Supravadītspēja elektroenerģijas nozarē: tagadne un nākotne

Mūsu laika vispārējā shēma ir plaisas sašaurināšanās starp konkrētu atklājumu un tā īstenošanu. Kad šis intervāls sasniedza simtiem gadu, tagad tas ir samazinājies līdz minimumam. Piemēram, fotogrāfijas ieviešana ir 112 gadu aiz tās atklāšanas. Minerālmēslus sāka lietot 70 gadus pēc to izveides, telefona sakarus - pēc 50 gadiem, apraidi - pēc 35, radiolokāciju pēc 15, televīziju - pēc 12, atombumbu - pēc 6 gadiem, tranzistoru - pēc 3 un lāzeru - pēc tikai 2 gados.

Supravadītāju tehniskās pielietošanas sākums datēts ar 1955. gadu, kad ar viņu palīdzību tika izveidots pirmais elektromagnēts. Ir pagājuši 56 gadi kopš supravadītspējas atklāšanas līdz tā ieviešanai. Kāda ir problēma?

Pēc dažu britu fiziķu domām, šī kavēšanās notiek divu iemeslu dēļ: nepietiekama kriogēnās tehnoloģijas attīstība un tikai mīkstu, tīru supravadītāju atklāšana. Cietie materiāli ar tehniski pieņemamiem parametriem kļuva zināmi tikai 1930. gadā un tikai ceturtdaļgadsimtā pēc tam faktiski tika izveidoti vadītāji no šādiem materiāliem. Un tūlīt tika uzbūvēts un veiksmīgi pārbaudīts solenoids ar supravadošu tinumu. Piedzima tehniskā supravadītspēja.

Tādējādi izgudrojums un tehniski piemērotu supravadošu materiālu lietošanas sākums sakrita laikā (1955). Bet patiesais supravadītāju izgudrojums notika, iespējams, vēlāk. Galu galā tikai 1963. gadā bija iespējams izveidot patiesi funkcionējošus vadus, kuru termiskai stabilizācijai vajadzēja palēnināties. Paradoksāli, bet tas ir fakts: supravadītāju ieviešana sākās astoņus gadus agrāk nekā to faktiskais atklājums.

Mūsdienās supravadītājus praktiski izmanto fizikā, kur daudzus gadus tiek izmantotas lielas pētījumu telpas un jaunas ierīces. No preses ir zināms, ka supervadoši elektromotori, žiroskopi, solenoīdi tiek izmantoti kuģos, lidmašīnās. Medicīnā ir parādījušies dzīvu organismu radītie supravadošie magnētisko lauku skaitītāji.

Supravadītāju izmantošana enerģijas nozarē un transportā ir ļoti būtiska. Šeit sagatavošanās darbi notiek jau daudzus gadus, bet jaunas mašīnas un kabeļi vēl nedarbojas. Kāpēc?

Ir daudz iemeslu, kas atliek datumu par supravadītāju masveida izmantošanu tautsaimniecībā. Piemēram, nebija viegli izstrādāt supravadītspējas teoriju, bet inženieriem ir ne mazāk grūti apgūt šo teoriju. Negaidīti grūts uzdevums bija supravadošu vadu būve, nav daudz citu vārdu daudzu elementu kompozīcijas veidošanas procesam no dažādiem metāliem. Supravadošu lentu, riepu un stiepļu ražošanai bija nepieciešama īpašu tehnoloģiju izstrāde, speciālu mašīnu un pat jaunu nozaru radīšana.

Lielas grūtības ir saistītas ar supravadošu priekšmetu kriogēno piegādi, jo supravadītspēja rodas tikai ļoti zemā temperatūrā. Bija nepieciešami lieljaudas refrižeratori.

Kriogēnās tehnoloģijas attīstība nav iedomājama, neizmantojot dziļu vakuumu, tāpēc jums jāiemācās to uztvert un uzturēt. Un, protams, mērījumi: mums nepieciešami īpaši sensori un ierīces, vadības vadi, kas iziet cauri dobumiem ar dažādu temperatūru.

Bet, kad ir iespējams pārvarēt visas šīs grūtības, nebūs viegli atrisināt elektrisko problēmu. Līdz šim lieljaudas elektrotehnikā parasti tiek izmantotas strāvas no desmitiem līdz simtiem ampēru, un tehniski un ekonomiski ir iespējams pārsūtīt strāvas tūkstošiem reižu lielākas caur supravadītājiem. Bet vai ir vajadzīgas šādas vairāku ampēru instalācijas?

Šādas instalācijas pastāv, taču to ir maz. Tos nav viegli izveidot, jo tradicionālo vadītāju, vara un alumīnija, pašreizējā kravnesība ir ierobežota. Tagad, kad ar supravadītāju palīdzību ir iespējams atkārtoti palielināt pašreizējos blīvumus un pašas strāvas, būtu reāli runāt par visu elektrisko iekārtu modernizāciju no elektrostacijām līdz patērētājiem. Bet vai šāda korekcija ir nepieciešama? Ja nē, kāpēc izveidot supravadošus elektriskos komponentus?

Šādām vienībām jābūt vairākām ampērām, tas nav noliedzams. Galu galā supravadītāji ir brīnišķīgs diriģenta materiāls. Bet elektriskās ķēdes ir paredzētas mazām strāvām un ļoti augstam spriegumam. Vai iegultu vairāku ampēru objektus zemu ampēru ķēdēs? Nereāli. Un pilnīga visu elektroenerģijas iekārtu pārstrukturēšana ir milzīgs uzdevums. Vai tiešām supravadītāji atradīs savu vietu tikai unikālās fiziskās instalācijās?

Tomēr pakāpeniski tiek atrisinātas problēmas, kas saistītas ar supravadītāju ieviešanu. Kad sākās lietišķais darbs ar supravadītājiem, īpaši izteikts bija apmācīta personāla, jaunu materiālu, aprīkojuma un ierīču trūkums. Bet tomēr viens pēc otra radās mazi modeļi. Pastāvīgs pieprasījums ir pēc jauniem vadiem, šķidrumiem, instrumentiem un sensoriem. Fiziķi un matemātiķi ir iesaistīti tīri praktisku problēmu risināšanā: kritisko lauku un strāvu noteikšanā, maiņstrāvas zudumu novērtēšanā, supravadītāju termostabilas izturēšanās aprēķināšanā šķidrā hēlijā.

Mūsdienās simtiem pētījumu komandu nodarbojas ar tehniskās supravadītspējas problēmām. Ir noteikti ilgtermiņa pētījumu plāni, noformulētas darba ķēdes, sagatavoti īstenojamo objektu saraksti.

Kopumā var uzskatīt, ka aptuveni 30-50% tika veikti meklēšanas darbi, kas vajadzīgi, lai izveidotu iekārtas supravadītāju vadošos paraugus. Starp izveidotajiem modeļiem ir elektromagnēti fiziskai izpētei un turboģeneratoriem, motoriem, supravadošie transformatori un kabeļu sekcijas, gultņi un ierīces.

“Nākamie daži gadi būs izšķirīgi supravadītāju pārejai no laboratorijām uz rūpniecību liela mēroga lietojumiem,” divreiz saka Nobela prēmijas laureāts J. Bardins.

Par supravadītspējas nākotni lasiet nākamajā rakstā.

Mihails Černovs https://i.electricianexp.com/lv

Turpinājums:

Nākotne ir supravadītāji