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»
Алексей Левин

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).
Интересно как устроен ядерный реактор и могут ли роботы построить дом?
Все о новых технологиях и изобретениях!
Спасибо.
Мы отправили на ваш email письмо с подтверждением.