|
Наиболее масштабное применение ВТСП-технологии в кабельной технике начато в США (Steve N. et al. Physica C, 2001, v. 354). В ближайшее время в пригороде Детройта начнутся работы по замене медных маслонаполненных кабелей на сверхпроводящие (из ВТСП Bi-системы (Bi-Sr-Ca-Cu-O) в действующей энергосистеме. Если эта замена приведет к планируемым результатам, то, как считают сторонники новой технологии, можно будет начать отсчет новой эры в передаче электроэнергии. В детройтском проекте 1000 кг медного провода будет заменено на 360 кг сверхпроводящего, охлаждаемого жидким азотом. Планируется, что детройтская сверхпроводящая сеть будет иметь параметры: длина 120 м, напряжение 24 кВ, ток 2400 А и передаваемая мощность 100 МВА. Система будет поставлять электроэнергию 14000 потребителям".
Электричество, №9, 2001, с. 56.
В Марийском государственном университете научно-исследовательская лаборатория высокотемпературных сверхпроводников (НИЛ ВТСП) была создана в 1991 г. по инициативе кандидата физико-математических наук А.Р.Буева, ставшего ее руководителем и работающего с 1993 г. в должности доцента кафедры электромеханики и электроэнергетики. В настоящее время НИЛ ВТСП приобрела соответствующую электроэнергетическую направленность, которая является для лаборатории доминирующей.
Явление сверхпроводимости (СП), открытое в начале XX в., заключается в полном исчезновении электрического сопротивления у сверхпроводника при погружении его в жидкий гелий с температурой 4,2 К (-269 °С), что позволяет без потерь передавать по СП электроэнергию на любые расстояния. К области электроэнергетических приложений СП относится также создание сверхмощных электромагнитов, способных за счет явления магнитной левитации (устойчивого парения магнита над СП) осуществлять перемещение транспортных средств на магнитной подушке - без трения. Однако широкому практическому применению СП препятствуют сложность производства и дороговизна хладоагента - жидкого гелия.
ВТСП, открытые в 1986 г. австрийскими учеными Беднорцем и Мюллером, в настоящее время имеют температуры перехода в СП-состояние 80-135 К, что позволяет в качестве хладоагента использовать жидкий азот, отличающийся доступностью и дешевизной.
Руководитель лаборатории А.Р.Буев начал заниматься ВТСП в 1987 г. Финансирование НИЛ ВТСП в период с 1991 по 2001 гг. осуществлялось в рамках государственной программы "Актуальные направления в физике конденсированных сред" (направление "Сверхпроводимость") Министерства науки и технологий РФ. В 1997 г. по инициативе немецких коллег из Университета прикладных знаний г. Мюнстер (отделение прикладного материаловедения, лаборатория кристаллов
и ВТСП, г.Штайнфурт) началась совместная работа в рамках проекта RUS/125-96, финансируемого министерством авиации и космоса ФРГ. В 1998 г. НИЛ ВТСП и кафедрой квантовой статистики МарГУ немецкой стороне был предложен проект 436 RUS 113/490/0 (R), который получил финансирование в рамках совместной программы РФФИ-ННИО (Российский фонд фундаментальных исследований - Немецкое научно-исследовательское общество). В настоящее время в лаборатории ВТСП проведены предварительные исследования, получены положительные результаты и составлены соответствующие проекты для совместных работ с тремя научно-исследовательскими организациями из Йены, Кельна и Эссена.
За четыре года сотрудничества состоялись десять рабочих визитов в Германию. Наряду с руководителем лаборатории в Германии побывали студент ЭЭФ А.Лоскутов (ныне аспирант НГТУ, г. Новосибирск) - 10 месяцев, аспирант кафедры квантовой статистики В.Иванов - 4 месяца. Участников рабочих визитов немецкая сторона обеспечивала всем необходимым для проведения работ, включая самые дорогие материалы и современное оборудование, часть из которых была передана непосредственно в НИЛ ВТСП МарГУ. Это существенно укрепило материальный и научно-исследовательский потенциал лаборатории и позволяет в настоящее время на основе собственных, оригинальных установок и разработок создать соответствующую учебную лабораторию с современной и актуальной тематикой, способную активно включиться в учебный процесс на ЭЭФ.
В настоящее время в НИЛ ВТСП проводятся научно-исследовательские работы по следующим темам:
Магнитные антенны и градиентометры на основе ВТСП-толстопленочной 3D литографии. Посредством разработанной в лаборатории технологии создаются поликристаллические подложки сложной формы из оксида магния. На них трафаретным способом наносятся трехмерные (3D) схемы-рисунки из специальной пасты на основе ВТСП-порошка системы Bi-Sr-Ca-Cu-O. Проводится термосинтез, в результате которого схемы становятся сверхпроводящими, т.е. способными захватывать постоянное поле, усиливать его в сотни и тысячи раз и транспортировать к датчику магнитного поля. Возможное применение - в сверхчувствительных томографах, работающих на основе квантовых датчиков магнитного поля (SQUID).
Магнитные экраны на основе массивной ВТСП-керамики. ВТСП-порошок специальным способом компактируется в виде трубок. Трубки термообрабатываются и становятся сверхпроводящими. При этом вследствие фундаментального свойства сверхпроводников - выталкивания из собственного объема внешнего магнитного поля (эффект Мейсснера - Оксенфельда) - в трубке индуцируются экранирующие СП-токи и создается магнитный вакуум, который необходим для работы сверхчувствительных магнитометров.
Исследования критического состояния ВТСП. Критическое состояние сверхпроводников 3 рода (к ним относятся все ВТСП) - это состояние, при котором по ним протекают максимальные СП-токи, а их магнитные поля проникают в толщу сверхпроводников, образуя вихревые нити - флюксоиды. Флюксоиды пиннингуются на локальных неоднородностях и создают правильную двухмерную решетку. У ВТСП критическое состояние мало изучено и имеет особенности, связанные с их гранулярной структурой. Исследование критического состояния осуществляется на основе измерительных ячеек собственной конструкции и разработанных в лаборатории способов изготовления образцов сложной формы.
Создание токоограничителей индуктивных (ТОИ) на основе ВТСП.ВТСП-ТОИ состоит из соленоида, намотанного на ВТСП-трубку, внутри которой находится сердечник из магнитомягкого материала. Если ток через соленоид мал, т.е. мало создаваемое им магнитное поле, то ВТСП-трубка экранирует такое поле и не пропускает его во внутрь. При этом индуктивность соленоида практически равна нулю. При превышении током некоторого порогового значения магнитное поле соленоида разрушает сверхпроводимость ВТСП-трубки, поле проникает внутрь и достигает магнитного сердечника. В результате у соленоида мгновенно появляется большое индуктивное сопротивление, которое препятствует дальнейшему росту тока. В лаборатории разрабатывается и исследуется ТОИ оригинальной конструкции, в котором ВТСП-трубка заменяется набором колец. Установлено, что такой ТОИ по своим электротехническим параметрам существенно (до 20%) превосходит цельнотрубчатый, значительно проще в изготовлении и позволяет существенно (на 30-50%) сэкономить дорогостоящий ВТСП-материал.
Все эти темы составляют основу докторской диссертации доцента А.Р.Буева, который также консультирует аспиранта МарГУ В.Иванова по теме "ВТСП 3D-литография" и выпускника ЭЭФ, аспиранта Новосибирского ГТУ А.Лоскутова, выполняющего диссертационную работу "ВТСП -ТОИ". В лаборатории ВТСП выполняются научная работа "Измерение критического тока ВТСП" студента Е.Смирнова и докторская диссертация "Толстые ВТСП-пленки" кандидата технических наук доцента МарГТУ В.Н.Игумнова.
Всего за 10 лет существования лаборатории ВТСП опубликовано 39 работ, из них 23 - за последние четыре года международного сотрудничества.
Сайт НИЛ ВТСП (проект "Форма"): http://perst.isssph/kiae/ru.Inform.VIR.
Доцент В.Н.ЧАЙКИН