Высокотемпературные проводники и их применение

 

 

                   Высокотемпературные проводники и их применение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                             Гавриленко А.

 

 

 

Сверхпроводимость-это  свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры  ниже определённого значения . Известны несколько десятков чистых элементов , сплавов и керамик , переходящих  в сверхпроводящее состояние.

 

В 1986 году Карл Мюллер и Георг  Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных(материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами)

 Открытие в конце  1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих

материалов радикально расширяет  возможности практического использования

сверхпроводимости для создания новой техники и оказывает  революционизирующее

воздействие на эффективность  отраслей народного хозяйства.

Явление, заключающееся в  полном исчезновении электрического сопротивления

проводника при его  охлаждении ниже критической температуры, было открыто

нидерландским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году, а удовлетворительное

объяснение, отмеченное именами  американских физиков Л.Купера, Дж.Бардина

,Дж.Шриффера, советского математика и физика Н.Н.Боголюбова, получило

практическое использование  этого явления в середине шестидесятых годов, после

того как были разработаны  сверхпроводящие материалы, пригодные  для

технических применений - настолько  трудна была проблема.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества

соединений и сплавов (Тк £ 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К –

высокотемпературные сверхпроводники.)

Позднее было установлено, что  сверхпроводники делятся на два  больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится  ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова  в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е. Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока.

Позднее было установлено, что  сверхпроводники делятся на два  больших семейства: сверхпроводников I типа (к ним, в частности, относится  ртуть) и II типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости II типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова  в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е. Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока.

В рамках программы предполагается разработка и освоение серийного  производства трех классов электронных  сверхпроводниковых приборов:

- СКВИДы (приборы на основе джозефсоновских переходов) как детекторы слабых магнитных полей для применения в медицине (магнитоэнцефалография), геологии и геофизике (поиск полезных ископаемых, изучение геологического строения земной коры, прогноз землетрясений), материаловедении (неразрушающий контроль материалов, конструкций), военной технике (обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок), научных исследованиях, связи и навигации.

Широкое освоение и внедрение  СКВИД магнитометрического метода измерений позволит в короткий срок качественно изменить многие виды измерительной  техники, повысить в сотни и более  раз чувствительность приборов и  точность измерений, подвести измерительные  возможности широкой номенклатуры датчиков к теоретическому пределу, вывести измерительную технику  на высший качественно новый уровень.

- Аналого-цифровые приборы  (АЦП), использующие сверхбыстрые (доли  пикосекунды) переключения от  джозефсоновского к "гиверовскому" режиму работы, для применений в новейших системах связи, цифровых вычислительных устройствах для обработки и анализа аналоговых сигналов и др.

- Приборы, основанные на  эффекте появления на джозефсоновском переходе постоянного напряжения при подаче на него СВЧ сигнала, для использования в прецизионных измерительных системах (например, эталон Вольта).

Широкое применение ВТСП нашло  в вычислительной технике. Уже в  настоящее время разработаны, изготовлены  и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный  элемент считывания на ВТСП пленках  с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10 - 100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМ позволит повысить их производительность с 10х9 до 10х12 операций/сек.

Одной из перспективных областей применения ВТСП будет космическая  техника - бортовые и "забортовые" измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как "теневая" температура у спутников - 90 К). При этом при переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз.

Широкие перспективы использования  ВТСП открываются в СВЧ-технике  и в создании датчиков видимого и  ИК диапазона с высокой чувствительностью.

Какие еще существуют важные и эффектные применения сверхпроводников? Например, в США сейчас проектируется  самый большой ускоритель в мире — его называют сверхпроводящий  суперколлайдер (55С). Длина кольцеобразного подземного туннеля этого ускорителя — а частицы в нем будут двигаться по кругу — почти 100 километров. Эта цифра, а вместе с ней и суммы, определяющие стоимость всего гигантского сооружения, в первую очередь зависят от качества тех 30 000 сверхпроводящих магнитов, которыми должно быть увешано многокилометровое ускорительное кольцо. Что здесь имеется в виду под качеством? Дело в том, что в ускорителях сверхпроводники нужны для того, чтобы создать очень сильное магнитное поле, которое способно удерживать на точно выверенной орбите частицы, разогнанные почти до скорости света. Чем сильнее магнит, тем меньше можно сделать радиус ускорительного кольца. Поэтому все современные мощные ускорители оснащаются сверхпроводящими магнитами.

Однако до сих пор использование  сверхпроводников было (и пока еще  остается) очень дорогим делом. Ведь все известные до 1986 года сверхпроводники  переходили в это состояние при  чрезвычайно низких температурах —  как правило, от 1 до 20 кельвин, то есть вблизи абсолютного нуля. Эти «обычные» (не высокотемпературные) сверхпроводники  приходилось охлаждать жидким гелием. Однако он дорог, и работать с ним  сложно: требуются громоздкие устройства, специальные криогенные станции. Поэтому  новые высокотемпературные сверхпроводники, которые переходят в сверхпроводящее  состояние выше температуры кипения (или, что то же самое, ожижения) азота, имеют огромное практическое значение. Жидкий азот очень дешев, его получают из воздуха. Если литр жидкого гелия  стоит примерно 10 рублей, то литр жидкого  азота — около 5 копеек. Так что  речь идет об удешевлении более чем  в сто раз — немалая разница  для экономики, даже если оставить в  стороне простоту обращения с  жидким азотом и некоторые другие его преимущества. Как известно, тепло и электротехники бьются над  увеличением кпд различных машин на проценты и даже на доли процентов. А здесь возможен выигрыш на десятки тысяч процентов!

Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры  от

характеристики вещества. С открытием в 86 нового класса сверхпроводящих

материалов с более  высокими, чем ранее критическими температурами, во всем

мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью

определения возможности  их применения в различных областях науки и техники.

Перечень чудесных приложений высокотемпературных сверхпроводников можно продолжать очень долго. Вот, скажем, существует серьезная проблема «социального» потребления электроэнергии.

Представьте себе, что вечером  по телевидению транслируется интересный футбольный матч и в подавляющем  большинстве семей включены телевизоры . Это значит, что потребление энергии в такие часы резко возрастает. Следовательно, необходимо активизировать какие-то резервные мощности.

Аккумуляторы? Трудно, ненадежно  и невыгодно— у них очень небольшая мощность на килограмм веса, 20—30 ватт. Нередко используют гидроаккумуляторы, но ведь это экологически опасный путь — затопляются огромные пространства. Вот и встает трудноразрешимая проблема: как создать «резервуары» электроэнергии, из которых ее можно быстро перекачивать потребителям и легко возвращать обратно. Вблизи больших городов, растущих научно промышленных агломераций потребность в таких резервуарах может только возрастать — например, при включении тока мака Т10 из Московского энерго-кольца забирается мощность примерно 200 мегаватт, а это соответствует энергетике крупного города.

По-видимому, проблему того, как запасать электроэнергию впрок, можно будет решить только с помощью  сверх проводниковых резервуаров. Ведь если в сверхпроводящее колечко  один раз «впрыснуть» электрический  ток, то он будет циркулировать там  вечно. Что здесь означает слово  «вечно»? По крайней мере за время, равное возрасту наблюдаемой части Вселенной — а это примерно 15 миллиардов лет, ток сколько-нибудь заметно не затухнет.

Но «колечко» может  быть, скажем, многовитковой обмоткой и тогда энергия, запасенная в  такой катушке, окажется гигантской. Можно представить себе и такую  ситуацию, когда катушку с возбужденным в ней сверхпроводящим током  перевозят на «левитирующем» поезде от потребителя к потребителю — вот вам и передача энергии на расстояние. Правда, при этом придется соблюдать определенные меры предосторожности: нельзя допустить, чтобы сверхпроводящий кабель перешел в «нормальное» состояние — ведь тогда заключенная в катушке гигантская энергия практически мгновенно превратится в тепло. А это взрыв.

токамаки — замкнутые магнитные ловушки, в которых должна удерживаться термоядерная плазма. Почему так важна проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС)? Потому что в будущем это неисчерпаемый источник энергии. Интересно, что проблема УТС стала особенно «боевой», когда возник энергетический кризис начала 70х годов. Сегодня энтузиазм поубавился, и я лично не думаю, чтобы термоядерные реакторы заработали раньше, чем в будущем столетии. Но все равно это гигантская техническая и экономическая проблема. Одновременно это и увлекательная физическая задача, но все-таки, что придает ей особый блеск, что приковывает к ней такое большое внимание,— это именно то, что термоядерная проблема важна для будущих поколений.

В ы с о к о т  е м п е р а т у р н ая

с в е р х п р о в о д и м о с ть способна радикально преобразовать технику и энергетику, а значит, и э к о н о м и к у . Передача  энергии без потерь на  огромные расстояния — ведь это

фантастика,  п е р е в о р от в электротехнике.

Если это осуществится, то  окажутся не­ н у ж н  ы ми ни гигантские высоковольтные  ли­нии  передач ,— а  сколько они стоят и с к о л ь ко вместе с «полосами  отчуждения» занимают  полезной  площади! — ни  сложные и  уязвимые  транс форматорные  подстанции. С помощью сверхпроводников можно существенно поднять мощность электрических

машин и заметно  уменьшить  габариты электрических устройств.

Д ля  судостроения,  скажем , это может иметь р е в о л ю ц и о н и з и р у ю щ ее значение —

изменятся сами  концепции  проектирования кораблей с электродвигателями. Да и  вообще транспорт,  по-видимом у, радикально преобразится. Представьте себе «левитирующие» поезда,  которые  несутся со  скоростью 500  километров в час на  сверхпроводящей  магнитной  « п о д у ш к е»  толщиной 20—30 сантиметров. На  такую высоту  м н о­готонный  поезд «всплывает» благодаря, может быть,  самому главному явлению в физике  с в е р х п р о в о д н и к о в — э ф ф е к т у М е й с с­ н е р а, выталкиванию  массивным сверхпроводником из своего объема  магнитного  поля. Транспорт на  сверхпроводящем «под весе» расходует в н е с к о л ь ко десятков раз меньше  энергии на  перевозку одного пассажира,  чем привычные нам железнодорожные поезда.  Нетрудно подсчитать, какой  экономи ческий эффект даст  использование такого транспорта на сотнях тысяч километров  железных  дорог нашей стра­ны,  даже несмотря на большие начальные затраты. Правда, все это пока еще дело далекого  будущего, сегодня это фанта­

зия, хотя и имеющая основания. Вначале придется преодолеть  много трудностей — и технических, и психологических. Да и не все,  конечно, сбудется, зато появится что-нибудь  неожиданное.

 

 

Экспериментальный  я п о н с к ий поезд

«Маглев» (от слов — «магнитная левита­

ция»; последнее слово можно перевести  к ак

зависание, парение в воздухе  без видимой

поддержки) будет развивать  скорость около 

520 км/час, за час он  пройдет путь между

Токио и Осакой (почти 500 км). Аналогичные 

поезда создаются во  Ф р а н ц и и,  Ф Р Г,  С Ш А,

Канаде. Обсуждаются  п р о е к ты шоссейных

 

Медицинский  д и а  г н о с т и ч е с  к ий при­бор ЯМР-томограф (ЯМР — ядерный магнит­

н ый резонанс) использует  т о н к ий физический эффект — взаимодействие магнитного

момента ядер атомов биологической  т к а ни с сильным внешним м а г н и т н ым полем. Это в итоге позволяет получать детальный «разрез» того или иного органа, где четко