Кварцевое стекло для кабелей связи можно производить в 6 раз быстрее
Новый метод изготовления материала разработали ученые из Перми. Он экономит не только время, но и огромное количество электроэнергии.
Кварцевого стекла нужно много
Сегодня почти вся связь – от классической телефонии до высокоскоростного интернета и квантовой передачи данных – обеспечивается за счет оптоволоконных кабелей. Потребность в них просто огромна и тот, кому удастся найти способ ускорения их производства, получит в руки стратегическую технологию, которая имеет глобально значение. Огромный шаг в этом направлении сделали российские ученые.
Основой оптоволоконного кабеля является сверхчистое кварцевое стекло, через которое и происходит непосредственная передача сигнала. Оно очень прочное и не боится высоких температур, что также делает его незаменимым в космической индустрии, микроэлектронике и лазерной технике. Пермские ученые в ходе экспериментов нашли способ, как ускорить производство этого материала в шесть раз.
Очень дорогое производство
Для начала надо коротко рассказать о том, как получают кварцевое стекло для кабелей. Для этого применяется так называемая золь-гель технология. Основой для готового продукта служит специальный раствор, состоящий из соединений кремния, кислоты и других компонентов. Эту смесь высушивают и прокаливают, чтобы получить диоксид кремния. Далее его плавят в печи при температуре 1800 градусов. Это нужно, чтобы избавить материал от примесей и пузырьков воздуха и изготовить требуемое сверхчистое стекло.
При этой методике термообработка длится 60 часов и сопровождается колоссальными энергозатратами. Например, одна плавка партии массой 100 кг потребляет около 3500–4000 кВт·ч электроэнергии. При этом любое отклонение в режиме, малейший скачок температуры приводят к браку.
Чем больше неровностей и «пузырьков» в исходном геле, тем дольше будет длиться термообработка до полного избавления стекла от дефектов. Чтобы сократить время и количество потребляемой энергии, ученые Пермского Политеха и ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» (ПНППК) решили найти способ обеспечения нужных свойств геля еще на стадии его приготовления.
Оптимальные пропорции
После серии экспериментов выяснилось, что материал нужного качества получается, если добавлять сверхмалое количество водного аммиака (порядка 0,1% от всех массы), а также этиловый спирт. В итоге частицы диоксида кремния получаются максимально целостными и прозрачными.
«В ходе эксперимента мы меняли тип катализатора, количество воды и добавляли или убирали растворитель — этиловый спирт. Чтобы после высушивания материал имел меньше внутренних дефектов и пор, его необходимо превращать в гель медленно и равномерно», - говорит Александр Возяков, начальник бюро новых разработок ПАО «ПНППК».
Усилия специалистов привели к поразительному результату. Время, необходимое для производства кварцевого стекла, удалось сократить с 60 до 10 часов.
Разработка пермских ученых имеет стратегическое значение для обеспечения полного цикла производства оптоволоконных кабелей внутри России. Одним из его слабых мест является то, что кварцевые заготовки для вытягивания волокна приходится импортировать. Теперь в стране есть собственная технология, которая не просто позволит заместить ввозной материал, но и удешевить его производство во много раз.
Пока технология совсем новая - это лабораторный эксперимент, и потребуется определенное время для его постановки на «промышленные рельсы». Здесь придется решить целый ряд технических задач.
Безграничные перспективы
Тем не менее, успешное масштабирование разработки пермских ученых открывает огромные перспективы. Россия не только приблизится к выполнению задачи по обеспечению полного цикла производства оптоволоконных кабелей без зависимости от импорта. Со временем они могут превратиться и в экспортный товар, выигрывая конкуренцию за счет низкой цены при сохранении должного уровня качества.
В ближайшие 1-2 года нужно наладить мелкосерийное производство нового стекла, чтобы отработать методы контроля качества, а также провести всесторонние испытания материала в «полевых» условиях. Если на этом этапе не возникнет критических проблем, то в ближайшие 3-5 лет можно будет говорить о выходе на полноценное промышленное производство.
Стоит отметить, что новый метод получения кварцевого стекла может повлиять не только на развитие телеком-индустрии. Оно широко применяется в электронике, микроэлектронике, оптике и лазерной технике, а также в современных навигационных системах. А это значит, что новый импульс к развитию может получить целый ряд важнейших отраслей.
