Как устроены высокотемпературные сверхпроводники? В каких сферах они находят свое применение? И как их использование соотносится с принципами устойчивого развития? Об этом в интервью Николаю Бойкову, представителю «Глобальной энергии» рассказал Амит Гоял, заслуженный профессор Университета штата Нью-Йорк, вошедший в шорт-лист премии «Глобальная энергия».
— Одной из сфер вашей профессиональной специализации являются высокотемпературные сверхпроводящие материалы. В нынешнем году Вы были номинированы на премию «Глобальная энергия» за достижения в создании проводов на их основе. Как работают такие провода? И какие преимущества предоставляют им высокотемпературные сверхпроводящие материалы?
— Исследовать высокотемпературную сверхпроводимость я начал в 1987 году. В том же году Нобелевскую премию за ее открытие получили физики Георг Беднорц и Александр Мюллер. Впервые в истории науки «Нобелевка» была присуждена спустя всего через год после совершения открытия. И уже тогда активно обсуждалось, сколь значимой является потенциальная роль этих материалов и как они могут изменить наш образ жизни. Однако, чтобы эти изменения стали реальностью, сверхпроводимые материалы необходимо было внедрить в электроэнергетике, а для этого — разработать многокилометровые гибкие провода, которые бы могли выдерживать миллионы ампер тока на единицу поперечного сечения. И это непростая задача, учитывая, что сверхпроводники из керамических материалов подобны грязи на клумбе.
Как показали фундаментальные исследования, в которых я участвовал много лет, единственный способ достичь этого — сделать провода монокристаллическими. Но встает другая проблема. Если вы зададите вопрос: «Какой самый большой кристалл вырастил человек?», то получите ответ: «Кремний, 18 дюймов в диаметре и 1,5 метра в длину». Поэтому задача заключалась в том, чтобы «вырастить» многокилометровые гибкие провода, похожие на монокристаллы и способные переносить большое количество тока, которые бы были изготовлены по цене медной проволоки, продаваемой в магазине бытовой техники. Поначалу учёные во всем мире говорили: «Ну, этого нельзя сделать...». Однако нам с коллегами удалось добиться этого с помощью нескольких процессов.
Первый из них называется RABiTS, и он стал Святым Граалем в области прикладной сверхпроводимости. Когда я работал в Национальной лаборатории Окриджа, мы использовали для обкатки двух-текстурированную подложку. Мы применили термическую механическую обработку, аналогичную методике изготовления алюминиевой фольги, которую мы используем на кухне. Этот процесс подошел для создания гибкого металлического шаблона, похожего на монокристалл, в котором все атомы во всех трех направлениях выровнены относительно друг друга. На следующем этапе поверх этого субстрата мы вырастили разные слои: их атомная структура совпадала с атомной структурой подложки. В итоге мы получили монокристаллический сверхпроводник, который является гибким и при этом может быть изготовлен любой длины. Во всем мире есть компании, которые с помощью этого метода производят провода длиной в километр.
Второй процесс — осаждение с помощью ионного луча — первоначально был разработал в компании Fujikura, а затем — Стэнфордской и Лос-Аламосской национальной лабораториях. Наконец, еще один процесс — LMOE — является нашей разработкой. Его отличительной чертой является нанесение критического буферного слоя поверх подложки, что делает этот процесс экономически целесообразным. При использовании этого способа получается твердый, но гибкий металл, в котором атомы не выровнены ни в каком направлении. Поверх этого металла наносится несколько слоев, которые полностью аморфны и у которых нет кристаллической структуры. На следующем этапе наносится еще один слой (наименованный IBAD), в котором все атомы выровнены во всех направлениях, а поверх него — несколько других слоев, которые венчает сверхпроводник. В итоге сегодня для изготовления сверхпроводящих проводов большой длины компании используют либо процесс RABiTS, либо процесс IBAD на основе LMOЕ.
Когда была завершена работа над новой технологией, мы поняли, что для ее практического применения необходимо повысить производительность проводов — увеличить количество тока, которое провода могут переносить в высоких магнитных полях. Для этого необходимо было сделать так, чтобы внутри каждого провода на нано-уровне находились колонки, не являющиеся сверхпроводящими. Единственным до недавнего времени способом являлась бомбардировка провода в ускорителе с помощью тяжелых ионов — однако использование этого метода не только затратен, но и оборачивается радиоактивным заражением металла. Поэтому мы придумали иной процесс — 3D-самосборку, при которой, на стадии роста слоя сверхпроводника, нужные дефекты создаются автоматически. И эта технология уникальна: на сегодняшний день она используется во всем мире для изготовления самых высокопроизводительных проводов.ъ
— Где используются высокотемпературные сверхпроводники и как они улучшают работу электроэнергетики?
— Если говорить о производстве энергии, то в последние два-три года большой интерес вызывает возможность коммерческого ядерного синтеза, которая появилась благодаря созданию проводов, о которых я сейчас говорил. До их внедрения проводники были низкотемпературными: для их применения нужно было сильно понизить температуру, при этом магнитное поле, которое они могли сгенерировать, было очень низким. Теперь с помощью созданных нами проводов можно создавать высокое магнитное поле, способное удерживать ядерную плазму. Другим примером сверхпроводящие морские турбинные ветрогенераторы, которые по своей мощности вдвое превосходят обыкновенные ветряки.
Что касается передачи энергии, то здесь технология высокотемпературных сверхпроводников находит еще более широкое применение. К примеру, с ее помощью можно производить сверхпроводящие кабели, позволяющие передавать большое количество энергии без потерь; и это очень важно, учитывая, что в США потери при передаче электроэнергии превосходят объем ее потребления в Африке. Другая сфера — телекоммуникационная отрасль, которая была полностью модернизирована с помощью оптоволоконного кабеля, что позволило добиться фантастического качества связи при звонках из разных частей света. Еще одна область — накопление энергии: как в форме тока (для этого используется сверхпроводящий накопитель магнитной энергии), так и в форме механической энергии (система маховика).
Последний способ, о котором бы я хотел поговорить, — это электрические корабли и самолеты. Внедрение сверхпроводящих материалов может снизить электрическое сопротивление и сделать возможным передачу тока без каких-либо потерь. В сочетании с жидким водородом и криогенными температурами это становится действительно довольно интересным. Я напомню, что в нынешнем году в России на базе Як-40 был создан первый в мире самолет со сверхпроводящим электрическим авиадвигателем.
— Учитывая тренд на экологичность, доминирующий сегодня в глобальной энергетике, в какой степени использование высокотемпературных сверхпроводящих материалов соответствует целям устойчивого развития ООН?
— Сверхпроводимость является конечной технологией энергосбережения, и ее практическая реализация будет способствовать значительному сокращению выбросов CO2, а также оптимизации очистки воды, сокращению отходов и подготовке к стихийным бедствиям. Для примера, давайте возьмем рециркуляцию воды в компактных системах из сточных и подземных вод. Какое отношение к этому имеют сверхпроводники? Системы магнитной сепарации на основе сверхпроводников уже используется для отделения взвешенных твердых частиц с помощью магнитной силы.
— И последний вопрос: как сверхпроводники (особенно высокотемпературные) могут помочь людям в обычной жизни?
— Большинство высокотемпературных сверхпроводников не используются в потребительских товарах, поскольку они требуют охлаждения до температуры жидкого азота. Но они имеют большое значение в городской среде, начиная от очищения воды до производства, передачи и хранения энергии. Найти применения они могут и в отдаленных поселениях — в частности, в распределенной генерации или все тех же системах очистке воды и хранения энергии.
