Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Сверхпроводники и практические проблемы их применения

Параллельно с развитием теории шли и поиски новых, более устойчивых сверхпроводников (СП), возможность существования которых она предсказывала. И действительно, в 1961 г. первый такой сплав ниобия с оловом Nb3Sn был получен в США Д. Кунцлером. Были найдены и другие сплавы, критические температуры которых доходили до 24K. Они позволили создавать мощные магнитные поля.

Мечта Камерлинг-Оннеса наконец осуществилась. Началась полоса разработок электротехнических устройств на сверхпроводниках, и прежде всего мощных магнитов, дающих поля в десятки Тесла, и не на короткое время, а постоянно. (Чтобы представить себе силу такого поля, можно привести пример. Чтобы вытащить из поля с магнитной индукцией, равной 10 Тл, обыкновенный железный гвоздь весом 10 г, нужно приложить силу, равную весу около 10 000 таких гвоздей, т.е. около 100 кг.)

Если говорить о главном направлении, в котором сверхпроводники уже заняли прочное место, - изготовлении соленоидов для создания сильных магнитных полей, то здесь при использовании постоянного тока тепловыделений практически нет. Поэтому криорефрижератор должен отводить только тепло, проникающее через изоляцию, а оно сравнительно невелико. Соленоид запитывается током один раз, а затем он практически неограниченно долго циркулирует в обмотке.

Сейчас компактные сверхпроводящие устройства, обеспечивающие сильные магнитные поля, нашли широкое применение прежде всего в научных исследованиях для создания экспериментальных установок, в частности ускорителей заряженных частиц, пузырьковых камер и, наконец, "магнитных ловушек" для удержания плазмы в термоядерных исследованиях.

В промышленности СП-магниты используются для сепарации материалов, содержащих ферромагнитные примеси, для безрельсовых поездов на магнитной подвеске, в некоторых электрических машинах. Наконец, они помогли сделать существенный шаг вперед в медицине как для магнитной диагностики (томография), позволяющей без рентгеновского облучения увидеть на экране любой участок внутри человеческого тела, так и для лечения.

Все эти успехи породили надежды и на более широкое использование СП в энергетике. Это касалось главным образом трех задач: создания дальних линий электропередачи (ЛЭП) с малыми потерями, крупных электрических машин (генераторов и двигателей) и, наконец, накопителей энергии.

Решение первой задачи сулило существенное снижение потерь в ЛЭП и возможность осуществлять "перекачку" огромны потоков электроэнергии между отдаленными районами дпя покрытия "пиков" потребления. Если бы удалось решить вторую задачу, то это дало бы возможность не только снизить электрические потери в машинах, но и уменьшить чуть ли не вдвое их габариты. Соответственно можно было бы во столько же раз увеличить их единичную мощность, что дало бы очень большой экономический эффект.

Наконец, создание крупных накопителей электроэнергии в виде огромных СП-соленоидов, запитываемых током во время "провалов" в ее потреблении и отдающих ее в сеть во время "пиков", имело бы колоссальное значение. Оно сняло бы главный недостаток электроэнергии - невозможность запасать ее в больших количествах. Химические аккумуляторы или батареи конденсаторов на это неспособны.

Однако "гладко было на бумаге, да забыли про овраги, а по ним ходить". "Оврагов" оказалось очень много. Для длинных ЛЭП не хватило бы гелия, производимого в развитых странах; в машинах трудно обеспечить тепловую изоляцию и подачу жидкого гелия в движущиеся части. В крупных накопителях возникали такие разрывающие усилия от отталкивания обмоток, что нужно было помещать соленоид в прочнейшую конструкцию диаметром сотни метров и к тому же теплоизолированную... И главное, нужно много мощных гелиевых рефрижераторов, которые и стоят немало, и электроэнергии потребляют очень большое количество (на вырабатываемый 1 кВт.ч холода 400-500 кВт.ч электроэнергии).

Все это, в принципе, преодолимо. Но экономика… как говорил один умный академик: "Современная техника может очень много. Можно даже, если веерьез заняться, перекачать Атлантический океан в Тихий. Но возникают два вопроса нужно ли это и сколько это стоит?"

На первый вопрос, применительно к СП-устройствам, в некоторых из упомянутых случаев можно ответить положительно; но как быть со вторым? Из-за невозможности ответить на него утвердительно, работы во всех трех перечисленных направлениях далеко не продвинулись, хотя частные успехи все же были. Дело снова затормозилось и, как всегда в таких случаях число скептиков резко возросло, а оптимистов осталось мало.

Стало ясно, что если сверхпроводимость не оторвется вверх от уровня гелиевых и водородных температур, она в нужном объеме никогда не решит глобальные задачи, перечисленные выше. Как это ни парадоксально, "гелиевая" криогеника, которая породила сверхпроводимость, ее и убивает! Для следующего прорыва в технике, выхода на новую s-кривую нужно было выйти хотя бы на уровень азотных температур.

Среди оптимистов, уверенных в том, что сверхпроводимость вырвется на более высокий температурный уровень, ведущее место занимал акад. В. Гинзбург (тот самый, который совместно с Л. Ландау был автором одной из основополагающих теорий сверхпроводимости). Он даже написал книгу на эту тему, где ввел в употребление термин "высокотемпературная сверхпроводимость" и рассмотрел возможные ее варианты.

Однако обнаружить экспериментально что-либо подобное не удавалось, несмотря на то, что физики-оптимисты во всем мире вели упорный поиск. Все же, в конце концов, в 1986 г. прорыв состоялся, но не там, где его ждали.

Следующая страница: Высокотемпературная сверхпроводимость