Посвящается 100-летию открытия эффекта сверхпроводимости
Значение сверхпроводимости в современном мире и в ближайшем будущем
С 16 по 20 сентября 2007 г. в Брюсселе состоялась европейская конференция EUCAS-2007 по проблемам изучения и использования явления сверхпроводимости. Состоявшуюся конференцию без преувеличения можно назвать съездом победителей. Был зафиксирован очередной триумф человеческой мысли, который возможно станет ключом к решению глобальных энергетических и экологических проблем на планете в XXI веке. Человечество стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный всем нам мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравниться с тем, как изменился образ жизни людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников. Потенциальная выгода от широкого использования явления сверхпроводимости очевидна: радикальное снижение потерь электроэнергии при ее выработке и передаче, уменьшение в разы размеров генерирующего оборудования и двигателей, создание новых электронных приборов, разработка сверхмощных электромагнитов для научных исследований и в промышленности, разработка новых направлений в медицине, использование эффекта левитации на железной дороге и многое другое. Распространению сверхпроводимости не в последнюю очередь способствуют жесткие ограничения на выбросы парниковых газов, установленные Киотским протоколом. Например, Европа должна уменьшить выбросы газов на 8% к 2012 году по сравнению с 1990 годом. Финские ученые подсчитали, что эту задачу можно было бы выполнить при широком применении сверхпроводимости на электростанциях и в системах передачи и распределения энергии, что дало бы возможность снизить количество сжигаемого топлива, не уменьшив выработку электроэнергии.
Области применения сверхпроводимости
Ученые всей земли долго бились над проблемой практического применения сверхпроводимости, и, похоже, что этот вопрос успешно разрешился. Человечество «оседлало» сверхпроводимость. Это явление все чаще используется в современной электронике, энергетике, промышленности и медицине. На сегодняшний день основные сферы применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (именно в этих аппаратах впервые удалось эффективно использовать явление сверхпроводимости) и электроника. К 2020 году ситуация изменится. Сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Исследование мозга человека с использованием магнитно-резонансного аппарата дает незаменимую информацию для медицины.
Выделяют три больших области примененния сверхпроводников:
- различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;
- микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей (SQUID), цифровая электроника, искусственные биологические системы;
- макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.
Сверхпроводящие магниты
Впервые сверхпроводимость была применена при создании магнитов с высокими критическими полями. К середине 1960-х годов с помощью них были получены магнитные поля выше 100 кГс в лабораториях. Создание таких полей с помощью обычных электромагнитов требовало огромных затрат электроэнергии и количества воды для их охлаждения. В 2007 году учеными из университета Флориды в сотрудничестве с компанией SuperPower inc. с помощью сверхпроводниковой катушки был достигнут рекордный показатель индукции магнитного поля: 26,8 Тесла. Он приблизил ученых к числу 30 Тесла, которое определил Национальный научно-исследовательский совет США. Разработка такого магнита даст большой толчок во многих областях науки, таких как физика, биология и химия, а также позволит сократить стоимость производства и использования мощных магнитов. Ученые использовали сверхпроводниковый материал иттриего-бариевый оксид меди. Разработчики говорят, что потенциал этого материала далеко не исчерпан и их достижение - это только начало. По их прогнозу, на основе этого материала очень скоро можно будет получить магниты с силой поля более 30 Тесла, что больше потолка в 22-23 Тесла, которым обладают современные ниобиевые сверхпроводниковые магниты. В теории магниты на основе итербий-бариевого оксида меди способны создать поле до 50 Тесла, а это значит, что потенциала для развития у этого материала хватит как минимум на 20 лет.
Электроника
Еще одно практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать ничтожное напряжение. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10-9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики.
Компьютеры
Сверхпроводимость будет широко использоваться в компьютерных технологиях. Здесь сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти.
Передача энергии
Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и использованием электроэнергии. Например, по сверхпроводящему кабелю диаметром несколько дюймов можно передавать столько же электроэнергии, как и по огромной ЛЭП, причем с очень малыми потерями или вообще без них. Стоимость изготовления изоляции и охлаждения криопроводников должна компенсироваться эффективностью передачи энергии. С появлением керамических сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом, передача электроэнергии с применением сверхпроводников становится экономически очень привлекательной.
Генерация энергии
Еще одно возможное применение сверхпроводников - в мощных генераторах тока и электродвигателях малых размеров. Обмотки из сверхпроводящих материалов могли бы создавать огромные магнитные поля в генераторах и электродвигателях, благодаря чему они были бы значительно более мощными, чем обычные машины. Опытные образцы давно уже созданы, а керамические сверхпроводники могли бы сделать такие машины достаточно экономичными. Рассматриваются также возможности применения сверхпроводящих магнитов для аккумулирования электроэнергии в магнитной гидродинамике и для производства термоядерной энергии.
В 2005 году концерн Siemens заявил о создании первого мощного генератора с использованием высокотемпературной сверхпроводимости (HTS-генератор). Мощность генератора составила 4000 кВА. Компания заявила о том, что готова продавать генераторы данного типа. Их стоимость высока, но расчеты показали, что их выгодно применять, прежде всего, в условиях ограниченного пространства, к примеру, на кораблях. Преимущества сверхпроводящего генератора очевидны: его вес и геометрические размеры в два раза меньше аналогичного по мощности обычного генератора. Кроме того, HTS генератор показал большую стабильность напряжения при изменении нагрузки и более высокие характеристики с точки зрения потребления реактивной мощности.
Железные дороги
Инженеры давно уже задумывались о том, как можно было бы использовать огромные магнитные поля, создаваемые с помощью сверхпроводников, для магнитной подвески поезда (магнитной левитации). За счет сил взаимного отталкивания между движущимся магнитом и током, индуцируемым в направляющем проводнике, поезд двигался бы плавно, без шума и трения и был бы способен развивать очень большую скорость. Лидером в области применения сверхпроводимости на железной дороге является Япония. В Японии разработки данного направления ведутся уже около 20 лет, за это время выпущено около 10 модификаций поездов.
Глобальная цель исследователей природы сверхпроводимости на сегодняшний день - открыть такой материал, который сохранял бы свои сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Такой материал мог бы избавить всю технику, использующую явление сверхпроводимости от ее главного недостатка - необходимости постоянного охлаждения проводника с помощью громоздких и дорогих криогенных установок на жидком азоте.
Наука достигла значительных успехов в исследовании высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa2Cu3Ox, получены вещества, для которых температура Тc перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжижения азота).
В заключение отметим прорывное достижение наших соотечественников, создавших под руководством академика Велихова уникальную катушку для гигантских токов и магнитных полей, Катушка имеет высоту порядка 50 метров, использует керамический сверхпроводник и предназначена для удержания плазмы в термоядерных реакторах.
Профессор кафедры ТОРС ПГУТИ Николаев Б.И.,
Зав. Музеем ПГУТИ Рудь В.В.
Проректор по УВР ПГУТИ Тяжев А.И.