Русский космос Фабрика солнца

LT: Александр Васильевич, познакомьте наших читателей с вашим институтом.

АЛЕКСАНДР ЛАТЫШЕВ: Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН — многопрофильный междисциплинарный научный центр, занимающийся фундаментальными исследованиями, то есть получением новых знаний. В стенах института трудятся около тысячи человек, которые показывают хорошие результаты, — наши статьи регулярно публикуются в престижнейших научных журналах, в том числе и зарубежных. Притом что мы, как и все российские учёные, получаем значительно меньшее финансирование по сравнению с западными коллегами, это не мешает нашему Институту участвовать в процессе отбора статей в международные издания, где публикуют свои результаты американцы, немцы, японцы и другие лидеры современной науки. Прорываться вперёд нам помогают наши компетенции и уникальные наработки. Некоторые проекты мы реализуем в интеграции с зарубежными партнёрами. Но замечу, что в последнее время за счёт национальных проектов в науку стали поступать дополнительные средства, благодаря которым мы можем приобретать необходимое оснащение для лабораторий. Это крайне важно, ведь аналитическое и прочее оборудование достаточно быстро устаревает, а нам надо не отставать от темпов развития мировой науки.

В каких научных областях вы проводите исследования?

Приоритетным направлением нашего института является физика конденсированного состояния, элементная база — микроэлектроника, оптоэлектроника, наноэлектроника, квантовые компьютеры, лазерная физика, нанофотоника. Всё это молодые направления, базирующиеся на новых физических принципах. Известно, что современный научно-технический прогресс в значительной степени определяется развитием электроники, основой которой являются успехи фундаментальных наук, в первую очередь физики твёрдого тела и физики полупроводников. Это хорошо чувствуется по той цифровой трансформации, которая происходит вокруг нас. Мы даже уже не говорим про гаджеты — оцифровываются абсолютно все сферы жизни человечества, никого уже не удивить существованием цифрового правительства, цифровой экономики и криптовалют. А драйвер этого процесса — маленький элемент, который называется транзистор, ведь вся электроника работает на двух сигналах — 0 и 1, в зависимости о того, пропускает полупроводник ток или нет. Поэтому в нашем Институте существует множество направлений, развивающих цифровые технологии. Например, недавно проект ИФП СО РАН, выполняемый под моим руководством, — «Квантовые структуры для посткремниевой электроники» — победил в конкурсе Минобрнауки России по приоритетным направлениям научно-технологического развития РФ. Это масштабный научный проект, так называемый «стомиллионник». Выслушать отчёт за первый этап работы к нам приезжал Александр Михайлович Сергеев, президент Российской академии наук.

В ИФП СО РАН трудятся не только опытные учёные, но и молодёжь. Что их привлекает в научной карьере?

Для молодых учёных самое важное — сделать что-то своё, пусть это даже будет совсем небольшой научный шажок. Зная это, я иногда немного лукавлю с учениками: когда они получают результат, который можно и не заметить, я всё равно их хвалю, обращаю внимание на все их достижения. Благодаря такой поддержке молодые сотрудники загораются идеей, у них появляется желание идти дальше и развиваться. Поскольку я ещё и заведующий кафедрой НГУ, то всегда ставлю задачу перед студентами проводить исследования в рамках тех проектов, над которыми мы сами работаем. Пусть это будет маленький вклад, но когда начинающий учёный серьёзно над этим трудится, работает в команде, он понимает, что его старания не напрасны. Бывает, что от студентов приходят новые мысли, инновационные идеи, ведь у них ещё свежий, незашоренный взгляд на решение научных задач, и это ценно.
Наши студенты выигрывают многие конкурсы. Конечно, для учёного соревновательный процесс не прост, ведь все свои идеи и полученные результаты он должен защитить, в первую очередь перед строгими коллегами. Но именно в этой борьбе рождаются новые знания и идёт развитие науки. В своё время я успел поездить по миру — два года работал в Японии, читал лекции в Германии, но всё время хотел вернуться в Россию, чтобы создать свою школу. Теперь я могу уверенно сказать, что достиг этой цели. У нас сильная школа, сплочённая команда высококлассных специалистов, в том числе и молодых, реализующих проекты, которыми мы гордимся.

Какие наработки Института уже внедрены в наукоёмкое производство?

Практически все. Институт физики полупроводников имени А. В. Ржанова плотно сотрудничает с промышленностью, ведь со дня основания нам ставилась задача не отрывать науку от производства. Мы понимаем, как нужно внедрять свой научный результат в производство. Ведь, к сожалению, пока промышленники не склонны выхватывать у учёных идеи. Процесс внедрения происходит достаточно сложно. Мы выходим с полуфабрикатом не на глобальный рынок, а туда, где собираются предприятия электронной промышленности, и убеждаем их в эффективности наших идей. Например, мы делаем кремний на изоляторе — это технология изготовления полупроводниковых приборов, основанная на использовании трёхслойной подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо обычно применяемых монолитных кремниевых пластин. Этот материал обладает радиационной стойкостью, помогает защитить электронику от излучения. Его используют в космической и атомной промышленности. Мы научились выращивать особые структуры, управляя всеми внутренними процессами и получая материалы, не существующие в природе. Наш Институт знаменит молекулярно-лучевой эпитаксией — это топовая технология физики полупроводников. В развитии этого направления ИФП СО РАН сделал многое. Известный российский учёный-физик, лауреат Нобелевской премии по физике Жорес Иванович Алфёров крайне высоко оценил наши заслуги. Он частенько бывал у нас в гостях и следил за нашими результатами. Кроме того, в нашем институте выращиваются в вакуумных установках специальные материалы для СВЧ-электроники. Мы выходим на рынок под грифом «единственный поставщик в России фоточувствительных материалов для инфракрасной техники». На основе этой технологии «Роскосмос» заказал у нас разработку матрицы для исследования ближнего и дальнего космоса. Мы сделали её размером 3000 на 3000 пикселей — до нас в России ещё никто не создавал такую большую матрицу. Если ещё говорить о космических проектах, то совместно с краснодарским высокотехнологическим предприятием АО «Сатурн» мы работаем над созданием гибкого солнечного элемента.
Конечно, все сейчас осознают, что страна, которая сможет наладить промышленность в космическом пространстве, станет неоспоримым лидером на мировой арене. В ближайшем будущем людям понадобятся более эффективные фотоэлементы, ведь чем больше энергии мы сможем давать космическому кораблю, тем больше возможностей откроем, в том числе и по организации производства на орбите. Нас, как учёных, волнует судьба нашей цивилизации, прорабатывая свои идеи, мы уже можем предсказать, что ждёт человечество в ближайшие несколько лет, какие задумки рано или поздно обязательно «выстрелят».

Солнечный элемент, или по-другому фотоэлектрический преобразователь, — полупроводниковое устройство, преобразующее солнечную энергию в постоянный электрический ток. Принцип внутреннего фотоэффекта, лежащий в основе фотоэлектрического преобразователя, известен давно, но сейчас идёт бурное развитие технологии, которая позволит существенно увеличить эффективность данных фотопреобразователей. Наша Лаборатория занималась непосредственно технологиями утонения для создания тонкого и гибкого солнечного элемента на базе массово производимых солнечных элементов АО «Сатурн». Мы успешно решили задачу и сделали гибкий элемент весом 1,56 грамма при общей площади 31 см², при этом вес самой фотогенерирующей части составляет менее 0,1 грамма при толщине всего 4,5 микрона. Такой элемент обладает КПД более 28%. Я думаю, что дальнейшее развитие энергообеспечения космических аппаратов и так называемых атмосферных спутников пойдёт именно по этому пути.

Полупроводниковые структуры для фотоэлементов выращиваются в установке молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Установка состоит из загрузочного шлюза и высоковакуумной ростовой камеры, которые разделены своеобразной герметичной дверью — шибером. Через шлюз происходит загрузка подложечного материала для изготовления солнечных элементов. После чего атмосферный воздух откачивается до уровня сверхвысокого вакуума, и затем, через шибер, подложки из шлюза поступают в высоковакуумную ростовую камеру, где происходит послойное выращивание необходимыx полупроводниковых слоёв. Для получения того или иного слоя используются специальные источники — тигельные или вентильные. В источниках находятся особо чистые вещества — галлий, индий, кремний, мышьяк и другие. При нагревании источника вещество, заключённое в нём, испаряется в виде атомов или молекул, которые затем конденсируются на кристаллической полупроводниковой подложке, образуя химические связи и полностью повторяя её структуру. Комбинируя различные источники, мы можем создавать полупроводниковые слои, обладающие различными электрофизическими свойствами. Таким образом, слой за слоем происходит постепенный рост. С помощью метода дифракции быстрых электронов на отражение (метод подразумевает бомбардировку электронами растущей пленки: по результатам их отражения от пленки можно оценить ее свойства — состав, толщину, рельеф и т. д.) мы на атомном уровне следим за процессом роста и контролируем создание структуры.
Для технологии МЛЭ необходим сверхвысокий вакуум, чтобы примеси не нарушали эпитаксиальный рост. В земных условиях для получения сверхвысокого вакуума мы вынуждены использовать целый комплекс, состоящий из форвакуумного насоса, турбины, магниторазрядного насоса и жидкого азота, который охлаждает стенки криопанелей. Именно поэтому все технологически развитые страны так рвутся в космос, ведь именно там мы можем выращивать подобные структуры, не прибегая к высоким затратам по созданию безвоздушной среды.

Установка МЛЭ «Экран», предназначенная для проведения экспериментов по росту полупроводниковых материалов на орбите Земли, продолжает линейку сверхвысоковакуумного оборудования, созданного в Институте физики полупроводников. За свою историю ИФП СО РАН выпустил порядка сорока установок молекулярно-лучевой эпитаксии, а наша лаборатория много лет специализируется на исследованиях сложных гетероструктур А4 В4, А3 В5 и А2B6 в самом широком диапазоне полупроводниковых материалов — неудивительно, что заказ «Роскосмоса» на проведение космического эксперимента по отработке технологии синтеза полупроводниковых наноструктур в условиях космоса достался именно нам. Данную работу мы проводим совместно с ПАО «РКК «Энергия» и НПФ «Электрон».
Уже через год-полтора эта установка будет работать на орбите, создавая в космосе полупроводниковую плёнку по технологической карте, разработанной нашей лабораторией. Окончательный её вес составит 150–200 кг — это в 4–5 раз легче американского прототипа, который выводился на орбиту американцами. Все процессы будут выполняться автоматически — над блоком автоматики как раз работают коллеги из НПФ «Электрон». Отмечу, что установка МЛЭ «Экран» полностью отвечает орбитальному регламенту. Действия космонавтов на станции отработаны на уровне рефлексов: например, за детали агрегата, окрашенные в характерную полоску, можно браться руками — именно такой окрас имеет ручка «Экрана», взявшись за которую космонавт должен будет снять кассету с полученными полупроводниковыми плёнками. Всего на нашей установке будет проведено двенадцать экспериментов, в ходе которых мы надеемся получить двенадцать таких структур.
Самое главное в нашей работе то, что мы переносим в космос технологию, освоенную на Земле. То есть сегодня человек не просто открывает для себя тайны Вселенной, но и несёт туда возможности современной цивилизации: приборостроение, достижения биологии и медицины, методы выращивания зерновых культур и т. д. В перспективе нам нужно научиться воспроизводить в космосе все сферы нашей жизни — научиться делать это как на орбите, так и на других планетах.

LT: Олег Петрович, развитием эпитаксиальных вакуумных технологий, которые будут использоваться для изготовления высокоэффективных преобразователей солнечной энергии на орбите, команда ИФП СО РАН занимается более 30 лет. Почему это направление так долго живёт и каковы его перспективы?

ОЛЕГ ПЧЕЛЯКОВ: Развитие методов и аппаратуры для реализации молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) — это движение к настоящей революции в микро- и наноэлектронике. Речь идёт о выращивании сложных кристаллических структур, состоящих из разнообразных химических соединений и твёрдых растворов с полупроводниковыми, металлическими и изолирующими свойствами. Эти структуры, синтезированные на поверхности полупроводниковых пластин, используются для изготовления интегральных схем и многих приборов, в том числе высокоэффективных солнечных фотоэлементов, о которых речь пойдёт позже.
У истоков развития МЛЭ в Институте физики полупроводников стоял первый его директор Анатолий Васильевич Ржанов, который называл развитие полупроводниковой электроники «атомной инженерией вещества». Разработкой этого направления занялась лаборатория доктора физико-математических наук Сергея Ивановича Стенина, его заместителем был тогда Александр Леонидович Асеев, ныне академик РАН и главный научный сотрудник нашего Института. К сожалению, Стенин ушёл из жизни рано, в 50 лет, а Асеев возглавил другую лабораторию, поэтому дело Стенина продолжили я и мои коллеги. Сейчас в отделе роста и структуры полупроводниковых материалов около ста сотрудников, и наш коллектив удостоен государственной поддержки как одна из ведущих российских научных школ. Более того, исследование синтеза полупроводниковых многослойных эпитаксиальных структур в условиях открытого космоса было ключевым пунктом программы фундаментальных исследований по космическому материаловедению, сформированной в Совете по космосу РАН в 2000 году. И сегодня по заказу «Роскосмоса» Институтом физики полупроводников разработан и утверждён эскизный проект для синтеза материала солнечных батарей на орбите Земли.

Зачем производить этот материал именно в космосе?

Дело в том, что в установке молекулярно-лучевой эпитаксии необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум — чистота испаряемых материалов должна достигать 99, 99999%. На Земле мы можем лишь приблизиться к идеальным показателям, тогда как в условиях космического вакуума гораздо легче достичь совершенных характеристик выращиваемых структур. Идея переноса технологии МЛЭ в космос обсуждалась ещё при жизни Сергея Ивановича Стенина. Также подобный проект был инициирован в США, в лаборатории профессора Алекса Игнатьева при Хьюстонском университете. Игнатьеву удалось трижды вывести свою установку МЛЭ на орбиту и получить первые полупроводниковые плёнки в условиях чистейшего вакуума. Но после трагедии с шаттлом «Колумбия» в 2003 году американская программа «Спейс-шаттл» была свёрнута, а все челноки списаны — доставка 800‑киллограмовой установки МЛЭ на орбиту стала для Игнатьева невозможной. К счастью, мы с Алексом дружили и тесно сотрудничали в рамках международной космической программы, утверждённой президентами России и США. Хоть Игнатьев и родился в Германии, а работает в Америке, он всё равно русский человек с чистейшим русским языком и такими же помыслами. (Улыбается.) Он передал нам разрешённые для огласки результаты своих исследований, и мы быстро пошли вперёд. К сожалению, в последние годы в отношениях между Россией и США снова наступило похолодание, но мы продолжаем переписываться с нашими американскими друзьями, потому что большая наука вне политических трендов — мы работаем вместе для будущего всего человечества.

Как на практике будут воплощены результаты ваших космических экспериментов?

Первый шаг — создание технологической оснастки контрольно-измерительной аппаратуры и бортовых систем питания орбитальной станции МКС. В 2013 году на научно-техническом совещании на НПП «Квант» (одном из двух российских предприятий, где производятся солнечные батареи) академик
Ж. И. Алфёров, академик А. Л. Асеев, генеральный директор АО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнёва» Н. А. Тестоедов и другие участники, включая меня, сошлись во мнении о том, что солнечная энергетика — одно из главных направлений, которое нам нужно развивать, чтобы оставаться космической державой. Российские космические аппараты, которых на орбите находится порядка двадцати, должны быть обеспечены энергией. Эту проблему может решить орбитальная минифабрика (или комплекс таких фабрик) по производству структур для солнечных батарей нового поколения.

Человечество мечтает об источнике чистой энергии,
и правильно делает: сибирские учёные готовятся провести
на орбите Земли эксперимент, который поможет
совершить прорыв в солнечной энергетике

Дальше — больше. Земле также нужна чистая энергия, только по-настоящему чистая, а производство солнечных батарей этому условию полностью противоречит — сколько загублено лесов, сколько сожжено углеводородов, сколько вредных примесей выделяется в атмосферу, не знает никто, но, поверьте, урон природе наносится колоссальный. В перспективе все вредные электронные производства нужно выносить на орбиту и на Луну, где токсичные выбросы рассеиваются до безопасных для человека концентраций.

В одну из наших встреч вы рассказывали о печальной судьбе, постигшей такие прекрасные космические проекты, как «Буран» и орбитальная станция «Мир». Несмотря на то что это были уникальные творения великой научной державы, их закрыли по причине якобы нерентабельности, устаревания и так далее…

Да, модуль «Природа» был присоединён к станции «Мир» всего за два года до её утопления в Тихом океане — это к вопросу об устаревании.

…так почему вы не думаете, что то же самое может случиться с идеей строительства орбитальных фабрик?

Мы живём и всё ещё делаем красивое «железо», которое — я надеюсь — через год-полтора окажется на орбите и будет выполнять свою задачу для будущего человечества. Работает и «Роскосмос» во главе с Дмитрием Олеговичем Рогозиным, которого я считаю настоящим героем, стоящим на защите российской космической индустрии.
А кроме того, у нас замечательная молодёжь — в Институте физики полупроводников работают студенты из НГУ, Красноярского, Томского университетов. Они оптимисты, у них горят глаза, и я верю, что с такими кадрами мы пробьёмся. Сейчас мы ведём переговоры с Ракетно-космической корпорацией «Энергия» имени С. П. Королёва, чтобы они дали нам молодых космонавтов для обучения нашим технологиям и, в свою очередь, взяли наших молодых специалистов к себе на практику. Новые глобальные проекты по-прежнему увлекают молодёжь — сегодня всем очевидно, что человечеству становится тесно на Земле и нужно осваивать пространство за её пределами.

В этом американцы, кажется, нас опередили, успешно посадив свой ровер Perseverance на Марс.

В своё время мы с Алексом Игнатьевым провели три блестящих международных конференции под названием «Нанотехнологии, энергетика и космос»: в Хьюстоне, в Алма-Ате и в Черноголовке (наукоград в Московской области — прим. ред.) В Хьюстоне мне врезалось в память выступление женщины-космонавта, которая совершенно чётко сформулировала мысль о том, что полёты на Марс — не для человека. Во‑первых, не существует такой радиационной защиты, которая позволит космонавтам долгое время находиться на Марсе: всё-таки их единственное убежище — не свинцовый саркофаг, а космический корабль с тонкими стенками. А во‑вторых, на Марс слишком дорого улететь, ещё дороже что-либо там производить и очень большая проблема — вернуться. Луна — другое дело. Она ближе, лучше нам знакома, да и лететь туда дешевле. Насколько мне известно, в России полёты на Луну запланированы на 2023 год. Так что немножко оптимизма — и наши космические фабрики солнечной энергии послужат людям.