Materialwissenschaft und Transport EQUILIBRIUM

1. Allgemeine Bestimmungen

Das Verkehrssystem der Russischen Föderation ist eines der grundlegenden Infrastruktursysteme des Staates. Seine Effizienz hängt nicht nur von der Organisation des Transports, der digitalen Steuerung und der Entwicklung des Netzwerks ab, sondern auch von der Qualität der Materialien, aus denen Fahrzeuge, Straßen, Brücken, Tunnels, Schieneninfrastruktur, Kraftwerke, Energiespeicher- und Übertragungsknoten bestehen.

Im Rahmen des Systems "EQUILIBRIUM" wird die Materialwissenschaft als einer der wichtigsten technologischen Konturen des Verkehrs angesehen. Es wird vorgeschlagen, von der getrennten Entwicklung der Verkehrsinfrastruktur und der Materialentwicklung zu einem einheitlichen Modell überzugehen, in dem die Transportanforderungen den Auftrag für Materialien bilden und neue Materialien die Wirtschaft, die Ressource, die Sicherheit und die Architektur des Transports verändern.

2. Strategisches Ziel

Die Bildung des nationalen Kreislaufs "Materialwissenschaft - Transport", der die beschleunigte Einführung von inländischen Materialien, Verbundwerkstoffen, Beschichtungen, Legierungen, Keramiken, ultrareinen Substanzen und Funktionsmaterialien in das zivile, industrielle und Infrastrukturtransportsystem gewährleistet.

• Verringerung der Abhängigkeit von kritischen Importen von Materialien und Komponenten;
• Verbesserung der Ressourcen der Verkehrsinfrastruktur und des Rollmaterials;
• Reduzierung der Masse der Konstruktionen, des Energieverbrauchs und der Lebenszykluskosten;
• Verbesserung der Sicherheit und Widerstandsfähigkeit gegen extreme klimatische und betriebliche Belastungen;
• Bildung einer inländischen technologischen Basis mit doppeltem Verwendungszweck in Bezug auf Materialien, Infrastruktur und Produktion.

3. Materialwissenschaft als Grundlage der Transportsouveränität

Der moderne Verkehr ist zunehmend eine materialabhängige Branche. Die Wettbewerbsfähigkeit der Luftfahrt, des Eisenbahnverkehrs, des Automobils, des Schiffbaus, des Energietransports und des Infrastrukturbaus wird nicht nur durch die Qualität der Konstruktion bestimmt, sondern auch durch die Verfügbarkeit von Materialien mit vorgegebenen physikalisch-chemischen, mechanischen, thermischen, elektrischen und Ressourceneigenschaften.

3.1. Bevorzugte Materialklassen

• hochfeste und korrosionsbeständige Stähle;
• Aluminium- und Magnesiumlegierungen;
• Titanlegierungen und spezielle hitzebeständige Materialien;
• Polymer- und Kohlenstoffverbundwerkstoffe;
• keramische und metallkeramische Materialien;
• Funktionsbeschichtungen und Schutzsysteme gegen Verschleiß und Korrosion;
• nanostrukturierte Materialien und ultrareine Ausgangsstoffe;
• Materialien für Batteriesysteme, Elektrofahrzeuge und Leistungselektronik;
• Materialien für Wasserstoffinfrastruktur und Gasspeicherung;
• Geomaterialien und Technologien zur Bodenstabilisierung für den Transportbau.

4. Die wichtigsten Transportrichtungen

4.1. Straßentransport

Leichte Karosseriekonstruktionen, ressourcenreiche Teile, Brems- und Reibungsmaterialien, Verbundwerkstoffe, Korrosionsschutzbeschichtungen, Materialien für Batterien und Elektromotoren.

4.2. Schienenverkehr

Schienenstähle der neuen Generation, verschleißfeste Radpaare, Verbundwerkstoffe, Beschichtungen, Materialien für Brücken, Kontaktnetze und Hochgeschwindigkeitsinfrastruktur.

4.3. Luftverkehr

Hochfeste Aluminium- und Titanlegierungen, Verbundwerkstoffe, hitzebeständige Systeme, Keramik, Beschichtungen, leichte Konstruktionen und Materialien für elektrische und hybride Antriebssysteme.

4.4. See- und Flussverkehr

Korrosionsbeständige Materialien, Schiffsstähle, Verbundwerkstoffe, Beschichtungen, Materialien für den arktischen Betrieb, Energiesysteme und Hafeninfrastruktur.

4.5. Städtische Elektromobilität

Materialien für Batterien, Leistungselektronik, Kontaktnetze, Leichtbau, High-End-Radbaugruppen und Ladeinfrastruktur.

4.6. Pipeline- und Spezialtransport

Hochfeste Rohre, Korrosionsschutzbeschichtungen, Materialien für hohe Drücke, niedrige Temperaturen, chemisch aktive Medien und Integritätsüberwachung.

5. Architektur "EQUILIBRIUM Materialwissenschaften - Verkehr"

Die vorgeschlagene Architektur wird als ein einziger Zyklus gebaut: die Notwendigkeit für den Transport → technische Aufgabe → wissenschaftliche Entwicklung → Versuchsmaterial → Validierung → Zertifizierung → Pilotanwendung → industrielle Produktion → Betriebsüberwachung → Re-Verbesserung.

6. Schlüsseltechnologieprojekte

• Das Zentrum für Transportmaterialwissenschaften ist eine einzige Plattform für die Koordinierung von Forschung und Entwicklung, Tests und Implementierung.
• Register für kritische Transportmaterialien und -technologien.
• Nationalbibliothek für Materialeigenschaften mit digitalen Pässen.
• Digitaler Zwilling des Lebenszyklus von Transportstrukturen.
• Programm für importunabhängige Materialien für den Transport.
• Versuchsgelände für die Materialprüfung unter realen klimatischen Bedingungen.
• Industriekonsortien für Aluminium, Verbundwerkstoffe, Keramik, Batteriematerialien und Schutzbeschichtungen.
• Rückverfolgbarkeitssystem für Herkunft, Qualität und Ressourcen von Materialien.

7. Ein Beispiel für eine Prioritätsrichtung: ultrareine und nanostrukturierte Aluminiumoxidprodukte

Eine weitere vielversprechende Richtung ist die Verwendung von ultrareinen und nanostrukturierten Aluminiumoxidprodukten im Verkehrstechnik-, Elektro-, Leistungselektronik-, Schutzbeschichtungs-, Keramikbaugruppen, Sensoren und Komponenten, die bei erhöhten Temperaturen und Belastungen arbeiten. Um Entscheidungen über die industrielle Implementierung zu treffen, ist eine technologische Validierung für bestimmte Transportanwendungen, eine Bestätigung der Parameter, der Lebensdauer, der Lebenszykluskosten und der Produktionsbereitschaft erforderlich.

8. Bodenstabilisierung und Verkehrsinfrastruktur

Die Bodenstabilisierung kann als eigenständige Richtung der Transportmaterialwissenschaft angesehen werden. Bei bestätigten Eigenschaften können solche Technologien beim Bau und der Rekonstruktion von Autobahnen, Eisenbahnbasen, temporären Infrastrukturen, Industriestandorten und Objekten unter schwierigen geologischen Bedingungen eingesetzt werden.

• Erhöhung der Tragfähigkeit der Basis;
• Reduzierung des Volumens des Austauschs von Böden und der Lieferung von inerten Materialien;
• Verkürzung der Bauzeit;
• Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegen saisonale und klimatische Verformungen;
• mögliche Verringerung der CO2-Intensität des Bauens, sofern sie durch Lebenszyklusberechnungen bestätigt wird.

9. Dual-Use-Transport

Im Rahmen der staatlichen Verkehrspolitik ist es zweckmäßig, Materialien und Technologien auch nach den Kriterien der Nachhaltigkeit, der Reparaturfähigkeit, der Ressourcenunabhängigkeit und der Möglichkeit einer schnellen Wiederherstellung der Infrastruktur zu bewerten. Es geht um die Schaffung einer zivilen industriellen Basis, die in Notfällen, technologischen Einschränkungen und erhöhter Belastung die Arbeitsfähigkeit des Transportsystems aufrechterhalten kann.

Gleichzeitig sollten spezifische Verteidigungsanwendungen, Zugangsregime und spezielle Anforderungen nur von autorisierten staatlichen Kunden im Rahmen der geltenden Gesetzgebung und der festgelegten Verfahren festgelegt werden.

10. Wirtschaftsmodell

• Staatlicher Technologieauftrag für kritische Materialien;
• langfristige Off-Take-Verträge von Transportunternehmen;
• PPP für die Test- und Produktionsinfrastruktur;
• Industriekonsortien von Materialherstellern und Transportunternehmen;
• Unterstützung der Zertifizierung, Lokalisierung und Skalierung;
• Bewertung der Effizienz zum vollen Lebenszyklus, nicht nur zum Kaufpreis.

11. Indikatoren-System

• Anteil heimischer Materialien in kritischen Verkehrssegmenten;
• Verringerung der Masse der Transportstrukturen;
• Erhöhung der Interrepair-Ressourcen;
• Reduzierung von Unfällen und Materialausfällen;
• Senkung der Lebenszykluskosten;
• Energieeffizienz und Reduzierung des Kraftstoff- / Energieverbrauchs;
• Zeitraum von der Laborentwicklung bis zur industriellen Einführung;
• Massenproduktion neuer Materialien;
• Exportpotenzial von Materialien und Transporttechnologien.

12. Vorgeschlagener Pilot

Als Pilot wird vorgeschlagen, ein branchenübergreifendes Projekt zu bilden, das ein Transportunternehmen oder einen Infrastrukturkunden, einen Materialentwickler, einen Hersteller, ein Testzentrum und einen digitalen Kreislauf "EQUILIBRIUM" zusammenbringt.

• wählen 3–5 Materiallösungen mit hoher Bereitschaft;
• bestimmte Transportprodukte oder Infrastrukturobjekte zu identifizieren;
• Vergleichstests mit Serienanaloga durchführen;
• Berechnung der Ressource, Lebenszykluskosten und wirtschaftlichen Auswirkungen;
• Erstellung digitaler Pässe und Validierungsprotokolle;
• Nach den Ergebnissen des Piloten, um die Entscheidung über die Serieneinführung zu treffen.

13. Staatlicher Umsetzungsmechanismus

Für die Umsetzung der Initiative wird vorgeschlagen, einen abteilungsübergreifenden und branchenübergreifenden Koordinationskreis unter Beteiligung von profilierten föderalen Exekutivorganen, Transportunternehmen, wissenschaftlichen Organisationen, Materialherstellern, Test- und Zertifizierungszentren zu bilden.

• Genehmigung der Liste kritischer Materialien und Technologien;
• Erstellung eines Roadmaps für Forschung und Entwicklung und Umsetzung;
• Schaffung eines einheitlichen Prüf- und Validierungssystems;
• Unterstützung der Industrie- und Entwicklungsproduktion;
• die Aufnahme der bestätigten Lösungen in die Beschaffungs- und Industriestandards;
• Skalierung erfolgreicher Entscheidungen auf das Transportsystem der Russischen Föderation.

14. Erwartetes Ergebnis

Die Verbindung "Materialwissenschaft - Transport" soll zu einem der Mechanismen der technologischen Souveränität Russlands werden. Das Ergebnis ist kein separates Material oder Transportprojekt, sondern ein reproduzierbares System zum Erstellen, Überprüfen, Implementieren und Skalieren von Technologien.

"EQUILIBRIUM" in diesem Modell erfüllt die Funktion der Systemarchitektur: verbindet wissenschaftliche Aufträge, Technologien, Produktionskapazitäten, Transportbetrieb, Lebenszyklusdaten, Wirtschaft und öffentliche Verwaltung in einem einzigen verwalteten Kreislauf.

15. Angebot

Es wird vorgeschlagen, die Schaffung des Pilotkreis "EQUILIBRIUM: Materialwissenschaft und Transport" mit der anschließenden Bildung eines nationalen Programms zur beschleunigten Einführung neuer Materialien und vereinheitlichter Technologien in das Verkehrssystem der Russischen Föderation zu prüfen.