Электричество — кровь современного города. Сотни мегаватт энергии протекают по артериям, венам и капиллярам из меди и алюминия. Но если человеку собственная кровеносная система никак не мешает, то для мегаполиса километры проводов могут стать настоящей удавкой.
К примеру, Москву опутывает один миллион 270 тысяч метров воздушных линий электропередачи, а под ними — ни много, ни мало — 9 тысяч гектар земли санитарно-защитной зоны, где никто не живет. Но вырвать города из кабельных пут можно. Эта металлическая лента толщиной всего в полмиллиметра, новая разработка российских ученых, может выдержать силу тока в 500 ампер.
"Если сравнивать с обычным медным проводом, то токонесущая способность этой сверхпроводящей ленты в сто раз больше", — поясняет профессор химического факультета МГУ Андрей Кауль.
"Кабель, в котором используются ленты на основе высокотемпературных сверхпроводников, с диаметром только в 15 сантиметров может заменить собою ЛЭП", — добавляет генеральный директор ЗАО "СуперОкс" Сергей Самойленков.
Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов, которое возникает при крайне низкой температуре, а точнее при — 270 градусах Цельсия. Уже сто лет ученые пытаются найти способ, чтобы переход в сверхпроводящее состояние происходил при более высокой температуре, в идеале — при комнатной, поэтому когда в 1986 году швейцарцы Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли сверхпроводники, работающие на жидком азоте и -195, они тут же получили Нобелевскую премию, а такие сверхпроводники справедливо стали называть высокотемпературными.
"Сверхпроводники отличаются от нормальных металлов своей температурной зависимостью сопротивления, — продолжает Андрей Кауль. — Если для нормальных металлов эта зависимость оказывается линейной функцией температуры и исходит из нуля, то для сверхпроводников эта зависимость в определенный момент обрывается, и сопротивление это становится равным нулю или близким к нулю величиной. Это дает возможность при температуре ниже так называемой "критической температуры" использовать этот сверхпроводник для передачи огромных токов и огромных мощностей электрических без потери на сопротивление. Приводит к огромной экономии электричества".
Наверное, более простым, ненаучным, языком значимость сверхпроводников могут объяснить практики, то есть те люди, которые прокладывают и обслуживают кабельные электросети каждый день.
"Представьте себе бензовоз, который везет топливо, но не имеет своего топливного бака, а питается топливом из цистерны, которую он транспортирует, — говорит главный инженер второго района Московских кабельных сетей Сергей Лосев. — Ну, и с электроэнергией то же самое происходит. При условии, что сети МОЭСКа в год передают порядка 80 гигават, на потери уходит 2,4 гигавата. Этой мощности хватит, чтобы питать город средних размеров в течение года".
Московский государственный университет. Спустя год после открытия, сделанного швейцарскими физиками, именно здесь, на химическом факультете, была создана первая рабочая группа по изучению новых сверхпроводников. Сверхзадача, которая стояла перед учеными, – разработать технологию для практического применения этих материалов, ведь сам по себе сверхпроводник — это не кусок провода, а сложное химическое соединение толщиной всего в полтора микрона, состоящее из атомов кислорода, меди, бария и еще некоторых редкоземельных элементов.
"Мы очень хорошо владеем химией этих соединений, умеем управлять их летучестью, умеем переводить их в состояние пара и умеем этим паром управлять настолько совершенно, что мы можем осаждать такие вот слои желаемого состава на подложки и управлять их свойствами", — утверждает Андрей Кауль.
Первый прорыв в технологии создания реальных электротехнических материалов из сверхпроводников пришел вместе с идеей делать их на тонкой ленте из никелевого сплава. Во-первых, такая лента не намагничивается, что обязательно для сверхпроводимости, а, во-вторых, этот никелевый сплав достаточно дешев, что тоже немаловажно для разработок, претендующих на масштабное производство.
"Но обладание подложкой еще не обеспечивает успеха в этом вопросе, — отмечает Андрей Кауль. — Главное заключается в том — как, каким образом наносится вот этот сверхпроводящий слой и подготовительные буферные слои, которые наносятся непосредственно на подложку. Мы используем тот метод, над разработкой которого трудились очень давно. Это метод осаждения тонких оксидных пленок из паров химических летучих соединений".
Немало времени, сил и средств ушло на конструирование и производство специальной аппаратуры, которая позволила бы воплотить идеи ученых в реальные изделия. Следующий шаг – масштабное производство сверхпроводников, которое бы приносило не только чисто научный, но и коммерческий успех, был реализован совместно с департаментом науки и промышленной политики города Москвы. На базе технопарка "Слава" построена и уже функционирует линия, на которой можно делать около 100 километров такой сверхпроводящей ленты в год.
"Технопарк "Слава" — это 30 тысяч квадратных метров производственных площадей, — рассказывает его генеральный директор Виктор Шкреда. — Это территория, где, в первую очередь, мы даем пространство для развития инновационных компаний. Резиденты должны заниматься исследованиями, разработкой и опытным производством".
"Конкурентное преимущество перед западными коллегами заключается в том, что нам удалось создать модульное, очень компактное производство, которое может быть за очень короткое время увеличено в любое количество раз", — добавляет генеральный директор ЗАО "СуперОкс" Сергей Самойленков.
Теперь, собственно, о том, как делают сверхпроводники в промышленных масштабах. Со стороны все действия сотрудников предприятия больше напоминает работу киномехаников. На самом деле это очень сложный и технологичный процесс. Лента из никелевого сплава, которая поставляется с металлургического завода, наматывается на специальные бобины. Для соединения различных участков здесь можно применять только высоковольтную контактную сварку. Затем ленту пропускают через три ультразвуковые ванны. В одной из них — очищающий раствор, в двух других – дистиллированная вода.
Если на поверхности ленты будет хотя бы одна царапина или шероховатость, сверхпроводник работать не будет, поэтому следующий обязательный этап — операция по электрополированию. Темно-зеленая жидкость – электролит с большим содержанием различных кислот. Проходя через него, лента полируется до зеркального блеска и отправляется на следующую установку, где наносится первый оксидный слой.
"Один из важных этапов — нанесение первых буферных слоев на металлическую ленту, — поясняет технолог ЗАО "СуперОкс" Ирина. — Для этого мы используем раствор прекурсора такого интересного цвета. Сам процесс состоит в том, что лента опускается в этот раствор, как бы обмакивается. В дальнейшем полученная пленка на этой ленте попадает в зону сушки и отжига, и в конечном итоге мы получаем уже необходимый нам оксид на металлической ленте. То есть получаем этот продукт".
Таким образом, на ленту слой за слоем наносятся все необходимые элементы, после чего ее можно применять в различных устройствах или при изготовлении сверхпроводящих кабелей.
"Такой кабель не имеет электромагнитного излучения в отличие от традиционных линий электропередачи, и поэтому совершенно безопасен, — говорит Сергей Самойленков. — Он передает электрическую энергию практически без потерь, что сильно улучшает энергоэффективность".
Самый амбициозный проект с использованием кабеля такого типа сегодня реализуется российскими энергетиками. Через два года в Санкт-Петербурге должна появиться самая длинная в мире сверхпроводниковая линия электропередач – 2,5 километра.
"В Москве тоже ведется работа по прокладке сверхпроводимого кабеля, — сообщает руководитель Департамента топливно-энергетического хозяйства города Москвы Павел Ливинский. — Это пилотный проект на подстанции "Динамо". Длина кабельного участка — 200 метров. Если он покажет свою результативность, то в дальнейшем можно будет говорить уже о более глубокой работе, о соответствующих заказах и применении его в промышленной эксплуатации".
В будущем сверхпроводниковая трансформация должна произойти не только с линиями электропередачи, но и с многочисленными трансформаторными подстанциями. Сейчас это достаточно громоздкие сооружения с легковоспламеняющимся масляным охлаждением. Любой перегрев и пожар на такой подстанции не остановить.
"Сверхпроводящие трансформаторы на основе наших сверхпроводников, которые вполне могут быть изготовлены уже сейчас, примеры этого есть в мировой практике, принципиально не горят, потому что они охлаждаются жидким азотом, который сам по себе горения не поддерживает, и более того — может препятствовать возникновению огня", — объясняет Андрей Кауль.
На химическом факультете МГУ работа над сверхпроводниками продолжается полным ходом. Одно из наиболее интересных направлений – транспорт. "Мы помещаем подложку, на которой закреплены 20 пятисантиметровых кусочков ленты, в емкость, в которую заливаем жидкий азот, после чего лента переходит в сверхпроводящее состояние, — рассказывает аспирант факультета науки о материалах МГУ Андрей Харченко. — Когда наша лента в сверхпроводящем состоянии, если ее поместить на постоянный магнит, то проявляется эффект диамагнетизма".
Магнито-левитационные поезда, которые работают по схожему принципу, уже существуют. Например, в Японии и Китае. Там тоже применяются сверхпроводники, но только старого образца — низкотемпературные, те, которые работают на дорогом гелии. А транспорт, созданный с применением таких технологий (модель поезда переворачивается вниз головой и держится в воздухе), возможно, вообще перевернет представление о наземном транспорте.
"Естественно, без помощи государства сделать первые шаги, убедить большой бизнес, что это нужно, достаточно непросто, — констатирует Сергей Самойленков. – Естественно, появление госзаказов или государственных программ, которые неплохо вписываются, надо сказать, в инвестиционные планы по модернизации энергетических сетей или транспортной системы в нашей стране, несомненно, это было бы очень полезным. И мы с надеждой смотрим в будущее".
Судьба внедрения крупных научных открытий почти всегда похожа. Например, с момента открытия полупроводников до их появления во всех современных компьютерах прошло почти полвека. И если сверхпроводники появятся в наших городах повсеместно лет этак через 25, это будет естественным ходом технического прогресса. Главное — не забывать о еще одной закономерности: если производителям дать возможность работать и зарабатывать сегодня, инновационная технология будет развиваться, становиться дешевле, а значит, и доступнее.
