Пионеры сверхпроводимости
Сверхпроводники, которые разрабатывают и производят в России: вчера, сегодня, завтра
В конце декабря 2022 года исполнилось 50 лет с того дня, когда во ВНИИНМ по решению академика А. А. Бочвара была создана специальная лаборатория по разработке технических сверхпроводников.
Как все начиналось
Годом начала разработки технических сверхпроводников в мире считается 1961-й, когда был открыт метод Кюнцлера, впервые позволивший получить длинномерную сверхпроводящую проволоку, использованную для изготовления сверхпроводящего соленоида. В том же году академик Исаак Константинович Кикоин (Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова) предложил директору ВНИИНМ Андрею Анатольевичу Бочвару заняться разработкой сверхпроводящих материалов. С позиции сегодняшнего дня мы можем оценить огромную заслугу академика Бочвара: он, как выдающийся ученый, сумел увидеть перспективу и важность нового направления и понять, какую пользу это может принести в будущем отечественной науке и технике.
До 1972 года тематикой сверхпроводимости занимались несколько групп специалистов из различных подразделений ВНИИНМ, было проведено большое количество исследований, получены опытные и промышленные образцы сверхпроводников. Эти результаты были положены в основу деятельности специальной лаборатории, созданной в отделении под руководством доктора технических наук Анатолия Дмитриевича Никулина, который был организатором и вдохновителем этого направления более 30 лет, с самого начала работ и до последнего дня его жизни. Эстафету подхватил его ученик и последователь доктор технических наук Александр Константинович Шиков, которого хорошо знали и ценили специалисты не только в нашей стране, но и за рубежом, где его даже прозвали «мистер Сверхпроводимость».
Первые успехи
Первым успешно осуществленным проектом лаборатории в сотрудничестве с другими организациями — Институтом атомной энергии им. И. В. Курчатова (ИАЭ), Ульбинским металлургическим заводом в Усть-Каменогорске (УМЗ) и др. — стал Токамак-7 (Т-7), который был изготовлен и запущен в работу в период 1974–1978 годов. Это первый в мире токамак со сверхпроводящим магнитом тороидального поля с использованием сверхпроводников на основе сплава NbTi. Материалы для него были изготовлены на УМЗ, где была внедрена разработанная во ВНИИНМ технология. Еще через несколько лет там же были изготовлены сверхпроводники на основе Nb3Sn для магнитной системы токамака Т-15 (1988), которая также была первой в мире.
Признаюсь, в советское время было даже обидно, что направление сверхпроводящих материалов считалось у нас закрытым и мы не могли тогда публиковать свои работы в международных научных изданиях. Например, мы читали в СМИ о японских передовых разработках и понимали: мы подобные технологии уже не только придумали, но и использовали, а для японцев наш «вчерашний день» был новым научным достижением.
В 1991 году политическая ситуация изменилась, страна стала более открытой и стало возможным обмениваться научными результатами с зарубежными коллегами. После международной конференции по магнитным технологиям МТ-12 в Санкт-Петербурге об уровне разработок сверхпроводящих материалов в СССР узнали в научном мире. Начались визиты представителей зарубежных организаций во ВНИИНМ.
К нам приезжали японцы, корейцы, американцы, англичане и специалисты из других стран. Мы им показывали, как мы работаем, и они поражались тому, как все организовано. Неподдельное восхищение вызывало то, что у нас в одном месте сконцентрировано все необходимое для разработки технологии получения сверхпроводников: от литейного оборудования, механической обработки заготовок (включая уникальный 1600‑тонный пресс), термообработки и до лаборатории криогенных измерений и металловедческого комплекса с возможностью тонких структурных исследований. При этом, принимая иностранных специалистов, мы не боялись за наши технологии, так как их практически невозможно воспроизвести. Изготовление сверхпроводящих материалов — это сложнейший процесс, там много тонкостей, которые и являются определяющими.
Создать с нуля
В те годы, благодаря правительственным заказам и самоотверженной работе сотрудников института и заводов, мы не только не отставали, но и занимали лидирующие позиции в мире по этому направлению. Это позволило коллективу нашего института вступить в международный проект создания крупнейшего в мире токамака ИТЭР, строительство которого ведется в настоящее время во Франции (г. Кадараш).
После старта проекта ИТЭР был проведен тендер по выбору производителей сверхпроводников, в котором участвовали 16 организаций, но из них выбрали только восемь. И в их число попали мы. Почему мы так смело приняли участие в этом тендере? Потому что до этого мы приобрели огромный опыт при разработке и промышленном выпуске таких материалов, изготовили сверхпроводники для токамака Т-15. На момент проведения тендера у нас еще не было материала с необходимым уровнем свойств, и нам пришлось разработать новую конструкцию и технологию получения провода, который отвечал бы высоким требованиям, соответствующим спецификации ИТЭР.
Для выполнения обязательств, взятых на себя нашей страной, было необходимо создать российское производство сверхпроводников, поскольку производство на УМЗ отошло Казахстану после распада СССР. И благодаря участию топливной компании «ТВЭЛ» такое производство было создано на Чепецком механическом заводе (ЧМЗ, г. Глазов). Завод является первым в России и одним из немногих в мире уникальных предприятий, где производят сверхпроводники.
Когда создавался цех для производства сверхпроводников на ЧМЗ, специалисты ВНИИНМ и «ТВЭЛ» разрабатывали для него технические задания. Оборудование закупали по всему миру: в США, Польше, других странах. Иногда, если нам, например, нужна была печь, которую выпускала какая-то фирма, но ее нужно было модифицировать под наши нужды, изменить детали конструкции, то приходилось вести переговоры, оформлять техзадания, их согласовывать. Была проделана огромная работа, требующая высокой квалификации и глубокого понимания задачи. Работали круглыми сутками, даже не смотрели на время, это был настоящий подвиг.
На ЧМЗ при участии ВНИИНМ и ИАЭ была также создана измерительная криогенная лаборатория для определения электрофизических характеристик проводов. Была разработана система качества (Quality Assurance) для контроля сверхпроводников, выпускаемых на ЧМЗ. Мы постоянно ездили в командировки, участвовали в авторском контроле производства, делали доклады, консультировали и проверяли соответствие стандартам качества. Главная сложность при производстве сверхпроводников — это неукоснительное соблюдение регламентов всех технологических операций. Необходимо следить, чтобы на заводе не было отклонений как по температурным режимам, так и по режимам деформации композиционных полуфабрикатов. Если, например, при промежуточных термообработках композиционных прутков температура будет превышена, то начнется образование хрупкого интерметаллида и проволока просто порвется.
В эти годы шла огромная работа по разработке конструкций и технологии получения технических сверхпроводников, которые представляют собой сложную композиционную систему, состоящую из разнородных материалов, отличающихся химическими, механическими и физическими свойствами. В этой системе волокна из сверхпроводящего интерметаллида (хрупкого, как стекло) расположены в матрице из меди или ее сплавов с диффузионными барьерами и другими вспомогательными элементами. Как правило, это длинномерные провода (иногда до 30–50 км) диаметром 0,5–1,5 мм, содержащие несколько тысяч тончайших волокон, равномерно распределенных в пластичной матрице.
В результате проведенных работ до 2014 года на ЧМЗ был выпущен весь объем сверхпроводников с требуемыми для ИТЭР характеристиками (более 220 тонн — это почти 56 000 км, достаточно, чтобы полтора раза обернуть земной шар!). В установленные сроки сверхпроводники были доставлены на предприятие ВНИИКП (г. Подольск) для дальнейшего изготовления токонесущих элементов для магнитных систем тороидального и полоидального полей, а затем изготовленная продукция отправилась во Францию на площадку строительства ИТЭР.
В дальнейшем высокое качество российских сверхпроводников было подтверждено в результате верификации образцов при перекрестном тестировании в зарубежных лабораториях. Наши сверхпроводники на основе Nb3Sn после 1000 электромагнитных циклов, которые моделируют рабочие условия магнитной системы реактора, были признаны Международной организацией ИТЭР лучшими в мире по стабильности эксплуатационных характеристик!
Личный опыт
Евгений Никуленков, старший научный сотрудник АО «ВНИИНМ»:
— Сверхпроводники — это высокотехнологичные материалы, являющиеся важнейшей составной частью магнитных систем ускорителей и термоядерных установок и другого научного и высокотехнологичного оборудования. Темой сверхпроводников я начал заниматься в 1971 году, хотя во ВНИИНМ пришел работать еще раньше. В тот период лаборатории, специализирующейся на сверхпроводниках, еще не было. Этой темой занимались отдельные сотрудники и небольшие группы в составе различных лабораторий. Когда я перешел в 23-ю лабораторию к Нине Петровне Агаповой, там была группа из трех человек (Валерия Дмитриевна Бородич, Альберт Павлович Голубь и Таисия Павловна Чеботарёва), которые и занимались вопросами сверхпроводников как материаловеды. В других лабораториях, например на установке У-13, также были сотрудники, которые работали над сверхпроводниками, но уже как обработчики. Внутри разных лабораторий также были группы, которые в тот период изучали два сверхпроводящих материала — это ниобий-титановый сплав (NbTi) и соединение ниобия и олова (Nb3Sn).
Мы были или первыми, или сразу за первыми
Опытное производство сначала располагалось у нас в институте, немного позднее стало создаваться первое промышленное производство в Советском Союзе, в Усть-Каменогорске (Казахстан) — Ульбинский металлургический завод. Это было начало, мне пришлось принимать участие в запуске оборудования, его освоении и разработке технологических процессов. Естественно, не один человек это делал, а коллектив, я был маленькой частичкой этого коллектива.
ВНИИНМ и в тот момент, и сегодня выступает как головная организация по разработке технологий получения сверхпроводников. Во времена Советского Союза в области сверхпроводников мы никогда не были последними: мы были или первыми, или сразу за первыми. И это независимо от материалов — ниобий-титан или ниобий-олово.
Мы делали длинномерные изделия: если говорить про ниобий-титан, то из одной сборки можно получить до 50 км длинной проволоки, а если про ниобий-олово, то до 30 км. Ниобий-титан достаточно пластичный, его можно деформировать, хотя это тоже нелегко. Создание токамака Т-15 в Курчатовском институте было величайшим достижением, это был первый в мире токамак на основе интерметаллического соединения Nb3Sn, которое является хрупким, как стекло. Поэтому были разработаны специальные методы, позволяющие из хрупкого соединения сделать длинномерные изделия.
«Научные среды»
Сотрудники нашего института разрабатывали не только проводник, но и весь технологический процесс его изготовления. Вот у нас есть медь, есть ниобий, титан и другие материалы нужного качества. Но чтобы из них сделать сверхпроводник, иногда требовалось переплавить слиток по несколько раз, чтобы очистить его — для снижения твердости и повышения пластичности. Необходимо было получить сверхпроводящие волокна диаметром несколько микрон (в 10 раз тоньше человеческого волоса) в медной или бронзовой матрице. В каждом проводнике может быть более 10 000 таких волокон, а очень тонкое волокно просто порвется, если не будет пластичным.
Чтобы решить задачу столь высокой сложности, разработчик сверхпроводящего материала должен знать очень многое. Если ты не знаешь процессы плавки, то грош тебе цена, плохо ориентируешься в деталях обработки — опять минус, не знаешь материаловедение — совсем плохо. Необходимо знать все, и знать на очень высоком уровне. В этой связи я бы хотел отметить нашу техническую библиотеку. В организации нового исследования очень важно владеть научной информацией, а в библиотеке ВНИИНМ организовывались «научные среды», как мы их называли. В этот день недели выставлялись для общего использования свежие международные журналы с публикациями о научно-технических новинках других стран. На эти «среды» очень охотно ходили сотрудники, так как в то время никакого интернета не было и знания можно было получить только из печатных изданий.
Вечные импланты
Сегодня одно из новых и перспективных направлений в области медицины — биосовместимые материалы. Оно связано с изготовлением имплантов для человеческого организма из ниобий-титанового сплава. Есть и другие перспективные материалы, с которыми наш институт работает, они предназначены для твэлов, и, представьте, их можно также использовать для создания имплантов для тела человека. Сейчас в качестве материала для имплантов используют легированный титан. Это уже хорошо опробованный материал, но сегодня есть гораздо более качественные и современные сплавы. Например, самые лучшие импланты из титана могут прослужить четверть века. И, естественно, любой здравомыслящий человек скажет: «Ну куда больше? 25 лет пройдет — выбросим, поставим новый». А ведь можно и по-другому сказать: «Сегодня тебе заменили коленную чашечку, и она будет как новая и прослужит всю жизнь!» Но такая задача должна быть поставлена на высоком уровне госкорпорации, тогда и результат будет соответствующий.
Эстафета поколений
В разработки, связанные со сверхпроводниками, специалисты нашего института вложили годы жизни, свою энергию, знания, ежедневный напряженный труд. Часто проводили дни и ночи в институте, месяцы в командировках, внедряя технологию на промышленных предприятиях. Естественно, в связи с юбилейной датой возникает вопрос: а что дальше? Пригодятся ли эти знания, принесут ли эти усилия пользу будущему поколению? Будет ли продолжена эта работа, сможем ли мы передать эстафету молодым специалистам?
Об этом думал профессор Анатолий Дмитриевич Никулин, который еще в начале 1990-х предложил заведующему кафедрой «Физические проблемы материаловедения» (№ 9) МИФИ профессору Борису Александровичу Калину создать ее филиал в нашем институте. И с тех пор, уже более 30 лет, во ВНИИНМ ведется подготовка специалистов. В учебном курсе есть и часть, посвященная металловедению сверхпроводящих материалов. Студентов и аспирантов мы приглашаем в лаборатории нашего института для выполнения выпускных и диссертационных работ, а затем принимаем на работу. Также студенты других вузов (МИСиС, МИРЭА, МВТУ и др.), с которыми мы сотрудничаем, приходят в отделение сверхпроводящих материалов. Многие из них окончили аспирантуру ВНИИНМ и успешно защитили кандидатские диссертации. В настоящее время они уже занимают руководящие должности в отделении и продолжают уникальные разработки, начатые много лет назад их предшественниками.
Конструкции сверхпроводников изменяются в соответствии с предъявляемыми требованиями, которые постоянно растут. Совершенствованию технологий получения сверхпроводников помогает изучение опыта, накопленного в предыдущих разработках, который отображен в публикациях, патентах и отчетах специалистов, прошедших этот нелегкий путь ранее.
Наука в век сверхпроводников
Известно, что сверхпроводники могут использоваться в различных сферах народного хозяйства. Спектр применения этих уникальных материалов огромен. Недаром нобелевский лауреат, академик Жорес Алферов несколько лет назад в одной из своих лекций сказал, что XXI век будет веком сверхпроводников, как XX век был веком полупроводников, без которых мы сейчас не можем представить нашу жизнь.
Попробуем перечислить самые интересные задачи будущего, которые невозможно осуществить без сверхпроводников. Конечно, наиболее перспективной сферой применения сверхпроводников является наука. Многие задачи современной физики невозможно решить без этих уникальных материалов. Одна из актуальных задач — это создание магнитных систем ускорителей. Известно, что на крупнейшем в мире ускорителе элементарных частиц, Большом адронном коллайдере (БАК), который находится в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований), была открыта новая частица материи — бозон Хиггса. Автор выдающегося открытия Питер Хиггс, предсказавший ее существование более 20 лет назад, был удостоен Нобелевской премии по физике. Магнитная система БАК, запущенного в 2008 году, была изготовлена на основе NbTi-сверхпроводников. Возможности такого устройства, «огромного микроскопа», как его иногда называют, вдохновили ученых сделать следующий шаг. Для того чтобы усилить магнитное поле, был начат проект модернизации БАК, заключающийся в замене магнитов. Для этого требуются Nb3Sn-сверхпроводники с увеличенной более чем в три раза токонесущей способностью в высоких магнитных полях (12 Тл при 4,2 К).
Для решения этой задачи физики ЦЕРНа обратились к лучшим специалистам мира, в том числе и к российским ученым. Руководители проекта посетили ЧМЗ и убедились, что там имеется необходимое оборудование для производства сверхпроводников. Контракт был заключен, и наши специалисты с честью выполнили и эту задачу. Экспериментальные партии уникальных сверхпроводников новой конструкции (более 50 км), разработанные в ВНИИНМ, были изготовлены на ЧМЗ и направлены в ЦЕРН. Тестирование показало, что проводники соответствуют предъявленным требованиям.
Эта задача потребовала от наших специалистов огромных усилий, были опробованы десятки возможных конструкций, но требуемый результат был получен. Конечно, эта работа требует продолжения. Необходимо получить стабильные результаты на более крупных промышленных партиях.
Следующим шагом развития техники больших ускорителей будет уже принятый к исполнению проект Кольцевого коллайдера будущего (Future Circular Collider — FCC) с периметром кольца, увеличенным до 100 км. АО «ТВЭЛ» и ЦЕРН заключили соглашение о проведении НИОКР в рамках проекта по созданию FCC. Для этого потребуется изготовление огромного количества сверхпроводников — более 9000 тонн (6000 тонн Nb3Sn и 3000 тонн NbTi), при этом свойства материалов для магнитной системы должны будут отвечать еще более высоким требованиям. Рабочее магнитное поле планируется повысить до 16 Тл. Это потребует разработки новых конструкций сверхпроводников, и такую работу уже ведут специалисты ВНИИНМ. Вся программа FCC продлится до 2040 года, что поможет обеспечить загрузку наших предприятий.
Невозможно не отметить такое значительное достижение российских ученых, как создание уникального линейного ускорителя NIСA (Nuclotron based Ion Collider fAsility) в Объединенном институте ядерных исследований в подмосковной Дубне. Первые испытания были проведены в 2022 году, в 2023-м работа будет продолжена. NICA позволит ученым наблюдать, как протоны и нейтроны разбиваются при столкновении на составные части (кварки и глюоны). Для магнитной системы NICA специалисты АО «ВНИИНМ» разработали конструкции и технологии изготовления длинномерных NbTi-проводников из однократной сборки увеличенного диаметра (300 мм). На ЧМЗ выпущены партии сверхпроводников диаметром менее миллиметра с пониженным уровнем энергетических потерь, содержащие более 8000 волокон в медной матрице (для бустера — 95 км, для коллайдера — 300 км и для корректирующих магнитов — 50 км).
В ближайшее десятилетие в мире планируется построить еще шесть ускорителей, в том числе три — в нашей стране.
Еще одним направлением применения сверхпроводников является создание установок термоядерного синтеза. Закончить сборку реактора ИТЭР должны в 2025 году, но сроки постоянно сдвигаются. На рабочую мощность реактор выйдет к 2035 году. Дальнейшие эксперименты покажут возможность поддержания более длительного горения плазмы с температурой 100 млн °C. Эти эксперименты должны подтвердить возможность применения подобных установок для получения энергии, после чего и вступит в активную фазу проект ДЕМО — первая экспериментальная термоядерная станция (2045 год), где будет продемонстрировано получение энергии в результате реакции термоядерного синтеза. А в широкую коммерческую эксплуатацию такая энергетика войдет предположительно в 2060–2080 годах.
Основные характеристики магнитной системы ИТЭР
| Материал проводника | Длина проводника, тыс. м | Масса, т | Номинальный ток, кА | Магнитное поле, Тл | |
| Полоидальные катушки (PF) | NbTi | 65 | 2163 | 52 | 6 |
| Тороидальные катушки (TF) | Nb3Sn | 88 | 6540 | 68 | 11,8 |
| Центральный соленоид (CS) | Nb3Sn | 42 | 974 | 46 | 13 |
Одновременно специалисты за рубежом и в России планируют создание термоядерных реакторов меньшего размера для обеспечения энергией отдельной страны. Ученые Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ), не дожидаясь завершающей фазы проекта ИТЭР, разработали концепцию и создали 3D-модель токамака реакторных технологий — ТРТ. Он будет в 25 раз меньше ИТЭР, но более продвинутым в научно-техническом плане, поскольку с момента старта проекта ИТЭР технологии заметно шагнули вперед. Для защиты стенок токамака от перегрева и попадания в плазму примесей ученые используют жидкий литий. Также в конструкции реактора применят лучшие на сегодняшний день высокотемпературные сверхпроводники, которые производят в Москве на предприятии «СуперОкс». Уникальной чертой ТРТ станет использование новейших технологий нагрева плазмы и поддержания ее агрегатного состояния.
Китай в последние десятилетия занял активную позицию в освоении сверхпроводниковых технологий. Там планируют построить прототип гибридного реактора к 2030 году, а также создать термоядерный энергетический реактор к 2050 году, уже выбран участок для его строительства и начаты подготовительные работы.
Смотрим в будущее
Сверхспособности сверхпроводников
Энергетика
Сверхпроводящие материалы обладают большим потенциалом для внесения радикальных изменений в электроэнергетику, позволяя передавать электроэнергию с высокой пропускной способностью без потерь. Преимущество сверхпроводящих кабельных линий (СКЛ) заключается в значительно более высокой передаваемой мощности (107–108 Вт/см2 у СКЛ против 10–100 Вт/см2 у традиционных ЛЭП), при этом напряжение и потери энергии — на порядок меньше. Кроме того, у сверхпроводящих кабельных линий более долгий жизненный цикл и большая аварийная стабильность к скачкам мощности.
С самого начала XXI века разработки кабельных линий с использованием ВТСП неуклонно совершенствуются. Так, в 2000 году были только попытки включения фрагментов сверхпроводящих кабелей длиной 200 м в обычные линии. А уже в 2014 году в городе Эссене была проведена первая полностью сверхпроводящая линия длиной 1 км на основе ВТСП (YBaCuO) от компании Nexans. Сейчас существуют три крупных проекта: HYDRA (США), AmpaCity (Германия) и «Санкт-Петербург» (Россия). Проект «Санкт-Петербург», который осуществляется в настоящее время, заключается в создании кабельной линии постоянного тока на основе ВТСП (с использованием охлаждения жидким азотом) длиной 2,5 км и мощностью 50 МВт. Это позволит повысить надежность электроснабжения, снизить токи короткого замыкания (до половины токов отключения), при этом потери мощности будут не более 2% (удельная стоимость — менее 13 тыс. руб/МВт·м).
Сейчас также активно развиваются проекты создания гибридных линий. Например, в Китае создается гибридная линия, предназначенная для прокачки сжиженного природного газа, поскольку технология транспортировки газа более развита и востребована. Уже прошло испытание с током 2000 А на длине 10 м при прокачке сжиженного газа 15 л/мин (температура 90 К).
В России проводятся испытания гибридной линии на основе MgB2 для прокачки жидкого водорода. При этом необходима стабилизация жидким азотом. Испытания проводят на транспортируемую эквивалентную мощность ~135 МВт на длине 30 м.
Преимущества сверхпроводящих кабельных линий
Обычные ЛЭП
P передаваемая ~ 10-100 Вт/см2
Потери энергии ~ 10-20%
U рабочее ~ 100-1000 кВ
Охраняемая зона ~ 10-50 м
Сверхпроводящие ЛЭП
P передаваемая ~ 107-108 Вт/см2
Потери энергии ~ 0,1-1%
U рабочее ~ 10-100 кВ
Охраняемая зона ~ 1-10 м
Гибридные линии
На основе MgB2
Прокачка жидкого водорода
Необходима стабилизация жидким азотом
Испытания в России: транспортируемая эквивалентная мощность ~ 135 МВт на 30 м
На основе Bi-2223
Прокачка сжиженного природного газа
Технология транспортировки газа более развита и востребована
Испытания в Китае: ток 2000 А на длине 10 м при прокачке 15 л/мин сжиженного газа при 90 К
Проект «Санкт-Петербург»
Длина — 2,5 км
Мощность — 50 МВт
ВТСП КЛ постоянного тока
Охлаждение — жидкий азот
Повышение надежности электроснабжения
Снижение токов короткого замыкания (до половины от токов отключения)
Потери мощности не более 2%
Удельная стоимость — менее 13 тыс. руб/МВт·м
Медицина
Наибольшую перспективу с точки зрения расширения рынка сверхпроводников и их коммерческого применения имеет медицинское оборудование, в частности МР-томографы для современной диагностики. Сверхпроводники играют важную роль при создании МРТ, так как только с их помощью можно создать стабильное и однородное магнитное поле (1,5–2 Тл). В основном для МРТ со сверхпроводящими магнитами используются NbTi-сверхпроводники (Тк = 9,4 К). Однако сейчас также развивается направление создания МРТ на основе и других сверхпроводящих материалов, например на основе ВТСП-лент (ВТСП — высокотемпературные сверхпроводники) второго поколения или MgB2 (диборида магния).
Проект разработки российского томографа ведется уже несколько лет, и научные предприятия активно работают в этом направлении. Например, в ФИАН им. П. Н. Лебедева был разработан томограф с магнитным полем 1,5 Тл, не нуждающийся в огромном количестве гелия. Во ВНИИНМ есть опыт разработки технологии получения специальных конструкций сверхпроводников для МРТ, выпущены опытные образцы, что позволит принять участие в создании российского МР-томографа. Кроме того, для научных исследований создаются спектрометры на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), для которых требуется достижение более высоких магнитных полей (до 21 Тл).
Другие варианты медицинского применения — SQUID (Superconducting Quantum Interference Device, сверхпроводящие квантовые интерферометры): это устройства типа МРТ в слабых полях, применяемые для магнитогастрографии и магнитокардиографии. SQUID-датчики для медицины могут изготавливаться из ВТСП-материалов, например на основе соединения Y1Ba2Cu3O7-x (оксид иттрия-бария-меди) с Тк = 93 К. В России компания «СуперОкс» изготавливает ленты ВТСП второго поколения для медицинских ускорителей и МРТ.
Транспорт
Автомобиль или поезд на магнитной подушке — это давняя мечта человечества. Реализация такой идеи избавит движение транспортного средства от трения, возникающего при соприкосновении с поверхностью, что позволит развивать большую скорость, уменьшать выброс углекислого газа в атмосферу, снижать шум и вибрацию. Поезда с магнитной левитацией, использующие мощные сверхпроводящие магниты, дают возможность буквально лететь к месту назначения, паря над направляющим путем или колеей. В Японии между Токио и Осакой был проложен участок дороги длиной 500 км для поезда с применением сверхпроводящих материалов. По дороге курсирует так называемый поезд-пуля — «Синкансэн» — со средней скоростью 300 км/ч, а последний его рекорд составил 552 км/ч. В Китае также запустили поезд с магнитной левитацией, который достиг максимальной скорости 600 км/ч, он является самым быстрым наземным транспортом в мире.
Революцией в проектировании морских судов может стать введение в их конструкцию судовой тяги с помощью двигателя с использованием сверхпроводников. Электрические двигательные установки обеспечивают более эффективную интеграцию судовых систем, использующих энергию, поскольку они позволяют силовой установке поддерживать движение, при этом из-за снижения габаритов двигателя появляется больше пространства под палубой для пассажиров или груза.
Применение сверхпроводников в электрических двигателях для авиации, как и для морских судов, обеспечивает эффективное снижение веса и габаритов транспортных средств. Ключевое преимущество двигателей на основе высокотемпературных сверхпроводников заключается в том, что они при том же размере и весе более мощные, чем традиционные аналоги. Основными выгодами при использовании двигателей со сверхпроводниками являются снижение шума, сокращение выбросов (как загрязняющих веществ, так и парниковых газов) и расхода топлива. В настоящее время разработками электрических летательных аппаратов для гражданских и военных перевозок занимаются Airbus и NASA, которые считают, что электрический самолет будет потреблять в четыре раза меньше топлива, чем сегодняшние модели.
Созданием самолетов малой авиации на основе гибридных силовых установок с использованием сверхпроводников и альтернативных видов топлива занимается коллектив ученых МАИ. Уже изготовлен и испытан маломасштабный демонстратор уникальной, не имеющей аналогов сверхпроводниковой системы. Он представляет собой канал генерирования постоянного тока напряжением 540 В и является системой, состоящей из пяти устройств: сверхпроводящего генератора, сверхпроводящего кабеля, выпрямительного устройства, накопителя энергии и системы криогенного охлаждения. Таких систем в мире пока нет. Конкурентом можно считать проект Ascend, который реализует Airbus. Первые испытания этой системы планируются в 2023 году.
Космос
С самого начала космической эры к низкотемпературным технологиям для работы в космосе проявлялся большой интерес, однако их применение было осложнено необходимостью охлаждения магнитной сверхпроводящей системы до температур жидкого гелия, что серьезно ограничивало продолжительность миссии. Разработка ВТСП с температурами перехода выше 77 К сделала сверхпроводящую технологию более привлекательной и выполнимой для использования в аэрокосмических системах. Космические платформы создают наиболее комфортные условия для функционирования узлов с высокотемпературными сверхпроводниками. Существенно меньшие, чем на Земле, нагрузки и ускорения, естественный вакуум, щадящие температурные условия дают предпосылки для их эффективной работы.
Применение ВТСП в двигателях космических кораблей позволит удовлетворить требования к массе и мощности магнитных компонентов. Магнитоплазмодинамические двигатели с приложенным полем решают эту проблему. Двигатели используют комбинацию магнитных и электрических полей для создания тяги. Исследователи считают, что потенциально они смогут стать новым решением для больших космических кораблей.
Кроме того, перспективным использованием сверхпроводников является защита космонавтов от космического излучения. Например, магнитные соленоиды на основе диборида магния создают высокие магнитные поля, которые смогут отражать большинство высокоэнергетических космических лучей. Эти щиты должны позволить космонавтам проводить безопасные полеты в условиях особо дальних космических миссий.
