Начиная с открытия эффекта сверхпроводимости - в 1911 году - голландским ученым Камерлингом Оннесом, человечество мечтало об использовании этого явления для передачи электроэнергии по проводам совершенно без всяких потерь, для постройки сверхмощных электромагнитов и электромоторов.работающих без перегрева. Но все известные в то время сверхпроводники-металлы имели критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние очень близкую от абсолютного нуля -273,16 градусов Цельсия. Практических методов охлаждения до таких низких температур не было, да и сам эффект сверхпроводимости был совершенно непонятен с теоретической точки зрения.
И только лишь почти через пятьдесят лет, в 1957 году, три американских физика - Бардин, Купер и Шреифер приподняли завесу над тайной сверхпроводимости и создали теорию этого явления.
В нормальном проводнике, при наличии электрического поля, электроны в зоне проводимости движутся в направлении этого поля, создавая электрический ток.
Во время движения электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки,вызывая их колебания и,таким образом, превращают энергию электрическую в тепловую. По теории вышеназванных ученых, отрицательно заряженные электроны, проходя между положительно заряженными атомами кристалической решетки металла, вызывают сдвиг этих атомов, что порождает колебания решетки. Если металл находится при очень низкой температуре, то колебания кристаллической решетки создают излучение фононов, взаимодействие которых со свободными электронами дает начало образованию спаренных электронов, движущихся без сопротивления через металл .
Эти спаренные электроны получили название “куперовских пар” - по имени ученого Купера,открывшего эти пары.
В экспериментальной части и в области практического применения сверхпроводимости прогресс был тоже очень медленным.
Только в 1953 году американский ученый Бернд Маттиас, в Белл лаборатории, открыл сплав ниобия с оловом, с критической температурой в 18 градусов Кельвина - 255 градусов Цельсия. После интенсивных поисков в 1973 году был найден сплав ниобия с германием с критической температурой в 23 градуса Кельвина, т.е. -250 градусов Цельсия.
Это был медленный, мучительный путь. И, вдруг, за последние 2-3 года, как из рога изобилия, посыпались открытия новых сверхпроводников среди материалов, которые никогда не рассматривались, как потенциальные сверхпроводники. Такими сверхпроводниками оказались керамики, всегда считавшиеся идеальными изоляторами. Первые случайные эксперименты с керамикой, состоящей из окислов лантана, бария и меди,показали, что эта керамика становится сверхпроводящей при температуре порядка 35 градусов Кельвина или -238 градусов Цельсия.
Это уже было на 12 градусов Кельвина выше критической температуры сплава ниобия с германием.
В 1984 году группа ученых во главе с физиком Чу,из научно-исследовательской лаборатории университета штата Алабама, уже сделали лантано-бариево-медную керамику с критической температурой в 57 градусов Кельвина -216 градусов Цельсия.
Через несколько месяцев та же группа ученых, заменив лантан иттрием, нашла, что новая керамика становится сверхпроводником при температуре в 93 градуса Кельвина, т.е. -180 градусов Цельсия, а для такой керамики уже достаточно охлаждения жидким азотом, чтобы поддерживать ее состояние сверхпроводимости.
Последнее сообщение группы ученых Алабамского университета гласит, что им удалось получить керамику, критическая температура которой 225 градусов Кельвина или -48 градусов Цельсия. По заявлению руководителя этой группы ученых - физика Чу - есть надежда выделить из этой керамики компоненту с критической температурой близкой к комнатной температуре. Но явление сверхпроводимости в этой керамике очень неустойчиво и недолговременно.
Многие научно-исследовательские лаборатории, никогда не занимавшиеся вопросами сверхпроводимости подключаются к поискам новых сверхпроводников, а сотрудников этих лабораторий тоже начинает трясти лихорадка открытий и изобретений.
Пресса подхватила этот дух энтузиазма, возникшего среди научных сотрудников научно-исследовательских лабораторий. Журналисты, возможно в пе рвые услышавшие слово сверхпроводимость,начали фантазировать о том, что завтра появятся поезда на магнитной подушке, со скоростью самолета пересекающие целые континенты,элек трическая энергия будет передаваться по сверхпроводящим проводам совершенно без всяких потерь в самые отдаленные уголки земного шара.
Экспериментальные работы со сверхпроводящими металлами ведутся и в настоящее время, Но для того,чтобы преодолеть хрупкость сплава ниобия с оловом и сделать первый короткий кусок сверхпроводящего кабеля, научным сотрудникам Белл-лаборатори - понадобилось десять лет.
В случае сверхпроводящих керамик дело обстоит значительно сложнее, чем в случае металлических сверхпроводников. Теоретически сверхпроводимость новых керамик нельзя полностью объяснить с точки зрения теории Бардина-Купера-Шрейфера.
Здесь большую роль играют атомы кислорода, которые создают сверхпроводящие пути в кристаллах керамики.Эти сверхпроводящие пути очень неустойчивы и при малейших механических воздействиях или небольших изменениях температуры - они исчезают. Все типы( керамик,представляющие собой смесь окислов различных металлов,необычайно хрупки и, если для того, чтобы сделать кусок кабеля из сверхпроводящего сплава ниобия с оловом понадобилось десять лет и армия научных сотрудников одной из лучших,американских лабораторий, то сколько же лет пройдет, пока из сверхпроводящей керамики можно будет намотать катушку для электромагнита термоядерного реактора или сверхмощного ускорителя частиц,?
Каждый сверхпроводник имеет свою критическую температуру, выше которой он становится нормальным проводником или, даже, изолятором.Кроме того у сверхпроводников существует еще два критических фактора - максимальное магнитное поле и предельная плотность тока. Если значение одного из этих факторов перешло определенный лимит, то сверхпроводимость исчезает. Для технического использования керамических сверхпроводников эти два фактора имеют решающее значение.
Два вида вышеупомянутых керамик, имеющих высокую критическую температуру, могут выдержать магнитное поле не больше 100 гаусс, тогда как электромагниты,применяемые в современной технологии должны создавать магнитные поля от 10000 до 100000 гаусс. Ясно,что керамические сверхпроводники для этого не могут быть использованы.
Сверхпроводящие керамики могут выдерживать электрическую нагрузку не больше 200 ампер/см2,а для практического применения в современной технологии эту цифру нужно увеличить в сотни раз.
Директор научно-исследовательского института электрических систем - Нарьян Гингоряни -заявляет, что сверхпроводники никогда не будут употребляться для передачи электроэнергии на длинные дистанции, т.к. сейчас потери составляют лишь 4% - 5%. А стоимость охлаждения сверхпроводящих линий значительно превысит стоимость этих потерь.
Правда, из некоторых лабораторий начинают приходить известия, окрыляющие новой надеждой и, кажущиеся, на лервый взгляд, непреодолимые трудности - могут быть преодолены. Например, сотрудник научно-исследовательской лаборатории Ай-Би-Эм - Томас Ватсон - сообщает, что очень тонкий слой сверхпроводящей керамики,в которой все кристаллики были ориентированы в определенном направлении, выдерживает электрическую нагрузку в 100000 ампер/см2. Следовательно, если в керамической массе, каким-то образом, ориентировать кристаллики в одном направлении, то возможно, она сможет выдержать значительно большую электрическую нагрузку.
Это дало бы возможность построить-сеть сверхпроводящих соленоидов, которые служили бы гигантскими аккумуляторами электрической энергии. Такие аккумуляторы могли бы поглощать лишнюю энергию электростанций ночью и отдавать ее обратно в часы пик. Эти же аккумуляторы могли бы найти применение в космосе для обеспечения энергией космических станций и оборудования для “звездных войн”.
Но для того,чтобы такая фантазия могла осуществиться - нужны долгие годы научно-технических поисков и, может быть, эта мечта так никогда и не осуществится.
Первое применение новых керамик, вероятно, будет возможно в электронике, где сверхпроводящий слой очень тонок и его проще сделать. Такая электроника,в
первую очередь будет применяться в космосе - в сверхскоростных компьютерах и в электронных интегральных схемах.
Но в космосе - потоки корпускулярного излучения -электронов и протонов могут очень быстро вывести из строя электронные схемы, состоящие из сверхпроводников, и снова понадобятся годы для того, чтобы сделать сверхпроводящую керамику устойчивой к радиации.
Из всего вышесказанного можно заключить,что пока еще рано мечтать о поездах, парящих в магнитном поле сверхпроводников, о сверхбыстрых компьютерах и о гигантских сверхпроводящих соленоидах - аккумуляторах электрической энергии, питающих космические станции и аппаратуру из арсенала “звездных войн”.
Возможно, через несколько десятков лет кое-что из этих фантастических предсказаний и осуществится,а может быть, несмотря на многие миллиарды потраченных денег и годы труда целой армии ученых, все это останется недосягаемой мечтой.