С 16 по 19 сентября 1975 года в Крыму, в Алуште, проходила первая в нашей стране всесоюзная конференция по техническому использованию сверхпроводимости. О задачах этой конференции рассказал на страницах газеты «Правда» директор Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, ныне президент Академии наук СССР Анатолий Петрович Александров.
В нашей стране проводится много всесоюзных и международных совещаний, симпозиумов, конференций по различным отраслям науки, так что еще один обмен мнениями между учеными никого не должен бы удивить. Но тем не менее эта конференция знаменовала собой новый этап в той отрасли, о которой раньше мечтали лишь фантасты, и уже по одному этому заслуживала особого внимания. Впрочем, начнем по порядку.
В начале нашего столетия ученые начали штурм «температурной пропасти» — абсолютного нуля температуры, нуля градусов по шкале Кельвина. Предполагается, что такая температура царит в мрачных глубинах космоса. Была поставлена цель — получить ее на Земле. Определено было и единственно возможное для этого средство — сжижать и замораживать газы. Один за другим «сдавались» воздух, кислород, азот. Все ниже и ниже падала температура, подбираясь к абсолютному нулю. И вот остался только один, самый «упрямый» газ — гелий, который никак не хотел сжижаться. В конце концов многие ученые махнули на него рукой. И только самые упорные продолжали попытки укротить гелий. Одним из них был голландский ученый Ка-мерлинг-Оннес, первый в 1908 году одержавший победу. Для этого ему пришлось довести гелий до минус 271 градус Цельсия. До абсолютного нуля оставалось около четырех градусов.
Естественно, получение низких температур — не самоцель. Они нужны для выявления свойств веществ. И Камерлинг-Оннес начал исследовать, как ведут себя различные вещества, как протекают различные процессы в столь необычных условиях. Результаты оказались ошеломляющими. Самая прочная сталь, опущенная в жидкий гелий, становилась настолько хрупкой, что разлеталась от легкого удара. Такой же хрупкой становилась и резиновая лента: все попытки растянуть, сжать или перекрутить ее кончались одним — резина разлеталась в пыль. Но самое поразительное было впереди. Испытав множество веществ, ученый дошел до ртути. При комнатной температуре ртуть жидкая, но уже при минус 39 градусов она затвердевает, и ее можно ковать, резать, прокатывать. Камерлинг-Оннес заморозил немного ртути, вытянул ее в проволочку и поместил в сосуд с жидким гелием. Комплекс испытаний показал, что ртуть ведет себя так же, как и любой другой металл. Но так было только до тех пор, пока ученый не стал измерять ее электрическое сопротивление. Сопротивления не было! Снова и снова пораженный ученый снимал показания приборов, ломая голову, где же он мог ошибиться. Но наконец пришлось смириться с сумасшедшим фактом: ртуть, помещенная в жидкий гелий, не оказывала электрическому току никакого сопротивления. Ток днями, неделями продолжал течь по проволоке, хотя его ничто не питало извне, и величина его ничуть не убывала.
Да что писатели! Начиная с 1911 года ученые всего мира мечтают о создании электромагнитов, не расходующих энергию высоковольтных линий электропередач, доносящих ток до потребителя практически без потерь, о мощных электрических генераторах и двигателях и, разумеется, о сверхаккумуляторах... И не только мечтают, но и упорно работают над тем, чтобы мечты стали реальностью.
Первым эту работу начал сам Камерлинг-Оннес. Несколько лет он затратил на то, чтобы создать сверхпроводящий соленоид — катушку электромагнита. И потерпел неудачу. У сверхпроводимости очень капризный характер. Достаточно пустить по сверхпроводнику сильный электрический ток, как магнитное поле проводника «уничтожает» сверхпроводимость. Возникает впечатление, что магнитное поле проводника и сверхпроводимость — вещи несовместимые, как горячая вода и лед. Также сверхпроводимость исчезала и при малейшем повышении температуры. А поскольку получать жидкий гелий непросто даже в наши дни, когда наука оснащена мощной холодильной техникой, то ясно, каких исключительных усилий требовал каждый эксперимент.
И все же перспектива иметь материалы с электросопротивлением, равным нулю, была очень заманчивой. Такие материалы сулили возможность решать новые технические задачи — создавать при малых затратах энергии магнитные поля высокой напряженности в очень больших объемах, существенно повышать удельную мощность электрических машин, строить сверхмощные электрогенераторы для завтрашней атомной энергетики. И все больше и больше ученых всего мира включались в поиски. Невозможно даже приблизительно подсчитать, сколько было проведено экспериментов и сколько тонн самых различных металлов «изведено» за это время. Задача формулировалась до крайности «просто»: найти металл или сплав, который сохраняет сверхпроводимость при относительно высокой температуре. Тогда при низких температурах он будет выдерживать магнитные поля большой интенсивности. Эти поиски длились десятки лет. И ученые добились своего! В тридцатых годах удалось обнаружить сплавы, так называемые сверхпроводники второго рода. Они отличаются от чистых металлов — сверхпроводников первого рода — тем, что сохраняют свои качества при значительно более высокой напряженности магнитного поля.
Первые крупные достижения в создании низкотемпературной техники связаны с трудами академика П. Л. Капицы и его школы физиков-экспериментаторов. В 1957 году удалось создать теорию сверхпроводимости, достаточно полно объясняющую все аспекты этого явления. Значительный вклад в создание этой теории внесли советские физики-теоретики В. Л. Гинзбург, Л. Д. Ландау, А. А. Абрикосов, Л. П. Горьков. На основе этой теории в начале шестидесятых годов были открыты материалы, названные жесткими сверхпроводниками второго рода. Они способны, не теряя сверхпроводимости, нести постоянные токи в десятки и сотни тысяч ампер на квадратный сантиметр при напряженности магнитного поля в сотни тысяч эрстед.
Сейчас уже открыто около 30 металлов и несколько тысяч сплавов, обладающих сверхпроводимостью. Некоторые из этих сплавов не теряют своих качеств вплоть до температуры в 20 градусов абсолютной шкалы. А такую температуру уже можно получать и использовать в промышленных условиях. Советские ученые создали сверхпроводящие материалы на основе сплавов: ниобий-цирконий, ниобий-титан, ванадий-титан, ниобий-цирконий-медь, ниобий-цирконий-вольфрам, ниобий-цирконий-олово, ниобий-титан-медь и др. В начале 60-х годов, через 50 лет после открытия Камерлинг-Оннеса, группа сотрудников Института металлургии АН СССР и Физического института АН СССР разработала технологию получения сверхпроводящей проволоки из ниобий-циркониевого сплава и изготовила сверхпроводящий соленоид. Сбылась мечта фантастов о создании сверхмощных магнитов! Изготовленные советскими учеными сверхпроводящие соленоиды образуют магнитные поля напряженностью в 150 тысяч эрстед, что примерно в 300 тысяч раз превышает напряженность магнитного поля земного шара! Но ученые говорят, что это лишь первые шаги.
Для сверхпроводящего соленоида нужен только первоначальный энергетический «толчок» — подается электроток, и соленоид «окутывается» магнитным полем. Теперь питание можно отсоединить, ток в соленоиде будет циркулировать без подвода энергии сколь угодно долго, лишь бы поддерживалась необходимая низкая температура. Представьте себе такой электромагнит в мощном энергетическом генераторе. Ну чем не вечный двигатель? Но, разумеется, с вечным двигателем он ничего общего не имеет.
У нас в стране налажено производство сверхпроводящих электротехнических материалов. Многожильные провода и кабели, например из ниобий-титановых и ниобий-оловянных сплавов, способны нести ток в сотни тысяч ампер, причем магнитные поля, образуемые этими токами, достигают сотен тысяч эрстед. Эти показатели в сто раз выше, чем у меди, применяемой для обмоток мощных электрических машин. Но энергетика уже требует оборудование гораздо мощнее того, что удается изготовить из обычных материалов. А что значит повысить мощность? Если использовать привычные, «традиционные» свойства металлов, то приходится создавать весьма громоздкие конструкции, пожирающие к тому же огромное количество энергии. Гигантомания подошла к своему пределу: увеличивать дальше размеры машин уже и практически трудно, и экономически не выгодно. Сейчас только несведущие в технике люди восхищаются, скажем, гигантскими синхрофазотронами, хотя еще совсем недавно о них с восторгом говорил весь мир. Их внешний диаметр измеряется сотнями метров, масса электромагнита — десятками тысяч тонн. Для их питания требуется столько же энергии, как для снабжения крупного города. Что и говорить, цифры вызывают почтение. Ну, а результаты?
Наш крупнейший ускоритель частиц в Протвино под Серпуховом сообщает протонам энергию в 76 миллиардов электрон-вольт. И этого уже ученым мало. Выдвигаются идеи создания синхрофазотронов следующего поколения, которые бы разгоняли частицы до энергии в два-три триллиона электрон-вольт. Но для сооружения такой громадины надо затратить фантастическую сумму денег, которую «не потянет» ни одно государство.
Вот тут-то и выдвигается на первый план сверхпроводящий соленоид. Он открывает такие возможности, что все существующие гиганты выглядят перед ним безнадежно устаревшими.
Размеры синхрофазотрона находятся в обратной зависимости от достижимой интенсивности магнитного поля. Чем большую интенсивность удается получить, тем меньше могут быть размеры. А каждый килограмм веса современного сверхпроводящего магнита создает магнитное поле, равное полю двадцатитонного обычного магнита с железным сердечником. Один килограмм — и двадцать тонн! Вот и представьте, насколько можно уменьшить размеры ускорителей и их стоимость.
Сверхпроводящие соленоиды уже доказали свои преимущества не только теоретически, но и на практике. При их работе затраты электроэнергии на питание магнита, даже вместе с поддержанием температуры жидкого гелия, в сотни раз меньше, чем при работе обычных систем. Так, например, самая крупная сверхпроводящая система на сегодняшний день работает на жидководородной пузырьковой камере Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), создавая в камере магнитное поле. Мощность, потребная для этой системы, всего лишь 100—150 киловатт. Если бы применялся обычный водоохлаждаемый магнит, потребовалось бы 50—60 тысяч киловатт!
На мощные сверхпроводящие магниты сейчас возлагают большие надежды физики, работающие над проблемой управляемых термоядерных реакций. Плазма для получения такой реакции должна иметь температуру около одного миллиарда градусов при давлении в 120 атмосфер. Естественно, любые стены, даже из самой лучшей жароупорной стали какой угодно толщины, при этих условиях расплавятся и потекут. Удержать такую плазму способны только сверхсильные магнитные поля, а создать их в сравнительно небольших объемах могут лишь сверхпроводящие соленоиды.
Сейчас исследуется возможность использования сверхпроводящих магнитных систем для магнитогидродинамических генераторов, где тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую. Коэффициент полезного действия МГД-генераторов сейчас уже выше, чем при традиционной схеме получения электроэнергии. Но применение сверхпроводящих магнитов позволит сделать его еще значительно больше.
Еще одна область техники будущего — создание сверхпроводящих линий электропередач. Сейчас при транспортировке по проводам бесполезно теряется около 12 процентов энергии, выработанной электростанциями. Это огромнейшее количество. Подсчитано, что потери за пятьдесят лет составили примерно столько же, сколько было выработано электроэнергии в 1950 году. Сверхпроводимость позволит свести эти потери практически к нулю. Кстати, исследования в этой области ведутся совместно с американскими специалистами. Они принимали участие в работе конференции в Алуште, с которой мы начали эту главу.
Не так давно в зарубежной печати появились сообщения о защите космических кораблей с помощью все тех же сверхпроводящих соленоидов. Для космонавтов представляют большую опасность солнечные вспышки, во время которых выбрасывается поток протонов. Но во время такой вспышки происходит и резкое увеличение количества радиоволн, излучаемых солнцем. Радиоволны, как известно, распространяются со скоростью света, протоны летят гораздо медленнее. Поэтому установленный на космическом корабле регистратор радиоизлучения солнца успеет заблаговременно включить мощный сверхпроводящий соленоид, магнитное поле которого отклонит протоны в сторону. Такой соленоид будет отлично работать в холоде космического пространства.
Очень долго пришлось бы перечислять все возможные сферы применения сверхпроводимости. Тут и создание электрогенераторов и электродвигателей огромной мощности, и ЭВМ, и лазеры, и телескопы, и многие электронные приборы, и гироскопы, и подшипники без трения, всего и не перечислишь. Остановимся еще лишь на двух примерах применения.
В СССР, США, Японии, ФРГ ведутся интенсивные исследования по применению сверхпроводимости на железнодорожном транспорте.
Речь идет о скоростных поездах на «магнитной подвеске». Мощное магнитное поле, созданное сверхпроводящей магнитной системой, сможет удерживать вагоны на весу, над металлическим рельсом, и одновременно двигать их вперед. При этом скорость поездов может достигнуть 500 километров в час. Это будет всепогодный транспорт большой грузоподъемности, который составит серьезную конкуренцию авиации.
