Использование сверхпроводников для экранирования от сильного магнитного поля

 

            В своем теперь уже позапрошлогоднем послании 2009 года президент Медведев высказался за развитие ряда передовых научно-технических проектов. Например, про электрореактивный двигатель, про сверхпроводники и.т.п.:

             

«Наши научно-исследовательские и производственные организации будут нацелены на внедрение инновационных технологий, таких как разработки с применением эффекта сверхпроводимости, особо актуального для наших протяжённых территорий. Мы продолжаем терять гигантские объёмы энергии при передаче её по территории страны, гигантские объёмы. В будущем именно технология сверхпроводимости кардинально изменит всю сферу производства, передачи и использования электроэнергии.

В отдельное направление в рамках модернизационного проекта выделены программы развития ядерной энергетики. До 2014 года у нас появятся реакторы нового поколения и ядерное топливо, востребованное не только отечественными, но и зарубежными производителями. Ядерные разработки будут активно применяться и в других сферах (прежде всего, конечно, в медицине), для производства водородного топлива, а также для создания двигательной установки, способной обеспечить космические полёты даже на другие планеты»

             

            С двигателем до сих пор пока результата нет. Сверхпроводникам повезло больше: в декабре 2010 года созданное в том же месяце ООО «Русский сверхпроводник» стала одним из резидентов фонда Сколково, в рамках этой программы реализуя ряд проектов.

             

            Что такое сверхпроводники? Как понятно из названия, это – материалы, у которых при температуре ниже определённого уровня электрическое сопротивление становится равным нулю. Часто все предлагаемые варианты применения сверхпроводников сводится именно к этому. Однако сверхпроводящие материалы обладают ещё одним важным свойством, которое может иметь широкие применения – это то, что они являются идеальными диамагнетиками. То есть полностью выталкивают из себя внешнее магнитное поле (эффект Мейснера).

            В порядке отступления: сверхпроводящие материалы делятся на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. «Сверхпроводники 1-го рода» утрачивают сверхпроводящее состояние даже в очень небольшом магнитном поле. И поэтому практическое применение их описанного свойства нереально. А вот «сверхпроводники 2-го рода» сохраняют свои сверхпроводящие свойства даже в сильном магнитном поле. И это уже открывает широкие возможности для их применения.

            Первый вариант применения, сразу  бросающийся в глаза – это использование свойства левитации. Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит «всплывает» сам и продолжает «парить» до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «увидит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера, — что и вызовет левитацию.

            Причём с «обычными» магнитами такое невозможно – то есть можно создать комбинацию магнитных полей, которые бы подняли магнит над поверхностью – то это будет неустойчивое равновесие. А вот на сверхпроводящих магнитах можно создать, например, транспорт на магнитной подушке. Это предмет отдельного разговора.

             

            Второе важное применение свойства идеального диамагнетизма сверхпроводников – это возможность экранирования от сильного магнитного поля. Современные ядерные технологии дают возможность концентрации энергии, что позволит создать компактные энергетические установки. Но в очень большом числе случаев работа таких энергоустановок будет сопровождаться мощным магнитным полем, величины которого могут быть опасны для персонала. И свойство идеального диамагнетизма сверхпроводников может быть использовано именно для экранирования от магнитных полей.

            Самый простой пример – ускорители, позволяющие изготовить нужные нам изотопы в весовых количествах. Сегодня основным потребителем изотопов является, например, ядерная медицина (использование определённых изотопов для диагностических или терапевтических целей). Кроме того, во многих отраслях хозяйства (от сельского хозяйства до материаловедения и металлургии) требуются изотопы,  которые должны давать гамма-излучение определённой энергии. Массовому внедрению изотопов в хозяйство мешает то, что они пока ещё дороги. Существуют технические возможности создать компактные ускорители большой производительности – но для их эксплуатации встаёт задача экранирования от создаваемого сильного магнитного поля, и здесь необходимо использование сверхпроводников в качестве защиты.

            Или энергетические термоядерные реакторы, за которыми, надо надеяться, всё таки будущее энергетики. В настоящий момент, как известно, Россия участвует в проекте создания международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Известно, в частности, что Чепецкий механический завод производит сверхпроводящие материалы для обмотки реактора. Для случая экспериментального реактора этого достаточно. Но когда термоядерная техника будет внедряться в широкое массовое производство – тогда, помимо этого, необходимо будет создание сверхпроводящей защиты от создаваемых при осуществлении термоядерных реакций сильных магнитных полей.

            Другой пример, пока выглядящий фантастикой – экранирование космических аппаратов от метеоритных потоков и космической радиации (что будет актуальным, когда пилотируемым аппаратам всерьёз придётся выдвигаться за пределы земной магнитосферы – например, при полёте на Марс или планах освоения гелия-3). Хороший способ защиты – создание у космического аппарата собственной «магнитосферы», которая будет отклонять опасные частицы. Причём мощность поля должна быть достаточной для того, чтобы крупные пылевые частицы предварительно ионизировать. Но такое поле может быть опасно для экипажа. Выход – сверхпроводящая защита от магнитного поля.

            Спрашивается, что мешает реализации этого? Почему у нас до сих пор нет сверхпроводниковой промышленности, необходимой для обеспечения работы монорельса на магнитной подушке, ядерных реакторов на 114-м элементе и термоядерных – на гелии-3? Помимо того, естественно, что пока ещё не получены сверхпроводящие материалы, работающие в привычном для человека диапазоне температур?

            Основная проблема – технологическая. Известные сегодня сверхпроводящие материалы крайне сложно поддаются обработке. Дело в том, что большинство металлов переходят в сверхпроводящее состояние лишь при температуре жидкого гелия (несколько кельвинов, или около минус 270 градусов Цельсия). С середины 1980-х годов было открыто явление «высокотемпературной сверхпроводимости» - определённые виды керамики становятся сверхпроводящими уже при температуре жидкого азота (около 100 кельвинов), что уже значительно проще для применения. Нобелевский лауреат В.Л.Гинзбург допускал возможность создания материалов, которые будут сверхпроводящими при комнатной температуре, но это вопрос будущего.

Что же касается «высокотемпературных» сверхпроводящих керамик, то основная сложность в работе с ними – они крайне сложны в обработке. Из них очень сложно сделать, например, даже самый обычный провод. Сейчас решение этой технологической проблемы является основной задачей компании «Русский сверхпроводник». Определённые успехи есть. В «Российской газете» за 2 февраля 2011 года гендиректор компании «Русский сверхпроводник» Александр Кацай рассказывает:

«Вначале надо сделать сам сверхпроводник из керамики. Это тонкая лента, на которую нанесены керамические и оксидные слои толщиной от десятков нанометров до нескольких микрон. Затем ленту необходимо одеть в "броню" из серебра и меди, создав слоеный пирог: металлическая подложка, защитный буфер и другие слои. Эта научная и инженерная задача настолько трудна, что пока в опытных образцах с ней удалось справиться лишь двум американским фирмам. На решение проблемы им понадобилось около 15 лет. И вот сейчас на нее замахнулись российские специалисты.

- За два года нам удалось сделать сверхпроводящие ленты длиной около метра, которые по основным параметрам не уступают американским, - говорит Кацай. - Созданы уникальные, не имеющие аналогов в мире технологии нанесения слоев, в частности, ионного ассистирования, лазерная абляция, золь-технология. Сейчас создаем линии и уже в этом году будем выпускать куски сверхпроводника длиной десятки метров. На его основе начнем делать токоограничители, трансформаторы и накопители энергии».

Теперь компания «Русский сверхпроводник» имеет возможность продолжать эту работу в рамках реализации проекта «Сколково».

            Помимо необходимости решения технологической проблемы, необходимо решить и ещё одну проблему, а именно – необходимо наличие госзаказа со стороны государственных органов на эти исследования. Для задач ближайшего момента (использования сверхпроводников в ускорителях для производства изотопов), действительно, достаточно будет применения уже существующих коммерческих механизмов. Для решения же более перспективных задач, требующих большого времени для своей окупаемости, необходимы будут и меры государственной поддержки.

            А.Буслаев