В одной из статей мы рассказывали о таком классе материалов как сверхпроводнники, которые обладают уникальным свойством - проводят электрический ток абсолютно без сопротивления. К сожалению, открытие этих материалов пока так и не привело к полномасштабной технической революции, которую все так ждали. Этому, конечно же мешает необходимость создания очень низких температур для их работы. Обычные сверхпроводники были открыты уже 110 лет назад, а более перспективные высокотемпературные - 35 лет назад. С тех пор утекло много воды и такие материалы уже довольно широко применяются на практике. Рассказываем где именно.
Температурные рекорды
Для начала, небольшой экскурс в текущий прогресс в этом направлении. С самого момента открытия высокотемпературных сверхпроводников началась непрерывная чехарда разработки новых материалов - рекордсменов по критической температуре (температура перехода в сверхпроводящее состояние). Первым высокотемпературным сверхпроводником считается соединение LaBСuO, которое обладает критической температурой -35 Кельвин (-238 градусов Цельсия). Оно было открыто в 1986 году, но уже всего через год был открыт один из самых хорошо изученных и распространенных на сегодня сверхпроводящих материалов - YBaCuO, критическая температура которого уже на целых 32 градуса выше. После этого были разработаны ещё сотни соединений, в которых критическая температура как выше, так и ниже. Вот часть из них:
Рекордсмены, которых вы видите в верхней части рисунка, к сожалению, обладают такой высокой критической температурой только при огромных давлениях, которые возможно создать лишь в лабораторных условиях. В эту таблицу вошли результаты до 2015 года, но как вы понимаете, эта работа продолжается и сейчас. Например, в 2018 году рекорд был побит в очередной раз. Тогда обнаружили что LaH10 при сжатии до сумасшедших 1.7 млн. атмосфер обладает критической температурой всего лишь -13 градусов Цельсия. Но и это не предел, на данный момент рекордсмен уже другой - всё тот же дигидрит серы (правый верхний угол графика) при добавлении углерода и ещё более высоком давлении в 2.7 млн. атмосфер, переходит в сверхпроводящее состояние при +15 градусах Цельсия, что является феноменальным результатом. Проблема пока остаётся в том, что создать условия для этого мягко говоря проблематично. Но всё-таки тенденция обнадёживает.
Реальные применения.
Высокая критическая температура - совсем не гарантия того, что материал будет использоваться на практике. Есть и другие важные характеристики сверхпроводников такие как критическая плотность тока, которую способен пропускать проводник и величина магнитного поля, которая приводит к разрушению сверхпроводящего состояния. В зависимости от сферы применения на первый план выходят разные характеристики.
- Например, для прокладки линий электропередач нужны ВТСП с максимальной плотностью тока. Кстати, такие линии уже существуют по всему миру, например в Германии, США, Южной Корее. Правда их протяженность пока, как правило, не превышает 1 км. Оно и понятно, для поддержания низкой температуры в трубах необходимо непрерывно прокачивать хладагент (жидкий азот или водород), что на большой длине становится проблемой. Пока что основная ценность таких проектов скорее экспериментальная. Кстати, в России тоже ведётся работа по созданию 2.5 км линии электропередач на основе ВТСП. Для этой цели в основном используются ВТСП типа YBaCuO потому что он хорошо подходит по свойствам. Такой материал является керамикой, поэтому просто сделать из него провода и засунуть в трубу не получится. Его обычно напыляют на металлическую подложку с использованием нескольких буферных слоёв. В результате получается структура напоминающая слоёный пирог.
- Как известно, ток протекающий по проводнику создаёт магнитное поле. Чем сильнее поле требуется создать тем сильнее нужен ток. В обычных проводниках это приводит к безумным потерям и нагреву. А вот благодаря сверхпроводникам это сделать проще и дешевле. ВТСП уже давольно давно успешно используют для создания сверхсильных магнитов, которые в свою очередь используются в научных и медицинских целях. Например, процедура МРТ была бы невозможна без сильных магнитных полей. В этой сфере применения главным критерием подбора материала является критическое магнитное поле. Особенностью сверхпроводников является тот факт, что сильное магнитное поле может рарушать сверхпроводящее состояние, но величина этого поля для всех материалов различна. Традиционно для создания сильных магнитных полей используются сверхпроводники на основе ниобия (ниобаты). Ниже приведен график, на котором показаны критическая плотность тока и критические поля для этого класса материалов.
За годы применения ниобаты хорошо зарекомендовали себя, однако они всё-таки не являются высокотемпературными сверхпроводниками - для их охлаждения нужен более дорогой жидкий гелий. Поэтому последние годы их стремятся заменить аналогами такими как MgB и другими.
- Ещё одним очень важным применением ВТСП являются электродвигатели. Провод из ВТСП способен проводить сопоставимый с медным собратом ток при толщине примерно в 10 раз меньше. Использование таких материалов в электродвигателях позволяет повысить КПД и снизить их габариты и вес. Особенно актуально это в электродвигателях для самолётов и кораблей. Там требуются большие крутящие моменты, максимально высокий КПД и малый вес. Сверхпроводники - находка для таких применений, именно поэтому многие крупные фирмы, такие как Siemens или Airbus уже давно активно работают в этом направлении.
- С помощью сверхпроводников создают и другие электротехнические изделия. Например, перспективными считаются токоограничивающие устройства на основе ВТСП. Они нужны для предотвращения коротких замыканий на подстанциях. По сравнению с традиционными токоограничителями они обладают повышенным быстродействием (что в данном случае очень важно) и эффективностью. Такое устройство работает на подстанции «Мневники» в Москве. За время использования оно на деле подтвердило свои высокие характеристики. Ещё несколько подобных проектов находятся в стадии проектирования.
Спасибо, что прочитали! Заглядывайте почаще.