Высокотемпературная сверхпроводимость. Достижения и перспективы

Министерство образования  и науки РФ

Нижегородский государственный 

технический университет

Факультет экономики, менеджмента  и инноваций

Кафедра “Управление инновационной  деятельностью ”

“Высокотемпературная сверхпроводимость. Достижения и перспективы”

Выполнил студент :

Руководитель:

Булюбаш Б.В.

Работа защищена

с оценкой  _ _ _ _ _ _ _ _

/ _ _ _ _ _ _ _ _ _/

“_ _ _ ” _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2013 г.

Нижний Новгород

2013 г.

ВВЕДЕНИЕ

Даже те, кто далеки от науки, слышали  о сверхпроводимости. Суть этого  явления, которое было открыто около  ста лет назад, заключается в  том, что у некоторых материалов при достаточно низких температурах отсутствует электрическое сопротивление. Такие сверхпроводники отталкивают  от себя магнитное поле. Именно на этом основан эффектный демонстрационный опыт, когда маленький магнит левитирует, то есть парит, над сверхпроводником без всякой поддержки.

Долгое время физики не могли  объяснить это явление, да и практического  применения ему не находилось. Но к  середине прошлого века ученые наконец-то смогли понять природу сверхпроводимости. Стало ясно, что и промышленности очень нужны такие материалы. Однако использовать сверхпроводимость  не удавалось по техническим и  экономическим причинам, поскольку  вещества надо было охлаждать до очень  низких температур.

Ситуация изменилась ближе к  концу прошлого века, когда было открыто множество новых, необычных  сверхпроводящих соединений, обладающих подчас удивительными свойствами. В  некоторых из них, так называемых высокотемпературных сверхпроводниках, явление возникало при гораздо  более высоких температурах, хотя все еще намного ниже нуля по Цельсию. И, тем не менее, высокотемпературные  сверхпроводники, с которыми было проще  и дешевле работать, стали активно  входить в нашу жизнь.

Сегодня мы точно знаем, что именно ВТСП -материалы могут быть использованы наяву, а не в фантастическом романе. Они нашли свое применение во множестве  технологических новшеств XXIв. – от «левитирующих» поездов на магнитной подушке и подшипников без трения, до медицинских томографов, позволяющих контролировать биотоки человеческого мозга. Разработаны и созданы образцы ВТСП проводов и кабелей, разных форм и  размеров, на основе сверхпроводящей керамики были изготовлены ВТСП двигатели, генераторы, ограничители тока, токководы, информационные системы, антенные решетки, сверхпроводящие подшипники и многое другое.   В настоящее время созданы опытные образцы ВТСП-генераторов мощностью 50 МВА (США), ВТСП – синхронный компенсатор мощностью 8 МВА (США). Ожидается, что с 2015 года ВТСП-генераторы и синхронные компенсаторы станут коммерческим продуктом и будут запущены в серийное производство. 

Однако до сих пор природа  необычной высокотемпературной  сверхпроводимости остается для  ученых загадкой.  Многие теоретики  и экспериментаторы продолжают спорить  о механизмах работы ВТСП. Начиная с 1987 года было предложено более 100 моделей механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

В своей работе я хочу разобраться, откуда берет начало  ВТСП,  каков  химический состав веществ, в которых  была обнаружена ВТС, почему многие ученые посвящают годы на изучение данной теории и насколько важно практическое применение  высокотемпературных  сверхпроводников для будущего человечества.

1. Основная часть

Публикаций по данной теме достаточно много и каждый из авторов  в основном затрагивает какой-то определенный сегмент в изучении и развитии ВТСП. Каждая статья по-своему интересна и далеко не все просты для неискушенного читателя. При  раскрытии  темы курсовой работы, я искал разные статьи, связанные с происхождением и развитием ВТСП. Поиск информации по данной теме был не простым, т.к.  материала достаточно много и нужно выделить основное, не потеряв основную цель курсовой. Но это и было интересным.  Основой материал был предложен на сайтах:

1. сайт журнала "Наука и жизнь" http://www.nkj.ru/
2. сайт «Ежемесячный естественнонаучный журнал  РАН»  http://www.ras.ru/publishing/nature.aspx,
3. сайт «Наука и технологии России»  http://www.strf.ru,
4. сетевая версия журнала «Вокруг Света» http://www.vokrugsveta.ru,      
5. научно популярный сетевой ресурс «Элементы» http://elementy.ru, и др.

2. История открытия высокотемпературной сверхпроводимости

История развития ВТСП берет начало с 1911 г., когда голландский физик Камерлинг-Оннес, впервые получивший жидкий гелий и тем самым открывший путь к систематическим исследованиям свойств материалов при температурах близких к абсолютному нулю, обнаружил, что при 4,2 К обычная металлическая ртуть (простое вещество, представляющее собой «плохой металл») полностью теряет электрическое сопротивление. В 1933 г. Мейснер и Оксенфельд показали, что сверхпроводники (СП) одновременно являются и идеальными диамагнетиками, то есть полностью выталкивают линии магнитного поля из объёма СП (Эффект Мейснера).

Всё это в принципе открыло  широчайшие возможности для практического  применения сверхпроводимости. Однако на пути к реализации этих идей длительное время существовала непреодолимая  преграда — крайне низкая температура перехода в СП состояние, называемая критической температурой (Т_с). За 75 лет, прошедших со времени открытия Камерлинг-Оннеса, эту температуру удалось поднять лишь до 23,2 К на интерметаллиде Nb₃Ge, причем общепризнанные теории сверхпроводимости (Теория БКШ) порождали неверие в принципиальную возможность преодоления этого температурного барьера.

В 1986 г. произошел существенный скачок температуры сверхпроводящего перехода когда Беднорц и Мюллер открыли ВТСП в нетрадиционных соединениях- купратах. Они обнаружили способность керамики на основе оксидов меди, лантана и бария (La_2-xBa_xCuO₄) переходить в СП состояние при 30 К. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 им  была немедленно присуждена Нобелевская премия.

Сложные купраты аналогичного состава были синтезированы в 1978 г. Лазаревым, Кахан и Шаплыгиным, а также французскими исследователями двумя годами позже. К сожалению, электропроводность этих образцов была измерена лишь до температуры кипения азота (77К), что не позволило обнаружить эффект сверхпроводимости.

Важнейшей чертой открытия ВТСП можно назвать то, что сверхпроводимость  была обнаружена не у традиционных интерметаллидов, органических или полимерных структур, а у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства. Это разрушило психологические барьеры и позволило в течение короткого времени создать новые, более совершенные поколения металлоксидных СП почти одновременно в США, Японии, Китае и России.

В феврале 1987 г. — Чу и др. синтезируют, используя идею «химического сжатия» для модифицирования структуры, СП керамику из оксидов бария, иттрия и меди YBa₂Cu₃O_7-x с критической температурой 93 К, то есть выше точки кипения азота.

В январе 1988 г. Маеда и др. синтезируют серию соединений состава Bi₂Sr₂Ca_x-1Cu_xO_2x+4, среди которых фаза с x=3 имеет Т_с=108К.

Месяц спустя Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ c T с = 125K.

В 1993 г. Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa₂Ca_x-1Cu_xO_{2x+2+ d} (x=1-6). В настоящее время фаза HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+d (Hg −1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры (135К), причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164К, что лишь на 19К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, СП «химически эволюционировали», пройдя путь от металлической ртути (4,2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).

Существенный вклад в понимание  природы высокотемпературной сверхпроводимости внесли также советские физики-теоретики Виталий Гинзбург, Лев Ландау, Николай Боголюбов, Алексей Абрикосов.

С 2000г. по настоящее время  в России  из начальных 500 проектов было  поддержано только 83, значительно  более укрупненных по тематике исследований ВТСП, по кадровому составу и инвестициям. Это связано не только с общим  снижением финансирования, но и с  концентрацией усилий на осознанных прорывных направлениях. Исследования и разработки проводятся в 4-х секциях - физики, химии, электроники и техники. Объем финансирования аналогичных  исследований в США, Японии и Европейском  Союзе поддерживается на уровне 100-200 млн. долл. в год. В России эта цифра  в 100 раз меньше. При этом Россия пытается сохранить как высокий темп исследований, так и тематическую направленность.

3. Химический состав

На сайте http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/theory/792/  автор Булюбаш Б.В.в своей статье " Железная ступень к высокой температуре", опубликованной 13.11.2008г. повествует нам о новых достижениях в изучении ВТСП за счет изучения их химического состава.  " Главной неожиданностью в открытии Беднорца и Мюллера стал химический состав веществ, в которых была обнаружена ВТС. Сверхпроводником оказалась оксидная керамика (традиционно использовавшаяся как диэлектрик или полупроводник), а совсем не те вещества, которые в исследованиях по увеличению температуры сверхпроводящего перехода считались перспективными. Вполне естественно, что новый класс сверхпроводников немедленно стал объектом пристального внимания и вскоре в различных физических лабораториях были получены новые виды металлоксидных физики США,Японии, Китая и России. В состав почти всех высокотемпературных сверхпроводников нового поколения входит двуокись меди, в связи с чем они получили название купратных.

В настоящее время максимальная температура сверхпроводящего перехода при нормальном давлении составляет 135 К. В условиях высокого давления температуру перехода удается повысить, и в опытах она уже приближается к минимальной температуре, когда-либо зарегистрированной на земле — 183 К.

Открытие, сделанное недавно  японским физиком Хидео Хосоно из Токийского технологического института, было встречено с большим энтузиазмом, хотя и не было связано с продвижением вверх по шкале температур. Хосоно обнаружил ранее считавшееся невозможным: новый вид сверхпроводящих материалов, в состав которых входит железо. Статья Хосоно, сообщавшая о первом из таких материалов, вышла в свет в феврале нынешнего года в Журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society), и за прошедшее с тех пор время в редакции профильных научных журналов поступило более сотни статей о различных свойствах новых сверхпроводников. «Я не мог даже предполагать, что мои результаты вызовут такой ажиотаж», — признался однажды Хосоно в телевизионном интервью.

Его открытие стало во многом неожиданным для него самого. Задача исследования не была связана с поиском новых сверхпроводящих материалов: Хосоно занимался синтезом прозрачных полупроводников и искал их в классах самых разных химических соединений. Испробованные им вещества включали в себя железо,мышьяк, кислород и редкоземельный металл лантан. Рассчитывая увеличить электропроводность получаемого вещества, он заменил часть атомов кислорода атомами фтора, и в итоге же с удивлением обнаружил, что при температуре 26 К электрическое сопротивление изготовленных им образцов полностью исчезало.

Всего через несколько  недель эксперименты Хосоно повторили его коллеги из пекинского Института физики (Institute of Physics, CAS). Заменив лантан церием, другим редкоземельным металлом, они довели температуру перехода до 41 К. И дальше, без устали меняя элементы в химической формуле соединения, китайские физики стали неудержимо двигаться вверх по шкале температур. Сяньхуй Чень (Хianhui Chen) из Китайскогонаучно-технического университета в Хэфэе (University of Science and Technology of China) добился успеха даже дважды: заменив лантан самарием, он повысил температуру перехода ещё на два градуса, а потом заменил лантан неодимием и празеодимием, и температура сверхпроводящего перехода выросла до 50 К.

Подобными действиями уже  к лету температуру перехода удалось поднять до 55 К. Обобщая полученные результаты, можно сказать, что все эти эксперименты проводились с ранее неизвестными видами сверхпроводящих материалов с общей химической формулой ReFeAsO. Здесь Re — один из редкоземельных металлов: лантан (Ln), самарий (Sm), неодим (Nd) или празеодим (Pr).".

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТСП.

Ознакомившись с происхождением и  химическим составом, мне захотелось понять где в повседневной жизни это можно использовать. На данном этапе мое внимание привлекла статья Константина Ветлугина, опубликованная на сайте http://www.strf.ru  26.04.2010г. . В ней сообщается о том , что в настоящее время все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов.

Параметром, непосредственно определяющим высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное  сопротивление увеличивается пропорционально  квадратному корню из частоты  в то время, как в ВТСП - пропорционально  ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления ( на постоянном токе) у  ВТСП на несколько порядков ниже, чем  у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению  с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.

В последние годы имеет место  все более широкое использование  явления сверхпроводимости для  турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует  также отметить важное направление  в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств  для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

Применение сверхпроводимости  в турбогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь  удается достигнуть того, чего при  других технических решениях сделать  невозможно, а именно, уменьшить  массу и габариты машины при сохранении мощности. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает  те затраты, которые вкладываются в  создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с  большими машинами, нужно пройти очень  сложный путь создания машин все  больших мощностей. При этом нужно  решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности. Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. При разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло- и электрохарактеристикам токовводов.

4. Высокотемпературные сверхпроводники первого и второго поколений

Изучая материалы о ВТСП на сайте http://www /novosti_na_glavnoj/sverhprovodyawij_provod_vtsp1, опубликованную группой компаний "Триз", я прочитал ещё одну не менее интересную статью по практическому применению материалов на основе ВТСП. В настоящее время в развитых странах (США, Европа, Япония) и ряде развивающихся стран (Китай, Ю.Корея) происходит переход от этапа НИОКР к созданию достаточно крупных промышленных производств технических сверхпроводников на основе ВТСП и их опробованию при создании ряда модельных устройств криогенной электротехники – силовых кабелей, токовводов, токоограничителей, трансформаторов, двигателей и генераторов, магнитных систем и пр. 

Пожалуй, самым важным фактором в технологии ВТСП-проводов является "врождённая" анизотропия этих материалов. Непременным структурным признаком всех оксидных ВТСП являются атомные слои состава CuO2, они отвечают за появление сверхпроводимости и наибольший ток течет параллельно именно этим слоям. Данное обстоятельство определяет особенности технологии ВТСП-проводов: для достижения высоких характеристик зерна материала должны быть ориентированы по возможности одинаково, т.е. ВТСП должен обладать текстурой.

Пути к созданию проводов из хрупкой  оксидной керамики, обладающей к тому же сильной анизотропией, искали довольно долго. Первые успехи связаны с разработкой  ВТСП-лент в серебряной оболочке на основе сверхпроводника BSCCO, получившими название лент первого поколения. Несколько позднее появилась технология производства лент 2-го поколения на основе YBCO. И в том, и в другом случае ВТСП-материал обладает достаточно высокой текстурой.

В настоящее время эти два  пути представляют собой конкурирующие  направления, причём если технология лент 1-го поколения уже продемонстрировала свой потенциал – получены многие сотни километров провода, созданы  и введены в эксплуатацию кабели и устройства, то ВТСП-проводам 2-го поколения пока ещё предстоит найти своё место на рынке прикладной сверхпроводимости.

Развитие ВТСП-лент второго поколения в России

На сайте http://www.vokrugsveta.ru, в т.ч. в журнале «Вокруг света» № 6(2849) ИЮНЬ 2011г. представлен материал, публикаций, статьи на темы, связанные с изучением инновационных электротехнических материалов — сверхпроводящие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП-провода 2-го поколения) — способны в будущем коренным образом изменить облик электроэнергетики. Эти материалы представляют собой многослойные наноструктурированные оксидные покрытия на металлических лентах. Они могут найти широкое применение при разработке новых кабелей, токоограничителей, трансформаторов, моторов, генераторов, накопителей энергии и других видов электроэнергетического оборудования, в котором используется явление сверхпроводимости. В России созданием этой технологии занимается компания «СуперОкс», основанная в 2006 г. Всё изготовленное оборудование является оригинальным и основано на накопленном за годы работы ноу-хау. Все технологические аппараты снабжены устройствами непрерывной лентопротяжки, что позволяет уже сейчас воспроизводимо получать образцы значительной длины (десятки и сотни метров).

Российскими учеными был преодолен важный рубеж: на коротких образцах ВТСП-лент сантиметровой ширины при 77К был получен критический ток, превышающий 100 А.

Положение дел по этой тематике зарубежом следующее: ВТСП провода 2-го поколения переходят от пилотной технологии к промышленной

Нанотехнологическое сообщество в своих публикациях на сайте http://www.nanometer.ru анализирует продвижение развития ВТСП технологий как в России так и зарубежом. В 2007 году ВТСП провода 2-го поколения (2G) постепенно превратились из объекта для отработки ВТСП технологии в коммерческий продукт. На настоящий момент целый ряд компаний уже перешел от отработки технологии в лабораторных условиях к опытному производству 2G ВТСП. На данный момент американские компании American Superconductor (далее AMSC) и SuperPower обладают полупромышленными установками, способными производить за сутки, соответственно, до 800 и 1200 метров ВТСП ленты шириной 4,4 мм в день (без учета брака). Европейская компания EHTS и японская Fujikura еще не запустили пилотное производство ВТСП лент 2-го поколения, однако, это не мешает им производить заметные объемы ВТСП ленты в лабораторных условиях. Компания SuperPower поставила Sumitomo 9,7 км ВТСП ленты для осуществления второй фазы проекта ВТСП кабеля в Олбани. 

Среди всех производителей ВТСП проводов 2-го поколения стоит выделить компании AMSC и Super-Power. Разработанный AMSC специально для токоограничителей ламинированный проводник 344S не имеет аналогов, покрытие из нержавеющей фольги надежно защищает ВТСП слой от механических воздействий и влаги. В 2006 г. SuperPower успешно перешла на подложки толщиной 50 мкм вместо обычных 100 мкм, что позволяет в 1,5 раза поднять конструктивную плотность тока в обмотках и в 2 раза сократить расход ВТСП ленты в токоограничителях. Компания SuperPower до сих пор остается единственным производителем длинномерных (500 м и более) ВТСП проводов 2-го поколения.

                                  ОБСУЖДЕНИЯ

Название статьи Константина  Ветлугина « "Нужны ли Вам кабели, господа" сразу привлекло мое внимание. Я считаю, что данной статье можно доверять, т.к. обсуждение всех вопросов  идет с Виталием Высоцким, доктором технических наук, который возглавляет отделение ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт кабельной промышленности» (ВНИИКП). В статье хорошо отражены тенденции и перспективы развития продукции на основе ВТСП. Поднимается вопрос о надежности безопасности данных изделий. Не вызывает сомнение и информация о разработке новых образцов ВТСП проводов и кабелей а также развёртывании опытно-промышленного производство сверхпроводящих продуктов. Этим займётся Центр прикладной сверхпроводимости.

Публикация  Б.В. Булюбаша «Железная ступень к высокой температуре" показалась мне очень интересной и легкой для понимания. В ней хорошо описаны и проиллюстрированы наглядно состояние в высокотемпературных купратных сверхпроводниках. Автор иллюстрирует свое видение происхождения, изучения и развития ВТСП. Подлинность его слов не вызывает сомнения, т.к. он опирался на уже имеющиеся данные и результаты, которые я находил при поиске информации по теме данной курсовой работы.

Компании, производящие изделия  на основе ВТСП достаточно убедительны  в своих презентациях выпускаемой  продукции на сайтах http://www.superox.ru/ и http://triz-cable.ru/. ЗАО «СуперОкс» — российский производитель высокотемпературных сверхпроводников второго поколения впервые стал участником крупнейшей в мире промышленной выставки Hannover Messe 2013. Их проект «Разработка технологий производства проводов на основе высокотемпературных сверхпроводников - материалов для инновационного энергетического оборудования» стал одним из победителей конкурса «Высокие технологии – территория инноваций» и был отмечен почетным знаком Форума «Золотой Георгий».

                                                       ВЫВОДЫ

       Вследствие вышеизложенного материала, можно выделить преимущества изделий на базе ВТСП. Обширная сфера отраслевых применений лежит в основе позитивных прогнозов и отличных перспектив ВТСП второго поколения:

• Снижение энергопотерь при транспортировке электроэнергии на 80%
• Увеличение объема транспортируемой энергии
• Снижение массо-габаритных характеристик изделий на 30-50%
• Абсолютная пожаробезопасность изделий
• Увеличение сроков службы изделий

Перспективы применения ВТСП по отраслям:

1. ЭНЕРГЕТИКА - Силовые кабели, токоограничители, Трансформаторы, Электромоторы.
2. ТРАНСПОРТ- MagLev
3. ОБОРОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ- Судовые двигатели, системы размагничивания, вооружения.
4. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ- Системы питания ЦОД
5. НАУЧНОЕ ОБОРДОВАНИЕ - Коллайдеры, токовводы, ИТЭР.

Я считаю, что примерно через 10-20 лет ВТСП будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике. Внедрение ВТСП-технологий приведет как к простой замене традиционного оборудования на более эффективное сверхпроводящее, так и к изменениям структурного характера и к появлению совершенно новых технологических нововведений. 

Я солидарен с мнением многих ученые, считающих, что в электронике сверхпроводимость найдет широкое применение в компьютерных технологиях. Здесь ВТСП элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Потенциально наиболее выгодное промышленное применение сверхпроводимости связано с генерированием, передачей и эффективным использованием электроэнергии.  

Химический состав ВТСП  позволяет  мне сделать вывод о том, что  очень перспективно применение ВТСП – в генераторах тока (от мощных электростанций до обычных ветряных установок) и электродвигателях.

Таким образом, в недалеком будущем  использование ВТСП станет одной из базовых составляющих технического прогресса во многих секторах экономики и будет играть важную роль в нашей повседневной жизни.

Список используемых источников.

1. http://elementy.ru/lib/13 публикация Бобкова Александра "О природе высокотемпературной сверхпроводимости"
2. http://www /novosti_na_glavnoj/sverhprovodyawij_provod_vtsp1 статья компании "Триз"," Практическое применение материалов на основе ВТСП"
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Высокотемпературная_сверхпроводимость
4. http://www.strf.ru  статья  Константина Ветлугина "Нужны ли Вам кабели, господа"
5. http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/theory/792/ Б.В.Булюбаш " Железная ступень к высокой температуре"
6. http://www.vokrugsveta.ru познавательный портал.