Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 81.

Без сопротивления

На открытой девяносто лет назад сверхпроводимости будут зарабатывать миллиарды

Десятая часть всей производимой в мире электроэнергии пропадает зря. Миллиарды долларов теряются ежегодно на нагрев медных и алюминиевых проводов. Между тем уже почти сто лет хорошо известно, как избежать этих потерь. Достаточно использовать сверхпроводники, обладающие при низких температурах нулевым сопротивлением. Электроток, возбужденный в кольце из подобного материала, способен годами течь безо всякой внешней подпитки. Правда, высокая стоимость сверхпроводящих материалов и необходимость охлаждения до сверхнизких температур до сих пор мешали их массовому применению в энергетике.

Но, похоже, дело сдвинулось с мертвой точки. За последние несколько лет цены на сверхпроводники упали в семь-восемь раз, причем эксперты прогнозируют их дальнейшее снижение. Минувший год оказался богат на попытки масштабного использования сверхпроводников в самых разных отраслях экономики. Так, весной для подвода электроэнергии к одному из кварталов Детройта был проложен сверхпроводящий кабель; примеру Детройта собираются последовать и некоторые другие американские города. А несколько месяцев назад стартовала совместная программа Минатома РФ и РАО ЕЭС по разработке токоограничителя на сверхпроводниках. По оценкам Всемирного банка, уже через десять лет рынок сверхпроводникового электротехнического оборудования будет составлять 70 млрд долларов, а через двадцать лет превысит 240 млрд долларов.

Лабораторные фокусы

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году Г. Камерлинг-Оннесом после того, как им же был сжижен гелий, и тем самым стала доступной область температур вблизи абсолютного нуля. Измеряя сопротивление ртути постоянному току при охлаждении, датчанин обнаружил, что при температуре 40К (-2690C) это сопротивление скачкообразно уменьшалось до нуля. Вскоре было установлено, что аналогично ведут себя и многие другие металлы. Однако, несмотря на очевидные перспективы практического использования, еще полвека сверхпроводимость оставалась областью всякого рода лабораторных фокусов. У известных тогда науке сверхпроводников оказался скверный характер. Помимо необходимости поддержания чрезвычайно низкой температуры, они еще требовали малых токов: при превышении током критической величины сверхпроводниковые свойства исчезали. К тому же ученые так и не смогли построить непротиворечивую теорию самого явления.

В конце пятидесятых годов Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер из Университета Иллинойса разработали теорию БКШ, получившую такое название по первым буквам фамилий своих создателей. Суть ее вкратце такова. Как известно, проходящий через металл электрический ток представляет собой поток электронов. При этом электроны неизбежно сталкиваются с образующими кристаллическую решетку ионами металла. Колебания кристаллической решетки, в свою очередь, переходят в тепло, приводя к потерям электроэнергии. Согласно теории БКШ, при достаточном охлаждении металла эта картина существенно меняется. Возникающие при столкновении с одним из электронов колебания кристаллической решетки распространяются по металлу и в конце концов передают свою энергию другому электрону. В результате такие пары электронов, называемые куперовскими, движутся по металлу, не встречая сопротивления и не теряя энергии.

В 1957 году Алексей Абрикосов, позже ставший академиком, теоретически показал возможность существования нового класса сверхпроводников, способных проводить достаточно большие токи без утраты сверхпроводящих свойств. Вскоре американцы обнаружили первые такие вещества, провода из которых оказались способны нести гигантские токи - до миллиона ампер на квадратный сантиметр. Это на три порядка превышает показатели критического тока для меди - привычного электротехнического материала. Иными словами, использование сверхпроводника в электротехнике позволило бы уменьшить сечение проводов в тысячу раз.

Шестидесятые годы можно назвать временем первого настоящего бума в сфере сверхпроводимости. В индустриально развитых странах были созданы национальные программы по изучению и использованию этого явления, осваивались технологии промышленного производства сверхпроводящих проводов. Лидерами здесь были два государства - СССР и США. С середины шестидесятых активно разрабатывались сверхпроводниковые варианты основных электротехнических устройств, которые генерируют, передают, преобразуют и потребляют электроэнергию. У нас в стране и за рубежом были созданы и испытаны опытно-промышленные образцы сверхпроводниковых турбогенераторов, двигателей, трансформаторов, токоограничителей, линий электропередачи. Как и ожидалось, новое оборудование обеспечивало значительную экономию электроэнергии. К тому же большие значения критических токов позволяли заметно уменьшить вес и размер электротехнического оборудования.

В шестидесятые годы многие специалисты полагали, что вскоре сверхпроводимость кардинально изменит облик электротехники и энергетики. Однако этого так и не случилось, чему есть несколько причин. Прежде всего, долго не удавалось создать достаточно надежную систему охлаждения. Достичь температур перехода в сверхпроводящее состояние можно было только с помощью сжиженного гелия при температуре около 4 °К (-269 °C). При столь низкой температуре имеющиеся в гелии примеси (например, азот и водород) отвердевают и, действуя подобно песку, быстро разрушают всю систему охлаждения. Другой причиной, помешавшей широкому внедрению сверхпроводящих решений, была дороговизна их эксплуатации: платить по 5-10 долларов за литр сжиженного гелия энергетики считали недопустимым расточительством. Упорные же попытки создать материал, переходящий сверхпроводящее состояние при более высокой температуре, ни к чему не приводили.

Хотя низкотемпературные сверхпроводники сразу не нашли широкого применения в энергетике, им все же удалось отвоевать несколько рыночных ниш, ежегодная потребность которых оценивается на сегодняшний день в 300 млн долларов. Наибольшее распространение получил сплав Nb-Ti, обнаруживающий сверхпроводимость при 9,6 °К (-263,4 °C). Ежегодно в мире производится более тысячи тонн этого вещества. В России выпуск низкотемпературных сверхпроводников налажен на ОАО «Чипецкий механический завод» в Удмуртии. Его производственные мощности позволяют ежегодно выпускать до 50 тонн сверхпроводников.

Наибольшее признание получила способность катушек из сверхпроводящего провода создавать сверхсильные магнитные поля. Около половины всех производимых сегодня низкотемпературных сверхпроводников идет на нужды «индустриальной физики», прежде всего на создание ускорителей. При этом для ускорителей последних поколений использование сверхпроводящих катушек является безальтернативным решением: применение традиционных технологий привело бы к необходимости строительства мощных электростанций для каждой установки и затратам в миллиарды долларов. А с середины восьмидесятых годов началось производство магниторезонансных томографов на сверхпроводящих катушках. За счет больших значений магнитного поля, его временной стабильности и пространственной однородности новое поколение томографов давало существенно более подробную диагностическую информацию. Попытка наладить выпуск сверхпроводящих томографов была предпринята и в постсоветской России: в начале девяностых годов была запущена государственная программа, однако ее финансирование оказалось недостаточным. В настоящее время в мире ежегодно выпускается около тысячи сверхпроводящих томографов, на которые уходит примерно половина всех производимых низкотемпературных сверхпроводников.

На пороге электротехнического скачка

Впрочем, перечисленные выше рыночные ниши (помимо них можно назвать еще несколько сфер применения низкотемпературных проводников, но они совсем уж маргинальны) не могли удовлетворить ни амбициозных исследователей, ни инвесторов, вложивших в сверхпроводниковые программы не один миллиард долларов. Главной целью, конечно, оставалось применение новых технологий в энергетике, для чего было необходимо найти материал, который проявит сверхпроводящие свойства при достаточно высокой температуре (в идеале - при комнатной). И вот в 1986 году у исследователей появилась надежда: сотрудники IBM Джордж Бендоз и Алекс Мюллер создали из керамик материал, проявляющий сверхпроводящие свойства уже при 630К (-2100C), что казалось тогда невиданно высокой температурой. Всего через несколько месяцев температурный рекорд был побит: на основе все тех же керамик были получены материалы, не оказывающие сопротивления электрическому току уже при 138 °К (-135 °C).

Хотя такая температура была все еще далека от комнатной, достижение при ней сверхпроводящего состояния знаменовало собой важнейший технологический прорыв. Теперь для охлаждения сверхпроводящих материалов вместо гелия можно было применять в сто раз более дешевый сжиженный азот. По надежности же системы криостатирования на жидком азоте не уступали обычному бытовому холодильнику.

Сверхпроводимость, казалось, получила второе дыхание. Как вспоминает член-корреспондент РАН Николай Черноплеков, «в восемьдесят шестом - восемьдесят седьмом годах бум вокруг сверхпроводимости приобрел фантастические размеры. Посвященное ему заседание Американского физического общества длилось с семи часов вечера до пяти часов утра, и в нем участвовало более пяти тысяч человек. Газеты трубили: все, новая эра наступает; на правительства нажимали. И все правительства отреагировали».

Ежегодные инвестиции в исследования сверхпроводимости в США, Японии и Европе достигли 270, 220 и 120 млн долларов соответственно. Советское правительство на аналогичные цели выделяло порядка 100 млн долларов в год (в девяностые годы финансирование уменьшилось в сто раз).

Наиболее крупный промышленный проект по внедрению сверхпроводников в энергетику начат весной этого года в Детройте. В его рамках 18000 фунтов медного кабеля будет заменено всего 250 фунтами сверхпроводящего кабеля, способного тем не менее нести в несколько раз большие токи. Потребителями подводимой через кабель электроэнергии будут 14 тысяч жителей Детройта, а также несколько промышленных предприятий. Общая стоимость проекта оценивается в 13,9 млн долларов, при этом часть суммы предоставит министерство энергетики США в рамках программы по внедрению сверхпроводникового оборудования.

В детройтском проекте, как и в других, применена получившая наибольшее распространение технология «порошок в трубке»: в серебряную трубку засыпают керамический порошок и затем подвергают его термохимической обработке. В итоге получается провод (или, скорее, лента) с сечением около 4x0,3 мм, стоимость которого доходит до 200 долларов за метр. Столь высокая цена объясняется жесткостью технологических требований к химическому составу и размерам частиц керамического порошка, а также необходимостью использовать серебро.

С развитием технологии и увеличением объемов производства сверхпроводники, по мнению специалистов, будут дешеветь. В будущем году компания American Superconductor запустит завод по производству сверхпроводящего провода. Новое предприятие станет крупнейшим в своем роде, ежегодно выпуская 10 тыс. км провода (сейчас во всем мире его производится не более 2 тыс. км в год). Представители компании утверждают, что большие объемы выпуска позволят снизить стоимость провода в четыре раза, до 50 долларов за метр. Предполагается также, что технологии будут и дальше совершенствоваться и через несколько лет серебру удастся найти более дешевую замену. Тогда цена на сверхпроводящий провод опустится до 25 долларов за метр, то есть сравняется со стоимостью медного кабеля, способного пропускать ток такой же интенсивности. Вот тогда мы столкнемся с настоящей технологической революцией, сравнимой по своим масштабам с электротехническим скачком конца XIX - начала XX века.

Россия на новом витке мировой сверхпроводниковой гонки выглядит пока достаточно скромно. Производство проводов из высокотемпературных сверхпроводников налажено в Московском НИИ неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара. По словам заместителя генерального директора института Александра Шикова, «в год выпускается около двадцати-тридцати километров материала, причем российские технологии в этой области все еще находятся на мировом уровне». С инициативой внедрения сверхпроводимости в электроэнергетику выступает Минатом РФ, традиционно близкий к этой проблематике. По словам начальника управления науки этого министерства Юрия Соколова, «последние несколько лет Минатом пытался найти общий язык с РАО ЕЭС и определить первоочередное электротехническое устройство, в которое можно было бы вложить деньги, причем Минатом готов был вложить в совершенствование технологии до пятидесяти процентов необходимых для этого средств». В этом году переговоры наконец увенчались успехом. Выбор был остановлен на токоограничителе (по-простому - предохранителе промышленных масштабов), а общее финансирование начатой программы составит 35 млн рублей.

По материалам журнала «Эксперт»

В восемьдесят втором выпуске читайте: Сверхпроводники изменят облик и качество жизни