Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии

Здесь надо заметить, что такой проводник обязательно наноструктурирован. Сверхпроводимость — само по себе удивительное квантовое явление. Но вот беда, магнитное поле, даже относительно слабое, его разрушает. И придумали следующее: сделали материал, состоящий из тончайших волокон. Их диаметр — 5 нм, а волокна разные. Каждое сверхпроводящее волокно окружают волокна с обычной проводимостью, и наоборот. И выходит так: ток течет по сверхпроводнику, а магнитное поле, создаваемое этим током, — рядом, в обычном проводнике. И оно может быть сильным и ничего не разрушать.

Но ведь и токи, и магнитные поля — огромны. Постоянно текущий ток в соленоидах достигает 11 мегаампер! Магнитное поле превышает 14 Тл [21] Тесла — единица индукции магнитного поля в СИ. Названа в честь Николы Тесла — физика, инженера и изобретателя в области электротехники и радиотехники. (это поле центрального соленоида токамака «ИГНИТОР»), Такие условия нельзя назвать обычными для любого материала, тем более для материала-сверхпроводника с его сложной волокнистой наноструктурой. Чтобы представить себе колоссальность такого магнитного поля, сравним его с другими — природными и искусственными.

Магнитное поле Земли, привычное нам, которое не только вращает стрелку компаса, но и надежно защищает нас и всю жизнь на планете от безжалостной солнечной радиации, составляет всего 5×10 -5Тл. Отклоняющие дипольные магниты Большого адронного коллайдера, созданные по той же российской технологии и из российских материалов, — от 0,54 до 8,3 Тл. Магнитное поле солнечных пятен [22] Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу (поверхность Солнца) сильных магнитных полей. — 10 Тл. В токамаке «ИГНИТОР» магнитное поле больше!

Как поведет себя эта структура, ее составляющие материалы в условиях сверхсильных полей, — вопрос далеко не праздный. Соленоид, или попросту катушка, по которой течет ток, — это такой же «аккумулятор» энергии, как и привычные нам. Различие лишь в том, что вместо емкости конденсатора в роли накопителя используется индукция катушки. И вот представьте, что где-то в цепи разрушится сверхпроводимость. Это приведет к катастрофическим последствиям. Токи и напряжения мгновенно вырастут — так устроена индуктивность: если в ней попытаться прервать ток, он тут же возрастает! Вся огромная энергия, накопленная в соленоиде, мгновенно выделится в виде тепла. Мгновенное выделение огромного количества тепла обычно называется проще — взрыв! Иными словами, последует взрыв колоссальной разрушающей силы. И все это держится на тоненьких ниточках диаметром 5 нм.

Вы можете сказать — установка экспериментальная. Расположена она на обособленной территории. Вот, взрывались же на космодромах ракетоносители. Трагедия? Безусловно! Но последствия такой трагедии из-за принятых мер (прежде всего, удаленности космодрома) все же нельзя сравнить с крушением поезда, когда гибнут сотни человек.

Токамак, конечно, строится так, чтобы избежать такого сценария; учитываются и принимаются во внимание различные риски; система управления и защиты строится так, чтобы всего этого надежнейшим образом избежать. Токамак один, ну, быть может, несколько. Для каждого из них предусматриваются самые совершенные технические решения.

Но давайте вспомним, что практически любая нанотехнология — не экзотика. Она, как мы ожидаем, проникает во все аспекты нашей деятельности. И технология сверхмощных соленоидов из сверхпроводящих наноструктурных проводников здесь вовсе не исключение. Их применение планируется в обычной нам энергетике — той энергетике, которая обеспечивает электроэнергией промышленные предприятия, которая приводит поезда на железной дороге в движение, которая дает нам свет и делает возможным работу бытовых приборов. Для таких соленоидов или катушек даже специальное название уже есть — СПИН, что означает аббревиатуру от слов «сверхпроводящий индукционный накопитель». Так вот эти СПИНы — потенциальные устройства обычной силовой энергетики. Ожидается, что они будут неотъемлемой частью наших сетей электропередачи, такой же, как повышающие и понижающие трансформаторы, и будут защищать наши сети от возможных скачков напряжения, приводящих, в том числе, к таким техногенным катастрофам, как веерные отключения. Да и сами трансформаторы тоже будут сделаны из подобного материала.

Появление таких устройств — основание для дальнейшего усложнения энергетических систем. Это означает, что риск, которого мы стараемся избежать, качественно изменяется. Да, системы становятся более надежными, но последствия действительно крайне редких нарушений работы — все более тяжелыми.

Имеющие место веерные отключения электроэнергии в мегаполисах и промышленных агломерациях (вот некоторые из них: Санкт-Петербург и область — 2010 г.; Бразилия — 2009 г.; Германия, Франция, Италия и Бельгия — 2006 г., Москва, Тульская, Московская, Калужская и Рязанская области — 2005 г.) — убедительное свидетельство того, что аварийное отключение на одном участке вызывает отключение целых энергосистем.

Способность концентрировать большую энергию в малых объемах — возможность и связанный с нею риск, порождаемые нанотехнологиями. И приведенный выше пример сверхпроводящего соленоида — далеко не единственный.

Человечество связывает свои надежды на экологически чистую энергетику с успехами — действительными и желаемыми — водородной энергетики. В самом деле, с экологической точки зрения, водород — идеальное топливо. Ведь продуктом его сгорания является вода, точнее, водяной пар.

Но водород опасен. Точнее, взрывоопасен. Об этом мы уже говорили во введении. Чтобы избежать последствий данного риска, предложено использовать наноструктуры, способные впитывать водород, как губка.

В этих структурах водород хранят, в них же — каталитическим образом — сжигают, т. е. вместо открытого огня мы получили батарейку. Такие структуры способны впитать водород до плотностей лишь вдвое меньших плотности твердого тела. Это означает, что в среднем на два атома материала придется одна молекула водорода. Значит, это уже не газ. Это новая кристаллическая решетка из атомов наноструктурного материала и водорода.

Накопленная энергия (значительная потенциальная энергия горения) в таком материале превращает его в потенциальную — и надо сказать, мощную, — взрывчатку. Но это далеко не все. Водород — странное вещество. Он способен протекать сквозь стенки многих металлов. Объясняется это так. Водород хорошо растворим в ряде металлов, прежде всего таких, как никель, платина или палладий. Да и сталь не составляет исключения. (Материалы, удерживающие водород, все же есть. Таковым, например, является серебро.) Собственно наша наногубка, впитывающая водород, — это то же самое. Раньше для этих целей использовали палладий. Только в нашей наногубке можно растворить водорода намного больше. Так вот, с растворимостью водорода в металлах и связана его способность проходить через них. Ведь это одно и то же! Обычная кухонная губка пропускает воду потому, что может ее впитывать и отдавать. Такой процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого называется диффузией.