1.11. Высокотемпературные сверхпроводники (втсп)

В начале 1987 г. появились сообщения о разработке керамического материала со структурой YВa₂Cu₃O₇, в котором сверхпроводящее состояние наступает при 93К в поле с Вкр=5,7Тл. Такие материалы имеют структуру типа перовскита (минерала СаТiO₃). Плотность тока в системах Y—Ba—Сu—О получена в настоящее время до 10⁴А/см², что меньше, чем в металлических сверхпроводниках. Перспективными являются висмутовые системы Bi₂Sr₂Ca₂Cu₂Oх температура перехода которых достигает —158°С. В популярных изданиях имеются сведения о получении ВТСП с критической температурой 250 К. Лучшие сверхпроводящие свойства получаются в пленочных образцах, пропускающих ток 10 А/см².

Свойства ВТСП во многом зависят от технологии. Наиболее простой способ состоит в размоле металлических оксидов, прессовании смеси и отжиге в атмосфере кислорода при температуре 900°С. Новое вещество образуется в результате химической реакции. Для устранения межгранулярных прослоек и получения более упорядоченной ориентации кристаллов полученное соединение подвергают плавке с последующим охлаждением. Исследуются и другие методы получения ВТСП. Для широкого применения ВТСП требуется преодолеть ряд трудностей, к которым можно отнести необходимость получения больших плотностей тока, гибкости, прочности, способности выдерживать большие магнитные и центробежные нагрузки, легкость обработки, стабильность свойств и др.;

Перспективы применения сверхпроводников достаточно четко были отражены в статье “Новые сверхпроводники: перспективы применения” Алана М. Вольски и др. в журнале «Scientificаmerican», апрель 4, 1989 г, наиболее интересные из которых приведены ниже.

Сверхпроводящие магниты.С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железном сердечнике, можно создавать поля до 2 Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400 А/см². Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000 А/см². Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4 К).

Генераторы и линии электропередачи.Сверхпроводящие магниты могут повысить кпд генераторов большой мощности до 99,5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98,6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередачи могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.

Аккумулирование электроэнергии.Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%.Поезда на магнитной подушке— наиболее перспективное применение сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500 км обойдётся в 1,5- 4,5 млрд. долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.

Сверхнизкие температуры до 10" Кдостигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитокалорического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ.Компьютеры и сверхпроводники. Вбудущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10^-13с для Ткр=10К и 10^-14для материала с Ткр=100К.СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор. С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10 В, токи 10^-18А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10^-14Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 10¹²Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 10¹⁰Гц. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.