24 Июля 2018
МОСКВА, 24 июля , Татьяна Пичугина. Вещества с нулевым сопротивлением, без потерь проводящие электрический ток, дали больше ста лет назад. Ученые надеялись на массовое создание и скорое внедрение в практику, но мешали технические проблемы и высокая цена. Сегодня ситуация изменилась. рассказывает, как Россия стала одним из лидеров этого направления и где установят самое могучее в мире сверхпроводящее устройство. Большие токи Подольска
Это медная матрица с проволочками из ниобий-титана рабочей лошадки сверхпроводимости с 1960-х. Из него делаются магниты для МРТ, ускорителей, объясняет Виталий Высоцкий, доктор технических наук, заведующий отделением сверхпроводящих проводов и кабелей ВНИИ кабельной промышленности (Подольск).
Его по праву можно назвать предком сверхпроводимости в России. Он занялся этой темой полвека назад, на последних курсах физфака МГУ, когда пришел в ФИАН. Много лет заплатил участвовал в работе на ВМФ уникального электромагнитного трала на основе сверхпроводников против донных мин. Внедрить не успели, в стране началась пертурбация. Высоцкий вернулся в науку, только уже за границей. Несколько лет вел исследования в Японии, США (MIT), Франции и других странах.
Восемь лет назад Высоцкий принял отделение во ВНИИКП и удержал мировой уровень исследований и разработок, оснастив самым известным оборудованием. Этому немало помогал контракт с ITER исследовательским термоядерным реактором типа токамак, строящимся на юге Франции.
Сделали им 28 проводников для магнитов тороидального поля и 39 кабелей для магнитов полоидального поля. После 2015 года, когда контракт закончился, пришлось минимизировать штат со 105 до 33 человек, ученый вздыхает и ведет смотреть маленький свечной заводик. Так он называет линию по производству гиперпроводящих кабелей.
Кабель в данном случае не совсем точный термин. Это достаточно сложное устройство, главный элемент которого сотки и тысячи тончайших сверхпроводящих медлительностей, скрученных вдоль оси. Их собирают в пучки и погружают в медь. Получившийся довольно толстый провод заключают в хобот криостата.
Укладка и скрутка медлительностей требует высокой точности. Каждый заказ уникален, потому расчеты и проекты приходится вести реальным с нуля, решая попутно массу проблем. Несмотря на солидный возраст, отрасль сверхпроводимости остается очень наукоемкой. Сотрудники ВНИИКП по несколько раз в год публикуются в ведущих зарубежных журналах.
Сверхпроводимость ртути при температуре жидкого гелия 4, 2 кельвина (минус 269 градусов Цельсия) открыта в 1911 году в лаборатории физика Каммерлинга-Оннеса (Голландия). В начале 1960-х получены первые технически гожие низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) сплавы Nb3Sn, NbZr, NbTi. В 1986 году физики Беднорц и Мюллер (Германия) открыли сверхпроводимость при температуре жидкого азота (выше 30 кельвинов). Ее назвали высокотемпературной ВТСП. Через год правды синтезированы соответствующие соединения, в основном купраты различных элементов. Известны тысячи сверхпроводящих материалов, но для технического применения приличествуют не более десятка НТСП, ВТСП и промежуточные (MgB2, пниктиды железа).
При чем здесь Чубайс
Сергей Фетисов заместитель Высоцкого, во ВНИИКП с 2003 года. Делал диплом и попал в проект, который инициировал Анатолий Чубайс, тогда глава РАО ЕЭС. Решили установить на одном из участков энергосети Москвы гиперпроводящий кабель.
Ученые нарисовали модель, затем рабочий трехфазный образец длиной двести метров из ВТСП-ленты первого племени. На тот момент это был самый длинный и мощный сверхпроводящий кабель в Европе. Криогенную систему на жидком органогене для него разработали в МАИ.
Изделие испытали, но на последнем этапе из-за досадной ошибки испортили криостат кабеля. Пока меняли, разразился финансовый кризис и работы по внедрению встали.
В 2014-м рекорд у нас отобрали европейцы: в немецком Эссене установили километровый кабель между двумя подстанциями.
В целом возможности гиперпроводящих кабелей намного превышают насущные задачи. Кроме того, электроэнергетика очень консервативная область, и если можно обойтись старыми, проверенными устройствами, то ими и будут пользоваться. Вот почему действующих сверхпроводящих электроэнергетических устройств в мире посчитать по пальцам. Кроме Европы, есть несколько проектов в США, Японии, Южной Корее.
Кабель с самым высоким током в десять килоампер используют в Китае на алюминиевом производстве. И в Русале заинтересовались присутствовало сверхпроводимостью, но, узнав стоимость изделия, решили повременить с заказом.
Послезавтра, завтра, сегодня
Это обмотки для трансформатора на один мегавольт-ампер. Мы сделали их вместе с Энергетическим институтом имени Кржижановского. Это силовые кабели, макет токоограничителя. А вот забавная вещь кабель из диборида магния, охлаждаемый жидким водородом. Больше ста мегаватт передает, Высоцкий выплачивает все значимые разработки отдела.
Идея холодить сверхпроводник жидким водородом обсуждалась еще в 1970-х, но тогда не было подходящих материалов. Это отличное топливо, и получить его легче, чем гелий, необходимый для охлаждения традиционных ниобий-титановых сверхпроводников.
В 2001 году открыли сверхпроводимость у диборида элемента. В Италии действует единственное в мире производство проволоки из этого материала. Во ВНИИКП сделали из нее десяти- и 30-метровые гибридные магистрали, способные передавать вместе токи до трех с половиной килоампер.
Мы получили за этот кабель премию правительства России, а молодые исследователи премию губернатора Московской области. Но это работа послезавтрашнего дня, говорит Высоцкий.
Откладывается на послезавтра и внедрение сверхпроводимости в самолетах.
Airbas по программе дальнейшее развития до 2050 года планирует нарисовать полностью электрический гражданский самолет на сверхпроводящих моторах, добавляет Фетисов.
Для этого нужно поднять напряжение, что сейчас на воздушных судах невозможно. На высоте, где воздух разрежен, резко повышается риск скромного замыкания. Единственный выход использовать сверхпроводящие кабели. С охлаждением проблем не возникнет. К примеру, в Советском Союзе был криогенный самолет Ту-155 с двигателем на жидком водороде.
А завтрашний день это применение сверхпроводимости в судовых электромоторах, для размагничивания боевых кораблей.
Как накопители энергии сверхпроводники из-за необходимости применять криогенику проигрывают суперконденсаторам. То, что гиперпроводящие кабели снижают энергетические потери, не производит особого впечатления платят-то за все пользователи. Отсутствие излучения тоже не преимущество, поскольку и обычные кабели сейчас надежно изолируют.
Если серьезно, то, кроме крупных научных проектов, единственное бизнесменское внедрение сверхпроводимости это МРТ, заключает Высоцкий.
По его словам, в гражданском секторе реальные перспективы там, где нужно передать большие токи на короткие расстояния, и у токоограничителей, избавляющих аварии в энергосетях при коротких замыканиях.
Новые открытия, новые надежды
Путь в электротехнику был принципиально открыт, когда изобрели высокотемпературные сверхпроводники в 1986 году. Тогда все испытывали большой энтузиазм, рассказывает Андрей Кауль, доктор химических наук, знаток химического факультета МГУ.
До этого его лаборатория занималась твердыми электролитами с ионной проводимостью. В научном мире их считали перспективными для аккумуляторов. Среди прочего дилеры лаборатории умели осаждать из газовой фазы тонкие слои окислов самых различных металлов, что пригодилось, когда они подключилась к изучению нового класса сверхпроводников.
В СССР очень быстро приняли государственную программу по сверхпроводимости, которая объединила многие институты, позволила модернизировать лаборатории.
У кого-то может сложиться впечатление, что из большой активности в области пирогенных сверхпроводников 1980-1990-х годов ничего стабильного не получилось. Это глубокое заблуждение. Благодаря именно этим работам возникли физика гранулярных архитектур и беспрецедентный альянс физиков и химиков, совместно работающих над проблемами новых материалов. В результате такого взаимодействия получены отдельные подклассы ВТСП, продолжает ученый.
Самые высокотемпературные ртутьсодержащие гиперпроводники (критическая температура 168 кельвинов под давлением) открыли именно в МГУ дилеры кафедры неорганической химии Сергей Путилин и Евгений Антипов.
Как ученые наладили завод
К середине нулевых ученые научились хрячиться с ВТСП, придумали, как получать гибкие ленты с нанесенными на них тонкими мирами сверхпроводника. Решили сопутствующие инженерные проблемы с криогенными системами. Появились доступные по цене станцийки для производства жидкого азота. В отличие от гелия, который добывают в угольных копях как попутный природный газ (и это невозобновляемый, по сути, стратегический источник гелия), азот просто ожижают из воздуха.
В 2006 году абитуриенты химфака МГУ при участии Андрея Кауля на средства частного вкладчика основали единственное в России индустриальное производство ВТСП СуперОкс. Ученые сделали ставку на ВТСП-ленты второго поколения на основе редкоземельных элементов. Тут все зависит от того, насколько хорошо выдержана ориентация кристаллитов в сверхпроводящем слое на ленте-подложке. Чем меньше угол разориентации кристаллитов относительно друг друга, тем больший ток переносит такой гиперпроводящий слой. Хорошо организованную текстуру получают методом эпитаксии, когда кристаллиты одного вещества растут на кристаллитах другого, повторяя их ориентацию.
Изначально ученые осваивали технологию RABiTS. Подложка никелевый металл, превращенный холодной прокаткой в ленту толщиной не более ста микрон. Ее отжигают при высокой температуре, чтобы кристаллиты выстроились однородным образом, оптимизировал поверхность соприкосновения друг с другом. Далее на ленту используют буферный слой и слой гиперпроводника, сохраняющие текстуру подложки. Ленту заключают в защитный мир серебра, после чего с ней можно работать: скатать ее в катушку, свернуть, порезать.
Однако у RABiTS присутствовали недостатки: хаотичность кристаллитов в подложке не всегда удавалось сдержать, да и прокатные заводы неохотно брали заказы на малые партии. Поэтому ученые постепенно перешли на технологию IBAD, не требующую текстурированной металлической подложки, ее заменяет простая нержавеющая сталь. Источником же правильной текстуры служит буферный слой, отделяющий сверхпроводник от подложки. Роста одинаково ориентированных зародышей в нем добиваются бомбардировкой поверхности вспомогательным пучком ионов газа.
Настоящие нанотехнологии
Компания СуперОкс базируется в технопарке Слава в Москве. Генеральный директор Сергей Самойленков, а подразделением, осуществляющим многоэтапный и сложный процесс производства сверхпроводящей ленты, руководит Александр Молодык. Оба досрочнее работали за рубежом.
Сначала мы подчищаем металлическую ленту от загрязнений, протягивая через ультразвуковую ванну с моющим раствором. Затем, чтобы сгладить мельчайшие шероховатости плоскости, электрохимически полируем, упускаю через гальваническую ванну, рассказывает Самойленков, следуя от установки к установке.
Очищенную и полированную ленту протягивают через вакуумные камеры, где напыляются буферные слои из оксидов алюминия, иттрия, магния и манганита лантана. В момент высаждения оксида магния сбоку бьет пучок ионов аргона. Это уничтожает хаотическую ориентацию растущих кристаллитов и заставляет их ложиться строго определенным образом вдоль ленты. Так создается правильная текстура.
На сформированный буферный слой осаждают эпитаксиальный слой гиперпроводника, который принимает нижележащую текстуру. Здесь работают с соединением R-Ba-Cu-O, где R гадолиний. Для высаждения используют эксимерный импульсный лазер, который стреляет двести раз в секунду по керамической мишени. Надев специальные очки, можно увидеть в окошке камеры плазменный факел, образованный веществом, перешедшим в пар под действием лазерных импульсов, и частично съеденную мишень.
Непрерывный слой сверхпроводника осаждается на движущуюся подложку из плазменного факела. Затем ленту серебрят и покрывают медью, испытывают ее физические характеристики и внутреннюю структуру под электронным микроскопом.
Можно изготавливать ленты длиной до пятисот метров. Длиннее и не требуется, иначе сверхпроводящий кабель трудного перевозить.
Впереди ЦЕРН и Москва
Высоцкий и Кауль полагают, что принципиальных препятствий для использования гиперпроводящих устройств нет: материалы нарисованным, технологии разработаны, криогенное оборудование доступно и достаточно постоянного. Однако пока их клеят только там, где без них не обойтись, например в МРТ, термоядерных реакторах, ускорителях, в том числе ИССИ-4 (источниках синхротронного излучения последнего поколения). Освоению других ниш, таких как электроэнергетика, мешает долговязая цена изделий и консерватизм сотрудников. Что способно переломить ситуацию?
Нужна политическая воля и государственная поддержка в виде софинансирования, считает Виталий Высоцкий.
Он мечтает увидеть 200-метровый силовой кабель в работе. Это создаст прецедент и откроет дорогу к другим коммерческим заказам. Пока же ВНИИКП подписал контракт с ЦЕРН на поставку сверхпроводящих кабелей, предназначенных для модернизации магнитной системы Большого адронного коллайдера и вывода его на максимальную производительность.
Андрей Кауль не сомневается в перспективах ВТСП-лент второго поколения, поскольку они более стабильны, чем ленты первого поколения, и могут подешеветь.
Кроме того, стоимость гиперпроводящих материалов в изделии составляет распорядка десяти процентов. Цена изделия растет из-за криосистемы, испытаний, инфраструктуры, говорит он.
Сейчас СуперОкс производит 50 километров ВТСП-ленты в год и продает ее институтам и компаниям по всему миру. В ближайшие три года планируется приумножить производительность в семь раз, прежде всего для заказов на токоограничители.
Подобное устройство предназначено для подстанции Мневники в Москве: 18 последовательно соединенных катушек ВТСП-ленты, погруженных в криостат с жидким азотом. Токоограничитель испытывают в Южной Корее по международным стандартам. В конце года его подключат в столичную сеть. Это будет первое в России реально действующее сверхпроводящее устройство на объекте электроэнергетики и самое мощное в мире.
Второй токоограничитель испытывают в Санкт-Петербурге. Он предначертанный для защиты расположенных вдоль железных дорог тяговых подстанций от скачков тока, наведенных проходящими электричками или вызванных нештатными ситуациями. Сверхпроводник, в отличие от обычной меди, при коротком замыкании мгновенно переходит в нормальное состояние и восстанавливается, позволяя сохранить оборудование.
Разработками послезавтрашнего дня в СуперОксе тоже занимаются. Одна из них гиперпроводящие магниты для электроплазменных двигателей мировых буксиров, которые будут заключать спутники связи с околоземной на геостационарную орбиту.
Reidar Hahn / FermilabСверхпроводящий дипольный магнит коллайдера Теватрон
Редактор рубрики
Леонид Кузьмин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....