Сопротивление бесполезно!

Еще из школьных учебников мы усвоили: неотъемлемая электрическая характеристика любого проводника (не говоря уже об изоляторах) – сопротивление R. Одно из простейших и широко распространенных его проявлений – выделение тепла при прохождении тока. В лампах накаливания (в том числе и в столь любимых сторонниками «теплого лампового» звука триодах и пентодах) и электрических плитах оно полезно. А вот в микросхемах, применяемых в современной вычислительной технике, с выделением тепла борются всеми возможными способами. Около 10 процентов всей производимой в мире электроэнергии уходит на «обогрев атмосферы», то есть пропадает зря.

А между тем одно из возможных принципиальных решений этой проблемы известно более ста лет. В 1911 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес (Heike Kamerlingh Onnes) проводил опыты со сжиженным гелием, который существует в таком состоянии при температурах в несколько кельвин, то есть вблизи абсолютного нуля (0 К, или −273,15 °С). Также он измерял сопротивление ртути постоянному току при охлаждении и обнаружил, что при температуре −270 °C, или 3,15 К (сегодня эта температура называется критической и обозначается как Tc – для каждого вещества она своя) это сопротивление скачкообразно уменьшается до нуля. Вскоре вслед за ртутью были открыты и другие сверхпроводники: олово (Tc = 3,69 К, −269,5 °C) и свинец (Tc = 7,26 К, или −265,9 °C). Далее выяснилось, что аналогично ведут себя и многие другие металлы (кроме широко распространенных меди, серебра, золота, платины, щелочных, щелочноземельных и ферромагнитных металлов). 

Открытие вызвало заметный энтузиазм – перед учеными и инженерами открылись 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 (то есть включающие примеси) 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 очень дорогие криогенные установки, работающие с жидкими гелием и водородом (температура кипения водорода −250 °C, или 23,15 К). Во-вторых, токи и магнитные поля, с которыми работают сверхпроводники, малы. Стоит чуть превысить некую критическую величину, как эффект пропадает и сопротивление проводника резко возрастает до обычных значений. И, наконец, до поры до времени была непонятна сама физика явления…

Трудности с построением физической модели остановили даже таких авторитетов, как Нильс Бор и Альберт Эйнштейн. Дело в том, что в начале ХХ века не было построено сколько-нибудь убедительной теории даже 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. 

В начале 1950-х советские физики Виталий Гинзбург и Лев Ландау создали феноменологическую (то есть опирающуюся на наблюдаемые явления) теорию сверхпроводимости, а также получили ряд важных термодинамических соотношений для сверхпроводников, объяснили поведение сверхпроводящих пленок в магнитном поле, эффекты переохлаждения и перегрева. В 1957 году в результате проверки теории Гинзбурга-Ландау тогда еще тоже советский ученый Алексей Абрикосов предсказал существование сверхпроводников II типа – от уже описанных они отличались тем, что не теряли своих свойств даже в сильном магнитном поле.

Детальное объяснение механизм сверхпроводимости получил в том же 1957 году в теории Джона Бардина (John Bardeen) – единственный, кстати, человек на планете, получивший «Нобеля» по физике дважды! – Леона Купера (Leon Cooper) и Джона Шриффера (John Schrieffer) из Университета Иллинойса (США). Они описали явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне (Нобелевская премия по физике в 1972 году). С изрядной долей примитивизма, 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 столкновениями, – это тепло, забирающее часть энергии. Но при охлаждении металла картина меняется. Возникающие при столкновении с одним из электронов колебания кристаллической решетки распространяются по металлу и в конце концов передают свою энергию другому электрону. В результате образуются коррелированные пары электронов, которые движутся по металлу, не встречая сопротивления и не теряя энергии! 

Очередная революция грянула в конце 1986 года. Швейцарец Александр Мюллер (Alexander Müller) и немец Георг Беднорц (Georg Bednorz) из цюрихской лаборатории IBM обнаружили, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К, или −238,1 °C, а это уже намного выше абсолютного нуля! Кстати, один из температурных рекордов был установлен Сергеем Путилиным и Евгением Антиповым из МГУ в 1993 году. Сложный сплав-купрат (то есть содержащий окись меди) включал ртуть, барий, кальций и под давлением около 50 атмосфер переходил в сверхпроводящее состояние при температуре −109 °C, или 164,1 К. 
Вскоре исследовательские группы в разных странах изготовили керамические материалы, способные оставаться сверхпроводниками и в сильных магнитных полях (те самые сверхпроводники II рода, предсказанные Абрикосовым). А это уже совсем другая история! Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) – прямой путь к внедрению технологии в промышленность. ВТСП-устройствам достаточно жидкого азота (Т = 77,15 К, или −196 °С), а это в сотни раз дешевле, чем применение жидкого гелия (кстати, элемента достаточно редкого на Земле) и водорода. Азота же у нас, мягко говоря, очень много – 80 процентов земной атмосферы! 

Любопытно, но до сих пор нет общепринятой и достаточно стройной теории ВТСП, на основе которой можно осмысленно (а не методом «научного тыка») продолжать исследования, способные привести к созданию новых классов сверхпроводников. Поэтому ВТСП-технологии, способные составить экономическую конкуренцию традиционным проводникам в энергетике, транспорте, медицине, электронике, пока остаются в стадии единичных и малосерийных (но крайне перспективных) проектов. 



Тем не менее, битва с сопротивлением кипит на всех направлениях: слишком очевидны выгоды – триллионная экономия энергоресурсов. Уже сегодня сверхпроводящие материалы успешно работают в метрологии (наука об измерениях), астрофизике и астрономии, медицине и экспериментальной физике. Все эти области, кроме некоторого пренебрежения к самоокупаемости и хозрасчету, характеризуются чрезвычайно высокими требованиями к чувствительности. Когда речь идет об измеряемых напряжениях, например, в миллиардные доли вольта, никакой обычный проводник просто не пропустит токи исчезающе малых величин, полностью переведя их в «паразитное» тепло. А вот сверхпроводниковый элемент – пожалуйста! Магнитометры, способные регистрировать поля в миллионные доли гаусса, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских приборах – магнито-резонансных томографах, на производство которых сегодня расходуется свыше половины выпускаемых низкотемпературных сверхпроводников. Чрезвычайно чувствительные детекторы вариаций силы тяжести могут применяться в различных областях геофизики. 

Сверхпроводники позволили получить мощные магнитные поля, крайне необходимые для исследований структуры вещества и отработки технологий термоядерного синтеза. В последнем случае использование сверхпроводящих катушек – безальтернативное решение: применение традиционных технологий привело бы к необходимости строительства электростанций для каждой установки и затратам в миллиарды долларов.

Мощные поля, генерируемые сверхпроводниками, также стали «движущей силой» магнитной подвески (эффект магнитной левитации) ультрасовременных скоростных поездов. За счет сил отталкивания между магнитом в поезде и током, индуцируемым в направляющем проводнике, состав способен двигаться без шума и значительного трения и развивать очень большие скорости. Перспективные работы до недавнего времени интенсивно велись в Японии и Германии, но реальная «дорога в будущее» построена только одна. Она связывает международный аэропорт Пудонг в Шанхае с центром города. Протяженность ее невелика – всего 30 километров, но чудо-поезд Maglev (аббревиатура от английского magnetic levitation) развивает скорость свыше 400 км/ч и покрывает это расстояние всего за 8 минут.

Основной подрядчик проекта – немецкий концерн Siemens, не встретивший понимания и финансовой отзывчивости в Европе. В самой Германии дело дальше экспериментальной ветки не пошло, и планы по строительству аналогичных линий во Франкфурте, Гамбурге и Мюнхене некоторые политики назвали «новым «Конкордом»: получается настолько дорого, что даже престиж не стоит таких затрат. Только не для Китая…

Как это ни странно, лидирующие позиции на рынке сверхпроводникового оборудования занимает вовсе не германский Siemens, многие десятилетия специализирующийся на производстве именно электротехники, а итальянский концерн Pirelli, знакомый широкой публике прежде всего по автомобильным покрышкам. Пожалуй, к середине нулевых итальянские инженеры накопили самый богатый опыт разработок, начатых еще в 1987 году. Хотя справедливости ради, надо отметить, что поначалу технические препятствия казались совершенно непреодолимыми. 

Дело в том, что новый класс материалов, приобретающих сверхпроводящие свойства уже при температуре жидкого азота, представляет собой хрупкую керамическую композицию. Как из нее сделать гибкий кабель? Поиски ответа заняли почти десятилетие, а результат удалось продемонстрировать в 1998 году. Им стал прототип 50-метрового однофазного 115-киловольтного кабеля, рассчитанного на нагрузку до 400 МВА (мегавольтампер), созданный совместно с правительством США и компанией American Superconductor. «Сердцем» кабеля стали длинные и гибкие ленты из гранулированного керамического материала с мудреным названием BSSCO (читается «биско»), покрытые серебряной оболочкой (сечение всего одной такой «жилы» − 1,2 кв. мм, а цена доходит до 2000 долларов за погонный метр!). Кабель заключен в охлаждающую оболочку с жидким азотом. Максимальная (критическая) плотность тока при −196 °C в «чистом» BSCCO составляет 70 кА на квадратный сантиметр, но так как целый кабель лишь частично состоит из сверхпроводника, критическая плотность тока достигает лишь 15 кА/см2. Это примерно на два порядка больше, чем в медных проводах.

Экспериментальной площадкой для отработки новой технологии стал Детройт. В 1998 году специалисты компании Pirelli начали замену обычных трехфазных кабелей общим весом более 12 тонн на один трехфазный ВТСП-кабель (24 кВ, 100 МВА) длиной 122 метра. Он соединил электростанцию Frisbie компании Detroit Edison с районной подстанцией, обслуживающей около 15 тысяч клиентов. Общий вес сверхпроводящего кабеля составил всего 450 килограммов, правда, без учета диэлектрика-охладителя с жидким азотом и соответствующей инфраструктуры. 

В конце 2002 года вводный участок был успешно запущен в эксплуатацию. Однако крайнее недовольство налогоплательщиков вызвала стоимость проекта, превысившая 14 миллионов долларов. Дороговизна объясняется сложностью технологии «порошок в трубке» (в серебряную трубку засыпается керамический порошок, затем подвергающийся сложной термохимической обработке) и высокой стоимостью материалов. И все же, по мнению экспертов, реализация этого проекта стала для энергетики событием такого же значения, как применение оптических волокон для нужд коммуникаций. Тем более что перспективные разработки сулят снижение стоимости кабеля до уровня уже привычных медных проводов, рассчитанных на такую же нагрузку. По некоторым оценкам, в течение ближайших 15−20 лет доля сверхпроводниковых кабелей подземной прокладки может превысить 50 процентов. Не забудьте, что такие прогнозы дают эксперты-энергетики, не склонные к излишнему оптимизму (в отличие от тех же компьютерных и «яблочных» гуру, для которых каждый лишний дюйм дисплея почти революция!). 

Впрочем, отрасль находится еще на стадии становления, и каких-то общепринятых и повсеместно апробированных технологий пока нет. Например, на сегодняшний день друг с другом конкурируют две диаметрально противоположные конструкции сверхпроводящих кабелей – с теплым и с холодным (то есть находящимся при криогенных температурах) диэлектриком. В «холодном» кабеле токонесущие элементы окружены сверхпроводящим слоем, экранирующим фазные и вихревые магнитные поля, и диэлектриком, «пропитанным» жидким азотом. Этот «сэндвич»-термос практически устраняет индукционные потери, связанные с появлением «паразитных» магнитных полей. Кабели с «теплым» диэлектриком не содержат сверхпроводящего экранирующего слоя, поэтому их стоимость существенно ниже. К тому же становится возможным использовать обычные полимерные изоляционные материалы. Плюс, кабель с «теплым» диэлектриком конструктивно сходен с обычным, и при его изготовлении, монтаже и соединении можно использовать многократно проверенные надежные технологии. 

Специальная машина «вьет» кабели из ниобий-титановой сверхпроводящей проволоки

В начале третьего тысячелетия в сверхпроводниковую «гонку» включились новые игроки, составившие серьезную конкуренцию Pirelli. Косвенно расширение состава участников «чемпионата» указывает на исключительную перспективность сверхпроводниковых технологий, даже с учетом их нынешнего полуэкспериментального уровня и ограниченной сферы применения (в основном это замена силовых кабелей в распределительных энергетических узлах). Число реализованных проектов не так велико, как этого можно было ожидать в конце прошлого века в обстановке всеобщей эйфории, но тем не менее растет из года в год. Так, итальянцы разработали ВТСП-кабели на 110, 132 и 225 кВ, рассчитанные на нагрузки до 1000 МВА и предназначенные для электроэнергетических систем EDISON, ENEL (Италия) и Electricite de France. 

Среди конкурентов на первых позициях – японский гигант Sumitomo Electric, на счету которого уже числится ряд знаковых проектов, в том числе 350-метровый ВСТП-переход на 34,5 кВ и ток 800 А, проложенный между нью-йоркскими подстанциями на Лонг-Айленде, и 100-метровый ВТСП-кабель 22,9 кВ и 1250 А в Инчхоне (Южная Корея), созданный совместно с местным институтом KEPRI. 

По оценкам специалистов, рынок сверхпроводникового электротехнического оборудования к 2020 году вплотную подберется к впечатляющему барьеру в 300 миллиардов долларов. Обратите внимание: речь идет о сугубо промышленных решениях. При этом в стороне остались перспективные транспортная, коммуникационная, компьютерная, медицинская и другие отрасли, где сверхпроводниковые технологии способны произвести настоящий переворот. О котором мы пока еще не догадываемся.

***
Эффект Мейснера

В 1933 году немецкий физик Вальтер Мейснер (Walther Meißner) и его сотрудник Роберт Оксенфельд (Robert Ochsenfeld) обнаружили, что сверхпроводящий цилиндрический образец металла в магнитном поле полностью выталкивает из себя магнитный поток. Эффект Мейснера ясно показал физикам, что сверхпроводимость – квантово-механическое явление, не объяснимое с точки зрения классической физики. 
Известный японский физик и популяризатор науки Митио Каку (Michio Kaku) считает, что «если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.

…Можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами, они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются. Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку все живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 тесла (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких, как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами».