Материал: История становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости

Хотелось бы отметить, что сделано выдающееся открытие в увеличение критической температуры - в 1973 году была получена температура Тс=24 К, а уже в 1986 году максимальная критическая температура возросла в несколько раз. Но если рассматривать физику второй половины XX, то можно сказать, что в те года были сделаны еще более существенные открытия, однако они не смогли вызвать и доли такого же общественного резонанса в научном мире как открытие сверхпроводимости. Например, в те времена были открыты новые элементарные частицы, так называемые пульсары. Открытие Мюллера-Беднорца было не в простом увеличение критической температуры перехода. Создание нового класса высокотемпературных сверхпроводников дало возможность использовать в качестве хладона жидкий азот вместо жидкого гелия. А это замещение является большим экономическим эффектом. Стоимость жидкого азота приблизительно на три-четыре порядка ниже стоимости жидкого гелия. Экономический эффект также можно показать через требуемое массовое содержание газа для охлаждения. Для одной и той же массы требуется на порядок больше количества гелия, чем азота. Азот имеет значительно выше значение теплоты парообразования. В том, числе существенно увеличивается экономическая эффективность применяемой криогенной аппаратуры.

. Сверхпроводящий бум

В середине XX века, после открытия высокотемпературной сверхпроводимости, в научном мире произошли кардинальные изменения. Американский фантаст Реймонд Фишер Джоунс опубликовал рассказ «Уровень шума» в 1967 году. Основная мысль рассказа заключалась в следующем - на одном секретном семинаре, на котором присутствовали физики и математики, было объявлено, что некий ученый изобрел антигравитационный аппарат, однако при испытаниях ученый и его аппарат погибли, и всем участникам конференции предъявляют бесформенные обломки аппарата, а также звукозапись, полученную в ходе испытаний. На этом секретном семинаре ученым ставится серьезная задача - воспроизвести данный аппарат. До этого совещания никто и не подозревал о том, что можно преодолеть силу гравитации и создать такой аппарат, но после представленных данных они убеждаются что это возможно, и у них меняется отношение к этой проблеме. В итоге новый антигравитационный аппарат появляется спустя какое-то время, но тут же выясняется, что секретный семинар и все что в нем было представлено это всего лишь тщательно продуманный обман. Не существовало никакого изобретения. Автор пишет, что создание этого рассказа подразумевало идею того, что можно разрушить предубежденность того или иного факта. По сути этот рассказ полностью передает мысль открытия высокотемпературной сверхпроводимости. Стоит отметить, что научный мир иногда строиться на случайностях, но иногда ему нужен толчок для того, чтобы научные открытия могли развиваться дальше. Статья Йоннеса Беднорца и Карла Мюллера послужила неким катализатором, поднявшим «уровень шума».

В продолжение развития сверхпроводников стоит отметить, что уже в апреле 1987 г. были сделаны первые опытные образцы сверхпроводящих оксидных плёнок и покрытий, а также были созданы проволока и соленоиды, которые смогли показать, что сверхпроводники (высокотемпературные) могут стать технической реальностью. Можно сказать, что с этого времени данное направление перешло в промышленную деятельность и стало «проблемой» государства.

мая 1987 г. состоялось первое заседание ученых и политиков, которое стало началом государственной программы по высокотемпературной сверхпроводимости. Основной мыслью данной программы стали фундаментальные и прикладные исследования. Явление высокотемпературной сверхпроводимости представляет собой крайне сложную систему - исключительно сложные оксидные соединения материалов, причем крайне чувствительные к условиям синтеза, к термообработке и дальнейшего применения. Сверхпроводниковые материалы по праву относятся к химическим соединениями, так как именно способ получения, обработка, переработка, химический элементный состав материала, керамическая и кристаллическая структура, а также условия спекания керамики, являются важными техническими параметрами для получения высококачественных высокотемпературных сверхпроводников.

За последние годы синтез высокотемпературных сверхпроводников сделал большой шаг. Значительных успехов достигли в получение новых сверхпроводников с более высокой критической температурой перехода. Среди этих открытий конечно выделяются, такие как синтез серии соединений материала состава Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 японским ученым Мадеда в 1988 году с критической температурой Тс=110 К. Также нельзя забыть про открытие сверхпроводника Tl2Ba2Ca2Cu3O10, которое произошло спустя месяц. Данный сверхпроводник был открыт А. Херманом, американским физиком, причем температура перехода достигла уже 125 градусов Кельвина.

Стоит отметить, что и российские ученые не стоят на месте. В 1993 году в Московском государственном университете им. Ломоносова ученые-химики Е. Антипов и С. Путилин, работая в команде с международными исследователя, получили сверхпроводники ртутьсодежавщего состава HgBa2Can-1CunO2n+2+(n=1-6). Критическая температура перехода данного соединения варьируется от 135 К до 164 К, в зависимости от n, и приложенного внешнего давления. Но уже сам факт, что критическую температуру перехода материала в сверхпроводящее состояние смогли увеличить до 165 К, является еще одним прорывом в предмете сверхпроводников. Стоит отметить, что полученная температура лишь на 19 К уступает минимальной зафиксированной в природных условиях на поверхности Земли температуре.

Конечно, до сих пор ведутся исследования по увеличению критической температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние. Одним из последних утверждений было из Франции - исследователи из Лиона опубликовали статью, в которой утверждалось создание сверхпроводников на основе гидратов магния и лития. Однако так называемые «безмедные» сверхпроводники не давали столько высоких значений температуры, поэтому после проверки их деятельности, их открытие было опровергнуто. Конечно, кто-то утверждает, что это «открытие» появилось за день того, как принималось решение о финансирование данного проекта, и для его поддержки ученым «пришлось» выдвинуть свою теорию.

Размеры финансирования программ по сверхпроводимости в 90-е года снизились, за исключением можно отметить Японию, в которой государственное финансирование и по сей день остается максимальным (200 млн. долларов в год). Эти цифры как нельзя лучше отражают действительность - национальная стратегия Японии, направленная на использование сверхпроводников, и показывает, что с 1997 года расходы на науку резко возросли. В Японии в магазинах можно найти невероятно множество книг, монографий и даже красочных увлекательных комиксов, в которых воссоздаются жизненные истории, переплетающиеся с коллизиями, созданными высокотемпературной сверхпроводимостью.

Что же касается, финансирования проектов по высокотемпературной сверхпроводимости в России, то за 12 лет произошло сокращение на два порядка, что уменьшило число исследовательских групп до нескольких приоритетных. Конечно, в период открытия нового класса сверхпроводников (высокотемпературных) - в России было сделано многое - производился синтез новых типов сверхпроводников, достаточно большое внимание было уделено новым методам синтеза и технологиям создания керамики на основе сверхпроводников (методы осаждения, золь-гель процессы и другие). Не осталось без внимания и исследования в области термодинамики, химического элементного состава сверхпроводниковых материалов, процессы токовой и химической деградации, а также создание эффективных разработок по синтезу сверхпроводящих тонких пленок и покрытий.

В Национальном исследовательском Томской политехническом университете существует лаборатория «Высокотемпературная сверхпроводимость», в которой ведется создание такого типа сверхпроводников с помощью плазмодинамического метода.

Плазмодинамический метод синтеза нанопорошков базируется на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя (рисунок 8). Данный ускоритель был разработан в НИИ Высоких напряжений. Патентообладателем данного изобретения является доктор технических наук, профессор кафедры Электроснабжения промышленных предприятий НИ ТПУ Сивков Александр Анатольевич. Под его руководством в лаборатории ведутся исследования по получению нанодисперсных порошков, в том числе и иттрий-бариевые купраты, которые на сегодняшний день являются самыми распространёнными высокотемпературными сверхпроводниками [17-19].

Рисунок 8 - Схема и устройство коаксиального магнитоплазменного ускорителя: 1. Центральный электрод; 2. Электрод-ствол; 3. Изолятор центрального электрода; 4. Индуктор; 5. Заглушка

Конечно, история развития сверхпроводников будет и дальше развиваться, однако необходимо совершить очередной «сверхпроводящий бум», для того чтобы войти в ее историю. Хотя, до какого-то времени высокотемпературная сверхпроводимость, да и вообще сверхпроводимость являлась чудом, некой магией, в которую никто не верил, но все же ее удалось получить.

сверхпроводник высокотемпературный диэлектрик мейснер

5. Применение сверхпроводящих материалов

Как уже было отмечено ранее, сверхпроводники имеют два уникальных свойства: в интервале величин, ниже критических значений температуры, величины индукции магнитного поля и плотности тока, сверхпроводники имеют нулевое электрическое сопротивление и способны нести ток без потерь на нагрев проводника; при величинах магнитного поля ниже так называемого мейснеровского значения сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом.

Сильноточные технологии разрабатываются для создания устройств больших мощностей для большого запаса электрической энергии. Сильноточные сверхпроводники применяются для создания, в первую очередь, высоких магнитных полей, так как для поддержания в сверхпроводящем соленоиде уже созданного им поля не требуется больших затрат электрической энергии. Потери энергии отсутствуют, и при необходимости она может быть использована снова [20-27].

Сверхмагниты, создающие в малых объемах сильное и очень однородное магнитное поле, нужны при изучении твердого тела. Сильное магнитное поле резко заворачивает траектории электронов, летящих в толще образца. Измерение частоты колебания этого движения позволяет определить эффективную массу электронов, длину свободного пробега между двумя соударениями, концентрацию частиц. Становится также возможным сознательно вводить центры рассеяния электронов и изучать влияние этих центров на электронную систему.

Физика высоких энергий - это не только создание магнитных систем ускорителей, а также и каналов транспортировки и сепарации пучков, разнообразных детектирующих систем. Сильные магнитные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами, нужны и для управления пучками частиц на выходе из ускорителя.

Современные ускорители, сообщающие частицам высокие энергии (десятки и сотни гигаэлектронвольт), имеют вид больших колец и состоят их секторных магнитов. Ускорители - это очень сложные и дорогостоящие сооружения. В нашей стране был построен под Серпуховом крупнейший протонный ускоритель, который имеет диаметр 0,5 км, его длина 1,5 км, он состоит из 120 массивных блоков весом 20 тысяч тонн и способен набирать до 76 ГэВ энергии (в Дубне работают небольшие ускорители на основе ниобий-титанового сплава НТ-50).

Создана установка «Гиперон-1» для исследования частиц с малым временем жизни; диаметр рабочей области 1 м, индукция магнитного поля достигает 5 Тл. Обмотка из сверхпроводников на основе ниобий-титанового сплава НТ-50 имеет вес 8 т, его криогенная установка потребляет только сотую часть энергии, которую потреблял бы в обычном использовании аналогичный несверхпроводящий магнит.

Создание магнитов для Большого адронного коллайдера (LHC) является в настоящее время самым масштабным использованием сверхпроводников, поскольку для этого потребуется изготовить ~ 1400 тонн проводника, в котором ~400 тонн приходится на Nb-Ti сплав. Экспериментальные провода диаметром 1,065 мм с диаметром волокон 12 мкм были изготовлены в рамках исследовательской программы LHC - Большого адронного коллайдера, который будет работать при температуре сверхтекучего гелия (1,9 К).

ИТЭР, Токамаки. Энергетика является важной и перспективной областью применения сверхпроводников. Потребление энергии растет неуклонно, а в условиях ограниченности используемого природного топлива - нефти, газа, угля - встает вопрос о новых источниках энергии, одним из которых может стать термоядерный синтез. Электростанция на термоядерной энергии - это революция, сравнимая с изобретением паровой машины и компьютера. Все без исключения серьезные специалисты считают, что лишь использование термоядерной энергии способно решить энергетические проблемы цивилизации. В отличие от газа и угля он не исчерпаем, в отличие от атомной энергии - безопасен. В отличие от нетрадиционных источников - эффективен для промышленного освоения.

Накопители. Электроэнергию выгодно производить непрерывно, но спрос на неё в разное время суток разный. За последнее десятилетие во всем мире произошло около двух десятков серьезных аварий в электросетях, которые повлекли довольно длительное отключение электроэнергии. Это было и в Нью-Йорке (1999 г.), и в Лондоне (2003 г.), и в Москве (2005 г.).

Стало очевидно, что необходим «склад» энергии. Эту проблему можно решить с помощью сверхпроводников. Сверхпроводящие индуктивные накопители электромагнитной энергии (СПИНЭ) представляют собой пример одного из уникальных технических использований явления сверхпроводимости - это большая катушка, замкнутая на себя, где без потерь циркулирует ток.

СПИНЭ - индуктивные накопители энергии имеют ряд неоспоримых преимуществ:

·        плотность энергии в нем на два порядка больше, чем в конденсаторной батарее, а отдаваемые импульсные мощности могут достигать величин в десятки миллионов киловатт;

·        высокий уровень КПД и быстродействие. Время вывода энергии из сверхпроводящего накопителя зависит от его конструкции и составляет от тысячных долей секунды до нескольких часов;

·        возможность размещения вблизи потребителя энергии бесперебойного снабжения электроэнергией при аварийных ситуациях;

·        низкий уровень потерь при хранении энергии;

·        возможность регулирования в режиме вывода энергии и возможность аккумулирования электроэнергии для выравнивания графиков нагрузки.

С точки зрения практического применения интерес представляют СПИНЭ:

·        с запасенной энергией 106-107 Дж, обеспечивающие эффектное регулирование напряжений в «слабых» электрических сетях и повышение уровня защиты потребителей электроэнергии;

·        с запасенной энергией 108-109 Дж, позволяющие достаточно быстро влиять на распределение мощности в системе и обеспечивать бесперебойное снабжение электроэнергией потребителей при аварийных ситуациях в ЕНЭС;

·        в перспективе, при запасенной энергии 1012-1013 Дж, позволяющие аккумулирование электроэнергии для выравнивания графиков нагрузок.

Кабели передачи энергии. Наиболее заманчивой является возможность использования сверхпроводников для линий электропередач. Известно, что несмотря на все ухищрения сетевых компаний РАО ЕЭС, не менее 10% производимой в стране электроэнергии пропадает зря. В пересчете на год теряются миллиарды рублей. А все дело в том, что часть энергии безвозвратно уходит на нагрев проводов протяженных линий электропередачи и окружающего пространства. Впрочем, аналогичная картина наблюдается во всем мире. Физику не обманешь. Технико-экономический анализ показал, что при большой мощности сверхпроводящий кабель будет в 2-3 раза дешевле обычного, а потери энергии в нем будут сокращены в 25 раз. Сам по себе сверхпроводящий материал намного дороже меди, однако токонесущая жила оказывается дешевле, ведь по проводу сечением 1 мм2 можно пропускать не 1-2 А, а десятки кА. Сэкономленную на токовой жиле сумму можно потратить на криогенное охлаждение. Однако следует учесть, что процесс изготовления сверхпроводящего кабеля достаточно трудоемок. Ясно, что существуют много и других трудностей, но у нас в стране уже создан кусок кабеля длиной 50 м на основе Nb3Sn на 8 и 10 кА. Кабели на 5 ГВт испытываются в США и Японии.