Мир техники конкретен и материален -- бетон, сталь, кремний, стекло. Но воспринимаем мы его -- как и все на свете -- через призму психологии. Поиск простого, экономного, универсального и быстрого решения проблемы важен для функционирования и человека, и общества. И как опыт игры в шахматы преобразуется у мастера в таинственный алгоритм оценки позиции, так у нас в психологии образовался механизм возникновения радости при созерцании простого и быстрого. Естественно, это регулярно приводит к ошибкам и потерям.
На эту ситуацию, в зависимости от условий, можно реагировать по-разному - вот два крайних случая. Если никакие рациональные решения на основе этой искаженной картинки нам принимать не надо -- то ничего страшного, получаем удовольствие, и все хорошо.
Однако если нам информация нужна не для выделения адреналина и прочих полезных веществ, а для принятия решений и совершения действий, то полезно иметь хоть какой-то способ рационального оценивания нового, прорывного, беспрецедентного, авангардного, никем не достигнутого, выводящего к утру на новые рубежи и т. д. Попытке немного продвинуться в решении этой задачи посвящена данная статья. Основа рассмотрения -- конкретные исторические примеры.
Пример N 1 -- порошковая металлургия
Берем порошок нужного вещества, если взяли несколько порошков -- смешиваем, прессуем или прессуем с нагревом и наконец, спекаем. Технология известна с древности, вспышка интереса была в середине прошлого века -- показалось, что завтра все будем так делать, остальные методы сдадим в музей. Причина экстаза -- очевидные и серьезные преимущества: получение деталей без механообработки и без отходов. Причем можно использовать тугоплавкие металлы, например, вольфрам, с которыми по-другому обходиться трудно -- и с литьем большие проблемы, и с механообработкой. А техника вообще интересуется всем тугоплавким, в частности потому, что на этом пути удается поднять коэффициент полезного действия двигателей.
Со временем выяснилось, что у метода есть и другие плюсы, но и минусов полно, а результат был естественен и предсказуем -- определились локальные области, где метод действительно эффективен, то есть дает лучшие технико-экономические показатели, нежели классические способы. Например, получить этим методом компактный беспористый материал трудно, но зато если нам надо получить именно губку, это самое оно. Так что самосмазывающиеся подшипники, некоторые детали электровакуумных приборов и фильтры прыгают от восторга. Далее, метод очень хорош, если нам надо получить псевдосплав или композит, спеченную смесь нескольких веществ -- а это, между прочим, важнейшее применение: твердосплавные резцы и буровые коронки. Но многое плохо: при спекании материал дает усадку, так что механообработка может и потребоваться, исходные порошки не всегда легко получить и они могут быть дороги, деталь большого размера нечем прессовать, да и спекать ее в защитной среде при высоких температурах тоже негде.
Можно было в момент восторга все это предвидеть? Для того, чтобы сообразить, что большие детали так делать экономически невыгодно, достаточно немножко здравого смысла. Чтобы сообразить насчет усадки -- в общем, тоже ясно, что порам надо куда-то деваться. Про важность стоимости и технологии исходных порошков можно сообразить, если представить себе всю технологическую цепочку. Итак, один рецепт очевиден -- надо рассматривать не изолированный объект, а мир вокруг. Например, если речь идет о новом материале, то оценивать исходные вещества, технологию изготовления самого материала, технологию его применения, ситуации, в которых он может быть применен (конструкции, приборы), а также все то, что уже существует на этом поле, то есть с кем ему придется конкурировать, кого расталкивать локтями. А если речь не о материале, а о приборе?
Пример N 2 -- электровакуумные приборы
В течение примерно первой половины прошлого века все, связанное с управляемым движением электронов, аккуратно делилось между электротехникой, в которой электроны двигались в меди и иногда, брезгливо наморщив нос, в алюминии, -- и электроникой, в которой они двигались или в вакууме, или в газовом разряде. Правда, существовали еще селеновые и купроксные выпрямители (гален и прочая экзотика к тому моменту уже стали историей), в которых электроны путешествовали по полупроводнику, но это был маленький сегмент рынка. В середине века были созданы полупроводниковые усилительные приборы, транзисторы, и через какое-то время естественно возникла радостная мысль, что газоразрядным и вакуумным приходит конец. Воодушевляли прежде всего габариты -- обычный транзистор был в 10--30 раз меньше обычной вакуумной лампы, и было понятно, что его габариты можно уменьшить еще на порядок, а можно ли это сделать с лампой, тогда было неясно. Причем 10--30 -- это линейные размеры, а вес и объем -- доставайте калькулятор. (Позже выяснилось, что электронная лампа может по габаритам конкурировать с любым транзистором, но это была совсем другая история.)
Но уже в то время минимального знания техники хватило бы, чтобы быть осторожнее. Два важнейших параметра работы подобного прибора -- ток и напряжение. Что полупроводниковые приборы низковольтны и не могут работать при плотностях токов, сравнимых с газоразрядными и вакуумными приборами, было ясно -- на примере селеновых и купроксных выпрямителей. Полупроводник имеет относительно большое сопротивление, а значит -- тепловыделение ограничит ток. Отсюда вывод: в области малых мощностей, то есть в компьютерах и в большей части бытовой техники за полупроводниками будущее. В области больших напряжений, токов и мощностей лампы эффективнее. Ситуация с частотными свойствами была на тот момент туманна, хотя лампы, уже тогда освоившие гигагерцы (это современная сотовая связь), могли конкуренции не бояться.
Со временем возникло вполне стабильное состояние: в области малых мощностей и частот все полупроводниковое, в области больших -- вакуумное. Граница с десятилетиями перемещается (см. рисунок), совершенствуются и те, и другие, но само деление областей сохраняется. Тем не менее авторы популярной литературы твердят из года в год про вакуумные лампы, которые якобы представляют только исторический интерес.
Мораль: для оценки эпохальности нового изделия нужно рассматривать области применения и конкурирующие приборы и устройства. Это может быть непросто: те, кто уже есть -- они здесь давно, они в какой-то мере оптимизированы, и даже можно прогнозировать, как со временем будут улучшаться параметры. А новое изделие -- оно еще мокренькое, только вылупилось, оценить, как оно будет прогрессировать, трудно. Но нам может помочь физика -- подсказать какие-то принципиальные ограничения, которые надо учитывать.
Случались в технике электронных приборов и другие вспышки энтузиазма, но меньших масштабов. Например, в 60-е годы некоторые авторы предрекали, что вся цифровая техника будет выполняться на туннельных диодах -- приборах с участком отрицательного дифференциального сопротивления. Однако этого не произошло, хотя свои довольно разнообразные применения они нашли.
Пример N 3 - сверхпластичность
Примерно в середине века было обнаружено, что некоторые вполне определенные сплавы при некоторых, вполне определенных и точно соблюдаемых условиях (температура, скорость деформации, размер зерна материала) могут, не разрушаясь, деформироваться в десятки раз -- как пластилин. Немедленно поднялся крик: завтра все станки выкидываем, все будем делать этим способом! То, что метод годится только для очень немногих сплавов, не все заметили
Однако техника одних только сталей использует сотни, сплавов металлов -- тысячи, вообще материалов -- десятки тысяч, и ни за какие коврижки инженеры не собираются от всех них отказываться. Со временем крик утих, правда, и список материалов, которые можно так обрабатывать, слегка расширился. Тем не менее в технике обычно материал и конструкция первичны, а уж как сделать -- будем придумывать. Реальная жизнь сложнее и разнообразнее, иногда и конструктор идет навстречу технологу, да и вообще хороший конструктор и хороший технолог потому и хороши, что находят общий язык.
Мораль: при оценке перспектив новой технологии главное -- к каким материалам она применима, с какими уже существующими технологиями она будет конкурировать, как там дела с производительностью, стоимостью, отходами производства, загрязнением среды и так далее.
Пример N 4, противоположный -- цифровая фотография
Для полноты картины: иногда ситуация развивается иначе. При возникновении цифровой фотографии речь о вытеснении пленки не шла -- параметры были несравнимы. Но со временем полегоньку-помаленьку, большим трудом и большими деньгами, параметры цифрового фото добрались до параметров пленочного и перевалили через них. Последний бастион -- малый динамический диапазон (плохая гамма-кривая в "светах") преодолевается программно самим аппаратом. Некоторые недовольны регулярностью пикселей, но если это реально потребуется -- проблема будет решена, опять же, программно. Насчет специфически пленочной цветопередачи, к которой многие привыкли, -- некоторые цифровые камеры уже умеют имитировать даже разные типы пленок. В целом история обошлась, похоже, без взрыва интереса и без прогнозов о смерти пленки к концу недели.
В Интернете есть интересные материалы по запросу "пленка против цифры" и "цифра против пленки", и прочесть стоит несколько разных, ибо все немного пристрастны. Причем читать надо с учетом того, кто автор и на кого рассчитан материал -- на любителя, на профессионала, для которого это хобби, или на профессионала, работающего на заказ.
Пример N 5 - водородная энергетика
Водород в баллоне, кислород берем из атмосферы, из выхлопной трубы капает на асфальт водичка, зеленые ликуют, завтра переводим весь автопарк на водород. Действительно, двигатель на водороде сделать можно, и проблема с хранением водорода тоже понемногу решается. Проблема в другом: водород на Земле не добывается, а возить с Юпитера накладно. Стало быть, его надо как-то "делать", то есть извлекать из воды, а любое преобразование имеет КПД меньше единицы, к тому же всю эту новую энергетику нужно строить, ясно -- загрязнение больше, и намного, но только не у зеленых под окнами, а в другом месте.
Мораль уже известная -- надо не ликовать попусту, а рассматривать весь производственный цикл, а если что-то надо строить и создавать -- то сначала учесть расходы на строительство, загрязнения, создаваемые новым производством и так далее. На эту тему -- следующий пример.
Пример N 6 - солнечные батареи
Вопрос о целесообразности для конкретного потребителя сложен, сегодня все определяется ценами на комплектующие, монтаж, уход, замену износившегося (например, аккумуляторов), возможностью отдачи энергии в общую сеть, климатом, прогнозом цен (речь идет о годах) и много чем еще. В частности -- политикой: под давлением "зеленых" или просто для саморекламы власти кое-где устанавливают всякие льготы из бюджета. То есть, заставляя одних граждан платить за других.
Но опять же, это все частные вопросы. А в какой-то момент стоял крик: покроем этими, как их, кусочек Сахары - и проблемы решены. Однако годовое производство солнечных батарей в идеале обеспечило бы около 2% от мирового производства электроэнергии -- и это если бы Солнце сияло 24/7, а оно даже в Сахаре так не поступает Само производство солнечных элементов -- оно очень "не зеленое". Когда конкретный Джон, Иван или фирма "Джон, Иван и партнеры" делают себе из них крышу, это незаметно, а если мы захотим решить проблему глобально и за, скажем, 10 лет, то нам придется создавать новую отрасль промышленности, которая будет выпускать этих батарей раз в двадцать больше, чем сегодня. И создавать, соответственно, во столько же раз больше загрязнений.
Мораль та же -- надо рассматривать весь производственный цикл, а если что-то придется строить -- то и все сопутствующие производства.
Пример N 7 - 3D-бум
Про историю 3D-принтеров мы уже писали, и очень подробно ("Химия и жизнь", 2014, 12, 20). Область их применения -- производство изделий трех классов:
-- единичных или малых партий,
-- формы, которую очень трудно сделать традиционными методами (сложная, ажурная),
-- из материалов, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами.
Почему мы возвращаемся к этой интересной теме? Повод для журнала естественен -- письмо читателя. Причем рассмотрение вопроса выявило несколько интересных моментов, полезных для общего анализа. Один из наших читателей увидел сообщение о доме, который напечатан на 3D-принтере и выдерживает то ли ураган, то ли торнадо, то ли землетрясение в столько-то баллов и вдобавок дешев. И выразил восхищение и надежду на преобразование строительной индустрии. Тем более что, как показал проделанный им поиск в Интернете, строительство вручную одноэтажного домика с деревянным каркасом в США обходится дороже.
Начнем с начала. Дом состоит не из одного бетона, а из многих материалов. На принтере можно сделать каркас из "бетона" и даже указать его стоимость. Каркас -- важная часть дома, но в каркасе жить не будешь, даже если он дешевый. Далее, к вопросу о прочности и о "бетоне". Кавычки -- не шутка и не издевательство: технология бетона отрабатывалась десятилетиями, и она очень далека от того, что можно сделать на принтере. Так что прочностные свойства принтерного бетона могут сильно отличаться. Торнадо- и сейсмостойкость -- кто и как ее проверял, или это расчет? Устойчивость к воздействиям зависит не только от материала, но и от конструкции (которая из картинки в публикации не видна), поэтому устойчивость к воздействиям, даже если она надежно измерена (а не рассчитана), не является сама по себе, без дополнительных данных, характеристикой "изготовленного на 3D-принтере". Конечно, цельный бетонный каркас с не слишком толстыми стенками из бетона достаточной прочности при хорошем торнадо взлетит целиком. Ураган при скорости ветра 30 м/c поднимет с земли плиту толщиной 5 см из среднего по плотности бетона (1 г/см3; диапазон плотностей бетона 0,3-3 г/см3). При самой большой зафиксированной на Земле скорости ветра - более 100 м/с - взлетит полуметровая плита.
Но даже если это не учитывать, люди люди не перейдут массово на такую технологию строительства, потому что у рынка и конкуренции свои законы. И в Америке, и в России всегда строили и сегодня строят дома из дерева и вручную, и не потому, что нет развитой стройиндустрии. А потому, что в том сегменте рынка, в котором строят вручную, принтер так же неконкурентоспособен, как неконкурентоспособен огромный и могучий "Завод железобетонных изделий". Само существование такого рынка может быть связано в разных странах с разными факторами. Например, с наличием дешевого леса (РФ), фабрик, поставляющих относительно дешевые деревянные детали (США), "бесплатностью" рабочей силы (в деревнях РФ), относительной дешевизной (нелегалы или оплата кэшем в США), теми или иными транспортными расходами и, наконец, с естественным для многих людей желанием построить свой дом своими руками.
Кстати, то, что обычно понимается под бетоном -- это армированный бетон, железобетон, вдобавок подвергнутый определенной обработке (виброусадка). Принтер ничего из этого не умеет; некоторые пишут о разработке составов бетонов с армирующими добавками, например, с волокнами. Но волокна будут нести нагрузку иначе, нежели арматура, и такой бетон будет дороже. Некоторые договариваются до армирования углеродным волокном, завтра кто-то произнесет магическое "нанотрубки"... Более осторожные фантазеры используют выражения типа "существует мнение" и "такой-то нам сказал...". Кстати, если разработчики 3D сумеют придумать материал лучше бетона и технологически более простой, то за него немедленно ухватятся традиционные производства.
Иногда говорят, что автоматический восторг от нового оправдан тем, что новое всегда сначала плохонькое, но потом обязательно становится лучше и побеждает. Но тут работает, как сказали бы астрономы, "селекция наблюдений" -- о тех многочисленных, кто не стал и не победил, мы не знаем. Понятно, что если придуман действительно новый материал или технология, они не обязательно будут сразу хорошими -- но существенная новизна дает шанс. Однако аддитивные технологии известны давно, термо- и фотополимеризация -- тоже. В 3D-технологиях -- как это ни обидно -- нет того нового, что может через десять лет сделать революцию.
Впрочем... опять же, некоторые фантасты договариваются до того, что изменится вся техника -- все на свете будет производиться индивидуально, серийность как таковая скончается. Разумеется, это бред, причем по двум причинам: серийность и высокая скорость производства нужны - и не сами по себе, и не для того, чтобы снизить стоимость изделия, как пишут наивные фантазеры, - а просто потому, что человечество расходует именно столько изделий. Ну, а вторая причина -- разнообразие материалов, это мы уже обсуждали в примере N 3.
Пример N 8 из совершенно другой области
На сверхпластичности и водородной энергетике свет клином не сошелся. В мире есть еще и компьютеры! Один их способов бесплатно оценить перспективы той или иной информационной технологии -- это заглянуть на сайт фирмы Gartner или поискать в Интернете их материалы (запрос в Интернете -- Gartner). Это исследовательская и консультационная компания, специализирующаяся на рынках информационных технологий. Фирма известна введением в практику методов исследований и регулярными исследованиями рынков информационных технологий и аппаратного обеспечения. Они вообще полагают, что нормальный цикл состоит из вспышки интереса, спада и -- либо смерти, или медленного, спокойного и закономерного роста. Для примера на рисунке показан один из их графиков. Так что дело не в том, порошковая это металлургия или что-то модное из компьютерной области -- дело в нашей с вами психологии. Слаб человек, хочется ему чудес.
Общие рекомендации
Итак, посмотрев на все эти примеры и обрадовав себя графиками фирмы Gartner, что мы можем в итоге рекомендовать человеку, придумавшему какую-то замечательную идею либо созерцающему/слушающему очередной восторг по поводу очередного эпохального, не имеющего аналогов, с высочайшими характеристиками и так далее?
Три правила:
-- рассматривать всю производственную цепочку, точнее -- весь граф,
-- рассматривать все окружение, всех соседей,
-- рассматривать реальную конкуренцию.
Техника состоит из связей материалов, деталей, конструкций, изделий. Связи эти множественны, это не цепочки, хотя для упрощения так часто говорят, а граф. Начинается все, грубо говоря, с добычи руды, с нефти, с травы, которая растет на пастбище, с рыбы в море. А кончается даже не той или иной удовлетворенной человеческой потребностью, а утилизацией изделия. Киплинг советовал не забывать про подтяжки -- но не стоит забывать про хранилища радиоактивных материалов, барханы автомобильных шин и соответствующие расходы. Так что, оценивая перспективы материала, технологии или конструкции, полезно представить себе, как это новое встроится в существующий всеобщий граф производства -- откуда и по какой цене возьмутся материалы и далее со всеми остановками, включая утилизацию. И не забывая про загрязнение среды -- но там, где это доказано, а не там, где это политические игры.
Второе правило -- про рассмотрение окружения. Любой материал, деталь, конструкция, изделие существует в окружении. Программисты говорят -- программа подружилась с такой-то системой или нет? Врачи спрашивают о биосовместимости. В технике тоже есть нечто аналогичное. Общеизвестный пример -- электромагнитная совместимость: слышали, наверное, "при взлете и наборе высоты выключите электронные приборы". Если что-то выделяет тепло -- как оно повлияет на соседей? Если есть трение и износ -- что с продуктами этого износа? Просто контакт разнородных материалов: вот трубы из нового замечательного материала -- но что будет происходить на местах контакта с остальной системой? А еще есть окружающая среда -- газовый состав, влажность, температура, разные излучения -- и все это влияет.
Третье правило -- рассматривать реальную конкуренцию, то есть сравнивать не с чем-то простеньким, не с "мальчиком для битья", а с тем материалом, той технологией и тем изделием, причем на том самом рынке, где это новое попытается выжить. Тут есть, конечно, некоторая несправедливость -- новое должно быть не просто лучше старого (если оно реально лучше, со всем хорошо сочетается и так далее), а лучше настолько, чтобы окупились расходы не изменения. Простейший контрпример -- вавилонское наше наследие, 60 минут в часе: может, 100 было бы и удобнее, но представьте себе расходы на переделку всего. Да, и еще не забудьте принять в ваше внимание расходы на обслуживание за весь срок службы и сам этот срок -- он тоже имеет какое-то значение.
Анализировать этими способами каждый очередной восторг из прессы, да еще учитывая, как предложено выше, физические ограничения? Да с размышлениями, есть ли что-то принципиально новое? Да еще с непонятно какой определенностью? Похоже, что мало кого воодушевит такая задача. Есть, впрочем, две ситуации, когда вам придется этим заняться. Первая -- если вы размышляете, в какой стартап вложить свои миллионы. Вторая -- вы сами стартап и, отправляясь за миллионами, пытаетесь придумать убедительное обоснование.
Конечно, это не обязательно. Можно просто восхищаться красивыми словами, за которыми не стоит какое-либо содержание. По крайней мере, в этом случае не нагружается мозг, экономится энергия, и, значит, это биологически целесообразно. Так же, как биологически целесообразен столь любимый людьми поиск простого, экономного, универсального и быстрого решения проблем. С объяснения происхождения которого мы начали эту статью.
