Только в 1986 году была открыта так называемая высокотемпературная сверхпроводимость, но и она началась со сверхпроводников, которые работали при температуре около –243,15 °C, хоть это и позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот. Даже если бы было принято решение попробовать внедрить такую технологию, потребовалось бы решить вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (хоть и вроде как высокую) температуру, на очень больших отрезках.
В целом эти разработки продолжаются сегодня в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США, но по-прежнему всё огранивается проектами по созданию сверхпроводящих кабелей длиной 1–10 км.
Тут практическая польза оказалась куда более заметной. Ещё в начале 1970-х годов был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта и железнодорожной станцией города Бирмингема (проработал до 1995 года).
Суть технологии максимально проста: включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных – притягивает. Электромагнитное поле удерживает состав над дорожным полотном, оно же толкает его вперёд, ведь благодаря быстрому попеременному включению магнитов создаётся постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Поскольку трение в данном случае полностью отсутствует, маглевы способны разгоняться до 500–600 км/ч.
Всё бы ничего, вот только технология эта убыточна. Согласно открытым данным, шанхайский маглев-аэроэкспресс, который в коммерческой эксплуатации находится с 2004 года, приносит ежегодный убыток в 93 млн долларов.
Прежде чем перейти к термоядерным реакторам, с которых начался рассказ про сверхпроводники, стоит отметить, что эта технология вполне может найти применение непосредственно в ракетно-космической отрасли, ведь в ней даже дорогой проект вроде создания космического маглева может привести к удешевлению доставки грузов на орбиту.
Довольно часто можно услышать, что «химические двигатели себя изжили», поэтому человечеству нужен новый способ отправки в космос. Так считает и Джеймс Пауэлл, основатель проекта Startram, «космического поезда» (или «космического трамвая»), по словам которого благодаря маглеву космос станет настолько доступен, что в нём каждый год смогут побывать до 4 млн человек, а отправка грузов вообще станет чуть ли не дешевле, чем почтой. Первая полноценная отправка полезной нагрузки ожидается в 2032 году.
«Космические поезда» должны будут передвигаться по гигантскому магнитному вакуумному тоннелю, выход с плазменным окном (для удержания вакуума) из которого будет располагаться на высоте порядка 20 км. Скорость такого состава, согласно расчётам, сможет достигать фантастических 32 000 км/ч. Для выхода путешественников предназначено плазменное окно, находящееся в верхней части конструкции.
По словам создателя концепции, грузовая модификация Startram потребует инвестиций порядка 20 млрд долларов, что в общем-то совсем немного. К тому же, по словам Пауэлла, проект быстро окупится, так как стоимость доставки грузов на орбиту в итоге упадёт до 40 долларов за килограмм.
Разумеется, есть и вопросы к проекту, самый большой из которых касается отправки на орбиту людей в таком «поезде». Ускорение будет приводить к перегрузкам в 30 g, которые не выдержит ни один человек, а для достижения приемлемых 2–3 g потребуется создать тоннель пассажирского поезда протяжённостью в 1 500 км, с выходом на высоте около 270 км, то есть уже на орбите (зато с вакуумом проблем почти не будет).
Помимо прочего, расчёты скептиков показывают, что для такого проекта потребуется довольно мощный источник питания, создание которого приведёт к удорожанию проекта в 3 раза – до 60 млрд долларов, на что Пауэлл отвечает, что лунная программа США стоила намного дороже, а тут речь о серьёзном удешевлении доставки грузов на орбиту Земли (повторюсь, 40 долларов за килограмм против, скажем, 2 500 долларов, которые берёт Space X). А по поводу источника энергии Пауэлл говорит просто: «Он у нас под рукой – это солнечная энергия». Об этом чуть ниже.
К слову, китайцы совсем недавно представили проект космического транспортного средства, запускаемого, судя по всему, с помощью электромагнитной катапульты. После запуска на определённой высоте включается двигатель, с помощью которого транспортное средство выходит в суборбитальное пространство. Посадка осуществляется по «самолётному» типу. Подробностей немного, но важен сам факт того, что работа в этом направлении уже ведётся.
Разумеется, специалисты, разрабатывающие термоядерные реакторы, ждут прорыва в области сверхпроводимости, так как без него, будем откровенны, не очень много шансов на промышленное освоение термояда.
Уверен, вы уже поняли, что сверхпроводники тут необходимы для создания магнитной ловушки, в которой будет удерживаться «искусственное Солнце», дающее доступ к безграничной и дешёвой энергии. Повторюсь, что, если не окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, она не будет удерживаться в заданном объёме и просто прожжёт стенки реактора.
К слову, в международном проекте по созданию прототипа термоядерного реактора ИТЭР именно Россия отвечает за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для «укрощения» плазмы. Предполагается, что первые испытания магнитов состоятся во время пробного запуска реактора в 2025 году.
Возможна ли сверхпроводимость без охлаждения?
Думаю, каждый уже задался этим вопросом. Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости, главная мечта всех физиков и инженеров – комнатная температура сверхпроводимости, которая откроет ей дорогу в повседневный быт и по сути ключ к передаче энергии без потерь, левитирующим космическим поездам, лунным лифтам и другим атрибутам научной фантастики, – пока не достигнута.
Время от времени сообщения о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре появляются, но это, как правило, преувеличение СМИ. К примеру, физики из университета Рочестера (США, штат Нью-Йорк) в статье «Сверхпроводимость при комнатной температуре в углеродистом гидриде серы», опубликованной в Nature, сообщили о достижении сверхпроводимости при необычайно высокой температуре +15 °C (Elliot Snider, 2020). Есть нюанс: для этого потребовалось довольно высокое давление.
Учёные на протяжении многих лет шаг за шагом подбирались к этому достижению. Например, в 2015 году был поставлен рекорд сверхпроводимости при –70 °C (A. P. Drozdov M. I., 2015), а в 2019 году физики добились этого состояния при –23 °C – не самый морозный зимний день в России (A. P. Drozdov P. P., 2019). И вот теперь сверхпроводимость достигнута при комнатной температуре. Что удивительно, но компонентами для сверхпроводника послужили самые простые и дешевые вещества: сера и углерод в виде очень мелкого порошка, а также газообразный водород.
Смешав всё это, состав поместили между алмазными наковальнями, подвергли воздействию давления 2,6 млн атмосфер, а дополнительно благодаря прозрачности алмаза несколько часов эту смесь облучали лазером, чтобы запустить в нём химические реакции. В результате был получен принципиально новый материал (в объёме всего лишь триллионных долей литра), который оставался сверхпроводящим при 15 °C.
По сути, сбылась мечта физиков! А вот у инженеров работа только началась, ведь показана лишь принципиальная возможность сверхпроводимости при комнатной температуре, что уже просто потрясающе, но до внедрения технологии в повседневный быт ещё далеко. Тем не менее, изучив физические механизмы, лежащие в основе «комнатной» сверхпроводимости, учёные и инженеры однажды смогут реализовать её и при нормальном давлении. Это станет началом появления очередных технологий из фантастических романов в повседневной жизни, а спустя ещё десяток-другой лет современники будут с совершенно скучающим видом садиться в левитирующий космический поезд, чтобы отправиться на работу на станцию термоядерного синтеза на орбите высотой в 20 000 км над Землёй.
Зачем создавать термоядерный реактор, если у нас уже есть один работающий?
Илон Маск как-то написал в своём аккаунте в социальной сети, логотипом которой является птичка: «Термоядерная энергия не нужна». Позже он объяснил, что у нас есть термоядерный реактор, стабильно работающий уже более 4,5 млрд лет, – Солнце.
Идея о том, чтобы получать энергию с помощью солнечной электростанции, размещённой в космосе, старше даже космической программы. Вообще, согласитесь, довольно интересно наблюдать за тем, как описанные фантастами технологии постепенно становятся обыденной реальностью.
Проектов орбитальных солнечных электростанций не то чтобы много, но и не мало. На сегодня лидерами в разработке этих технологий являются США. Не отстаёт Китай, есть подобные проекты и в России.
Итак, наиболее активно над подобными технологиями в США работали в 1970-х годах. Тогда основной идеей было создание на орбите солнечной электростанции, которая могла бы наиболее эффективно вырабатывать энергию и передавать её на Землю.
Самая успешная демонстрация (Dickinson, 1975) состоялась уже в 1975 году: чуть более 30 кВт энергии было передано на расстояние более 1,5 км. Эффективность передачи составила 82 %, что очень неплохо. Проблема была в масштабах оборудования. Генерировала пучок радиоволн параболическая зеркальная антенна диаметром 26 м. Принимающая, площадью 24 м2, была установлена на специальной башне высотой 30,5 м.
Таким образом, для регулярной передачи довольно большого количества энергии на расстояние в сотни километров на тот момент требовались бы гораздо бóльшие антенны. Но технологии не стояли на месте, поэтому американские специалисты (военные, как правило) возобновили работы по данному направлению.