Техника - молодёжи 2009-02, страница 9

Прогноз 2020

Гофрированная двойная трубка из нержавеющей стали

Электроизоляция из полипропиленовой ламинированной бумаги

Каркас

» 1

Л

ВТСП проводник

ВТСП экран Трёхжильный сверхпроводящий кабель

ВТСП триаксиапьный кабель ВТСП кабель с СП экраном

ВТСП кабель с термоизоляцией

Рис. 2

напряжения. Эти проценты падают на проводах из-за их сопротивления, а выделяемая мощность идёт на нагревание атмосферы.

Теперь представим себе линии электропередач, трансформаторы, промышленные электроустановки, судовые электродвигатели, генераторы, электропоезда, электромобили и т.п. - и всё без ненужных потерь. Если это удастся реализовать, то экономия энергии даст примерно тот же эффект, что строительство новых электростанций в обычных для сегодняшнего дня темпах.

Почти 100 лет назад (1911) голландский физик Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости - исчезновения до нуля электрического сопротивления металлов при охлаждении их ниже критической температуры.

Физическая основа этого явления состоит в том, что одинаково заряженные электроны, вместо того чтобы отталкиваться друг от друга согласно классическому закону Кулона, благодаря квантовомеханическим эффектам взаимодействия начинают притягиваться и образуют так называемые куперовские пары. Все спаренные электроны становятся подобными одной когерентной волне и приобретают одинаковую фазу.

Камерлинг-Оннес первым построил машину для ожижения гелия и, откачивая его пары, даже достиг температур около -272° С, всего на градус выше абсолютного нуля. Охлаждая чистую ртуть, он заметил, что сопротивление твёрдого металла вначале плавно уменьшается, а затем скачком падает до нуля при температуре около -269° С.

Охлаждение до столь низкой температуры требует сложной и дорогой техники ожижения гелия, поэтому на протяжении столетия физики и химики интенсивно трудились над повышением критической температуры сверхпроводящих (СП) материалов Т . На сегодняшний день наивысшую критическую температуру удалось довести до Т = 138 К (-135° С) в оксидном керамическом соединении довольно сложной структуры Hg_l2Tl_:iBa₃₀Ca₃₀Cu₄₅O₁₂₅ (заметим, что за открытие купратных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) двум швейцарским учёным была присуждена Нобелевская премия в 1987 г.).'

Поиск и создание новых сверхпроводников не прекращается; в 2008 г. открыт новый класс ВТСП материалов, не содержащих меди. Эта работа идёт с помощью самой современной техники, почти на грани искусства.

Учёные из Брукхэвенской национальной лаборатории США научились создавать сверхпроводниковые материалы, точно контролируя атомный состав последовательно наносимых индивидуальных монослоёв желаемых элементов. На рис. 1 показана используемая ими сложная техника.

Прогресс в повышении критической температуры даёт надежды на достижение Т.. порядка комнатной температуры, и теоретических препятствий этому нет. Трудно предсказать время этого грандиозного события, но, во всяком случае, к 2020 г, можно ожидать очень значительного повышения критической температуры и критических магнитных полей, а также создания и промышленного выпуска дешёвых ВТСП материалов для самых разнообразных применений в технике.

Электроэнергетика

Уже сейчас существуют материалы, в которых сверхпроводящее состояние достигается при охлаждении жидким азотом с температурой кипения всего 77 К (-196° С). Это революционное достижение вывело ВТСП из стен лаборатории на просторы промышленных применений.

На рис. 2 показаны несколько примеров ВТСП кабелей. Как видно, они имеют довольно сложное многослойное устройство и охлаждаются жидким азотом. Во многих странах инженеры про

водят испытания отрезков таких кабелей длиной несколько сот метров, включённых в энергосети с вполне «практическими» характеристиками, например с напряжением 138 кВ при передаваемой мощности 574 МВА. BTCI1 кабели идеально сочетаются с другими необходимыми устройствами энергетики - ВТСП трансформаторами, токоограничителями и накопителями электроэнергии, образцы которых разрабатываются и испытываются во многих странах. Можно прогнозировать, что в течение 2015 2020 гг. заметная доля энергоцепей и силовых электроустройств в крупных городах многих стран, включая Россию, будет переведена на ВТСП кабели, что приведёт к значительной экономии электроэнергии.

ВТСП кабели также успешно применяются в сверхпроводящих моторах и генераторах. На рис. 3 показан внешний вид электродвигателя мощностью 36,5 МВт, построенного в США для применения в составе судовых систем электродвиження.

Транспорт

Помимо исчезновения электрического сопротивления, сверхпроводники проявляют другое замечательное свойство -они являются идеальными диамагнети-ками, т.е. выталкивают из себя внешнее магнитное поле. Благодаря этому, сверхпроводник отталкивается от магнита сильнее любых других диамагнетиков.

wwwtm-magazin.nj 7