Как сверхпроводники помогут найти темную материю и запустить сверхскоростные поезда
Людям свойственно стремиться жить лучше. Каждому это «лучше» представляется по-своему: кто-то думает о четырехразовом питании, кто-то о том, чтобы проводить зиму в Таиланде, кто-то о машине, даче и т. д. У каждого свои критерии. Но есть универсальный критерий, который усредняет все остальные — он выражается в количестве энергии, потребляемой на одного человека.
По этому показателю наша страна далеко не на первом месте. Мы, например, раза в два-три отстаем от Соединенных Штатов. И это связано с различными обстоятельствами. Но если бы каждого человека на Земле снабдить таким количеством энергии, какое потребляет средний американец (здесь надо понимать, что в эту энергию входит все: бензин, продовольствие, электричество и пр.), то наша планета просто не выдержала бы.
Такой экстенсивный путь развития, когда строятся электростанции, наращивается производство энергии, добывается все больше нефти и газа — тупиковый. Может быть, не сегодня-завтра — мы еще обнаруживаем новые залежи ископаемых — но когда-нибудь он обязательно заведет человечество в тупик. Существует и интенсивный путь, который позволяет двигаться вперед в смысле улучшения качества жизни. Среди всего прочего он подразумевает рациональное расходование энергии.
И здесь очень полезным оказывается такое явление, как сверхпроводимость.
Давайте вспомним, что в России большая часть электроэнергии производится достаточно далеко от европейской части страны, а потребляется, наоборот, в европейской части. То есть, возникает проблема доставки. Существующие высоковольтные ЛЭП неэффективны на расстояниях более 1000-1500 километров из-за огромных потерь энергии. А в низковольтных линиях передачи электроэнергия тратится на нагрев проводов. Решить проблему передачи электроэнергии на большие расстояния позволили бы линии на основе сверхпроводников.
Вторая проблема — это сбои в электроснабжении. В России они происходят не так часто. А в тех же США, например, энергетические сети мелкие, поэтому сбои происходят буквально каждый месяц. Это диктует необходимость создания накопителей электроэнергии, которые должны компенсировать скачки при переключении из одной сети в другую. И здесь очень помогают сверхпроводящие накопители энергии и ограничители тока короткого замыкания.
Сейчас, когда существуют высокотемпературные сверхпроводники, в которых сверхпроводимость реализуется уже при температуре 93 градуса по шкале Кельвина (–180 градусов по Цельсию), изготовление сверхпроводящих линий передач, казалось бы, должно быть достаточно недорогим. Но нет. Проблема заключается в том, что сам материал сверхпроводника (оксид меди с редкоземельными элементами) очень анизотропен (его свойства зависят от направления, в частности, относительно осей кристаллической решетки). Он может пропускать большой ток только в базисной плоскости кристалла, а в поперечном направлении намного меньше. Поэтому этот материал нельзя в виде порошка со случайной ориентацией зерен просто заключить в трубу, прокатать и получить провод. Порошок нужно уложить на ленту так, чтобы все зерна имели ось наименьшей проводимости перпендикулярно плоскости ленты.
Это очень дорогая технология. Поэтому на сегодняшний день лента американского производства шириной 1 см, которая пропускает ток силой в 100 ампер при температуре жидкого воздуха, стоит примерно $15 за метр. В России уже тоже производят такую ленту, и она немного дешевле.
Но лента — это далеко не все. Множество таких полосок свивают в кабель, попеременно изменяя направление скрутки. Все это наматывается поверх трубы, внутри которой будет течь охлаждающий жидкий воздух. Снаружи — упрочняющие ленты и изоляция. Получается сложнейшая конструкция. В результате, с учетом затрат на производство и на охлаждение, стоимость таких кабелей оказывается выше медных раз в пять.
Поэтому сверхпроводимость на сегодняшний день не имеет глобального распространения.
Однако масштаб планируемого применения сверхпроводников в электроэнергетике можно проиллюстрировать таким фактом: в Китае интенсивно развиваются проекты по созданию около 35 линий передач с пропускной способностью до нескольких гигаватт, которые должны быть закончены до 2020 года.
Примечателен пример применения сверхпроводимости на транспорте. Автомобиль или поезд на магнитной подушке — это давняя мечта. Реализация такой идеи избавит движение транспортного средства от трения, возникающего при соприкосновении колес с поверхностью, что позволит развить большую скорость, уменьшить выброс углекислого газа в атмосферу, снизить шум и так далее.
Наиболее известен проект, который уже более 15 лет реализуется в Японии. Там существует железная дорога от Токио до Нагои и от Нагои до Осаки. Это дорога длиной около 300 километров, и по ней курсирует известный поезд — синкансэн — со средней скоростью чуть меньше 300 км/ч. Но им этого мало. Потому что далеко не все люди согласны проводить более часа в поезде. Многие предпочитают самолет, а самолет — это главный источник загрязнения воздуха. Поэтому параллельно с этой дорогой на участке в 40 километров построена линия, на которой в опытном порядке в течении многих лет эксплуатируется поезд на магнитной подушке, развивающий скорость до 600 км/ч. Проект показал свою эффективность, и теперь вся дорога переводится на магнитную подушку (конечно, с использованием сверхпроводников).
В нашей стране применение транспорта на магнитной подушке могло бы быть еще более широким, чем в Японии, потому что у нас проблема расстояний одна из самых больных.
Другой пример области, где высокотемпературная сверхпроводимость может быть успешно использована — это очистка воды. Казалось бы, какое отношение грязная вода имеет к сверхпроводимости? Очень просто. Химики синтезировали соединения, содержащие железо, которое очень хорошо поглощает бактерии. Подсыпая этот порошок в воду, можно коагулировать все грязные вещества, а потом, прокачивая воду через сильное магнитное поле, ее очищать. Этот способ эффективно работает.
Еще одна неожиданная область, где используется сверхпроводимость — это ветрогенераторы. Для средней равнинной части нашей страны они не так актуальны, а в странах с большой прибрежной линией ветрогенераторы занимают все бо́льшую долю в производстве электроэнергии. Пропеллер и сам вал у такого ветрогенератора крутятся очень медленно. Поэтому обычные способы преобразования механической энергии в электрическую не очень эффективны. И здесь машины со сверхпроводящими обмотками обеспечивают повышение КПД.
Наконец, применение сверхпроводников во всевозможных электромоторах с вращающимся якорем обеспечивает снижение их веса и габаритов. Это очень важно для морских судов и авиации. В транспорте высокотемпературная сверхпроводимость вообще имеет много ниш для успешного применения.
Кроме того, существует еще целый ряд областей, где «за ценой не постоят».
Это научные исследования, оборона, военная промышленность. В международных проектах термоядерного реактора или Большого адронного коллайдера используются сотни тонн сверхпроводников — из них сделаны магниты, которые удерживают плазму или быстрые частицы. Но эти проекты создавались еще в то время, когда технология сверхпроводимости была в младенческом возрасте. Поэтому там используются низкотемпературные сверхпроводники, работающие при температурах жидкого гелия. Если бы адронный коллайдер проектировался в настоящее время, возможно, магниты были бы изготовлены на основе высокотемпературных сверхпроводников.
Вспомним другой замечательный научный проект — эксперимент по поиску темной материи, на долю которой по приблизительным расчетам приходится около 4/5 всего вещества во Вселенной. Ее никто не видел, никто не поймал, никто не понимает, как она устроена. Существует масса теоретических предположений, придуманы даже названия частиц, из которых должна состоять темная материя, например аксионы и хамелеоны.
Аксионы должны иметь нулевой заряд и принадлежать к семейству бозонов, а в магнитном поле распадаться на фотоны — на чем и основаны экспериментальные попытки их обнаружения. Хамелеоны тоже должны относиться к семейству бозонов, а масса их должна зависеть от окружения. В межгалактическом пространстве масса хамелеона мала, а в экспериментах на Земле должна быть велика. Хамелеон может быть заперт в контейнере с пористыми стенками, так как при приближении к стенкам его масса возрастает.
Для поиска загадочных аксионов строят экспериментальную установку. Она будет состоять из большого количества магнитов, которые создают поле с индукцией в 5-7 Тесла. И здесь для создания магнитного поля тоже будут необходимы сверхпроводники.
