Сверхпроводимость: как приручить невидимые силы

28 сентября 2023 в 17:41

В Московском инженерно-физическом институте ведутся уникальные исследования удивительного квантового явления - сверхпроводимости. Это состояние вещества, при котором электрическое сопротивление обращается в ноль, а магнитное поле выталкивается из объема сверхпроводника. Об этом рассказал в новой серии видеопроекта “МАГнит – все о науке и технологиях” Дмитрий Абин, инженер-исследователь института лазерных и плазменных технологий МИФИ.

В лаборатории сверхпроводимости и магнитных явлений под руководством Дмитрия Абина изучаются свойства высокотемпературных сверхпроводящих материалов и их применение в различных технологиях будущего – от электроэнергетики до транспорта.

Сверхпроводимость — это фазовое состояние вещества, характеризующееся отсутствием электрического сопротивления и выталкиванием силовых линий магнитного поля из объема материала. Эти свойства открывают огромные перспективы в различных областях: от медицины и электроэнергетики до транспорта. По словам Дмитрия, использование сверхпроводников позволяет создавать сильные магнитные поля, которые невозможно получить иными способами.

Если говорить о применении сверхпроводников в транспорте, то особенно интересным является концепция магнито-левитационного транспорта. Дмитрий Абин и его команда разрабатывают левитационные системы, которые можно использовать в подвижных составах будущего. Представленная в лаборатории система, например, левитирует на высоте до нескольких миллиметров от поверхности и способна выдерживать значительные нагрузки. Это может стать основой для создания нового типа транспорта, способного развивать скорости, превышающие скорости современных самолетов.

Как рассказал ученый, основой их исследований является сверхпроводящая лента второго поколения – уникальный материал, который демонстрирует нулевое сопротивление при температуре жидкого азота. Эту ленту научились производить в промышленных масштабах в России.

Ученые МИФИ разрабатывают из нее различные устройства, в том числе магниты на основе так называемого захваченного магнитного потока. Это и позволяет создавать эффект магнитной левитации – когда объекты «парят» в воздухе, не касаясь опоры. Дмитрий Абин продемонстрировал макет такой левитирующей системы. 

Сверхпроводящий цилиндр, охлажденный жидким азотом, устойчиво «завис» над постоянными магнитами, причем на расстоянии в несколько миллиметров. По словам исследователя, прижатый сверхпроводник может выдерживать груз до 15 килограммов, сохраняя зазор с магнитами.

Дмитрий Абин показал зрителям видеопроекта масштабный демонстратор магнитолевитационного поезда на основе тех же принципов. Четыре опоры с лентами, охлажденные жидким азотом, поддерживали платформу с грузом над магнитными рельсами. По сути, это рабочая модель поезда на магнитной подушке, способного развивать скорость свыше 600 км/час.

Переход электроэнергетики полностью на сверхпроводимость пока невозможен. Однако такие технологии могут использоваться в приложениях с уже имеющимся низкотемпературным окружением. Например, в криогенных насосах или для хранения энергии в виде раскрученного маховика на магнитном подвесе.

Помимо транспорта и энергетики, сверхпроводимость активно применяется в медицине для создания сильных магнитных полей в томографах. А также используется в научных ускорителях и термоядерных реакторах. Так что потенциал этого удивительного квантового эффекта далеко не исчерпан.

В лаборатории МИФИ также ведутся работы по созданию сверхпроводящих подшипников и кинетических накопителей энергии. Подшипники этого типа могут использоваться в крео-насосах для перекачки жидких газов, кинетические накопители — для эффективного хранения электроэнергии. Эти разработки могут найти широкое применение в решении технологических задач будущего.