Нові високотемп... надпровідники - предмет пошуку багатьох лабораторій. Не виключено, що в недалекому майбутньому вчені здійснять синтез купратів з критичною температурою близько 200 К. Чи призведе це до революції в технологіях електротехніки, транспорту або енергетики?
Матеріали, що зберігають надпровідність при температурах вище точки кипіння рідкого азоту (такі як описане в «ПМ» № 4'2012 з'єднання іттрію, барію, міді і кисню), є полікристалами і тому володіють зернистою структурою. Надпровідний струм розсіюється на межах зерен (тим значніше, чим більше цих зерен і чим вища їх просторова неоднорідність). Через такий матеріал досить складно пропустити сильний струм, оскільки йому буде властиво замкнутися всередині зерна, не виходячи за його кордон. З цієї причини подібні надпровідники в чистому вигляді непридатні для виготовлення кабелів для енергетичних систем. Є й інші складнощі, обумовлені магнітними властивостями цих матеріалів, які звужують спектр їх технічного застосування.
Шарі кабелі
Проблема подолання зернистості вирішується, але поки ще складно і дорого. Стандартний електричний кабель зі звичайного (низькотемпáного) надпровідника на основі ніобію і титану - це пучок проводів приблизно міліметрового діаметру в мідній матриці, яка працює як магнітний і тепловий стабілізатор. Високотемпáний надпровідниковий кабель влаштований набагато хитріше. Це багатошарова стрічка, вирощена на підкладці з нікелевого сплаву за допомогою іонного напилення. У серединній області стрічки є плівка з надпровідника товщиною всього 1 - 3 мікрони. Ця плівка оточена прошарками матеріалів, що знижують ступінь її зернистості при напиленні і службовців захистом від температурних коливань. Товщина стрічки в 50 - 100 разів перевищує товщину надпровідного шару, так що вона пропускає струм лише в центральній вузькій зоні. До всього іншого, щоб збільшити максимальну щільність струму, цей шар фарширують наночастинками. Тому виготовити хоча б кілометровий шматок такого кабелю - вкрай непроста і недешева справа.
Холодний кілометр
Основне застосування надпровідних кабелів - з'єднувати між собою об'єкти типу підстанцій. На початок 2012 року найдовший подібний кабель (1 км), розрахований на напругу 10 кВ і потужність в 40 МВт, був виготовлений компанією Nexans для енергетичної інфраструктури в німецькому місті Ессен. Конструкція
високотемпáного кабелю включає не тільки надпровідники у вигляді багатошарової стрічки, але і спеціальні (зазвичай мідні) елементи для термостабілізації, а також потужну теплоізоляцію. Крім того, конструкція передбачає канали (прямий і зворотний) для прокачування рідкого азоту, який підтримує робочу температуру. Гідністю такого кабелю є щільність струму, що перевищує таку для мідних кабелів в 1000 разів, що в поєднанні з відсутністю втрат дозволяє знизити напругу і тим самим зменшити кількість трансформаторів, перетворювачів і ЛЕП. Крім того, завдяки коаксіальній конструкції надпровідні кабелі не генерують зовнішніх магнітних полів, і не впливають один на одного при близькому розташуванні.
Електрика в трубопроводах
Інша справа, якщо б вдалося знайти високотемпáний аналог дибориду магнію, який недорог і легко піддається обробці. До того ж він ізотропний, так що його електричні властивості не залежать від напрямку, як у купратів. Більш того, він може пропускати електричний струм у вельми сильних магнітних полях (аж до 7 - 8 Тл). Дуже спокусливо припустити, що матеріал з такими властивостями і критичною температурою на кілька градусів вище точки зрідження природного газу (113 К) зробить справжню революцію в енергетиці. Зараз весь світ переходить на транспортування природного скрапленого газу магістральними трубопроводами. А якщо в трубу з рідким газом помістити надпровідний кабель, то по ньому можна передавати струм практично без всяких витрат. Як говорили раніше, дешево і сердито.
Незважаючи на досить високу ціну, надпровідні кабелі для енергетичної інфраструктури мають свою ринкову нішу: їх використання дозволяє заощадити на трансформаторах і перетворювачах. Однак це штучна продукція, а не масове виробництво.
Туманні перспективи
Але можливо, нас чекає технологічна революція, якщо вдасться створити надпровідник з кімнатною або майже кімнатною критичною температурою? Олександр Гуревич не заперечує принципової можливості цього - у всякому разі, поки ніхто ще не довів, що квантова теорія конденсованих середовищ забороняє існування таких матеріалів. Однак з підвищенням температури зростає роль теплових флуктуацій - це випливає із загальних принципів нерівноважної термодинаміки. Такі флуктуації особливо сильні в слоїстих матеріалах, до числа яких належать всі відомі нині високотемпеолог ні надпровідники. Тому «кімнатний» надпровідник, швидше за все, зможе пропускати лише досить слабкі струми, та до того ж його поведінка буде залежати від коливань зовнішньої температури. А оскільки він майже напевно виявиться дуже дорогим у виготовленні, навряд чи ним зацікавиться енергетика. Втім, як вважає професор Гуревич, не можна заздалегідь виключити, що якісь світлі голови додумаються до створення об'ємно-однорідних матеріалів з кімнатною критичною температурою. Але в найближчому майбутньому такі можливості якось не спостерігаються. Нічого не попишеш, доведеться почекати.