Сверхпроводник — это вещество, которое при температуре жидкого азота теряет сопротивление. По нему можно передавать огромную энергию, то есть ток, и при этом потерь не будет, он не греется, как лампочка. Высокотемпературный сверхпроводник второго поколения делается обязательно на металлической ленте, на которую наносятся слои. Первый слой создает структуру — подложку, на которую потом ляжет кристаллический слой сверхпроводника — того материала, который проводит электричество. А сверху он покрывается серебряным слоем: при нагреве до 450 °С серебро пропускает кислород, который попадает внутрь сверхпроводника, что и придает ему сверхпроводящие свойства.
При охлаждении затвор — серебро — остывает и не выпускает кислород наружу, благодаря этому сверхпроводник долгое время работает, кислород не теряется. Если нужно, сверху наносится медный шунтирующий слой, потом — изоляция, если лента используется, например, в кабелях. Чтобы эти слои нанести, чтобы они держались, нужно проделать много технологических операций. Сначала ленту наматывают на барабан и очень тщательно полируют. После полировки она проходит сквозь смывочную машину, там она моется специальным мылом, дистиллированной водой, с нее сдуваются все капельки воды.
Затем она, абсолютно сухая, поступает в следующий зал, где наматывается на большой барабан и задвигается в вакуумную камеру. Там происходит напыление первого буферного слоя — это двуокись циркония, стабилизированная иттрием. Толщина всего два микрона — две миллионных миллиметра. У этого вещества определенная структура — только на такую структуру ложится сверхпроводник. Тестирование этой продукции — ленты — во‑первых, делается непосредственно на предприятии: есть специальная установка, в которой нужно протянуть каждую ленту, проверить ее критический ток по длине, убедиться, что там нет разрывов.
Кроме того, сейчас создаются сертификационные центры, например, один из них — в Курчатовском институте. В таких центрах этой ленте будет присваиваться сертификат: годится. После этого она идет на рынки и все ее могут покупать. Революция в электроэнергетике произойдет, когда стоимость производства сверхпроводника упадет до стоимости меди. Есть показатель, который демонстрирует, , сколько нужно меди для того, чтобы пропустить один килоампер тока сквозь один метр ленты, и который измеряется в долларах за килоамперметр.
При охлаждении затвор — серебро — остывает и не выпускает кислород наружу, благодаря этому сверхпроводник долгое время работает, кислород не теряется. Если нужно, сверху наносится медный шунтирующий слой, потом — изоляция, если лента используется, например, в кабелях. Чтобы эти слои нанести, чтобы они держались, нужно проделать много технологических операций. Сначала ленту наматывают на барабан и очень тщательно полируют. После полировки она проходит сквозь смывочную машину, там она моется специальным мылом, дистиллированной водой, с нее сдуваются все капельки воды.
Затем она, абсолютно сухая, поступает в следующий зал, где наматывается на большой барабан и задвигается в вакуумную камеру. Там происходит напыление первого буферного слоя — это двуокись циркония, стабилизированная иттрием. Толщина всего два микрона — две миллионных миллиметра. У этого вещества определенная структура — только на такую структуру ложится сверхпроводник. Тестирование этой продукции — ленты — во‑первых, делается непосредственно на предприятии: есть специальная установка, в которой нужно протянуть каждую ленту, проверить ее критический ток по длине, убедиться, что там нет разрывов.
Кроме того, сейчас создаются сертификационные центры, например, один из них — в Курчатовском институте. В таких центрах этой ленте будет присваиваться сертификат: годится. После этого она идет на рынки и все ее могут покупать. Революция в электроэнергетике произойдет, когда стоимость производства сверхпроводника упадет до стоимости меди. Есть показатель, который демонстрирует, , сколько нужно меди для того, чтобы пропустить один килоампер тока сквозь один метр ленты, и который измеряется в долларах за килоамперметр.
Цена меди сейчас примерно $25 за килоамперметр,
а цена сверхпроводящего провода — в несколько раз выше. И наша главная задача — развивая технологию, понизить стоимость килоамперметра. Для этого надо как можно больше килоампер пропускать и при этом стоимость производства снижать.
Результаты анализа, который мы проводили неоднократно, проектируя новые производства, показывают, что мы можем выйти на стоимость примерно в 1,5–2 раза ниже, чем стоимость меди. Для этого потребуется еще несколько лет работы.
Результаты анализа, который мы проводили неоднократно, проектируя новые производства, показывают, что мы можем выйти на стоимость примерно в 1,5–2 раза ниже, чем стоимость меди. Для этого потребуется еще несколько лет работы.
Надо расширять производство, совершенствовать технологию. Подключение всех российских предприятий к созданию оборудования позволит это сделать минимум за девять месяцев. Для достижения производительности 700 тыс. километров ленты в год — а это уже промышленно значимое производство — нужно поставить несколько линеек такого оборудования; потребуется лет пять.
На нашей линии сейчас можно производить (мы надеемся значительно улучшить эту ситуацию) где-то в районе 80 тыс. километров. Сверхпроводники — это очень молодая отрасль. В мире идут только первичные разработки, проверки этого оборудования на дееспособность. Если удастся снизить стоимость такой ленты, это приведет к взрывному внедрению этих устройств в энергетике. Внедрение любого нового оборудования, новых материалов — это всегда экспоненциальное развитие, причем его правила известны.
Если в какой-то момент сверхпроводниковых устройств начнет выпускаться 10 % от всего мирового производства такого же типа других электроэнергетических устройств, то эта точка станет началом экспоненциального роста объемов производства и потребления. Старые системы, естественно, будут уходить. Те производители, которые поставляют старые системы, будут перестраиваться — таковы правила развития наукоемких производств в мире.
В качестве примера я могу привести микроэлектронную промышленность: совсем немного лет прошло с тех пор, как в 1956 году был изобретен первый транзистор — и что мы видим сегодня?
На нашей линии сейчас можно производить (мы надеемся значительно улучшить эту ситуацию) где-то в районе 80 тыс. километров. Сверхпроводники — это очень молодая отрасль. В мире идут только первичные разработки, проверки этого оборудования на дееспособность. Если удастся снизить стоимость такой ленты, это приведет к взрывному внедрению этих устройств в энергетике. Внедрение любого нового оборудования, новых материалов — это всегда экспоненциальное развитие, причем его правила известны.
Если в какой-то момент сверхпроводниковых устройств начнет выпускаться 10 % от всего мирового производства такого же типа других электроэнергетических устройств, то эта точка станет началом экспоненциального роста объемов производства и потребления. Старые системы, естественно, будут уходить. Те производители, которые поставляют старые системы, будут перестраиваться — таковы правила развития наукоемких производств в мире.
В качестве примера я могу привести микроэлектронную промышленность: совсем немного лет прошло с тех пор, как в 1956 году был изобретен первый транзистор — и что мы видим сегодня?
В 1947 году Джон Бардин вместе с Уильямом Шокли и Уолтером Брэттеном изобрел первый транзистор, это в корне изменило компьютеры, системы управления и коммуникаций.
В памяти современного смартфона десятки гигабайт, а само устройство — размером с первый транзистор. И никто не возражал, когда транзисторы заменили радиолампы. Сегодня технических препятствий для развития сверхпроводников нет. Сейчас задача только одна: это совершенствование процесса и выход на те 10 %, о которых я говорил. Естественно, для расширения производства нужно много средств. Это довольно дорогие производства. Нам приходится догонять.
В России существует единственное производство. Также есть предпроизводство — так называемая лабораторная экспериментальная линия, которую по нашему заказу изготовили в Германии, она стоит в Курчатовском институте. Была президентская программа «Сверхпроводниковая индустрия», она длилась пять лет и успешно была закончена в декабре 2015 года. Отечественное оборудование изготовлено в рамках этой программы. Кроме того, одновременно разрабатывались несколько специальных электроэнергетических устройств. Поскольку напыление сверхпроводника наносится с помощью лазеров — очень мощных специализированных ультрафиолетовых лазеров на эксимерных смесях, — то эту часть работы отдали в НИИЭФА, у которого был опыт в этом направлении.
А у нас в НИИТФА был опыт работы со съемными источниками — магнитронами и так далее, — которые применяются для напыления слоев, поэтому эту часть работы отдали нам. Начать работу и продемонстрировать первые результаты можно и на двух площадках: передача кассеты с лентой длиной в километр занимает немного времени. Если здесь, например в этой установке, процесс идет двое суток, а в НИИЭФА, на тех установках, которые у них, он идет четверо суток, то 12 часов на передачу кассеты отсюда туда не сильно усложняют ситуацию.
Далее возможен такой вариант развития: мы здесь дополняем линию всем необходимым оборудованием, и точно такой же комплект оборудования, как здесь, ставим в НИИЭФА. Таким образом, у нас появляются два производственных центра. А по мере отработки технологии, создания оборудования, его эксплуатации мы нарабатываем какие-то результаты, обобщаем весь наш опыт. Этот опыт потом будет тиражироваться, например, в Глазове на ЧМЗ. То есть у нас опытно-промышленные площадки, а масштабирование и создание действительно мощного индустриального производства — в Глазове, на заводе ЧМЗ.
В России существует единственное производство. Также есть предпроизводство — так называемая лабораторная экспериментальная линия, которую по нашему заказу изготовили в Германии, она стоит в Курчатовском институте. Была президентская программа «Сверхпроводниковая индустрия», она длилась пять лет и успешно была закончена в декабре 2015 года. Отечественное оборудование изготовлено в рамках этой программы. Кроме того, одновременно разрабатывались несколько специальных электроэнергетических устройств. Поскольку напыление сверхпроводника наносится с помощью лазеров — очень мощных специализированных ультрафиолетовых лазеров на эксимерных смесях, — то эту часть работы отдали в НИИЭФА, у которого был опыт в этом направлении.
А у нас в НИИТФА был опыт работы со съемными источниками — магнитронами и так далее, — которые применяются для напыления слоев, поэтому эту часть работы отдали нам. Начать работу и продемонстрировать первые результаты можно и на двух площадках: передача кассеты с лентой длиной в километр занимает немного времени. Если здесь, например в этой установке, процесс идет двое суток, а в НИИЭФА, на тех установках, которые у них, он идет четверо суток, то 12 часов на передачу кассеты отсюда туда не сильно усложняют ситуацию.
Далее возможен такой вариант развития: мы здесь дополняем линию всем необходимым оборудованием, и точно такой же комплект оборудования, как здесь, ставим в НИИЭФА. Таким образом, у нас появляются два производственных центра. А по мере отработки технологии, создания оборудования, его эксплуатации мы нарабатываем какие-то результаты, обобщаем весь наш опыт. Этот опыт потом будет тиражироваться, например, в Глазове на ЧМЗ. То есть у нас опытно-промышленные площадки, а масштабирование и создание действительно мощного индустриального производства — в Глазове, на заводе ЧМЗ.
Контроль за выполнением президентской программы был поручен акционерному обществу «Русский сверхпроводник». Эта работа продолжается: совершенствуется производство ленты, снижается ее себестоимость. У нас есть проект автономной сверхпроводниковой ветроэлектростанции. Концепция разработана: энергия там накапливается в водороде, электричество используется для разложения воды в электролизерах, так что станция полностью автономна, ей нужен только ветер, а воды там хватает. Между прочим, этот ВТСП-2 сверхпроводник годится для космоса, потому что там температура достаточно низкая для того, чтобы вещество перешло в состояние сверхпроводимости. Поэтому существуют проекты использования ВТСП-2 для космоса.
В мире есть подобное оборудование, конечно, — несколько фирм очень далеко продвинулись в этом направлении. Однако чтобы перечислить конкурентов, хватит пальцев одной руки. Это две фирмы в Америке: American Super Conductor и SuperPower (правда, японцы уже купили SuperPower, так что это теперь японско-американская фирма). В Европе одна-единственная фирма — компания Bruker HTS, мы с ней очень плотно сотрудничаем. Они создали технологию, которую мы сейчас взяли на вооружение: заказали через них, изготовили оборудование, которое стоит в Курчатовском институте. А то оборудование, которое стоит в НИИТФА, конечно, сделано с учетом их опыта, но это уже наша собственная разработка.
В Америке недавно появилась еще одна фирма — STI, которая работает по схожей технологии. В Южной Корее фирма SuNam работает по совершенно иной технологии. Среди японских фирм самая известная — Fujikura. Недавно к ней добавилась Fujitsu, которая вложилась в SuperPower. У нас, в России, есть еще «СуперОКС». Давным давно профессор Кауль создал маленькую лабораторию, которая занималась этим производством. Технологическое оборудование из нее частично находится в Японии, частично — здесь.
В мире есть подобное оборудование, конечно, — несколько фирм очень далеко продвинулись в этом направлении. Однако чтобы перечислить конкурентов, хватит пальцев одной руки. Это две фирмы в Америке: American Super Conductor и SuperPower (правда, японцы уже купили SuperPower, так что это теперь японско-американская фирма). В Европе одна-единственная фирма — компания Bruker HTS, мы с ней очень плотно сотрудничаем. Они создали технологию, которую мы сейчас взяли на вооружение: заказали через них, изготовили оборудование, которое стоит в Курчатовском институте. А то оборудование, которое стоит в НИИТФА, конечно, сделано с учетом их опыта, но это уже наша собственная разработка.
В Америке недавно появилась еще одна фирма — STI, которая работает по схожей технологии. В Южной Корее фирма SuNam работает по совершенно иной технологии. Среди японских фирм самая известная — Fujikura. Недавно к ней добавилась Fujitsu, которая вложилась в SuperPower. У нас, в России, есть еще «СуперОКС». Давным давно профессор Кауль создал маленькую лабораторию, которая занималась этим производством. Технологическое оборудование из нее частично находится в Японии, частично — здесь.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА
