Superpërçueshmëri me temperaturë të lartë
Zbulimi në fund të vitit 1986 i një klase të re materialesh superpërcjellëse me temperaturë të lartë zgjeron rrënjësisht mundësitë e përdorimit praktik të superpërçueshmërisë për të krijuar teknologji të re dhe do të ketë një efekt revolucionar në efikasitetin e sektorëve të ekonomisë kombëtare.
Fenomeni, i cili konsiston në zhdukjen e plotë të rezistencës elektrike të një përcjellësi kur ai ftohet nën temperaturën kritike, u zbulua në vitin 1911, por përdorimi praktik i këtij fenomeni filloi në mesin e viteve gjashtëdhjetë, pas materialeve superpërçuese të përshtatshme për teknikë. u zhvilluan aplikacione. Për shkak të faktit se temperaturat kritike të këtyre materialeve nuk i kalonin 20 K, të gjitha pajisjet superpërcjellëse të krijuara funksionuan në temperatura të heliumit të lëngshëm, d.m.th. në 4-5 K. Pavarësisht mungesës së këtij ftohësi, kostove të larta të energjisë për lëngëzimin e tij, kompleksitetit dhe kostos së lartë të sistemeve të izolimit termik, përdorimi praktik i superpërçueshmërisë filloi në një sërë fushash. Aplikimet më në shkallë të gjerë të superpërçuesve ishin elektromagnetët e përshpejtuesve të grimcave të ngarkuara, instalimet termonukleare dhe gjeneratorët MHD. U krijuan prototipe të gjeneratorëve elektrikë superpërcjellës, linjave të energjisë, pajisjeve të ruajtjes së energjisë, ndarësve magnetikë, etj.. Vitet e fundit, në vende të ndryshme kapitaliste ka filluar prodhimi masiv i tomografëve mjekësorë diagnostikues NMR me magnet superpërcjellës, tregu potencial për të cilin vlerësohet në disa miliardë dollarë.
Zbulimi i superpërçuesve me temperaturë të lartë, temperatura kritike e të cilëve tejkalon shumë pikën e vlimit të azotit të lëngshëm, ndryshon rrënjësisht performancën ekonomike të pajisjeve superpërcjellëse, pasi kostoja e ftohësit dhe kostoja e ruajtjes së temperaturës së kërkuar zvogëlohen me 50- 100 herë. Për më tepër, zbulimi i superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë (HTSC) hoqi ndalimin teorik për një rritje të mëtejshme të temperaturës kritike nga 30 në temperaturën e dhomës. Kështu, që nga zbulimi i këtij fenomeni, temperatura kritike është rritur nga 30 në 130 K.
Programi shtetëror shkencor dhe teknik parashikon një gamë të gjerë punimesh, duke përfshirë kërkime themelore dhe të aplikuara që synojnë zgjidhjen e problemit të zbatimit teknik të superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë.
Në përputhje me strukturën e programit, fushat kryesore të punës janë:
1. HETIMI I NATYRËS DHE VETIVE TË HTSC-ve.
Objektivat kryesore të kësaj fushe janë kërkimi themelor për të sqaruar mekanizmin e superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë, zhvillimi i teorisë së HTSC, parashikimi i kërkimit të komponimeve të reja me parametra të lartë kritikë dhe përcaktimi i vetive fiziko-kimike të tyre.
2. NDIKIMI I FAKTORËVE TË JASHTËM NË VETITË E MATERIALEVE HTSC.
Në këtë drejtim do të kryhen studime për ndikimin e presioneve të larta, efekteve mekanike dhe termike, rrezatimit jonizues, fushave elektromagnetike dhe faktorëve të tjerë të jashtëm në vetitë e materialeve HTSC dhe zhvillimi i rekomandimeve për krijimin e materialeve HTSC me teknologjinë optimale. dhe karakteristikat teknike.
3. BAZAT DHE TEKNOLOGJITË SHKENCORE PËR TË PËRFITUR MATERIALET HTSC.
Objektivat kryesore të kërkimit në këtë fushë janë zhvillimi i bazave teorike për marrjen e materialeve superpërcjellëse në temperaturë të lartë me vetitë e dëshiruara, sinteza e materialeve të reja me parametrat e nevojshëm për zbatimin teknik dhe zhvillimi i teknologjive për marrjen e superpërcjellësve me temperaturë të lartë. formularët teknikë të specifikuar. Çështjet kryesore në këtë drejtim dhe të gjithë programit në tërësi është krijimi i strukturave teknologjike dhe të qëndrueshme me shtresë të hollë, të përshtatshme për t'u zbatuar në teknologjinë me rrymë të ulët, dhe veçanërisht elementët me rrymë të lartë në formën e telave, shiritave, kabllot etj për përdorim në teknologjinë me rrymë të lartë.
4. APLIKACIONET HTS me rrymë të ulët.
Krijimi i produkteve teknike specifike bazuar në materialet HTSC është më realisti në të ardhmen e afërt pikërisht në teknologjinë me rrymë të ulët, d.m.th. në mikroelektronikë dhe teknologji kompjuterike.
Në kuadër të programit, është planifikuar të zhvillohet dhe zotërohet prodhimi masiv i tre klasave të pajisjeve elektronike superpërcjellëse:
SQUIDs (instrumente të bazuara në kryqëzimet Josephson) si detektorë të fushave magnetike të dobëta për përdorim në mjekësi (magnetoencefalografi), gjeologji dhe gjeofizikë (kërkim për minerale, studim i strukturës gjeologjike të kores së tokës, parashikimi i tërmeteve), shkenca materiale
(testim jo destruktiv i materialeve, strukturave), pajisje ushtarake
(zbulimi i anomalive magnetike, në veçanti, nëndetëset e thella), kërkimi shkencor, komunikimi dhe navigimi.
Zhvillimi dhe zbatimi i gjerë i metodës magnetometrike të matjes SQUID do të lejojë që brenda një kohe të shkurtër të ndryshojë cilësisht shumë lloje të pajisjeve matëse, të rrisë ndjeshmërinë e instrumenteve dhe saktësinë e matjes me qindra ose më shumë herë, të sjellë aftësitë matëse të një game të gjerë sensorësh. në kufirin teorik, dhe të sjellë pajisjet matëse në nivelin më të lartë cilësor të ri.
Pajisjet analoge-dixhitale (ADC) duke përdorur kalimin ultra të shpejtë (fraksione të një pikosekondi) nga Josephson në modalitetin e funksionimit "Dhurues", për aplikime në sistemet më të fundit të komunikimit, pajisje llogaritëse dixhitale për përpunimin dhe analizimin e sinjaleve analoge, etj.
Pajisjet e bazuara në efektin e shfaqjes së një tensioni konstant në kryqëzimin Josephson kur një sinjal mikrovalë aplikohet në të, për përdorim në sistemet matëse precize (për shembull, një standard
Volta).
Superpërcjellshmëria me temperaturë të lartë do të gjejë aplikim të gjerë në teknologjinë kompjuterike. Tashmë aktualisht, modele të një qelize memorie, një element leximi ultra i ndjeshëm në filmat HTSC me një reduktim të shumëfishtë të çlirimit të energjisë në krahasim me amplifikatorët e leximit gjysmëpërçues, linja komunikimi me shpejtësi ultra të lartë, të cilat do të rrisin performancën e sistemeve me 10 - 100 herë, tashmë janë zhvilluar, prodhuar dhe testuar. Futja e superpërçueshmërisë me temperaturë të lartë në teknologjinë kompjuterike do të japë një rritje të shumëfishtë në shpejtësinë dhe shkallën e integrimit të saj. Po, duke kaluar në
Lidhjet HTSC dhe ulja e temperaturës së funksionimit të superkompjuterëve gjysmëpërçues do të rrisë performancën e tyre nga 10x9 në 10x12 operacione/sek.
Perspektiva të gjera për përdorimin e HTSC-ve po hapen në teknologjinë e mikrovalëve dhe në krijimin e sensorëve në intervalin e dukshëm dhe IR me ndjeshmëri të lartë.
5. APLIKIMET E LARTË AKTUALE TË HTSC.
Përdorimi i HTSC në teknologjinë me rrymë të lartë do të ketë pasojat ekonomike më radikale për ekonominë kombëtare.
Ky drejtim përfshin krijimin e pajisjeve dhe sistemeve të energjisë elektrike që gjenerojnë, transmetojnë dhe konvertojnë energjinë elektrike në shkallë industriale. Baza e këtij drejtimi është aftësia e superpërçuesve për të bartur pa humbje densitete të larta (10x9-10x10 A/m2) të rrymës së transportit në fusha të forta magnetike në temperatura nën atë kritike. Kjo veti e superpërçuesve bën të mundur krijimin e pajisjeve të energjisë elektrike për qëllime të ndryshme me karakteristika të përmirësuara të peshës dhe madhësisë, më të larta
efikasitet dhe reduktuar ndjeshëm (dhjetëra herë) kostot operative.
Kështu, gjatë transmetimit të fuqisë mbi 20 milion kW përmes linjave të energjisë kabllore në një distancë prej më shumë se 2000 km, pritet një ulje e humbjeve elektrike me 10%, që korrespondon me një kursim prej 7 deri në 10 milion tce. në vit. Në të njëjtën kohë, kostot e reduktuara për një linjë transmetimi kabllor superpërçues nuk mund të jenë më shumë se për një linjë transmetimi tradicional të tensionit të lartë.
Gjeneratorët sinkron superpërcjellës për termocentralet, centralet bërthamore dhe hidrocentralet do të kenë
0,5-0,8% efikasitet më i lartë dhe 30% peshë dhe dimensione më të ulëta. Është planifikuar të krijohen pajisje superpërcjellëse të ruajtjes së energjisë induktive, të cilat, krahasuar me stacionet e depozitimit me pompë, i vetmi lloj i pajisjeve të ruajtjes së energjisë që kanë gjetur aplikim industrial në sektorin e energjisë, do të kenë një efikasitet dukshëm më të lartë (deri në 97-98% në vend të kësaj. prej 70%). Në kuadër të programit është planifikuar të krijohet një gamë e gjerë pajisjesh elektrike dhe energjitike, ndërkohë që shkalla e kursimeve totale të energjisë për shkak të përdorimit masiv të HTSC do të jetë aq e madhe sa do të lejojë një rishikim rrënjësor të ekzistuesit. strategji e gjerë për zhvillimin e kompleksit të karburantit dhe energjisë.
Sipas strukturës së programit, parashikohet zhvillimi dhe prodhimi i pajisjeve dhe sistemeve superpërcjellëse, krijimi i të cilave është ekonomikisht dhe teknikisht i realizueshëm në bazë të superpërçuesve tradicionalë të heliumit.
Këta janë ndarës superpërcjellës, tomografë NMR, sisteme magnetike për kufizimin e plazmës në TOKOMAKS dhe përshpejtuesit e grimcave, etj.
Krijimi i sistemeve të tilla, përveç efektit real ekonomik nga zbatimi i tyre, do të vendosë bazën e nevojshme teknike dhe teknologjike për një kalim të shpejtë në HTSC pasi krijohen përçuesit teknologjikë HTSC.
6. KRIOSTATIZIMI.
Meqenëse, megjithë një rritje të konsiderueshme të temperaturave kritike të materialeve të reja superpërcjellëse, vlera e tyre absolute mbetet në nivelin e temperaturave kriogjenike, një nga fushat më të rëndësishme të kërkimit dhe zhvillimit është krijimi i impianteve të azotit të lëngëzimit dhe ftohjes automatike shumë ekonomike dhe të besueshme. , sistemet e kriostatimit për produkte specifike superpërcjellëse, si dhe kërkimi i metodave thelbësisht të reja për marrjen e të ftohtit në diapazonin e temperaturës së funksionimit të HTSC-ve.
Parashikohet krijimi i sistemeve të diagnostikimit dhe kontrollit të parametrave të pajisjeve kriostatike.
Për më tepër, për produktet dhe sistemet e krijuara në bazë të superpërçuesve tradicionalë, do të zhvillohen dhe prodhohen impiante helium të një gjenerate të re me tregues të lartë tekniko-ekonomik.
7. SIGURIMI I PUNËS SIPAS PROGRAMIT HTSC.
Në kuadër të këtij drejtimi, parashikohet të kryhet një gamë e gjerë punimesh për parashikimin shkencor dhe teknik dhe një studim fizibiliteti për përdorimin e HTSC, zhvillimin dhe zbatimin e sistemeve të automatizuara të informacionit, si dhe krijimin e bazave të të dhënave për HTSC.
Për më tepër, një program gjithëpërfshirës i trajnimit dhe rikualifikimit të personelit të kualifikimeve të ndryshme për punë në çështjet e
HTSC.
Mundësitë e përdorimit praktik të materialeve HTSC mbeten premtuese për mikroelektronikën, mjekësinë dhe sistemet efikase për prodhimin, ruajtjen dhe transmetimin e energjisë.
Përdorimi i filmave bëri të mundur krijimin e mostrave pilot të sistemeve të komunikimit të një gjenerate të re (përfshirë mburojat elektromagnetike, modulatorët, antenat, çelsat dhe filtrat për sinjalet e mikrovalës dhe pulsit, strukturat e filmit me shumë shtresa, duke përfshirë, përveç shtresave HTSC, shtresat e dielektrikë, ferroelektrikë, metale normale), bolometra me valë milimetrash, rreze nënmilimetër dhe rreze infra të kuqe, diagrame qarku të kompjuterëve me shpejtësi të lartë, tomografë mjekësorë të ndjeshëm dhe pajisje diagnostikuese ultra të ndjeshme të afta për t'iu përgjigjur edhe ndryshimeve në gjendjen mendore të një personi (pajisjet matëse duke përdorur efektin Josephson).
Me kalimin e viteve të ekzistencës së HTSC-ve, rrymat kritike dhe madhësitë e shiritave me karakteristika të larta superpërcjellëse janë rritur me rend të madhësisë, gjë që bën të mundur që të flitet për mundësi reale për aplikimin praktik të kësaj klase të materialeve HTSC, duke përfshirë krijimi i magneteve superfuqishëm dhe linjave të transferimit të energjisë shpërhapëse. Shiritat me xhaketë argjendi tashmë mund të prodhohen nga shumë kompani në baza industriale dhe në vëllim (shumë kilometra) të mjaftueshëm për shumicën e aplikacioneve të kërkuara, dhe ky proces është ende i kufizuar nga kostoja e tyre e lartë. Megjithatë, shumë projekte pilot dhe linja testimi janë tashmë në funksion.
Eksperimentet mbi levitimin e qenieve njerëzore në laboratorin e superpërçueshmërisë ( Laboratori i Kërkimit të Superpërçueshmërisë, ISTEC, Tokio, Japoni)
Perspektivat për përdorimin e materialeve HTSC të bazuara në fazën 123 lidhen me faktin se zgjidhjet më të suksesshme dhe praktikisht të rëndësishme në këtë fushë mund të gjenden për produktet me shumicë me një formë mjaft të thjeshtë. Produkte të tilla mund të ndahen në dy klasa të mëdha. E para prej tyre përfshin mostra që kanë një aftësi të lartë për të ekranizuar një fushë magnetike të jashtme ose për t'u shtyrë nga ajo, e cila mund të karakterizohet nga e ashtuquajtura forcë e levitacionit, e cila varet nga dendësia e rrymës kritike intrakristalore. Një klasë tjetër përbëhet nga materiale HTSC me vlera të larta të rrymës transportuese (ndërkristalore). Aplikimet praktike të pritshme të qeramikave të tilla janë: (1) magnet të përhershëm me fluks magnetik "të ngrirë", (2) trena me jastëk magnetik (projekti MAGLEV), (3) akumulatorë mekanikë (rrotullues) të energjisë të bazuara në rrotat fluturuese (rrotat fluturuese), ( 4) kushinetat që rrotullohen pa fërkim, (5) motorë efikasë, ekonomikë dhe gjeneratorë të rëndë, transformatorë, (6) ndarës minerali magnetik, (7) rele superpërcjellëse, kufizues të rrymës me shpejtësi të lartë, (8) rryma të fuqishme jo-shpërndarëse , (9 ) tomografë që janë përdorur në mënyrë aktive kohët e fundit në mjekësi, (10) sisteme të fuqishme magnetike për shkrirjen termonukleare, përshpejtues të grimcave elementare (Tokamak i një gjenerate të re), (11) gjeneratorë magnetohidrodinamikë.
Aplikimi praktik më real i kristaleve të mëdha të vetme mund të jenë materialet e nënshtresës në teknologjinë e filmit të hollë dhe mikroelektronikën. Kjo për faktin se, duke u krijuar nga një material i ngjashëm në përbërjen kimike me filmat e hollë të depozituar, kristalet e vetme duhet të shfaqin mospërputhje të ulët midis parametrave të qelizës së njësisë dhe filmit, koeficientë të ngjashëm të zgjerimit termik dhe të nxisin rritjen e filmit epitaksial. Të gjithë parametrat kristal-kimikë dhe termomekanikë të kristaleve të nënshtresës mund të rregullohen me mjaft saktësi duke përdorur solucione të ngurta me zëvendësime të ndryshme si në pozicionin e itrit dhe bariumit.
Kështu, si rezultat i hulumtimit në fushën e superpërçuesve kimikë, një numër i madh problemesh janë zgjidhur dhe janë arritur rezultate vërtet të jashtëzakonshme. Nga ana tjetër, një kuptim i thellë i themeleve fiziko-kimike të proceseve që ndodhin gjatë përgatitjes së materialeve të ndryshme HTSC ishin shkaqet kryesore dhe themelet e këtij suksesi, dhe kjo pasuroi ndjeshëm teorinë dhe praktikën e sintezës inorganike të përbërjeve komplekse okside. Specifikimi i kërkimit modern rus mbi HTSC qëndron në përqindjen e lartë të kërkimit themelor, në të cilin shkenca akademike vendase thirret të luajë një rol të rëndësishëm. Janë këto studime, për mendimin tonë, që do të kontribuojnë në krijimin e zhvillimeve të brendshme mjaft reale dhe konkurruese.
Fenomeni i superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë (HTSC) ishte me interes vetëm për shkencëtarët jo shumë kohë më parë. Sidoqoftë, sot produktet tregtare fitimprurëse të bazuara në HTSC, përfshirë ato ruse, po hyjnë në tregun e pajisjeve të energjisë elektrike. HTSC mund të bëjë një përparim në teknologjitë e transmetimit të energjisë.
HTS aspak e nxehtë
Në fillim të shekullit të njëzetë, u zbulua se një numër i metaleve dhe lidhjeve karakterizohen nga superpërçueshmëria, domethënë aftësia për të patur rezistencë zero në një temperaturë afër zeros absolute (rreth -270 ° C). Për një kohë të gjatë, superpërçuesit mund të përdoreshin vetëm në temperaturën e heliumit të lëngshëm, gjë që bëri të mundur krijimin e pajisjeve përshpejtues. dhe rezonancë magnetike tomografi.
Në vitin 1986, superpërçueshmëria u zbulua në një temperaturë prej rreth 30 K, e cila u nderua me çmimin Nobel, dhe në fillim të viteve 1990. ishte e mundur të arrihet superpërçueshmëri tashmë në 138 K, dhe jo metalet, por komponimet okside u përdorën si një superpërçues.
Materialet qeramike që kanë rezistencë zero në temperatura mbi temperaturën e azotit të lëngshëm (77K) quhen superpërçues me temperaturë të lartë (HTSC). Sidoqoftë, nëse i kthejmë Kelvinët në gradë Celsius, të cilat janë më të njohura për ne, do të kuptojmë se po flasim për temperatura jo shumë të larta, të themi, rreth minus 169–200 ° С. Edhe dimri i ashpër rus nuk është në gjendje të sigurojë kushte të tilla.
Mendjet e studiuesve janë të ngazëllyer nga ideja e gjetjes së materialeve që mund të shkojnë në superpërçues gjendje në temperaturën e dhomës (293K). Teorikisht, një mundësi e tillë ekziston. Sipas disa raporteve, pronat superpërcjellëse dyshohet se arritën të fiksoheshin edhe në kokrra individuale të grafitit pas përpunimit special. Deri më sot, kërkimi i superpërçuesve "temperatura e dhomës" (RTSC) konsiderohet si një nga detyrat kryesore kërkimore në fushën e nanoteknologjisë. Sidoqoftë, jo vetëm aplikimi praktik, por edhe konfirmimi i besueshëm eksperimental i RTFT mbetet një çështje e nesërme. Industria e sotme e energjisë elektrike po zotëron përdorimin e HTSC.
Pajisjet e bazuara në superpërçueshmëri në temperaturë të lartë kërkojnë ftohje me azot të lëngshëm. Sipas ekspertëve të industrisë, ky është një ftohës relativisht i lirë dhe i përshtatshëm që siguron një temperaturë prej 77K dhe ju lejon të zbatoni projekte praktike.
Përfitimet e superpërçueshmërisë
Superpërcjellshmëria mund të përdoret (dhe tashmë po përdoret) në fusha të ndryshme. Fillimisht u përdor në krijimin e magneteve me fusha të larta. Me ndihmën e superpërçuesve, mund të sigurohet levitacion magnetik, duke lejuar që trenat me shpejtësi të lartë të lëvizin pa probleme, pa zhurmë dhe fërkime. Po krijohen motorë elektrikë HTSC për anijet dhe industrisë të cilat kanë parametra dukshëm më të vegjël të peshës dhe madhësisë me fuqi të barabartë. Superpërcjellshmëria është interesante nga pikëpamja e mikroelektronikës dhe teknologjisë kompjuterike. Superpërcjellësit me temperaturë të ulët përdoren në pajisjet diagnostikuese mjekësore (tomografë), madje edhe në projekte të tilla ekzotike të "megashkencës" si Përplasësi i Madh i Hadronit dhe Reaktori Ndërkombëtar Termonuklear.
Shpresat lidhen me superpërcjellshmërinë e temperaturës së lartë për tejkalimin e dilemës globale të energjisë që lidhet, nga njëra anë, me një rritje të vazhdueshme të konsumit të energjisë në të tashmen dhe të ardhmen, dhe nga ana tjetër, me nevojën të reduktojë në mënyrë drastike emetimet e karbonit për të parandaluar ndryshimet klimatike. Në fund të fundit, në fakt, HTSC nxjerr pajisjet e zakonshme për gjenerimin dhe transmetimin e energjisë elektrike në thelb një nivel i ri për sa i përket efikasitetit.
Një nga aplikimet më të dukshme të superpërçuesve është në transmetimin e energjisë elektrike. Kabllot HTSC mund të transmetojnë fuqi të konsiderueshme me një seksion kryq minimal, d.m.th., ato kanë një gjerësi brezi të një rendi të ndryshëm nga kabllot tradicionale. Kur rryma kalon nëpër një superpërçues, nuk gjenerohet nxehtësi dhe praktikisht nuk ka humbje, domethënë zgjidhet problemi kryesor i rrjeteve të shpërndarjes.
Gjeneratorët falë mbështjelljes nga superpërcjellja materialet që ofrojnë fusha të mëdha magnetike bëhen shumë më të fuqishme. Për shembull, koncerni Siemens ka ndërtuar tre gjeneratorë HTSC me një kapacitet deri në 4 MW. Makina është gjysmë e lehtë dhe më e vogël se një gjenerator konvencional me të njëjtën fuqi. Gjithashtu, gjeneratori HTS tregoi qëndrueshmëri më të madhe të tensionit gjatë ndryshimeve të ngarkesës dhe karakteristika më të larta për sa i përket konsumit të energjisë reaktive.
Sot, bota po zhvillon në mënyrë aktive turbinat me erë të bazuara në superpërçueshmëri me temperaturë të lartë. Duke përdorur Mbështjelljet HTSC Është realiste të krijohen gjeneratorë HTSC me një kapacitet 10 MW, të cilët do të jenë 2–4 herë më të lehta se ato konvencionale.
Një fushë premtuese për përdorimin e gjerë të superpërçuesve është ruajtja e energjisë, roli i së cilës është i madh edhe në drejtim të zhvillimit të sistemeve moderne të energjisë duke përdorur burime të rinovueshme të energjisë. Edhe pajisjet elektrike të njohura, si transformatorët, fitojnë karakteristika cilësore të reja falë HTSC.
Superpërçueshmëria ju lejon të krijoni pajisje të tilla të pazakonta si kufizuesit e rrymës së qarkut të shkurtër, të cilët kufizojnë plotësisht rrymën gjatë një qarku të shkurtër. dhe automatikisht ndizet kur hiqet qarku i shkurtër.
Shirit i gjeneratës së dytë
Cila nga këto ide premtuese është vënë tashmë në praktikë dhe me përpjekjet e kujt? Para së gjithash, duhet të theksohet se superpërçuesit me temperaturë të lartë të gjeneratës së parë dhe të dytë (HTSC-1 dhe HTSC-2) janë aktualisht në treg. Për sa i përket vëllimit të produkteve të prodhuara deri më tani, HTSC-1 fiton deri më tani, por është e qartë për ekspertët se e ardhmja përtej superpërçuesve gjenerata e dytë. Kjo për faktin se në hartimin e superpërçuesve HTSC-2, më shumë se 70% është një matricë e bërë prej argjendi.
Një nga kompanitë kryesore ruse që punon në temën e superpërçuesve të gjeneratës së dytë është CJSC SuperOx. Filloi brenda mureve të Universitetit Shtetëror të Moskës me emrin Lomonosov, ku grupi shkencor i Fakultetit të Kimisë punoi në teknologjinë e depozitimit të filmave të hollë të superpërçuesve. Në vitin 2006, bazuar në njohuritë e akumuluara, filloi një projekt tregtar për të krijuar një prodhim vendas të telave HTSC të gjeneratës së dytë.
Në vitin 2011, zona e interesit të SuperOx u zgjerua përmes bashkëpunimit të ngushtë me SuperOx Japan LLC të sapokrijuar. U krijua një linjë pilot prodhimi për të prodhuar tela HTSC me një rrymë kritike deri në 500 A/cm të gjerë. Që nga viti 2011, SuperOx-Innovations është gjithashtu banore në Skolkovo, ku kryen kërkime të aplikuara që synojnë optimizimin e karakteristikave teknike të shiritave HTSC të gjeneratës së dytë dhe zhvillon teknologji të ndryshme për prodhimin e këtyre materialeve. Në vitin 2013, prodhimi i shiritit HTSP-2 filloi në parkun industrial të Moskës Slava.
"Produkti ynë, shiriti superpërçues i gjeneratës së dytë, është një substrat i bërë nga çelik inox special rezistent ndaj temperaturave të larta, i cili më pas nuk i humbet vetitë e tij mekanike kur aplikohen filma të hollë," thotë Vadim Amelichev, një specialist kryesor në SuperOx CJSC. - Me metoda speciale, në këtë nënshtresë aplikohen shtresa oksidi tampon dhe si shtresë funksionale aplikohet një film me kuprat gadolinium-barium. Më pas kjo strukturë mbulohet me shtresa të holla argjendi ose bakri dhe në këtë formë përdoret në superpërçueshmëri pajisje.
Me një trashësi filmi prej vetëm një ose dy mikronësh, një material i tillë ka një kapacitet mbajtës të rrymës prej rreth 500 A për 1 mm² seksion kryq, domethënë qindra herë më i madh se ai i një kabllo bakri konvencional. Prandaj, një shirit i tillë është ideal për aplikacionet ku kërkohet rrymë e lartë. Kabllot për rryma të larta, magnet për fusha të mëdha - fusha kryesore e aplikimit.
SuperOx ka një cikël të plotë prodhimi për shiritin HTSP-2. Në vitin 2012, filluan shitjet e këtij produkti inovativ, dhe tani materiali furnizohet jo vetëm në Rusi, por dhe eksportohen në nëntë vende, duke përfshirë Bashkimin Evropian, Japoninë, Tajvanin dhe Zelandën e Re.
"Nuk ka shumë prodhues të shiritit HTSC-2 në botë," shpjegon Vadim Amelichev. - Janë dy firma amerikane, kompani në Korenë e Jugut dhe Japoni. Në Evropë, përveç nesh, askush nuk prodhon një shirit të tillë në shkallë industriale. Shiriti ynë është testuar në shumë qendra kërkimore dhe ka konfirmuar konkurrencën karakteristikat e tij”.
Zhvilloni një industri të re
“Përkundër faktit se superpërcjellshmëria me temperaturë të lartë është shfaqur mjaft kohët e fundit, çështjet e aplikimit të saj në teknologji po studiohen intensivisht. në teknologji vendet e zhvilluara të botës, - thotë Viktor Pantsyrny, Doktor i Shkencave Teknike, anëtar i plotë i AES të Federatës Ruse, Drejtor Zhvillimi i Superpërcjellësit Rus SHA, - Në vendin tonë, në kuadër të Komisionit nën Presidentin e Federatës Ruse. Federata për Modernizim dhe teknologjike Zhvillimi i ekonomisë ruse, projekti "Industria e Superpërçuesve" u iniciua si pjesë e projektit "Energjia Inovative" në fushën prioritare "Efiçenca e Energjisë".
Ky projekt në fushën e industrisë së superpërçuesve koordinohet nga kompania ruse Superconductor, e krijuar nga Korporata Shtetërore Rosatom. Gjatë periudhës pesëvjeçare nga 2011 deri në 2015, është planifikuar të krijohen teknologji konkurruese për prodhimin e superpërçuesve të gjeneratës së dytë me temperaturë të lartë, prodhimin pilot të telave me shirit HTSC-2 me gjatësi të gjatë (deri në 1000 m), dhe gjithashtu. zhvillimi i prototipave të pajisjeve të bazuara në telat HTSC-2 për industrinë e energjisë elektrike. Këta janë gjeneratorët Kufizues të fuqisë dhe rrymës së lartë (COT) dhe ruajtjes së energjisë kinetike (KNE), si dhe priza të fuqishme të rrymës për sistemet magnetike, ruajtjen e energjisë induktive (SPIN), transformatorët, motorët elektrikë me fuqi të lartë.
Që nga viti 2016, është planifikuar të nisë prodhimi masiv i telave HTSC-2 dhe një numri pajisjesh të bazuara në to. Rreth 30 organizata janë të përfshira në punën e këtij projekti, duke përfshirë universitete, qendra kërkimore akademike dhe të industrisë, zyrat e projektimit dhe organizatat industriale, në veçanti VNIINM SHA, NIIEFA SHA, NIITFA SHA, GIREDMET SHA, SHA NIFHI, SHA TVEL, SHA Tochmash dhe jashtë saj, në Qendrën Kombëtare të Kërkimeve "Instituti Kurchatov", ENIN ato. Krzhizhanovsky, Institucioni Arsimor Buxhetor Federal i Shtetit MAI, NRNU MEPhI, GUAP, OJSC Rosseti, OJSC NTC FGC UES, CJSC SuperOks, OJSC VNIIKP, OJSC NIIEM, OKB Yakor, etj.
"Strukturisht, projekti përbëhet nga nëntë detyra të kryera paralelisht," shpjegon Viktor Pantsyrny. - Nga viti 2011 deri në 2013 arriti të krijojë modelet e para të funksionimit vendas të makinave superpërcjellëse - një motor dhe gjenerator 50 kW, një pajisje për ruajtjen e energjisë kinetike 0,5 MJ, një kufizues të rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës 3,5 MW për rrjetet e energjisë me një tension prej 3,5 kV, një superpërçues 10 kVA transformator, kapa rryme per sisteme magnetike, rryme kaluese 1500A.
Gjithashtu, janë krijuar bazat e teknologjisë për prodhimin tërësisht vendas të telave me shirit HTSC-2, duke filluar nga lëndët e para dhe duke përfunduar me metodat e kontrollit të produkteve të gatshme. U gjetën zgjidhjet kryesore teknologjike, të cilat bënë të mundur që të vazhdohet me krijimin e prototipeve në shkallë të plotë të pajisjeve të energjisë. Kështu, puna për krijimin e një motori 200 kW aktualisht është duke përfunduar.
Falë përdorimit të mbështjelljeve HTSC-2, një motor i tillë, kur instalohet, në një makinë elektrike(autobus elektrik) do të rrisë kilometrazhin me 15-20% ndërmjet rimbushjes së baterive. Është prodhuar dhe po përgatitet për testim në rrjetin e transportit hekurudhor, një kufizues i rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës me fuqi më shumë se 7 MVA. Është drejt përfundimit prodhimi i një gjeneratori me kapacitet 1 MVA, premtues për përdorim në termocentralet me erë.
Bazuar në teknologjitë unike të Rosatom, po krijohet një pajisje për ruajtjen e energjisë kinetike me superpërcjellës pezullim volant, i cili ka një intensitet energjie prej më shumë se 7 MJ. Duhet të theksohet zhvillimi i një pajisjeje të ruajtjes së energjisë induktive e aftë për të dhënë energji të akumuluar deri në disa MJ në një kohë jashtëzakonisht të shkurtër. Në fazën përfundimtare janë edhe punimet për krijimin e një transformatori superpërcjellës me kapacitet 1000 kVA.
“Përveç kësaj, rezultatet më të rëndësishme të projektit do të jenë krijimi i një eksperimenti të fuqishëm dhe teknologjike bazën, si dhe formimin e ekipeve të specialistëve shumë të kualifikuar në fushën e teknologjive superpërcjellëse, - përfundon Viktor Pantsyrny. - Këtë vit, në Institutin e Qendrës Kombëtare të Kërkimit Kurchatov do të fillojë të funksionojë një linjë komplekse prodhimi dhe kërkimi për prodhimin e superpërçuesve të shiritit HTSC-2 me anë të ablacionit lazer. Linja do të bëhet një mjet për zhvillimin e shkencës dhe teknologjisë së materialeve HTSC, duke përdorur në masën maksimale infrastrukturën e fuqishme shkencore të Qendrës Kurchatov NBICS. Kjo do të bëjë të mundur zhvillimin intensiv të një fushe premtuese të teknologjisë së lartë udhëheqëse drejt komercializimit teknologjitë superpërcjellëse”.
kabllot AC
Është e pamundur të mos tregohet për projektin rus për të krijuar një kabllo superpërcjellëse 200 m të gjatë. SHA "Energjia institut ato. G.M. Krzhizhanovsky"(ENIN), SHA "Gjithë-ruse Instituti Kërkimor i Industrisë së Kabllit (VNIIKP), Instituti i Aviacionit në Moskë dhe Industria e Energjisë Elektrike OAO NTC. Zhvillimi filloi në 2005, në 2009 u krijua një prototip, i cili u testua me sukses në një vend testimi unik të krijuar posaçërisht.
Përparësitë kryesore të kabllos HTSC janë ngarkesa e lartë aktuale, humbjet e ulëta, mirëdashja mjedisore dhe siguria nga zjarri. Për më tepër, kur transmetohet fuqi e lartë mbi një kabllo të tillë me një tension prej 10-20 kV, nënstacionet e ndërmjetme nuk kërkohen.
Kablloja HTSC është një strukturë komplekse me shumë shtresa. Elementi mbajtës qendror është bërë në formën e një spirale inox të rrethuar nga një tufë bakri dhe tela çeliku inox të mbështjellë me shirit bakri. Mbi elementin qendror vendosen dy shtresa shiritash superpërcjellës, dhe sipër vendoset izolimi i tensionit të lartë. Kjo pasohet nga aplikimi i një ekrani superpërçues, shtresave të shiritave fleksibël të bakrit të mbështjellë me shirit inox. Çdo bërthamë kabllor tërhiqet në kriostatin e vet fleksibël 200 m të gjatë.
Krijimi i këtij dizajni me shumë komponentë është i ndërlikuar nga fakti se shiriti HTSC është jashtëzakonisht i ndjeshëm.Pjesa kryesore e operacioneve teknologjike është kryer në bazë të OAO VNIIKP. Sidoqoftë, për prodhimin e izolimit të tensionit të lartë, kablloja u soll në qytetin e Perm në fabrikën e kabllove Kamsky.
"Për kabllon HTSC, ne kryem operacionin e aplikimit të izolimit të letrës," thotë Alexander Azanov, Zëvendës Kryeteknolog i Kamsky Cable LLC. - Janë përdorur pajisje unike, të cilat më parë janë përdorur për prodhimin e kabllove të tensionit të lartë të mbushur me vaj. Kjo është arsyeja pse ata nuk kursyen asnjë burim për dërgimin e produktit gjysëm të gatshëm nga Moska në Perm dhe mbrapa. Dhe unë mendoj se për momentin, për prodhimin e kabllove të tilla speciale, këshillohet të përdorni pajisje unike të instaluara në fabrika të ndryshme sesa të organizoni prodhimin në një vend.
Në të ardhmen e afërt, organizimi i prodhimit masiv të këtij kablli në fabrikën tonë ose në ndonjë fabrikë tjetër nuk ka gjasa, pasi instalimi i linjave me superpërçues prodhohet jashtëzakonisht rrallë dhe në gjatësi shumë të shkurtra (jo më shumë se 1 km). Arsyeja kryesore për këtë është kostoja e kabllove HTSC dhe mirëmbajtja e tyre (kërkohet që vazhdimisht të pompohet azot i lëngshëm përmes kabllit).
kabllot DC
Deri më sot, zhvillimet në fushën e krijimit të kabllove HTSC vazhdojnë. SHA FGC UES dhe SHA NTC FGC UES po kryejnë R&D të përbashkët "Krijimi i një linje kabllore DC superpërcjellëse me temperaturë të lartë për një tension 20 kV me një rrymë 2500 A, deri në 2500 m gjatësi". Prototipi i parë i sistemit të ardhshëm inovativ të transmetimit të energjisë - dy copa kabllo bipolare HTSC 30 m secila, e zhvilluar në STC FGC UES dhe e prodhuar në uzinën Irkutskkabel - kaloi me sukses aktualin dhe tension të lartë gjykimet në 2013
Në nëntor 2014, u testua një grup pajisjesh konvertues për transmetim inovativ të energjisë elektrike me një kapacitet prej 50 MW. duke përdorur kabllo superpërcjellëse disa qindra metra e gjatë. Përdorimi i kabllit HTSC për furnizimin me energji elektrike të qyteteve të mëdha do të bëjë të mundur arritjen e një reduktimi të zonave të ndarjes së tokës, refuzimin nga ndërtimi linjat ajrore dhe zvogëlojnë humbjet e energjisë.
Qendra e R&D e FGC UES vëren se një linjë kabllore DC e bazuar në HTSC ka një sërë avantazhesh në krahasim me një linjë AC. Ai jo vetëm që ju lejon të transmetoni energji me humbje minimale, por gjithashtu kufizoni rrymat e qarkut të shkurtër, rregulloni fuqinë reaktive, kontrolloni rrjedhat e fuqisë dhe siguroni kthimin e saj.
"Është bukur të kuptosh se zhvilluesit rusë të kabllove HTSC janë në ballë," thotë Vitaly Vysotsky, Doktor i Shkencave Teknike, Akademik i AES të Federatës Ruse, Drejtor i Shkencës - Drejtor. departamenti i telave dhe kabllove superpërcjellës të SHA "VNIIKP". - Për shembull, kablloja 200 m ishte më e madhja në Evropë në vitet 2009-2013, dhe vetëm në vitin 2014 u instalua një kabllo 1 km në Gjermani. Por ky rekord do të thyhet edhe me testimin e një kabllo 2.5 km për Shën Petersburg”.
Nga mbështetja e shtetit tek investimet private
Ekspertët parashikojnë një zhvillim mjaft aktiv të tregut botëror dhe rus të superpërçuesve. Kështu, Andrei Vavilov, Kryetar i Bordit të Drejtorëve të CJSC SuperOx, vëren se vëllimi i tregut global HTSC po dyfishohet çdo vit dhe do të arrijë në 1 miliard dollarë në 2017, ndërsa pjesa e Rusisë në tregun global mund të vlerësohet në rreth 10%. .
"Tregu i superpërçueshmërisë për industrinë e energjisë elektrike duhet të zhvillohet, pasi dendësia e konsumit të energjisë po rritet vazhdimisht dhe është e pamundur të mbështeten kërkesat në rritje pa superpërçueshmëri," është i sigurt Vitaly Vysotsky. - Megjithatë, inxhinierët e energjisë janë shumë konservatorë në lidhje me gjithçka të re, madje edhe dhe të kushtueshme. Prandaj, për momentin, detyrë kryesore është ende promovimi i projekteve të reja me mbështetjen e organizatave shtetërore. Kjo do të vërtetojë besueshmërinë dhe efikasitetin e pajisjeve superpërcjellëse. Shfaqja e projekteve të reja do të shkaktojë kërkesë për prodhimin e shiritave HTSC, do të rrisë prodhimin e tyre dhe do të ulë çmimet, gjë që do të ndihmojë përsëri në zhvillimin e tregut.”
“Në këtë fazë, një zgjidhje gjithëpërfshirëse e të gjitha detyrave të vendosura është e pamundur pa ndihmën gjithëpërfshirëse të shtetit, por atraktiviteti i investimeve të teknologjisë HTSC po rritet çdo vit, gjë që bën të mundur që të pritet një fluks investimesh private në tregtinë e saj të mëtejshme. zhvillim me një shkallë të lartë besimi,” pajtohet me kolegun e tij Viktor Pantsyrny.
Ekspertët janë të kënaqur që në përgjithësi, në nivel shtetëror, ekziston një kuptim i rëndësisë së teknologjive superpërcjellëse.
“Zhvillimi i industrisë së superpërçuesve është i një rëndësie kombëtare dhe është një pjesë e rëndësishme e tranzicionit te novatore rrugën e zhvillimit të ekonomisë së vendit. Kjo u deklarua së fundmi në një takim të zgjeruar të Këshillit Këshillimor nën kryetarin e Komitetit të Energjisë të Dumës Shtetërore të Asamblesë Federale të Federatës Ruse, ku, në veçanti, u vu re se për të siguruar pavarësinë ekonomike dhe politike të Rusisë , është strategjikisht e nevojshme që të ketë prodhim vendas të ulët dhe temperaturë të lartë materiale superpërcjellëse, pajisje superpërcjellëse dhe produkte të bazuara në to”, thotë Viktor Pantsyrny.
Planet e ardhshme
Ne i kërkuam ekspertëve të vlerësojnë se cilat aplikacione të superpërçueshmërisë i shohin si më premtuesit dhe ku mund të presin përdorimin komercial të teknologjisë në vitet e ardhshme.
“Ashtu si në të gjithë botën, sot në Rusi projektet e kabllove superpërcjellëse janë më të avancuara. Ata duhet dhe, ne shpresojmë, do të zhvillohen, - thotë Vitaly Vysotsky. - Kabllot superpërçues të bazuar në HTSC janë tashmë një produkt thjesht komercial, megjithëse janë ende mjaft të shtrenjtë. Do të bëhet më e lirë kur të fillojë prezantimi i saj i gjerë dhe të kërkohet një sasi e konsiderueshme kasetash HTS, gjë që do të ulë koston prodhimin e tyre.
Megjithatë, për mendimin tim, më e nevojshme dhe në kërkesë për industrinë e energjisë elektrike janë kufizuesit e rrymës së qarkut të shkurtër superpërcjellës për nivelet e tensionit nga 100 kV e lart. Pajisjet konvencionale të kësaj klase të tensionit thjesht nuk ekzistojnë, dhe superpërçueshmëria është thjesht e domosdoshme këtu. Projekte të tilla tashmë po diskutohen në vendin tonë. Për më tepër, për mendimin tim, makinat HTSC për turbinat e erës kanë perspektiva të mira. Ata premtojnë një ulje të konsiderueshme (shumë herë) të peshës së një gjeneratori të vetëm dhe një rritje të një fuqie të vetme.
"Sot, shtytësi i zhvillimit të tregut të produkteve superpërcjellëse është industria e energjisë elektrike (kabllot e energjisë dhe kufizimet aktuale), - beson Andrey Vavilov. - Por në një sërë industrish të tjera ka potencial të konsiderueshëm. Për shembull, sot po zhvillohen opsione për përdorimin e telit HTSC si një zëvendësim efektiv për superpërçuesit me temperaturë të ulët në teknologjinë e përshpejtuesit të përdorur në shkencë, prodhimin e izotopeve dhe mjekësi. Rusia ka plane të mëdha në këtë fushë, në veçanti, ndërtimin e një përplasësi modern NICA në Dubna.
Krijimi i makinerive rrotulluese efikase me karakteristika tërheqëse unike, masë dhe peshë të ulët ka një potencial të madh. Motorë të tillë kërkohen kryesisht për të siguruar lëvizjen e anijeve të mëdha dhe mund të përdoren gjeneratorë në të rinovueshme energji.
Fenomeni i levitacionit magnetik hap perspektiva krejtësisht të reja sot. Këto nuk janë vetëm sisteme transporti, por edhe manipulues pa kontakt, si dhe kushineta të qëndrueshme me një gamë të gjerë aplikimesh.”
“Zhvillimi i mëtejshëm i superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë do të ketë një efekt të theksuar shumëfishues jo vetëm në industrinë e energjisë elektrike, por edhe në industri të tjera si hapësirë, aviacion, detar, automobil dhe hekurudhor transporti, inxhinieria mekanike, metalurgjia, elektronika, mjekësia, teknologjia e përshpejtuesit. Teknologjitë e superpërçueshmërisë janë gjithashtu të rëndësishme për forcimin e aftësive mbrojtëse të vendit”, është i bindur Viktor Pantsyrny.
Me një fjalë, zhvillimi i mëtejshëm i teknologjive të bazuara në superpërçueshmëri hap perspektiva të mëdha për njerëzimin, dhe tashmë në të ardhmen e parashikueshme.
Fizikanët kanë arritur të sintetizojnë një lloj të ri superpërcjellësi me formulën e përgjithshme kimike ReFeAsO (ku Re tregon një nga metalet e rralla të tokës: Sm është samarium, Nd është neodymium, Pr është praseodymium, Ce është cerium, La është lantanum). Këto substanca kanë një temperaturë të papritur të lartë kalimi në gjendjen superpërcjellëse, duke arritur 55 K. Pothuajse të gjithë superpërçuesit me temperaturë të lartë (HTSC) të zbuluara më parë përfshinin oksid bakri. Klasa e gjerë e HTSC-ve jo-kuprate të marra për herë të parë jep shpresë se më në fund do të gjendet një shpjegim teorik i fenomenit të superpërcjellshmërisë së temperaturës së lartë dhe gjithashtu hap mundësi të reja në rrugën drejt rritjes së mëtejshme të temperaturës së tranzicionit në gjendja superpërcjellëse.
Superpërcjellshmëria është fenomeni i mungesës së plotë të rezistencës gjatë rrjedhës së rrymës elektrike, si dhe diamagnetizmit ideal (d.m.th., "shtyrja" e fushës magnetike jashtë kampionit: fusha magnetike nuk depërton thellë në material).
Diamagnetizmi ideal i një superpërcjellësi mund të shpjegohet me faktin se një rrymë e vazhdueshme fillon të rrjedhë mbi sipërfaqen e mostrës, fusha magnetike e së cilës kompenson plotësisht fushën magnetike të jashtme. Dendësia e rrymës së pamposhtur që kontrollon fushën magnetike të jashtme zvogëlohet me shpejtësi me distancën nga sipërfaqja në brendësi të superpërçuesit. Prandaj, në këtë rajon, fusha magnetike e jashtme zvogëlohet nga një vlerë e caktuar në sipërfaqe në zero në thellësi. Fenomeni i përshkruar u zbulua në vitin 1933 nga fizikanët gjermanë Walter Meisner dhe Robert Oksenfeld dhe quhet efekti Meissner-Ochsenfeld. Është e zakonshme të konsiderohet një gjendje si superpërçuese nëse plotëson dy kërkesa: mungesën e rezistencës dhe dëbimin e një fushe magnetike nga kampioni (efekti Meissner-Ochsenfeld).
Pa dyshim, detyra kryesore e teknologëve - specialistëve të superpërçueshmërisë "të aplikuar" është të krijojnë një superpërçues me temperaturë kritike të dhomës ( Tc). Sigurisht, është e vështirë të kërkosh rastësisht për materiale të tilla, ndaj shkencëtarëve të materialeve u vijnë në ndihmë fizikanët, të cilët përpiqen të tregojnë drejtimin e kërkimit me modelet e tyre. Edhe pse, siç tregon historia, në rastin e superpërçueshmërisë, përkundrazi, vërehet procesi i kundërt - teknologët gjejnë HTSC, teoricienët ndërtojnë një model. Megjithatë, nëse do të ndërtohej teoria e superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë, kërkimi i substancave me dhomë Tc me siguri do të ishte më e lehtë.
Teoria e parë që përshkroi në mënyrë të kënaqshme fenomenin e superpërcjellshmërisë ishte teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (teoria BCS). Kjo është teoria e superpërçueshmërisë në temperaturë të ulët. Thelbi i tij është si vijon: elektronet në një substancë, përmes ndërveprimit me dridhjet e rrjetës kristalore të materialit (fononeve), kombinohen në çifte, të quajtura Cooper dhe sillen si një "organizëm" i vetëm me përmasa të mëdha atomike. Si rezultat, sistemi elektronik i çifteve Cooper "nuk vëren" pengesa kur rrjedh përmes materialit (d.m.th., ai përjeton rezistencë zero).
Kur në vitin 1986 Johannes Bednorz dhe Karl Müller, punonjës të degës së Cyrihut të IBM Corporation, zbuluan aftësinë e qeramikës së bazuar në bakër, lantan dhe oksid bariumi (La 2-x Ba x CuO 4) për të kaluar në një gjendje superpërcjellëse në 30 K. , kjo ishte faza e parë në rrugën drejt superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë. Që atëherë, janë zbuluar shumë substanca të tjera që lidhen me HTSC. Për më tepër, që atëherë temperatura kritike është rritur me më shumë se 5 herë (shih Fig. 1), por deri më tani nuk ka qenë e mundur të ndërtohet një model teorik që përshkruan mirë vetitë e vëzhguara të HTSC.
Përpjekjet për të aplikuar teorinë BCS për të shpjeguar superpërcjellshmërinë në temperaturë të lartë nuk kanë qenë të suksesshme; Aktualisht, ka më shumë se një duzinë modele të ndryshme në qasjet e tyre, secila prej të cilave veçmas jep disa parashikime të sakta. Është e rëndësishme të theksohet se, siç mund të shihet nga grafiku në figurën 1, përbërja e të gjitha substancave të zbuluara pas La 2-x Ba x CuO 4 me të lartë Tc pothuajse pa ndryshim përfshin oksid bakri (një nga përjashtimet është diboridi i magnezit i përmendur më poshtë MgB 2) - shumica e modeleve të mësipërme të superpërçueshmërisë së temperaturës së lartë përdorin këtë fakt. Prandaj, nuk është për t'u habitur që raportet këtë pranverë për një klasë të tërë HTSC-sh që nuk bazohen në oksidin e bakrit i interesuan komunitetit shkencor, duke shpresuar të shohin përparim në problemin e superpërçueshmërisë "dhomë".
Deri më tani, diboridi i magnezit kishte temperaturën më të lartë të tranzicionit (39 K) midis HTSC-ve jo kuprate. MgB 2. Superpërçueshmëria në të u zbulua në vitin 2001 dhe, siç doli, ka veçoritë e veta interesante: një temperaturë kaq e lartë kritike arrihet për shkak të ekzistencës së dy (!) "llojeve" të çifteve Cooper në të, të cilat, duke bashkëvepruar me secilën të tjera, rrisin temperaturën kritike.
Raporti i parë mbi zbulimin e një HTSC jo-kuprat të quajtur Superpërçues me Shtresa Hekuri LaFeAs (x = 0,05-0,12) me Tc = 26 K (indeksi x tregon proporcionin në të cilin atomet e oksigjenit u zëvendësuan nga atomet e fluorit - siç thonë fizikanët le të themi, shkalla e dopingut) erdhi nga Instituti i Teknologjisë në Tokio, ku një grup shkencëtarësh të udhëhequr nga Hideo Hosono (Hideo Hosono) sintetizuan një material që nuk ka rezistencë elektrike në temperatura nën 26 K.
Sigurisht, 26 K nuk është ende 39. Megjithatë, ky ishte vetëm fillimi. Në artikullin e tij (në shkurt), Hosono sugjeroi këtë Tc mund të rritet, për shembull, duke kompresuar materialin ose duke zëvendësuar lantanin me një element tjetër. Në të vërtetë, disa kohë më vonë, filluan të shfaqen raporte për zbulimin e superpërçueshmërisë në komponime të tjera të arsenidit të hekurit. Këtu janë titujt e artikujve sipas rendit kronologjik: Superpërcjellshmëria në 36 K në oksidet e gadolinium-arsenidit GdO 1-x F x FeAs - superpërcjellshmëria u vu re në materialin GdOFeAs me = 36 K, Superpërçueshmëri në 43 K në oksidet samarium-arsenide - superpërcjellshmëria në materialin SmOFeAs c Tc= 43 K, Superpërcjellshmëri në 52 K në përbërjen kuaternare të shtresëzuar me bazë F-dopuar PrFeAs me bazë hekuri - pa rezistencë në 52 K dhe më poshtë në një përbërje PrOFeAs të dopuar me fluor. Sa i përket përdorimit të presionit për të rritur temperaturën kritike, të njëjtat LaOFeA të dopuara me fluor, siç gjenden në Superpërçueshmëri në 43 K në një përbërje shtresore me bazë hekuri LaO 1-x F x FeAs, munden me një presion prej 4 GPa (40,000 herë më shumë atmosferike) rriten Tc deri në 43 K.
Dhe vetëm kohët e fundit, një artikull Superpërcjellshmëria në 55 K në përbërjen kuaternare me bazë F-doped me bazë hekuri SmFeAs u shfaq në lidhje me vëzhgimin e superpërçueshmërisë në SmFeAs me një vlerë rekord Tc= 55 K (Fig. 3).
Njëkohësisht me zbulimin e këtyre komponimeve, u ngrit pyetja se si formohet superpërçueshmëria në to - domethënë, si ndodh shfaqja e çifteve të Cooper-it përgjegjës për superpërçueshmërinë e materies.
Doli se në strukturën e tyre kristalore ReFeAsO praktikisht nuk ndryshon nga superpërcjellësit kuprat - i njëjti alternim i shtresave përmes të cilave përhapet rryma superpërçuese (shih Fig. 3). Një analogji e tillë i çoi shkencëtarët në idenë se natyra e formimit të superpërcjellshmërisë në to është ndoshta e njëjtë si në HTSC-të cuprate. Për të testuar këtë hipotezë, u kryen llogaritjet që treguan se nëse çiftet Cooper formohen në HTSC "të sapopjekur" në mënyrën që parashikon teoria BCS, atëherë temperatura kritike në to nuk duhet të kalojë 1 K, gjë që padyshim bie në kundërshtim me të dhënat eksperimentale. Janë shfaqur vepra që flasin për të njëjtat mekanizma për formimin e superpërçueshmërisë si në diboridin e magnezit. Megjithatë, si në rastin e HTSC-ve cuprate, as teoria përfundimtare nuk është krijuar ende.
Megjithatë, rëndësia e këtyre zbulimeve nuk mund të nënvlerësohet. Është e mundur që një lloj i ri i arsenidit të hekurit HTSC të ndihmojë në hedhjen e dritës mbi shpjegimin teorik të superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë dhe t'u tregojë teknologëve mënyrën për të rritur temperaturën kritike.
Superpërcjellësit me temperaturë të lartë zakonisht kanë teksturë kokrra, ato përbëhen nga kokrra - kristalite të ndërlidhura. Zonat e lidhjes janë shumë të dëmtuara, prandaj dallohen vetitë intragranulare dhe ndërgranulare. Për shembull, lloji kritik intragranular është shumë më i madh se ai ndërgranular. Në këtë seksion, ne konsiderojmë strukturën e një kokrrize ose një kristali të vetëm. Siç u përmend tashmë, komponimet e ittriumit, bismutit, taliumit dhe merkurit HTSC i përkasin oksideve metalike të shtresuara. Në të njëjtën kohë, komponimet e bazuara në bismut dhe talium kanë plane atomesh bakri dhe oksigjeni, ndërsa përbërjet e bazuara në itrium përmbajnë rrafsh dhe zinxhirë Cu–O. Punime të shumta i janë kushtuar rolit të zinxhirëve dhe planeve në materialet HTSC. Aktualisht konsiderohet se aeroplan luajnë një rol vendimtar në superpërçueshmëri, dhe zinxhirë shërbejnë si kapacitet për elektronet. Ato mund të jenë të mbushura ose të zbrazëta, në varësi të përmbajtjes së oksigjenit dhe substancave të ndotura. Nëse numri i atomeve të oksigjenit në qelizën e elementit ndryshon, temperatura e tranzicionit ndryshon ose superpërçueshmëria humbet plotësisht. Vendet e lira të oksigjenit ndodhen kryesisht brenda të njëjtit zinxhir. Për shembull, në përbërjen YBa 2 Cu 3 O 7- d në d<1 существуют упорядоченные массивы цепочек, имеющих недостаток кислорода, при d=1 цепочки отсутствуют.
Ju mund të merrni një sërë substancash të bazuara në bismut, talium ose merkur me të ndryshme stoikiometrike përbërjen; në këtë rast, qeliza e njësisë do të përmbajë një numër të ndryshëm planesh, dhe vetitë e HTSC do të jenë gjithashtu të ndryshme, në veçanti, temperatura e tranzicionit. Superpërcjellësit kombinohen gjithashtu nga një formulë e përgjithshme me koeficientë stoikiometrikë të ndryshueshëm (shih Tabelën 2.1). Kështu, për shembull, komponimet Tl-2212, Tl-2223 dhe Tl-2201 kanë formulën e përgjithshme:
Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n+4 , (2.1)
ku n merr respektivisht vlerat 2, 3, 1 dhe tregon numrin e shtresave CuO.
Tabela 2.1
Karakteristikat themelore të disa HTSC
| Nr. p / fq | Lidhja (shkurtesa) | Singonia | Dimensionet e qelizës njësi, А 0 | T SP | |||
| (La 1-x Sr x) CuO 4 | katërkëndore | a=b=3,78 c=13,2 | 37,5 | ||||
| YBa 2 Cu 3 O 7-x (Y-123) | rombike | a=3,82 b=3,88 c=13,2 | |||||
| Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 (Bi-2212) | rombike | a=5,41 b=5,42 c=30,9 | |||||
| Bi 4 Sr 4 CaCu 3 O 14 (Bi-4413) | rombike | a=5.411 b=5.417 c=27 | |||||
| Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Bi-2223) | rombike | a=5,41 b=5,41 c=37,1 | |||||
| Tl 2 Ba 2 CuO 6 (Tl-2201) | rombike | a=5.411 b=5.473 c=23.24 | |||||
| Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212) | katërkëndore | a=b=3,86 c=29,3 | |||||
| Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223) | katërkëndore | a=b=3,85 c=35,9 | |||||
| HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201) | katërkëndore | a=b=3,86 c=9,51 | |||||
| HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212) | katërkëndore | a=b=3,86 c=12,7 | |||||
| HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223) | katërkëndore | a=b=3,86 c=15,9 | |||||
Në mënyrë të ngjashme, mund të shkruhet formula e përgjithshme për grupet HTSC që përmbajnë bismut ose që përmbajnë merkur:
Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 , (2.2)
HgBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +2, (2.3)
Si doli për të bërë njëfazore mostrat e bismutit, taliumit dhe komponimeve të tjera janë mjaft të vështira. Zakonisht, përftohet një kombinim i fazave, secila prej të cilave ka numrin e vet të shtresave CuO dhe CaO për qelizë dhe parametrat e saj kritikë. Kjo shkakton praninë e një temperature jo kritike, por të një intervali të temperaturës prej 4-6 K.
Një "bashkëjetesë" e tillë e bën të vështirë kryerjen e një sërë eksperimentesh që lidhen me marrjen parasysh të karakteristikave të një faze të caktuar ose sjelljen e saj në një fushë magnetike, etj.
Siç u përmend tashmë, struktura e materialeve HTSC, veçanërisht brenda grupeve (2.1), (2.2) dhe të tjerëve, ka elementë të përbashkët. Prandaj, merrni parasysh strukturën e fazave: YBa 2 Cu 3 O 7- x (sistemi rombik) dhe Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 si shembuj.
Oriz. 2.1. Struktura kristalore e YBa 2 Cu 3 O 6,5+ d , δ ≈ 0,5;
● – Ba, ▲ – Y, – Cu, ○ – O
Struktura e fazës (Y-123) është paraqitur në fig. 2.1. Mund të përfaqësohet si një sekuencë shtresash të vendosura pingul me boshtin c:
… (CuO)(BaO)(CuO2)(Y)(CuO2)(BaO)(CuO) … (2.4)
ku është boshllëku i atomit të oksigjenit.
Veçori e kësaj strukture është lehtësia relative e ndryshimit të stoikiometrisë së saj të oksigjenit, ndërsa përbërja e shtresës së bakrit (Z=0) ndryshon nga CuO 2 (d=-0,5) në (CuO ) (d=0,5).
Në d\u003d -0.5 qeliza njësi është tetragonale dhe përbërja e YBa 2 Cu 3 O 6 ka gjysmëpërçues Vetitë. Megjithatë, kur d³ -0.2 struktura bëhet rombike (a¹b) për shkak të zënies së pozicioneve në rrafsh (x, y, o) nga atomet e oksigjenit dhe ka superpërcjellëse Vetitë. Në të njëjtën kohë, me rritjen d ka një rritje T C.
Futja e kationeve shtesë në HTSC mund të shërbejë për tre qëllime. Së pari, ky është kërkimi i superpërçuesve të rinj ose një rritje në temperaturën e tranzicionit të atyre ekzistues, së dyti, rritja e formimit të fazës dhe, së fundi, së treti, mund të futen katione shtesë për të rritur fiksimin e vorbullave magnetike, të dyja. mbi përfshirjet e fazave josuperpërcjellëse që rezultojnë, dhe dhe mbi defektet strukturore të formuara në këtë rast.
Duhet theksuar se zëvendësimi i atomeve itriumi tek të tjerët, ndryshon vetitë e përbërjes.
Kështu, zëvendësimi i atomeve të itriumit për atomet e praseodymiumit çon në humbjen e superpërçueshmërisë. Zëvendësimi i atomeve të itrit për atomet e toriumit ndryshon temperaturën e tranzicionit ( T S=67 K). Dopingu i qeramikës së ittriumit me disa lantanide mund të jetë premtues, pasi ndryshon ndjeshëm temperaturën e dekompozimit peritektik të fazës Y-123. Çështja është se pozicioni i itriumit është një pikë e dobët në strukturën e fazës superpërcjellëse, pasi joni i itriumit ngjesh strukturën dhe krijon shtrembërime strukturore. Kështu, zëvendësimi i atomeve të itrit me atome me rreze më të madhe (Na 3+, S 3+, En 3+, Gd 3+, etj.) stabilizon strukturën dhe siguron karakteristika më të larta të materialeve HTSC.
Për shembull, ekspertët japonezë janë të prirur për zëvendësimin e plotë të ittriumit në strukturë me neodymium.
Zëvendësimi i atomeve të bakrit për të tjerët, si rregull, çon në një ulje të temperaturës së tranzicionit në 60-65 K.
Si përfundim, duhet theksuar se, përveç fazës së konsideruar Y-123, mund të formohen edhe faza të tjera superpërcjellëse: YBa 2 Cu 4 O 8, Yba 4 Cu 7 O 14 me temperatura kalimi përkatësisht 80 K dhe 40 K. .
Struktura e një tjetër HTSC të njohur, kompleksit Bi-2212, është paraqitur në fig. 2.2.
Oriz. 2.2. Modeli i strukturës Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8:
● - Bi, Δ - Sr, ▲- Ca, ■ - Cu, ○ - O
Duhet të theksohet se strukturat e materialeve HTSC të bismutit dhe taliumit kanë shumë të përbashkëta dhe përfaqësojnë një ndërthurje koherente të blloqeve të perovskitit dhe NaCl. Në këtë rast, grupi i planeve përgjatë boshtit C duket kështu:
(CuO 2) (Ca )(CuO 2)(SrO)(OBi)(BiO)(OSr)(O 2 Cu) … (2.5)
Në këtë strukturë, 3 rrafshët e parë korrespondojnë me një bllok perovskite, dhe 5 rrafshët e fundit korrespondojnë me një bllok të ngjashëm me NaCl. Atomi i kalciumit zë një pozicion të ngjashëm me atë të itriumit (Fig. 2.1) dhe ka një përqendrim të lartë të boshllëqeve të anionit.
Aktualisht, është bërë shumë punë në lidhje me prezantimin e ndonjë aditivëve në superpërçues të serisë BiSr 2 Ca n -1 Cu n O x. Këto mund të jenë katione që zëvendësojnë pozicionet në rrjetën kristalore, ose aditivë neutralë. Për shembull, kationi Pb 2+ bën të mundur përmirësimin e karakteristikave elektrike të një superpërçuesi, në veçanti, rritjen e rrymës kritike të tij. Zëvendësimi me elemente të rralla të tokës dhe zëvendësimi i kationeve të plumbit çon në një rritje të fiksimit, dhe kjo e fundit gjithashtu rrit vlerën e fushës magnetike kritike. Futja e argjendit gjithashtu bën të mundur rritjen e rrymës kritike.
Në fund të bisedës për strukturën e kristaleve HTSC, duhet të theksojmë Karakteristikat kryesore, justifikimi i të cilave është përtej qëllimit të këtij manuali, por që janë të përbashkëta për të gjitha materialet e marra:
1. Strukturat fazore rrjedhin nga struktura perovskite.
2. Strukturat kanë një numër të madh të anionit vende të lira pune, përqendrimi i të cilave mund të jetë i ndryshëm (temperatura dhe shpejtësia e ndezjes, koha dhe presioni i mbajtjes në oksigjen, etj.).
3. Strukturat kanë atome bakri në gjendje të ndryshme oksidimi (II dhe III). Për shkak të ndryshimit të numrit të atomeve të oksigjenit në strukturë, niveli i Fermit zvogëlohet dhe krijohen vrima.
4. Strukturat e fazave HTSC - shtresore, elementi i tyre i domosdoshëm është prania e planeve (CuO 2). Formimi i strukturave me shtresa ndodh ose për shkak të renditjes së vendeve të lira të anionit, ose për shkak të shkeljes së sekuencës ideale të shtresave përgjatë boshtit të katërfishtë.
5. Në këto struktura të ngjashme me perovskit, vendet B janë të zëna vetëm nga atomet e bakrit. Sinteza e strukturave me atome të tjera në pozicionet B nuk ka dhënë ende ndonjë rezultat.
Pyetje kontrolli
1. Emërtoni llojet kryesore të materialeve HTSC.
2. Cilat janë veçoritë e strukturës së materialeve HTSC?
3. Si ndikojnë papastërtitë në strukturën dhe vetitë e HTSC?
4. Cili është roli i zinxhirëve dhe planeve në strukturë?
