Анатолий Томилин - Рассказы об электричестве

И все-таки есть все основания предполагать, что в самом недалеком будущем никакая современная линия не сможет обеспечить проблему переброски больших количеств электроэнергии на значительные расстояния. Вот один инженерный пример: как показывают расчеты, для передачи мощности всего в 100 тысяч мегаватт на расстояние 2–3 тысяч километров нам потребовалось бы построить более 10 параллельных линий электропередачи, каждая на предельно высокое рабочее напряжение. Потери мощности в магистральных линиях значительно больше, чем в электрических машинах и трансформаторах. Они сводят на нет весь экономический выигрыш, который мы получаем, объединяя крупные энергетические районы в единую систему. Какой же выход можно найти из подобного положения?

Здесь есть несколько направлений. Первое и наиболее простое заключается в создании передачи пульсирующего тока, то есть когда на три фазы линии переменного тока накладывается еще и постоянное напряжение. Пропускная способность такой линии растет, а режим работы улучшается. Но это не коренное решение проблемы. Значительно интереснее возможность существенного снижения электрического сопротивления линии. Это даст одновременно с уменьшением потерь в мощности и увеличением пропускной способности уменьшение габаритов и большую безопасность при эксплуатации. Работы по техническому использованию явления сверхпроводимости ведутся сейчас как у нас в стране, так и практически во всех развитых государствах мира. Разработаны программы исследований и созданы экспериментальные установки. Здесь также намечаются три основных направления: первое — разработка криогенных линий электропередач с использованием обычных материалов; второе — с использованием проводов из материалов высокой степени очистки и третье — с материалами, обладающими способностью полностью терять электрическое сопротивление при снижении температуры ниже критического значения. У криогенных электропередач — большая история.

В 1908 году профессор Лейденского университета, блестящий организатор науки Хейке Камерлинг-Оннес, основатель и директор одной из первых криогенных лабораторий в мире, получил жидкий гелий и измерил его температуру, которая ненамного превышала абсолютный нуль.

Тогда ученых интересовало, как металлы проводят электрический ток при понижении температуры. Большинство специалистов полагало, что при абсолютном нуле, когда все электроны окажутся связанными с атомами и их движение прекратится, сопротивление металлов электрическому току должно стать бесконечным.

Камерлинг-Оннес решил измерить электропроводность ртути. Почему именно ртути? Да потому что в 1911 году только ртуть после несложной дистилляционной перегонки могла считаться самым чистым металлом без примесей. Камерлинг-Оннес заполнил изогнутую стеклянную трубку жидким металлом и стал охлаждать. И вот ртуть замерзла, вот она уже охладилась до температуры жидкого воздуха, до температуры жидкого водорода, но никакого заметного роста сопротивления ученый так и не наблюдал. Может быть, он начнется, когда ртуть приобретет температуру жидкого гелия? Это была самая низкая температура, какую только могли достигнуть на Земле и пока только в его лаборатории… Но произошло чудо! Настоящее чудо! Сопротивление ртутной цепи вдруг исчезло, исчезло совсем! Это явление было настолько удивительно, что оно прославило профессора Камерлинг-Оннеса на весь мир. Его коллеги в других странах стали лихорадочно сооружать криогенные установки и занялись опытами, опытами и еще раз опытами. Впрочем, криогенных лабораторий в мире было мало, а техника, применявшаяся для эксперимента, оказывалась довольно сложной.

Камерлинг-Оннес в 1913 году получил за свое открытие Нобелевскую премию, но суть нового физического явления так и не была понята и объяснена его современниками. Почти 50 лет понадобилось на то, чтобы создать удовлетворительную теорию сверхпроводимости.

Однако отсутствие теории не всегда мешает практическому использованию. И первый проект криогенной электропередачи был разработан еще в 60-х годах нашего века. Американцы спроектировали однофазный кабель с медными жилами, охлаждаемыми жидким водородом. Во Франции был создан и испытан алюминиевый кабель, охлаждаемый газообразным гелием. Англичане сделали макет однофазного кабеля со сверхпроводящим трансформатором.

Пока все эти установки чрезвычайно громоздки, дороги и по сути дела не выходят за рамки экспериментальных макетов. Но тем не менее многие специалисты уверены, что время «водородной», или среднетемпературной, сверхпроводимости неумолимо приближается. Именно так ставился вопрос на Всемирном электротехническом конгрессе, который проходил в Москве в 1977 году.

Применение сверхпроводимости открывает большие перспективы и для хранения электроэнергии. Представьте себе катушку из сплава олова с ниобием (для нее критическая температура равна примерно 15°К), помещенную в жидкий гелий. По замкнутому контуру ток в ней может циркулировать бесконечное время без всяких потерь. И сегодня уже есть проект создания гигантской катушки диаметром около 100 метров, устанавливаемой в туннеле, пробитом специально для нее в горах и заполненном гелием при критической температуре. В этих условиях по проводнику катушки из алюминия, титана и ниобия будет циркулировать ток громадной силы. В обычных условиях он бы со взрывом испепелил несчастный проводник. А в соленоиде предполагают хранить до ста мегаватт-часов электроэнергии.

Об электротехнике можно рассказывать до бесконечности. Возьмем хотя бы ее теоретические основы. Более четверти века сознательной жизни я отдал этой замечательной дисциплине, читая ее студентам разных курсов электротехнического института. И поверьте, стоит немалого труда, чтобы удержаться и не начать рассказывать увлекательнейшие истории о развитии основных положений и о выделении теоретических основ электротехники в самостоятельную дисциплину. Это было бы тем более интересно, что первый курс этой дисциплины был разработан и прочитан в Ленинграде, тогда Петербурге, в Политехническом институте замечательным русским ученым профессором Владимиром Федоровичем Миткевичем. «Аналогичного курса, — пишет известный электрик и историк науки профессор М. А. Шателен, — не было ни в русской, ни в иностранной литературе. Это было действительно изложение основ учения об электрических и магнитных явлениях, предназначенное специально для будущих инженеров-электриков и подготавливавшее студентов к сознательному восприятию тех сведений, которые они потом получали в специальных курсах электрических машин, высоких напряжений и тому подобное.