Что такое сверхпроводники и правда ли, что люди научились производить такие в обычной духовке
Единственный нюанс — для работы сверхпроводников необходимы очень низкие температуры или очень высокое давление, что делает их использование сложным. Поэтому сверхпроводник, существующий при комнатной температуре, чуть не уничтожил всех голубых жителей Пандоры. Само название «анобтаниум», или «унобтаний», обозначает в художественной литературе что-то недостижимое и невозможное.
В этом году весь мир всполошила новость, что корейские учёные создали сверхпроводник, работающий при комнатной температуре. Тот самый «анобтаниум». Удалось ли им это на самом деле и зачем вообще нужны сверхпроводники?
Как развивались сверхпроводники
История сверхпроводимости базируется на открытиях в области сверхнизких температур. Всё началось со сжижения кислорода в 1877 году, затем удалось охладить азот, водород, а в 1908 году получили жидкий гелий. Дальше учёные проводили эксперименты, чтобы выяснить, как связаны температура и электрическое сопротивление. Первой сверхпроводимость показала ртуть — примерно при −270 °C.
Развитие идёт по пути повышения температуры, при которой материалы могут проявлять эти свойства. Сейчас существует два вида сверхпроводников:
-
Низкотемпературные, которые проводят ток без сопротивления при температуре жидкого гелия, −268,9 °C.
-
Высокотемпературные — при температуре жидкого азота, −195,8 °C.
Помимо проводимости тока без сопротивления сверхпроводники могут левитировать или заставить другие предметы это делать. То есть летающие горы на Пандоре не такой уж и вымысел. Это объясняется эффектом Мейснера: сверхпроводники полностью вытесняют из своего объёма магнитные поля.
Неполный список того, где используются сверхпроводники: ускорители частиц, термоядерные реакторы, томографы, поезда на магнитной подушке, накопители энергии, двигатели, включая космические и электросамолётные, и, конечно, квантовые процессоры. Например, электроподстанцию в Москве защищает токоограничитель на высокотемпературных сверхпроводниках: он нужен, чтобы избежать коротких замыканий.
Квантовые компьютеры, которые в том числе базируются на сверхпроводниках, разрабатывает Google, IBM, Intel, а также специально созданные центры во многих странах. При этом квантовые процессоры уже применяются. Например, в ноябре 2023 года в Токийском университете закончили установку 127-кубитного процессора IBM Quantum Eagle, который будет проводить исследования в области биоинформатики, физики высоких энергий, материаловедения и финансов.
В мире всего несколько мест, где производят сверхпроводники. Одно из них — Чепецкий механический завод при научном руководстве ВНИИ неорганических материалов им. Бочвара. С 2010 года на базе завода ведётся промышленное производство низкотемпературных сверхпроводящих материалов на основе ниобий-титанового сплава. В Сколково базируется частная компания «С-Инновации», которая занимается производством высокотемпературных сверхпроводников. А компания «СуперОкс» производит многожильные сверхпроводниковые кабели.
Объём рынка сверхпроводников в мире достиг 10,9 млрд долларов и продолжает расти. Поэтому гонка в сфере поиска новых материалов не замедляется. Летом 2023 года группа корейских учёных заявила, что созданный ими LK-99 сверхпроводит при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Такое открытие изменило бы всю игру.
Таинственный корейский LK-99
LK-99 — это замещённый медью свинцовый апатит состава Pb₁₀₋ₓCuₓ(PO₄)₆O (0,9 < x < 1,1). Такое прорывное открытие привлекло внимание даже непрофильных СМИ, а учёные по всему миру стали пробовать повторить опыт коллег. Условия, которые описаны в эксперименте, очень легко воссоздать: для этого буквально нужны комнатная температура и давление. Нужно было только синтезировать LK-99 — кстати, патент с методикой его синтеза опубликовали ещё в 2022 году. Когда последователи занялись синтезом, выяснилось, что методика описана неточно. Расходились формулы и иллюстрации, непонятным было время нагрева и другие детали.
Одними из первых похожий материал синтезировали индийские учёные: состав и структура их образца были как у LK-99. Но он не левитировал и не сверхпроводил. Такие же результаты — точнее, их отсутствие — показали эксперименты по всему миру.
Поэтому уже через месяц можно было сказать, что LK-99 — это не сверхпроводник.
До этого неоднократно обнаруживались сверхпроводники при комнатной температуре — но давление при этом было колоссальным, что не сильно меняет положение вещей. Индийские учёные заявляли о некоем сверхпроводнике при нормальных условиях ещё в 2018 году, но и их выводы не подтвердились.
Что будет, когда сверхпроводники заработают при комнатной температуре?
Сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре и давлении, пока не открыты. Но учёные всего мира склоняются к тому, что рано или поздно их откроют. Когда это произойдёт и они станут доступны для инженерной эксплуатации, поменяется всё.
Электроэнергетика будет работать без потерь при передаче. Сейчас в России при передаче электричества теряется до 10% энергии. В Норвегии — 16,3%, в Германии — 7,6%, а в Японии — всего 5%. Около 64% всех потерь происходит на ЛЭП. С переходом на сверхпроводники энергопотери вообще не будут зависеть от сетей.
Электромобили будут заряжаться быстрее, а их двигатели станут мощнее. При этом износ аккумулятора снизится в разы. Сейчас примерно 50% тепла, которое выделяют батареи, возникает из-за сопротивления, а повышенная температура плохо влияет на продолжительность жизни аккумулятора. Это применимо к любым аккумуляторам, не только в электромобилях. Ноутбуки и смартфоны смогут работать десятилетиями.
Появятся мощные ускорители частиц, а это откроет путь к новым экспериментам по ядерному синтезу. Сканеры МРТ станут дешевле и компактнее, а значит, доступнее. Стоимость кратно уменьшится за счёт отказа от системы охлаждения. Появятся дальнемагистральные электросамолёты с незначительным углеродным следом, а поезда на магнитной подвеске будут передвигаться повсюду.
