выучиться петь или играть на гитаре, то это обязательно случиться, а если нет, то значит желание было недостаточно сильным. А делать для этого ничего и не надо, достаточно только рассказать всем друзьям и знакомым о своих амбициях. Но это уже перебор, а сейчас я хочу предложить вашему вниманию три истории изобретений из моего инженерного опыта, которые, как мне кажется, хорошо иллюстрируют вышеизложенную теорию, а если и нет, то все равно приятно вспомнить.

Очистка хлора 

«Я хотел создать в этой отсталой стране

химическую промышленность…»

 - М. Новомейский

Моисей Новомейский 1873 - 1961

В начале двадцатого века золотопромышленник из Сибири Моисей Новомейский отправился в Палестину в путешествие по святым местам. Добравшись до Мертвого Моря он взял пробы воды и был потрясен высоким содержанием калия, который уже в то время представлял большую ценность как минеральное удобрение. Будучи химиком и предпринимателем, он обратился к турецким властям за лицензией на разработку месторождения, однако, вскоре случилась Первая Мировая война и территория Палестины перешла под Британский мандат, после чего переговоры о лицензии пришлось вести с англичанами, что заняло у Моше около десяти лет. В 1928 году предприятие Новомейского произвело первый килограмм калия и была основана компания Заводов Мертвого Моря - ЗММ, которую впоследствии он подарил государству Израиль.

К моему приезду на историческую родину ЗММ уже извлекали из морской воды, кроме калия, массу других полезных веществ, в частности бром – важный химический элемент, на оптимизацию производства которого были направлены мои усилия, как нового инженера компании. Чтобы читателям было понятно дальнейшее изложение, необходимо вкратце объяснить, что и какой форме содержится в воде Мертвого Моря. По сути дела это рассол с очень высокой концентрацией нескольких элементов: уже упомянутые калий и бром, а ещё натрий, кальций, магний и хлор, причем все они находятся там в виде ионов – электрически заряженных частичек. Задача химиков и инженеров выделить эти элементы либо в чистом виде, как бром, либо как соли, к примеру, всем известный хлористый натрий, в быту называемый поваренная соль.

Моей задачей было усовершенствование уже известных процессов на предмет снижения себестоимости производства или повышения качества продуктов. В частности, большой проект был связан с выделением сверхчистого брома, и пришлось разбираться как в сопутствующей электрохимии, так и в технологии его экстракции из рассола. Моше Новомейского я, к сожалению, не застал, но еще стояла сделанная по его проекту каменная колонна из гранитных плит для извлечения брома. В те времена не было никакого другого материала, который мог выдержать воздействие этого очень агрессивного вещества, а сейчас колонны делают из специального стекла или металлического тантала.

Заказ на расчет нового процесса поступил в нашу лабораторию от смежной группы компании, пытающейся получить хлор для использования его в производстве полихлорэтилена – пластика широкого применения. Громадное количество этого хлора производилось на недавно построенном магниевом заводе, где металлический магний получали электролизом раствора хлористого магния, и хлор был отходом, которому хотелось найти какое-либо применение.

MgCL₂ + электричество = Mg (металл) + CL₂ (газ)

Я встретился с главным инженером этого завода, Алексом Гонионским, эмигрировавшим из союза лет на десять раньше меня и сделавшим в компании успешную карьеру. Держался он панибратски, но с чувством превосходства «ватика», то есть полностью ассимилировавшегося иммигранта, и с большой неохотой перешел на русский язык, когда я сказал ему, что пока еще не владею ивритом свободно.

-       Ну что ж, парень, объясняю по-русски, мы делаем “х…ву тучу” этого хлора, но он содержит порядка 1% примеси брома, а компания, производящая полимеры, готова платить только, если брома будет меньше 0,05%. Понятно?

-       Понятно. Надо снизить концентрацию в двадцать раз. Может быть попробовать…

-       Нет, изобретать тебе ничего не надо. Все уже решено: отделять бром будем дистилляцией, то есть перегонкой в колонне. Мне твой начальник, Дамир, сказал, что ты работаешь со специальной программой Аспен, подставь в нее данные и посчитай размер колонны и температуры. Производительность десять тонн чистого хлора в час.

-       А давление в колонне?

-       Ясное дело атмосферное. Не хватало еще с компрессором возиться. За неделю справишься? – и уехал.

На следующий день попробовал я посчитать такое разделение. Бром кипит при плюс 58 градусов, а хлор при минус 35. Разность температур большая, значит колонна будет маленькая, невысокая — это хорошо, три-четыре тарелки должно хватить. Попробовал несколько вариантов расчета и получил высоту колонны пять метров, а диаметр один метр. Выход очищенного хлора 90% - терпимо, но вот система охлаждения такой колонны для работы при минус 35, обойдется по ценам того времени в полмиллиона долларов, а к тому же в Израиле летом тепло. Написал отчет, приложил распечатку из программы Аспен, и отдал Дамиру, а тот переслал всё на магниевый завод.

Намерзание льда на оборудовании

Прошла неделя, а может и больше, а у меня из головы эта задача не выходит - уж как-то «некрасиво» выглядит это решение с дистилляцией: газообразный хлор надо сжижать, а потом испарять, работать при очень низкой температуре, дорогое оборудование. Можно было бы провести весь процесс при повышенном давлении, тогда все температуры кипения будут выше нуля, но потребуется компрессор, а он тоже дорогое удовольствие, и заказчик ясно сказал, что не хочет. И тут мне вспомнилась одна максима: если какой-то процесс работает на пределе или близко к пределу своих возможностей, то надо поискать другой процесс». Вот и здесь, дистилляция при низких температурах дело, если не совсем экзотическое, то хлопотное, и требует дополнительных усилий на охлаждение, борьбу с обмерзанием трубопроводов и специальных материалов. Значит надо что-то альтернативное: попробовать вместо дистилляции другой метод по Теории Изобретений Альтшуллера. - Как убрать примесь брома? - Растворить в чем-нибудь, что не растворяет хлор, или прореагировать химически?

В голове появляется некая зацепка – крючок, которым надо что-то достать, типа как российский траулер в Балтийском море потерял рыболовную сеть и плавает взад вперед, тащит по дну якорь – вдруг этот трал найдется. И точно, попалось что-то, вытянули, а это оптоволоконный кабель для интернета, проложенный из Швеции в Польшу. Жалко, что оборвался! Ну да сами виноваты – надо было поглубже закапывать. Помнится, был у меня год назад проект по получению бромида кальция, используемого для осушки воздуха, и там упоминалось, что этот бромид-ион реагирует с элементарным бромом и получается очень устойчивое, растворимое в воде соединение – кальций трибромид:

CaBr₂ + 2 Br₂ => Ca(Br₃)₂

- У нас есть бром, но нет бромида кальция, а что есть? - Нашей компанией выпускаются бромиды натрия и калия, но они сами по себе достаточно дорогие, хотя можно попробовать… - А что дешево? – Хлориды натрия и калия. - Лезу в справочник Карапетьянца, да, того самого Михаила Захаровича, которому я на первом курсе сдавал экзамен по строению вещества, и точно: бром с хлоридами тоже образует устойчивые трехатомные ионы [Br₂CL-]. Эврика! – Значит этим способом бром из газообразного хлора можно поглотить водным раствором поваренной соли NaCL.

Быстренько запускаю на компьютере свой Аспен. Нужно посчитать процесс абсорбции или поглощения брома раствором соли: снизу в колонну дуем «грязный» газ хлор, а сверху льем рассол, и получаем очищенный хлор. Поваренная соль в громадных количествах выпускается на соседнем с Магниевым заводом, конечно из воды Мертвого моря. В таком абсорбере не нужно никакого давления, ни охлаждения, ни нагревания! И выход хлора почти 100%. Генрих Альтшуллер отнес бы это изобретение к классу ИКР – Идеальный Конечный Результат, когда новая система выполняет функцию без усложнения, без затрат и без побочных эффектов.

Я написал докладную записку Дамиру, приложил расчет, и он переслал это Гонионскому, а я вернулся к текущей работе. Больше мы с Алексом никогда не общались, и о судьбе моего изобретения ничего не было известно, но через несколько лет один из моих друзей, работающий на Магниевом заводе, прислал мне лабораторный отчет, описывающий опыты по абсорбции брома из хлора раствором хлористого натрия. При использовании 3% раствора соли содержание брома в хлоре уменьшалось с 1% до 0,002%. Если помните, задача была получить только 0,05%.

Инкапсуляция

«Случай благоволит лишь подготовленному уму.»

— Луи Пастер

В компании Новомер я проработал четыре года. Как случается у большинства стартапов, грандиозные планы завалить мир новым продуктом, в нашем случае это был супер-поглотитель жидкости, используемый в дайперсах, и вопли про «Disruptive technology» закончились ничем, то есть банкротством, увольнением сотрудников и продажей оборудования по цене металлолома. Это, конечно, прискорбно, но если вам про это интересно, так я уже написал несколько рассказов-эссе на тему внутренней механики стартапов, фаз их развития и мотивации организаторов – читайте «Стартап для чайников» или «Пентафаза».

На этот раз, напротив, хочу поговорить о хорошем, о том, что даже в самой афёрной организации вроде Энрон, планирующей банкротство с самого первого дня, работают люди, которые ничего о планах руководства не знают, а просто творчески выполняют свои служебные обязанности: ставят эксперименты, строят установки, обрабатывают данные, выдвигают теории и изобретают, иногда очень даже замечательные вещи.

Воспользовавшись примером из предыдущей истории с траулером, заметим, что матросы и младшие офицеры ничего не знали, о том, что капитан получил задание порвать этот интернет кабель в рамках ведения холодной войны, и делали всё, что в их силах, чтобы сеть нашлась, якорь аккуратно скрёб дно моря, а цепь не порвалась.

Так и в стартапах сотрудники ниже определенного уровня иерархической пирамиды - читайте «Теория полупроводника» - несут свою службу честно и верят, что опции, которые им выдают в качестве поощрения, принесут миллионы, когда мировой рынок памперсов перейдет под полный контроль «Новомера». Не перейдёт.

Стоит уточнить, что подобная наивность свойственна, как правило, людям молодым, воспитанным на идеях глобального потепления, зеленой энергии и диверсити, в то время как задурить голову человеку лет шестидесяти, опытному инженеру, да к тому же выходцу из страны победившего социализма, несколько сложнее. - Знал, что кончится всё ничем – весь пар в гудок уйдет? – Абсолютно, но дело свое делал, и делал не просто, а творчески, и не потому, что другую работу трудно найти или деньги нужны – нужны конечно, а просто чувствуешь себя хорошо, когда получается, когда теория подтверждается, когда расчет твой оказывается верный. Как писал Солженицын про безвинно осужденного Ивана Денисовича, который мотал срок в лагере и, казалось, должен был режим ненавидеть и туфту гнать:

«И -- как вымело все мысли из головы. Ни о чем Шухов сейчас не вспоминал и не заботился, а только думал -- как ему колена трубные составить и вывести, чтоб не дымило.» – и дальше по тексту:«… Но так устроен Шухов по-дурацкому, и никак его отучить не могут, всякую вещь и труд всякий жалеет он, чтоб зря не гинули.»

Нет, не халтурил Иван Денисович, и не просто укладывал шлакоблоки, возводя стену еще одного тюремного здания, а проявлял изобретательность и творческий подход к делу, неуклонно повышая производительность и качество труда. В конце рабочего дня он так увлёкся, что чуть не опоздал на построение и перекличку, рискуя получить серьезное наказание.

Вот и у меня в Новомере как второе дыхание открылось: что ни процесс или просто проектный расчет нового завода будущего в Турции, Саудовской Аравии или Южно-Африканской республике, как приходят в голову оригинальные решения. Иногда по поводу вещей второстепенных: занимаюсь окисью этилена с точки зрения техники безопасности, а приходит мысль, как её очистить от примеси ацетальдегида, забиваются мембраны, используемые при отделении катализатора, - возникает идея, как вообще обойтись без мембран, изобрести новый процесс регенерации. А времени на проверку, как правило, нет, особенно если предлагаемое нововведение хотя бы немного в стороне от корпоративной парадигмы: что ж, будем втридорога закупать уже очищенную окись этилена, да и мембраны уже заказаны: забиваются – будем чистить.

На некоторые изобретения я все же оформлял заявки и посылал их в наш патентный отдел, но были у этого отдела дела поважнее, а у меня времени не было на пробивание – «трясти надо!», то есть изобретать. А вот самым красивым изобретением этого периода я считаю инкапсуляцию, кто не знает – сейчас расскажу.

На химическом пути к дайперсам нам надо было получить некий полимер, называемый ППЛ, химическую формулу которого я вам раскрывать не буду: во-первых, это неважно, а во-вторых, как говорил мой папа, достаточно во-первых. Зато расскажу, что делают эти полимеры – длинные молекулы с повторяющимися частями - из мономеров, как правило, маленьких молекул.

МПЛ (много мономеров) + НАК (инициатор) => ППЛ (полимер)

В нашем случае мономер назывался МПЛ, и представлял он из себя вещество довольно опасное: токсичное для всех белковых форм жизни и склонное взрываться при неосторожном обращении. Но полимеризоваться «по-хорошему» он не хотел, и требовалось добавлять так называемый инициатор – вещество под названием НАК.

Реакция полимеризации МПЛ с этим инициатором шла очень быстро: не как ядерная, но по похожему лавинообразному сценарию: чуть зазевался – смесь разогрелась и мономер взорвался, не успев полностью прореагировать. Поэтому добавляли НАК – это такой беленький порошок - в очень маленьких количествах и потихоньку.

Пока опыты проводились в лаборатории, количество мономера было небольшое – десять — пятнадцать граммов, и проблема была маленькая: взял пинцетом крупинку НАК, бросил в колбу и перемешивай деревянной палочкой пока не загустеет. Но уже на пилотной установке, когда надо было полимеризовать примерно килограмм МПЛ, добавку 50 миллиграммов инициатора производили не сразу, а частями в пять приемов. Да и то было страшно, когда температура в стальном реакторе с хорошим охлаждением поднималась за одну минуту до 130 градусов, а при 150 градусах наш мономер термически разлагался, со взрывом, конечно.

Я человек не очень впечатлительный, но для проектируемого в Турции завода мне вменялось в обязанность рассчитать полимеризационный реактор на 20 тонн. - А как иначе завалить весь мир дешевыми памперсами с маркой «Новомер-Супер»? - Масштаб нужен. Но почему-то у меня все-время стояла перед глазами вот эта картина: на крышке громадной железной бочки стоит маленький дозатор – механизм вроде мясорубки со шнеком-винтом, подающий в реактор чайную ложку в минуту этого порошка. В реакторе вращается громадная мощная мешалка, но по ходу полимеризации смесь становится всё более вязкой и размешивать порошок делается всё труднее. МАК – вещество гигроскопичное и может поглощать воду из воздуха, при этом он набухает и образуются комки. В какой-то момент влажный порошок начинает налипать на винт дозатора и инициатор в реактор вообще не поступает. Реакция замедляется, температура падает и умная автоматика – всё на заводе будущего автоматизировано - увеличивает подачу МАК. Тут большой шмат из дозатора наконец падает в реактор, размешать его не удается, возникает локальный перегрев, МПЛ-мономер термически разлагается с выделением газа и ба-бах… крышка реактора вместе с дозатором летит до самого древнего города Алеппо. Похожий случай был у нас на Заводах Мертвого Моря в 630 цеху, когда остановилась мешалка, но об этом я уже писал в «Записках инженера» - все остались живы, а начальник пошел на повышение.

Загрузил я проблему «маленького дозатора» в подсознание – другие дела тоже имеются – пусть там «поварится», но время от времени возвращаюсь к вопросу. Поискал по каталогам дозаторы для сыпучих веществ – есть они, и даже очень маленькие, но для лабораторных процессов, а нам надо будет на открытом воздухе установку строить. И дорогие страшно: дозатор на 5 граммов в минуту будет в десять раз дороже, чем на 500. В химии всегда так – всё экстремальное трудно сделать и стоит дорого: одно дело провести реакцию при комнатной температуре, а попробуйте в жидком гелии при двух градусах кельвина, или с плазмой возиться при плюс ста миллионах.

В общем сработал мой метод: все время думать и хотеть – чувствовать постоянный дискомфорт от неразрешенного противоречия и быть готовым: держать удочку в руке и, когда клюнет, сразу подсечь. Утром за завтраком принимаю свои лекарства и рыбий жир, витамин «Д» по-вашему, в таких желтеньких овальных пилюльках – капсулах и, запиваю водой… Дзинь! Вот оно решение! Инициатор надо инкапсулировать!

Сразу решаем проблему с гигроскопичностью – оболочка капсулы защищает от влаги, решаем проблему с локальной концентрацией – капсула падает в реакционную массу и там постепенно растворяется, то есть имеется достаточно времени размешать инициатор, и, наконец, упрощаем проблему дозировки: если сделать капсулы с небольшим содержанием МАК, скажем 1%, то нам потребуется подавать не 10 граммов порошка, а 1000 граммов этих капсул в минуту, для чего имеются вполне обычные промышленные дозаторы.

Генрих Альтшуллер (Альтов) 1926 - 1998

Здорово? – Конечно. И изящно! – А из чего сделаем эти капсулы? – Да из нашего же полимера ППЛ. Он будет потихоньку растворяться в нашем мономере, и никаких посторонних веществ в реакторе не появится. Что сказал бы «враг народа» Альтшуллер, получивший 25 лет лагерей за антисоветскую деятельность? Думаю, как и в предыдущем случае, он отнес бы это изобретение к классу ИКР – Идеальный Конечный Результат, когда новая система выполняет функцию без усложнения, без затрат и без побочных эффектов. А сама инкапсуляция – процесс достаточно простой и очень известный – загляните в свой шкафчик с лекарствами и витаминами.

Но это можно только предполагать, к сожалению, не дожил Генрих Саулович целых двадцать пять лет до момента этого изобретения. А вот зато знаем, что сказал по этому вопросу вице-президент Новомера по Интеллектуальной Собственности Герберт Му: «Смотри, Димитрий, я завтра с нашими СЕО и СФО улетаю в Лондон, потом прямо в Йоханнесбург в Африку, оттуда в Турцию, где наш завод планируется построить недалеко от Алеппо, но туда пока ездить не надо. На обратном пути заскочим в Калькутту – это в Индии, там большой рынок памперсов вырисовывается, а потом через Амстердам домой в Бостон. Видишь, некогда мне сейчас этим вопросом заниматься, приеду – посмотрю. А ты пока лучше иди работай – у меня таких изобретений куча скопилась.»

Ну я и пошел, а пока он путешествовал, еще парочку заявок на изобретения послал ему по электронной почте, может в самолёте почитает. А в Амстердам они действительно по делу ездили: организовали там дочернюю фирму Новомера и отсифонили туда оставшуюся наличность и интеллектуальную собственность – патенты там разные… Люди к банкротству готовятся, а ты отвлекаешь чепухой про свой реактор – лунный трактор.

ЧМС против МТС

«Мой метод иной.

Я не бросаюсь сразу к практической работе.

Получив идею, я прежде всего начинаю

выстраивать её в своём воображении.» 

- Никола Тесла «Мои изобретения», 1919

Медтроник – компания серьезная, никакой не стартап, делает разное медицинское оборудование и приносит вкладчикам миллиардные прибыли. Всяких предприятий, исследовательских центров у них десятки, и я работал в качестве консультанта на заводе Медтроник в Миннесоте, где производят искусственные клапаны для сердца. Сначала я занимался расследованием нескольких производственных аварий – без жертв, но довольно неприятных взрывов, произошедших в системе вентиляции цеха. И уже тогда меня удивила недостаточная документированность рабочих процедур, так что я даже хотел написать в заключении, что причиной инцидентов было непонимание операторами инструкций, но благоразумно воздержался и ограничился химической стороной вопроса. Рабочее вещество, назовем его пока МТС, в определенных нештатных условиях, типа ошибка оператора, попадало в воздухопроводы вентиляции завода, где оно бурно реагировало с влагой воздуха со взрывом и повреждением таковых.

Искусственнный сердечный клапан

Экспертиза и деликатность консультанта были вознаграждены, и мой следующий проект с Медтроник был связан с повышением производительности индукционных реакторов, в которых производятся эти самые сердечные клапаны. Здесь, я вынужден вкратце объяснить технологию, чтобы, как все догадались, после этого представить на ваш суд неизбежное изобретение.

Искусственные сердечные клапаны представляют собой колечки, похожие на толстые обручальные кольца модные в 70-х годах, и присоединенные к ним два полукруглых лепесточка, которые могут открываться только в одну сторону, туда, куда должна течь кровь, перекачиваемая насосом – сердцем. Всего у человека таких клапанов четыре, и если какой из них выходит из строя и хочется жить дальше, то вам могут установить искусственный. Каждый год во всём мире кардиохирурги производят примерно 300 тысяч таких операций, и вероятность, что вам пришьют именно клапан, произведенный в Миннесоте, примерно 15–20%. Точнее не могу сказать: во-первых, не знаю, а во-вторых, данные о производительности засекречены.

Джэк Бокрос

Первый пластмассовый клапан был установлен человеку в 1960 году, и больной прожил аж целых десять лет, но это была большая удача – обычно всё заканчивается намного раньше вследствие свертывания крови на поверхности импланта и образования тромбов. Как ни странно, проблему тромборезистентности клапана решил инженер-атомщик Джек Бокрос, занимавшийся до этого приготовлением ядерного топлива для электростанций. Джек случайно прочитал статью кардиолога, Винсента Готта, о поисках выбора материала для клапанов и предложил испробовать, так называемое, пиролитическое графитовое покрытие, которое использовалось для защиты топливных элементов из карбида урана. В 1968 году после трех лет экспериментальной работы Готт перешел на вшивание пациентам новых клапанов, которые не только имели меньшую тромбогенность, но и отличались высокой прочностью и износоустойчивостью.

Главным достижением Бокроса была разработка специального реактора для нанесения графита на детали, представляющего собой вертикальную трубу диаметром 4 дюйма (10 см), в которой «колечки и лепесточки» кувыркаются в токе горячего газа, и на них постепенно нарастает слой углерода. - А откуда он берется этот углерод? – спросите. – А из известного всем пропана (С₃Н₈) - газа, который при температуре 1300 градусов разлагается в реакторе на углерод и водород.

С₃Н₈ + 1300^оС => 3 C (твердый) + 4 H₂ (газ)

Важно добавить, что такое пиролитическое углеродное покрытие делается ещё более плотным при добавке к нему небольшого количества кремния, и кроме пропана, Бокрос вводил в реактор то самое вещество МТС, которое взрывается при контакте с водой, например в воздуховодах вентиляции Медтроника. МТС расшифровывается как метил-трихлор-силан с формулой CH₃CL₃Si, где Si – это требуемый кремний.

Когда я приступил к работе по повышению производительности реактора, то первым делом запросил документацию, касающуюся проектирования завода. Чтобы что-то менять или улучшать, всегда хорошо задаться вопросом, а почему сделали именно так, как сделали: температура 1300, а не 1400 градусов, диаметр четыре дюйма, а не десять, и далее в таком роде. И почти ничего от Медтроника не получил: завод работает уже тридцать лет, а нужной документации почему-то нет. В социальной сети LinkedIn я узнал, что Джек Бокрос жив, и предложил задать эти вопросы ему лично, но руководство Медтроника эту идею не одобрило, почему – я узнал чуть позже. Оказывается, освоив пиролитическое покрытие клапанов, Бокрос организовал свою компанию Карбомедик и построил в Миннеаполисе этот самый завод, который позднее купил Медтроник, после чего самого изобретателя уволили. А документацию по проектированию попросить не посчитали нужным: клапаны делаем – деньги идут!

Пришлось искать исследовательские статьи в старых журналах, смотреть патенты 60-х годов, и понемногу я стал что-то понимать. Честно сказать, никогда раньше про эту технологию не слышал, но консультантов много, а работать хочется - берешься почти за всё.

Модель реактора из плексигласа

Но всего в книжках не вычитаешь, и построили мы с молодыми инженерами завода Айзеком и Линой модель реактора из прозрачного плексигласа, чтобы посмотреть, как там внутри в потоке воздуха эти детали крутятся, при комнатной температуре пока. По спецификации загружают за один раз 14 заготовок, а почему бы не 21? Вот возьмем и производительность в полтора раза увеличим, может и консультанту не надо будет больше платить. Попробовали добавить одну штуку – вроде всё выглядит нормально, вбросили вторую и… – режим левитации нарушился и все колечки упали на дно трубы.

Нет, знали Бокрос со товарищи свое дело: ни убавить, ни прибавить. Попробовал я промоделировать гидродинамику процесса на компьютере: дно у реактора сделано в форме перевернутого конуса, воздух входит через дырочку снизу, и скорость его снижается пропорционально квадрату высоты. А что если сделать днище параболическим? Расчет показывает, что в этом случае скорость будет меняться линейно, то есть более плавно.

Заказали нужную деталь, собрали установку, запустили с 14 деталями – нормально. Стали добавлять сверху по одной: 15, 16, 17, а вот после 18-й все упали на дно – коллапс флюидизации наступил. Но тем не менее, на 20% производительность можно поднять, а какой формы дно реактора выточить, особой разницы нет.

 Написал отчет про изобретение, послал главному инженеру Медтроника. Генрих Альтшуллер был бы доволен, а Джефф не совсем: - Нам, - говорит, -производительность завода надо как минимум в два раза поднять – заказов на клапаны у компании на три года вперед, а ты про 20%.  

Честно говоря, он прав: ожидаемый эффект любого предложения должен быть значительным, а улучшение, меньше чем на 30%, скорее всего на практике ничего не даст, и вся ожидаемая прибыль потеряется по ходу реализации: больше деталей загружаем – больше воздуха надо подавать, а у нас компрессор на пределе – значит надо новый покупать, трубопроводы менять, в общем, играть надо по-крупному. Ладно, говорю, придется сами реакторы сделать повместительнее. Занялся расчетами, а Лина и Айзек в это время лабораторную установку модифицируют: увеличиваем диаметр с 4 до 6 дюймов, ну и компрессор сжатого воздуха заказываем помощнее.

Моделирую новый реактор большего диаметра, а всего их на заводе 16 штук, считаю параметры всякие и материальный баланс составляю. Соответственно больше воды пойдет на охлаждение, электричества на нагрев, и расходы реагентов надо увеличивать, как пропана – источника углерода, так и МТС – кремния. А МТС при разложении, кроме кремния, дает еще один атом углерода и три молекулы газа - хлористого водорода HCL,

CH₃ Si CL₃ + 1300^оС =>  Si + C + 3 HCL (газ)

Разложение МТС

А поскольку газ этот токсичный и выпускать в атмосферу нельзя, его поглощают раствором щелочи – нейтрализуют в специальном аппарате, называемом скруббер. А раз мы увеличиваем производительность, то старый скруббер надо менять на новый большего размера.

Приезжаю в Миннеаполис на совещание, докладываю ситуацию с проектом и про необходимость нового скруббера – ещё пять миллионов. И тут начальник по технике безопасности для меня специально сообщает, что этот хлористый водород уже «проел» все воздуховоды вентиляции – очень коррозионное вещество, и на днях была утечка в цех – еле успели людей эвакуировать; приехала комиссия, чуть вообще завод не закрыли. Все присутствующие немного помолчали, и тогда главный инженер предлагает в новом проекте вообще не посылать выхлопы реактора, содержащие хлористый водород, в общую вентиляцию, а около каждого реактора поставить свой маленький скруббер. - Интересно, - говорю, - а место для них в цеху есть?  Ведь новые реакторы итак будут больше старых. - Нет места, - отвечает Джефф, - и сейчас тесно, но ты консультант, вот и придумай что-нибудь.

Вернулся в гостиницу, сижу и думаю, как обещал, но кроме того, что просто надо новый завод построить, как говорят в Америке, «в зелёном поле», то есть с нуля, ничего не приходит на ум. Может надо «Теорию Изобретений» Альтшуллера применить, поискать где тут антагонизм сидит? - Хотим увеличить производительность, а места для оборудования нет. - А почему нет? - Потому что хлористый водород нельзя запускать в вентиляцию, а много маленьких скрубберов в цеху разместить тоже нельзя. - А может его каким другим способом улавливать? - Нет, вроде бы: нейтрализовать кислоту щелочью – это самый простой и дешевый метод; и отец так делал, и дед, и прадед – все они у меня инженеры-химики.

Ладно, думаю, противоречие я выявил, типа «маленькие раки по три рубля, а большие по пять», а теперь надо отвлечься: инкапсуляцию задачи, то есть её инкубацию в подсознании провести, и... включил телевизор. А была в то время эпидемия вируса Ковида, примерно год с ее начала, как раз самый разгар вакцинации населения. Смотрю, как какой-то безответственный блоггер-журналист рассказывает, что в Италии попытались оценить потребность в кислородных машинах, провели статистический анализ и получили странный результат: чем больше в больнице этих агрегатов, тем выше там процент смертности. Тут же нашелся специалист, который это истолковал с медицинской точки зрения, что-то там про гипероксию, повреждение легочных тканей…

И пришла странная мысль, как я выше писал, клюнула рыбка! Или может якорь за газопровод зацепился? - Если эти кислородные машины не нужны, то может и нам что-то лишнее выбросить? - Скруббер не нужен? – Нет, он хлористый водород ловит. - А может метил-трихлор-силан вводить не нужно: ведь с ним вместе в систему хлор попадает? - Нет, кремний плотность графитового покрытия улучшает, Бокрос не одобрит. - Держи леску, парень, не отпускай, слабину выбирай, а то сойдет рыбка. - А не нужен нам хлор – побочный продукт! А приходит он в нашу систему вместе с МТС, который дает кремний! — Вот оно изобретение! Нужен источник кремния, не содержащий хлора!

- А есть такой? - Конечно есть, имеются другие силаны – соединения кремния. И надо поискать вещество, похожее по свойствам на МТС, чтобы жидкий был, по крайней мере. Иду в интернет, Искусственного Интеллекта тогда еще не было, и нахожу соединение ЧМС – четыре-метил-силан - жидкий при комнатной температуре, с водой практически не реагирует, то есть менее опасный чем МТС, ну и хлора в нем нет, значит хлористый водород не будет выделяться при разложении. Более того, оказывается этот ЧМС широко применяется в других областях техники, где нужно напылять кремний. Спрашивается, почему же Бокрос не использовал ЧМС? – Проверили: в те далекие годы такой силан не выпускался, и единственным доступным источником кремния был хлорсодержащий МТС.

 Si (CH₃)₄ + 1300^оС =  Si + 4 C + 6 H₂ (газ)

Разложение ЧМС

Утром мне на самолёт надо, но я билет поменял на вечерний рейс, а лечу прямо к главному инженеру. - Джефф, есть идея хлор из процесса вообще исключить, и скрубберы не нужны, и корродировать будет нечему. - Он человек практичный - сразу всё понял. - А почем у нас ЧМС, и где его взять? - Позвали молодого инженера, с которым мы опыты ставили. – Посчитай, - говорит Джефф, - материальный баланс. Во что это нам обойдется?

Приходим с ланча, а у Айзека расчет готов: делают ЧМС в Германии, и в пересчете на кремний он в два раза дороже, чем МТС, но зато сильно экономим на пропане, поскольку в ЧМС четыре углеродных атома, а в МТС был только один. В общем, себестоимость расходных материалов или сырья вырастет всего на несколько процентов, зато на капитальных затратах экономия колоссальная – скрубберы не нужны и места в старом цеху должно хватить – обойдемся без нового здания. Да и безопасность производства - не последнее дело: не будет больше в процессе хлористого водорода.

Договорились мы, что Джефф доложит руководству и запланирует пробные запуски с ЧМС в одном из имеющихся реакторов, и Айзек их проведет, а я поехал домой работать над 6-дюймовым реактором.

Прошло три месяца, ЧМС для экспериментов закупили, и я собирался лететь в Миннеаполис. Вдруг получаю письмо от Джеффа: отложи поездку, Айзек и Лина уволились, есть проблемы с проектом. Позвонил Айзеку: оказывается история повторяется: Медтроник хочет продать завод по производству сердечных клапанов другой компании – инженеров сокращают, все проекты закрываются, а он уже нашел себе другое место. Я пожелал ему удачи, и выставил Медтроник счёт за проделанную работу.

Расстроился конечно, что не внедрили такое замечательное изобретение, но вспомнил Хемингуэя «Старик и море»: Да, гигантского марлина сожрали акулы, и его мясо не удалось продать по тридцать центов за фунт, но ведь старик Сантьяго его поймал, и это было здорово.

© Dimus 2026 March