Днес видях този коментар и дискусията под него. Като се има предвид, че днес бях в производството на свръхпроводящи кабели, исках да вмъкна няколко коментара, но само за четене ... В резултат на това реших да напиша кратка статия за високотемпературни свръхпроводници.

Като начало, за всеки случай, бих искал да отбележа, че самият термин "високотемпературен свръхпроводник" означава свръхпроводници с критична температура над 77 K (-196 ° C) - точката на кипене на евтиния течен азот. Нерядко към тях се отнасят и свръхпроводници с критична температура около 35 K. първият свръхпроводящ купрат La 2-x Ba x CuO 4 имаше такава температура (вещество с променлив състав, следователно x). Тези. "високите" температури тук са все още много ниски.

Два високотемпературни свръхпроводника, YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223), са получили основно разпространение. Използват се и материали, подобни на YBCO, в които итрият е заменен с друг редкоземен елемент, като гадолиний, общото им обозначение е ReBCO.
Произведени от YBCO и други ReBCO имат критична температура от 90-95 K. Произведени от BSCCO, те достигат критична температура от 108 K.

В допълнение към високата критична температура, ReBCO и BSCCO се характеризират с големи стойности на критичното магнитно поле (в течен хелий, повече от 100 T) и критичен ток. С последното обаче всичко не е толкова просто ...

В свръхпроводника електроните не се движат независимо, а по двойки (двойки на Купър). Ако искаме токът да премине от един свръхпроводник към друг, тогава разстоянието между тях трябва да бъде по-малко от характерния размер на тази двойка. За метали и сплави този размер е десетки или дори стотици нанометри. Но в YBCO и BSCCO това е само няколко нанометра и части от нанометъра, в зависимост от посоката на движение. Дори пролуките между отделните зърна на поликристала се оказват доста забележимо препятствие, да не говорим за пролуките между отделните части от свръхпроводника. В резултат на това свръхпроводящата керамика, освен ако не се предприемат специални трикове, е способна да пропуска само сравнително малък ток през себе си.

Най-лесният начин за решаване на проблема се оказа в BSCCO: неговите зърна естествено имат равномерни ръбове и най-простото механично компресиране позволява тези зърна да бъдат наредени за получаване на висока критична стойност на тока. Това направи възможно бързото и лесно създаване на първо поколение високотемпературни свръхпроводящи кабели или по-скоро високотемпературни свръхпроводящи ленти. Те представляват сребърна матрица, съдържаща множество тънки тръбички, пълни с BSCCO. Тази матрица е сплескана, докато зърната на свръхпроводника придобиват желания ред. Получаваме тънка гъвкава лента, съдържаща много отделни плоски свръхпроводящи нишки.

Уви, материалът BSCCO далеч не е идеален: неговият критичен ток пада много бързо с увеличаване на външното магнитно поле. Неговото критично магнитно поле е доста голямо, но много преди да бъде достигната тази граница, то губи способността да пропуска големи токове. Това значително ограничи използването на високотемпературни свръхпроводящи ленти; те не можеха да заменят добрите стари сплави ниобий-титан и ниобий-калай, работещи в течен хелий.

ReBCO е съвсем различен въпрос. Но е много трудно да се създаде правилната ориентация на зърното в него. Едва сравнително наскоро те се научиха как да правят свръхпроводящи ленти на базата на този материал. Такива ленти, наречени второ поколение, се получават чрез разпръскване на свръхпроводящ материал върху субстрат, който има специална текстура, която задава посоката на растеж на кристалите. Текстурата, както можете да се досетите, има нанометрови размери, така че това е истинска нанотехнология. В московската компания "SuperOx", в която всъщност бях, за получаване на такава структура върху метална подложка се нанасят пет междинни слоя, единият от които едновременно се напръсква с поток от бързи йони, падащи под определен ъгъл. В резултат на това кристалите на този слой растат само в една посока, в която е най-трудно за йони да ги разпръснат. Други производители, а те са четирима в света, могат да използват други технологии. Между другото, домашните ленти използват гадолиний вместо итрий, оказа се по-напреднал в технологично отношение.

Свръхпроводящи ленти от второ поколение с ширина 12 mm и дебелина 0,1 mm в течен азот при липса на външно магнитно поле преминават ток до 500 A. Във външно магнитно поле от 1 T критичният ток все още достига 100 A, а при 5 T - до 5 A Ако охладите лентата до температурата на течен водород (ниобиевите сплави при тази температура дори не преминават в свръхпроводящо състояние), тогава същата лента ще може да премине 500 A в поле от 8 T и "някои" 200-300 A - в поле на ниво няколко десетки Tesla (жабата лети). За течен хелий няма нужда да говорим: върху тези ленти има проекти на магнити с поле от 100 T! Вярно е, че тук проблемът с механичната якост вече възниква в пълен растеж: магнитното поле винаги се стреми да счупи електромагнита, но когато това поле достигне десетки тесла, неговите стремежи лесно се реализират ...

Всички тези отлични технологии обаче не решават проблема със свързването на две части от свръхпроводник: въпреки че кристалите са ориентирани в една и съща посока, няма въпрос за полиране на външната повърхност до субнанометрова грапавост. Корейците имат технология за синтероване на отделни ленти една с друга, но тя все още е, меко казано, далеч от съвършенството. Обикновено лентите се свързват една с друга чрез конвенционално запояване с конвенционална калаено-оловна спойка или по друг класически начин. Разбира се, в този случай на контакта се появява ограничено съпротивление, така че е невъзможно да се създаде свръхпроводящ магнит от такива ленти, който не изисква захранване в продължение на много години, и просто електропровод с точно нулеви загуби не работи. Но съпротивлението на контакта е малки части от микроома, така че дори при ток от 500 A там се отделят само части от миливата.

Разбира се, в научнопопулярна статия читателят търси повече забавление ... Ето някои видеоклипове от моите експерименти с второ поколение високотемпературна свръхпроводяща лента:

Записах последното видео под впечатлението от коментар в YouTube, в който авторът твърди, че свръхпроводимостта не съществува, а левитацията на магнит е напълно независим ефект, той прикани всички да проверят, че е прав, като измери съпротивлението директно. Както можете да видите, свръхпроводимостта все още съществува.

Феноменът на високотемпературната свръхпроводимост (HTSC) беше от интерес само за учените не толкова отдавна. Въпреки това, днес търговски печеливши продукти, базирани на HTSC, включително руски, навлизат на пазара на електроенергийно оборудване. HTSC може да направи пробив в технологиите за пренос на енергия.

Изобщо не горещ HTS

В началото на двадесети век беше открито, че редица метали и сплави се характеризират със свръхпроводимост, тоест способността да имат нулево съпротивление при температура, близка до абсолютната нула (около -270 ° C). Дълго време свръхпроводниците можеха да се използват само при температурата на течния хелий, което направи възможно създаването на ускорително оборудване. и магнитен резонанстомографи.

През 1986 г. е открита свръхпроводимостта при температура от около 30 K, която е удостоена с Нобелова награда, а в началото на 1990 г. беше възможно да се постигне свръхпроводимост вече при 138 K, а не метали, а оксидни съединения бяха използвани като свръхпроводник.
Керамичните материали, които имат нулево съпротивление при температури над температурата на течния азот (77 K), се наричат ​​високотемпературни свръхпроводници (HTSC). Въпреки това, ако преобразуваме келвините в градуси по Целзий, които са ни по-познати, ще разберем, че говорим за не твърде високи температури, да речем, около минус 169–200 ° С. Дори суровата руска зима не е в състояние да осигури такива условия.

Умовете на изследователите са развълнувани от идеята за намиране на материали, които могат да отидат в свръхпроводящисъстояние при стайна температура (293K). Теоретично такава възможност съществува. Според някои доклади се твърди, че свръхпроводящите свойства са успели да бъдат фиксирани дори в отделни зърна графит след специална обработка. Към днешна дата търсенето на свръхпроводници със "стайна температура" (RTSC) се счита за една от ключовите изследователски задачи в областта на нанотехнологиите. Въпреки това не само практическото приложение, но и надеждното експериментално потвърждение на RTFT остава въпрос на утрешния ден. Днешната електроенергийна индустрия овладява използването на HTSC.

Оборудване, базирано на високотемпературна свръхпроводимост, изисква охлаждане с течен азот. Според експерти от индустрията това е сравнително евтин и удобен хладилен агент, който осигурява температура от 77K и ви позволява да изпълнявате практически проекти.

Предимства на свръхпроводимостта

Свръхпроводимостта може да се използва (и вече се използва) в различни области. За първи път е използван при създаването на магнити с големи полета. С помощта на свръхпроводници може да се осигури магнитна левитация, позволяваща на високоскоростните влакове да се движат плавно, без шум и триене. Създават се електродвигатели HTSC за кораби и индустриятакоито имат значително по-малки тегловни и габаритни параметри при еднаква мощност. Свръхпроводимостта е интересна от гледна точка на микроелектрониката и компютърните технологии. Нискотемпературните свръхпроводници се използват в медицински диагностични устройства (томографи) и дори в такива екзотични проекти на "меганауката" като Големия адронен колайдер и Международния термоядрен реактор.

С високотемпературната свръхпроводимост се свързват надежди за преодоляване на глобалната енергийна дилема, свързана, от една страна, с постоянно нарастване на потреблението на енергия в настоящето и бъдещето, а от друга страна, с нуждатадрастично намаляване на въглеродните емисии, за да се предотврати изменението на климата. В края на краищата всъщност HTSC извежда обичайното оборудване за генериране и пренос на електричество фундаменталноново ниво по отношение на ефективността.

Едно от най-очевидните приложения на свръхпроводниците е преносът на електричество. HTSC кабелите могат да предават значителна мощност с минимално напречно сечение, тоест имат честотна лента от различен порядък от традиционните кабели. Когато токът преминава през свръхпроводник, не се генерира топлина и практически няма загуби, т.е. основният проблем на разпределителните мрежи е решен.

Генератори благодарение на намотките от свръхпроводимостматериалите, които осигуряват огромни магнитни полета, стават много по-мощни. Например концернът Siemens изгради три HTSC генератора с мощност до 4 MW. Машината е наполовина по-лека и по-малка от конвенционален генератор със същата мощност. Също така HTS генераторът показа по-голяма стабилност на напрежението при промени в натоварването и по-високи характеристики по отношение на потреблението на реактивна мощност.

Днес светът активно разработва вятърни турбини, базирани на високотемпературна свръхпроводимост. Използвайки HTSC намотки Реалистично е да се създадат HTSC генератори с мощност 10 MW, които ще бъдат 2–4 пъти по-леки от конвенционалните.

Обещаваща област за широкото използване на свръхпроводници е съхранението на енергия, чиято роля също е голяма по отношение на развитието на съвременни енергийни системи, използващи възобновяеми енергийни източници. Дори познато електрическо оборудване, като трансформатори, придобива качествено нови характеристики благодарение на HTSC.

Свръхпроводимостта ви позволява да създавате такива необичайни устройства като ограничители на тока на късо съединение, които напълно автоматично ограничават тока по време на късо съединение. и автоматичносе включва при отстраняване на късото съединение.

Лента от второ поколение

Коя от тези обещаващи идеи вече е приложена на практика и с чии усилия? На първо място, трябва да се отбележи, че в момента на пазара са високотемпературни свръхпроводници от първо и второ поколение (HTSC-1 и HTSC-2). По отношение на обема на произведените продукти до момента, HTSC-1 печели досега, но за експертите е очевидно, че бъдещето отвъд свръхпроводницитевторо поколение. Това се дължи на факта, че в конструкцията на свръхпроводниците HTSC-2 повече от 70% е матрица, изработена от сребро.

Една от ключовите руски компании, работещи по темата за второ поколение свръхпроводници, е CJSC SuperOx. Той възниква в стените на Московския държавен университет на името на Ломоносов, където научната група на Химическия факултет работи върху технологията за отлагане на тънки филми от свръхпроводници. През 2006 г., въз основа на натрупаните знания, стартира търговски проект за създаване на вътрешно производство на 2-ро поколение HTSC проводници.

През 2011 г. областта на интереси на SuperOx беше разширена чрез тясно сътрудничество с новосъздадената SuperOx Japan LLC. Създадена е пилотна производствена линия за производство на HTSC проводник с критичен ток до 500 A/cm ширина. От 2011 г. SuperOx-Innovations също е резидент на Сколково, където провежда приложни изследвания, насочени към оптимизиране на техническите характеристики на HTSC ленти от второ поколение и разработва различни технологии за производство на тези материали. През 2013 г. в московския индустриален парк Слава стартира производството на лента HTSP-2.

„Нашият продукт, второ поколение свръхпроводяща лента, е субстрат, изработен от специална неръждаема стомана, устойчива на високи температури, която впоследствие не губи своите механични свойства при нанасяне на тънки филми“, казва Вадим Амеличев, водещ специалист в SuperOx CJSC. - Използвайки специални методи, върху този субстрат се нанасят буферни оксидни слоеве, а като функционален слой се нанася филм от гадолиний-бариев купрат. След това тази структура се покрива с тънки слоеве сребро или мед и се използва в тази форма в свръхпроводимосттаустройства.

С дебелина на филма от само един или два микрона, такъв материал има капацитет на ток от около 500 A на 1 mm² напречно сечение, което е стотици пъти по-голямо от това на конвенционален меден кабел. Съответно, тази лента е идеална за приложения, където се изисква голям ток. Кабели за големи токове, магнити за големи полета - основната област на приложение.

SuperOx разполага с пълен цикъл на производство на лента HTSP-2. През 2012 г. започнаха продажбите на този иновативен продукт и сега материалът се доставя не само в Русия, но и и изнесенив девет държави, включително Европейския съюз, Япония, Тайван и Нова Зеландия.
„В света няма много производители на лента HTSC-2“, обяснява Вадим Амеличев. - Има две американски фирми, компании в Южна Корея и Япония. В Европа, освен нас, никой не произвежда такава лента в индустриален мащаб. Нашата лента е тествана в много изследователски центрове и е потвърдена конкурентоспособност неговите характеристики."

Развийте нова индустрия

„Въпреки факта, че високотемпературната свръхпроводимост се появи съвсем наскоро, въпросите за нейното приложение в технологиите се изучават интензивно в технологично отношениеразвитите страни по света, - казва Виктор Панцирни, доктор на техническите науки, пълноправен член на AES на Руската федерация, директор по развитието на Russian Superconductor JSC, - У нас в рамките на Комисията при президента на Русия Федерация за модернизация и технологичниразвитие на руската икономика, проектът "Свръхпроводникова индустрия" беше иницииран като част от проекта "Иновативна енергия" в приоритетна област "Енергийна ефективност".

Този проект в областта на свръхпроводниковата индустрия се координира от руската компания Superconductor, създадена от Държавната корпорация Росатом. През петгодишния период от 2011 до 2015 г. се планира да се създадат конкурентни технологии за производство на високотемпературни свръхпроводници от второ поколение, пилотно производство на дълги (до 1000 m) лентови проводници HTSC-2, както и разработване на прототипи на оборудване, базирано на HTSC-2 проводници за електроенергийната индустрия. Това са генераторитевисока мощност и ограничители на ток (COT) и съхранение на кинетична енергия (KNE), както и мощни токови проводници за магнитни системи, индуктивно съхранение на енергия (SPIN), трансформатори, електрически двигатели с висока мощност.

От 2016 г. се планира да започне масово производство на проводници HTSC-2 и редица устройства, базирани на тях. Около 30 организации участват в работата по този проект, включително университети, академични и индустриални изследователски центрове, конструкторски бюра и индустриални организации, по-специално VNIINM JSC, NIIEFA JSC, NIITFA JSC, GIREDMET JSC, JSC NIFHI, JSC TVEL, JSC Tochmash и извън него, в Националния изследователски център "Курчатовски институт", ENIN тях. Кржижановски,Федерална държавна бюджетна образователна институция MAI, NRNU MEPhI, GUAP, OJSC Rosseti, OJSC NTC FGC UES, CJSC SuperOks, OJSC VNIIKP, OJSC NIIEM, OKB Yakor и др.

„Структурно проектът се състои от девет задачи, изпълнявани паралелно“, обяснява Виктор Панцирни. - От 2011 до 2013 г успя да създаде първите вътрешни работещи модели на свръхпроводящи машини - 50 kW двигател и генератор, 0,5 MJ устройство за съхранение на кинетична енергия, 3,5 MW свръхпроводящ ограничител на тока на късо съединение за електрически мрежи с напрежение 3,5 kV, 10 kVA свръхпроводящ трансформатор, токопроводи за магнитни системи, пропускащ ток 1500А.

Също така са създадени основите на технологията за изцяло вътрешно производство на лентови проводници HTSC-2, като се започне от суровините и се стигне до методите за контрол на готовите продукти. Бяха намерени основните технологични решения, които позволиха да се пристъпи към създаването на пълномащабни прототипи на енергийни устройства. По този начин работата по създаването на двигател с мощност 200 kW в момента е завършена.

Благодарение на използването на намотки HTSC-2, такъв двигател, когато е инсталиран, към електрическа кола(електрически автобус) ще увеличи пробега с 15-20% между зарежданията на батериите. Изработен е свръхпроводящ ограничител на ток на късо съединение с мощност над 7 MVA и се подготвя за изпитване в мрежата на железопътния транспорт. Пред завършване е производството на генератор с мощност 1 MVA, перспективен за използване във вятърни електроцентрали.
Въз основа на уникалните технологии на Росатом се създава устройство за съхранение на кинетична енергия със свръхпроводимостокачване на маховика, което има енергийна интензивност над 7 MJ. Трябва да се отбележи разработването на индуктивно устройство за съхранение на енергия, способно да достави натрупана енергия до няколко MJ за изключително кратко време. На финала са и работите по създаването на свръхпроводящ трансформатор с мощност 1000 kVA.

„Освен това най-важните резултати от проекта ще бъдат създаването на мощен експериментален и технологичнибаза, както и формирането на екипи от висококвалифицирани специалисти в областта на свръхпроводящите технологии, - заключава Виктор Панцирни. - Тази година в Националния изследователски център "Курчатовски институт" ще започне работа комплексна производствена и изследователска линия за производство на лентови свръхпроводници HTSC-2 чрез лазерна аблация. Линията ще се превърне в инструмент за развитие на науката и технологията на HTSC материали, използвайки в максимална степен мощната научна инфраструктура на NBICS центъра на Курчатов. Това ще даде възможност за интензивно развитие на водеща перспективна високотехнологична област към комерсиализациясвръхпроводящи технологии".

AC кабели

Невъзможно е да не разкажем за руския проект за създаване на свръхпроводящ кабел с дължина 200 метра. АД „Енергияинститут тях. Г.М. Кржижановски"(ЕНИН), АД „ВсерускиИзследователски институт на кабелната промишленост (VNIIKP), Московски авиационен институт и OAO NTC Electric Power Industry. Разработката започва през 2005 г., през 2009 г. е създаден прототип, който е успешно тестван на специално създаден уникален полигон.

Основните предимства на HTSC кабела са високотоково натоварване, ниски загуби, екологичност и пожарна безопасност. Освен това, когато се предава голяма мощност по такъв кабел при напрежение 10–20 kV, не са необходими междинни подстанции.

HTSC кабелът е сложна многослойна структура. Централният носещ елемент е изработен под формата на спирала от неръждаема стомана, заобиколена от сноп от медни и неръждаеми жици, обвити с медна лента. Над централния елемент са положени два слоя свръхпроводящи ленти, а отгоре е поставена изолация за високо напрежение. Това е последвано от прилагане на свръхпроводящ екран, слоеве от гъвкави медни ленти, увити в лента от неръждаема стомана. Всяка жила на кабела се изтегля в собствен гъвкав криостат с дължина 200 m.

Създаването на този многокомпонентен дизайн се усложнява от факта, че HTSC лентата е изключително чувствителна.Основната част от технологичните операции се извършват на базата на OAO VNIIKP. Въпреки това, за производството на изолация за високо напрежение, кабелът беше докаран в град Перм до кабелния завод Камски.

„За кабела HTSC извършихме операцията по нанасяне на хартиена изолация“, казва Александър Азанов, заместник-главен технолог на Kamsky Cable LLC. - Използвано е уникално оборудване, използвано преди това за производство на маслонапълнени кабели за високо напрежение. Ето защо те не пестиха средства за доставката на полуфабриката от Москва до Перм и обратно. И мисля, че засега за производството на такива специални кабели е препоръчително да се използва уникално оборудване, инсталирано в различни фабрики, отколкото да се организира производство на едно място.

В близко бъдеще организирането на масово производство на този кабел в нашия или друг завод е малко вероятно, тъй като инсталирането на линии със свръхпроводниципроизвежда се изключително рядко и на много кратки дължини (не повече от 1 км). Основната причина за това е цената на HTSC кабелите и тяхната поддръжка (изисква се непрекъснато изпомпване на течен азот през кабела).“

DC кабели

Към днешна дата развитието в областта на създаването на HTSC кабели продължава. JSC FGC UES и JSC NTC FGC UES провеждат съвместна научноизследователска и развойна дейност „Създаване на високотемпературна свръхпроводяща постояннотокова кабелна линия за напрежение 20 kV с ток 2500 A с дължина до 2500 m“. Първият прототип на бъдещата иновативна система за пренос на електроенергия - две парчета биполярен HTSC кабел с дължина 30 m всеки, разработен в STC FGC UES и произведен в завода Irkutskkabel - успешно премина тока и високо напрежениеизпитания през 2013 г

През ноември 2014 г. беше тестван комплект преобразувателно оборудване за иновативен пренос на електроенергия с мощност 50 MW използвайкисвръхпроводящ кабел с дължина няколкостотин метра. Използването на HTSC кабел за захранване на големите градове ще позволи да се постигне намаляване на площите за разпределение на земята, да се откаже от строителствотовъздушни линии и намаляване на загубите на електроенергия.

Центърът за научноизследователска и развойна дейност на FGC UES отбелязва, че DC кабелна линия, базирана на HTSC, има редица предимства в сравнение с AC линия. Той не само ви позволява да предавате мощност с минимални загуби, но също така ограничавате токовете на късо съединение, регулирате реактивната мощност, контролирате потоците на мощност и осигурявате нейното обръщане.

„Хубаво е да осъзнаем, че руските разработчици на HTSC кабели са в челните редици“, казва Виталий Висоцки, доктор на техническите науки, академик на AES на Руската федерация, директор по науката - ръководител. отдел за свръхпроводящи проводници и кабели на АД "VNIIKP". - Например кабелът от 200 м беше най-големият в Европа през 2009-2013 г., а едва през 2014 г. в Германия беше монтиран кабел от 1 км. Но този рекорд ще бъде подобрен и с тест на 2,5 км кабел за Санкт Петербург.”

От държавна подкрепа до частни инвестиции

Експертите прогнозират доста активно развитие на световния и руския пазар на свръхпроводници. Така Андрей Вавилов, председател на борда на директорите на CJSC SuperOx, отбелязва, че обемът на глобалния HTSC пазар се удвоява всяка година и ще достигне 1 милиард долара през 2017 г., докато делът на Руската федерация на световния пазар може да бъде оценен. на около 10%.

„Пазарът на свръхпроводимост за електроенергийната индустрия трябва да се развива, тъй като плътността на потреблението на енергия непрекъснато расте и е невъзможно да се поддържат нарастващите изисквания без свръхпроводимост“, уверен е Виталий Висоцки. - Енергетиците обаче са много консервативни по отношение на всичко ново и дори и скъпи.Ето защо засега основната задача все още е насърчаването на нови проекти с подкрепата на държавни организации. Това ще докаже надеждността и ефективността на свръхпроводящите устройства. Появата на нови проекти ще предизвика търсене за производство на HTSC ленти, ще увеличи производството им и ще намали цените, което отново ще помогне за развитието на пазара.

„На този етап цялостното решаване на всички поставени задачи е невъзможно без всеобхватната помощ на държавата, но инвестиционната привлекателност на HTSC технологията се увеличава всяка година, което позволява да се очаква приток на частни инвестиции в нейната по-нататъшна търговска реализация развитие с висока степен на увереност“, съгласен е Виктор Панцирни с колегата си.
Експертите са доволни, че като цяло на държавно ниво има разбиране за значението на свръхпроводящите технологии.
„Развитието на свръхпроводящата индустрия е от национално значение и е важна част от прехода до иновативнипътя на развитие на икономиката на страната. Това беше заявено наскоро на разширено заседание на Консултативния съвет към председателя на Комитета по енергетика на Държавната дума на Федералното събрание на Руската федерация, където по-специално беше отбелязано, че за да се гарантира икономическата и политическата независимост на Русия , стратегически е необходимо да има вътрешно производство на ниско- и висока температурасвръхпроводящи материали, свръхпроводящи устройства и продукти на тяхна основа“, казва Виктор Панцирни.

Бъдещи планове

Помолихме експертите да оценят кои приложения на свръхпроводимостта смятат за най-обещаващи и къде могат да очакват търговска употреба на технологията през следващите години.

„Както в целия свят, днес в Русия проектите за свръхпроводящи кабели са най-напреднали. Те трябва и, надяваме се, ще се развиват, - казва Виталий Висоцки. - Свръхпроводящите кабели на базата на HTSC вече са чисто комерсиален продукт, въпреки че все още са доста скъпи. Ще поевтинее, когато започне масовото му навлизане и се изисква значително количество HTS ленти, което ще намали цената тяхното производство.

Въпреки това, според мен, най-необходимият и в търсенетоза електроенергийната индустрия са свръхпроводящи ограничители на ток на късо съединение за нива на напрежение от 100 kV и по-високи. Конвенционалните устройства от този клас на напрежение просто не съществуват и свръхпроводимостта тук е просто незаменима. Такива проекти вече се обсъждат и у нас. Освен това, според мен, HTSC машините за вятърни турбини имат добри перспективи. Те обещават значително (многократно) намаляване на теглото на един генератор и увеличаване на единичната мощност.

„Днес двигател на развитието на пазара на свръхпроводящи продукти е електроенергетиката (захранващи кабели и токоограничители), - смята Андрей Вавилов. - Но в редица други отрасли има значителен потенциал. Например, днес се разработват варианти за използване на HTSC проводник като ефективен заместител на нискотемпературни свръхпроводници в ускорителната технология, използвана в науката, производството на изотопи и медицината. Русия има големи планове в тази област, по-специално изграждането на модерен колайдер NICA в Дубна.

Създаването на ефективни ротационни машини с уникални теглителни характеристики, ниска маса и тегло има голям потенциал. Такива двигатели са търсени предимно за осигуряване на движението на големи кораби и могат да се използват генератори във възобновяемиенергия.

Феноменът на магнитната левитация днес открива напълно нови перспективи. Това са не само транспортни системи, но и безконтактни манипулатори, както и издръжливи лагери с широка гама от приложения.“

„По-нататъшното развитие на високотемпературната свръхпроводимост ще има изразен мултипликативен ефект не само в енергетиката,но също и в други индустрии като космоса, авиацията, мореплаването, автомобилостроенето и ж.птранспорт, машиностроене, металургия, електроника, медицина, ускорителна техника. Технологиите на свръхпроводимостта са важни и за укрепване на отбранителната способност на страната“, убеден е Виктор Панцирни.

С една дума, по-нататъшното развитие на технологиите, базирани на свръхпроводимостта, открива огромни перспективи пред човечеството и то вече в обозримо бъдеще.

Свръхпроводникът води Русия напред

Феноменът на високотемпературната свръхпроводимост (HTSC) беше от интерес само за учените не толкова отдавна. Въпреки това, днес търговски печеливши продукти, базирани на HTSC, включително руски, навлизат на пазара на електроенергийно оборудване.

В началото на двадесети век беше открито, че редица метали и сплави се характеризират със свръхпроводимост, тоест способността да имат нулево съпротивление при температура, близка до абсолютната нула (около -270 ° C). Дълго време свръхпроводниците можеха да се използват само при температура на течен хелий, което направи възможно създаването на ускорително оборудване и магнитно-резонансни томографи.

През 1986 г. е открита свръхпроводимостта при температура от около 30 K, която е удостоена с Нобелова награда, а в началото на 1990 г. беше възможно да се постигне свръхпроводимост вече при 138 K, а не метали, а оксидни съединения бяха използвани като свръхпроводник.

Керамичните материали, които имат нулево съпротивление при температури над температурата на течния азот (77 K), се наричат ​​високотемпературни свръхпроводници (HTSC). Въпреки това, ако преобразуваме келвините в градуси по Целзий, които са ни по-познати, ще разберем, че говорим за не твърде високи температури, да речем, около минус 169–200 ° С. Дори суровата руска зима не е в състояние да осигури такива условия.
Умовете на изследователите са развълнувани от идеята за намиране на материали, които могат да преминат в свръхпроводящо състояние при стайна температура (293 K). Теоретично такава възможност съществува. Според някои доклади се твърди, че свръхпроводящите свойства са успели да бъдат фиксирани дори в отделни зърна графит след специална обработка. Към днешна дата търсенето на свръхпроводници със "стайна температура" (RTSC) се счита за една от ключовите изследователски задачи в областта на нанотехнологиите. Въпреки това не само практическото приложение, но и надеждното експериментално потвърждение на RTFT остава въпрос на утрешния ден. Днешната електроенергийна индустрия овладява използването на HTSC.

Оборудване, базирано на високотемпературна свръхпроводимост, изисква охлаждане с течен азот. Според експерти от индустрията това е сравнително евтин и удобен хладилен агент, който осигурява температура от 77K и ви позволява да изпълнявате практически проекти.

Предимства на свръхпроводимостта

Свръхпроводимостта може да се използва (и вече се използва) в различни области. За първи път е използван при създаването на магнити с големи полета. С помощта на свръхпроводници може да се осигури магнитна левитация, позволяваща на високоскоростните влакове да се движат плавно, без шум и триене. Създават се HTSC електродвигатели за кораби и индустрия, които имат значително по-малки тегловни и габаритни параметри при еднаква мощност. Свръхпроводимостта е интересна от гледна точка на микроелектрониката и компютърните технологии. Нискотемпературните свръхпроводници се използват в медицински диагностични устройства (томографи) и дори в такива екзотични проекти на "меганауката" като Големия адронен колайдер и Международния термоядрен реактор.

С високотемпературната свръхпроводимост има надежди за преодоляване на глобалната енергийна дилема, свързана, от една страна, с постоянното нарастване на потреблението на енергия в настоящето и бъдещето, и, от друга страна, с необходимостта от радикално намаляване на въглеродния диоксид емисии, за да се предотврати изменението на климата. В края на краищата всъщност HTSC извежда обичайното оборудване за генериране и пренос на електроенергия на фундаментално ново ниво по отношение на ефективността.

Едно от най-очевидните приложения на свръхпроводниците е преносът на електричество. HTSC кабелите могат да предават значителна мощност с минимално напречно сечение, тоест имат честотна лента от различен порядък от традиционните кабели. Когато токът преминава през свръхпроводник, не се генерира топлина и практически няма загуби, т.е. основният проблем на разпределителните мрежи е решен.

Генераторите, благодарение на намотките от свръхпроводящи материали, които осигуряват огромни магнитни полета, стават много по-мощни. Например концернът Siemens изгради три HTSC генератора с мощност до 4 MW. Машината е наполовина по-лека и по-малка от конвенционален генератор със същата мощност. Също така HTS генераторът показа по-голяма стабилност на напрежението при промени в натоварването и по-високи характеристики по отношение на потреблението на реактивна мощност.

Днес светът активно разработва вятърни турбини, базирани на високотемпературна свръхпроводимост. При използване на HTSC намотки е реалистично да се създадат HTSC генератори с мощност 10 MW, които ще бъдат 2–4 пъти по-леки от конвенционалните.

Обещаваща област за широкото използване на свръхпроводници е съхранението на енергия, чиято роля също е голяма по отношение на развитието на съвременни енергийни системи, използващи възобновяеми енергийни източници. Дори познато електрическо оборудване, като трансформатори, придобива качествено нови характеристики благодарение на HTSC.

Свръхпроводимостта ви позволява да създавате такива необичайни устройства като ограничители на тока на късо съединение, които напълно автоматично ограничават тока по време на късо съединение и автоматично се включват при отстраняване на късо съединение.

Лента от второ поколение

Коя от тези обещаващи идеи вече е приложена на практика и с чии усилия? На първо място, трябва да се отбележи, че в момента на пазара са високотемпературни свръхпроводници от първо и второ поколение (HTSC-1 и HTSC-2). По отношение на обема на произведените продукти до момента HTSC-1 печели, но за експертите е очевидно, че бъдещето принадлежи на второ поколение свръхпроводници. Това се дължи на факта, че в конструкцията на свръхпроводниците HTSC-2 повече от 70% е матрица, изработена от сребро.

Една от ключовите руски компании, работещи по темата за второ поколение свръхпроводници, е CJSC SuperOx. Той възниква в стените на Московския държавен университет на името на Ломоносов, където научната група на Химическия факултет работи върху технологията за отлагане на тънки филми от свръхпроводници. През 2006 г., въз основа на натрупаните знания, стартира търговски проект за създаване на вътрешно производство на 2-ро поколение HTSC проводници.

През 2011 г. областта на интереси на SuperOx беше разширена чрез тясно сътрудничество с новосъздадената SuperOx Japan LLC. Създадена е пилотна производствена линия за производство на HTSC проводник с критичен ток до 500 A/cm ширина. От 2011 г. SuperOx-Innovations също е резидент на Сколково, където провежда приложни изследвания, насочени към оптимизиране на техническите характеристики на HTSC ленти от второ поколение и разработва различни технологии за производство на тези материали. През 2013 г. в московския индустриален парк Слава стартира производството на лента HTSP-2.

„Нашият продукт, второ поколение свръхпроводяща лента, е субстрат, изработен от специална неръждаема стомана, устойчива на високи температури, която впоследствие не губи своите механични свойства при нанасяне на тънки филми“, казва Вадим Амеличев, водещ специалист в SuperOx CJSC. - Използвайки специални методи, върху този субстрат се нанасят буферни оксидни слоеве, а като функционален слой се нанася филм от гадолиний-бариев купрат. След това тази структура се покрива с тънки слоеве сребро или мед и като такава се използва в свръхпроводящи устройства.
С дебелина на филма от само един или два микрона, такъв материал има капацитет на ток от около 500 A на 1 mm² напречно сечение, което е стотици пъти по-голямо от това на конвенционален меден кабел. Съответно, тази лента е идеална за приложения, където се изисква голям ток. Кабели за големи токове, магнити за големи полета - основната област на приложение.

SuperOx разполага с пълен цикъл на производство на лента HTSP-2. През 2012 г. започнаха продажбите на този иновативен продукт и сега материалът се доставя не само в Русия, но и се изнася в девет страни, включително Европейския съюз, Япония, Тайван и Нова Зеландия.

„В света няма много производители на лента HTSC-2“, обяснява Вадим Амеличев. - Има две американски фирми, компании в Южна Корея и Япония. В Европа, освен нас, никой не произвежда такава лента в индустриален мащаб. Нашата лента е тествана в много изследователски центрове и е потвърдила своите конкурентни характеристики.“

Развийте нова индустрия

„Въпреки факта, че високотемпературната свръхпроводимост се появи съвсем наскоро, въпросите за нейното приложение в технологиите се изучават интензивно в технологично развитите страни по света“, казва Виктор Панцирни, доктор на техническите науки, пълноправен член на AES на Русия Федерация, директор по развитието на Russian Superconductor JSC, - В нашата страна, в рамките на Комисията към президента на Руската федерация за модернизация и технологично развитие на руската икономика, проектът "Свръхпроводникова индустрия" беше иницииран като част от проект „Иновативна енергия“ в приоритетна област „Енергийна ефективност“.

Този проект в областта на свръхпроводниковата индустрия се координира от руската компания Superconductor, създадена от Държавната корпорация Росатом. През петгодишния период от 2011 до 2015 г. се планира да се създадат конкурентни технологии за производство на високотемпературни свръхпроводници от второ поколение, пилотно производство на дълги (до 1000 m) лентови проводници HTSC-2, както и разработване на прототипи на оборудване, базирано на HTSC-2 проводници за електроенергийната индустрия. Това са генератори с висока мощност и ограничители на ток (COT) и устройства за съхранение на кинетична енергия (KNE), както и мощни токопроводи за магнитни системи, индуктивни устройства за съхранение на енергия (SPIN), трансформатори, електрически двигатели с висока мощност.

От 2016 г. се планира да започне масово производство на проводници HTSC-2 и редица устройства, базирани на тях. Около 30 организации са включени в работата по този проект, включително университети, академични и индустриални изследователски центрове, конструкторски бюра и индустриални организации, по-специално VNIINM JSC, NIIEFA JSC, NIITFA JSC, GIREDMET JSC, JSC "NIFHI", JSC TVEL, JSC "Точмаш" и извън него, в Националния изследователски център "Курчатовски институт", кръстен на ENIN. Krzhizhanovsky, FGBOU MAI, NRNU MEPhI, GUAP, JSC Rosseti, JSC NTC FGC UES, JSC SuperOks, JSC VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor и др.

„Структурно проектът се състои от девет задачи, изпълнявани паралелно“, обяснява Виктор Панцирни. - От 2011 до 2013 г успя да създаде първите вътрешни работещи модели на свръхпроводящи машини - 50 kW двигател и генератор, 0,5 MJ устройство за съхранение на кинетична енергия, 3,5 MW свръхпроводящ ограничител на тока на късо съединение за електрически мрежи с напрежение 3,5 kV, 10 kVA свръхпроводящ трансформатор, токопроводи за магнитни системи, пропускащ ток 1500А.

Също така са създадени основите на технологията за изцяло вътрешно производство на лентови проводници HTSC-2, като се започне от суровините и се стигне до методите за контрол на готовите продукти. Бяха намерени основните технологични решения, които позволиха да се пристъпи към създаването на пълномащабни прототипи на енергийни устройства. По този начин работата по създаването на двигател с мощност 200 kW в момента е завършена.

Благодарение на използването на намотки HTSC-2, такъв двигател, когато е инсталиран на електрическо превозно средство (електрически автобус), ще увеличи пробега с 15–20% между презарежданията на батерията. Изработен е свръхпроводящ ограничител на ток на късо съединение с мощност над 7 MVA и се подготвя за изпитване в мрежата на железопътния транспорт. Пред завършване е производството на генератор с мощност 1 MVA, перспективен за използване във вятърни електроцентрали.

Въз основа на уникалните технологии на Росатом се създава устройство за съхранение на кинетична енергия със свръхпроводящо окачване на маховици, което има енергийна интензивност над 7 MJ. Трябва да се отбележи разработването на индуктивно устройство за съхранение на енергия, способно да достави натрупана енергия до няколко MJ за изключително кратко време. На финала са и работите по създаването на свръхпроводящ трансформатор с мощност 1000 kVA.

„В допълнение, най-важните резултати от проекта ще бъдат създаването на мощна експериментална и технологична база, както и формирането на екипи от висококвалифицирани специалисти в областта на свръхпроводящите технологии“, заключава Виктор Панцирни. - Тази година в Националния изследователски център "Курчатовски институт" ще започне работа комплексна производствена и изследователска линия за производство на лентови свръхпроводници HTSC-2 чрез лазерна аблация. Линията ще се превърне в инструмент за развитие на науката и технологията на HTSC материали, използвайки в максимална степен мощната научна инфраструктура на NBICS центъра на Курчатов. Това ще позволи интензивно развитие на обещаваща високотехнологична област, водеща до комерсиализация на свръхпроводящи технологии.

Представяне на левитиращ механизъм, базиран на HTSC проводник: Андрей Вавилов обяснява как работи модулът по време на прием на кмета на Москва С. Собянин в Технопарк Слава

AC кабели

Невъзможно е да не говорим за руския проект за създаване на свръхпроводящ кабел с дължина 200 метра. Г.М. Кржижановски" (ЕНИН), АО "Всеруски научноизследователски институт по кабелна промишленост" (ВНИИКП), Московски авиационен институт и АО "НТЦ Електроенергетика". Разработката започва през 2005 г., през 2009 г. е създаден прототип, който е успешно тестван на специално създаден уникален полигон.

Основните предимства на HTSC кабела са високотоково натоварване, ниски загуби, екологичност и пожарна безопасност. Освен това, когато се предава голяма мощност по такъв кабел при напрежение 10–20 kV, не са необходими междинни подстанции.

HTSC кабелът е сложна многослойна структура. Централният носещ елемент е изработен под формата на спирала от неръждаема стомана, заобиколена от сноп от медни и неръждаеми жици, обвити с медна лента. Над централния елемент са положени два слоя свръхпроводящи ленти, а отгоре е поставена изолация за високо напрежение. Това е последвано от прилагане на свръхпроводящ екран, слоеве от гъвкави медни ленти, увити в лента от неръждаема стомана. Всяка жила на кабела се изтегля в собствен гъвкав криостат с дължина 200 m.

Създаването на тази многокомпонентна структура се усложнява от факта, че HTSC лентата е изключително чувствителна към механични натоварвания и счупвания. Основната част от технологичните операции се извършват на базата на OAO VNIIKP. Въпреки това, за производството на изолация за високо напрежение, кабелът беше докаран в град Перм до кабелния завод Камски.

„За кабела HTSC извършихме операцията по нанасяне на хартиена изолация“, казва Александър Азанов, заместник-главен технолог на Kamsky Cable LLC. - Използвано е уникално оборудване, използвано преди това за производство на маслонапълнени кабели за високо напрежение. Ето защо те не пестиха средства за доставката на полуфабриката от Москва до Перм и обратно. И мисля, че за момента за производството на такива специални кабели е препоръчително да се използва уникално оборудване, инсталирано в различни фабрики, отколкото да се организира производство на едно място.
В близко бъдеще организирането на масово производство на този кабел в нашия или друг завод е малко вероятно, тъй като инсталирането на линии със свръхпроводници се извършва изключително рядко и с много кратки дължини (не повече от 1 km). Основната причина за това е цената на HTSC кабелите и тяхната поддръжка (изисква се непрекъснато изпомпване на течен азот през кабела).“

DC кабели

Към днешна дата развитието в областта на създаването на HTSC кабели продължава. JSC FGC UES и JSC NTC FGC UES провеждат съвместна научноизследователска и развойна дейност „Създаване на високотемпературна свръхпроводяща постояннотокова кабелна линия за напрежение 20 kV с ток 2500 A с дължина до 2500 m“. Първият прототип на бъдещата иновативна система за пренос на електроенергия - два биполярни HTSC кабела с дължина 30 метра, разработени в Центъра за изследване и развитие на FGC UES и произведени в завода Irkutskkabel - успешно преминаха тестове за ток и високо напрежение през 2013 г.

През ноември 2014 г. беше тестван комплект преобразуващо оборудване за иновативно пренасяне на 50 MW електроенергия с помощта на свръхпроводящ кабел с дължина няколкостотин метра. Използването на HTSC кабел за захранване на големите градове ще позволи да се постигне намаляване на площите за разпределение на земята, да се откаже от изграждането на въздушни линии и да се намалят загубите на електроенергия.
Центърът за научноизследователска и развойна дейност на FGC UES отбелязва, че DC кабелна линия, базирана на HTSC, има редица предимства в сравнение с AC линия. Той не само ви позволява да предавате мощност с минимални загуби, но също така ограничавате токовете на късо съединение, регулирате реактивната мощност, контролирате потоците на мощност и осигурявате нейното обръщане.

„Хубаво е да осъзнаем, че руските разработчици на HTSC кабели са в челните редици“, казва Виталий Висоцки, доктор на техническите науки, академик на AES на Руската федерация, директор по науката - ръководител. отдел за свръхпроводящи проводници и кабели на АД "VNIIKP". - Например кабелът от 200 м беше най-големият в Европа през 2009-2013 г., а едва през 2014 г. в Германия беше монтиран кабел от 1 км. Но този рекорд ще бъде подобрен и с тест на 2,5 км кабел за Санкт Петербург.”

От държавна подкрепа до частни инвестиции

Експертите прогнозират доста активно развитие на световния и руския пазар на свръхпроводници. Така Андрей Вавилов, председател на борда на директорите на CJSC SuperOx, отбелязва, че обемът на глобалния HTSC пазар се удвоява всяка година и ще достигне 1 милиард долара през 2017 г., докато делът на Руската федерация на световния пазар може да бъде оценен. на около 10%.

„Пазарът на свръхпроводимост за електроенергийната индустрия трябва да се развива, тъй като плътността на потреблението на енергия непрекъснато расте и е невъзможно да се поддържат нарастващите изисквания без свръхпроводимост“, уверен е Виталий Висоцки. - Енергетиците обаче са много консервативни по отношение на всичко ново, та дори и скъпо. Ето защо засега основната задача все още е насърчаването на нови проекти с подкрепата на държавни организации. Това ще докаже надеждността и ефективността на свръхпроводящите устройства. Появата на нови проекти ще предизвика търсене за производство на HTSC ленти, ще увеличи производството им и ще намали цените, което отново ще помогне за развитието на пазара.

„На този етап цялостното решаване на всички поставени задачи е невъзможно без цялостната помощ на държавата, но всяка година инвестиционната привлекателност на HTSC технологията нараства, което позволява да се очаква приток на частни инвестиции в нейното по-нататъшно търговско развитие. с висока степен на увереност,”

Съгласен с колегата си Виктор Панцирни.

Експертите са доволни, че като цяло на държавно ниво има разбиране за значението на свръхпроводящите технологии.

„Развитието на свръхпроводящата индустрия е от национално значение и е важна част от прехода към иновативен начин за развитие на икономиката на страната. Това беше заявено наскоро на разширено заседание на Консултативния съвет към председателя на Комитета по енергетика на Държавната дума на Федералното събрание на Руската федерация, където по-специално беше отбелязано, че за да се гарантира икономическата и политическата независимост на Русия , стратегически е необходимо да има вътрешно производство на ниско- и високотемпературни свръхпроводящи материали, свръхпроводящи устройства и продукти на тяхна основа,

Докладва Виктор Панцирни.

Бъдещи планове

Помолихме експертите да оценят кои приложения на свръхпроводимостта смятат за най-обещаващи и къде могат да очакват търговска употреба на технологията през следващите години.

„Както в целия свят, днес в Русия проектите за свръхпроводящи кабели са най-напреднали. Те трябва и, надяваме се, ще се развиват, - казва Виталий Висоцки. - Свръхпроводящите кабели на базата на HTSC вече са чисто комерсиален продукт, въпреки че все още са доста скъпи. Той ще поевтинее, когато започне масовото му навлизане и се наложи значително количество HTSC ленти, което ще намали разходите за тяхното производство.
Въпреки това, по мое мнение, свръхпроводящите ограничители на тока на късо съединение за нива на напрежение от 100 kV и по-високи са най-необходимите и търсени в електроенергетиката. Конвенционалните устройства от този клас на напрежение просто не съществуват и свръхпроводимостта тук е просто незаменима. Такива проекти вече се обсъждат и у нас. Освен това, според мен, HTSC машините за вятърни турбини имат добри перспективи. Те обещават значително (многократно) намаляване на теглото на един генератор и увеличаване на единичната мощност.

„Днес двигател на развитието на пазара на свръхпроводящи продукти е електроенергетиката (захранващи кабели и токоограничители), - смята Андрей Вавилов. - Но в редица други отрасли има значителен потенциал. Например, днес се разработват варианти за използване на HTSC проводник като ефективен заместител на нискотемпературни свръхпроводници в ускорителната технология, използвана в науката, производството на изотопи и медицината. Русия има големи планове в тази област, по-специално изграждането на модерен колайдер NICA в Дубна.
Създаването на ефективни ротационни машини с уникални теглителни характеристики, ниска маса и тегло има голям потенциал. Такива двигатели са търсени предимно за осигуряване на движението на големи кораби, а генераторите могат да се използват във възобновяема енергия.
Феноменът на магнитната левитация днес открива напълно нови перспективи. Това са не само транспортни системи, но и безконтактни манипулатори, както и издръжливи лагери с широка гама от приложения.“

„По-нататъшното развитие на високотемпературната свръхпроводимост ще има изразен мултипликативен ефект не само в електроенергетиката, но и в други индустрии като космоса, авиацията, морския, автомобилния и железопътния транспорт, машиностроенето, металургията, електрониката, медицината, и ускорителна технология. Технологиите за свръхпроводимост са важни и за укрепване на отбранителната способност на страната“,

Виктор Панцирни е убеден.

С една дума, по-нататъшното развитие на технологиите, базирани на свръхпроводимостта, открива огромни перспективи пред човечеството и то вече в обозримо бъдеще.

Създаден на базата на оксидни високотемпературни свръхпроводници. За първи път свръхпроводяща керамика е получена през 1986 г. от J. Bednorz и K. Müller, които са удостоени с Нобелова награда за това откритие. Тази керамика беше базирана на лантан, барий и меден оксид (La 2-x Ba x CuO 4) и имаше необичайно висока свръхпроводящи материалитемпература на свръхпроводящ преход Tc = 35 K. Година по-късно под ръководството на P. Chu е получена керамика на базата на итрий-бариев меден оксид YBa 2 Cu 3 O 7-x с Tc = 93 K . Тези открития направиха свръхпроводимостта обещаваща за практически приложения.

Високотемпературната свръхпроводяща керамика, подобно на конвенционалните керамични материали, се прави от оксидни прахове. Получаването на оксидни керамични високотемпературни свръхпроводници включва следните основни етапи: дозиране на първоначалните компоненти на заряда, хомогенизиране на заряда, високотемпературен (при температури 800-1100 ° C) синтез, включително междинно смилане на заряда, като както и формоване (пресоване) и синтероване на керамични изделия.

Плътността и микроструктурата на получените материали са силно повлияни от състоянието на изходния прах и условията на синтез. Керамичните материали съдържат неориентирани зърна, пори и почти винаги примес от чужди фази. При синтеза на високотемпературна свръхпроводяща керамика фино диспергираните прахове започват да се синтероват при по-ниски температури от едрозърнестите. Това избягва образуването на значителни количества течна фаза и деформация на пробата. Въвеждането на малко количество примесни оксиди в основния състав има положителен ефект върху свойствата на керамиката, допринасяйки за образуването на необходимата текстура.

Механичните и електромагнитните свойства на HTSC керамиката са пряко причинени от значително нехомогенна структура, състояща се от зърна, пори и микродефекти, които като правило са локализирани по границите на зърната. Образуването и разрушаването на микроструктурата на свръхпроводящата керамика става в процеса на синтероване, което допринася за възникването на вътрешни напрежения и работата на материала в различни механични и термични режими. Свръхпроводящата керамика се състои от свръхпроводящи гранули, които се характеризират с достатъчно висока критична плътност на тока jcr, но тъй като междугрануларното пространство има ниско jcr, критичната плътност на транспортния ток на високотемпературната керамика намалява, което я прави трудна за използване в технологията.

Към днешна дата са създадени доста голям брой свръхпроводящи керамични изделия, които съдържат редкоземни елементи Y, Ba, La, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. За тези керамики експерименталните изследвания дават температурата на свръхпроводящия преход в температурния диапазон от 86 K до 135 K.

Най-разпространени са лантанова керамика (La1-xBa)2CuO1-y с Tc = 56 K, итриева керамика на базата на Y-Ba-Cu-O с Tc = 91 K, бисмутова керамика на базата на Bi-Sr-Ca-O с Tc = 115 K, талиева керамика на базата на Tl-Ba-Ca-Cu-O с Tc = 119 K, живачна керамика HgBa2Ca2Cu3O8+x с Tc = 135 K.

Разработена е технология за получаване на текстурирана керамика, която позволи да се увеличи плътността на тока с порядъци. Въпреки това, получаването на достатъчно големи продукти, тел или ленти от керамични високотемпературни свръхпроводници остава доста сложен технологичен проблем. Компактни масивни елементи с различни форми и размери, като правило, са изработени от Y-Ba-Cu-O оксидна свръхпроводяща керамика и дълги композитни свръхпроводници - на базата на съединения Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O в черупки от различни метали и сплави. Такива продукти имат ефект на свръхпроводимост при температури на течен азот и по-ниски, високи характеристики на токопроводимост и при използването им могат значително да намалят теглото и размера на електрическите устройства, да намалят оперативните разходи и да създадат високоефективни и екологични електрически системи .

В микровълновите компоненти се използват тънки слоеве от HTSC керамика върху монокристални субстрати. Като правило, основните параметри на HTSC филмите включват съпротивление и магнитна чувствителност. Те се получават чрез отлагане върху субстрат чрез лазерно и електронно лъчево изпаряване, химическо отлагане на пари, директно и реактивно катодно разпрашване и епитаксия с молекулен лъч.

Физиците откриха материал, който става свръхпроводим при температура, малко по-висока от най-ниската температура на Земята. Това откритие може да ознаменува нова ера в изследването на свръхпроводимостта. Светът на свръхпроводимостта жужи. Миналата година Михаил Йеремец и няколко негови колеги от Института по химия "Макс Планк" в Майнц, Германия, направиха необичайно наблюдение на свръхпроводящ сероводород при -70 градуса по Целзий. Това е с 20 градуса повече от всеки друг материал, който държи настоящия рекорд.

Резултатите от работата на учените започнаха да се обсъждат, когато за първи път бяха публикувани в arXiv. По това време физиците бяха предпазливи в работата си. Историята на свръхпроводимостта е осеяна с трупове на съмнителни твърдения за високотемпературна активност, които по-късно се оказват невъзможни за възпроизвеждане.

Оттогава е минало доста време, Еремец и колегите му работят усилено, за да изградят категорични и убедителни доказателства. Преди няколко седмици работата им беше публикувана в списанието Nature, което й придаде печата на уважение, необходимо в съвременната физика. отново попадна в заглавията.

Антинио Бианзони и Томас Ярлборг от Римския международен център за наука за материалите в Италия направиха преглед на своята вълнуваща сфера на работа. И те направиха теоретична работа, обяснявайки трудовете на Еремец и неговите колеги.

За начало малко предистория. Свръхпроводимостта е феномен на нулево електрическо съпротивление, което възниква в някои материали, когато се охладят под критична температура.

Това явление е добре известно в конвенционалните свръхпроводници, които по същество са твърди решетки от положителни йони, окъпани в море от електрони. Електрическото съпротивление възниква, когато електроните се блъскат в тези решетки и губят енергия, докато се движат през тях.

Въпреки това, при ниски температури, електроните могат да се комбинират един с друг, за да образуват двойки Купър. В същото време решетката става достатъчно твърда, за да позволи кохерентно движение на вълни, наречени фонони.

Свръхпроводимостта се създава, когато двойки на Купър и фонони пътуват заедно през материал и вълните по същество разчистват пътя за електронните двойки. Това се случва, когато вибрациите на решетката - нейната температура - станат достатъчно силни, за да разрушат парите на Cooper. Това е критичната температура.

Доскоро най-високата критична температура от този вид беше -230 градуса по Целзий (40 Келвина).

Има три основни характеристики, които учените търсят, за да потвърдят свръхпроводимостта на даден материал. Първият е внезапен спад на електрическото съпротивление, когато материалът се охлади под критична температура. Второто е изместването на магнитното поле от материала, ефект, известен като ефект на Майснер.

Третият е промяната в критичната температура, когато атомите в материала се заменят с изотопи. Това се случва, защото разликата в масата на изотопите кара решетката да вибрира по различен начин, което променя критичната температура.

Но има и друг вид свръхпроводимост, много по-малко разбран. Той включва някои керамични вещества, открити през 80-те години на миналия век, които стават свръхпроводими при ниски температури до -110 градуса по Целзий. Никой наистина не разбира как работят, но голяма част от изследванията в общността на свръхпроводимостта са фокусирани върху тези екзотични материали.

Еремец и колегите му най-вероятно смениха позициите си. Може би най-голямата изненада от техния пробив беше, че не включва "високотемпературен" свръхпроводник. Той включва обикновен сероводород, който никога не е наблюдаван като свръхпроводник при температури над 40 градуса по Келвин.

Еремец и колегите му постигнаха целта си, като компресираха този материал под налягане, което съществува само в центъра на Земята. В същото време те успяха да намерят доказателства за всички важни характеристики на свръхпроводимостта.

И докато техните експерименти продължават, теоретиците си блъскат мозъка, опитвайки се да го обяснят. Много физици вярваха, че има някаква теоретична причина, поради която традиционните свръхпроводници не могат да работят при температури над 40 градуса по Келвин. Но се оказа, че в теорията няма нищо, което да пречи на свръхпроводниците да работят при по-високи температури.

През 60-те години на миналия век британският физик Нийл Ашкрофт прогнозира, че водородът трябва да може да бъде свръхпроводим при високи температури и налягания, може би дори при стайна температура. Неговата идея беше, че водородът е толкова лек, че трябва да образува решетка, способна да вибрира при много високи честоти и следователно да се превърне в серологичен проводник при високи температури и налягания.

Йеремец и колегите му изглежда са потвърдили тази идея. Или поне нещо подобно. Има много теоретични бръчки, които трябва да бъдат премахнати, преди физиците да могат да кажат, че имат правилно разбиране за това, което се случва. Теоретичната работа продължава.

Сега надпреварата е да се намерят други свръхпроводници, които да работят при още по-високи температури. Един обещаващ кандидат е H3S (не H2S, върху който Yeremets първоначално работи).

И, разбира се, физиците започват да мислят за приложения. Използването на такива материали е много трудно и не само защото те са свръхпроводници при високи налягания.

Но нищо не ви пречи да мечтаете. „Това откритие има значение не само за науката за материалите и кондензираната материя, но и в други области, от квантовите изчисления до квантовата физика на живата материя“, казват Бианзони и Ярлборг. Те също така излагат интересната идея, че такъв свръхпроводник работи при температура, която е с 19 градуса по-висока от най-студената температура на Земята.

Може би през следващите месеци и години ще чуем още интересни неща за свръхпроводниците.