Зарядил на Нобеля

Этот текст вы читаете благодаря Джону Гуденафу — он создал литий-ионные аккумуляторы, которые стоят сейчас в любом смартфоне и ноутбуке. Лауреат Нобелевской премии скончался ровно за месяц до своего 101-летия.

«Давно пора!» — единодушно говорили химики из разных стран, когда их коллеге Джону Гуденафу в 2019-м наконец-то вручили Нобелевскую премию. На тот момент ученому было уже 97 лет, но он продолжал вести научную работу и руководил кафедрой. Получив Нобелевку в таком возрасте, Гуденаф побил рекорд физика Артура Эшкина — тот стал обладателем награды «всего» в 96.

Сегодня сложно найти человека, который бы не пользовался результатами трудов Джона Гуденафа. Большинство современных смартфонов, ноутбуков, планшетов и других гаджетов работают от литий-ионных аккумуляторов. Нужно завернуть шуруп электродрелью или сделать снимок на цифровую камеру? И у них, скорее всего, тот же источник питания. Электросамокаты, электромобили, электробусы по умолчанию также приводятся в действие литий-ионными аккумуляторами. И это далеко не все сферы их применения!

Литий-ионный аккумулятор — результат усилий нескольких ученых. Нобелевскую премию по химии в 2019-м вручили сразу троим: помимо Джона Гуденафа, она досталась британцу Стенли Уиттингему и японцу Акире Ёсино. Химики работали в разное время в разных лабораториях, но так или иначе сыграли в команде. Саму концепцию ещё в 1970-е придумал Уиттингем. «Победный гол» забил в 1991-м Ёсино, когда созданный им аккумулятор вышел на рынок. Но всё это стало возможно благодаря «передаче» Гуденафа.

Джон Гуденаф родился 25 июля 1922 года в Йене — небольшом немецком городке, который известен своим университетом с 500-летней историей. Несколько лет семья жила между Германией и Великобританией. Но его отец, крупный специалист по истории эллинистического иудаизма, будучи гражданином США, ещё в начале 1930-х принял, как оказалось, очень дальновидное решение — вернуться в Штаты из скатывающейся в фашизм Европы. Тем более что его пригласили преподавать историю религий в один из ведущих американских вузов — Йельский университет.

Джон рос любознательным ребенком, особенно его интересовала окружающая природа. Он ловил бабочек, улиток и сурков, а однажды принес домой шкуру дохлого скунса — за что мама не допустила его к ужину. Проблемы начались в семь лет, когда мальчик пошел в школу: у него обнаружилась дислексия. «Я читаю механически — мне сложно сразу уловить смысл целого абзаца. Так что я никогда не умел хорошо читать, — признавался Джон. — Но как же я старался научиться читать!» Впрочем, усилия не прошли даром, а это нарушение чтения никак не повлияло на его способности к обучению. Джон отлично учился и в начальных классах обычной гимназии, и в школе-интернате, куда его отдали в 12 лет. Там он скоро стал лучшим учеником в своем классе. А в 1940-м поступил в «родной» Йельский университет, но понятия не имел, как будет оплачивать учебу. Ведь строгий отец выдал ему лишь 35 долларов — не столько от безденежья, сколько в воспитательных целях. Это отчасти задело, а отчасти подстегнуло Джона, и он твердо решил больше никогда не брать у родителей ни цента.

Отдавая дань детскому увлечению биологией, Джон собирался изучать медицину, но очень быстро в ней разочаровался. «Мне, первокурснику, психология показалась издевательством над интеллектом, многие утверждения Фрейда я нашел совершенно неубедительными, а собака Павлова оказалась куда более скучной, чем я воображал», — вспоминал он. И на втором курсе решил резко сменить специальность — на физику. Между тем финансовые проблемы давали о себе знать. Джон подрабатывал репетитором, но заработка с трудом хватало на оплату обучения и места в общежитии. Не умереть с голода помогали талоны на питание, но их выдавали только на время учебы. И встал вопрос: как пережить каникулы? Тем более что вернуться домой он уже не мог: в 1941-м его отец развёлся с матерью ради новой возлюбленной, и это осложнило и без того непростые отношения отца и сына. На свою удачу общительный и обаятельный отличник Джон оказался тем самым «сыном маминой подруги», которого обычно ставят в пример другим детям. На лето его пригласили пожить родители соседа по общежитию. «Матери моих друзей были счастливы, что их сыновья со мной дружат, — рассказывал он. — Они хорошо ко мне относились, и я как-то справился».

А в 1942-м Джон неожиданно решил пойти добровольцем на фронт. Причём в самое боевое подразделение — в морскую пехоту. Но в итоге по совету преподавателя математики подал заявку в авиационную метеослужбу. «Им нужны люди, которые разбираются в математике, — сказал мне профессор. И я подумал, что в этом есть здравое зерно», — делился позднее ученый. Почти год ушел на обучение в школе военных метеорологов — за это время Джон успел попутно получить диплом бакалавра в Йеле. Так что на фронт он попал только в 1943-м.

Его направили на западное побережье острова Ньюфаундленд. Он оценивал погодные условия для боевых вылетов истребителей и бомбардировщиков. Но случались и особые задания — например, в 1944-м он составлял прогноз для самолета генерала Эйзенхауэра, когда тот летел в освобождённый от фашистов Париж. После войны статус ветерана упростил для Джона поступление в аспирантуру. Из предложенного списка он выбрал Чикагский университет. «Однако там меня не то чтобы встретили с распростертыми объятиями», — признавался он. При подаче документов 24-летнему соискателю заявили, что он уже слишком стар для физики: «Мне сказали, что в мои годы многие физики уже совершили великие открытия, а я только начинаю!» Но в аспирантуру его все-таки приняли.

Ему повезло, что одним из его преподавателей в Чикаго оказался знаменитый физик и лауреат Нобелевской премии Энрико Ферми. Создатель первого в мире рабочего ядерного реактора, он перебрался из Европы в США в 1939-м из-за опасений за жену-еврейку. По воспоминаниям Джона, великий Ферми был блестящим преподавателем, но отличался невероятной строгостью. Он разработал квалификационный 32-часовой экзамен, который сдавался четыре дня подряд! И только после его успешной сдачи аспиранта допускали к работе над диссертацией. Джон сдал его со второй попытки, что считалось очень хорошим результатом.

Ферми вполне мог стать его научным руководителем, если бы не одна загвоздка: Джона совершенно не привлекала ядерная физика. Альтернативой была физика твердого тела, и он занялся материаловедением под началом видного ученого Кларенса Зенера, именем которого назван открытый им эффект резкого нарастания тока в полупроводниковых приборах, а также диод Зенера — устройство для стабилизации напряжения.

В 1951 году Джон Гуденаф, уже с докторской степенью за плечами, начал работу в Массачусетском технологическом институте, ставшем ныне Меккой для IT-специалистов. Там он присоединился к проекту по созданию одного из первых компьютеров — Whirlwind I. У машины размером в несколько шкафов была проблема с устройством памяти. И Джон принял участие в разработке так называемой ферритовой памяти, сделавшей этот компьютер самой быстродействующей ЭВМ в мире на тот момент. Понятно, что на сегодняшний день эти решения устарели, однако они стали важным шагом на пути к современной компьютерной технике. Так, ферритовая память, к которой приложил руку Гуденаф, использовалась в компьютерах целых два десятилетия — вплоть до середины 1970-х.

Из физиков в химики он переквалифицировался уже в зрелом возрасте — в 54 года, будучи уже довольно авторитетным ученым. А всё благодаря неожиданному приглашению из Англии. «По неизвестной мне причине у людей из Оксфордского университета хватило фантазии предложить физику возглавить лабораторию неорганической химии», — шутил он.

В Оксфорде он и занялся аккумуляторами. Их развитие подстегнул нефтяной кризис 1973 года: арабские страны отказались тогда поставлять нефть государствам, поддержавшим Израиль в Войне Судного дня. И Запад осознал, насколько же сильно он зависит от арабской нефти, и начал активно развивать альтернативную энергетику и энергосберегающие технологии.

В то время использовались преимущественно свинцово-кислотные аккумуляторы, изобретенные ещё в середине XIX века. Они применяются и по сей день — в первую очередь как стартерные батареи в автомобилях. Существовали и другие аккумуляторы — к примеру, никель-кадмиевые. Но все они отличались низкой энергетической плотностью, то есть большим весом при малой ёмкости заряда. К примеру, первый коммерческий сотовый телефон Motorola DynaTAC 8000X на никель-кадмиевом аккумуляторе весил больше килограмма, работал от полной зарядки 35 минут, а заряжался около 10 часов.

Стэнли Уиттингем ещё в 1970-е создал первый прототип принципиально нового литий-ионного аккумулятора. Его энергоемкость и долговечность были в разы выше, чем у предшественников. Он открывал путь для создания легких портативных гаджетов. Но применить его на практике не вышло в силу высокой взрывоопасности — звонки из лаборатории Уиттингема поступали в пожарную часть с завидной регулярностью. И пожарные пригрозили выставить ему счет за спецсредства, необходимые для тушения лития. К тому же в его аккумуляторе использовался диоксид титана, что неоправданно удорожало массовое производство. Джон Гуденаф предложил заменить диоксид титана на более доступный кобальтат лития. Это не только удешевляло производство аккумулятора, но и повышало его ёмкость вдвое. Осталось решить проблему со взрывоопасностью — и это сделал японский химик Акира Ёсино. Строго говоря, на 100% она не решена до сих пор — мы то и дело видим в сети ролики, на которых у невезучих пользователей взрывается то смартфон, то электросамокат. Но Ёсино смог свести риски к таким низким показателям, что стало возможным коммерческое использование аккумуляторов нового типа.

Как ни обидно, за свое изобретение Гуденаф не получил ни гроша. Права на интеллектуальную собственность принадлежали Оксфорду, но университет, на удивление, так и не запатентовал открытие, на котором многие компании заработали и зарабатывают миллиарды. А когда Гуденафу стукнуло 65 лет, в Оксфорде ему начали намекать: пора, мол, скоро на отдых — ведь по правилам университета профессора должны уходить на пенсию в 67 лет. Но он не стал дожидаться крайнего срока и вернулся в США, где возглавил кафедру инженерии Техасского университета, в котором он проработал ещё более тридцати лет!

И в девяносто с лишним Гуденаф продолжал двигать науку вперед. Так, в 2020-м он присоединился к группе учёных, занятых разработкой нового твердотельного электролита для литий-ионного аккумулятора. Он позволил бы в разы повысить энергоемкость и безопасность. На тот момент ученому было 98 лет. «В недалеком будущем человечество должно побороть зависимость от ископаемого топлива, — говорил Гуденаф в последние годы жизни. — И я пытаюсь перед смертью сделать мир более чистым, чтобы он стал лучше. У меня осталось не так много времени, но я уверен, что мы стоим на пороге решения». Он скончался 25 июня 2023 года, не дожив ровно месяц до своего 101-летия.