Мичио Каку - Физика будущего

На текущий момент мировой рекорд для керамических сверхпроводников составляет 138 К. Это очень важно, так как жидкий азот (который стоит не дороже молока) образуется при 77 К и, следовательно, с его помощью можно эту керамику поддерживать в сверхпроводящем состоянии. Одного этого факта оказалось достаточно, чтобы резко снизить стоимость сверхпроводников. Так что высокотемпературная сверхпроводимость — очень практичное открытие.

Однако, по правде говоря, керамические сверхпроводники лишь раздразнили аппетиты физиков. Ведь пока сделан гигантский, но недостаточный шаг в правильном направлении. Во-первых, несмотря на дешевизну жидкого азота, использовать его без какого-либо холодильного оборудования вряд ли возможно. Во-вторых, из керамики трудно делать провода. В-третьих, физики до сих пор не до конца понимают природу этой керамики и не могут с уверенностью сказать, почему в ней возникает сверхпроводимость. Квантовые уравнения керамических сверхпроводников слишком сложны, и решить их в настоящее время не представляется возможным, поэтому никто не знает наверняка, как они работают. Физики в недоумении. Ученого, который сможет объяснить теоретически природу высокотемпературной сверхпроводимости, ждет Нобелевская премия.

С другой стороны, каждый физик прекрасно понимает, какое громадное значение имела бы сверхпроводимость при комнатной температуре. Открытие такого явления стало бы толчком к новой промышленной революции. Ведь для сверхпроводников при комнатной температуре не нужно никакое холодильное оборудование, так что они стали бы источником постоянного магнитного поля невероятной мощности.

Если по медной проволочной рамке течет ток, его энергия рассеивается за долю секунды из-за сопротивления проволоки. Однако эксперименты показали, что электричество в сверхпроводящей рамке может течь без подпитки энергией долгие годы. Экспериментальные данные свидетельствуют, что время жизни тока в сверхпроводящем кольце может достигать 100 000 лет. Некоторые теории даже утверждают, что максимальное время жизни электрического тока в сверхпроводнике ограничивается лишь временем жизни известной нам Вселенной.

В самом худшем случае «комнатные» сверхпроводники могли бы резко уменьшить потери электричества в высоковольтных линиях и снизить таким образом стоимость электричества. Известно, что электростанции всегда строятся вблизи крупных городов; причина, в частности, в том, что в линиях электропередачи может теряться до 30% вырабатываемой энергии. Именно поэтому опасные атомные станции приходится строить рядом с крупными городами, а ветряные электростанции невозможно строить там, где больше всего дует ветер.

Свыше 30% электроэнергии, производимой электростанцией, расходуется при передаче. Провода, обладающие сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, могли бы полностью изменить картину. Уменьшение потерь снизило бы стоимость электричества, серьезно уменьшило загрязнение окружающей среды и опасность глобального потепления. Раз мировое производство углекислого газа определяется уровнем энергопотребления, а большая часть энергии расходуется на преодоление трения, то наступление эры магнетизма могло бы навсегда снизить и энергопотребление, и выработку углекислого газа.

Без всяких дополнительных затрат энергии сверхпроводники при комнатной температуре дадут человечеству мощные супермагниты, способные удерживать в воздухе автомобили и даже поезда.

Простую демонстрацию этого эффекта можно провести в любой лаборатории. Я и сам не раз проводил ее в передачах ВВС-TV и канала Science. Заказать небольшой кусочек керамического высокотемпературного полупроводника можно в компании, торгующей научным и учебным оборудованием. Это будет серый кусочек твердой керамики сантиметра 3 в поперечнике. Затем можно купить немного жидкого азота. Поместите керамическую пластинку в пластиковую тарелку и осторожно залейте жидким азотом. При соприкосновении с керамикой азот вскипит. Дождитесь, чтобы кипение прекратилось, а затем положите на сверхпроводник небольшой магнитик. Магнит волшебным образом зависнет в воздухе. Если осторожно подтолкнуть его пальцем, он начнет вращаться. Не исключено, что в этой небольшой тарелке — будущее мирового транспорта.

Причина, по которой магнит зависает в воздухе, проста. Магнитные силовые линии не могут войти в сверхпроводник. Это явление называется эффектом Мейснера. (Когда к сверхпроводнику прикладывают магнитное поле, на его поверхности возникает кольцевой ток, компенсирующий его, так что магнитное поле полностью вытесняется из объема сверхпроводника.) Вы помещаете магнит на керамический сверхпроводник, и его силовые линии сминаются, так как проникнуть в сверхпроводник они не в состоянии. Возникает «подушка» из сжатых вместе линий магнитного поля, которая отталкивает магнит от керамики и заставляет его плавать в воздухе.