Новые высокотемпературные сверхпроводники — предмет поиска многих лабораторий. Не исключено, что в недалеком будущем ученые осуществят синтез купратов с критической температурой порядка 200 К. Приведет ли это к революции в технологиях электротехники, транспорта или энергетики?
Сверхпроводники: революция в энергетике
«Высокотемпературный сверхпроводник с током не слишком устойчив, – говорит профессор физики Университета Old Dominion в штате Виргиния Александр Гуревич. – Он может спонтанно перейти в нормальное состояние и, по закону Джоуля–Ленца, стать источником тепла. Если это случится в окружении сжиженного горючего газа, может произойти серьезный взрыв. Ни одна энергетическая компания на подобный риск не пойдет»

Материалы, сохраняющие сверхпроводимость при температурах выше точки кипения жидкого азота (такие как описанное в «ПМ» №4'2012 соединение иттрия, бария, меди и кислорода), являются поликристаллами и посему обладают зернистой структурой. Сверхпроводящий ток рассеивается на границах зерен (тем значительней, чем больше этих зерен и чем выше их пространственная неоднородность). Через такой материал довольно сложно пропустить сильный ток, поскольку ему будет свойственно замкнуться внутри зерна, не выходя за его границу. По этой причине подобные сверхпроводники в чистом виде непригодны для изготовления кабелей для энергетических систем. Есть и другие сложности, обусловленные магнитными свойствами этих материалов, которые сужают спектр их технического применения.

Слоеные кабели

Проблема преодоления зернистости решается, но пока еще сложно и дорого. Стандартный электрический кабель из обычного (низкотемпературного) сверхпроводника на основе ниобия и титана — это пучок проводов примерно миллиметрового диаметра в медной матрице, которая работает как магнитный и тепловой стабилизатор. Высокотемпературный сверхпроводниковый кабель устроен гораздо хитрее. Это многослойная лента, выращенная на подложке из никелевого сплава с помощью ионного напыления. В серединной области ленты имеется пленка из сверхпроводника толщиной всего 1 — 3 микрона. Эта пленка окружена прослойками материалов, снижающих степень ее зернистости при напылении и служащих защитой от температурных колебаний. Толщина ленты в 50 — 100 раз превышает толщину сверхпроводящего слоя, так что она пропускает ток лишь в центральной узкой зоне. Ко всему прочему, чтобы увеличить максимальную плотность тока, этот слой фаршируют наночастицами. Поэтому изготовить хотя бы километровый кусок такого кабеля — крайне непростое и недешевое дело.


Холодный километр

Основное применение сверхпроводящих кабелей — соединять между собой объекты типа подстанций. На начало 2012 года самый длинный подобный кабель (1 км), рассчитанный на напряжение 10 кВ и мощность в 40 МВт, был изготовлен компанией Nexans для энергетической инфраструктуры в немецком городе Эссен.

Конструкция высокотемпературного кабеля включает не только сверхпроводники в виде многослойной ленты, но и специальные (обычно медные) элементы для термостабилизации, а также мощную теплоизоляцию. Кроме того, конструкция предусматривает каналы (прямой и обратный) для прокачивания жидкого азота, который поддерживает рабочую температуру. Достоинством такого кабеля является плотность тока, превышающая таковую для медных кабелей в 1000 раз, что в сочетании с отсутствием потерь позволяет снизить напряжение и тем самым уменьшить количество трансформаторов, преобразователей и ЛЭП. Кроме того, благодаря коаксиальной конструкции сверхпроводящие кабели не генерируют внешних магнитных полей, и не влияют друг на друга при близком расположении.


Электричество в трубопроводах

Другое дело, если бы удалось найти высокотемпературный аналог диборида магния, который недорог и легко поддается обработке. К тому же он изотропен, так что его электрические свойства не зависят от направления, как у купратов. Более того, он может пропускать электрический ток в весьма сильных магнитных полях (вплоть до 7 — 8 Тл). Очень соблазнительно предположить, что материал с такими свойствами и критической температурой на несколько градусов выше точки сжижения природного газа (113 К) произведет подлинную революцию в энергетике. Сейчас весь мир переходит на транспортировку природного сжиженного газа по магистральным трубопроводам. А если в трубу с жидким газом поместить сверхпроводящий кабель, то по нему можно передавать ток практически без всяких затрат. Как говорили раньше, дешево и сердито.

Несмотря на достаточно высокую цену, сверхпроводящие кабели для энергетической инфраструктуры имеют свою рыночную нишу: их использование позволяет сэкономить на трансформаторах и преобразователях. Однако это штучная продукция, а не массовое производство.

Туманные перспективы

Но может быть, нас ждет технологическая революция, если удастся создать сверхпроводник с комнатной или почти комнатной критической температурой? Александр Гуревич не отрицает принципиальной возможности этого — во всяком случае, пока никто еще не доказал, что квантовая теория конденсированных сред запрещает существование таких материалов. Однако с повышением температуры возрастает роль тепловых флуктуаций — это следует из общих принципов неравновесной термодинамики. Такие флуктуации особенно сильны в слоистых материалах, к числу которых относятся все известные ныне высокотемпературные сверхпроводники. Поэтому «комнатный» сверхпроводник, скорее всего, сможет пропускать лишь довольно слабые токи, да к тому же его поведение будет зависеть от колебаний внешней температуры. А поскольку он почти наверняка окажется очень дорогим в изготовлении, вряд ли им заинтересуется энергетика. Впрочем, как считает профессор Гуревич, нельзя заранее исключить, что какие-то светлые головы додумаются до создания объемно-однородных материалов с комнатной критической температурой. Но в ближайшем будущем такие возможности как-то не наблюдаются. Ничего не попишешь, придется подождать.

Статья «Холодная энергетика» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2012).