Холодная энергетика

Алексей Левин
«Популярная механика» №5, 2012

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?

«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». Изображение: «Популярная механика»

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.

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.

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.