Техническое ограничение – условие (или комплекс условий), которое ограничивает развитие технической системы.

В процессе развития технические системы (как и системы вообще) сталкиваются с различными факторами, ограничивающими возможности решения ими новых всё более сложных задач. Например, прочность материала, из которого изготавливают режущий инструмент, является ограничивающим фактором для обработки всё более твёрдых объектов и создания новых инструментов.

В основе любого технического ограничения «нужно, но невозможно» лежит техническое противоречие, которое формулируется как «если улучшить А, то ухудшится Б» и «Если улучшить Б, ухудшится А» (Г. С. Альт шуллер).

Например, «инструмент должен быть более прочным, но не может быть прочнее». Допустим, изобретен самый прочный и твердый материал, но с помощью чего мы будем из него изготавливать инструмент? Например, издавна обработка алмазов была очень трудным делом. Ведь он самый твёрдый, и из алмаза нельзя сделать инструмент литьём, он просто сгорит. То есть чем твёрже материал, тем сложнее делать инструмент для его обработки.

Или ещё… если увеличивать мощность двигателя, то увеличивается (ухудшается) расход топлива. Если уменьшать расход топлива, то ухудшится вырабатываемая мощность.

Техническое ограничение и техническое противоречие соотносятся между собой как явление и сущность. Но у всякой сущности, как известно, есть своя сущность. В нашем случае этой сущностью является физическое противоречие.

Допустим, вы повышаете мощность двигателя с целью увеличения скорости автомобиля, но расход топлива при этом растет нелинейно, так как при некоторой достаточно большой скорости лобовое сопротивление воздушного потока будет расти пропорционально квадрату скорости. Следовательно, причиной проблемы является физический закон. Какой бы мощный двигатель вы не брали, рано или поздно возникает предел скорости для этого двигателя. И тогда при одной и той же мощности скорость можно увеличить, лишь улучшая аэродинамику автомобиля. Возникает цепочка:

Предел скорости – недостаток мощности – лобовое сопротивление.

Эта цепочка ведёт от явления к сущности:

Явление – (сущность-(явление)) – сущность.

Уменьшим поперечное сечение автомобиля – скорость увеличится, но невозможно без конца уменьшать поперечное сечение, просто тогда будет недостаточно места для размещения двигателя. Гд е выход?

Пусть двигатель пропускает воздух через себя: двигатель есть – лобового сопротивления нет. Такой двигатель называется турбиной, или турбореактивным двигателем.

Физическое противоречие является причиной технического противоречия и формулируется в терминах свойств, качеств, состояний вещей и процессов.

В этой связи приведём разбор красивой задачи из новейшего «Учебника по ТРИЗ», который всячески рекомендуем всем нашим читателям, ибо он лишён многих недостатков предшествующих.

«Задача 7.1. Одно из чудес света – Александрийский маяк на египетском берегу Средиземного моря. Время разрушило маяк, но многие археологи утверждают, что он был высотой более 300 м.

Несколько веков простоял маяк с надписью на вершине: „Для богов и во имя спасения моряков построил Состратос из Книда, сын Дексифона“. Так звали строителя, и люди запомнили его имя на века. Но история помнит и другое. Когда строительство маяка заканчивалось, Состратоса вызвал правитель и повелел: „Ты высечешь на маяке мое имя!“

Строителю запрещалось высекать свое имя, и он знал, что если не выполнит приказа, то его казнят, а если выполнит, то потомки никогда не узнают имени настоящего автора маяка.

Строитель остался жив, но весь мир узнал его имя. Как это могло произойти?

Административное противоречие: „Очень хочется увековечить свое имя, а правитель запретил это делать, – он хочет увековечить свое имя“.

Техническое противоречие-1: „Если я выбью на стене свое имя, то увековечу его, что хорошо, но лишусь жизни, что недопустимо“.

Техническое противоречие-2: „Если я выбью на стене имя правителя, то не увековечу своего имени, что плохо, но при этом останусь жить, что хорошо“.

Таким образом, приходим к двум противоречащим высказываниям, которые и составляют физическое противоречие.

Физическое противоречие: „На стене должно быть мое имя, чтобы его увидели потомки, на стене не должно быть моего имени, а должно быть имя правителя, чтобы меня не казнили“.

Эту задачу можно сформулировать следующим образом. Пока жив правитель, надпись должна быть одна, а после его смерти – другая.

Тогда физическое противоречие можно переформулировать: Надпись должна быть одна, чтобы её увидел правитель, и надпись должна быть другая, чтобы её увидели потомки. Как это сделать?

Из последней формулировки физического противоречия видно, что для правителя надпись должна быть одна, чтобы он её увидел, а для потомков должна быть другая, чтобы увековечить свое имя. То есть противоречащие требования, которые предъявляются к объекту, относятся к разным моментам времени.

Противоречие разрешается во времени введением в систему еще одного компонента – вещества, которое сначала должно быть, а потом исчезнуть.

Итак, строитель вытесал на каменной стене свое имя, но закрыл его слоем известкового раствора, на котором написал имя правителя. Через несколько лет известняк выветрился и проступило имя „Состратос, сын Дексифона“».

Известно великое множество различных противоречий и связанных с ними парадоксов.

Им посвящено огромное количество литературы на всех языках. Но мы ограничимся очень лаконичным изложением.

Противоречия являются не плодом нашего незнания, а присущи природе вещей и, как следствие, всюду возникают на пути познания.

Рано или поздно любое противоречие получает разрешение. Если бы этого не происходило, развитие остановилось бы. Имеются сотни способов разрешения различных противоречий. Например, для твердосплавного инструмента противоречие может быть разрешено технологией литья, электродуговой или плазменной обработки.

В идеальной экономике технология потребления и технология производства развиваются согласованно, до тех пор, пока не возникают технические ограничения. Рассогласование приводит к противоречию между производством и потреблением. Противоречие разрешается с возникновением новой технологии, снимающей технические ограничения с базовой технологии, вместо замены её на другую технологию. Например, технология закалки стального инструмента разрешает сначала физическое противоречие (разделение противоречивых свойств во времени), а затем техническое противоречие.

Она снимает технические ограничения для использования режущего инструмента и, наконец, снимает экономические препятствия к продаже инструмента.

Существует специальная наука, которая занимается разрешением технических противоречий с целью получения новых технических решений, это, уже упомянутая выше и не раз Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Технологии развиваются не произвольным образом, на их развитие оказывает влияние сложный комплекс ограничений, который оставляет для развития узкий коридор решений.

Но даже при движении в этом коридоре потребуется проверить сотни и тысячи возможных решений, если действовать методом «проб и ошибок». Для точных и безошибочных действий необходимо знание Законов развития технических систем и технологий (ЗРТС).

Возникает парадокс: Чем выше степень развития технологий, тем богаче инструментальные среды, но тем уже коридор возможных решений!

Для отработки остроты мышления чрезвычайно важным является решение обратных задач. Недаром даже из нашей практики мы знаем, что вычитать труднее, чем складывать, делить сложнее, чем умножать, извлекать корень сложнее, чем возводить в степень и, наконец, интегрировать труднее, чем дифференцировать. Инженер же должен с лёгкостью решать как прямые, так и обратные задачи.

Обратные задачи в области поиска противоречий дают практически неограниченные возможности для самосовершенствования. Ведь объектов вокруг нас несчётное множество, и каждый возник в результате разрешения некоторого противоречия. Если вы освоите этот метод, то вам больше не понадобятся многие задачники. Вы сможете тренировать свой ум всюду, независимо от того, есть ли у вас под руками бумага и карандаш, книга или учебник.

После появления технологии поверхностной закалки броневых листов у линкоров удалось резко снизить толщину брони, соответственно, вес корабля и затраты на его создание. При этом бронебойные снаряды даже с закалённым носом стали отскакивать от бортов как биллиардные шары. Задача уязвимости вражьих судов была решена русским адмиралом Макаровым. Что он предложил? И какое физическое противоречие разрешил?

Как просверлить в металлическом кубе отверстие, показанное на рисунке?

В горбачёвский период была остановлена «гонка вооружений» и возникла задача взаимного контроля вооружений СССР и его вчерашних противников. Эксперты пришли к выводу, что необходимая технология контроля должна состоять в мечении контролируемых объектов – тяжёлых вооружений.

При этом технология мечения должна быть полностью описана и доступна стороне потенциального противника, но, тем не менее, необходимо, чтобы изготовленные по этой технологии метки невозможно было бы подделать.

Задача чем-то напоминала известный парадокс всемогущества: может ли сверхмогущественное существо создать камень, который само же не сможет поднять?

На том уровне техники было предложено несколько вариантов, как советской, так и американской сторонами. А что бы вы сами предложили на месте разработчиков? Какой базовый принцип лежит в основе решения этой задачи?

Поскольку ответ весьма объёмен, помещаем его сразу в текст, а не в конец книги, как в большинстве случаев.

В основу решения положен принцип случайности, так как только случайные процессы позволяют сделать уникальные объекты, в данном случае метки.

С советской стороны было предложено облучать тяжёлыми ядрами на ускорителе тонкие лавсановые пленки или иные трековые детекторы. Плёнку необходимо предварительно разметить: нанести сетку координат. В процессе облучения в плёнке образуются скрытые треки (повреждения структуры вещества).

Треки визуализируются с помощь процесса травления в горячей щёлочи; при этом возникают отверстия в плёнке диаметром от 0,5 до 1,0 микрона. Конфигурация расположения треков является полностью случайной и если их достаточно много, то её невозможно повторить в мыслимом числе экспериментов по облучению. Таким образом, повторить полученную однажды метку оказывалось невозможным. В дальнейшем предполагалось размещать такую метку на контролируемом объекте. Считывание метки можно было осуществить благодаря обычному оптическому микроскопу.

С американской стороны предполагалось смешивать мелко измельченную отражающую свет слюду с эпоксидной смолой и наносить на объект. После застывания смолы внутри неё образовывалась случайная структура отражающих элементов. Считывание метки предполагалось делать под разными углами с помощью ФЭУ (фотоэлектронного умножителя), предварительно подсветив метку внешним источником света.

К чести американцев, они признали советское предложение более простым и устойчивым к ошибке. В настоящее время нанотехнологии позволяют подделать такого рода метки, поэтому данные конкретные технические решения теперь стали достоянием истории.

Довольно редко бывает так, что некий объект возникает как результат разрешения одного-единственного противоречия, обычно накапливается целый комплект противоречий и ограничений.

Скажем, создание водородной энергетики обусловлено следующими проблемами:

1. Истощение дешевых запасов качественных углеводородов.

2. Экологическая угроза планете за счет роста выбросов парниковых газов (катастрофическое изменение климата).

3. Загрязнение окружающей среды там, где проживает большая часть населения (города).

4. Потребность в аккумуляции энергии с помощью энергетически ёмких носителей.

В результате возникает идея отказаться от сжигания углеводородов, то есть заменить их другим видом химического топлива. Оно давно известно химикам, это водород. Но!..

«Водород обладает физико-химическими свойствами, которые делают очень опасным его применение. Скорость диффузии водорода в открытом пространстве – 2 м/с (у обычного газа – 20 см/с). Более того, концентрационный предел по горению и детонации у водорода на порядки более высокий, чем у топливного газа и паров бензина. А главное, водород обладает наибольшей калорийностью и в зависимости от гидродинамической схемы развития взрыва может в десятки раз превосходить тротиловый эквивалент тринитротолуола. Обращение с водородом требует высочайшей культуры, которую трудно обеспечить в российских условиях. Необходимо очень внимательно следить за взрыво– и пожаробезопасностью всех этих систем. Не случайно в программах водородной энергетики, которые есть в США и в других странах, обращению с водородом уделено очень большое внимание. Я бы предложил в нашей комплексной программе усилить элемент, связанный с безопасностью производства, хранения и использования водорода, потому что незакрученный штуцер в водородном двигателе в гараже под небоскребом может вызвать взрыв и поставить крест на всей водородной энергетике».

Низкая температура жидкого водорода обусловливает высокий тепловой поток через изоляцию, что при малой теплоте испарения (примерно 0,418 кДж/кг) может вызвать быстрое испарение водорода и, следовательно, повышение давления. Следует также иметь в виду воздействие низких температур на такие свойства конструкционных материалов, как прочность, теплопроводность, теплоёмкость и тепловое расширение.

Давление, необходимое для поддержания водорода в жидком состоянии при 300 ^оК, равно 200 МПа. Это вызывает необходимость использования в любом ограниченном криогенном пространстве надёжной системы сброса давления. Число мест сброса газообразного водорода в атмосферу должно быть ограниченным; выброс газа допустим только на большой высоте, чтобы всё оборудование в случае воспламенения водорода оказалось ниже уровня пламени.

Одной из особенностей жидкого водорода является возможность его расслоения при хранении на несколько температурных слоёв. Давление в резервуаре при расслоении определяется температурой более тёплого поверхностного слоя. Таким образом, расслоение сопровождается повышением давления, что опасно, поэтому допустимая длительность хранения жидкого водорода без сброса пара и газа сокращается. При перемешивании расслоение водорода устраняется. В этом случае трубку газосброса можно закрывать и выпускать пары только при установке резервуара в безопасном месте.

В жидком водороде могут накапливаться опасные твёрдые примеси кислорода. Причинами его попадания в резервуар могут быть неплотности в узлах арматуры, датчиках, ниппельных соединениях, а также несвоевременное закрытие вентилей, отсекающих резервуар от атмосферы во время эксплуатации, а также нарушение герметичности при ремонтах. Кроме того, возможна неполная очистка резервуара от кислорода при подготовке его к заполнению водородом.

При соприкосновении воздуха с жидким водородом возможны его конденсация и затвердевание. Это очень опасно, так как затвердевший воздух способен закупорить вентиляционные линии, что может привести к опасному повышению давления. При контакте воздуха с поверхностью, охлаждённой ниже 82 ^оК, в образовавшемся конденсате содержится примерно 52 % кислорода. Жидкий водород будет постепенно обогащаться кислородом, что может создать благоприятные условия для его возгорания и взрыва. Жидкий водород при его хранении, перекачке и выполнении других технологических операций следует всячески предохранять от прямого соприкосновения с воздухом.

И, тем не менее, в США имеется уже 300 подземных хранилищ водорода, а в Норвегии 26 % заправок заправляют автомобили водородом!

Предлагаем читателю ознакомиться с приводимыми ниже Таблицами 3 и 4.

Фактически они представляют собой аналог системы экранов мышления, предложенной Г. С. Альтшуллером: «Мышление несистемно. Не успели люди в процессе эволюции выработать системное видение мира. Если в задаче сказано „дерево“, человек видит именно дерево. Начинается перебор вариантов. Дерево становится чуть больше, чуть меньше… Часто на этом всё кончается: ответ не найден, задача признана неразрешимой.

Это – обычное мышление. Талантливое воображение одновременно зажигает три экрана: видны надсистема (группа деревьев), система (дерево), подсистема (лист).

Конечно, это минимальная схема. Иногда включаются и другие экраны: наднадсистема (лес) и подподсистема (клетка листа). А главное – всё это видно в развитии, потому что работают боковые экраны, показывающие прошлое и будущее на каждом уровне. Девять (минимум девять!) экранов системно и динамично отражают системный и динамичный мир ‹…›. Системная природа техники осложняет решение задач и в тех случаях, когда объект, подлежащий изменению, выбран правильно и точно. Всякое изменение выбранного объекта сказывается чаще всего отрицательно (выделено нами. – Авт.), на других объектах, на надсистеме, в которую входит объект, и на подсистемах, из которых он состоит. Возникают технические противоречия: выигрыш в одном сопровождается проигрышем в чем-то другом. Поэтому для решения изобретательской задачи недостаточно улучшить ту или иную характеристику объекта; необходимо, чтобы это улучшение не сопровождалось ухудшением других характеристик. Обязательный признак изобретения – преодоление противоречия» (Альтшуллер, 2003, С. 60–61).

Можно увидеть, что одна и та же проблема характерна для хранения и транспортировки водорода. Это проблема безопасности. Хранение и транспортировку даже можно было бы объединить в одно, если бы не некоторые различия. Например, водород уже успешно хранится в подземных «резервуарах» со стенками из мокрой глины. Оказывается, в таких условиях водород мало диффундирует из резервуара, так как плохо растворяется в воде. К тому же для подземных хранилищ снимается проблема компактности (по крайне мере, она не стоит так остро). Хранить под землёй водород можно при обычных давлениях, а не при сверхвысоких. Кроме того, для хранения газообразного водорода применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами.

Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры), поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры), газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления). Для хранения малых количеств водорода используют баллоны.

Следует иметь в виду, что мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3 000 м³ – около 1,65 %, а вместимостью от 3 000 м³ и более – около 1,1 % в сутки (считая на номинальный объём газгольдера).

Как правило, хранение и перевозку осуществляют «мокрым» способом. Что это значит? В цистерне находится некоторое количество воды. Оказывается, водород связывается с водой (растворяется) и более безопасен. Так может быть, просто, хранить водород в воде? Нет! В воде водорода растворяется немного. Но правильное направление мысли найдено: это методы физического или химического связывания водорода. Тогда он будет и при низком давлении и при высоком одновременно. Он будет более безопасен, так как для взрыва или возгорания его ещё сначала нужно высвободить из связанного состояния. Более того, практически до минимума упадет величина диффузии, а с ней и утечки водорода. Транспортировка станет безопасна и экономически выгодна. Можно будет создать систему заправочных станций, которые будут продавать сразу готовые к употреблению аккумуляторы водорода. Не нужно будет сбрасывать давление, снижать температуру, бороться с коррозией. Удивительно, но одно единственное решение разрубает Гордиев узел проблем. Правда, ещё остаются проблемы производства и проблемы использования водорода. Кроме того и само решение ещё не найдено, это только направление его поиска. Но «свет в конце туннеля» уже замаячил.

Физические методы связывания основаны на использовании микросфер и микрокапилляров. В них водород может при обычных условиях находится под огромными давлениями – порядка 1 000 атмосфер. В микрокапиллярных матрицах водород может находиться при плотностях, равных и даже превышающих плотность жидкого водорода.

Возможность получения водорода различными способами является одним из важных преимуществ водородной энергетики. К ним относятся:

1. Паровая конверсия метана и природного газа.

2. Газификация угля.

3. Электролиз воды.

4. Пиролиз.

5. Частичное окисление.

6. Биотехнологии.

В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «замкнутого круга», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижение выброса парниковых газов. Такими источниками могут быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

Удобным промышленным способом получения чистого водорода является электролиз его из воды. Однако он экономически невыгоден, так как требует слишком много электроэнергии. Другие способы, связанные с газификацией углеводородов, требуют высокой температуры и получающийся водород содержит примеси СО и СО₂, которые даже в очень малых количествах отравляют катализатор из платины. Обостряем противоречие. Значит, водород должен быть получен даром! Без затрат электричества и без газификации углеводородов. Как такое возможно? Это значит, что его нужно получать там, где он является лишним, опасным побочным продуктом! На АЭС – атомных электростанциях. Ядерные реакции, протекающие в реакторе, сопровождаются образованием водорода. Кроме того очень дешёвое тепло позволяет производить водород из метана и воды с помощью адиабатической паровой конверсии. Термическая диссоциация воды может осуществляться при температуре 3 000 ^оC. В то же время использование энергии деления ядер позволяет получить чистый водород уже при температурах 1 000-1 200 ^оC. Кислород же при этом связывается в различные оксиды урана.

Использование неорганических мембран из палладиевых сплавов для очистки водорода позволяет получить водород с чистотой › 99,9999 %.

Осталась проблема использования водорода. Её решением является открытая очень давно электрохимическая реакция, идущая с образованием воды. Топливный элемент (электрохимический генератор) – устройство, которое преобразует химическую энергию топлива (водорода) в электрическую в процессе электрохимической реакции напрямую. В отличие от традиционных технологий, при которых используется сжигание твёрдого, жидкого и газообразного топлива! Прямое электрохимическое преобразование топлива очень эффективно и привлекательно с точки зрения экологии, поскольку в процессе работы выделяется минимальное количество загрязняющих веществ, а также отсутствуют сильные шумы и вибрации.

С практической точки зрения топливный элемент напоминает обычную гальваническую батарею. Отличие заключается в том, что изначально батарея заряжена, то есть заполнена «топливом». В процессе работы «топливо» расходуется и батарея разряжается. В отличие от батареи, топливный элемент для производства электрической энергии использует топливо, подаваемое от внешнего источника. Для производства электрической энергии может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырьё, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. В качестве источника кислорода, также необходимого для реакции, используется обычный воздух.

А теперь постройте по приведённому образцу системы противоречий солнечной и ветровой энергетики!