Применение сверхпроводников

Сохранить в закладки
14257
1
Сохранить в закладки

Физик Владимир Пудалов об оптимизации процесса передачи энергии, поиске темной материи и транспорте на магнитной подушке

Как сверхпроводники могут помочь оптимизировать процесс передачи электроэнергии? Почему сверхпроводимость на сегодняшний день не имеет глобального распространения? В каких областях физики, транспорта и биотехнологий применение сверхпроводников наиболее перспективно? На эти вопросы отвечает доктор физико-математических наук Владимир Пудалов.

Людям свойственно стремление жить лучше. Каждому это «лучше» представляется по-своему: кто-то думает о четырехразовом питании вместо трехразового, кто-то думает о том, чтобы проводить зиму в Таиланде, кто-то думает о лишней машине, даче и так далее. У каждого свои критерии. Но есть универсальный критерий, который объединяет и усредняет все различные критерии, — он выражает качество жизни в количестве энергии, потребляемой на одного человека.

По этому показателю, к сожалению, наша страна не на самом первом месте. Мы отстаем раза в два-три от Соединенных Штатов. И тут есть связанные с этим печальные объективные обстоятельства. Дело в том, что если бы мы пытались каждого человека из всего населения Земли снабдить таким количеством энергии (здесь надо понимать, что в эту энергию входит все: и бензин, и продовольствие, и транспорт, и все, что человек потребляет), то наша планета не выдержала бы: тут и парниковый эффект, и истощение природных ресурсов. Все бы пришло в тупик.

Такой путь развития, экстенсивный, когда мы строим электростанции, наращиваем производство энергии, добываем все больше нефти и так далее, сжигаем-сжигаем, — он тупиковый. Может быть, не сегодня: пока мы еще обнаруживаем новые запасы ископаемых. Но когда-нибудь он приведет нас в тупик.

Поэтому совершенно другой путь, который позволяет нам двигаться вперед в смысле улучшения жизни, — это экономия электроэнергии, вообще экономия энергии. И здесь сверхпроводимость оказывается на самом нужном месте. Давайте вспомним, что электроэнергия добывается далеко, а передать ее нужно в Европу, и линии передачи — это очень неэффективный способ передачи энергии. В них происходят огромные потери. Вообще высоковольтные линии электропередачи неэффективные на расстояниях больше тысячи или полутора тысяч километров из-за того, что происходят огромные потери на рассеяние.

Передача электроэнергии по медным проводам, даже в низковольтных сетях, связана с тем, что огромное количество энергии теряется. В моем дачном поселке электроэнергия входит при напряжении в 240 вольт — и он такой длинный, — а в конце поселка напряжение падает до 200 вольт. Это более чем 20-процентная потеря: 20% электроэнергии уходит просто на нагревание воздуха. В масштабах всей страны может быть потеря еще бо́льшая.

Второе неудобство, которое мы часто испытываем, — это сбои в электроэнергии. В России они происходят не так часто. В Москве на моей памяти только один был крупный сбой в энергосетях. А в Америке энергетические сети мелкие, поэтому сбои происходят буквально каждый месяц, а может быть, и чаще. Это диктует необходимость устраивать защиту от токов короткого замыкания, накопителей электроэнергии, которые должны компенсировать скачки при переключении из одной сети в другую.

И наконец, если вы строите крупную сеть из мелких, то вы сталкиваетесь с проблемой, что надо различные куски этой сети синхронизировать по частоте, по фазе: если вы соедините с разной фазой напряжение из разных сетей, у вас произойдет короткое замыкание.

В поисках решения этой проблемы очень помогают сверхпроводящие линии передачи постоянного тока высокого напряжения и большой мощности.

Идея эта давно известна, давно понятна. Даже в период с 75-го по 85-й год в Брукхейвене (вообще говоря, Лонг-Айленд — это такое замечательное место-полигон, на котором очень много сверхпроводящих решений испытывалось) испытывалась линия передачи на основе сверхпроводников — а тогда еще высокотемпературные сверхпроводники не существовали, — но она была списана за ненадобностью, хотя доказала концептуальные возможности.

Сейчас, когда существуют высокотемпературные сверхпроводники, в которых сверхпроводимость реализуется вплоть до температур 93 кельвина — это гораздо выше, чем температура кипения жидкого воздуха, — казалось бы, можно делать такие линии передач достаточно дешево. Но нет. Проблема состоит, во-первых, в том, что сам материал — оксид меди — очень анизотропен. Поэтому его нельзя в виде порошка засунуть в трубу, прокатать и получить провод, его нужно уложить на ленту, стараясь различные зерна ориентировать кристаллографически, чтобы все эти зерна имели ось наименьшей проводимости перпендикулярно плоскости ленты.

Это очень трудная технология, дорогая, поэтому ленты и стоят дорого. На сегодняшний день лента, производимая в Америке, стоит примерно 15 долларов за 1 метр — лента, которая несет ток 100 ампер при температуре жидкого воздуха. В России немножко дешевле, теперь и в России производят такую ленту. Но лента — это далеко не все. Одна типичная полоска ленты несет ток 100 ампер. Много таких полосок свивают в кабель: 50 таких полосок в одном направлении, потом 50 полосок свивают в другом направлении. Все это помещается поверх трубы, по которой будет течь охлаждающий жидкий воздух. Снаружи — изоляция. Получается сложнейшая конструкция. И в результате, с учетом затрат на охлаждение, стоимость этих кабелей оказывается выше медных раз в пять.

Поэтому сверхпроводимость на сегодняшний день не имеет глобального распространения, как следовало бы, и все определяется стоимостью проводников. Поэтому понятно стремление физиков делать новые материалы, с более высокими критическими температурами, более технологичные. Это понятная задача.

Существует целый ряд областей, где за затратами не постоят. Во-первых, это научные исследования. Во-вторых, оборона, оборонная промышленность. Понятно, что в международных проектах термоядерного реактора или Большого адронного коллайдера используется гигантское количество сверхпроводников, потому что из них сделаны магниты, которые удерживают плазму или быстрые частицы. Но эти проекты осуществлялись еще в то время, когда технология сверхпроводимости была в младенческом возрасте, когда лента была еще дорогой. Поэтому там используются низкотемпературные сверхпроводники. Если бы адронный коллайдер стали проектировать в настоящее время, тогда его бы проектировали на основе новых сверхпроводников.

Вспомним другой замечательный эксперимент в науке — эксперимент по поиску темной материи. Примерно 4/5 вещества во Вселенной невидимо. Его приписывают темной материи — эту темную материю никто не видел, никто ее не поймал, никто не понимает, как она устроена. Существует масса теоретических предположений, и даже названия частиц, которые должны составлять темную материю, загадочные: аксионы, хамелеоны и так далее.

Для поиска загадочных аксионов создается экспериментальная установка на базе Ливерморской национальной лаборатории. Она будет состоять из большого количества магнитов, которые создают магнитное поле в диапазоне от 5 до 7 тесла, и, согласно представлениям, аксионы, если существуют, должны попадать в это магнитное поле, и в магнитном поле они должны терять свою энергию, испускать фотоны. Здесь сверхпроводимость работает для создания магнитного поля. Это с одной стороны. С другой стороны, сами фотоны слабые, их интенсивность мала, и для их улавливания используются датчики на основе сверхпроводников и на основе эффекта сверхпроводимости. Это один из многочисленных примеров.

Другой замечательный пример, который, может быть, ближе и интересней слушателям, связан с проблемой транспорта. Транспорт на магнитной подушке — это давняя идея: освободить движение наземного транспорта от трения и таким образом развивать большую скорость, экономить выбрасывание углекислого газа в атмосферу, передвигать людей с большей скоростью, бесшумно и так далее.

Наиболее известен проект, который осуществляется в Японии уже более 15 лет. Там есть железная дорога от Токио до Нагои и от Нагои до Осаки. Это дорога длиной около 300 с лишним километров, и поезда там курсируют — синкансэн, известный поезд — со средней скоростью чуть меньше 300 км/ч. И это мало. Потому что далеко не все люди согласны проводить столько времени в поезде, и многие еще летают на самолетах, а самолет — это главный источник загрязнения воздуха. Поэтому параллельно с этой дорогой на участке 15 километров построена линия с магнитной подвеской, на которой в опытном порядке 15 лет эксплуатировался поезд, перевозящий пассажиров с рекордной скоростью 580 км/ч — крейсерская скорость близка к этому. Этот поезд был испытан в самых различных режимах: и круглосуточная эксплуатация, и движение двух поездов навстречу друг другу на скорости 580 км/ч, и режимы сбоя электроэнергии, и все что угодно. Проект показал эффективность, и дальше вся дорога переводится на магнитную подвеску.

В нашей стране применение транспорта на магнитной подушке могло бы быть еще более широким, чем в Японии, потому что у нас проблема транспортных дорог и вообще транспорта одна из самых больных.

Масштаб применения сверхпроводников на основе купратов меди в электроэнергетике можно проиллюстрировать таким фактом: в Китае, который сейчас очень интенсивно развивает эту технологию, имеются проекты около 35 линий передач, которые должны быть воплощены в период до 2020 года, и на какие-то гигантские мощности, вплоть до нескольких гигаватт. Эти проекты развиваются, китайцы относятся к этому серьезно.

Другой пример области, где высокотемпературная сверхпроводимость может быть успешно воплощена, — это очистка воды. Казалось бы, какое отношение грязная вода имеет к сверхпроводимости? Очень просто: химики синтезировали ряд соединений, содержащих в себе железо, которое очень хорошо поглощает бактерии, и, таким образом, можно, подсыпая этот порошок в воду, коагулировать всю грязь, все грязные вещества, которые содержатся в воде, а потом, прокачивая воду через сильное магнитное поле, ее очищать. Этот способ эффективно работает.

Вторая неожиданная область, где можно вспомнить про сверхпроводимость, — это ветрогенераторы. Для нашей страны, для средней части, для равнинной, они не так актуальны, а в прибрежных странах с большой прибрежной линией ветрогенераторы занимают все бо́льшую долю в производстве электроэнергии. Пропеллер этих ветрогенераторов или сам вал крутится очень медленно. Поэтому обычные способы преобразования механической энергии в электрическую не очень эффективны. Здесь машины со сверхпроводящими обмотками оказываются применимы и обеспечивают хорошую выгоду.

Наконец, применение всевозможных электромоторов с вращающимся якорем из сверхпроводника обеспечивает понижение веса, весогабаритов. Это очень важно для морских судов, для военного применения. В транспорте высокотемпературная сверхпроводимость имеет много ниш, где может быть успешно применена.

Наконец, я хочу упомянуть еще одну область. Сейчас при расшифровке белков, при производстве новых лекарств в фармакологии, в биохимии, для расшифровки различных молекулярных соединений оказывается более употребительным метод ядерного магнитного резонанса, нежели метод рентгеновской спектроскопии, который несколько лет назад был преобладающим. Для того чтобы более точно получать информацию о структуре сложнейших белков, нужно как можно более высокое разрешение этих ядерных спектрометров, чтобы можно было гораздо больше линий в суммарном спектре этого резонанса наблюсти, и тогда легче отождествить, расшифровать структуру молекулы. А для того, чтобы получить более высокое разрешение, нужно повышать частоту ядерного магнитного резонанса, а она связана простым соотношением с магнитным полем, значит, нужны спектрометры, которые работают в более сильных магнитных полях. И здесь без высокотемпературных сверхпроводников не обойтись.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration