1 стр. из 1

Нобелевская премия по физике – одна из самых престижных, и тем более отрадно, что в прошлом году она была присуждена нашим сооте­чественникам — Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу (а также британцу Энтони Леггетту) за «новаторский вклад в теорию сверхпроводников».

В заявлении Нобелевского комитета подчеркивается, что премией отмечены ученые, внесшие решающий вклад в объяснение двух феноменов квантовой физики: сверхпроводимости и сверхтекучести. Тем самым шведские академики еще раз показали: в нынешнем столетии широкое применение технологий, основанных на эффекте сверхпроводимости, станет одной из приоритетных задач.

Из школьных учебников мы помним, что неотъемлемая электрическая характеристика любого проводника (не говоря уже об изоляторах) — сопротивление R. А коли есть сопротивление электрическому току, то есть и выделение тепла. В лампочке накаливания и электрической плите — оно полезно, чего не скажешь, например, о микросхемах, применяемых в современной вычислительной технике. Около 10% всей производимой в мире электроэнергии стоимостью в миллиарды долларов уходит на обогрев атмосферы и пропадает зря.

А между тем возможное решение этой проблемы уже известно свыше 90 лет. В 1911 г. голландский физик Хайке Каммерлинг-Оннес проводил опыты со сжиженным гелием, который существует в таком состоянии при температурах в несколько десятков Кельвин, то есть вблизи абсолютного нуля (-273,15°С). Его сотрудник Г. Холст (в дальнейшем — профессор Лейденского университета) измерял сопротивление ртути постоянному току при охлаждении и обнаружил, что при температуре -270°C это сопротивление скачко­образно уменьшалось до нуля. Вскоре вслед за ртутью были открыты и другие сверхпроводники: олово (Tc=3,69К) и свинец (Tc=7,26К). Далее выяснилось, что аналогично ведут себя и многие другие металлы (кроме широко распространенных меди, серебра, золота, платины, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов).

Это открытие вызвало прилив энтузиазма в научных кругах многих стран. Еще бы, ведь открывались впечатляющие перспективы. Сравнительно быстро было установлено, что сверхпроводниками при охлаждении под давлением становятся кремний, германий и висмут. В сверхпроводящее состояние могут переходить также несколько сот металлических сплавов и соединений и некоторые сильно легированные полупроводники.

Казалось бы, такой широкий набор материалов способен дать вполне технологичные решения, но перед исследователями всерьез встали следующие проблемы. Во-первых, температуры, при которых вещества переходят в сверхпроводящее состояние, чрезвычайно низки — в пределах нескольких десятков Кельвин. А это значит, что необходимы чрезвычайно дорогостоящие криогенные установки, работающие с жидкими гелием и водородом (температура кипения водорода — -250К). Во-вторых, токи и магнитные поля, с которыми работают сверхпроводники, очень малы. Стоило чуть превысить некую критическую величину, как эффект пропадал. И, наконец, была совершенно непонятна физика самого явления…

Трудности с построением физической модели не поддались даже таким авторитетам, как Нильс Бор и Альберт Эйнштейн. Дело в том, что в начале ХХ в. не было построено сколько-нибудь убедительной ­теории проводимости обычных металлов, не говоря уже о таких пограничных состояниях, как сверхпроводимость. Только развитие квантовой механики позволило вплотную заняться решением этих актуальных проблем.

Настоящий прорыв произошел лишь в середине прошлого века. Советские физики В.Л.Гинзбург и Л.Д.Ландау разработали феноменологическую теорию, в которой сверхпроводимость описывается на языке параметра порядка. Эта теория позволила получить для сверхпроводников ряд важных термодинамических соотношений, объяснить поведение сверхпроводящих пленок в магнитном поле, эффекты переохлаждения и перегрева и т.д. В рамках теории Гинзбурга-Ландау находит объяснение и факт существования сверхпроводников I и II рода (Алексей Абрикосов, 1957 г.).

Стройную теорию, вскрывшую сам механизм сверхпроводимости, в 1957 г. разработали Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер из Иллинойсского университета (США), описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне (Нобелевская премия по физике в 1972 г.).

Суть теории БКШ (аббревиатура из первых букв фамилий авторов) такова. Электрический ток — это поток электронов. Когда ток проходит по металлу, электроны неизбежно сталкиваются с образующими кристаллическую решетку ионами. Колебания кристаллической решетки, вызванные этими столкновениями — это тепло, забирающее часть энергии. Но при охлаждении металла эта картина меняется. Возникающие при столкновении с одним из электронов колебания кристаллической решетки распространяются по металлу (аналогично звуковой волне) и в конце концов передают свою энергию другому электрону. В результате такие пары электронов, называемые куперовскими, движутся по металлу, не встречая сопротивления и не теряя энергии!

Теория Бардина-Купера-Шриффера позволила выразить критическую температуру через фононные (псевдо­звуковые) и электронные характеристики.

В результате этого появилась возможность вести осмысленный поиск новых сверхпроводников с более высокой температурой перехода.

Очередная революция грянула в конце 1986 г. Александр Мюллер (Швейцария) и Георг Беднорц (Германия), работая в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, обнаружили, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35К.

Вскоре исследовательские группы в разных странах мира изготовили керамические материалы с температурой перехода от 90 до 100К, которые способны оставаться сверхпроводниками в сильных магнитных полях. А это уже совсем другая история!

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) — прямой путь к промышленному внедрению. ВТСП-устройствам достаточно жидкого азота (Т=-196°С), а это в сотни раз дешевле, чем применение жидкого гелия (кстати, достаточно редкого на Земле) и водорода. Азота же у нас — мягко говоря, очень много (80% земной атмосферы — это азот)!

Казалось бы, барьер преодолен, и ВТСП-технологии уже должны занять достойное место в энергетике, транспорте, медицине, электронике и т.д. Но есть немало причин, отодвигающих дату массового использования ВТСП, самая главная из которых — отсутствие теории ВТСП, без которой невозможно продолжение целенаправленных исследований, способных привести к созданию сверхпроводников, работающих, например, при комнатной температуре. Поэтому вся мощь интеллектуальной элиты обрушилась на проблему выяснения механизмов формирования сверхпроводимости при высоких температурах (рекорд в наши дни — -111°С). И хотя прошло уже почти два десятилетия, можно не сомневаться, что построение приемлемой теории — уже не за горами.

Но оставим в стороне теоретические изыскания, рассмотрим, что же сулит энергетике массовое применение технологий сверхпроводимости. Примечательно, что уже сегодня сверхпроводящие материалы успешно работают в метрологии, астрофизике и астрономии, медицине и экспериментальной физике. Все эти области характеризуются чрезвычайно высокими требованиями к чувствительности. Когда речь идет об измеряемых напряжениях в триллионные доли вольта, например, то никакой обычный проводник просто не пропустит токи исчезающе малых величин, полностью переведя их в паразитное тепло. А вот сверхпроводниковый элемент — пожалуйста!

Магнитометры, способные регистрировать магнитные поля в миллиардные доли гаусса, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских приборах — магнито-резонансных томографах — на производство которых сегодня расходуется свыше половины выпускаемых низкотемпературных сверхпроводниковых материалов. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.

Также надо упомянуть о сверхпроводящих магнитах с высокими критическими полями, созданных в середине 60-х гг. прошлого века. Они позволили получить магнитные поля сверхвысокой напряженности, крайне необходимые для исследований структуры вещества, отработки технологий термоядерного синтеза, о чем мы уже писали.

Около половины всех производимых сегодня низкотемпературных сверхпроводников идет на нужды «индустриальной физики», прежде всего на создание ускорителей.

Использование сверхпроводящих катушек — безальтернативное решение: применение традиционных технологий привело бы к необходимости строительства мощных электростанций для каждой установки и затратам в миллиарды долларов.

Сверхмощные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводящих катушек, уже стали основополагающим принципом магнитной подвески (магнитной левитации) скоростных поездов ближайшего будущего.

За счет сил отталкивания между движущимся магнитом в поезде и током, индуцируемым в направляющем проводнике, состав способен двигаться без шума и значительного трения и развивать очень большие скорости. Японский поезд на магнитной подушке MLX01 недавно установил новый рекорд скорости. В ходе эксперимента на трассе в префектуре Яманаси, к юго-западу от Токио, электричка из трех вагонов разогналась до 560 км/час.

Рейс осуществлялся в «беспилотном режиме». Управление велось по компьютеру из контрольного пункта. Под действием высокотемпературных сверхпроводников поезд приподнялся над рельсом на 10 см и бесшумно пролетел отрезок в 18,4 км менее чем за 2 минуты. По словам специалистов, это не предел, в следующий раз они попытаются разогнать MLX до 580 км/час.

Еще дальше пошли власти Шанхая. Уже завершены путеукладочные работы на всей протяженности первой в мире 30-километровой коммерческой железной дороги для поездов на магнитной подушке. Она свяжет международный аэропорт Пудун с деловой частью города. Поездка в одну сторону займет лишь 8 минут со скоростью 400 км/час. На этой уникальной железной дороге уложены 2550 рельсовых балок, весом 190 т и длиной 24 м каждая. Для осуществления проекта основные технологии были заимствованы в Германии.

Но все же самые впечатляющие успехи могут быть достигнуты в традиционной энергетике. Исследования, проведенные нобелевским лауреатом Алексеем Абрикосовым, показали: существуют сверхпроводники, способные проводить достаточно большие токи без утраты сверхпроводящих свойств.

Подтверждение появилось достаточно быстро: в США обнаружили такие вещества, провода из которых оказались способны нести просто фантастические токи — до миллиона ампер на квадратный сантиметр!

Это в 1000 раз превышает показатели критического тока для меди — привычного электротехнического материала. Иными словами, использование сверхпроводника в электротехнике позволило бы уменьшить сечение проводов в тысячу раз.

Детройт, автомобильная столица США, стал пионером промышленного внедрения сверхпроводниковых технологий. В одном из его районов медные силовые кабеля общим весом свыше 7 т заменены всего 100 кг сверхпроводящего кабеля, способного, тем не менее, на существенно большие нагрузки. Потребителями подводимой через кабель электроэнергии будут 14 тыс. человек и несколько предприятий. Стоимость проекта — около $14 млн.

В детройтском проекте применена распространенная технология «порошок в трубке»: в серебряную трубку засыпается керамический порошок, затем он подвергается термохимической обработке. Получается провод сечением около 1,2 мм стоимостью $200/м. Столь высокая цена объясняется жесткостью технологических требований к химическому составу и размерам частиц керамического порошка, а также необходимостью использовать серебро.

С развитием технологии и увеличением объемов производства сверхпроводники будут дешеветь. Так, компания American Superconductor планирует довести стоимость такого кабеля до $50/м, ежегодно выпуская 10 тыс. км провода (сейчас во всем мире — 2 тыс. км в год). А через несколько лет, когда серебру удастся найти более дешевую замену, цена на сверхпроводящий провод опустится до $25/м, сравнявшись со стоимостью медного кабеля, способного пропускать такой же ток!

По оценкам специалистов Всемирного банка, уже к 2010 г. рынок сверхпроводникового электротехнического оборудования будет составлять $70 млрд., а к 2020 г. превысит $240 млрд.

Российские достижения на этом перспективном рынке скромнее. В прошлом году стартовала совместная программа бывшего Минатома России (в основном финансировавшего отечественные разработки в области сверхпроводников) и РАО ЕЭС по разработке токоограничителя на сверхпроводниках — очень эффективного устройства со 100%-й надежностью.

Его функция — защита оборудования от токов короткого замыкания. Как только рабочий ток превышен (где-то что-то замкнуло!), элемент выходит из сверхпроводящего состояния в обычное резистивное. А главное — в нем попросту нечему перегорать и ломаться!

В арсенале российских разработчиков есть еще немало проектов современного уровня, способных принести в будущем серьезный экономический эффект. Важно, чтобы сегодня все эти разработки не были бы брошены на полдороге, как это произошло, например, со сверхпроводниковым генератором в АО «Электросила». Иначе — отстанем навсегда!

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!