Нанотехнология в атомной отрасли и будущее атомных городов

В-третьих, сегодня около 30% от всей вырабатываемой электроэнергии расходуется на освещение улиц, помещений и т.д. Снижения энергопотребления до 50% можно добиться за счет внедрения светодиодов на основе нанотехнологий. Один из основных пилотных проектов в этой сфере уже реализуется Уральским оптико-механическим заводом. Если представить, что в городах  переоборудуется  все уличное освещение на новые светодиоды, которые экономят электроэнергию в значительной степени, поскольку и потребляют меньше, или хотя бы  подъезды жилых домов РФ переоборудуем на эти новые энергосберегающие технологии, то экономия федерального бюджета и средств налогоплательщиков будет свыше 100 млрд. рублей в год.³

Другой путь непосредственной экономии ресурсов в области производства электроэнергии — это разработка наноструктурированных материалов, обладающих повышенными прочностью, радиационной  износоустойчивостью. Специалистами «Курчатовского института» разрабатываются инновационные материалы для корпусов энергетических реакторов перспективных блоков АЭС-2006. Экономический эффект от внедрения указанной технологии будет заключаться в двукратном повышении проектного срока службы атомных реакторов, что при существующих планах эквивалентно строительству до 30 энергоблоков АЭС.

Хочу обратить внимание еще на одну проблему, существующую в настоящее время в атомной отрасли, однако,  решаемую с помощью применения наноматериалов. Речь идет о захоронении радиоактивных отходов. Сегодня   разработан инновационный проект производства контейнеров для захоронения радиоактивных отходов из конструкционной наноноструктурной керамика на основе Al₂O_3. 

Такая керамика обладает в 1,5 раза более высокими механическими свойствами. Развитая микроструктура (размер кристаллитов менее 100 нм) придает ей большую устойчивость в радиационных полях по сравнению с традиционной керамикой. Учитывая эти  свойства,  данную керамику целесообразно использовать в качестве контейнеров для радиоактивных отходов, в том числе и для крупногабаритных диаметром до 2 метров, на 1000 кг материала. Срок хранения р/а отходов в таких контейнерах составляет как минимум 600 лет. Использование наноструктурной керамики позволит значительно улучшить защитные свойства таких контейнеров.

ООО «НПО Центр промышленных нанетехнологий»  готово организовать промышленное производство керамических контейнеров для захоронения р/а отходов.

Стоимость захоронения 1 кг радиоактивных отходов составляет $ 1000 и более. Себестоимость изготовления 1 контейнера на 1000 кг р/а отходов составит менее $ 1000. Таким образом, рентабельность производства может составлять сотни и более процентов.

Обобщая вышеизложенное, хочу подчеркнуть  главное- развитие нанотехнологий и использование наноматериалов может кардинально изменить облик российской экономики. Благодаря этому развитию экономика может измениться от сырьевой до базирующейся на интеллекте, на знаниях.

5. Социальные аспекты нанотехнологии.

Я считаю, что ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

Одним из приоритетных направлений  индустрии  наносистем и материалов  являются нананотехнологии для медицины. В этой области свою лепту внесли  физики-ядерщики из Объдиненного института ядерных исследований (ОИЯИ) подмосковной Дубны. Они предложили  использовать нанотехнологии для лечения онкологических заболеваний. Главное преимущество изобретённого метода заключается в том, что облучение не затрагивает здоровые клетки, метод так называемой мишенной терапии рака, то есть использования специфических носителей, которые бы избирательно связывались с раковыми клетками, доставляя туда вещества, повреждающие эти клетки. Ими могут быть радионуклиды, которые имитируют различные ионизирующие частицы (бета- или альфа), либо лекарственные средства, которые такими носителями доставляются непосредственно к раковым клеткам. Радиобиологам удалось найти один агент, который селективно связывается с клетками меланомы. Это пигментная меланома человека, наиболее агрессивная опухоль. Вместе с радиохимиками института было создано  соединение с радионуклидом (который, естественно, получается на ускорителе) — астатом-211, являющимся чистым излучателем. И альфа-частицы, обладающие высокой поражающей способностью, селективно доставлялись этими носителями в раковые клетки и повреждали их. Была показана очень высокая эффективность этого препарата. Однако, довести эти исследования до клинических не удалось, в силу финансовых и прочих трудностей эта работа остановилась. Сейчас опробируется другой метод: на основе этого носителя, который селективно связывается с клетками меланомы, использовать нанокластеры золота. Все, что нужно для лечения – совсем немного драгоценного металла.

В отличие от других методов лечения  раковых заболеваний, новый подход с использованием драгоценных наночастиц золота  и СВЧ-излучения, по результатам предварительных исследований, может позволить излечиться от серьёзного недуга с меньшими потерями для организма, не поражая сосуды и нервную систему. После введения в организм препарата наночастицы золота оседают на раковых клетках. Тогда на них воздействуют СВЧ- излучением. Так как золото – хороший теплопроводник, клетки нагреваются в тысячу раз быстрее здоровых тканей. Таким образом, злокачественное образование разрушается.

Эти инновационные разработки имеют  колоссальную социальную значимость. Им в первую очередь необходима государственная финансовая поддержка. Ведь они направлены на здоровье человека, а здоровье человека является главным из того, что есть в нашем обществе.

Говоря о стратегии будущего в области медицинских радиационных технологий, на мой взгляд, необходимо отметить разработку ещё одного социально  значимого проекта – Создание Центра медицинских радиационных нанотехнологий в Троицке, который будет иметь статус исследовательского и лечебного центра. Участники проекта:  ИЯИ РАН (предоставление и обслуживание ускорителей, радиологического центра и научно- исследовательской базы, наработка ПЭТ изотопов, синтез и исследование РФП), Курчатовский институт (наработка альфа- излучающих изотопов), Медицинский центр РАН (медико-биологические работы, работа с пациентами), МГУ им. Ломоносова (синтез и анализ РФП и наногибридов), Институт гена РАН (синтез и анализ РФП и наногибридов), Российско-американский онкологический альянс (участие в разработке технологии создания и применения РФП).

В создаваемом центре будет проводиться  ранняя диагностика онкозаболеваний, текущая диагностика пациентов, проходящих лечение, терапия онкозаболеваний  с использованием радиоактивных наногибридов на основе радионуклидов собственного производства.

Создание такого центра очень актуально. Сегодня в  виду слабой  ранней диагностикой онкозаболеваний в  России около 70% больных диагностируется  на поздних стадиях, когда лечение  малоэффективно. Наиболее современным и точным методом ранней диагностики новообразований является сканирование на совмещенном ПЭТ (позитронно-эмиссионный томограф) и КТ (компьютерный ренгеновский томограф) сканере. Сейчас в России практически не работает ни один такой сканер, а, например, в США работает более 400 ПЭТ/КТ сканеров.

Дистанционная  радиотерапия, в  том числе и протонная терапия, практически бессильна для лечения  множественных новообразований (метастазов). Для борьбы с  этими новообразованиями  во многих западных  медицинских и ядерно- медицинских центрах ведутся исследования по созданию  радиофармпрепаратов (РФП), содержащих радиоактивные наногибриды. Эти искусственные наноструктуры должны прицельно доставлять разрушающий радиоизотоп к раковой клетке, точнее – к сосудам, питающим раковые клетки. Это адресная доставка наночастицы происходит за счет имеющегося в ее составе агента (RGD), находящего все новые сосуды, прорастающие к новообразованиям. В качестве разрушающего изотопа обычно используются альфа- излучающие изотопы

( Y90 , Bi213, Po210  и др.)Важнейшем компонентом этой технологии является изотоп- маркер, позволяющий контролировать и измерять распределение наночастиц в организме пациента с помощью ПЭТ/КТ сканирования. В этой роли используются ПЭТ- радионуклиды (обычно –I 124). Такая наногибридная радиотерапия высокоэффективна. Таким образом, в Троицке будет создан первый универсальный радиологический центр, позволяющий проводить диагностику и терапию онкологических заболеваний на любых стадиях.

Для справки НаноГибриды- это полимерные наноструктуры(кольца), несущие несоединимые другими способами комбинации прицельных агентов, диагностических и терапевтических изотопов для подавления опухолей. Это частный случай приложения НаноГибридной технологии, разрабатываемой в рамках совместных проектов Американо- Российского Онкологического Альянса (University of Maryland, Fox Chase Cancer Center, Курчатовский институт (КИАЭ), ИЯИРАН, Advanced Nuclide Technologies и другие).

Заключение. Достижения наноиндустрии и качество жизни населения. 

Согласно исследованиям  Foresight Nanotech Institute 2005 г., использование  нанотехнологий позволит в будущем решить ряд наиболее значимых для человечества проблем.  

Одной из важнейших проблем является обеспечение мировых энергетических потребностей. Согласно прогнозам, спрос на электроэнергию к 2025г. вырастет на 50%. В настоящий момент около 1,6 млрд. человек не обеспечены электричеством, а 2,4 млрд. - используют сельскохозяйственные отходы и растительные материалы в качестве источника энергии и тепла. Использование ископаемого топлива растет и может удвоиться в ближайшее время.  

Предполагается, что нанотехнологии позволят решить энергетические проблемы посредством применения более эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов, солнечных элементов, распределения источников энергии и децентрализации производства и хранения энергии за счет качественного обновления электроэнергетической системы.  

Не менее актуальна проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3%, из которых только 1% используется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд. человек не имеет возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050г. 2/3 населения Земли будут испытывать недостаток пресной воды. Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования, в том числе, недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и фильтрации нового поколения. 

Одной из важнейших задач остается улучшение здоровья и продолжительности жизни.

                     Средняя продолжительность жизни населения (лет)

Эти показатели могут быть значительно  выше при условии применения прогрессивных  средств против старения организма.  

За последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний, смертность от которых составляет 30% от общего числа смертей во всем мире (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.). Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн. новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них в мире составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020г. количество онкобольных в мире может возрасти на 50% и составить 15 млн. в год.  

Применение нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения новых лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК. 

Еще одной важнейшей проблемой  является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность населения на данный момент составляет около 6,5 млрд. человек и к 2050г. достигнет 8,9 млрд., что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания. Предполагается, что применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.  

Одной из сфер, где нанотехнологии уже сегодня сделали значительный шаг вперед, является электроника. По данным исследования, проведенного в 2005г., лишь 13,9% населения имеют доступ к Интернету. Отсутствие возможности использования информационных ресурсов и технологий большинством жителей Земли отрицательно сказывается на уровне образования, межкультурных коммуникациях и росте экономического благосостояния.  Использование нанотехнологий позволит решить эту проблему за счет значительного снижения цены и повышения качества элементов памяти, мониторов, процессоров, элементов на солнечных батареях, встроенных информационных систем и т.д.