Снижение потерь в 150 раз: что мешает заменить линии передач сверхпроводящим кабелем

Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффе в 1957 году смоли описать, как действует механизм сверхпроводимости. Но несмотря на всеобщее признание, теория БКШ (по первым буквам фамилий авторов) не смогла ответить на несколько принципиально важных вопросов.

Прежде всего она не объясняла, почему сверхпроводимость для разных материалов возникает при разных температурах. Теоретики показали, что если она обусловлена только фононным взаимодействием электронов, то разброс критических температур должен быть невелик.

Однако в 1986 году научные сотрудники корпорации IBM открыли, что в смешанной керамике сверхпроводимость возникает при гораздо более высоких температурах, чем в случае металлов.

Через год советские ученые обнаружили, что оксид иттрия-бария-меди, который мы обсуждали ранее, переходит в состояние сверхпроводника при –181°C, что на 15 градусов выше границы кипения жидкого азота.

На уровне квантов: кто смог объяснить механизм возникновения сверхпроводимости

Лаборатории по всему миру начали активный поиск высокотемпературных сверхпроводников. Выяснилось, что для некоторых материалов явление обнаруживается, если ко всему резко поднять давление. Новым «рекордсменом» сегодня считается гидрид серы с примесью углерода (Carbonaceous sulfur hydride, CSH).

Два года назад группе ученых из Рочестерского университета в США удалось добиться сверхпроводимости этого вещества при «комнатной» температуре (+15°C) — правда, давление вокруг образца пришлось повысить до 2,67 миллиона бар!

Особый интерес вызывают наноматериалы — в них сверхпроводимость «запустить» оказалось гораздо проще. Например, в 2018 году индийские физики сообщили, что наблюдали ее в наноструктурированном серебре на золотой подложке — при нормальном давлении и температуре всего-то –37°C.

Хотя ученые все еще не разобрались до конца в факторах, определяющих сверхпроводимость, явление нашло применение в различном оборудовании.

Например, давно освоена технология производства катушек с нулевым сопротивлением, позволяющих получить магнитные поля большой мощности, которые используются при создании ускорителей элементарных частиц и аппаратов медицинской диагностики.

Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает его привлекательным для доставки энергии: один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая обычно требует цепи линий электропередачи с несколькими кабелями большой толщины (потери можно снизить в 150 раз!).

К сожалению, через сверхпроводящий кабель необходимо постоянно прокачивать жидкий азот, что делает всю систему технологически сложной. Тем не менее в июне 2008 года первую коммерческую электромагистраль, по строенную на этом принципе, запустили на Лонг-Айленде в Нью-Йорке.

Большие перспективы открывает использование сверхпроводников в квантовых компьютерах. Главной проблемой таких машин является очень короткий срок работы вычислительной ячейки (кубита), что приводит к ошибкам. Создание сверхпроводящих ячеек помогает значительно увеличить время их «жизни» в функциональном состоянии.

Трудно предсказать, в каких еще областях будут востребованы «чудеса» сверхпроводниковых технологий. Но не приходится сомневаться: их история в научно-техническом прогрессе человечества только начинается.

Антон Первушин