Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Одни докладчики уверяли, что скоро мы сможем передавать электрическую энергию на самые большие расстояния без потерь. Сегодня, когда она течёт по обыкновенным проводам, нагревая их и бесполезно рассеиваясь в окружающем пространстве, потери огромны. Новые провода из сверхпроводящих материалов будут передавать энергию от самых далёких электростанций до мест потребления без всяких утечек.

Другие выступающие живописали реальность мечты о широком использовании энергии Солнца и ветра. Будет выгодно перейти к повсеместному использованию этих, воистину вечных и чистых источников энергии, несмотря на то что их мощность, доступная в каждом месте Земли, всё время меняется, уменьшаясь до нуля и вновь возрастая. Залогом успеха, говорили энтузиасты, является открываемая высокотемпературными сверхпроводниками возможность без чрезмерных затрат накапливать огромные запасы энергии и расходовать их по мере надобности.

Участники конференции понимали, что трудно предвидеть всё новые возможности, вытекающие из этой революции. Поэтому часто мелькала фраза: готовьтесь к неожиданному! Её мы и привели в заглавии этого раздела. Кстати, фраза взята из статьи М. Р. Бисли и Т. X. Геболла, опубликовавших в 1984 году работу «Сверхпроводящие материалы». Уже тогда её авторы и другие учёные чувствовали приближение неведомого. Но неведомое, как всегда, возникло неожиданно.

Не прошло и двух лет после появления этой статьи, как совершился первый скачок. В апреле 1986 года работающие в Цюрихе Йоханнес Георг Беднорц, гражданин Швейцарии, и Карл Алекс Мюллер, гражданин ФРГ, направили в известный физический журнал «Цайтшрифт фюр физик» статью, где сообщали о том, что им удалось создать новый керамический материал, который переходит в сверхпроводящее состояние при температуре — 238 °C. Статья была опубликована в сентябре этого же года. Пять месяцев — короткий срок для современных научных журналов. Но впоследствии почтенная редакция несомненно сожалела о том, что не проявила чувства нового и не включила статью в самый ближайший номер журнала хотя бы и ценой некоторых убытков.

Почему же эта статья привела массы учёных в непривычное возбуждение?

Они узнали, что после многих лет медленного продвижения в глубь низких температур наконец совершён скачок. До того все исследования сверхпроводящих материалов, все практические применения сверхпроводников требовали охлаждения их жидким гелием. А это –269 °C. Литр жидкого гелия стоит около десяти рублей. Ещё совсем недавно приходилось платить за него много дороже, да и для его получения требуется чрезвычайно дорогое оборудование.

В шестидесятых годах в результате изучения свойств множества сплавов и соединений удалось продвинуться в самое начало зоны температур, получаемых при помощи жидкого водорода. Но водород, как известно, взрывоопасен, поэтому никто не думал о широком применении «водородных сверхпроводников» (так лабораторный жаргон окрестил материалы, становящиеся сверхпроводниками при температурах, превышающих температуру кипения жидкого водорода — 252 °C).

Но этот путь оборвался в 1973 году, когда были получены тонкие плёнки из соединения трёх атомов ниобия с одним атомом германия. Они становились сверхпроводящими при –249,96 °C, но получить из этого соединения сверхпроводящие проволочки не удалось.

И вот после тринадцати лет тщетных поисков скачок на 8 градусов выше температуры кипения неона: — 245,86 °C.

Неон, как и гелий, является инертным газом. Значит, он в отличие от водорода не взрывоопасен. Стоимость его получения меньшая, чем у гелия. Он отбирает от охлаждённого предмета много больше тепла, чем гелий. Значит, неон во всех отношениях более доступный и более эффективный хладагент, чем гелий.

Но не только это было причиной ажиотажа вокруг статьи Беднорца и Мюллера. Дело в том, что речь в ней шла не о металле или сплаве, а о сверхпроводящей керамике!

Конечно, сверхпроводящие керамики были известны учёным и ранее. Их интенсивно изучали, отыскивая среди них те, которые становились сверхпроводящими при всё более высокой температуре. Рекорд был поставлен в 1974 году, когда удалось изготовить керамику, превращающуюся в сверхпроводник при температуре –260 °C. Но он существенно, на 10 °C, уступал рекорду, достигнутому тонкой плёнкой из соединения ниобия и германия, упомянутого выше.

Физики готовились к неожиданному. Но никто не предполагал, что прорыв в зону жидкого неона будет совершён при помощи керамики. Ведь этот скачок по сравнению с рекордом, достигнутым для керамики раньше и продержавшимся 12 лет, составил сразу 22 °C!

Ни одна из теорий сверхпроводимости не могла предсказать подобной возможности. И ни одна из них не может и теперь объяснить, почему это произошло!

Но не вооружённые теорией экспериментаторы продвинулись ещё дальше на пути исследования всё новых типов керамики. Они уже преодолели важный температурный рубеж и уверенно работают в «зоне жидкого азота», при температурах, превышающих температуру его кипения: –195,8 °C.

Более того, в лабораториях учёные получают сверхпроводимость, охлаждая новые керамики всего до –20 °C! Правда, эти материалы ещё не стабильны.

Всё же энтузиазм и оптимизм учёных позволяют считать, что в недалёком будущем удастся изготовить материалы, приобретающие и сохраняющие способность к сверхпроводимости при комнатной температуре. Для таких материалов не будет нужды в охлаждении. Электрические кабели, изготовленные из них, смогут отлично работать в самых жарких странах, если их закопать в грунт на глубину 1,5–2 метра, где температура никогда не повышается выше 10–15 °C.

Мощные генераторы электрического тока и электродвигатели станут компактными и лёгкими. Их габариты при сверхпроводящих обмотках должны определяться только прочностью вращающейся оси и деталей ротора и статора, необходимых для передачи механических нагрузок. В жарких странах и в горячих цехах, возможно, придётся использовать обычные кондиционеры. Они станут излишними лишь тогда, когда удастся создать материалы, не теряющие сверхпроводимости и при повышенных температурах.

Выдающиеся научные достижения всегда возникают вдруг, но внезапные прорывы порождаются предшествующим систематическим развитием идей и накоплением знаний, полученных в практической деятельности людей или из специально поставленных экспериментов. Попытаемся проследить путь, приведший к овладению тайной высокотемпературной сверхпроводимости.

Странный случай, происшедший на одном из складов военной амуниции в Петербурге полтора столетия тому назад, можно, пожалуй, считать началом этой истории.