Достигнута сверхпроводимость при комнатной температуре: скоро ли человечеству ждать летающие поезда

Фото Adam Fenster
Лаборатория в Рочестере, где был обнаружен сверхпроводник. Фото Adam Fenster
Сверхпроводимость при комнатной температуре — ключ к передаче энергии без потерь летающим поездам и другим атрибутам научной фантастики. Группа физиков из США на прошлой неделе сообщила в своей статье в Nature о взятии этого научного рубежа. Скоро ли стоит ли ждать переворота в технологиях?

Физики из университета Рочестера (США, штат Нью-Йорк) в своей статье «Сверхпроводимость при комнатной температуре в углеродистом гидриде серы», опубликованной в Nature, сообщили о важнейшем научном достижении: электрическое сопротивление материала упало до нуля при ничем, с нашей точки зрения, не примечательной — а по меркам физики сверхпроводимости необычайно высокой — температуре +15 оС. Правда, для этого понадобилось довольно высокое давление. Что означает этот результат для науки и технологий?

Миллиарды на ветер

Из школьной физики известно, что любой проводник имеет сопротивление. Из-за этого часть энергии тока тратится на нагрев провода. Но то, что для физика — тривиальный эффект, для экономики оборачивается головной болью. Возьмем для примера экономику США как мощнейшую в мире и поупражняемся в арифметике. Общая генерация электроэнергии в США в 2019 году составила более 4000 тераватт-часов (ТВт⋅ч). При этом 5% этой энергии, то есть более 200 ТВт⋅ч, было потеряно в линиях электропередач. Между тем средняя конечная цена электроэнергии для промышленных предприятий в США в том же году составила $0,07 за кВт⋅ч. Если бы эта энергия была не потеряна в проводах, а потрачена на нужды промышленности, американская экономика сохранила бы более $14 млрд. Миллиарды долларов были буквально выброшены на ветер, точнее, на обогрев уличного воздуха. Примерно так же дело обстоит во всем мире. Ни политическая система, ни экономические особенности, ни идеологические установки не имеют власти над сопротивлением проводов. Физику можно победить только физикой.

Просто фантастика

Физикам с 1911 года известно состояние вещества, в котором электрическое сопротивление равно нулю. Подчеркнем: согласно строгим выкладкам теоретиков, оно не «близко к нулю», не «пренебрежимо мало», а точно равно нулю. Это состояние называется сверхпроводимостью. В сверхпроводящих проводах энергия не теряется. Одно это способно сделать их голубой мечтой любого министра энергетики. Но и руководителям транспортного ведомства есть о чем помечтать. Дело в том, что у сверхпроводящего вещества есть замечательное свойство: в такой материал не может проникнуть магнитное поле. Из-за этого магнит, помещенный над сверхпроводником, просто зависает в воздухе.

Сверхпроводящее дорожное полотно могло бы реанимировать проекты поездов на магнитной подушке, которые за десятилетия экспериментов так и не превратились в распространенный коммерческий транспорт. Транспортное средство, по вместимости равное поезду, по скорости — самолету, но в несколько раз энергоэффективнее того и другого — это ли не мечта? Кроме того, сверхпроводники могли бы стать основой для принципиально новой сверхбыстрой электроники. Список возможных применений сверхпроводимости можно продолжать еще очень долго. Почему же все эти фантастические возможности до сих пор не вошли в нашу жизнь?

Холодный душ

К сожалению, до самых недавних пор сверхпроводящее состояние наблюдалось только в очень-очень холодных веществах. Настолько холодных, что сверхпроводимость при температуре выше минус 230 оС — минус 240 оC была названа высокотемпературной. По бытовым меркам это выглядит как издевательство, но у ученых свои резоны. Дело в том, что, скажем, обычный материал для проводов ЛЭП — алюминий — переходит в сверхпроводящее состояние только при минус 272 оC. Это близко к абсолютному нулю — самой природой положенному пределу охлаждения. Охладить вещество до таких температур и не давать ему нагреться от окружающей среды — это не просто дорого, а очень дорого. Поддерживать сверхпроводимость обычных проводов для экономии электроэнергии — все равно что мостить дороги алмазами, чтобы покрытие подольше не истиралось.

Но ученые не сдаются. Они ищут материалы, которые проще перевести в сверхпроводящее состояние, чем привычные металлы. История исследования сверхпроводимости — это история изнурительной борьбы за повышение температуры сверхпроводимости. В конце 1980-х были созданы материалы, которым для этого перехода было достаточно охлаждения сравнительно дешевым жидким азотом (-196 оC), а не крайне дорогим жидким гелием (-269 оC). Это стало крупным прорывом, положившим начало более или менее широкому применению сверхпроводников в технике. Даже сам термин «высокотемпературные сверхпроводники» был переосмыслен, и сейчас им зачастую обозначают «азотные» сверхпроводники — те, для охлаждения которых достаточно недорогого жидкого азота.

Высокотемпературный скандал: действительно ли открыта комнатная сверхпроводимость

Пределы роста

Сегодня рынок сверхпроводниковых технологий стремительно растет. В 2020 году его объем достиг $5,7 млрд. Но этот рост имеет пределы. Даже жидкий азот не такое уж дешевое вещество (в России — десятки рублей за литр в розничной продаже). Кроме того, он требует громоздкой системы теплоизоляции. А если она выйдет из строя, хладагент очень быстро испарится. В связи с этим заливать жидким азотом кабели ЛЭП — коммерчески сомнительная идея. Самый длинный в мире сверхпроводящий силовой кабель с азотным охлаждением сейчас прокладывается в Китае и имеет длину всего 1,2 километра. При этом «азотные» сверхпроводники годятся далеко не для всех приложений. Например, сверхпроводящие электромагниты в распространенных моделях магнитно-резонансных томографов приходится охлаждать жидким гелием. Эта одна из причин, по которой стоимость томографов стала притчей во языцех. 

Подведем итог. Дешевые сверхпроводники обещают превратить нашу жизнь в сказку. Но эта сказка станет былью не раньше, чем сверхпроводимость будет достигнута при физических условиях, которые во всех смыслах у нас в кармане. Прежде всего — при комнатной температуре и атмосферном давлении. И если говорить только о температуре, то сегодня, спустя сто лет исследований, этот барьер наконец взят.

Нужно давить

Разные научные группы много лет поэтапно подбирались к знаковой отметке. Так, в 2015 году был поставлен рекорд в минус 70 оC. В 2019 году физики добрались до минус 23 оC — температуры русской зимы. И вот теперь сверхпроводимость достигнута при комнатной температуре. Удивительно, но компонентами для сверхпроводника послужили самые простые и дешевые вещества: сера и углерод в виде очень мелкого порошка, а также газообразный водород. Эта смесь была сжата между алмазными наковальнями и подвергнута колоссальному давлению в 2,6 млн атмосфер. Кроме того, вещество через прозрачный алмаз несколько часов облучали лазером, чтобы вызвать в нем химические реакции. В результате таких манипуляций образовался принципиально новый материал (правда, в количестве всего лишь триллионных долей литра). Вещество оставалось сверхпроводящим при 15 оC.

Мечта сбывается и... не сбывается

Мечта физиков сбылась. Мечта инженеров и экономистов — нет. Дело в том, что полученный материал сохраняет сверхпроводимость, лишь пока на него оказывают огромное давление. Это же, кстати, относится к рекордам 2015 и 2019 годов. Идея подвергать провод давлению в миллионы атмосфер даже еще более абсурдна, чем заливать его жидким азотом или даже гелием. Однако исследователи по крайней мере продемонстрировали, что сверхпроводимость при комнатной температуре — реальность, а не плод воображения. Изучив физические механизмы, лежащие в основе «комнатной» сверхпроводимости, ученые, возможно, реализуют ее и при нормальном давлении. И тогда мечты фантастов станут реальностью, как это много раз происходило за последнее столетие.