Высокотемпературная сверхпроводимость

Валентин Пантелеймонович Смирнов, научный руководитель электрофизического блока АО «Наука и инновации»: «То, что нам сегодня кажется совершенно фантастичным, завтра будет применимо в быту».

– После критического периода в развитии нашей страны, ее науки и техники, мы потеряли производство низкотемпературной сверхпроводимости. Счастье, что в этот момент у нас был проект создания международного термоядерного реактора ИТЭР. В соответствии с международными обязательствами наша страна должна была поставить значительное количество низкотемпературного сверхпроводника. Совершенно героические усилия были предприняты и Институтом неорганических материалов, НИИЭФА, Курчатовским институтом, НИИКП. В результате сегодня в России мы располагаем производством сверхпроводника мирового уровня.

Свои обязательства в ИТЭР мы успешно выполняем и готовы идти дальше, потому что эта часть оказывается востребованной не только в медицине – на томографах, – но и в создании таких уникальных машин, каким является суперколлайдер в Швейцарии.

– На сегодняшний день ситуация выправилась?

– Физика и техника на месте не стоят, поэтому в свое время было открыто явление высокотемпературной сверхпроводимости. Здесь температура работающего сверхпроводника должна быть не в пределах от 10 до 4 абсолютных градусов, а на уровне 75 градусов. То есть это температура жидкого азота. Технически это сразу колоссальное облегчение, потому что вы меньше энергии тратите на охлаждение и поддержание этой температуры. Самое главное, хладагент, коим является азот, намного дешевле, чем гелий, который используется в случае низкотемпературной сверхпроводимости.

Получилось так, что в этой области – опять же, из-за произошедших исторических событий – мы в какой-то момент отстали. Объединенные усилия Росатома и Курчатовского института позволили создать федеральную целевую программу по ускоренному развитию высокотемпературной сверхпроводимости у нас в стране. Было поручено осуществлять координацию этой программы в целом Росатому.

Мы сегодня находимся в НИИ технической физики и автоматизации (НИИТФА). Это только одно предприятие – и очень важное для Росатома, – которое занимается высокотемпературной сверхпроводимостью. Другая значительная работа у нас построена в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры в Санкт-Петербурге. Вообще, в качестве исполнителей в эту программу вошел целый ряд совершенно замечательных институтов и организаций, прежде всего, Курчатовский институт. Именно ему поручено создание опытной линии по производству кусков сверхпроводников, сверхпроводящей ленты размером до ста метров.

Мы недавно получили это оборудование, оно установлено в Курчатовском институте. Таким образом, благодаря усилиям и «Русского сверхпроводника» – организации, которой было поручено общее курирование программы, – и Курчатовского института, и НИИЭФА, мы имеем теперь широкомасштабный стенд для того, чтобы создавать ВТСП-проводники второго рода и отрабатывать оптимальную технологию.

Это очень существенно. Кроме того, в России уже создаются и частные организации, которые тоже заняты этой проблемой – например, «СуперОкс». Наша задача в рамках кооперации состоит в том, чтобы в широком масштабе решить проблему создания требуемых сверхпроводников, найти способы существенного уменьшения их стоимости, чтобы мы могли двигать высокотемпературную сверхпроводимость для практического использования в промышленности и науке.

– Кто еще с вами работает?

– Помимо названных институтов, нужно упомянуть центр Федеральной сетевой компании. Существует институт ВНИИНМ, который тоже вовлечен в эту программу. Очень хорошие, замечательные работы делаются в МАИ. Мы имеем значительный научно-технический потенциал, вовлеченный в эту проблему. Результатом, который мы ожидаем увидеть в течение ближайших лет, будет внедрение в практику высокотемпературной сверхпроводимости.

– Что вы в первую очередь ожидаете увидеть в качестве практического применения?

– Сам по себе сверхпроводник обеспечивает передачу электроэнергии без потерь. Конечно, это очень существенно, потому что до 10% и больше вырабатываемой электроэнергии тратится на её передачу. Но есть еще одно забавное обстоятельство. Если мы говорим об электроснабжении мегаполиса, то сверхпроводник предлагает нам еще одно преимущество, очень важное. Осуществляя связь между частями мегаполиса по передаче электроэнергии, мы можем использовать сверхпроводящие линии и экономить страшно дорогую городскую площадь. Такие работы уже начались и ведутся группой предприятий во главе с ЭНИН в Москве, а в Петербурге готовится линия, соединяющая две части энергосистемы путем передачи энергии по каналу, проложенному через центр Петербурга – это колоссальная вещь!

Чтобы решать эти вопросы, необходимо иметь производство. Производством сверхпроводника у нас будут заниматься три института: НИИТФА, который готовит подложку, Институт неорганических материалов, который готовит соответствующие материалы, и НИИЭФА – это финишное формирование лент. После этого вступает в действие Институт кабельной промышленности, который из сверхпроводящих лент должен изготавливать эти самые кабели.

Кроме того, существует еще большая проблема, как ввести в холодную зону энергию из теплой зоны. Это так называемые токовводы. Ими занимается Курчатовский институт и другие организации.

Далее, возникает вопрос по существенному сокращению массогабаритных характеристик электротехнических устройств. В этой области первое место принадлежит МАИ, который рассматривает различные типы электрогенераторов, электродвигателей. И здесь главное преимущество в области высокотемпературной сверхпроводимости состоит не в уменьшении потерь, а в очень резком уменьшении массогабаритных характеристик приборов.

– Что означает высокотемпературная сверхпроводимость для науки?

– Прежде всего, она дает нам по-новому – более экономично и более эффективно – строить магнитные системы для физических приборов. К ним могут относиться те же самые термоядерные установки, где замена низкотемпературной сверхпроводимости на высокотемпературную сверхпроводимость существенна с точки зрения эксплуатации. Кроме того, потенциально высокотемпературная сверхпроводимость позволит получить большие напряженности магнитных полей, чем могла бы обеспечить низкотемпературная сверхпроводимость, что важно для плазменных термоядерных установок.

Очень важно также нам сейчас решить вопрос о применении магнитных систем на основе ВТСП для лучевой терапии. Вы знаете, что одна из точек горячего интереса в настоящее время – это создание ускорителей для протонной и ионной терапии. Там создаются очень сложные системы, позволяющие облучать больного с многих направлений, тем самым снижая нагрузку на здоровые ткани. Эти системы, которые называются «гантри», выполненнные на основе высокотемпературной сверхпроводимости и будут гораздо более легкими и удобными в применении.

– Что нужно для скорейшего внедрения этой технологии в практику?

– Чтобы все это пошло реально в практику, нам необходимо искать способы удешевления технологии и оптимизации производства высокотемпературных сверхпроводников. Это задачи исключительно важные. Мы это можем делать только тогда, когда создадим широкомасштабное производство.

Учитывая перспективы высокотемпературной сверхпроводимости, мы в настоящее время готовим следующую стадию продолжения работ в этой области. Основной элемент продолжения состоит в коммерциализации тех приборов, которые мы создали. При этом мы должны понимать, что само по себе развитие техники и физики высокотемпературной сверхпроводимости не стоит на месте. Люди ищут новые составы, новые способы. К сожалению, сегодня у нас это не входит в программу нашей будущей активности. Но мы очень надеемся, что и в Академии наук, и в вузах такие работы будут проводиться и помогать в создании условий, когда наши технологии и наши устройства на основе высокотемпературной сверхпроводимости не будут отставать, а даже в определенном смысле будут впереди мирового развития этого направления.

– Может ли высокотемпературная сверхпроводимость найти применение в бытовой технике, или масштаб не тот все-таки?

– Вы знаете, хороший вопрос. Но самое простое вам можно было бы сказать: ничего не будет в быту, на кухне высокотемпературная сверхпроводимость не найдет себе места. Но это взгляд сегодняшнего дня. История развития и физики, и техники показывает, что часто то, что нам сегодня кажется совершенно фантастичным, завтра или послезавтра вполне применимо в быту.

Впрочем, одна проблема, которую могли бы решить высокотемпературные сверхпроводники, – это создание накопителей энергии. Вы знаете, что энергию можно произвести, но ее нужно потребить в определенный момент. Если момент оптимального производства и момент оптимального потребления не совпадают, то вы должны где-то запасать эту энергию, чтобы иметь возможность ее использовать в последующем. Сверхпроводимость высокотемпературная дает относительно дешевый способ создания таких накопителей энергии. На даче я поставлю, например, солнечную батарею. Дальше мне нужно нагревать свои собственные водяные батареи в доме. Солнце ночью не светит, и именно ночью мне нужно обогревать дом. Почему бы не предположить, что в недалеком будущем я смогу иметь такой накопитель, который позволит это сделать? Конечно, есть другие способы решения этой проблемы – аккумуляторы и так далее. Но почему бы и нет?

Когда-то говорили, что солнечная энергетика – это недостижимо, это дорого. Но вы знаете, что сегодня мощность солнечных батарей в Германии, по-моему, сравнялась с мощностью работающих атомных станций, то же самое относится и к ветрякам. Для ветряков тоже сверхпроводимость была бы полезна, по крайней мере, в двух отношениях: во-первых, генераторы на основе ВТСП существенно легче, и поднять их в небо оказывается проще и дешевле. Второе – это накопители энергии, о которых я вам говорил.

Леонид Михайлович Фишер, директор Научно-производственного отделения сверхпроводниковых ограничителей тока: «Мы разрабатываем то, что вообще мало кто делает, и в этом смысле идем впереди планеты всей».

В рамках программы по прикладной сверхпроводимости мы начали работу по созданию сверхпроводниковых ограничителей тока короткого замыкания. Эта работа сейчас уже движется к завершению. В этом году она заканчивается опытными образцами этого нового вида оборудования. Особенностью сверхпроводниковых ограничителей тока является то, что они не имеют фактически аналогов в обычном исполнении, поэтому интерес к ним достаточно велик во всем мире. Такое оборудование разрабатывается в Соединенных Штатах, в Германии, в Корее, в других странах и, в частности, в России – мы в этом плане не отстаем. Нашей особенностью является то, что мы разрабатываем сверхпроводниковые ограничители постоянного тока – это то, что вообще мало кто делает, и в этом смысле мы в какой-то мере идем впереди планеты всей.

Прежде чем создавать сверхпроводниковые ограничители тока, мы должны взять соответствующую сверхпроводниковую ленту, которая сейчас производится преимущественно в Соединенных Штатах, в Японии и Южной Корее. В настоящее время ведутся также работы в рамках института НИИТФА, связанные с получением сверхпроводниковых лент второго поколения, чтобы получить их более дешевое исполнение. Это, соответственно, расширит диапазон прикладных исследований, прикладных применений данного оборудования.

Типичная 12-миллиметровая лента имеет токонесущую способность, исчисляемую сотнями ампер – 500-600 ампер. Лучшая лента доходит до 1000 ампер. Это означает, что такие ленты в состоянии пропускать постоянный ток такой величины без сопротивления. Если ленты включены параллельно, то и ток увеличивается пропорционально количеству применяемых лент. Если ток превышает некоторое значение, которое называется критическим значением, сверхпроводимость разрушается, и соответствующая лента переходит в резистивное состояние. Возникают термические потери. Но фактически это означает, что если в электрическую цепь включено такое устройство, то при токах меньше критического оно не вносит никаких потерь в электрическую сеть. В случае же превышения током некоего фиксированного значения появляется сопротивление. Оно может ограничивать токи короткого замыкания. Ток может превысить величину заданную, когда действительно в системе есть какие-то неполадки, которые приводят к режиму короткого замыкания и разрушению аппаратуры. Поэтому сверхпроводники ограничивают токи короткого замыкания на требуемую величину.

Особенностью нашей конструкции является то, что за счет применения модульного типа построения мы можем создавать ограничители тока на различные значения минимальных токов, на различный уровень напряжения. В частности, сейчас в рамках программы мы завершаем работу по созданию сверхпроводникового ограничителя тока напряжения 3,5 киловольта и 2 килоампера номинального тока. Наши токоограничители имеют оригинальную конструкцию и оригинальные решения для работы на постоянном токе. Фактически ни одна действующая компания не разрабатывает ограничители постоянного тока с такой степенью надежности, как это делается у нас.

Перспективы в этом плане имеются, поскольку интерес к этим материалам проявляют, в частности, предприятия железнодорожного транспорта, где многие поезда используют для движения постоянный ток, и режимы короткого замыкания там часто возникают. Поэтому облегчается жизнь и работа соответствующей отрасли народного хозяйства.

При этом оказывается, что существующие способы защиты системы от токов короткого замыкания дают большие потери, поскольку сверхпроводимость там не применяется. Применение сверхпроводимости позволяет существенно снизить потери, в чем и есть экономический эффект от применения сверхпроводниковых ограничителей тока.

В настоящее время мы готовим материалы, оборудование и разрабатываем технику применительно к требованиям непосредственно системы железных дорог, где мы планируем начать уже испытания в соответствующем режиме в этом году. В следующем году мы планируем начать опытную эксплуатацию.

Наряду с постоянным током в системе железнодорожного движения применяются токи и переменные. Там может быть даже больше проблем с ограничением тока короткого замыкания, поскольку речь идет о более высоком напряжении – порядка 27 киловольт.

Основываясь на том опыте, который мы приобрели на той разработке, которую мы сделали для системы постоянного тока, можно непосредственно переходить к разработке вначале экспериментальных образцов, затем опытных образцов – уже на переменное напряжение для системы железных дорог. Сейчас новые железные дороги строятся на переменном токе. Поэтому там есть место для применения сверхпроводниковых ограничителей тока в соответствующей системе железных дорог. Вице-президент РЖД Валентин Гапанович поддержал это направление, так что мы работаем в тесном контакте с железными дорогами.

Особенностью нашей работы на постоянном токе является применение разработанного – нашим коллективом в том числе – оригинального коммутатора постоянного тока. Это ограничивает количество материала, необходимого для создания токоограничителя. Надо иметь в виду, что стоимость токоограничителя в значительной мере определяется стоимостью сверхпроводящей ленты и соответствующего криогенного обеспечения. Это и определяет эффективность применения сверхпроводимости.

Мы работаем в тесном контакте с разными организациями России – с организациями Росатома, Академии наук и другими предприятиями. В том числе мы связаны и с Федеральной сетевой компанией.

Виктор Иванович Панцырный, управляющий директор ОАО «Русский сверхпроводник»: «Исследования могут дать неожиданные, взрывные результаты».

Сегодня мы уже сказали, что Россия является лидером по производству низкотемпературных  сверхпроводников. У нас есть промышленное производство – одно из лучших в мире. Это Чепецкий механический завод. Сейчас создается новое отечественное производство высокотемпературных сверхпроводников. Оно планируется, чтобы ликвидировать то отставание, которое у нас существует перед западными производителями сверхпроводниковой ленты.

Было предусмотрено две стадии процесса. Мы приобрели лицензию на технологию и поставили экспериментальную линию в Курчатовском институте, который способен на  высоком уровне провести исследования тонкой структуры высокотемпературного соединения и поднять токонесущую способность. Надо сказать, что есть огромный потенциал, чтобы реально увеличить техническую привлекательность этих лент. Токонесущая способность, которая сейчас составляет порядка 3 мегаампер на квадратный сантиметр, может быть увеличена еще в 4-5 раз. Это приведет к тому, что такой сверхпроводник  станет интересен не только для изготовления прототипов или каких-то новых устройств, а войдет уже в широкую технику и промышленность.

Но если Курчатовский институт будет заниматься исследованиями, разработкой этих лент, то вторая часть программы – это создание собственно крупномасштабного производства, чтобы обеспечить развитие сверхпроводниковой индустрии в России. Это  создание установок, которые позволят выпускать куски длиной уже на порядок больше – не стометровые, а километровые куски  ленты с достаточно высокой токонесущей способностью.

Здесь надо отметить, что материаловедческие исследования помогут нам не только достичь нового уровня свойств такой ленты, но  и позволят проводить еще и исследования по поиску новых классов сверхпроводников. Очень долго – с 1911-го до 1986-го года –  низкотемпературная сверхпроводимость развивалась эволюционно. С 1986-го года появились новые классы сверхпроводников. Это и класс MgB2, классы пниктидов на основе железа, это иттриевые керамики, висмутовые керамики, таллиевые керамики, керамические сверхпроводники перовскитного класса, что привело к повышению критической температуры серхпроводников до 150 К. Здесь тоже большой потенциал – ведь никто не запрещал поднять температуру перехода в сверхпроводимость вплоть до комнатной. Такие перспективы фундаментальных исследований тоже имеют право на жизнь, и они будут проводиться.

Наша программа более техническая, ориентирована на индустрию, на промышленность, на создание новых устройств с применением уже достаточно высокого уровня качества сверхпроводниковых материалов, которые мы сегодня имеем и массовое производство которых собираемся создать уже в ближайшие годы.

Вы сегодня видели создание пилотного образца энергетического сверхпроводящего ограничителя тока, где именно природные качества сверхпроводника позволяют создать новый класс оборудования энергетического. Также работы идут и над созданием генераторов для ветроэнергетики. В рамках нашего проекта мы начали с 50-киловаттной машины, а завершаем проект за короткое время генератором мегаваттного класса, который представляет интерес для установки его на ветроэнергетическом оборудовании.

– Какие применения могли бы найти высокотемпературные сверхпроводники в промышленности уже в ближайшем будущем?

– Стратегия развития энергетики предусматривает переход на инновационный путь. Возобновляемые источники энергии – тренд, который сейчас начинает преобладать во всех странах мира, поэтому развитие сверхпроводниковой индустрии крайне важно. Особенно когда мы разрабатываем ветроэнергетические установки для северных районов, которые имеют наибольший потенциал развития ветровой энергии по нашему побережью Северного моря и Арктики. Сейчас прорабатывается  возможность создания такой установки на сверхпроводниках. Она будет легче, компактнее. Такие разработки сегодня ведутся по всему миру.

Ещё одна область – сверхпроводниковые электродвигатели. Мы начинали с пяти киловатт, довели сейчас до 200-киловаттных двигателей малого объема, которые перспективны для установок на муниципальном транспорте. Еще более мощные установки интересны для судовых установок. Там мы можем создать малые, компактные, мощные сверхпроводниковые установки. Первые серьезные прототипы будут реализованы уже в 2015 году.

– Вы затронули очень интересную тему: «комнатная» сверхпроводимость. Года два назад один Ваш коллега сказал, что, в принципе, теория этого не запрещает – не более того. Но сейчас Вы заговорили об этом сами. Судя по всему, с тех пор наметились какие-то подвижки?

– Сложно сказать. Создание сверхпроводников нового класса – перовскитного типа – было абсолютно непредсказуемо. Перовскит – это керамики: иттрий, барий, медь, кислород. Они сейчас уже стали основой высокотемпературной сверхпроводимости. Народ изучал эти перовскитные соединения на основе ланьана  они лежали у кого-то, исследованные, в шкафах, но никто даже не догадался померить температуру перехода этих соединений, потому что предполагалось, что это оксиды и от них нечего даже ожидать сверхпроводимости.

Сейчас поисковые исследования идут широким фронтом. Это и металлоорганические соединения, это и фуллерены, это и графены, которые тоже пытаются в сочетании с другими материалами использовать для поиска новых серхпроводников. Может быть, это будет не просто какое-то вещество, а какая-то искусственно созданная комбинация или композиционный материал. Тем более  сейчас идет развитие 3D аддитивных технологий, можно представить себе, что исследования могут пойти совершенно неожиданно. Традиционно – это органика с внедрением туда металлических атомов и листовые материалы на основе графенов. Они являются базовыми направлениями для поиска материалов. Хотя никто не отрицает, что исследования, которые ведутся практически повсеместно во многих центрах мира, могут дать неожиданные, взрывные результаты.

– Открытие такого плана, наверное, произвело бы революцию в энергетике.

– Необязательно. Есть вероятность того, что будут созданы сверхпроводники, которые могут иметь температуру перехода при комнатном состоянии, но они могут не обладать при этом высокой токонесущей способностью. Все зависит от того, какая природа этого соединения и какие у него будут возможности именно для  использования в электротехнике. Он (новый сверхпроводник) , может быть, появится как эффект, который может быть полезен для квантовых компьютеров или еще чего-то что не требует высокой токонесущей способности.

– В чем самая большая трудность, связанная с высокотемпературными сверхпроводниками, которые потребовали бы совершенно новых технологий?

– Если в случае с низкотемпературными сверхпроводниками можно было металлургическими путями получать проволоку, которая содержит большое количество волокон, то здесь необходимо, чтобы каждое микронного размера зернышко на длине в километр имело строго определенную ориентацию в пространстве. Как только два соседних зерна у нас разориентировались буквально на 7-8 градусов – все, в этом месте пропадает сверхпроводимость, и передача тока невозможна. Поэтому здесь каждый из классов соединений имеет свои ограничения.

Ведь мы имеем и таллиевые, и ртутные соединения, которые работают уже при температуре 150 К, но мы используем тот сверхпроводник, который имеет температуру перехода 90 К. Потому что этого достаточно, чтобы использовать жидкий азот. Здесь разные вещи: температура перехода – это физический параметр, а токонесущая способность часто связана со строением и организацией самого материала, то есть с его микроструктурой. Поэтому здесь всегда могут быть неожиданные открытия.

Например, MgB₂. Он открыт достаточно поздно. Сейчас его можно использовать только при водородных температурах, но он тоже имеет свою нишу. Сверхпроводимость состоит из нескольких классов материалов, каждый из которых имеет свою специфическую область применения, свои преимущества. Не факт, что высокая температура гарантирует, что это будет более интересный материал для всей электротехники и энергетики.

– Несколько серьезны затраты на охлаждение сверхпроводника в сравнении с сэкономленной на потерях энергии?

– Если мы говорим о больших энергетических мощностях, которые мы передаем по кабелю – это мегаватты и гигаватты, – то там затраты на охлаждение составляют очень маленькую величину, которая пренебрежимо мала по сравнению с тем, что мы экономим на отсутствии потерь.

Все (Криогеника), конечно, очень быстро  развивается. Мы прекрасно знаем, что медицинские томографы стали уже обычной установкой: включили в розетку, и дальше не думаем. То есть они не требуют  специального обслуживания. А там температура жидкого гелия, и таких установок выпускаются три или четыре тысячи в год. Они стоят уже практически во всех клиниках, и никто даже не задумывается, что там температура близка к температуре абсолютного нуля.

А в азоте? Установка для ожижения азота это компактное устройство.,  Можно представить, что на конечной станции маршрута автобуса стоит небольшая будка, которая может  производить  из воздуха  жидкий азот, нарабатывать нужное количество для того, чтобы обеспечить движение троллейбуса, автобуса с электродвигателем на сверхпроводниках.

Подготовил Виктор Фридман