Тема 3. Приоритетные направления развития и совершенствования систем технологий

3.1. Перспективные направления развития технологических систем

Эффективность различных отраслей производства, основанного на неизменных традиционных технологических принципах, не имеет перспектив роста на какой-либо продолжительный период. После стабилизации происходит уменьшение эффективности, выражающееся в снижении качества, стоимости реализации, конкурентоспособности и других показателей. Дальнейший рост невозможен без совершенствования параметров или всего технологического процесса на основе использования результатов научных исследований.

На настоящем этапе развития технологических систем выделяют 6 основных перспективных направлений и тенденций.

1. Важную роль сейчас играют процессы микробиологического синтеза. Это и выработка микробиомассы (дрожжи, белково-витаминные концентраты), биохимической (лекарства, органические кислоты, витамины, спирты) и химической (6-аминопенициллиновая кислота) продукции, биоочистка сточных коммунальных и производственных вод в биопрудах, био- и аэротенках и др. Безусловно, все эти технологии предусматривают многостадийность операций и процессов (например, дозирование, нагревание, фильтрование, флотацию, коагуляцию и др.), соответствующих или предшествующих протеканию биохимического процесса. Биотехнологии также применяются в ряде устройств, позволяющих измерять различные физические параметры. Биодатчики реагируют на различные вещества как в газовой, так и в жидкой средах. Эти датчики изготавливаются на основе глобулярного белка, ферментов или колоний микроорганизмов. Наиболее простой принцип – молекулы белка избирательно поглощают атомы или молекулы другого вещества и изменяют свои размеры, что фиксируется прибором. Это дает возможность определять не только факт наличия контролируемого вещества, но и его концентрацию. При некоторых окислительных реакциях ферменты начинают светиться, т.е. возникает биолюминесценция, интенсивность которой зависит от концентрации ферментоактивного белка и может быть измерена. В датчиках ферменты обычно наносятся на так называемую подложку из инертных материалов.

2. Большие перспективы открываются в использовании молекулярной микроэлектроники в устройствах памяти и сохранения информации в компьютерах. Одним из материалов в таких устройствах является бактериородоксин, который может находиться в растворе и в тонкой пленке без изменения своих свойств при нагревании до 100°С, в электрических и электромагнитных полях и во многих химических веществах. На его основе может быть создано биовычислительное устройство для ЭВМ. Физической реализацией являются квазидвумерные кристаллизованные пленки белков и ферментов. (цемент активной среды - молекула белка с линейным размером 3-5 нм. Пленка площадью 1 см² содержит около 10¹² таких элементов, что позволяет осуществлять 10¹² переключений в секунду, т.е. выполняет роль процессора.

Таким образом, важным направлением биотехнологий являются конст­руирование и разработка технологии получения молекул и их агрегатов, спо­собных сохранять, передавать и преобразовывать информацию о происходя­щих технологических процессах.

3. Традиционная технология производства электроэнергии, основанная на последовательной трансформации химической энергии топлива в тепловую энергию, затем в кинетическую энергию пара, механическую энергию роторов турбин и, наконец, в электроэнергию, требует дорогостоящего громоздкого оборудования и сопряжена с большими потерями энергии сжигаемого топлива. В этой связи для повышения эффективности производства энергии, наряду с совершенствованием системы защиты технологии ее получения в урановых ядерных реакторах, большое значение приобретают исследования и переход к промышленному освоению МГД-генераторов, использующих магнитогидродинамический метод прямого преобразования органического топлива в электроэнергию, а также изыскание экономических нетрадиционных источников энергии, основанных на использовании энергии Солнца, глубинного тепла Земли, ветра, морских волн и др.

Поиск и разработка принципиально новых технологий должны базиро­ваться на результатах фундаментальных исследований, но с обязательным учетом установленных естественными науками закономерностей и фактора экономичности. Например, пока является нерентабельным по экономическим соображениям прямое превращение химической энергии окисления водорода в электроэнергию в газовых элементах.

4. Следует отметить, что ограничения имеются не только в традиционных отраслях промышленности, но и в таких сравнительно новых, наукоемких отраслях, как микроэлектроника.

При создании сверхбыстродействующих компьютеров, работающих со скоростью 10¹⁰ операций в секунду, следует учитывать, что скорость электрического сигнала (равная скорости света) составляет 3 см за 10 с. Это означает, что размеры ЭВМ должны быть не более 3 см × 3 см × 3 см во избежание задержки, связанной со временем распространения света. Учитывая, что в таком малом объеме потребуется разместить несколько сотен тысяч электронных схем, потребовалась разработка технологии съема тепла вследствие достаточно высокой энергии рассеяния. В современных условиях расширение использования результатов фундаментальных исследований для разработки принципиально новых технологий обусловливает актуальность изучения закономерностей и экономического механизма перехода от существующих к принципиально новым технологиям, прогнозирования их появления. Основной базой для предвидения будущего развития технологии является анализ современных достижений науки, тенденций ее развития, установление причинно-следственных и временных зависимостей технологий от фундаментальных исследований, учет социального устройства общества для оценки последствий и форм применения новых технологий.

Принцип непрерывности, поточности технологии в настоящее время реализуется в обрабатывающих отраслях (машиностроении, легкой промышленности и др.) с помощью гибких автоматизированных производств (ГАП).

Объективная необходимость ГАП обусловлена потребностью быстрой сменяемости выпускаемых изделий, оборудования и товаров народного потребления.

Опыт показывает, что применение единичных станков с ЧПУ, роботов и других элементов, входящих в ГАП, не позволяет существенно повысить эффективность производства. Но при системном, комплексном их использовании в ГАП происходит переход количества в качество в условиях, когда переналадка становится практически органической частью технологии и производится автоматически с помощью ЭВМ и микропроцессоров.

Реализация всех потенциальных возможностей ГАП позволит сократить производственный цикл до 30 раз, повысить коэффициент сменности оборудования до 2,6-3, коэффициент его использования - до 0,85-0,9, сократить время подготовки производства на 50-75%, численность персонала - на 30%.

5. Важное значение в современных условиях приобретает переход к замкнутым технологическим схемам, предусматривающим полную утилизацию отходов производства, использование экстремальных величин температуры и давлений. Однако последний признак не является абсолютным, так как биотехнологические процессы протекают и при обычных природных условиях. Один из признаков перехода к новым технологиям — повышение степени их стационарности.

Широкое промышленное применение новых технологий в значитель­ной мере зависит от их ресурсоемкости, прогресса науки и техники в других отраслях. Так, увеличение объемов производства синтетических топлив пу­тем сжижения угля требует большого количества воды. С аналогичными трудностями сталкивается технология использования энергии глубинного те­пла Земли, содержащейся в "сухих" породах (например, в Карпатах).

Существующие технологические процессы тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены. С появлением принципиально новых технологий усили­вается степень их взаимообусловленности (особенно между различными от­раслями хозяйства и областями знаний). Этому способствуют наличие сис­темных связей между наиболее перспективными видами новых технологий, интенсивность их взаимодействия, несмотря на то, что область применения указанных технологий охватывает зачастую весьма отдаленные друг от друга сферы человеческой деятельности.

6. В будущем последствия взаимодействия между микроэлектроникой, технологией "искусственного интеллекта" и биотехнологией могут превзойти достижения всех предшествующих промышленных революций. Например, на стыке электроники и биотехнологии при решении задач квантовой химии открываются возможности создания новых молекул синтетических ферментов.

Совершенствование технологий разработки элементной базы, запоминающих устройств современных ЭВМ требует принципиально новых технологических решений при создании соответствующих новых материалов.

Если рассматривать совокупность технологии как взаимосвязанную с нечему, то можно прогнозировать появление новых технологий на основе их применения в тех или иных отраслях. Это положение основывается на универсальности результатов фундаментальных исследований, на базе которых создаются принципиально новые технологии, их использовании в различных отраслях науки и техники. В качестве примера можно привести применение лазеров в промышленности, связи, медицине, научных экспериментах.

Прогнозировать появление принципиально новых технологий можно также, исходя из подобных свойств различных предметов труда, на которые воздействуют с помощью одного и того же физического, химического или другого метода, разработанного в результате фундаментального исследования.

В современных условиях основное содержание деятельности человека псе больше переносится в область научных исследований и разработок. В по­следние годы наблюдается тенденция к увеличению затрат на научные ис­следования в индустриально развитых странах, особенно в таких отраслях, как станкостроение, электротехника, приборостроение, электроника, являю­щихся катализаторами научно-технического прогресса.