Новости всё Наука - iCity.life Санкт-Петербург

Вещества с нулевым сопротивлением, без потерь проводящие электрический ток, открыли больше ста лет назад. Ученые надеялись на массовое производство и скорое внедрение в практику, но мешали технические проблемы и высокая цена. Сегодня ситуация изменилась. РИА Новости рассказывает, как Россия стала одним из лидеров этого направления и где установят самое мощное в мире сверхпроводящее устройство.

Большие токи Подольска

"Это медная матрица с проволочками из ниобий-титана — "рабочей лошадки" сверхпроводимости с 1960-х. Из него делаются магниты для МРТ, ускорителей", — объясняет Виталий Высоцкий, доктор технических наук, заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ВНИИ кабельной промышленности (Подольск).

Его по праву можно назвать патриархом сверхпроводимости в России. Он занялся этой темой полвека назад, на последних курсах физфака МГУ, когда пришел в ФИАН. Много лет участвовал в работе на ВМФ, создавая уникальный электромагнитный трал на основе сверхпроводников — против донных мин. Внедрить не успели, в стране началась перестройка. Высоцкий вернулся в науку, только уже за границей. Несколько лет вел исследования в Японии, США (MIT), Франции и других странах.

Восемь лет назад Высоцкий принял отделение во ВНИИКП и удержал мировой уровень исследований и разработок, оснастив самым современным оборудованием. Этому немало способствовал контракт с ITER — исследовательским термоядерным реактором типа токамак, строящимся на юге Франции.

"Сделали им 28 проводников для магнитов тороидального поля и 39 кабелей для магнитов полоидального поля. После 2015 года, когда контракт закончился, пришлось сократить штат со 105 до 33 человек", — ученый вздыхает и ведет смотреть "маленький свечной заводик". Так он называет линию по производству сверхпроводящих кабелей.

"Кабель" в данном случае не совсем точный термин. Это достаточно сложное устройство, главный элемент которого — сотни и тысячи тончайших сверхпроводящих проволочек, скрученных вдоль оси. Их собирают в пучки и погружают в медь. Получившийся довольно толстый провод заключают в "хобот" криостата.

Укладка и скрутка проволочек требует высокой точности. Каждый заказ уникален, потому расчеты и проекты приходится вести практически с нуля, решая попутно массу проблем. Несмотря на солидный возраст, отрасль сверхпроводимости остается очень наукоемкой. Сотрудники ВНИИКП по несколько раз в год публикуются в ведущих зарубежных журналах.

Сверхпроводимость ртути при температуре жидкого гелия — 4,2 кельвина (минус 269 градусов Цельсия) — открыта в 1911 году в лаборатории физика Каммерлинга-Оннеса (Голландия). В начале 1960-х получены первые технически пригодные низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) — сплавы Nb3Sn, NbZr, NbTi. В 1986 году физики Беднорц и Мюллер (Германия) открыли сверхпроводимость при температуре жидкого азота (выше 30 кельвинов). Ее назвали высокотемпературной — ВТСП. Через год были синтезированы соответствующие соединения, в основном купраты различных элементов. Известны тысячи сверхпроводящих материалов, но для технического применения годятся не более десятка НТСП, ВТСП и промежуточные (MgB2, пниктиды железа).

При чем здесь Чубайс

Сергей Фетисов — заместитель Высоцкого, во ВНИИКП с 2003 года. Делал диплом и попал в проект, который инициировал Анатолий Чубайс, тогда глава РАО "ЕЭС". Решили установить на одном из участков энергосети Москвы сверхпроводящий кабель.

Ученые сделали модель, затем — рабочий трехфазный образец длиной двести метров из ВТСП-ленты первого поколения. На тот момент это был самый длинный и мощный сверхпроводящий кабель в Европе. Криогенную систему на жидком азоте для него разработали в МАИ.

Изделие испытали, но на последнем этапе из-за досадной ошибки повредили криостат кабеля. Пока переделывали, разразился финансовый кризис — и работы по внедрению встали.

В 2014-м рекорд у нас отобрали европейцы: в немецком Эссене установили километровый кабель между двумя подстанциями.

В целом возможности сверхпроводящих кабелей намного превышают насущные задачи. Кроме того, электроэнергетика очень консервативная область, и если можно обойтись старыми, проверенными устройствами, то ими и будут пользоваться. Вот почему действующих сверхпроводящих электроэнергетических устройств в мире — пересчитать по пальцам. Кроме Европы, есть несколько проектов в США, Японии, Южной Корее.

Кабель с самым высоким током в десять килоампер используют в Китае на алюминиевом производстве. И в "Русале" заинтересовались было сверхпроводимостью, но, узнав стоимость изделия, решили повременить с заказом.

Послезавтра, завтра, сегодня

"Это обмотки для трансформатора на один мегавольт-ампер. Мы сделали их вместе с Энергетическим институтом имени Кржижановского. Это силовые кабели, макет токоограничителя. А вот забавная вещь — кабель из диборида магния, охлаждаемый жидким водородом. Больше ста мегаватт передает", — Высоцкий перечисляет все значимые разработки отдела.

Идея охлаждать сверхпроводник жидким водородом обсуждалась еще в 1970-х, но тогда не было подходящих материалов. Это отличное топливо, и получить его легче, чем гелий, необходимый для охлаждения традиционных ниобий-титановых сверхпроводников.

В 2001 году открыли сверхпроводимость у диборида магния. В Италии действует единственное в мире производство проволоки из этого материала. Во ВНИИКП сделали из нее десяти- и 30-метровые гибридные магистрали, способные передавать вместе токи до трех с половиной килоампер.

"Мы получили за этот кабель премию правительства России, а молодые исследователи — премию губернатора Московской области. Но это работа послезавтрашнего дня", — говорит Высоцкий.

Откладывается на послезавтра и внедрение сверхпроводимости в самолетах.

"Airbas по программе развития до 2050 года планирует создать полностью электрический гражданский самолет на сверхпроводящих моторах", — добавляет Фетисов.

Для этого нужно увеличить напряжение, что сейчас на воздушных судах невозможно. На высоте, где воздух разрежен, резко повышается риск короткого замыкания. Единственный выход — использовать сверхпроводящие кабели. С охлаждением проблем не возникнет. К примеру, в Советском Союзе был криогенный самолет Ту-155 с двигателем на жидком водороде.

А завтрашний день — это применение сверхпроводимости в судовых электромоторах, для размагничивания боевых кораблей.

Как накопители энергии сверхпроводники из-за необходимости применять криогенику проигрывают суперконденсаторам. То, что сверхпроводящие кабели снижают энергетические потери, не производит особого впечатления — платят-то за все потребители. Отсутствие излучения тоже не преимущество, поскольку и обычные кабели сейчас надежно изолируют.

"Если серьезно, то, кроме крупных научных проектов, единственное коммерческое внедрение сверхпроводимости — это МРТ", — заключает Высоцкий.

По его словам, в гражданском секторе реальные перспективы там, где нужно передать большие токи на короткие расстояния, и у токоограничителей, предотвращающих аварии в энергосетях при коротких замыканиях.

Новые открытия, новые надежды

"Путь в электротехнику был принципиально открыт, когда изобрели высокотемпературные сверхпроводники в 1986 году. Тогда все испытывали большой энтузиазм", — рассказывает Андрей Кауль, доктор химических наук, профессор химического факультета МГУ.

До этого его лаборатория занималась твердыми электролитами с ионной проводимостью. В научном мире их считали перспективными для аккумуляторов. Среди прочего сотрудники лаборатории умели осаждать из газовой фазы тонкие слои окислов самых различных металлов, что пригодилось, когда они подключилась к изучению нового класса сверхпроводников.

В СССР очень быстро приняли государственную программу по сверхпроводимости, которая объединила многие институты, позволила модернизировать лаборатории.

"У кого-то может сложиться впечатление, что из большой активности в области высокотемпературных сверхпроводников 1980-1990-х годов ничего важного не получилось. Это глубокое заблуждение. Благодаря именно этим работам возникли физика гранулярных структур и беспрецедентный альянс физиков и химиков, совместно работающих над проблемами новых материалов. В результате такого взаимодействия получены целые подклассы ВТСП", — продолжает ученый.

Самые высокотемпературные ртутьсодержащие сверхпроводники (критическая температура — 168 кельвинов под давлением) открыли именно в МГУ сотрудники кафедры неорганической химии Сергей Путилин и Евгений Антипов.

Как ученые построили завод

К середине нулевых ученые научились работать с ВТСП, придумали, как получать гибкие ленты с нанесенными на них тонкими слоями сверхпроводника. Решили сопутствующие технические проблемы с криогенными системами. Появились доступные по цене станции для производства жидкого азота. В отличие от гелия, который добывают в угольных шахтах как попутный природный газ (и это невозобновляемый, по сути, стратегический источник гелия), азот просто сжижают из воздуха.

В 2006 году выпускники химфака МГУ при участии Андрея Кауля на средства частного инвестора основали единственное в России промышленное производство ВТСП — "СуперОкс". Ученые сделали ставку на ВТСП-ленты второго поколения на основе редкоземельных элементов. Тут все зависит от того, насколько хорошо выдержана ориентация кристаллитов в сверхпроводящем слое на ленте-подложке. Чем меньше угол разориентации кристаллитов относительно друг друга, тем больший ток переносит такой сверхпроводящий слой. Хорошо организованную текстуру получают методом эпитаксии, когда кристаллиты одного вещества растут на кристаллитах другого, повторяя их ориентацию.

Изначально ученые осваивали технологию RABiTS. Подложка — никелевый сплав, превращенный холодной прокаткой в ленту толщиной не более ста микрон. Ее отжигают при высокой температуре, чтобы кристаллиты выстроились однородным образом, уменьшив поверхность соприкосновения друг с другом. Далее на ленту наносят буферный слой и слой сверхпроводника, сохраняющие текстуру подложки. Ленту заключают в защитный слой серебра, после чего с ней можно работать: скатать ее в катушку, скрутить, порезать.

Однако у RABiTS имелись недостатки: хаотичность кристаллитов в подложке не всегда удавалось подавить, да и прокатные заводы неохотно брали заказы на малые партии. Поэтому ученые постепенно перешли на технологию IBAD, не требующую текстурированной металлической подложки, — ее заменяет простая нержавеющая сталь. Источником же правильной текстуры служит буферный слой, отделяющий сверхпроводник от подложки. Роста одинаково ориентированных "зародышей" в нем добиваются бомбардировкой поверхности вспомогательным пучком ионов аргона.

Настоящие нанотехнологии

Компания "СуперОкс" базируется в технопарке "Слава" в Москве. Генеральный директор — Сергей Самойленков, а подразделением, осуществляющим многоэтапный и сложный процесс производства сверхпроводящей ленты, руководит Александр Молодык. Оба раньше работали за рубежом.

"Сначала мы очищаем металлическую ленту от загрязнений, протягивая через ультразвуковую ванну с моющим раствором. Затем, чтобы сгладить мельчайшие шероховатости поверхности, электрохимически полируем, пропуская через гальваническую ванну", — рассказывает Самойленков, следуя от установки к установке.

Очищенную и полированную ленту протягивают через вакуумные камеры, где напыляются буферные слои из оксидов алюминия, иттрия, магния и манганита лантана. В момент осаждения оксида магния сбоку бьет пучок ионов аргона. Это подавляет хаотическую ориентацию растущих кристаллитов и заставляет их ложиться строго определенным образом вдоль ленты. Так создается правильная текстура.

На сформированный буферный слой осаждают эпитаксиальный слой сверхпроводника, который принимает нижележащую текстуру. Здесь работают с соединением R-Ba-Cu-O, где R — гадолиний. Для осаждения используют эксимерный импульсный лазер, который стреляет двести раз в секунду по керамической мишени. Надев специальные очки, можно увидеть в окошке камеры плазменный факел, образованный веществом, перешедшим в пар под действием лазерных импульсов, и частично "съеденную" мишень.

Непрерывный слой сверхпроводника осаждается на движущуюся подложку из плазменного факела. Затем ленту серебрят и покрывают медью, проверяют ее физические характеристики и внутреннюю структуру под электронным микроскопом.

Можно изготавливать ленты длиной до пятисот метров. Длиннее и не требуется, иначе сверхпроводящий кабель сложно перевозить.

Впереди — ЦЕРН и Москва

Высоцкий и Кауль полагают, что принципиальных препятствий для использования сверхпроводящих устройств нет: материалы созданы, технологии разработаны, криогенное оборудование доступно и достаточно надежно. Однако пока их применяют только там, где без них не обойтись, например в МРТ, термоядерных реакторах, ускорителях, в том числе ИССИ-4 (источниках синхротронного излучения последнего поколения). Освоению других ниш, таких как электроэнергетика, мешает высокая цена изделий и консерватизм специалистов. Что способно переломить ситуацию?

"Нужна политическая воля и государственная поддержка в виде софинансирования", — считает Виталий Высоцкий.

Он мечтает увидеть 200-метровый силовой кабель в работе. Это создаст прецедент и откроет дорогу к другим коммерческим заказам. Пока же ВНИИКП подписал контракт с ЦЕРН на поставку сверхпроводящих кабелей, предназначенных для модернизации магнитной системы Большого адронного коллайдера и вывода его на максимальную производительность.

Андрей Кауль не сомневается в перспективах ВТСП-лент второго поколения, поскольку они более стабильны, чем ленты первого поколения, и могут подешеветь.

"Кроме того, стоимость сверхпроводящих материалов в изделии составляет порядка десяти процентов. Цена изделия растет из-за криосистемы, испытаний, инфраструктуры", — говорит он.

Сейчас "СуперОкс" производит 50 километров ВТСП-ленты в год и продает ее институтам и компаниям по всему миру. В ближайшие три года планируется повысить производительность в семь раз, прежде всего для заказов на токоограничители. 

Подобное устройство предназначено для подстанции "Мневники" в Москве: 18 последовательно соединенных катушек ВТСП-ленты, погруженных в криостат с жидким азотом. Токоограничитель испытывают в Южной Корее по международным стандартам. В конце года его подключат в столичную энергосеть. Это будет первое в России реально действующее сверхпроводящее устройство на объекте электроэнергетики и самое мощное в мире.

Второй токоограничитель испытывают в Санкт-Петербурге. Он предназначен для защиты расположенных вдоль железных дорог тяговых подстанций от скачков тока, наведенных проходящими электричками или вызванных нештатными ситуациями. Сверхпроводник, в отличие от обычной меди, при коротком замыкании мгновенно переходит в нормальное состояние и восстанавливается, позволяя сохранить оборудование.

Разработками послезавтрашнего дня в "СуперОксе" тоже занимаются. Одна из них — сверхпроводящие магниты для электроплазменных двигателей космических буксиров, которые будут выводить спутники связи с околоземной на геостационарную орбиту.