Высокотемпературная сверхпроводимость долгое время оставалась уделом физиков-экспериментаторов — красивым, но почти бесполезным явлением, доступным лишь в стенах лабораторий. Однако за последние годы сверхпроводники перешли из разряда научной экзотики в статус промышленного продукта. Их уже производят километрами, используют в медицине, ускорительной технике и начинают внедрять в энергетику.
«Компьютерра» побывала в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ, в лаборатории «Сверхпроводящие энергетические системы», чтобы увидеть своими глазами, как работает технология будущего.
Не просто кафедра: миссия лаборатории
Лаборатория сверхпроводящих энергетических систем в НИЯУ МИФИ — место уникальное даже по меркам ведущего ядерного вуза страны. Как объясняет Сергей Покровский, кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Сверхпроводящие энергетические системы» и доцент НИЯУ МИФИ, здесь занимаются не только изучением фундаментальных свойств сверхпроводников, но и поиском способов их практического применения. От лабораторных экспериментов исследователи переходят к разработке технологий, которые в перспективе могут использоваться в энергетике, промышленности, медицине и научных установках.
«Мы занимаемся сверхпроводимостью, довольно экзотической областью физики, так скажем. В России сейчас не так много лабораторий, которые работают именно со сверхпроводниками. И мы решаем как фундаментальные вопросы, так и прикладные задачи».
Сергей Покровский, к.ф.-м.н., зав. НИЛ «Сверхпроводящие энергетические системы», доцент НИЯУ МИФИ
Структура лаборатории выстроена таким образом, чтобы охватывать весь цикл создания готового инженерного решения — от теоретических расчетов до разработки физических прототипов. В одной команде работают инженеры-расчетчики, экспериментаторы и те, кто непосредственно собирает установки. Именно такой комплексный подход, по словам Покровского, позволяет не просто генерировать идеи, но и доводить их до работающих макетов.
«У нас есть расчетная группа, которая моделирует физические процессы. Мы сверяем эксперимент с теорией, проектируем устройства для измерений, сами изготавливаем детали на ЧПУ фрезерном станке или 3D-принтере. Это позволяет быстро интегрировать решения и не зависеть от сторонних подрядчиков», — поясняет ученый.
У такого подхода есть свои преимущества. Одновременно в лаборатории ведется пять-шесть научно-исследовательских проектов, среди которых разработка кинетических накопителей энергии, сверхпроводящих магнитных подшипников и участие в создании магнитов для крупных научных установок, включая ускорительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне.
Несмотря на то, что области применения этих разработок заметно различаются, все они начинаются с одного и того же материала. Именно он определяет возможности большинства создаваемых здесь устройств.
Композитная лента: сердце всех технологий
В основе практически всех разработок лаборатории лежит один ключевой элемент — гибкая сверхпроводящая лента. На вид это ничем не примечательная медная полоска, но это сложнейший композитный материал, который является результатом десятилетий научных и инженерных усилий.
Покровский объясняет, что это композит на гибкой основе толщиной примерно как бумага. Внутри у него несколько слоев защитных (буферных) покрытий, а сам сверхпроводящий слой очень тонкий — около 1 микрометра. Снаружи материал покрыт медью: она защищает его от внешней среды и помогает сохранять стабильную работу.
Такая сложная структура необходима, потому что сам сверхпроводник — это керамика. При обычной температуре он ведет себя как диэлектрик и практически не проводит электрический ток. Но стоит охладить материал ниже критической температуры (около 92 Кельвинов, или −181 градуса Цельсия), как его электрическое сопротивление — то есть способность препятствовать прохождению тока — исчезает. В результате ток начинает течь без потерь энергии. Медные слои выполняют роль страховки: если по какой-то причине сверхпроводник нагреется, ток не сожжет его, а перетечет на медную оболочку.
Важно, что это уже не штучный лабораторный материал. Как подчеркивает ученый, ленту выпускают промышленными партиями — сотнями метров и даже километров, в том числе в России (компания С-Инновации). При этом цена материала, хоть и превышает стоимость обычной меди, стоимость стремительно снижается по мере роста производства.
«Пять лет назад это было совсем дорого, но объемы потребления растут, и производственная цена падает. Разница с медью все еще есть, но она уже не космическая».
Сергей Покровский, к.ф.-м.н., зав. НИЛ «Сверхпроводящие энергетические системы», доцент НИЯУ МИФИ
Такой композит открывает путь, в том числе, к левитации. Охлажденный сверхпроводник начинает выталкивать магнитное поле из своего объема или при определенных условиях, наоборот, «замораживает» его внутри себя, создавая устойчивое равновесие.
Эксперимент с левитацией
После рассказа об устройстве сверхпроводящей ленты наступает время экспериментов. Александр Стариковский, инженер-исследователь лаборатории СЭС НИЯУ МИФИ, показывает несколько опытов, демонстрирующих поведение сверхпроводника после охлаждения. Эксперименты проводятся на лабораторном стенде с V-образными рельсами с постоянными магнитами, разработанными в лаборатории.
Для начала он берет небольшую стопку сверхпроводящих лент, обернутую защитным теплоизоляционным материалом. «Пока она теплая, ничего интересного не происходит. Ни притяжения, ни отталкивания», — поясняет инженер.
Затем образец погружают в контейнер с жидким азотом, который начинает интенсивно кипеть, отводя тепло от материала. Примерно через минуту охлажденную до −196 градусов Цельсия стопку устанавливают на V-образные магнитные рельсы и подносят к постоянному магниту. Вместо того чтобы опуститься на поверхность, сверхпроводник зависает над системой направляющих.
«Он вытесняет магнитное поле из своего объема. Это называется эффектом Мейснера. Но в таком режиме положение неустойчиво — при малом смещении образец теряет равновесие».
Александр Стариковский, инженер-исследователь МИФИ
Далее был опыт, показывающий, как добиться устойчивой левитации. Для этого вышеупомянутую стопку сверхпроводящих лент охлаждают уже в магнитном поле объекта, прижав медный полимерный сверток к металлической рельсе. «Во время охлаждения материал фиксирует конфигурацию магнитного поля. После этого он стремится сохранять это положение», — говорит инженер.
После завершения охлаждения сверхпроводник остается висеть без механической опоры. Даже при переворачивании магнита положение сохраняется — образец удерживается в «сохраненном» магнитном поле.
Наиболее наглядно возможности сверхпроводников демонстрирует следующий эксперимент. На столе установлен макет поезда на магнитной подушке. Вместо рельсов здесь используются две дорожки из постоянных магнитов, а на них стоит каретка, в основании которой размещены стопки сверхпроводящих лент.
«Магниты выложены так, чтобы вдоль пути формировалось однородное магнитное поле. Во время охлаждения каретка фиксируется над направляющей на подставках высотой около двух миллиметров. После охлаждения подставки убираются, и она остается на заданной высоте», — рассказывает Стариковский.
Если после этого толкнуть каретку, она начинает двигаться вдоль магнитной дорожки, практически не испытывая сопротивления. Попытка сместить ее в сторону или поднять приводит к возникновению силы, возвращающей систему в исходное положение.
По словам исследователей, подобный принцип лежит в основе магнитолевитационного транспорта. Теоретически он позволяет достигать скоростей до 700 км/ч. При движении в вакуумной трубе, где устранено сопротивление воздуха, пределы становятся еще выше. Такие системы сегодня активно развиваются, в том числе в проектах высокоскоростных маглев-линий (пути с поездом на магнитной подушке) в Японии и Китае.
Где еще применяют сверхпроводники
В той же лаборатории разрабатывают устройства, которые в ближайшем будущем могут изменить энергетику. Второй крупный макет — это сверхпроводящий магнитный подшипник, прототип для кинетического накопителя энергии.
Стариковский демонстрирует тот же принцип, но в другом форм-факторе, показывая медную трубу, обмотанную сверхпроводящей лентой. Он поясняет, что внутри находится магнитное кольцо, а при охлаждении трубы сверхпроводник захватывает магнитное поле, благодаря чему кольцо зависает и может вращаться практически без трения. Ученый снимает подставки, и магнитное кольцо действительно зависает в воздухе внутри трубы. Его можно раскрутить, после чего оно продолжает вращаться практически без потерь до тех пор, пока не начнет сказываться сопротивление воздуха или система не нагреется.
Это основа кинетического накопителя энергии. Если к такому подшипнику прикрепить маховик и раскрутить его, вся энергия будет запасаться в виде механического вращения. Снять ее можно в любой момент, преобразовав обратно в электричество. Такие системы, по словам Покровского, особенно востребованы в условиях высокой нагрузки энергосети, при периодических пиковых нагрузках (например начало движения элетропоезда), в альтернативной энергетике. Ветряки и солнечные панели дают «грязную» энергию — с плавающими частотой и амплитудой, которую нельзя подавать в сеть. Накопитель сглаживает эти пики, а инверторы (устройство для преобразования постоянного тока в переменный) уже доводят ее до нужных параметров.
Потенциальных сфер применения сверхпроводников гораздо больше. Речь идет о создании сильных магнитных полей для медицинских томографов, ускорительной техники и термоядерных установок, включая токамак, о котором мы уже рассказывали в предыдущем материале.
По словам Покровского, с использованием меди добиться таких характеристик просто невозможно. Он отмечает, что Россия сохраняет уникальные компетенции в этих областях.
«Гиротроны, которые зажигают плазму в токамаках, — Российские ученые и инженеры делают самые мощные. Недавно была новость, что смонтировали сверхпроводящие гиротроны для проекта ITER. Я так понимаю, это наш задел, который пока недоступен другим странам».
Сергей Покровский, к.ф.-м.н., зав. НИЛ «Сверхпроводящие энергетические системы», доцент НИЯУ МИФИ
Участвует лаборатория и в реальных крупных проектах. Например, в создании накопителя для ускорителя NICA в Дубне, а также в коллаборации ARIADNA (Applied Research Infrastructure for Advanced Development at NICA), где исследуют влияние радиационных повреждений на сверхпроводящие свойства материалов.
Порочный круг и будущее отрасли
Несмотря на впечатляющие лабораторные успехи и понятные перспективы, массовое внедрение сверхпроводящих технологий в России происходит не слишком быстро. И причины, как выясняется, лежат не только в плоскости физики.
Сергей Покровский отметил, что серьезный барьер — это нормативная база. По его словам, в стране, фактически, отсутствуют ГОСТы для сверхпроводников, существующие стандарты им не подходят, а разработка новых — лишь начальный этап, поскольку основные сложности проявляются уже на стадии эксплуатации.
Следующий — это люди. Сверхпроводник ведет себя не как медь, он требует понимания не только электродинамики, но и криогеники. Инженеры из традиционной энергетики, привыкшие к классическим проводникам, просто не обладают нужной квалификацией. А готовить таких специалистов — это годы.
«Нам говорят: „Примем ГОСТы, можно будет использовать“. А мы отвечаем: „Кто будет монтировать? Кто будет обслуживать?“ Получается порочный круг: нет стандартов — нет внедрения, нет внедрения — нет спроса на кадры, нет кадров — некому внедрять».
Сергей Покровский, к.ф.-м.н., зав. НИЛ «Сверхпроводящие энергетические системы», доцент НИЯУ МИФИ
Третий барьер — экономический. Сверхпроводник все еще дороже меди, и замещать там, где медь работает, часто просто невыгодно. «Реальное внедрение возникает там, где сверхпроводники становятся безальтернативными. Например, в области сильных полей. А в энергетике, в кабелях, пока это замещающая технология, и рынок очень консервативен», — подчеркивает Покровский.
В этом плане показателен пример с ограничителями тока короткого замыкания. В России создали самый мощный в мире сверхпроводящий ограничитель (компания СуперОкс). При эксплуатации он блестяще сработал, отработав не одно короткое замыкание, но о масштабных внедрениях пока говорить не приходится.
Тем не менее, ученые смотрят в будущее с осторожным оптимизмом. Прорывные направления, по их мнению, — термоядерная энергетика, где сверхпроводники незаменимы для удержания плазмы, и накопители энергии, особенно для зеленой энергетики, электротранспорта, железнодорожного транспорта. Например, маневровые электровозы с накопителями могут работать на станциях без контактной сети, подзаряжаясь от «розетки». Их характерное время работы — около 40 минут, и в этом сегменте сверхпроводники уже сейчас могут быть экономически оправданы.
Заключение
Главное, что выносишь из этого визита, — разрыв между лабораторным прототипом и промышленным продуктом лежит не в физике. Свойства сверхпроводников изучены, технология их производства отработана до промышленных масштабов, а инженерные решения для конкретных применений созданы и проверены. Вопрос в другом: кто и когда сделает следующий шаг?
Пока в России нет ни нормативной базы, ни подготовленных кадров, ни экономической модели, которая сделала бы сверхпроводящие технологии выгодными в массовом применении. Но если эти три условия будут выполнены — а рынок, как показывает мировой опыт, движется именно в этом направлении, — у страны есть технологический задел, чтобы не догонять, а быть среди лидеров.
У лаборатории в МИФИ в этой картине особая роль. Она не строит гигантских установок и не выпускает серийную продукцию, зато создает то самое связующее звено — от фундаментальной науки к конкретному устройству, от теории к расчету, от расчета к прототипу, от прототипа к инженерной документации. И, что не менее важно, она готовит людей, которые умеют работать.
Будут ли в России через десять лет сверхпроводящие поезда или промышленные накопители энергии — вопрос не к физикам. Физика готова. Вопрос к остальным звеньям цепочки: стандартам, инвестициям, образованию. Со своей стороны лаборатория НИЯУ МИФИ готова участвовать в таких проектах и предоставлять необходимые разработки.