В календаре открытий высокотемпературной сверхпроводимости месяц январь встречается дважды.
В конце января 1987 года был открыт, как читатель, наверное, помнит, иттрий — бариевый высокотемпературный сверхпроводник.
Спустя год, в конце января 1988 года, ученый мир узнал, что открыт новый высокотемпературный сверхпроводник — висмутовая керамика. Стал известен и ее состав: две части висмута, три части стронция и кальция, две части меди, восемь частей кислорода.
У висмутовой керамики критический ток примерно такой же, как у иттрий — бариевой, но она имеет ряд преимуществ: более стабильна, химически стойкая, менее хрупкая.
Ожидается, что по плотности тока и некоторым другим характеристикам висмутовая керамика превзойдет своих предшественниц. К тому же она дешевле, так как не содержит редкоземельный элемент иттрий, который в десять раз дороже висмута. В лабораториях СССР, Японии, США проводятся интенсивные исследования этого перспективного высокотемпературного сверхпроводника.
Одним из главных препятствий для промышленного применения керамических сверхпроводников является их хрупкость. Но ведь, как читатель уже знает, хрупкостью отличается и сплав ниобий — олово. А сверхпроводящие провода и кабели из него уже не первый год успешно используют в технике и промышленности, даже на таких ответственных участках, как экспериментальные установки термоядерного синтеза.
Но керамические сверхпроводники имеют и свои специфические особенности.
Известно, что одной из составных частей существующих сверхпроводящих проводов является медь. Однако у керамических сверхпроводников «дружба» с медью пока не состоялась: керамика содержит кислород, а медь быстро окисляется.
Чтобы керамику можно было использовать для изготовления проводов и кабелей, предстоит решить нелегкие технологические задачи.
Промышленность уже изготовляет керамические сверхпроводники в виде колец, пластин, цилиндриков.
Процесс изготовления сверхпроводящей керамики достаточно прост.
Смесь порошков — исходных компонентов соединения, тщательно измельченных и перемешанных в нужной пропорции, — прокаливается на воздухе при температуре 950 °C в течение 12 часов. После охлаждения до комнатной температуры будущий сверхпроводник прессуют и придают требуемую форму. Затем еще прокаливают в течение шести часов в атмосфере чистого кислорода и медленно охлаждают.
Недаром один видный советский физик сказал, что керамический сверхпроводник может быть изготовлен даже… на кухне.
…В четвертой главе книги описан эксперимент, демонстрирующий эффект Мейснера в сверхпроводниках, получивший шуточное название «гроб Магомета».
Не менее наглядный опыт сегодня может быть осуществлен с помощью более простых средств, доступных даже школьному физическому кабинету.
Погрузив подвешенное на ниточке колечко из иттрий — бариевой керамики в сосуд с жидким азотом, а затем удалив охлаждающую среду, вы подносите к колечку постоянный магнит.
Что должно при этом произойти со сверхпроводником, вы, наверное, твердо усвоили, если внимательно прочли четвертую главу книги.
Магнитное поле постоянного магнита индуцирует незатухающий ток на поверхности колечка, который в свою очередь возбуждает магнитное поле.
Колечко иттрий — бариевой керамики, предварительно охлажденное в жидком азоте, отталкивается магнитом.
В результате взаимодействия этих полей возникает сила, которая по закону Ленца стремится от — толкнуть колечко от магнита. И колечко отскакивает от магнита, словно бабочка от огня.
Заметьте, на протяжении демонстрации колечко ничем не охлаждается.
В чем секрет этого «фокуса»?
Время отогревания при комнатной температуре колечка, охлажденного в жидком азоте до критической температуры иттрий — бариевой керамики (то есть от 77К до 94—98К), равно примерно 30 секундам. Этого времени вполне достаточно, чтобы уверить неискушенного зрителя, будто бы он наблюдал сверхпроводимость при комнатной температуре.
А в самом деле, возможна ли сверхпроводимость при комнатной температуре и какие для этого требуются условия?
Однозначный ответ на этот вопрос наука дать еще не может. К единому мнению о природе высокотемпературной сверхпроводимости керамики ученые не пришли, хотя гипотез, выдвигаемых теоретиками, очень много.
Надежных экспериментальных данных, подтверждающих или отвергающих ту или иную гипотезу, пока не получено. Трудности усугубляются тем, что керамика имеет поликристаллическую, то есть зернистую структуру. Из‑за хаотического расположения зерен результаты измерений колеблются от образца к образцу. Правда, советским ученым уже удалось для исследований синтезировать монокристаллы керамики достаточно большой величины.
С момента открытия сверхпроводимости при низких температурах до теоретического обоснования этого явления прошло, как читатель уже знает, почти полвека… В какой срок уложатся на сей раз теоретики, предугадать трудно.
Однако это не удерживает экспериментаторов в их неуемном стремлении к вершинам высокотемпературной сверхпроводимости.
Когда‑то один известный физик высказался, правда по другому поводу, примерно так: можно хорошо играть в шахматы, не зная природы материала, из которого изготовлены шахматные фигуры.
Продолжая подобную аналогию, можно сказать, что гроссмейстеры высокотемпературной сверхпроводимости прекрасно разыграли дебют и перешли в миттельшпиль.
Но в отличие от шахматной партии, где время строго ограничено, невозможно предсказать, не обладая даром ясновидения, как будет протекать в дальнейшем «игра» в сверхпроводимость, длящаяся с начала нынешнего века. Однако, несомненно, проигравших в этой «партии» не будет.
12. Ученик чародея. Непокорная плазма. Династия Токамаков. Подземный склад энергии. Необычное озеро. Летающий поезд. Новейший ускоритель
Можно смело утверждать: «кораблю» сверхпроводимости уготовано большое плавание в безбрежном море технического прогресса.
Уже сегодня решение ряда перспективных проблем науки и техники не мыслится без использования сверхпроводимости.
Среди них особенно важны так называемые глобальные проблемы, решение которых имеет существенное значение для судьбы всего человечества.
Глобальной проблемой номер один является энергетическая.
Вся жизнь есть энергия,
Энергия — вечный восторг.
Эти строки английского поэта XVIII века Уильяма Блейка, разумеется, не претендуют на строго научное определение энергии. В них ярко выражена мысль о том, что без энергии вообще немыслима жизнь человека на Земле.
С развитием технического прогресса и ростом народонаселения потребность человечества в энергии непрерывно возрастает.
Ожидается, что к 2000 году потребление энергии на нашей планете возрастет почти в три раза по сравнению с сегодняшним уровнем.
Природные запасы источников энергии не безграничны.
И уже сегодня многие страны находятся под угрозой энергетического кризиса.
С овладением энергией атомного ядра человечество получило новый энергетический источник немыслимой ранее мощности.
По оценке специалистов, природных запасов основного «топлива» атомных электростанций — урана, при его рациональном использовании, хватит человечеству на несколько сотен лет.
Ученые всего мира усиленно работают над следующим этапом использования ядерной энергии — освоением управляемых термоядерных реакций.
В ядерной (атомной) энергетике используются реакции деления тяжелых ядер, при которых ядра делятся на части нейтронами и образуются новые нейтроны.
