На дне температурного колодца

Новая глава, посвященная странному и холодному миру сверхпроводников. Речь в главе идет об открытии одного пожилого человека о надеждах, которые возникали, чтобы уступить место унынию, и затем возрождались вновь, о радиационных поясах "безумных идеях" и космических каравеллах грядущего.

На дне температурного колодца

На берегах неведомого увидели 
мы странные следы.

Артур С.Эддингтон

1853 год был счастливым для Голландии. В этом году родились три человека, которым суждено было стать гордостью этой небольшой страны и всего мира. Этими тремя людьми были Лоренц, Ван-Гог и Каммерлинг-Оннес. Сколь резко различались они между собой по области творчества, внешности и темпераменту, столь резко различались и их судьбы.

Г. Лоренц уже в двадцать лет был признанным ученым. Его исследования в области оптики и теории электрона уже с этого времени считались "истиной в последней инстанции". И чем дальше, тем больше уважение и почет сопутствовали жизненному пути этого лейденского профессора, обессмертившего свое имя введением "преобразований Лоренца", которые являются мощным фундаментом теории относительности. После смерти Лоренца в 1928 году Альберт Эйнштейн сказал над его могилой: "Жизнь Лоренца - драгоценное произведение искусства".

Винцент Ван-Гог, один из величайших художников, когда-либо живших на земле, хотевший "красным и зеленым выразить неистовые страсти человечества", был признан лишь незадолго до своего самоубийства в Овере в возрасте тридцати семи лет. Затравленный, полуголодный, преданный друзьями и родственниками, не понятый широкой публикой, этот поэт и мыслитель провел последние годы своей жизни в больнице для умалишенных.

В жизни Гейке Каммерлинг-Оннеса ничто, казалось, не предвещало мировой славы. Широко известный, но не блестящий ученый, опубликовавший в специальной литературе многочисленные работы по радиоактивности, термодинамике и сжижению газов, в 1911 году был уже почти шестидесятилетним стариком. Но одним весенним утром этого года он вошел в лабораторию обычным заведующим кафедрой, а вечером вышел - первооткрывателем сверхпроводимости. Один день обеспечил ему бессмертие...

Вот ступени, которые привели к открытию сверхпроводимости:

1823-1845 годы - англичанин М. Фарадей "между делом" ожижает все газы, кроме кислорода, водорода, азота и нескольких других, которые он объявляет "постоянными";

1877 год - француз Л. Кальете получает жидкий кислород в виде капелек тумана;

1878 год - швейцарец Р. Пикте ожижает водород и получает его в виде тумана;

1878 год - англичанин Дж. Дьюар изобретает "сосуд Дьюара", в котором можно длительно сохранять ожиженные газы (некоторое представление о сосуде Дьюара дает стеклянный баллон обычного термоса);

1883 год - поляки 3. Вроблевский и К. Ольшевский уверенно ожижают азот и кислород;

1896 год - англичанин Дж. Дьюар получает жидкий водород в виде капель;

1908 год - голландец Г. Каммерлинг-Оннес впервые получает жидкий гелий в виде небольшого облачка тумана.

До 1911 года было совершенно неясно, как должно изменяться электрическое сопротивление металлов при снижении их температуры. Учеными допускались в то время три различные точки зрения:

Из классической теории электромагнетизма хорошо известно, что сопротивление проводника падает с уменьшением температуры. Объяснить это явление можно очень просто. Электрический ток - это поток свободных электронов сквозь кристаллическую решетку металла. При высоких температурах из-за термического колебания атомов решетки увеличивается вероятность столкновения электронов с решеткой - это препятствует движению электронов и создает сопротивление току. При низких температурах, когда амплитуда колебаний атомов в решетке уменьшается, вероятность столкновения электронов с решеткой становится меньше, и ток встречает, таким образом, меньшее сопротивление. При абсолютном нуле, когда решетка уже неподвижна, сопротивление проводника равно нулю.

Нет, говорили другие ученые. Некоторое сопротивление току останется и при абсолютном нуле, поскольку и при нуле некоторые электроны будут сталкиваться с решеткой, тем более что кристаллические решетки, как правило, не являются идеальными-в них всегда есть дефекты и включения примесей.

И то и другое толкование неверно, говорили третьи. Сопротивление металлов при приближении к абсолютному нулю должно возрастать, так как в силу конденсации электронов на решетке их число при охлаждении будет непрерывно снижаться, вследствие чего электропроводность (определяемая числом свободных электронов) снижается (электропроводность - величина, обратная сопротивлению).

Действительно, до 1911 года трудно было представить себе еще какой-нибудь вариант.

Весной этого года Гейке Каммерлинг-Оннес впервые заморозил ртуть в дьюаровском сосуде, содержащем жидкий гелий. Затем он пропустил через ртуть ток и наблюдал за стрелками измерительных приборов, показывающих сопротивление, которое, как и ожидалось, постепенно снижалось по мере падения температуры. Знакомое соотношение между двумя этими параметрами сохранялось до тех пор, пока температура не достигла 4,12° по шкале Кельвина (т. е. 4,12° выше абсолютного нуля). Внезапно электрическое сопротивление ртути исчезло; не осталось даже остаточного сопротивления, обусловленного столкновениями электронов с дефектами и примесями решетки.

Оннес повторил эксперимент - он взял очень загрязненную ртуть, у которой остаточное сопротивление должно было быть достаточно ясно выражено. Однако при той же самой температуре 4,12°К сопротивление ртути так же внезапно пропало. Для того чтобы все-таки измерить это сопротивление, Оннес решил видоизменить опыт. Как увеличить сопротивление столбика ртути - довести его до такой величины, которая бы была зарегистрирована приборами? Очевидно, нужно увеличить длину столбика и уменьшить его сечение. Оннес так и сделал - он изготовил столбик ртути толщиной меньше человеческого волоса и длиной 20 сантиметров. Измерив сопротивление, Оннес поразился - стрелки прибора не сдвинулись с места. Нуль.

Еще попытка, с еще большей точностью измерений. Оннес изготовляет из ртути кольцо и подвешивает его горизонтально на тонкой нити. Если в этом кольце навести ток (это легко сделать, например, выключив находящийся поблизости электромагнит), нить закрутится на некоторый угол. Этот угол можно измерять с чрезвычайно высокой точностью, укрепив на нити зеркальце и прослеживая положение "зайчика". Если в кольце существует какое-то сопротивление, ток в кольце, как известно, будет постепенно затухать. Это приведет к ослаблению закручивания нити, и "зайчик" переместится с прежнего места. Оннес проделывает этот эксперимент. "Зайчик" не трогается с места: нуль.

Оннес понимает всю ответственность, которая ляжет на него, когда он объявит, что сопротивление было равно нулю, и много раз повторяет измерения, все время повышая их точность.

Опять нуль.

Сверхпроводимость открыта.

Будучи ученым-практиком, Оннес тут же находит сверхпроводимости применение и решает построить вечный электромагнит на 100 тысяч эрстед, не потребляющий энергии. Поскольку, рассуждал Оннес, сопротивление сверхпроводника равно нулю, ток в сверхпроводящем кольце может циркулировать без потерь бесконечно долго. Всякий ток, как известно, создает магнитное поле. Так почему бы не создать из сверхпроводящей проволоки мощный электромагнит, не потребляющий энергии? Создание такого магнита могло бы означать целую революцию в электротехнике. Человечество избавилось бы от бесполезной растраты миллионов киловатт, гибнущих напрасно не только в обмотках магнитов, но и в обмотках электрических машин и трансформаторов. Наконец, можно было бы передавать электроэнергию без потерь на большие расстояния по сверхпроводящим линиям передач.

К сожалению, мечте Оннеса о сверхпроводящем соленоиде на 100 тысяч эрстед не суждено было сбыться, по крайней мере, при его жизни. Как только Оннес пробовал пропустить по сверхпроводнику мало-мальски значительный ток, сверхпроводимость исчезала. Ток, обусловленный сверхпроводимостью, уничтожал сверхпроводимость. Вскоре оказалось, что и слабое магнитное поле, самое большое - тысяча - полторы тысячи эрстед, также уничтожает сверхпроводимость. Поскольку такие поля можно значительно проще получить с помощью обычных постоянных магнитов, с тех пор разработкой сверхпроводящих магнитов в больших масштабах никто серьезно не занимался. Эти довольно печальные открытия сделали с того времени самые разговоры о сверхпроводящих магнитах беспредметными.

Надежды на построение мощных сверхпроводящих магнитов заново возникли в начале 1930-х годов, когда Ван де-Хааз и Д. Вугд, наследники Оннеса по лейденской кафедре (Оннес умер в 1924 году, до практической реализации своего открытия), установили, что сплав свинца с висмутом остается сверхпроводящим в полях, превышающих 20 000 эрстед. Это открытие давало возможность создания сверхпроводящих магнитов с полями по крайней мере до 20 000 эрстед. Однако эти магниты так никто строить и не стал, так как известный физик В. Кеезом нашел, что максимальные токи, которые при наличии магнитного поля выключают сверхпроводимость в этом сплаве, ничтожно

Здесь произошло, может быть, самое драматическое в истории сверхпроводимости событие. Кеезом сделал то, что не имел права делать - он экстраполировал данные, полученные им в слабых полях, на область сильных полей. На основании этой экстраполяции Кеезом установил, что в сильных полях сверхпроводимость будет выключаться столь мизерным током, что о сверхпроводящих магнитах не может быть и речи. К несчастью, Кеезом был слишком авторитетен. Едва узнав о его результатах, физики отложили работы по сверхпроводящим магнитам и занялись другими делами. Между тем сейчас известно, что критический ток сплава свинца с висмутом в полях до 20000 эрстед достаточно высок для того, чтобы было можно на основе этого сплава создать мощные и высокоэкономичные сверхпроводящие магниты.

Академик П. Л. Капица

Ошибка в вычислениях Кеезома и доверчивость физиков стоила технике очень дорого - более чем на двадцать лет задержалось развитие чрезвычайно перспективной области. Эту задержку трудно переоценить, особенно если принять во внимание то исключительно бурное развитие, которое переживает область сверхпроводниковой техцики с 1961 года.

В 1961 году Кунцлер и его сотрудники в лаборатории американской фирмы "Белл Телефон" объявили, что кусочек проволоки из станнида ниобия оставался сверхпроводящим в поле 88 000 эрстед при одновременном протекании по этой проволоке тока плотностью 1000 ^а/_мм² (плотность тока в обычных электротехнических устройствах не достигает обычно и 10 ^а/_мм²). Существование сильных критических полей у соединений типа станнида ниобия было предсказано советским физиком А. А. Абрикосовым еще в 1956 году. (Его труд отмечен Ленинской премией).

С 1961 года началось чрезвычайно бурное развитие в области сверхпроводящих магнитов - достаточно сказать, что их максимальное магнитное поле возросло с 1961 по 1964 год более чем в 30 раз. Вот почему многие говорят, что в 1961 году сверхпроводимость была открыта во второй раз.

Ртуть и некоторые другие металлы, на которые натолкнулся Оннес сразу после открытия сверхпроводимости, принадлежат по современной классификации к так называемым сверхпроводникам 1-го рода. Остановимся вкратце на некоторых свойствах этих сверхпроводников.

Сопротивление всех сверхпроводников постоянному неизменяющемуся во времени току равно нулю. Результаты прямых измерений говорят о том, что оно меньше сопротивления в нормальном состоянии по крайней мере в 1023 раз.

Иногда спрашивают: неужели сопротивление сверхпроводника действительно равно нулю? Может быть, оно просто очень мало, и мы не замечаем его лишь потому, что не обладаем совершенной измерительной техникой?

Ответ на этот вопрос попытался дать американский ученый С. Коллинс. В марте 1954 года он возбудил ток в сверхпроводящем свинцовом кольце и наблюдал за величиной этого тока. Если сопротивление, хотя бы ничтожное, есть, то ток все время будет уменьшаться, "затухать". Например, для уменьшения практически до нуля тока в серебряном кольце потребуется всего лишь несколько десятых долей секунды. Как же затухал ток в кольце Коллинса? Измерения, произведенные в сентябре 1956 года, показали, что в кольце Коллинса ток абсолютно не изменился! Аналогичный опыт был произведен с соленоидом из сверхпроводника 2-го рода. Однако физики-теоретики, обсуждавшие результаты этого опыта, считают его неточным. По их расчетам, ток даже в сверхпроводящем кольце должен в конце концов затухнуть. Правда, через... 1092лет. Это время в миллиарды миллиардов раз превышает время существования нашей галактики.

Опыт Коллинса говорит о полном отсутствии сопротивления. Обычные, несверхпроводящие металлы, лучшие известные сейчас проводники электричества, такие, как серебро и медь, обладают по сравнению со сверхпроводниками прямо-таки чудовищным сопротивлением! Их можно даже использовать в качестве электрической изоляции для сверхпроводников. Для примера можно указать, что одним из распространенных изоляционных материалов, употребляемых в современных крупных сверхпроводящих соленоидах, является... медь.

Если первое основное свойство сверхпроводников - отсутствие сопротивления - было открыто в 1911 году, то второе важнейшее свойство - лишь спустя 22 года. В 1933 году немецкие физики В. Мейсснер и Р. Оксенфельд открыли, что некоторые сверхпроводники - абсолютные диамагнетики. Что это означает? Мы, например, постоянно находимся в магнитном поле Земли Силовыми линиями этого поля пронизываются все минералы,' вещества, предметы и существа Земли. Если на пути силовых линий попадется какой-нибудь ферромагнетик - кусок железа например, то в этом куске магнитные линии сгущаются. Если же на пути силовых линий встретится сверхпроводник, магнитные линии будут обходить его. Создается разрежение, "вакуум" силовых линий. Другими словами, внутренняя область сверхпроводника идеально экранирована от внешних магнитных полей (эффект Мейсснера - Оксенфельда). Этим свойством сверхпроводников можно воспользоваться, например, для того чтобы придать силовым линиям магнитного поля заданную конфигурацию-поле будет обходить сверхпроводник.

Это обстоятельство позволило найти сверхпроводникам и сверхпроводящим магнитам чрезвычайно интересную область применения. Однако перед тем как говорить о ней, обратимся к... Джонатану Свифту.

"...Я немного прошелся между скалами: небо было совершенно ясно, и солнце жгло так сильно, что я принужден был отвернуться от него. Вдруг стало темно, но совсем не так, как от облака, когда оно закрывает солнце. Я оглянулся назад и увидел в воздухе большое непрозрачное тело, заслонявшее солнце и двигавшееся по направлению к острову... По мере приближения ко мне этого тела оно стало мне казаться твердым; основание же его было плоско, гладко и ярко сверкало, отражая освещенную солнцем поверхность моря..."

То, что увидел Лемюэль Гулливер, "сначала хирург, а потом капитан нескольких кораблей", было летающим островом, державшимся на воздухе так: в острове на алмазных опорах был установлен магнит, который, отталкиваясь от некоего минерала,, находящегося в толще Земли, создавал подъемную силу, уравновешивающую вес острова.

Вряд ли Свифт мог предположить, что через двести лет московский физик В. К. Аркадьев воплотит эту "безумную" идею почти в том же виде (но, конечно, не в том масштабе), как она описана Свифтом. Небольшой магнит (0,4*0,4*1 см) висел без какой-либо поддержки над свинцовой пластиной. Этот опыт был проведен при температуре жидкого гелия (4,2°К), а свинцовая пластина была сверхпроводящей.

Этот опыт, получивший впоследствии название "Магометова гроба" (по преданию, гроб с телом пророка Магомета висел в пространстве без каких-либо опор), изящно демонстрирует идеальный диамагнетизм сверхпроводников.

Почему же магнит не падает на поверхность свинца? При падении магнита магнитное поле в поверхностном слое площадки, на которую он падает, изменяется. А как известно, при изменении магнитного поля в любом проводнике (в том числе и сверхпроводнике) наводятся вихревые токи (токи Фуко). Обычно эти токи быстро гасятся за счет электрического сопротивления материала. Сверхпроводник обладает нулевым сопротивлением, и поэтому наведенные токи могут циркулировать в нем бесконечно долго. Эти вихревые токи создают магнитное поле, препятствующее проникновению внешнего поля внутрь проводника. Диамагнетизм сверхпроводников - это поверхностный эффект, распространяющийся на глубину порядка 0,001 миллиметра. Поверхность сверхпроводника превращается в своеобразное "магнитное зеркало", отражающее силовые линии внешнего магнитного поля. Можно считать, что и оригинал - падающий магнит и отражение его в "магнитном зеркале" обладают абсолютно идентичными магнитными полями. Под тем местом, где у оригинала находится северный полюс, возникает отражение северного полюса. Эти полюса отталкиваются до тех пор, пока не устанавливается равновесие: сила отталкивания магнита и его изображения становится равной весу магнита.

Принцип "магнитного зеркала" может найти себе многочисленные применения. Например, в электронных микроскопах, где пучок электронов фокусируется магнитным полем, фольга из сверхпроводника позволит до такой степени повысить разрешающую способность микроскопа, что, может быть, станут различимыми отдельные атомы.

Опыт В. К. Аркадьева может быть несколько видоизменен. Магнитное поле, создаваемое катушкой из сверхпроводящей проволоки, расположенной внизу, может удерживать во взвешенном состоянии ниобиевый диск. Такие опыты в соответствии с несложными подсчетами показывают, что один квадратный сантиметр висящей поверхности в состоянии удерживать груз в 300 граммов. Этим способом уже были подвешены весьма "солидные" предметы - описывался, например, пятикилограммовый свинцовый цилиндр, парящий над сверхпроводящей обмоткой, расположенной снизу.

Возможностью подвесить тело без какого-либо контакта с другим телом сразу же заинтересовались конструкторы гироскопов. Ведь известно, что чем меньше в гироскопе трение (а оно неизбежно при контакте неподвижных и подвижных деталей), тем точнее направление оси гироскопа сохраняет свое положение в пространстве. Вообще говоря, и при магнитной подвеске трение сохранится - оно будет существовать между вращающимся элементом гироскопа и газообразным гелием, всегда находящимся в криостате. Вакуумируя пространство над жидким гелием с целью снижения трения, мы приведем к быстрому вскипанию гелия. Нужно отметить, однако, принципиальную возможность снижения температуры и давления до лямбда - точки гелия, где он переходит в модификацию гелий-II, обладающую сверхтекучестью, то есть почти полным отсутствием вязкости и, следовательно, трения. Первые сверхпроводниковые гироскопы уже построены и испытаны. Трение в них меньше, чем во всех других известных типах гироскопов.

Простейший сверхпроводниковый гироскоп

Принцип "магнитного зеркала" может быть использован и для изготовления подшипников без трения, которые позволяют валу парить в вакууме без какого-либо контакта с опорой. Многочисленные модели таких подшипников уже были построены; и испытаны. В этом отношении представляют интерес электрические машины, сделанные в одной из американских лабораторий, в которых не только подшипники работают на принципе "магнитного зеркала", но и само электромагнитное взаимодействие статора и ротора осуществляется на этом принципе. Если ротор выполнить в виде полого стаканчика из сверхпроводника, поставить этот стаканчик вверх дном и ввести внутрь стаканчика магнитик, стаканчик "всплывает" на магнитных линиях. Вставим теперь этот стаканчик в статор трехфазной электрической машины. Как известно, вращающееся магнитное поле такого статора можно эквивалентно заменить двумя вращающимися по окружности статора магнитиками, расположенными по одной оси. Каждый из этих магнитиков "отталкивает" от себя Ротор. За счет такого отталкивания, естественно, никакого вращающегося момента не создается, поскольку направление - силы отталкивания лежит через ось вращения стаканчика. Если же стаканчик сделать не круглым, а, например, шестиугольным, возникнет вращающий момент, вызывающий вращение стаканчика со скоростью вращающегося поля - с увеличением частоты питающего тока скорость вращения возрастает.

В лаборатории фирмы "Дженерал Электрик" была построена модель двигателя, работающего на этом принципе; скорость вращения его достигала 20000 ^об/_мин и ограничивалась этой цифрой лишь потому, что при большей скорости ниобиевый стаканчик мог бы быть разорван центробежными усилиями. Угловой момент ротора (весом 26 г) составлял при 20 000 ^об/_мин весьма солидную для него величину, соответствующую мощности 10 ватт. В этой машине для создания вращающегося поля использовались бегущие по статору импульсы постоянного тока или сдвинутые на некоторый угол напряжения в двух фазах.

Недостатком электрических машин подобной конструкции является сложность их механического сопряжения с устройствами, находящимися при нормальной температуре. Вал, связывающий двигатель (работающий при 4,2°К) с устройством, находящимся при комнатной температуре (300°К), вызвал бы труднопреодолимое вскипание гелия за счет теплопередачи через этот вал. Поэтому область применения подобных машин в настоящее время узка. Это - привод низкотемпературных устройств, насосов, а также высокоточных гироскопов, описывающихся выше.

Мы только что говорили о небольших сверхпроводящих магнитах, с помощью "отражения" которых в сверхпроводящих пластинах можно осуществить несколько очень интересных идей, в том числе магнитную подвеску.

Однако сверхпроводящие магниты нашли свое истинное "призвание" в крупных установках, в которых необходимо создавать сильное магнитное поле в значительном рабочем объеме. О них мы поговорим ниже.

В последнее время много говорят о магнитогидродинамических генераторах.

А сколько лет магнитогидродинамическим генераторам? Одни скажут: "Два", другие: "Пять!", а некоторые: "Двадцать!" На самом же деле магнитогидродинамическим, или МГД-генераторам многие тысячи лет. Они существуют, во всяком случае, с тех пор как Земля обзавелась магнитным полем.

Первым человеком, который это понял, был Майкл Фарадей. Кокни, спешившие на работу через один из лондонских мостов осенним днем 1831 года, могли видеть, как мужчина лет сорока погружал в воду Темзы две металлические пластинки, подсоединенные к какому-то прибору. Мужчина хмурился и что-то раздраженно говорил своим помощникам.

Кокни, может быть, и не подозревали, что на их глазах проводился один из неудачных опытов великого Фарадея. Что же хотел замерить профессор Фарадей?

Он рассуждал так: река Темза течет с запада на восток; часть силовых линий магнитного поля Земли проходит сверху вниз; в воде всегда растворены какие-нибудь соли, делающие воду проводником электричества. Очевидно, всегда можно найти такие струи воды, движущиеся в магнитном поле Земли, которые можно уподобить проводникам, пересекающим магнитное поле. На концах таких проводников, как известно, должна возникать разность электрических потенциалов.

Фарадей решил завершить этот гигантский эксперимент, поставленный природой. К сожалению, приборы Фарадея не обладали достаточной чувствительностью для того, чтобы замерить напряжение этого природного МГД-генератора. Эксперимент был неудачным. Тем не менее 1831 год можно с полным основанием назвать годом рождения МГД-генераторов. Точнее- годом открытия его человеком.

К сожалению, этот генератор не работал. Но что за чудо? Через несколько лет лорд Кельвин в точности повторяет опыт Фарадея и получает небольшую электродвижущую силу. В чем дело? Казалось бы, все осталось, как у Фарадея,- те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются со свинцовой соленой водой пролива...

Вот она, разгадка! Вода ниже по течению оказалась более соленой и, следовательно, обладала большей проводимостью! Это сразу же было зарегистрировано приборами.

Увеличить мощность магнитогидродинамического генератора можно было бы и другим способом - увеличивая магнитное поле.

Оказалось, что мощность магнитогидродинамического генератора прямо пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.

Однако ни Фарадей, ни Кельвин не могли этим воспользоваться - напряженность земного магнитного поля для данной местности постоянна и составляет примерно пол-эрстеда.

Принцип современных МГД-генераторов остался тем же: в проводящей среде, движущейся между полюсами магнита, наводится электродвижущая сила. Но в качестве проводящей среды в современных МГД-генераторах используется не подсоленная речная вода, а четиертое состояние вещества - плазма с температурой 1500-2500°С.

Сейчас проблема прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, минуя механическую (турбина в обычном турбоагрегате), МГД-методом поставлена в ряд важнейших, Это и понятно: коэффициент полезного действия МГД-электростанций может достигать 70%, в то время как к.п.д. обычной тепловой электростанции принципиально не может превышать 40%. Это означает, что при том же расходе топлива можно будет получать почти в два раза больше электроэнергии!

Форма некоторых галактик напоминает форму силовых линий брускового магнита

Совсем недавно мир узнал о пуске первой советской энергетической установки с МГД-генератором. В установке, названной "У-02", находящейся в центре Москвы, за кинотеатром "Ударник", впервые в Советском Союзе была получена из загадочной плазмы столь привычная для нас электрическая энергия. А через пару лет вступит в строй МГД-установка "У-25". Ее мощность будет уже 25 000 киловатт - мощность, достаточная для целого города.

И это было бы так, если бы не одно обстоятельство - чтобы генератор был экономичным и небольшим по размерам, нужно увеличивать напряженность магнитного поля магнита. При 50 000 эрстед мощность фарадеевского генератора возросла бы в (⁵⁰⁰⁰⁰/_0,5)² = 10¹⁰ раз, то есть в десять миллиардов раз! Однако получить магнитное поле напряженностью 50 000 эрстед не так-то просто. Нужно затрачивать мощность, причем очень значительную. Вот и получается, что на самом деле к.п.д. МГД-электростанции будет значительно ниже за счет того, что сам МГД-генератор потребляет некоторую мощность на питание магнита, создающего необходимое для работы магнитное поле. Расчеты показывают, что для МГД-электростанций мощностью 25 000 киловатт мощность, потребляемая магнитом без сердечника, составляет 20 000 киловатт. Мощность, потребляемая магнитом с сердечником, будет ниже, но затраты материалов возрастут до 150 килограммов на киловатт против 1-5 килограммов на киловатт у обычных турбогенераторов.

Мощность, потребляемая электромагнитом МГД-электростанции мощностью 500000 киловатт, составит примерно 60000 киловатт. Такое большое потребление энергии на собственные нужды неприемлемо. По-видимому, МГД-генераторы станут экономичны только тогда, когда их магнитные системы будут сверхпроводниковыми.

Можно ли использовать сверхпроводники, работающие обычно при 4,2 º К, в устройстве с раскаленным газом, имеющим температуру 2500°К? Реально ли это?

Вполне. Современные типы изоляции позволяют разделять 2500°К и 4°К стенкой толщиной всего 1,5-2 сантиметра.

Представим себе теперь, как могла бы выглядеть сверхпроводящая магнитная система МГД-генератора. Две сверхпроводящие обмотки располагаются по бокам канала с плазмой, отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать, эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть друг к другу. Эти силы довольно велики - например, в поле 50 000 эрстед элементы конструкции будут находиться под давлением 100 атмосфер.

Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепла не выделяется, рефрижератор, который потребуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен будет отводить лишь то тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию криостата и токоподводы. Потери за счет токоподводов можно свести практически к нулю, если использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые с помощью сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.

Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося за счет теплопритоков через изоляцию, должен по расчетам вырабатывать в час 5-10 литров жидкого гелия. Такие ожижители выпускаются промышленностью и занимают комнату средних размеров.

В конце 1962 года американские ученые, наблюдавшие за своим спутником "Ариэль", внезапно заметили, что все признаки, говорившие о его существовании, вдруг пропали, когда он проходил через определенную область орбиты.

Через несколько дней спутник "Транзит-IV", проходя через ту же область орбиты, прервал передачи, как говорится, на полуслове.

Еще через несколько дней такая же участь постигла спутник Трейэк.

При расследовании причин всех этих загадочных космических аварий выяснилось следующее.

В результате взрыва американского ядерного устройства "Старфиш" мощностью в полторы мегатонны на высоте 400 километров над островом Джонстона 9 июля 1962 года возник искусственный радиационный пояс, представляющий серьезную угрозу для космонавтов, совершающих орбитальные полеты вокруг Земли. В сердцевине пояса часовая доза радиации в 500 раз превышает смертельную дозу для человека. Мощные потоки электронов, возникшие при этом ядерном взрыве, вызывают порчу электронных систем искусственных спутников. Исследования с помощью "пластинавтов" (то есть манекенов космонавтов из пластмассы, имитирующей человеческую ткань), в теле которых запрятаны дозиметрические приборы для измерения интенсивности излучения в области мозга, сердца, легких и других органов космонавта, показали, что этот пояс представляет смертельную опасность для космонавтов.

На высоте полутора тысяч километров над земной поверхностью начинаются естественные радиационные пояса Земли. Протоны этих поясов обладают колоссальными энергиями (порядка сотен миллионов электрон-вольт) и при достаточной длительности полета могут угрожать здоровью членов экипажа космического корабля и исправности приборов, поскольку интенсивность излучения превышает здесь земные нормы более чем в 20 000 раз.

Однако и после того как радиационные пояса будут пройдены, космонавты, путешествие которых будет длиться месяцами, не смогут чувствовать себя в безопасности главным образом из-за хромосферных вспышек Солнца, во время которых в громадных количествах генерируются протоны с энергиями выше 100 миллионов электрон-вольт. В годы повышенной солнечной активности (цикл активности Солнца составляет 11 лет) на Солнце наблюдается более 3000 вспышек. 15% этих вспышек - грандиозного масштаба. Сейчас считают, что во время каждой вспышки Солнце посылает потоки плазмы в каком-то направлении. Примерно 4% этих потоков достигает орбиты Земли. Кроме обычных вспышек, на Солнце раз в три месяца происходят грандиозные релятивистские вспышки, во время которых выбрасываются мощные потоки протонов с энергией в несколько миллиардов электрон-вольт.

Плотность частиц на орбите Земли составляет примерно 10⁸ частиц на кубический сантиметр. Эти частицы в большинстве своем не достигают поверхности Земли, поскольку она экранирована магнитным полем. Любая заряженная частица, попав в это магнитное поле, искривляет свою траекторию и как бы навивается на магнитные силовые линии. Вследствие этого заряженные частицы начинают вращаться вокруг Земли.

Было бы очень заманчиво осуществить такой же метод защиты и на космическом корабле. В принципе построить магнит обычной конструкции с диаметром рабочей зоны, равной диаметру корабля, можно. Однако для обслуживания обычного медного соленоида таких размеров потребуется везти на борту солидную электростанцию, насосное хозяйство. Отвод тепла от магнита будет очень сложной проблемой из-за низкой теплопроводности космической среды. Ясно, что обычные электромагниты для защиты от радиации в космосе неприменимы.

Сверхпроводящие системы защиты от радиации обладают ценными свойствами. Изготовление сверхпроводящего соленоида больших размеров возможно уже в настоящее время. Несмотря на большую стоимость, определяемую в основном стоимостью сверхпроводника (1 килограмм сплава ниобия с цирконием стоит 1000 долларов), сверхпроводящий экран имеет большие преимущества перед другими типами экранов, так как он будет мало весить и потреблять ничтожную мощность на охлаждение (в условиях космического холода требования к холодильным установкам резко снижаются, поскольку теплоприток извне за счет низкой температуры межпланетной среды - несколько градусов выше абсолютного нуля - очень мал). Теплоприток будет велик лишь с той стороны криостата, которая нагревается солнечными лучами. Чтобы в криостате не происходило напрасного испарения жидкого гелия за счет солнечного тепла, сейчас разрабатываются космические "зонтики", отражающие солнечные лучи и не дающие кораблю нагреваться. Эти "зонтики" надуваются гелием и растягиваются на специальных рамах: "зонтики" изготовляются из многослойного майлара, покрытого алюминиевой пленкой.

В качестве конструкционного оформления сверхпроводящей обмотки предложены: полый тороид (Леви), многовитковый соленоид (Браун), несколько тороидальных соленоидов (Дау). Пока идет спор о лучшей конструкции, в лаборатории фирмы "Локхид" изготовлен многовитковый сверхпроводящий соленоид тороидального типа диаметром 1,8 метра для защиты орбитальных космических кораблей. Этот соленоид, созданный с целью исследования эффективности сверхпроводниковой защиты, может защищать от частиц с энергией в сотни миллионов электрон-вольт объем в несколько кубических метров.

Этот соленоид, один из крупнейших в мире, создает на внутренней поверхности катушки поле в 15 000 эрстед. Вес соленоида вместе с криостатом и системой охлаждения 85 килограммов. Охлаждение системы обеспечивается запасом жидкого гелия, достаточным для ее работы в условиях невесомости в течение 5-10 дней. В земных условиях, а также на участке вывода на орбиту время работы системы уменьшается за счет того, что многослойная теплоизоляция криостата сдавливается под действием веса обмотки и ее тепловое сопротивление снижается. Этот наиболее крупный (по диаметру) из построенных сверхпроводящих соленоидов имеет поле в центре, равное 1000 эрстед.

При расчете защитной системы используется понятие о так называемом стормеровском радиусе. Он введен физиком Стормером при исследовании им природы полярных сияний. Стормеровский радиус определяет размеры зоны, в которую не попадает ни одна заряженная частица с данной энергией.

Для того чтобы эффективно защищать объем 144 кубических метра от протонов с энергией ниже 1 миллиарда электрон-вольт при стормеровском радиусе 10 метров, необходимо, чтобы полный вес системы составлял около 150 тонн. Сюда входит вес несущей конструкции, сверхпроводящей обмотки и криогенного оборудования.

Более ⁹/₁₀ веса магнитного экрана занимает вес несущей конструкции, служащей для предотвращения разрыва соленоида от электродинамических усилий. Эти усилия весьма велики- в поле 500 эрстед магнитное давление составляет 1 атмосферу, а при 100 000 эрстед - 400 атмосфер.

Другие варианты экранов, например алюминиевый щит, гораздо тяжелее (более чем в три раза) и обладают тем недостатком, что в них при бомбардировке частицами высоких энергий могут образовываться вторичные нейтроны, которые вносят существенный вклад в результирующую радиацию за массивным экраном и стенками корабля. И видимо, значительно менее надежной будет индивидуальная защита от радиации, представляющая собой двойные скафандры, пространство между которыми заполняется питьевой водой, задерживающей частицы.

Тяга, развиваемая современными ракетными двигателями, измеряется тысячами тонн. У крупнейшей американской ракеты "Сатурн-V", которую американцы намереваются использовать для полета на Луну, тяга составляет 3 400 000 килограммов. Такая тяга позволит ракете преодолевать силы земного притяжения (или притяжения других планет). Однако тогда, когда ракета выходит из сферы действия сильных гравитационных полей, такая тяга уже не нужна. Здесь, поскольку сопротивление среды ничтожно, можно использовать для ускорения ракеты гораздо меньшую тягу двигателя, скажем в несколько граммов. Оборудование ракеты двигателем с такой тягой позволило бы сократить стартовый вес ракеты примерно в 10 раз.

Впервые такие плазменные двигатели были использованы на советской межпланетной станции "Зонд-2". Называются они магнитогидродинамическими. Недаром слово "магнит" поставлено в этом термине на первом месте. Все то, что сказано о сверхпроводящих соленоидах системы защиты от радиации, в полной мере применимо к магнитам МГД-двигателей. Только сверхпроводящий магнит даст возможность сделать МГД-двигатели мощными, легкими и экономичными.

В путешествии к звездам скорости МГД-двигателей, да и любых других известных сейчас двигателей окажутся, по-видимому, недостаточными. Кому интересно провести жизнь на космическом корабле и знать, например, что пройдена лишь десятая часть пути? Да и пославшим такой корабль людям тысячелетнее ожидание может показаться несколько утомительным. Идея "фотонной" ракеты, летящей со скоростью, близкой к скорости света, и использование "парадокса времени", при котором год, проведенный людьми на ракете, будет соответствовать, скажем, ста годам землян, является, по-видимому, единственным выходом из положения для будущих путешественников к другим звездным мирам.

Немецкий физик Зенгер так представляет себе фотонную ракету: в ракете непрерывно создаются атомные частицы двух видов - электроны и позитроны. Как известно, позитрон является по отношению к электрону античастицей. При соприкосновении частицы и античастицы происходит взрыв, во время которого излучаются кванты света - фотоны. Отражаясь от специального зеркала, конструкция которого пока неизвестна, фотоны сообщают ракете околосветовую скорость.

Вопрос не только в конструкции зеркала. Как подать к зеркалу античастицы? Ведь любой канал будет материален, то есть сделан из обычных частиц. При транспортировке античастиц по каналу вещество канала и антивещество - позитроны придут во взаимодействие. Взрыв произойдет раньше времени!

Вот если бы удалось сделать какие-нибудь "невещественные" стенки! Тогда позитроны смогли бы беспрепятственно добраться до зеркала. Не из вещества. Может быть, из поля? Что ж, "стенки" из магнитного поля вполне осуществимы - и частицы, и античастицы "закручиваются" в магнитном поле, только в разные стороны. Следовательно, с помощью магнитных полей можно заставлять частицу двигаться в нужном направлении, не касаясь каких-либо предметов, сделанных из вещества. Самый дешевый и эффективный способ создания сильных магнитных полей - это использовать сверхпроводящие соленоиды. Сверхпроводящие соленоиды дадут возможность создать поля заданной однородности или, наоборот, неоднородности с одинаковой легкостью, и поэтому они, по всей видимости, будут широко применяться и в этой пока еще далекой от реализации, но очень важной и интересной области.

Важнейшей частью системы автоматического управления полетом космического корабля является гироскоп - прибор, в большинстве случаев состоящий из быстро вращающегося диска, насаженного на ось. Как бы ни изменилось положение космического корабля в пространстве, направление оси гироскопа не изменится. Говоря более строго, положение оси гироскопа в пространстве было бы абсолютно неизменяемым лишь в том случае, если бы в гироскопе не было трения. Наличие трения приводит к определенным погрешностям в прокладке курса корабля. Вследствие этого конструкторы всеми силами стремятся снизить трение в опорах гироскопа. В гироскопе на "магнитной подушке", основанном на идеальных диамагнитных свойствах сверхпроводников, существует реальная возможность значительно снизить трение и увеличить точность.

Большой трудностью, которая возникает при постройке сверхпроводящих гироскопов, является необходимость крайне тщательно обрабатывать вращающий сверхпроводящий шар, так как в противном случае дефекты поверхности сферы будут "захватывать" магнитный поток и вызывать дрейф нуля.

Хорошо известно, что вес (точнее масса) межпланетных станций мог бы быть значительно снижен, если бы удалось использовать при входе в атмосферы планет трение об эту атмосферу для гашения скорости. Корабль, входящий в атмосферу без торможения, сильно накалится за счет трения и разогрева атмосферы в скачке уплотнения потока. Чем больше скорость корабля, тем сильнее он разогревается.

Уменьшить разогрев корабля при входе в атмосферу планет можно с помощью магнитогидродинамических устройств. Однако МГД-устройства эффективны лишь тогда, когда температуры газов очень велики. При большой скорости корабля электропроводность плазмы за скачком уплотнения возрастает настолько, что она уже может быть использована в качестве рабочего тела МГД-устройства.

Если приложить к этой плазме магнитное поле, то плазма и корабль будут тормозиться друг относительно друга, причем потоку оказывают сопротивление не столько лобовые поверхности сколько магнитные силы. Подбирая особым образом степень взаимодействия плазмы и магнитного поля, можно добиться полного отрыва потока от тела. Это означает, что давление потока и теплопередача к телу полностью исчезают. В этих условиях силы торможения проявляются только в обмотке, создающей магнитное поле. Поскольку область, в которой можно создать магнитное поле, является довольно большой, эффективное сечение торможения тела сильно возрастает.

Таким образом, с помощью магнитной аэродинамики такого типа можно добиться более эффективного торможения, не разогревая в то же время сам корабль. Ценным является и то, что торможение можно начинать с более разреженных слоев атмосферы.

Хотя вход в атмосферу продолжается всего несколько минут, выгода использования при торможении сверхпроводников очевидна, поскольку источник мощности, необходимой для поддержания магнитного поля даже в течение этого малого времени, существенно утяжеляет корабль, а потребление электроэнергии сверхпроводящими обмотками на несколько порядков ниже, чем у обычных обмоток.

Все возрастающее число задач как космического, так и земного характера требует сейчас такой мгновенной мощности, которую можно получить лишь путем ее постепенного накапливания. Сейчас для этой цели используются чаще всего батареи конденсаторов и... динамит. Динамит, однако, может быть использован лишь там, где необходима кратковременная механическая мощность; во всех других случаях применяют конденсаторные батареи. Но батареи конденсаторов на значительную энергию очень велики по габаритам и в ряде устройств, для которых вес является решающим фактором, не могут быть применены.

Как показали исследования, наиболее подходящими для замены конденсаторов могут быть индуктивные катушки без сердечника, в которых также может запасаться очень большая энергия. В то время как в батарее конденсаторов плотность запасенной энергии составляет 0,4 мегаджоуля в кубическом метре, в индуктивных катушках эта величина больше в 100 раз. Преимущества индуктивных катушек увеличиваются с ростом запасаемой мощности.

Основной проблемой, возникающей при хранении энергии в магнитном поле, является потеря энергии в электрическом сопротивлении катушек. Так, при хранении миллиона джоулей в поле 100 килоэрстед в медной обмотке, охлаждаемой водой, будет теряться мощность 1000 киловатт. Это явно нерационально.

Экономичность хранения энергии в магнитном поле сильно возрастает при использовании сверхпроводящих обмоток. Отсутствие у сверхпроводников электрического сопротивления означает, что сверхпроводящая катушка может быть медленно заряжена от источника электроэнергии небольшой мощности. Потери, вызванные джоулевым нагреванием обмоток, полностью исчезают. Можно создать и короткозамкнутую сверхпроводящую цепь, в которой энергия сохраняется бесконечно долго. Уже сейчас испытаны сверхпроводящие магнитные "склады" энергии емкостью 2000 джоулей со скоростью разряда 0,001 секунды.

Сравнивая вес, приходящийся в таких системах на миллион джоулей запасенной энергии (вес катушки определяется в основном весом элементов, удерживающих ее от разрыва), с тем же параметром для динамита (0,24 килограмма на миллион джоулей), можно увидеть любопытную вещь: магнитный "склад" энергии всего лишь в 10 раз уступает динамиту по взрывчатой силе. Однако не в пример динамиту энергия, сохраняемая в магнитном поле, несравненно более удобна - она в любой момент может быть преобразована в электрическую, а из нее в световую, механическую, тепловую и т. д. Кроме того, скоростью высвобождения магнитной энергии можно управлять.

Все эти качества магнитных "складов" энергии обеспечат им широкое применение, в частности для питания импульсных ламп, "зажигающих" мазеры. Особенно привлекательны перспективы использования магнитных "складов" в космосе, где вакуумная среда может быть использована для теплоизоляции и где можно при соответствующем экранировании поддерживать низкие температуры, используя маломощное холодильное оборудование.

То обстоятельство, что сверхпроводниковые хранилища энергии - это устройства с сильными токами и небольшими напряжениями, также представляет большое преимущество в космосе, поскольку большинство преобразователей энергии космических кораблей - также низковольтные устройства. Это позволяет непосредственно подсоединять источник энергии к хранилищу.

Перечисленными выше устройствами, конечно, не исчерпываются возможности использования сверхпроводников в космической технике. Существуют, например, проекты соединения кораблей в космосе с помощью сверхпроводящих магнитов, проекты космических "цехов", где можно будет с помощью сверхпроводников обрабатывать металлы, проекты постройки в недрах Луны электрической распределительной сети, целиком составленной из сверхпроводящих элементов. Нужно, однако, отметить, что все эти проекты находятся пока еще в стадии предварительного изучения.

Особенно интересны перспективы применения магнитов, как сверхпроводящих, так и обычных, связанные с проблемой невесомости. Известно, что для создания ускорения, отличного от нулевого, в космосе достаточно самого слабого усилия. Притяжения сильного магнита хватит для того, чтобы направить, например, аэробуксир к орбитальной космической лаборатории; изменяя ток в обмотке магнита и меняя его направление, можно добиться довольно удобного регулирования скорости и мягкого "причаливания".

Среди интенсивно разрабатывающихся проблем - проблема ориентации в условиях невесомости на космическом корабле.

Наиболее простым методом создания искусственной тяжести служит использование магнитной обуви, то есть обуви, в которой размещен небольшой магнит, притягивающийся к стальным элементам корабля или орбитальной космической лаборатории.

Благодаря такому приспособлению космонавт может легко привязаться к любой поверхности корабля и при работе с какими-либо инструментами не будет лететь в обратном направлении, повинуясь неумолимому третьему закону Ньютона - действие равно противодействию.

Не исключено, что сверхпроводники окажутся в высшей степени ценными и в этой области, так же как и во многих других. Впереди, конечно, еще много трудностей - много есть работы и для физиков, и для инженеров. Одна из главных трудностей - это необходимость изолировать сверхпроводники в специальных дьюаровских сосудах или криостатах и содержать их при сверхнизкой температуре - температуре кипения жидкого гелия, которая достигается и поддерживается с известными затратами энергии.

К сожалению, жидкий гелий является пока единственным хладоагентом, с помощью которого можно было бы получать сверхнизкие температуры. Несмотря на то что ученые не оставляют надежды получить сверхпроводники, не теряющие сверхпроводимости при более высоких температурах, например комнатной, пока, к сожалению, исследователям приходится иметь дело с жидким гелием.

До самого последнего времени получение жидкого гелия представляло чрезвычайную техническую проблему. Гелиевые ожижители имелись в ограниченном числе стран и ограниченном числе научных центров.

Сейчас положение в корне изменилось. Многочисленные работы, проведенные в Советском Союзе и за рубежом (здесь следует особо отметить работы советского академика П. Л. Капицы, который изобрел новый высокоэффективный тип гелиевого ожижителя, не требующего предварительного охлаждения гелия другими ожиженными газами), привели к тому, что холодильная техника стала развиваться весьма бурными темпами и создание гелиевых ожижителей встало на промышленные рельсы.

Несколько заводов освоили массовый выпуск ожижителей.

Некоторые заводы освоили выпуск ожижителей с производительностью 100-200 литров жидкого гелия в час. Этого количества гелия было бы уже достаточно для обеспечения работы сверхпроводящих систем возбуждения очень мощных электротехнических устройств.

Говоря о производительности гелиевых ожижителей, следует иметь в виду, что она дается в расчете на то, что жидкий гелий отпускается "навынос" и не возвращается в ожижитель.

В тех случаях, когда используется замкнутый, рефрижераторный цикл, когда отработанный, испарившийся (но еще очень холодный) гелий вновь поступает в рефрижератор, производительность последнего возрастает в 3-7 раз.

Для экспериментов небольшого масштаба и охлаждения специальных устройств (например, космических) разработаны рефрижераторы меньшего масштаба. В литературе сообщалось о создании рефрижератора с замкнутым циклом холодопроизводительностью 25 ватт (в замкнутом цикле это соответствует производительности, равной примерно 12 литрам жидкого гелия в час), который весит всего лишь 36 килограммов. Описана также небольшая установка весом 12 килограммов, обладающая холодопроизводительностью 0,5 ватта. Эта установка потребляет полтора киловатта мощности. Несмотря на свою миниатюрность, установка может, например, быть использована для обеспечения работы сверхпроводниковой электронно-вычислительной машины с пятью тысячами самых маленьких соленоидов - криотронов.

С необходимостью изолировать сверхпроводники в специальных дьюарах с жидким гелием инженеры, привыкшие к "комнатным" температурам, потихоньку начинают свыкаться. Член-корреспондент Академии наук СССР А. А. Абрикосов так суммировал эту мысль: "Для того чтобы честно служить людям, сверхпроводники не обязательно должны находиться с ними под одной крышей".