Материал подготовлен совместно с телеканалом «Наука».
Страховка от замыканий
Сверхпроводники — материалы, способные проводить электрический ток без сопротивления и потерь энергии. Для того, чтобы материал приобрел подобное свойство, его необходимо остудить до определенной температуры, например, при помощи азота или гелия. Использование таких материалов позволяет конструировать футуристичные транспортные средства и многое другое. Помимо классических сверхпроводников сегодня также используются высокотемпературные сверхпроводники.
Если классическая сверхпроводимость проявляется при температуре около нуля по Кельвину, то есть при минус 273 градусах по Цельсию, то высокотемпературная — это 77 градусов по Кельвину или минус 196 градусов по Цельсию. Эта температура позволяет некоторым видам материалов и проводников также обладать свойством сверхпроводимости. Такая температура достигается при охлаждении жидким азотом.
В мире есть всего 5 профильных заводов, один из них находится в Москве. Процесс создания сверхпроводниковой ленты невероятно сложен, хотя сам продукт выглядит довольно банально. Внешне — это обычная металлическая лента, покрытая медью. Внутри же она скрывает с десяток тонких слоев толщиной от единиц нанометров до нескольких микрон. Каждый из них несет функциональную нагрузку. И материалы должны быть высочайшего качества.
Вадим Амеличев, технический директор компании «С-ИННОВАЦИИ»:
«Любой дефект размерностью около микрона приводит к тому, что сверхпроводимость нарушится. Вот пример: дорога «Москва-Санкт-Петербург», 700 километров. Представьте себе, что вам нужно сделать асфальтовое покрытие с точностью по толщине 1 мм. Вот наша лента примерно такая же. То есть мы должны сделать несколько сотен метров непрерывного сверхпроводника, у которого размерность дефектов не превышает 1 микрона».
Из таких лент делают множество уникальных вещей, в том числе токоограничители для столичной энергетики. Москва стала первым городом в мире, который внедрил подобное устройство в энергосистему. По сути, токоограничитель — это большой предохранитель. Он похож на автоматы, которые есть в электрощитке любой квартиры, только в миллион раз мощнее и срабатывает намного быстрее.
Усовершенствованный аппарат МРТ
В современной медицинской диагностике томография занимает лидирующие позиции: с ее помощью выявляют инсульты и опухоли, заболевания различных органов, травмы и нарушение кровотока. Врач видит состояние тканей и органов живого человека без какого-либо вторжения в его тело. Но такую роскошь сейчас может позволить себе далеко не каждое медучреждение. Один аппарат МРТ может стоить около 70 млн. руб. Самое дорогое в нем — система охлаждения жидким гелием. Без нее до последнего времени было не обойтись.
Николай Колачевский, член-корреспондент Российской Академии Наук, директор Физического института имени Лебедева РАН ФИАН:
«Чтобы магнит томографа перешел в сверхпроводящее состояние, нужно его охладить. Обычный и самый надежный способ — погрузить в резервуар с жидким гелием. Эта жидкость потихонечку испаряется, так что ее нужно довольно много, несколько кубометров. Для экономии включается машинка вроде холодильника, которая все время подохлаждает гелий».
Ученые из Физического института им. Лебедева создали более доступный томограф — без гелиевого охлаждения. Разработчики называют его наиболее интеллектуальным прибором из тех, что существуют в медицинской практике.
Евгений Демихов, руководитель отделения физики твердого тела Физического института Академии Наук:
«Прибор достаточно сложный. Те люди, которые впервые его видели в разобранном состоянии, говорили, что его можно сравнить только со спутником, который вращается вокруг Земли — столько различных систем и технологий нужно знать, чтобы этот томограф сделать».
Главная из этих инновационных технологий — кондуктивная система охлаждения. Ее применяют, например, в космосе. Если в обычных томографах жидким гелием охлаждается обмотка из сверхпроводника, то здесь специальным аппаратом замораживается сам каркас, на который этот сверхпроводник намотан. Получилось на треть дешевле аналогов.
Левитирующие поезда
Если повернуть магниты друг к другу разными полюсами, они притягиваются, одинаковыми — отталкиваются. Этим нехитрым приемом из школьного курса физики ученые решили воспользоваться для создания одного из самых удивительных транспортных средств на планете — маглева. Сегодня поезда на магнитной подушке есть лишь в нескольких странах: Японии, Южной Корее и Китае. Они развивают скорость до 505 км/ч — и это далеко не предел.
Константин Ковалев, заведующий кафедрой МАИ:
«Технология позволяет убрать трение в колесной паре, тем самым повысить скорость движения поезда до 1000 км/ч, что сопоставимо со скоростью самолетов».
В середине 1980-х в СССР разрабатывали свой левитирующий поезд. Правда, для другого маршрута — из Еревана на озеро Севан. Тогда после землетрясения в Спитаке финансирование прекратили, хотя уже началось строительство трассы. После распада Советского Союза маглев-технологии продолжают развивать в России. Специалисты занимаются разработкой левитирующего поезда, в нижнюю часть которого встроен высокотемпературный сверхпроводник.
Константин Ковалев, заведующий кафедрой МАИ:
«В полотне расположены постоянные магниты, которые создают магнитное поле. В вагоне — сверхпроводники. Для того, чтобы эффект проявился, необходимо их охладить с помощью жидкого азота. Замерзание произойдет в наиболее устойчивом положении. Когда мы будем пытаться его из этого положения вывести, он будет сопротивляться. Полотно, на по которому ездит вагон, собрано таким образом, что вдоль поле однородно и постоянно. При этом поперек оно изменяется. И левитирующему вагону выгоднее всего ездить вдоль. Фактически он как будто попадает в магнитные рельсы, поэтому очень эта система очень устойчива».
В Московском институте теплотехники создали первый в Европе монорельс с магнитной левитацией. Его можно использовать в плотной городской застройке. Он экологичный, не создает шумов и вибраций. А еще, по словам разработчиков, их монорельс в 3–4 раза дешевле в эксплуатации, чем трамвай, и может 30–40 лет работать без ремонта. А средств на строительство требуется в 10 раз меньше, чем на прокладку метро той же протяженности.
Создание электросамолетов
В рамках авиасалона МАКС-2021 успешно прошла испытания летающая лаборатория Як-40ЛЛ с гибридной силовой установкой. В ее состав входит первый в мире сверхпроводящий электрический авиадвигатель.
Вадим Амеличев, технический директор компании «С-ИННОВАЦИИ»:
«Устроен самолет следующим образом: в носовой части самолета расположен контейнер-бак с жидким азотом и электрический двигатель, который этим азотом охлаждается. Он приводит в движение пропеллер. Электрический двигатель состоит из сверхпроводниковых обмоток, их там несколько штук. По ним пропускается электрический ток».
Летающая лаборатория — это платформа для испытания нового авиационного оборудования. Из трех двигателей Як-40 только один электрический. Пока опытный образец создает лишь дополнительную тягу. Но в ходе дальнейших испытаний его мощность будет увеличена и он сможет самостоятельно приводить самолет в движение. Использование сверхпроводника позволяет сделать электрический двигатель компактнее, легче, мощнее. Это именно то, в чем нуждаются современные авиаконструкторы.
Курочкин Дмитрий, младший научный сотрудник ЦАГИ:
«Например, если нам необходимо реализовать короткий взлет и посадку для летательного аппарата, то использование так называемой распределенной электрической силоустановки — это электродвигатели, распределенные по передней кромке крыла, позволяют увеличить почти в два раза подъемную силу системы. Если мы устанавливаем электрические двигатели и батареи на учебно-тренировочный самолет, то мы можем почти в четыре раза снизить стоимость летного часа».
Немалое внимание в современной авиации уделяется требованиям по шумности и экологии. В этом плане гибридная установка может оказаться незаменимой.
Андрей Редькин, ведущий инженер ЦАГИ:
«Допустим, нам по экологическим соображениям нужно использовать только электрическую энергию. Мы отключаем двигатель внутреннего сгорания и используем аккумулятор. Самолет бесшумно пролетает определенный участок маршрута. Такая комбинация значительно повышает надежность: в случае отказа двигателя внутреннего сгорания мы можем использовать электрическую силовую установку, которая позволит нам совершить безопасную посадку».
Электроавиация — быстрорастущий сегмент. Электрические самолеты для одного-двух человек уже существуют. Следующий шаг — создание местных и региональных бортов на электротяге.
Покорение космоса
Еще одна сфера применения сверхпроводников — плазменные двигатели для космических аппаратов. Чаще всего их устанавливают на спутники. Магнитное поле в подобных двигателях, как правило, фокусируется медными катушками. Это их существенный недостаток. Поэтому российские разработчики решили заменить медь на сверхпроводник. Испытания показали, что новый двигатель позволяет и выиграть в КПД, и сэкономить на топливе.
Медная катушка позволяет создать поле не более 0,2–0,3 Тл. Дальше, если требуется увеличить поле, понадобится катушка просто огромного размера и массы, потому что медь — довольно тяжелый металл. А сверхпроводник позволяет в компактном объеме создать поля гораздо больше за счет того, что при охлаждении вырабатывает много тока. Ученые в своих экспериментах достигли поля 1 Тл — фактически это в четыре раза больше, чем то, чего можно добиться на меди.