Горячая сверхпроводимость. Иллюзия или реальность?

Реклама
1
Горячая сверхпроводимость
Иллюзия или реальность?
Ильянок А.М.* , Тимощенко Т.Н.**
Экономика, основанная на новых знаниях, создаст основу индустриальной
революции 21 века. Проникновение в тайну «горячей» сверхпроводимости позволит
заложить один из камней в фундамент этой революции.
По утверждению Нобелевского лауреата в области сверхпроводимости,
академика Гинзбурга В.Л., трудно сказать, сколько десятилетий придется ждать
раскрытия тайны высокотемпературной сверхпроводимости. По его словам, в
настоящее время, теории конденсированного вещества не позволяют вычислить
параметры и характеристики соединений любого заданного состава и структуры.
Эти теории до сих пор не позволили адекватно описать важнейшие
экспериментальные открытия 20 века – низкотемпературную, а тем более,
высокотемпературную сверхпроводимость и предсказать возможность создания
комнатной сверхпроводимости [УФН, т.170, №6, 2000 г.].
Причины кризиса теории сверхпроводимости
Корни кризиса теории сверхпроводимости лежат в неадекватной физической
картине мира, которая сформировалась в первой четверти ХХ века на базе квантовой
механики и релятивистской теории. Это связано с тем, что в настоящее время попрежнему используются модели и представления о структуре электрона столетней
давности. В начале 20 века, из-за отсутствия необходимой экспериментальной базы,
электрон представлялся в виде математической точки, которой формально
приписываются заряд и масса (Бор) или в виде бесструктурной волны вероятности,
которой приписываются заряд, масса, и спин (Шредингер, Дирак).
Идеи квантовой теории микромира не удалось перенести на такие
макроквантовые явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Первый макроквантовый эффект был экспериментально открыт в 1911 г. Г. К.
Оннесом (Onnes H.K.). Он нашел сверхпроводимость ртути при температуре жидкого
гелия 4,15 К [The History of Superconductors. www.superconductors.org/history.htm].
Второй макроквантотвый эффект был экспериментально открыт в 1938 г. П.Л. Капицей
- сверхтекучесть жидкого гелия при 2,17 К. В Природе сверхтекучесть - редкое
явление. Долгое время после ее открытия [П.Л.Капица, Nature, 1938, 141, 74, J.F.Allen,
A.D.Misener, Nature, 1938, 141, 75] она наблюдалась лишь в 4He. Только в 1972 году удалось
обнаружить сверхтекучесть 3He [D.D.Osheroff et al., Phys. Rev. Lett., 1972, 28, 885], но при
гораздо более низких температурах (атомы 3He являются фермионами и сначала
должны образовать пары-бозоны). В 1995 году к системам с макроквантовыми
эффектами добавился газ атомов рубидия, в котором наблюдается аналог сверхтекучего
состояния [M.H.Anderson et al., Science, 1995, 269, 198]. После чего аналог сверхтекучести
открыли и в других газах (спин-поляризованном водороде [D.G.Fried et al., Phys. Rev. Lett.,
1998, 81, 3811], молекулярных газах спаренных фермионов [ M.Greiner et al., Nature, 2003, 426,
537, S.Jochim et al., Science, 2003, 302, 2101]).
Качественное объяснение явления сверхтекучести жидкого гелия в 1941 г. дал
Л.Д. Ландау. Он использовал модель двухфазной жидкости, представив жидкость в
двух состояниях - в нормальной фазе и сверхтекучей фазе, причем в сверхтекучей фазе
жидкость способна протекать без трения через узкие щели и капилляры. Дальнейшие
исследования сверхтекучести жидкого гелия показали, что в нем могут образовываться
незатухающие макровихри. Оказалось, что эти вихри строго квантованы и
детерминированы и в принципе не могут быть описаны волной вероятности. Они не
подчиняются уравнениям Шредингера и Дирака.
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
2
Фундаментальной ошибкой Ландау при описании сверхтекучего гелия явилось
использование законов классической гидродинамики применительно для двухфазной
жидкости, но без использования кванта действия – постоянной Планка [Паттерман С.
Гидродинамика сверхтекучей жидкости. М.Мир. 1978.]. Так, из его теории следовало,
что критическая скорость движения сверхтекучей фазы в НеII относительно обычной
фазы составляет vc=60м/с. Эксперимент же дал значение 0,60 м/с. Кроме того, теория
не могла объяснить скачок теплопроводности в 3 миллиона раз в критической точке T
=2,17K фазового перехода HeI в HeII. Мало того, эта теория не предсказывала и саму
критическую температуру. Из всех когда-либо признанных в истории физики теорий
никогда не было теории со столь большими несовпадениями теоретических и
экспериментальных данных!
Недавно в работе [E.Kim, M.H.W.Chan, Nature, 2004, 427, 225, E. Kim and M. H. W. Chan,
Science 305, 1941 (2004).] американские физики из Pennsylvania State University сообщили о
регистрации фазового перехода твердого 4He в сверхтекучее состояние. Температура
перехода составляет около 250 мК при давлении больше 26 бар, что примерно на
порядок меньше температуры перехода жидкого 4He в сверхтекучее состояние. Это
открытие ставит окончательную точку на теорию Ландау.
Не смотря на стократное расхождение теории Ландау с экспериментом для
сверхтекучего жидкого гелия, ее основополагающие идеи были положены в 1957 г. в
основу теории сверхпроводимости Дж. Бардин (Bardeen J), Л. Купер (Coopper L. N.) и
Дж. Шриффер (Schrieffer J.R.) (теория БКШ). Они представили движение электронов в
металле в виде движения квантовой жидкости, находящейся в сверхпроводящей и
обычной фазах. При этом электроны с противоположными спинами образовывали
куперовские пары – Бозе частицы. Эти частицы взаимодействовали через акустические
колебания решетки – фононы. С помощью этой теории удалось качественно объяснить
только отдельные эффекты сверхпроводимости. Создателям теории приходилось
постоянно использовать подгоночные коэффициенты для согласования с
экспериментальными данными.
Теория БКШ не смогла указать пути, по которому следовало бы двигаться
экспериментаторам. В результате, работа «вслепую» привела к огромным затратам
средств и времени. И только в 1986 г. И.Г. Беднорц (J. G. Bednorz) и К.А. Мюллер (K.A.
Muller), экспериментаторы из фирмы IBM, сделали новый качественный прорыв –
получили сверхпроводимость на сложном оксидном полупроводнике La-Sr-Cu-O при
критической температуре Tc=36К. Это открытие стимулировало новый скачок в
исследованиях сверхпроводимости и поиска новых соединений. Уже в следующем году
была получена сверхпроводимость в керамических полупроводниках типа YBa2Cu3O7
при температурах 91,6 К.
Такой грандиозный прорыв привел к настоящему буму в исследовательских
работах. Передовые государства признали эти работы приоритетными национальными
программами. Были направлены большие человеческие и финансовые ресурсы на
получение сверхпроводников при комнатных температурах. Постоянно стали
появляться публикации о достижениях температур сверхпроводимости от 190К и
вплоть до 300К и даже выше. Однако эти результаты оказались настолько
неустойчивыми, что, как и сами авторы, так и независимые группы не могли их
гарантированно повторить. Кроме того, керамические материалы оказались достаточно
дорогими, хрупкими и нетехнологичными. К тому же, переход от гелиевых температур
к азотным температурам, хотя и значительно упростил проблему охлаждения, но не
решил проблему перехода к массовому использованию.
Постепенно интерес к сверхпроводимости стал очередной раз быстро угасать,
так как господствующая теория БКШ не смогла не только предсказать, но и описать
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
3
высокотемпературную сверхпроводимость. Техника сверхпроводимости на долгие
годы снова оказалась в тупике, хотя проблема сверхпроводимости от этого не стала
менее актуальной.
Пути преодоления кризиса
Для преодоления кризиса теории сверхпроводимости стало необходимо
уточнить модели сверхтекучести и модели электрона.
Проведенный
нами
анализ
большого
количества
общеизвестных
экспериментальных данных показал, что электрон должен обладать более сложной
структурой. Его форма и размеры должны меняться в зависимости от скорости
движения и от структуры и температуры вещества, в котором он движется. Причем
максимально возможный размер электрона не превышает 2r0=14.5 нм. [US Patent
№6,570,224B1; EA Patent № 003164].
Мы остановились на представлении электрона в виде тора. Такую модель для
свободного электрона использовал еще первооткрыватель электрона Дж. Дж. Томсон
и для электрона в атоме – предшественник Бора – Никольсон. Конечно, наша модель
была значительно сложнее, так как она учитывала все новейшие экспериментальные
данные.
Мы представили электрон в виде тора, разделенного на 861 сегмент. Каждый
сегмент имел форму тонкого диска. Тогда электромагнитное поле электрона
становится анизотропным и дискретным. Т.е. оно имеет вид развернутой книги из 861
листа круглой формы. На рис.1 показана предлагаемая нами модель электрона.
Рис.1 . Модель электрона с радиусом r   2 r0 , вращающегося со скоростью света с,
где  - постоянная тонкой структуры. Показана форма одного из 861 сегмента
электромагнитного поля электрона, которые формируют его «электромагнитную
массу».
Построив новую модель электрона, мы опробовали ее на моделях атома
водорода и водородоподобных атомов, которые наиболее полно исследованы
экспериментально.
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
4
В нашей модели атома, показанного на рис.2, энергетический спектр
моделировался скоростью вращения тора вокруг главной оси, как у Никольсона,
причем в центре тора находилось ядро.
Рис.2. Атом водорода с боровским радиусом r   r0 , скоростью вращения v1   c .
Спин моделировался поворотом тора относительно оси, перпендикулярной
главной оси. Аномальный магнитный момент связывался с сегментированностью
тора. Лэмбовский сдвиг определялся электромагнитной массой электрона. Излучение
и поглощение фотонов связывалось с динамической деформацией структуры
электромагнитной массы, а собственная ширина спектральной линии определялась
этим процессом. Аппарат линейных дифференциальных уравнений теории упругости
и классической электродинамики оказался вполне достаточным для описания нашей
модели.
В нашем случае появляется принципиальная возможность трактовки законов
микромира не с позиции законов вероятности, а с позиции детерминизма. В этом
принципе мы согласны с Эйнштейном, что «бог не играет в кости».
На основе нашей модели электрона удалось разработать большое количество
всевозможных квантоворазмерных электронных приборов, оптоэлектронных
приборов и, что самое важное, удалось описать механизмы фазовых переходов 1-го и
2-го рода в конденсированном веществе. Это привело к тому, что мы достигли
определенной ясности в понимании механизма сверхтекучести в жидком гелии и в
механизмах сверхпроводимости и высокотемпературной сверхпроводимости. В
результате расчеты, проводимые по нашим формулам, дают совпадения с
экспериментальными значениями в любых критических точках до последней
значащей экспериментальной цифры (Приложение. Табл.1). Наши формулы не
содержат никаких эмпирических подгоночных коэффициентов, в них входят только
мировые константы и множители, учитывающие структуру электромагнитных полей.
Исследования макроквантовых эффектов позволили по-новому интерпретировать
известные астрофизические экспериментальные данные. Впервые было показано, что
астрономические объекты также подчиняются макроквантовым закономерностям, но
с другим масштабом (Приложение. Табл. 1).
В результате исследований мы нашли, что в некоторых неорганических
материалах и полимерах при определенных внешних условиях возможно необычное
движение электронной волны в виде заряженного кольца диаметром 14.5 нм,
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
5
вращающегося со скоростью, в 1372 раз меньшей скорости света. По существу, это
электронное кольцо является двумерным объектом, двигающимся в трехмерном
пространстве конденсированного вещества.
Наша модель элементарно объясняет загадочный обрыв туннельного тока
после превышения вакуумного промежутка свыше 7.25 нм, и удивительное
зависание - «левитирование» электронов над поверхностью жидкого или твердого
инертного газа на высоте около 7.25 нм.
В отличие от общепринятого куперовского фононного механизма спаривания
электронов в сверхпроводниках, в нашей модели при спаривании двух кольцевых
электронов сечение взаимодействия их с ионами решетки резко уменьшается, так
как происходит изменение пространственной структуры электромагнитной массы
электрона. На рис. 3 показано, как спаренные электроны образуют сверхпроводящие
токовые цепочки.
Рис.3. Сверхпроводящая токовая цепь, сформированная из кольцевых
электронов с противоположно направленными спинами.
Скорость движения заряда по этим цепочкам строго ограничена скоростью, в
1372 раз меньшей скорости света. Из этой модели можно теоретически получить все
критические параметры сверхпроводников. (Приложение. Табл. 1)
Зная механизм спаривания кольцевых электронов и скорости их движения,
можно сформулировать требования к созданию высокотемпературных
сверхпроводящих материалов. Оказалось, что можно создать на основе уже
существующих
технологий
и
материалов
большой
новый
класс
высокотемпературных керамических и полимерных сверхпроводников, работающих
при комнатных и выше температурах вплоть до 366.6К (93.50С) – «горячие»
сверхпроводники.
Движение спаренных электронов можно остановить с помощью их
локализации в диэлектрических ловушках. В качестве таких ловушек могут
выступать нанотрубки и наносферы с внутренним диаметром 14,5 нм. В наносферах
может храниться одна пара электронов, а в нанотрубках - цепочка из электронных
пар.
Сферические наноразмерные многослойные кластеры размером около 30 нм
допускают трехмерное соединение с непосредственным контактированием между
собой. Это позволит создать простые диэлектрические конденсаторы электрической
энергии, т.е., создать принципиально новый тип аккумуляторов не на ионах, а на
электронах
биэлектронные
аккумуляторы
[PСT/EA02/00006 “QUANTUM
SUPERCAPACITOR” WO 03/003466, EA patent N 003852]. В результате можно будет поднять
плотность накапливаемой энергии до 1,6МДж/кг, что в 3 раза лучше самых
прогрессивных на сегодняшний день литиевых аккумуляторов. Биэлектронные
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
6
аккумуляторы имеют бесконечное число циклов заряд/разряд, так как в них нет
движения химически активных ионов. При этом они имеют практически мгновенное
время подзарядки и могут работать в широком диапазоне температур. На рис. 4
показана конструкция биэлектронного аккумулятора.
Рис.4. Конструкция биэлектронного аккумулятора
В результате нам удалось получить ряд теоретических и экспериментальных
результатов, которые явились прорывом в отдельных областях техники, в том числе
и в энергетике. Это, в первую очередь, новые наноструктурированные материалы
для разных областей технического применения: в электронике, в информатике, в
энергетике.
«Горячие» сверхпроводники в технике
Со времен открытия сверхпроводимости возлагаются огромные надежды на
техническое использование этого поразительного явления. Однако основным камнем
преткновения так и осталась необходимость использования криогенных систем для
охлаждения сверхпроводников до гелиевых или азотных температур. Кроме того,
высокая стоимость самих сверхпроводящих материалов, их нетехнологичность,
невозможность создания проволоки из керамических материалов ограничивает их
широкое использование в технике.
Из предложенной теории следует, что в известных высокотемпературных и
«горячих» сверхпроводниках электроны фактически не чувствуют ионный остов
самого материала и поэтому они могут двигаться как в кристаллических, так и
аморфных телах. Причем совершенно не важно, органический это материал или
неорганический. Основным требованием к материалу является наличие
полупроводящих свойств выше критической температуры, их технологичность и
низкая стоимость. Другими словами, для того, чтобы возникала «горячая»
сверхпроводимость, необходимо иметь заданную концентрацию электронов в
материале. При превышении заданной концентрации возрастает сечение
взаимодействия электронов, они не могут развернуться в полный кольцевой электрон и
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
7
образовать токовую нить. На
сверхпроводимости на нанотрубках.
.
рис.5
показ
пример
реализации
горячей
Рис. 5. Сверхпроводящий кабель на основе легированных нанотрубок.
При концентрации электронов, меньше заданной, электроны могут
разворачиваться в кольца, но не могут образовать токовую нить. Отсюда следует, что
легирование материалов определенным образом (наше ноу-хау) может придать
сверхпроводящие свойства широкому классу материалов от диэлектриков до
полупроводников, включая органические материалы (наше ноу-хау).
«Горячие» сверхпроводники могут обладать свойствами сверхпроводников 1 и 2
рода, как и обычные сверхпроводники. Т.е., токовые нити у них могут располагаться на
поверхности (1 рода) или распределяться по всему объему материала (2 рода).
С
помощью
наноструктурирования
материала
самих
«горячих»
сверхпроводников (1 рода) можно создавать условия пиннингования (pinning) токовых
нитей на нанодефектах или на нанокластерах. Тем самым их можно преобразовывать в
«горячие» сверхпроводники 2 рода.
Электроника на горячих сверхпроводниках для информационных
технологий
Использование «горячих» сверхпроводников 1 рода позволит увеличить
добротность резонаторов СВЧ приборов на пять порядков, доведя ее до 3109 . Такие
резонаторы на «горячих» сверхпроводниках можно использовать в радиотелефонах,
радиолокационных станциях, измерительных приборах и т.п.
Активные элементы (транзисторы) на «горячих» сверхпроводниках 1 рода
имеют граничную частоту 3,51011Гц практически при полном отсутствии тепловых
шумов. Использование таких транзисторов в СВЧ приемниках резко увеличивает их
чувствительность, что уменьшает требования к мощности передатчиков.
Большое количество логических элементов и энергонезависимую память для
компьютеров можно также создать на «горячих» сверхпроводниках. Всевозможные
варианты их применения показаны в [Ильянок А.М. US Patent №6,570,224B1; EA Patent
№ 003164]. Кроме того, большой класс логических элементов для компьютеров из
обычных сверхпроводников был разработан и запатентован фирмой IBM до 1980 года.
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
8
Затем фирма IBM свернула работы в этой области как не перспективные из-за
необходимости создания криогенных температур. Срок действия этих патентов
заканчивается. А все разработки фирмы IBM можно реанимировать на «горячих»
сверхпроводниках, не нарушая авторских прав.
Логические уровни переключения в сверхпроводящих чипах, по крайней мере, в
10 раз ниже, чем у современных кремниевых чипов. Вследствие этого, потребление
энергии у них уменьшается, как минимум, в 100 раз. Кроме того, быстродействие у
таких чипов также выше, как минимум, в 10 раз. А в режиме отключенного питания
они сохраняют исходную информацию неограниченное время.
Важно, что логические уровни у чипов из «горячих» сверхпроводников близки
к биологическим потенциалам живой клетки. Их рабочие температуры совместимы с
температурами человека. Отсюда открывается принципиальная возможность создания
биоэлектрических вычислительных систем и биологически совместимых управляемых
протезов, а в будущем – и нейрокомпьютеров.
Не менее значимой проблемой является скорость передачи сигналов в
интегральных чипах и между ними. В настоящее время для этого используются
алюминиевые или медные проводники, что приводит к временным задержкам и
затуханию сигналов. Эта проблема полностью решается при замене проводников
«горячими» сверхпроводниками.
В настоящее время самыми современными линиями передачи информации на
большие расстояния являются оптоволоконные линии связи, которые имеют
пропускную способность на одной длине волны до 1 Гбит/с. Многоволновые
оптоволоконные линии связи позволят пропускать порядка 100 Гбит/с. Сейчас, на
больших расстояниях оптоволокно полностью вытесняет линии связи на
металлических проводниках. Это происходит из-за больших потерь широкополосного
сигнала при распространении в металлических коаксиальных кабелях. При замене в
линиях связи металла на «горячие» сверхпроводники, затухание сигналов в полосе 350
ГГц практически будет отсутствовать. Качество таких линий связи не будут уступать
оптоволоконным. Важно, что в таких линиях связи не надо делать преобразования
электрического сигнала в оптический и обратно. Это резко упрощает проблему
передачи и коммутации цифровой информации.
Наиболее просто получить комнатную сверхпроводимость можно на длинных
волокнах из нанотрубок. Технологии изготовления нанотрубок, пригодных для
создания горячих сверхпроводников только начала развиваться. Стоимость на рынке
калиброванных углеродных нанотрубок составляет не менее 500 долларов за грамм.
Безусловно, со временем технологии усовершенствуются. Себестоимость должна
упасть до приемлемого при широком промышленном использовании до 1 доллара за
грамм. Возможно, существует и более простой путь создания калиброванных
нанопроволок произвольной длины путем синтеза их из белков типа тубулин.
Оказалось, что тубулин является основным белком, из которого построены нервные
волокна, каркас клеток, по которым осуществляется внутриклеточный транспорт
компонентов, органы их передвижения типа жгутиков и т.п. Этот важный белок, как
оказалось, образует нанотрубки любой длины, как показано на рис.6, причем
внутренний диаметр его строго калиброван и равен 14,5 нм.
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
9
Рис.6. Тубулиновые нанотрубочки
энциклопедия. 1988-1998гг. Т.2].
[Физическая
энциклопедия,
М.
Советская
Из этих тубулиновых нанотрубок формируются аксоны, по которым
распространяются без затухания нервные импульсы, причем процесс осуществляется в
электролите. Физика этого процесса до сих пор не раскрыта полностью. Возможно, что
здесь осуществляется горячая сверхпроводимость при температуре человеческого тела.
Мозг человека и весь мыслительный процесс не вписывается в классические теории
передачи и обработки информации. Рабочая температура мозга (информационная)
оказалась значительно ниже, чем тепловой шум, создаваемый
мозгом при
физиологическом функционировании. В мозге человека существует 1010 нейронов,
причем каждый нейрон имеет в среднем 104 связей, при тактовой частоте порядка 100
возбуждений за 1 секунду. Это составляет 1016 операций в секунду при потреблении
энергии всего несколько джоулей, что близко к термодинамическому пределу 3,4 1020
операций на джоуль. [Стивен Роуз. Устройство памяти от молекул к сознанию. М. Мир.
1995]. В среднем, вычислительные системы на кремниевых интегральных схемах по
сравнению с мозгом потребляют на одну логическую операцию энергии в 109 – 1010 раз
больше. Например, один из самых крупных суперкомпьютеров IBM ASCI Purple
совершает 1014 операций в секунду, весит 195 тон и потребляет киловатты энергии.
Загадки мозга давно не дают покоя специалистам в области обработки
информации. Возможно, существование механизма горячей сверхпроводимости и даст
ключ к объяснению его загадок и позволит реально создать нейрокомпьютеры,
соизмеримые по производительности с человеческим мозгом. А решение проблемы
самосборки тубулина даст возможность найти дешевый технологический путь создания
калиброванных нанотрубок как для электроники, так и для энергетики.
Энергетика на горячих сверхпроводниках
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
10
Использование «горячих» сверхпроводников 2 рода приведет к настоящей
революции в энергетике. Это, в первую очередь, замена воздушных высоковольтных
линий связи на сверхпроводящие кабельные линии. Такие линии могут иметь
пропускную способность порядка 110 ГВт при напряжении между шинами 1030 кВ.
Учитывая, что предельно достижимая плотность тока равна 3.4104 A/см2, то при
рабочей плотности тока около 104А/см2 понадобиться проводник, диаметр которого
всего 311 см, для обеспечения электроэнергией целого города.
По нашим прогнозам можно создать дешевые «горячие» сверхпроводящие
материалы на основе углерода, органических или кремниевых полимеров. В результате
будут решены сразу две проблемы – ликвидация воздушных линий и ликвидация в
среднем 10% потерь электроэнергии при передаче ее потребителю.
Еще одна не менее важная проблема в энергетике – буферное накопление
электрической энергии. Это связано с тем, что электростанции работают в режиме
максимального коэффициента полезного действия при постоянной нагрузке. Резкие
суточные изменения потребления электроэнергии приводят к гигантским потерям
топливных ресурсов. Для сглаживания суточного потребления энергии используют
буферные накопители типа гидроаккумулирующих станций, электрохимических
аккумуляторных батарей. Однако стоимость таких накопителей часто соизмерима со
стоимостью пиковых электростанций. Неоднократные попытки создания накопителей
энергии на гигантских сверхпроводниковых катушках оказались неэффективными из-за
высокой стоимости самих сверхпроводников и криогенного оборудования.
Реанимировать эту идею можно при использовании наших «горячих»
сверхпроводников. Для этого можно построить тороидальную катушку на «горячих»
сверхпроводниках диаметром до 100 м и хранить энергию в виде незатухающего тока.
Предельная плотность накопления энергии в такой катушке будет определяться
критическим магнитным полем 12,5 Тл, создаваемого этим током. При рабочем
магнитном поле всего 5 Тл предельная плотность запасенной энергии составит
10МДж/м3. Для покрытия суточных пиковых нагрузок порядка 108 МДж понадобиться
107 м3 сверхпроводника. Только за один год это даст экономию 3,6 млн. тонн условного
топлива.
Использование катушек из горячих сверхпроводников принципиально упростит
создание токомаков для ядерного синтеза. В современных токомаках на сегодняшний
день используются очень дорогие криогенные сверхпроводники.
Для накопления энергии можно использовать принцип накопления энергии не в
виде тока, а в виде заряда. Используя биэлектронный принцип накопления энергии
можно создать более энергоемкие аккумуляторы с плотностью накапливаемой энергии
до 1,6 МДж/кг. Это по эффективности превышает токовый режим как минимум в 10
раз. В отличие от используемых на сегодняшний день электрохимических
аккумуляторов для буферного накопления энергии, ресурс работы которых не
превышает 1-2 года, ресурс работы накопителей энергии на «горячих»
сверхпроводниках практически не ограничен.
Еще один путь экономии энергии в энергетике связан с использованием
«горячих» сверхпроводников в мощных электрических машинах - генераторах
мощностью до 110 ГВт и двигателях мощностью до 110 МВт. В этих машинах резко
упрощается система охлаждения обмоток, уменьшается их удельный вес.
Одновременно, за счет уменьшения тепловых потерь в роторе и в обмотках статора
к.п.д. таких двигателей резко возрастает. А за счет отказа от использования
магнитопроводов из железа их вес может уменьшиться в несколько раз.
Пожалуй, наиболее впечатляющим применение «горячих» сверхпроводников
может оказаться в электрических двигателях и в моторах генераторах, используемых в
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
11
электротранспорте и в электромобилях. В настоящее время, за счет ужесточения
экологических норм для автомобильного транспорта, автомобилестроительные фирмы
пытаются начать массовый перевод производства на комбинированные автомобили с
перспективой постепенного перехода на электромобили. В этих машинах
непосредственно в ведущие колеса встраиваются электродвигатели мощностью около
50 кВт. Как правило, эти двигатели изготавливаются с использованием в роторе
постоянных магнитов из редкоземельных элементов типа NdFeB или SmCo с полем 1Тл
и используют принудительное жидкостное охлаждение. К сожалению, ресурсы
редкоземельных элементов весьма ограничены. Поэтому массовый переход на
комбинированные автомобили сейчас практически не возможен.
Решить эту проблему можно при использовании «горячих» сверхпроводников в
двигателях. Тогда решается сразу ряд проблем:
 отказ от использования в роторе магнитов на редкоземельных элементах,
переход на магниты из сверхпроводников на углеродных и силиконовых
полимерах;
 увеличение магнитных полей с 1Тл до 35Тл, в этом случае удельная
мощность возрастает в квадратичной зависимости и, соответственно,
уменьшаются массогабаритные размеры;
 замена в статоре медных проводников на «горячие» сверхпроводники
позволяет отказаться от жидкостного охлаждения;
 эффективное использование двигателя в режиме регенеративного
торможения, т.е., двигателя как мотора генератора.
Использование энергии торможения автомобиля, особенно в городе, для зарядки
аккумуляторов, может сэкономить от 10% до 30% топлива.
Аналогичные
двигатели
могут
использоваться
в
любом
другом
электротранспорте. Всевозможные типы и размеры двигателей на «горячих»
сверхпроводниках найдут широкое применение в промышленности и в бытовой
технике.
Большие надежды в свое время возлагались на создание железнодорожного
транспорта на магнитном подвесе. В Германии и Японии были созданы
экспериментальные образцы вагонов с использованием сверхпроводящих магнитов с
гелиевым охлаждением. Однако здесь возникли серьезные проблемы с высокой
теплопроводностью тоководов и механических опор криосистем. Безусловно,
нахождение на борту жидких криогазов представляет большую опасность для
пассажиров при аварийных ситуациях. Все эти проблемы автоматически решаются при
использовании «горячих» сверхпроводников. Возможно, что в будущем такие
транспортные системы на магнитном подвесе из «горячих» сверхпроводников смогут
полностью вытеснить железное колесо.
Использование «горячих» сверхпроводников в подшипниках на принципе
левитации может принципиально решить проблему трения в технике, отказаться от
смазочных веществ и увеличить время жизни и надежность машин.
Большие перспективы использования «горячих» сверхпроводников лежат в
создании больших мощных магнитов с полями порядка 5 Тл для:
электрогидродинамических электростанций; в авиации и космонавтке, для создания
плазменных реактивных двигателей, магнитной радиационной защиты космонавтов; в
физике высоких энергий и т.д.
Среди приложений «горячих» сверхпроводников особый интерес представляет
создание магнитов с полями порядка 1-5 Тл с высокой однородностью магнитного поля
10-5/см3. Способность сверхпроводящих магнитов работать в режиме замороженного
поля позволяет создать дешевые томографы на основе ядерного магнитного резонанса
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
12
для медицины. Такие томографы будут иметь лучшее разрешение, чем
существующих, что позволит их широкое использование в медицине.
у
Заключение
В 2011 году будет столетие со дня открытия сверхпроводимости. Мы надеемся к
этому рубежу претворить иллюзию в реальность. На этом пути уже достигнуты
определенные успехи. Экспериментально получена комнатная сверхпроводимость на
перекисленных полипропиленах в кластерах 10-50 мкм. [US Patent № 5777292]. В
декабре 2004 года учеными калифорнийского университета экспериментально была
найдена комнатная сверхпроводимость на углеродных нанотрубочках диаметром 12 ±2
нм [http://superconductors.org/roomnano.htm]. Это подтверждает наши теоретические расчеты.
В апреле 2005 года NASA выделило гранд Rice University’s Carbon
Nanotechnology Laboratory на 4 года, $11 million для производства прототипа силового
кабеля из углеродных нанотрубочек [http://nanotechwire.com/news.asp?nid=1852]. В качестве
задачи проекта стоит создать проводники с сопротивление в 10 раз ниже, чем у меди
при комнатных температурах.
Остается сделать последний шаг – научиться получать комнатную
сверхпроводимость в проводниках неограниченной длины при стоимости не более 1
доллара за грамм. Это сложнейшая научная проблема. Путь, показанный в данной
статье, может стать ключом к решению создания комнатных «горячих»
сверхпроводников в промышленном масштабе.
*Ильянок А. М., профессор, к. техн. наук, научный руководитель Консалтинг
центра «Нанобиология», [email protected]
**Тимощенко Т.Н., к. физ.-мат. наук, директор Консалтинг центра
«Нанобиология», [email protected]
Приложение
Таблица 1.
Сводка формул по макроквантовым эффектам в
конденсированном веществе [EA Patent № 003164 ]
N
Название
Теоретическая
формула
Теоретичес
кое
значение
Автор
Эксперимента
льное
значение
Лите
рату
ра
Независимый
эксперимент
Сверхтекучесть
1.
2.
Критическая скорость движения
сверхтекучей фазы относительно
нормальной фазы в жидком
гелии (4HeII)
Предельная скорость первого
звука в жидком гелии
vmax 
 4c
v1   3c
0.60011 м/с
0.60 м/с
1
238,4303
м/с
238,3  0,1 м/с
(давление
насыщенных
паров при
Т=0,1К)
1
2
4
3
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
13
3.
Предельная
5
скорость второго
звука в жидком гелии
v2 
4.
Критическая скорость звука в
точке фазового перехода
v 
5.
Критическая температура
перехода жидкого гелия в
сверхтекучее состояние
T 
137.58 м/с
v1
4
  3c
3
3
v1
2
 
Mv2 M  3c

2k
3k
2
1
95,12 м/с
137.58 м/с
(давление
насыщенных
паров при
Т=0,1К)
При T
2.1780 К
2,1720 К
1
Низкотемпературная сверхпроводимость
6.
7.
8.
.
Tc 
Критическая температура
сверхпроводимости в чистых
металлах
Минимальная критическая
температура сверхпроводимости
в чистых металлах
Максимальная скорость звука в
металлах
Критическая
.
скорость движения
электронов в Be, участвующих в
сверхпроводимости
10. Максимальная
1
критическая
температура сверхпроводимости
в чистых металлах
9.
Tc 
vs 
M i vc2
2k
 
M i  4c
2
4k
3 c
2
4
5,3210-4К
510-4К (Mg)
11
1.3509104
м/с
1,341104 м/с (в
Be по кристаллической оси
L001)
12
139.43 м/с
3 3c
vc 
2
M  3 3c 

Tc  i 
2k  2 
10,598К
2
13
10,5К (в
пленках Be 3
нм),
13
Высокотемпературная сверхпроводимость
11. Критическая
1
температура
высокотемпературной
сверхпроводимости
12. Максимальная
1
критическая
температура, достижимая в
сверхпроводниках
13.
 
2
8
m*v 2 m  2c
Tc  e c  e
2k
2 nk
*
1
me  2me , n = 1,2,3
…
n=1
n=2
Тс1=
366.65К
(93.50С)
365К (920С) ,
порошкообразные сверхпроводники на
основе
xCuBr.CuBr2
8,
14,
15,
16,
17
n=2,
Тс2=183.2К
(-89.950С)
185К (-880С)
порошки на
основе
системы С60/Сu
в соотношении
7/1
18
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
14
14.
n=4
Tc4=91.66К
(-181.490С)
91.6К
(-181.550С)
сверхпроводни
ков типа
YBa2Cu3O7
19
15.
n=16
Тc16=22.92К
(-250.230С)
11
16.
n=32
Тc32=11.46К
(-261.690С)
Тс= 23.2  0.2К
(-250.150С)
200 нм пленка
Nb3Ge
Не превышает
В сверхпроводниках
второго рода
типа Y2C3,
NbC, Nb3Au
17. Максимально возможная частота
передачи электромагнитных волн
по высокотемпературным
сверхпроводникам
18. Предельная плотность тока на
1см2 поверхности
высокотемпературного
сверхпроводника
19. Критическое магнитное поле в
высокотемпературных
сверхпроводниках
20. Критический магнитный поток в
высокотемпературных
сверхпроводниках
fe =2c /2r0 = me(2c)2/h
3.5037 1011
Гц
8
je = efe / ( r02)=
= (4eme38c4 )/ h3
3.4  104
A/см2
8
Be = 2feme / e=
= (2me24c2 )/(e h)
12.5 Тл
8
e=r02Be=h/2e
2.067810-15
Вб
8
11
Солнечная система
3
Критическая орбитальная
скорость движения в Солнечной
системе
7
Критическая скорость движения
электронов относительно
протонов в оболочке Солнца
v II 
9
Энергия (температура)
электронов, двигающихся в
оболочке Солнца
T 
v1 = 32c
47.89307
км/с
c
4
me v 2 I
2k
617.13 км/с
6282.1К
47.89 км/с
Совпадает со
средней
орбитальной
скоростью
движения
Меркурия
617.7 км/с
Совпадает со
второй
космической
скоростью для
Солнца
6270.0К
Совпадает
с
температурой в
центре диска
Солнца
N = 861 – поперечное квантовое число;  - постоянная тонкой структуры или
2
h
продольное квантовое число (  1   N    1 ) ; e – заряд электрона;  
–
2
 2 
постоянная Планка; с – скорость света; М – масса атома 4He; Mi – масса иона
кристаллической решетки; me - масса электрона; mp - масса протона; k –
постоянная Больцмана; me/ - тяжелая масса электрона.
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
5,
20
5,
20
5,
20
15
1. Seth N. Putterman. Superfluid Hydrodynamics. North-Holland Publishing
Company. Amsterdam-London American Elsevier Publishing Company, Inc –
New York. 1974. (есть русское издание)
2. Tunneling Phenomena in Solids. Edited by E. Burstein, S. Lundqvist. Plenum
Press. New York 1969. (есть русское издание)
3. Томсон Г.П. Семидесятилетний электрон. Успехи Физических Наук. 1968.
Т.94. В.2.
-1
( = 137.0359(3)).
4. Morse P.M., Feshbach H. Methods of Theoretical Physics. Part 1-2. New York
a.o. , McGraw-Hill. 1953. (есть русское издание)
5. Квантовая астрономия. Часть 2. Вести Института Современных Знаний. №23. 1999. C. 71-101 или http:/xxx.lang.gov A. Ilyanok. Quantum astronomy. Part
2. (astro-ph 00 01 059)
6. Картан А. Дифференциальное исчисление. Дифференциальные формы.
М.Мир. 1971 г.
7. Шварц А.С. Квантовая теория поля и топология. М.,Наука, 1989 с.397 ISBN
5-02-014029-5
8. Ilyanok A.M. US Patent №6,570,224B1; EA Patent № 003164.
9. Бузанева Е.В. Микроструктуры интегральной электроники. М. Радио. 1990.
10. Капитонов А.Н. и др. Релятивистское равновесие тороидальной среды в
собственном поле. Препринт. МИФИ. 1987.
11. Сверхпроводящие материалы. М. Металлургия. 1976.
12. Физические величины: Справочник/ А.П.Бабичев и др. М.Энергоатомиздат
1991 – 1232с. ISBN 5-283-04013-5 (см. Также R. Truell, C.Elbaum, B.Chick.
Ultrasonic methods in solid state phisics. Academic Press, New York and London,
1969)
13. Семененко Е.Е. и др. Сверхпроводимость высокодисперсных конденсатов в
берилии. Обзор. 1990 г.
14. Tennakone K., Lokunetti C.S. et.al. The Possibility of an Above-RoomTemperature Superconducting Phase in xCuBr.CuBr2. J.Phys.C Solid State Phys.
21. 1988. P.L643-L647.
15. Riley J.F., Sampath W.S., at al. Meissner Effect up to 300 К in Microscopic
Regions of Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B. 1988. V.37.N1. P. 559-561.
16. Superconductivity Researchers Tease Out Facts From Artifacts. Science. 1994.
V.265. p.2014-2015.
17. Ениколопян
Н.С.,Григоров
Л.Н.,
Смирнова
С.Г.
Возможная
сверхпроводимость окисленного полипропилена в области 300 К. Письма в
ЖЭТФ. 1989. Т.49. Вып.6. С.326-330.
18. Мастеров В.Ф. и др. Высокотемпературная сверхпроводимость в системе
углерод-медь. Письма в ЖТФ. 1994. Т.20. Вып.15. С.17-21.
19. Оболенский М.А. и др. Анизотропия критического тока при пиннинге
вихрей на двойниках в монокристаллах YBa2Cu3O7-x. Сверхпроводимость:
физика, химия, техника. 1994. Т.7.№1.С.43-47.
20. Allen C.W. Astrophysical quantities. The Athlone Press, 1973.
 «Горячая» сверхпроводимость. Иллюзия или реальность? Ильянок А.М., Тимощенко Т.Н.
Скачать