Что такое сверхпроводник? За сложным термином скрывается свойство материала проводить электрический ток без сопротивления и потерь электроэнергии. Свойство сверхпроводимости активируется определенной температурой. Например, низкотемпературные сверхпроводники охлаждаются жидким гелием при температуре минус 268°С, высокотемпературные — жидким азотом при минус 196°С. Сверхпроводники позволяют передавать ток намного эффективнее стандартных медных кабелей: если 1 кв. мм стандартного медного провода способен пропустить примерно 10 ампер тока, то сверхпроводник увеличивает это число в десятки или даже сотни раз. В итоге мы имеем высокотехнологичный продукт, который открывает человечеству путь к достижению будущего из книг писателей-фантастов.
Декарбонизация и левитация
Развитие сверхпроводников позволит значительно улучшить и детализировать диагностику заболеваний на ранних стадиях. Станет возможным обнаружение локальных очагов болезней до их реального проявления в теле человека с помощью усовершенствованных томографов со сверхпроводниками нового поколения.
Другое многообещающее направление использования сверхпроводников — термоядерная энергетика. «Топливо» такой энергии — изотопы водорода, например, широко распространенный на нашей планете дейтерий или легко производимый тритий. Термоядерная энергия не ограничена по своему масштабу и является абсолютно чистой, не выделяет парниковых газов. В отличие от атомных электростанций, термоядерный реактор не может выйти из-под контроля и излучает минимальное количество радиации даже при полном разрушении. Термоядерная энергетика может стать реальным решением для масштабной декарбонизации энергетического сектора, доступной в том числе и для развивающихся стран.
Из всех возможных свойств и применений сверхпроводников одним из самых впечатляющих можно назвать магнитную левитацию — способность сверхпроводника «парить» над поверхностью, выложенной постоянными магнитами. Почему это возможно? При воздействии постоянного магнита внутри сверхпроводника возникают электрические токи, которые формируют собственное магнитное поле, зеркальное полю постоянного магнита. Эти два магнитных поля начинают отталкиваться друг от друга. Под действием силы тяжести сверхпроводник норовит упасть на магнитную поверхность, но одновременно с этим отталкивается от нее, достигая равновесия. Для активации этого и всех других удивительных свойств сверхпроводник должен быть предварительно охлажден жидким азотом.
Эффект магнитной левитации лежит в основе маглева — «летающего» поезда на магнитной подушке, который управляется и движется за счет силы электромагнитного поля. Маглев может разгоняться до рекордных скоростей, составляя конкуренцию перелету на самолете, в то же время расходуя меньше энергии. Первые успешные эксперименты были проведены в Японии, сейчас маглевы можно увидеть в работе в странах Азии. Основной проблемой для повсеместного внедрения этого вида транспорта является необходимость совершенно новой транспортной инфраструктуры с высокой стоимостью строительства и обслуживания. Несмотря на это, для многих маглевы уже сейчас кажутся не далекой фантастической перспективой, а реальным транспортом ближайшего будущего.
Как устроен сверхпроводник
Производство сверхпроводников включает несколько этапов. Все начинается с получения металлической ленты из специального жаропрочного сплава, которая служит основой для будущего сверхпроводящего провода. Металлическая лента имеет толщину примерно 40 микрон, что сопоставимо с обычной фольгой. Лента проходит несколько шагов первичной обработки. Для начала ее подвергают ультразвуковой очистке, во время которой удаляются технические заводские загрязнения. Следующий шаг — электрохимическая полировка, чтобы убрать все шероховатости и сделать ленту идеально гладкой.
После первичной обработки металлическая лента переходит к этапу нанесения буферных слоев. Буфер — это промежуточный слой между поверхностью металлической ленты и сверхпроводником, который улучшает конечное качество продукта за счет выполнения определенных функций. Технология, используемая в России, подразумевает нанесение четырех таких слоев. Первые два — оксид алюминия и оксид иттрия — защищают металлическую ленту от окисления кислородом. Третий слой — оксид магния — позволяет достичь максимальной проходимости тока в сверхпроводнике. Завершает этап нанесение манганита лантана, который задает условия для роста сверхпроводящей пленки.
После этого металлическая лента готова для финального нанесения самого сверхпроводника. Отличительная особенность российской технологии — получение сверхпроводников в виде тонких пленок на металлической подложке, что делает их гибким и практичным для работы материалом. Толщина наносимой пленки не более 1–2 микрона, невидимая для человеческого глаза. Но именно она пропускает весь ток в сверхпроводнике и является основным технологическим звеном.
Есть чем гордиться
Советские и российские ученые-инженеры внесли большой вклад в развитие сверхпроводниковых технологий. Сегодня мировой лидер по производству высокотемпературных сверхпроводников — российская компания «СуперОкс». При поддержке Фонда перспективных исследований она разработала электродвигатель на основе сверхпроводников, который стал частью летающей лаборатории на базе самолета Як-40. Она совершила свой первый полет в рамках МАКСа летом 2021 года. Таким образом, российская разработка стала первым в мире действующим образцом, работающим на сверхпроводниковом электродвигателе.