Закон повышения идеальности гласит - «развитие всех систем идёт в направлении увеличения степени идеальности». Под мерой идеальности принимается отношение совокупности всех полезных функций системы ко всем факторам расплаты (стоимость системы и ее функционирования, вредные эффекты и т.д.).

Тенденция удешевления технических систем и продуктов – проявление закона повышения степени идеальности, поскольку предполагает снижение факторов расплаты.

1. Почему так важно понимание закономерности снижения цены на продукт

Недавно мой сын спросил меня – что более перспективно: развитие электромобилей или гибридов? Неожиданно я понял, что у меня нет быстрого однозначного ответа на этот вопрос! На сегодняшний день гибриды дороже обычных автомобилей с ДВС, а электромобили гораздо дороже гибридов. Но будет ли так всегда? Стремление к улучшению экологической ситуации ведет нас к использованию электроэнергии, как базового источника энергообеспечения. Если это принять за тенденцию развития, то возможны два сценария.

Сценарий 1: С точки зрения уменьшения потерь при выработке электроэнергии, гибриды явно экономичнее. При условии наличия дешевой технологии производства, трансформации и хранения энергии прямо в автомобиле, гибрид перспективен. С другой стороны, приходится возить с собой массу устройств по получению, трансформации и хранению энергии. Это дополнительный вес, а значит потери.

В пользу этой версии говорят разработки новых топливных элементов и мощных аккумуляторов.

Сценарий 2: Если допустить, что найден способ неограниченного массового производства очень дешевой электроэнергии, ее хранения, и «быстрой заправки» в «энергохранилище» автомобиля, то может перспективнее оказаться электромобиль, в котором меньше технических систем и нет органического топлива, сжигание которого загрязняет атмосферу.

В пользу этой версии – новые разработки по графенам, мощным аккумуляторам, солнечным батареям, альтернативным источникам энергетики и общие тенденции развития электроэнергетики с постоянным наращиванием энергопотребления в расчете на одного человека (и это даже при значительных усилиях по экономии электроэнергии типа LED-светильники).

И каждом случае возникают масса вопросов:

- будет ли дешевая электроэнергия?

- будут ли дешевые и компактные аккумуляторы электроэнергии?

- будут ли дешевые и эффективные гибридные устройства для автомобилей?

- появятся ли эффективные компактные локальные генераторы электроэнергии на органическом топливе или альтернативных источниках энергии?

Поэтому, если оценивать перспективы, то можно предположить, что развиваться будут обе системе. В густонаселенных районах можно ожидать развитие электромобилей, и мощных электросетей, вытесняющих отопление и нагрев горячей воды иными источниками, кроме как электричеством. В отдаленных регионах, вероятно, создание автономного энергоснабжения с гибридами.

В обоих случаях ключевым моментом является появление мощных компактных и недорогих устройств для хранения электроэнергии, как главное направление поисковых работ. Но возможно ли это? Тенденция удешевления дает однозначно положительно на этот вопрос.

С другой стороны, неудачный (неправильный) прогноз может существенно затормозить развитие направления, привести к потере рынков и, как следствие, к существенным убыткам вплоть до потери бизнеса.

Итак, правильная оценка перспектив развития техники и технологии позволит понять в любой области техники, какое направление и как развивать, и в какое направление вкладывать инвестиции. Более того, такой анализ позволяет четко понять, какие разработки нужны для развертывания нового Дела, и какие проблемы нужно решать. То есть понимание закономерностей позволяет осуществлять стратегическое планирование.

2. Тенденции снижения стоимости в рамках одной S-кривой, и при переходах на новые S-кривые (линия развития).

Рассмотрим основные проявления тенденции в снижении стоимости и расширении рынков новых продуктов.

Определение: под продуктом понимается техническая система, вещество или услуга (функция), которые могут быть предложены на рынке Потребителю.

Главная тенденция развития стоимости продукта 1: После построения функционального центра ТС или разработки новой технологии, или получения (создания) нового вещества происходит быстрое совершенствование конструкции и технологии производства, вызывающее быстрое снижение стоимости продукта. Особенно стремительно это происходит для продуктов, которые направлены на удовлетворение массовой потребности.

Главная тенденция развития стоимости продукта 2: При наличии спроса всегда находится альтернативная технология производства продукта более дешевая, чем существующая. Происходит переход к новой S-кривой.

Следствие 1: Снижение стоимости продукта порождает положительную обратную связь:

рост потребления – снижение цены за счет массовой технологии – рост потребления.

Следствие 2: На первом этапе внедрение происходит только там, где без него невозможно обойтись, и где оправданы любые затраты; при снижении цены происходит агрессивное проникновение нового продукта во все смежные зоны в системе и надсистеме, в которых он может быть применен.

Пример

Первоначальная стоимость электроэнергии была очень высока. Но с ростом объемов производства она начала быстро падать.

Если в 1902 году ее стоимость в США была 4,5 доллара за киловатт-час (в ценах 2014 года), то всего за 5 лет она упала почти вдвое – до 2,5 долларов за квт-час (в ценах 2014 года). К 1917 году цена упала до 1 доллара за квт-час, а к 1960 – до 22 центов за квт-час. В настоящее время цена генерация электроэнергии колеблется от 10 до 12 центов за квт-час.

Основные линии тенденции удешевления, связанные с созданием продуктов по новым S-кривым описаны в п.п. 2.1. , 2.2., 2.5. 2.6. , а с совершенствованием систем и удешевлением продуктов в рамках S-кривой описано в п.п. 2.3. и 2.4.

2.1. Линия удешевления материалов за счет альтернативной технологии производства.

Практика показывает, что один и тот же продукт можно получить за счет разных технологий. Со временем создаются все более эффективные технологии, которые удешевляют продукт.

Ярким примером снижения стоимости материала с развитием техники и технологии является производство алюминия.

Впервые алюминий был получен датчанином Гансом Эрстедом в 1825 году. Он воздействовал амальгамой калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути. Название нового элемента было образовано от латинского alumen - квасцы. Это была очень дорогая технология.

Долгое время алюминий был дороже золота. В 1889 г. англичане подарили весы из золота и алюминия Д.И Менделееву, в знак высокого уважения.

Переворот совершил в 1886 году химик Ч.М. Холл, который предложил способ, позволяющий получать алюминий в больших количествах. Во время исследований он растворил оксид алюминия в расплаве криолита AlF3•nNaF. Полученную смесь поместил в гранитный сосуд и пропустил через расплав постоянный электрический ток. Через некоторое время он с удивлением обнаружил на дне сосуда бляшки чистого алюминия. Способ получения алюминия с помощью электролиза, основанный на этом открытии, в настоящее время является основным для производства алюминия в промышленных масштабах. Рост потребности в алюминии и развитие электроэнергетики привели к тому, что алюминия стал одним из самых дешевых цветных металлов. Цена упала до 1500 долларов за тонну, а мировое производство алюминия выросло до 40 миллионов тонн (см. более подробно в Приложении 1).

Это позволило крайне широко использовать алюминий для многих целей – для производства электропроводки, конструкционных сплавов, фольги для упаковки и многого другого.

Аналогичным примером в пищевой промышленности является производство лимонной кислоты. Первоначально все потребности в лимонной кислоте удовлетворялись за счет лимонов, но такое производство было крайне ограничено, и скоро продукта стало не хватать. Химики разработали специальные технологии производства лимонной кислоты промышленным способом. Теперь потребность пищевой промышленности полностью удовлетворены, причем в силу невысокой цены объемы ее применения были расширены.

Более современным примером быстрого падения цены за счет новых технологий является графен, себестоимость которого уже в сотни раз ниже, чем стоимость первых образцов (см. Приложении 2).

До последнего времени у нас не было инструмента, показывающего как именно надо переходить от одной S-кривой к другой.

Анализ показывает, что условно инструменты для этих переходов можно разделить на две группы:

- поиск альтернативных технологий по микростандартам (изученным и описанным технологиям); то есть поиск по аналогиям с известными подходами к изменению технологий;

- поиск альтернативных технологий по микроалгоритмам; то есть направленный поиск новых технологий на базе новых открытий.

Приложение 1. История развития производства алюминия

Алюминий не встречается в природе в чистом виде, но квасцы – соли алюминия – использовались достаточно давно. Есть алюминий и некоторых сплавах, из которых делали орнаменты в китайских гробницах еще до нашей эры.

Рис.1. В орнаментах гробниц китайских императоров III века н.э. использован сплав алюминия, меди и марганца

В трактате «Естественной истории» Плиния Старшего говорится о легенде I века, в которой мастер дарит императору Тиберию роскошную чашу из какого-то металла – похожего на серебро, но при этом очень легкую.

Еще одним применением алюминия был не сам алюминий, а квасцы – соль на основе алюминия. Полководец Архелай обнаружил, что дерево, выдержанное в растворе квасцов, практически не горит. В античные времена этим пользовались для защиты деревянных укреплений от поджогов. Применялись квасцы и в медицине, и при выделке кож, и при подготовке тканей перед окраской. Начиная с XVI века, квасцы активно используются в Европе в кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, а также в медицине – в дерматологии, косметологии, стоматологии и офтальмологии.
Именно квасцы (по-латински – alumen) дали название алюминию. Его дал металлу английский химик Гемфри Дэви. В 1808 году установил, что получить алюминий можно методом электролиза, но реализовать эту технологию не смог.

Впервые алюминий как металл был получен химическим путем датчанином Гансом Эрстедом в 1825 году, а в 1827 году Фридрихом Вёлером. Он воздействовал амальгамой калия на хлорид алюминия с последующей отгонкой ртути.

Химический метод получения алюминия долгое время был единственным. Сырьем для производства служила алюминиевая руда, открытая в 1821 году французским геологом Пьером Бертье. Это была глинистая красноватая порода. А ее название - «боксит» (bauxite) эта руда получила по наименованию местности, где она была найдена – Les Baux.

Рис. 2. Бокситы

Промышленное использование химического метода получения алюминия реализовал французский химик Анри Девиль. Он модернизировал метод Вёлера и совместно со своими партнерами организовал в 1856 году первое промышленное производство алюминия на заводе братьев Тиссье в Руане (Франция). На этих заводах Девиля в период 1855-1890 годы химическим путем было получено 200 тонн алюминия.

Металл был похож по цвету на серебро, но был легким. Из-за высокой цены в то время алюминий считался элитным материалом, и использовался только для изготовления украшений и предметов роскоши. Считается, что первым продуктом из алюминия были медали с барельефами Наполеона III и Фридриха Вёлера, а также погремушка наследного принца Луи-Наполеона, выполненная из алюминия и золота.
Но уже тогда Девиль понимал, что перспективы алюминия выходят далеко за пределы ювелирного дела. Основанием для этого были уникальные свойства металла, но его применение ограничивала высокая цена металла, производимого по химической технологии. Для его использования необходима была технология, позволяющая получать металл с гораздо более низкой себестоимостью.

Замечание: Появление нового вещества, пусть даже дорогого, позволяет изучить свойства нового продукта, и осознать его возможности, а соответственно, Потребности, которые может удовлетворять этот продукт. Осознание Потребности позволяет сделать прогноз использования продукта, а также оценить потребности его производства.

Прорывом стала новая технология дешевого электролитического способа производства алюминия разработанного независимо друг от друга французским инженером Поль Эру и американским студентом Чарльз Холл в 1886 году.

Разработанный ими метод – электролиз расплавленной в криолите окиси алюминия. Он давал прекрасные результаты, но требовал большого количества электроэнергии, которого в то время было недостаточно, но перспективы развития электропроводящей отрасли были достаточно оптимистичны. Поэтому первое производство алюминия было организовано на металлургическом заводе в Нейгаузене (Швейцария), рядом с Рейнским водопадом, где была построена электростанция.

Комментарий: При наличии Потребности всегда находится альтернативный способ производства вещества, существенно снижающий его стоимость.

18 ноября 1888 года Полем Эру было учреждено Акционерное общество алюминиевой промышленности с общим капиталом в 10 миллионов швейцарских франков. Позднее оно было переименовали в Общество алюминиевых заводов. За пять лет производительность завода в Нейгаузене возросла с 40 тонн алюминия в 1890 году, до 450 тонн 1895 году.

Чарльз Холл организовал Питтсбургскую восстановительную компанию, первый завод которого был построен неподалёку от Питтсбурга (в Кенсингтоне) в 1888 года. В первые месяцы он производил 20-25 кг алюминия в сутки, но уже к 1890 году ежедневное производство выросло до 240 кг.
Потребность в алюминии возрастала, поэтому компания начала строить новые заводы. Их компания построила в штате Нью-Йорк вблизи новой Ниагарской гидроэлектростанции. В 1907 году Питтсбургская восстановительная компания была реорганизована в Американскую алюминиевую компанию (Alcoa).

Модернизацию технологии электролиза алюминия была выполнена австрийским химиком Карлом Байером в 1889 году. Это был технологичный и дешевый метод производства глинозема. Он обратил внимание на то, при добавлении в щелочной раствор боксита и нагреве его в закрытом сосуде – боксит растворился, но не полностью. В не растворившемся остатке не было алюминия! То есть при обработке щелочным раствором весь алюминий, содержащийся в исходном сырье, переходит в раствор.
Больше прорывных изменений в технологии производства алюминия не было. Все современные технологии получения алюминия основаны на базе концепций Байера и Холла-Эру. Но за счет экстенсивного развития и мелкошаговых модернизаций, за несколько десятилетий была создана алюминиевая промышленность, в алюминий стал новым промышленным металлом с широчайшим применением.

К таким модернизациям можно отнести изобретение группы ученых под руководством норвежца Карла Содерберга. Эта технология производства алюминия значительно удешевила метод Холла-Эру. Карл Содебург предложил использовать в качестве анодов в процессе электролиза обожженные угольные блоки, которые быстро расходовались. Он решил эту проблему с помощью постоянно возобновляемого электрода, который формируется в специальной восстановительной камере из коксосмоляной пасты. По мере необходимости, паста добавляется в верхнее отверстие электролизной ванны. К сожалению, технология оказалась неэкологичной, и не позволяла повышать силу тока, поэтому через некоторое время осуществился возврат к старой технологии.

Развертывание новых рынков алюминия

С удешевлением алюминия стали резко возрастать возможности его применения в самых разных областях, за счет использования его уникальных свойств. Алюминию стал применяться в самых разных областях техники, и дало толчок для развития целых отраслей.
Например, в 1891 году по заказу Альфреда Нобеля в Швейцарии был построен первый пассажирский катер с алюминиевым корпусом. А уже через три года на шотландской судостроительной верфи была построена 58-метровая торпедная лодка из алюминия. Катер назывался «Сокол», был сделан для ВМФ Российской империи. Катер развивал рекордную скорость того времени – 32 узла.

Была сделана и попытка строить легкие железнодорожные вагоны. В 1894 году американская железнодорожная компания New Haven and Hartford Railroad выпустила из алюминия специальные легкие пассажирские вагоны. А Карл Бенц представил первый спортивный автомобиль с алюминиевым корпусом в 1899 году выставке в Берлине.

Вы и сейчас можете увидеть на площади Пикадилли в Лондоне алюминиевую статую древнегреческого бога Антероса, которая появилась в 1893 году. Это была 2,5 метровая статуя из металла, который еще несколько десятилетий назад ценился выше золота!

Рис.3. Площадь Пикадилли

Свое главное звание - «крылатый металл» алюминий заслужил его применением в авиации.

Начало массового производства алюминия приходится на время, когда человек начал быстро осваивать пятый океан. В 1903 года американские авиаконструкторы братья Райт совершили первый полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1». Для полета они пытались использовать автомобильный двигатель, но он был слишком тяжелым. Поэтому для «Флайера-1» они разработали полностью новый двигатель из алюминия. Легкий 13-сильный мотор поднял первый в мире самолет с Орвиллом Райтом.

Ключевым решение для авиации стало изобретение 1909 году одного из наиболее распространенных алюминиевых сплавов – дюралюминий. Немецкий учёный Альфред Вильма потратил семь лет на его создание. Сплав алюминия с добавлением меди, магния и марганца был таким же легким, как алюминий, но значительно превосходил его по твердости, прочности и упругости. Дюралюминий мгновенно стал главным авиационным материалом. Из него в 1915 году знаменитым авиаконструктор Хуго Юнкерсом сделал фюзеляж первого цельнометаллического самолета в мире Junkers J1.

Рис.4. Junkers J1

Комментарий: Расширение рынков идет через модифицирование продукта, с получением новых свойств, которые используются в новых технических системах.

Мир входил в этап мировых войн, в которых техника – танки и авиация стала играть решающую роль. Поэтому технология изготовления дюралюминия на первое время стала секретно. Но долго секрет сохранить не удалось.

С завершением Первой Мировой войны, потребность алюминия в военной технике снизила, и понадобилось осваивать его мирное применение. Из него начали изготавливать посуду, и она быстро вытеснила медную и чугунную. Алюминиевые посуда легкая, быстро нагревается и остывает, и не поддается коррозии.

Рис.5. Алюминиевые кастрюли

Комментарий: конверсия – один из распространенных способов распространения использования материалов или систем на новые области, после освоения их в оборонке.

В 1907 году швейцарец Роберт Неер изобретает способ получения алюминиевой фольги. А в 1910 году он уже запускает первый в мире фольгопрокатный завод. Применение фольги стало повсеместным при упаковке продукции, и в первую очередь в кондитерском производстве.

Комментарий: Модифицирование продукта позволяет создать новое качество и новые рынки.

Победоносное шествие алюминия от авиации, судостроения и автомобилестроения, распространяется на строительство. В США при строительстве знаменитого небоскреба Empire State Building в 1931 году широко использовался алюминий.

4 октября 1957 года стало началом космической эры. Корпус первого искусственного спутника состоял из двух алюминиевых полусфер. Из алюминия изготавливались и все последующие космические аппараты.

Рис.6. Первый спутник

В 1958 году в США появился новый рынок для алюминия. Алюминиевая банка стала одним из самых массовых товаров из алюминия, существенно увеличившим потребность в нем. Она стала символом экологичности этого металла и культовым предметом в области искусства и дизайна. Изобретение первыми внедрили алюминиевая компания Kaiser Aluminum и пивоваренная Coors. В 1967 году разливать свои напитки в алюминиевые банки стали Coca-Cola и Pepsi.

Рис.7. Кока-Кола в алюминиевых банках

Если алюминиевые вагоны в США не получили в силу своей дороговизны широкого распространения, то в 1964 году в Японии был запущен знаменитый Shinkansen — первый в мире высокоскоростной поезд. Расстояние между Токио и Осакой в 515 км он преодолевает за 3 часа 10 минут, разгоняясь до 210 км/ч. Для такого высокотехнологичного продукта алюминий не стал слишком дорогим.

Комментарий: Прорывные решения реализуются там, где без них обходиться трудно, а дороговизна становится окупаемой.

В это время первенство на мировом алюминиевом рынке захватывает СССР, который середине 1960-х ударными темпами вводят новые мощные - Красноярскую и Братскую ГЭС, также Братский и Красноярский алюминиевые заводы. Мощность каждого из них 1 млн. тонну металла в год.

Комментарий: Как только появляется широкий рынок нового продукта, сразу нарастает объем его производства, что приводит к снижению цены, что провоцирует возможность дальнейшего его применения за счет расширения рынка.

В 1970-х алюминий становится биржевым товаром. Торги алюминиевыми контрактами в 1978 году начинаются на Лондонской бирже металлов (LME).

Рынок алюминия продолжил расширяться, как и его производство. К началу 1990-х годов производство достигает 19 млн. тонн. К этому времени возрастает роль Китая, на территорию которого постепенно начинает смещаться центр мирового производства. В 2002 году Китай обогнал Россию, произведя 4,3 млн. тонн алюминия и продолжил наращивать мощности по производству первичного алюминия. Всего через четыре года, в 2006, оно достигло почти 10 млн. тонн. Это треть общемировых объемов производства алюминия.

Если Китай наращивает свое производство за счет экологии, производя 90% электроэнергии на малоэкологичный угольных электростанциях, то в России около 90% алюминия обеспечивается электроэнергией, производимой ГЭС.

В последнее время активную роль в алюминиевой отрасли начинают играть страны Ближнего Востока. Они обладают большими ресурсами дешевой нефти и попутного природного газа. Таким образом, алюминиевые производители обеспечены источником дешевой электроэнергии. Они активно наращивают свое производство алюминия, и входят в число мировых лидеров.

Глобальный кризис 2008 году обвалил рынки алюминия. В связи с кризисом перепроизводства цена упала вдвое. На складах по всему миру скопились миллионы тонн алюминия. Кризис привел к масштабным закрытиям алюминиевых заводов практически всех западных алюминиевых компаний. Вместе с тем производители Китая и Ближнего Востока наращивали производство.

В 2013 году мировое производство алюминия превысило 50 млн. тонн. Его рынки продолжают разворачиваться. По прогнозам некоторых аналитиков алюминий будет все активнее использоваться в автомобилестроении как замена стали, которая в несколько раз тяжелее, а также в электроэнергетике, вытесняя существенно более дорогую медь. По их прогнозам, к 2023 году спрос на алюминий превысит 80 млн. тонн в год.

Приложение 2. История графенов.

Графен — первый известный истинно двумерный кристалл. Впервые получен в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новоселовым.

Рис. 8 – Структура графена

Они обладают уникальными свойствами, но пока крайне дороги в производстве. Этим материалом, имеющим высокую проводимость и теплопроводность, прочность, заинтересовались не только учёные, но и технологи, связанные с производством процессоров, а также многие другие специалисты и бизнесмены.

Лист из графена толщиной в 1 атом и 0,01 миллиметра в ширину выдержит давление острия карандаша, на другом конце которого сидит слон. Около двух лет назад американские физики выяснили, что пластик легко смешивается с графеном. В результате этого открытия получился суперпрочный материал, из которого будут создавать не только простые технические устройства, но и космические ракеты.

Недавно Nokia запатентовала светочувствительную матрицу, состоящую из нескольких слоев графена. Позже выяснилось, что использование материала в датчиках камер позволит увеличить их светочувствительность в тысячу раз, а энергии будет тратиться гораздо меньше.

Скоро американские ученые начнут создавать презервативы из графена и материала наподобие латекса. Данная разработка ведется под четким наблюдением "Фонда Билла и Мелинды Гейтс". Этот фонд известен не только благодаря фамилии его основателей, но и из-за масштабных акций по борьбе со СПИДом.

С помощью графена произойдет удешевление процесса преобразования морской воды в пресную. Фильтр будет представлять собой графеновую мембрану с мельчайшими отверстиями. Эти отверстия настолько малы, что не пропускают частицы соли. Устройство будет прочным и долговечным, его можно будет использовать для опреснения воды в больших объемах.

Есть и много других применений. В общем потребность большая, а значит, необходимы и технологии, обеспечивающие его низкую стоимость.

Но если уникальные свойства графенов не вызывают сомнений, то вопрос ограничения его массового применения из-за высокой цены долгое время вызывал большие сомнения. К счастью, как часто бывает с новыми прорывными технологиями, это проблема может быть решена с помощью альтернативных технологий. Недавно исследователи из университета Эксетера сообщили, что они разработали новый недорогостоящий метод, который позволит производить высококачественный графен.

Новая система основана на технологии, которая уже используется при изготовлении полупроводников, что обеспечивает потенциал массового производства графена, используя существующие средства вместо того, чтобы вкладывать деньги в абсолютно новые заводы и разработку новых и сложных технологий. Это метод химического или плазмо-химического осаждение из газовой фазы.

Сама установка была разработана британской компанией, Moorfield Nanotechnology. Исследователи говорят, что эта так называемая nanoCVD-система может выпускать графен в 100 раз быстрее, чем обычные системы CVD, что сокращает издержки на 99 процентов и производит графен, с увеличенными электронными качествами.

Форма поиска

Лев Певзнер

СОДЕРЖАНИЕ

Приложение 1. История развития производства алюминия

Приложение 2. История графенов.

Вход

Контакты