Самое загадочное явление в физике XX века

Если посмотреть на историю энергетики как на создание череды электрогенераторов, то нетрудно заметить, что год от года мощность их растет. И это понятно: чем крупнее агрегат, тем дешевле оказывается вырабатываемая им энергия. Вот простой пример: если сравнить две одинаковые по мощности тепловые электростанции, на одной из которых стоят турбогенераторы по 100 тысяч киловатт, а на другой - по 25 тысяч киловатт, то удельная стоимость первой ТЭС окажется ниже удельной стоимости второй примерно в 2,5 раза, то есть дешевле будет установленный киловатт. А ведь при расчете не приняты во внимание ни возможность увеличения производительности заводов, изготавливающих оборудование, ни ускорение темпов строительства станций...

До каких же пор возможно такое укрупнение агрегатов? Из газетных сообщений мы знаем о пуске на новых ГРЭС блоков по миллиону киловатт. Для турбогенераторов обычного типа предел уже недалек. Специалисты считают, что поднять мощность единичной машины более 2,5-3 миллионов киловатт не удастся. Слишком велика и громоздка окажется такая машина. Ее детали будет трудно изготавливать на заводах, еще труднее транспортировать к месту установки. А уж как вести монтаж такого гиганта на месте, и вовсе неизвестно. Но главное - при работе в роторах гигантских машин возникают такие центробежные усилия, что они разрывают "сердце" агрегата.

Значит ли это, что в энергомашиностроении мы выбрали все резервы? Вряд ли... Прежде чем перейти к обсуждению возможностей сегодняшней, а вернее, завтрашней электроэнергетики, давайте еще раз вернемся в прошлое.

Итак, на нашем календаре снова начало столетия. В физических лабораториях мира ученые с увлечением занимаются опытами по сжижению газов. Их интересует, при какой температуре газы переходят в жидкость. На первом этапе научных исследований движущей силой, как правило, является любознательность. Ученого вполне удовлетворяет уже то, что в случае удачи он испытывает чувство глубокого удовлетворения, поскольку именно ему удалось узнать первому то, что раньше было никому не известно.

Впрочем, в этой области было уже сделано немало. Физики все ближе и ближе подбирались к заветной температуре абсолютного нуля. Предполагалось, что при абсолютном нуле (-273 °С) все электроны в металле, например, окажутся связанными с атомами, их движение станет невозможным, и, следовательно, металлы должны перестать пропускать через себя электрический ток. Их сопротивление должно вырасти до бесконечности. Так думали все...

Можно привести еще массу причин, заставлявших ученых заниматься получением все более и более низких температур. Достаточно сказать, что холод вообще чрезвычайно широко распространен в природе. И окружающий нас космос - это не что иное, как гигантский холодильник. А узнать, как ведет себя вещество в условиях космического и более чем космического холода, разве не интересно?

Таким образом, мы вполне можем считать, что у нидерландского физика Хейке Камерлинг-Оннеса оснований добиваться получения жидкого гелия было более чем достаточно. Надо добавить, что процедура получения жидких газов - дело довольно кропотливое и утомительное. Но Камерлинг-Оннес - человек упрямый, и в результате затраченных усилий в 1908 году он первым наблюдал светлую, подвижную, чуть голубоватую жидкость, в которую после многоступенчатого охлаждения превратился гелий. Температура его кипения оказалась всего 4,2 К. По более привычной широкому читателю шкале Цельсия это будет минус 268,8°С.

Цель следующего опыта - измерение сопротивления какого-нибудь металла при достигнутой температуре. По идее по мере охлаждения сопротивление должно расти. Физики последовательно охлаждали металлы в жидком азоте до 63 К, потом до 20,5 К в кипящем водороде. Умудрились охладить еще сильнее, а сопротивление образцов все никак не начинало расти. Более того, с понижением температуры оно постепенно уменьшалось.

Камерлинг-Оннес решил взять в качестве образца чистого металла ртуть. Почему именно? Видите ли, в начале века, а дело происходило в 1911 году, получать сверхчистые металлы еще не очень-то умели. Это сейчас вы можете заказать, скажем, металлургам металл с примесью не более одного атома на миллион... А тогда ртуть, пожалуй, единственная достаточно просто освобождалась от добавок дистилляционной перегонкой и могла считаться чистой. Конечно, экспериментировать с нею нелегко. При комнатной температуре из жидкой ртути проволочку не сделаешь...

Камерлинг-Оннес налил ртуть в V-образные трубочки, соединил их сверху рогульками, тоже заполнен- дыми ртутью, и стал охлаждать. Вот металл замерз, и можно было начинать опыт.

Первую точку на графике он поставил при температуре жидкого воздуха. Вторую - при температуре жидкого водорода. Пока все шло как обычно, сопротивление замерзшей ртути постепенно, с падением температуры, уменьшалось. Когда же оно начнет повышаться? Может быть, жидкий гелий внесет какие-нибудь изменения? Ученый отправил образец в легкую голубовато-прозрачную жидкость и... Дальше произошло то, чего никто не ожидал и не предсказывал: сопротивление ртутного образца вдруг исчезло! Да, да, при температуре 4,15 К оно стремительно упало до нуля. Камерлинг-Оннес обнаружил новое, не виданное и никем из его коллег до того не представляемое явление - сверхпроводимость.

Открыл и стал знаменит! Как просто, правда? Просто, когда вся работа остается за результатом, когда на поверхности - одно открытие и награда.

Сверхпроводимость оказалась самым загадочным явлением в физике XX века. Пятьдесят лет оставалась она необъясненной. За это время в науке произошли огромные перемены: появились. квантовая механика и ядерная физика, ученые открыли нейтрон, анти- и другие частицы, была создана теория относительности, обнаружено красное смещение и разбегание галактик, осуществлены ядерная и термоядерная реакция, запущены искусственные спутники Земли. Люди поняли и сумели объяснить тысячи непонятных до того явлений, в самых различных областях науки, а сверхпроводимость все еще продолжала оставаться загадкой, А уж ее ли не пытались разгадать!.. .

Прежде ; всего следовало выяснить, только ли ; ртути присуще явление сверхпроводимости, или другие, чистые металлы тоже им обладают? Камерлинг-Оннес испытал свинец и выяснил, что он тоже сверхпроводник, Потом список сверхпроводников сильно расширился, и исследователи перешли к сплавам и соединениям. Тут их ждали еще большие неожиданности. Возьмите, к примеру, ниобий. У этого металла сверхпроводимость начинается при охлаждении примерно до 9 К. А у соединения ниобия с азотом, материала куда хуже проводящего электрический ток, чем чистый металл, явление сверхпроводимости начинается гораздо раньше - примерно с 15 К.

Сегодня механизм сверхпроводимости тоже еще не до конца ясен. Во всяком случае,, его изучение и в физике, и в технике занимает весьма видное место. Техническое применение явления сулит невероятные блага, но нужно найти сверхпроводники, существующие при нормальных температурах.

В 1973 году было обнаружено, что соединение ниобия с германием имеет критическую температуру, равную примерно 23 К. При этом соединение переходит в состояние сверхпроводника. Это весьма воодушевило исследователей. К сожалению, с тех пор сверхпроводники с более высокими значениями критической температуры получены больше не были. Вроде бы теория никаких принципиальных возражений против существования сверхпроводников и при обычной комнатной температуре не высказывает, а получить их не могут. Правда, некоторые видные физики-теоретики оптимистично предсказывают, что уж к 2001 году высокотемпературные сверхпроводники непременно будут созданы^*.

^* ( См.: Гинзбург В. J1. О перспективах развития физики и астрофизики в конце XX века. - В кн.: Физика XX века. Развитие и перспективы. М., 1984, с. 288-289. )

Пока теоретики заняты прогнозами, инженеры пытаются приспособить уже имеющиеся материалы для прикладных целей. Так, еще несколько десятилетий назад возникла мысль о создании электрического генератора со сверхпроводящими обмотками: что из того, что нет пока высокотемпературных сверхпроводников? Нужно строить генераторы с охлаждением. Действительно, если охладить обмотки, выполненные из "обычного" сверхпроводящего материала, жидким гелием, то они должны потерять сопротивление. А это означает повышение мощности. Криогенный генератор той же мощности, что и обычный, можно будет существенно уменьшить в размерах. Значит, предел, почти достигнутый сегодня для обычных генераторов, по мощности отодвинется. Коэффициент полезного действия такой машины возрастет, и стоимость вырабатываемой электроэнергии уменьшится. Расчеты показывают, что криогенераторы позволят поднять предел мощности для единичной машины почти вдвое.

Эксперименты в области применения сверхнизких температур во Всесоюзном научно-исследовательском институте электромашиностроения начались еще в 1962 году. Сначала был построен двигатель постоянного тока мощностью всего 3 кВт. Потом - модельный криотурбогенератор на 18 кВт. В конце 70-х годов на испытательный стенд встал экспериментальный криотурбогенератор мощностью 1200 кВт с самым большим в мире вращающимся криостатом. А в начале 1983 года специалисты института готовили под промышленную нагрузку криогенный генератор мощностью 20 тысяч кВт. Это была самая крупная машина среди аналогичных генераторов. Руководил коллективом академик И. А. Глебов.

Несмотря на то что принцип получения электрической энергии со времен Фарадея остался неизменным, современный генератор - это довольно сложная машина. Но криогенный генератор - сложен вдвойне. Голубой цилиндр соединен трубопроводами, шлангами и проводами со вспомогательной аппаратурой. Стоит на испытательном стенде ВНИИэлектромаша. Что в нем особенного, необычного? Прежде всего, ротор криогенного генератора по конструкции напоминает скорее стальной сосуд-криостат. В него непрерывно на ходу подается жидкий гелий. Медные шины обмотки пронизывают тысячи тончайших нитей-проводников из сверхпроводящего сплава. Они-то и обеспечивают основные преимущества новой машины. Вакуумные камеры-изоляторы сохраняют холод в генераторе. Испаряясь, гелий поступает в компрессор. Снова сжижается и возвращается в машину по замкнутому циклу. Обмотки статора охлаждаются жидким фреоном. Эта жидкость нам известна по бытовым холодильникам. Фреон одновременно выполняет и роль изолятора.

Обращает внимание то, что вокруг генератора много вспомогательной аппаратуры: тут резервуары с гелием и вакуумные насосы, компрессор и теплообменный агрегат - охладитель фреона... Неудивительно, что над созданием этой уникальной машины трудились коллективы не одного производственного объединения. Вместе с "Электросилой", Ижорским заводом и заводом "Красный выборжец" в создании всего комплекса криогенератора принимали участие московское научно- производственное объединение "Гелиймаш", ВНИИхолодмаш и другие организации^*.

^* (См.: Герасимов В. К энергогигантам будущего. - Правда, 1983, 1 февраля. )

Очень сложна новая современная техника. Порою закрадывается сомнение: а не понижается ли со сложностью конструкции и надежность? Специалисты уверяют: нет! Не снижается! Потому что одновременно растет совершенство технологии изготовления, улучшаются материалы, повышается качество. Конечно, сложность не украшение. Но за получаемый выигрыш по мощности приходится чем-то расплачиваться. И чаще всего эта плата выражается в усложнении либо технологии производства, либо конструкции. Но люди быстро привыкают к новому. Даже чудо, повторенное дважды, перестает быть чудом.

Столь новыми и необычными для электромашиностроения работами занимаются в Ленинграде. На Дворцовой набережной, неподалеку от Дома ученых, расположившегося в бывшем Ново-Михайловском дворце, стоит дом, сооруженный более ста лет тому назад архитектором А. И. Штакеншнейдером. Сегодня в нем и располагается Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения. Конечно, разместить современный НИИ в помещении старого дома - задача трудновыполнимая. Здесь, на набережной, находится лишь административная часть института. Производственная же база - лаборатории, конструкторские бюро, испытательные стенды - все это размещено по соседству с "Электросилой". , .

ВНИИэлектромаш - организация сравнительно молодая. Ветераны считают годом ее рождения 1950-й. Именно тогда, всего через пять лет после окончания Великой Отечественной войны, Президиум АН СССР принял решение об организации в Ленинграде первой лаборатории автоматики^*. Несмотря на огромный ущерб, нанесенный народному хозяйству войной, Советский Союз примерно за 2,5 года восстановил уровень промышленного производства 1940 года. Но для дальнейшего движения нужно было самое широкое внедрение во все отрасли народного хозяйства и в быт электрической энергии. Формула В. И. Ленина, данная им еще в 1920 году, продолжала быть не менее актуальной.

^* (См.: Организация и развитие отраслевых научно-исследовательских институтов Ленинграда. 1917-1977. Л., 1979, с. 203. )

Но теперь нужна была электроэнергия, вырабатываемая централизованно на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными сетями в крупные энергетические системы. Строительство таких систем без автоматизации было просто невозможно. Вот почему важным шагом явилось создание в Ленинграде скромной лаборатории автоматики.

С самого начала своего существования в лаборатории были созданы непревзойденные по своему времени модели Куйбышевской и Свирской ГЭС, линий электропередач, связывающих Ленинград и Москву с новыми электростанциями. На моделях гидротурбин и мощных генераторов сотрудники лаборатории решали самые актуальные задачи специального электромашиностроения. За работы по электродинамическому моделированию энергосистем академик М. П. Костенко и доктор технических наук В. А. Веников были удостоены в 1958 году Ленинской премии.

За первое десятилетие своего существования молодая лаборатория стала Институтом электромеханики АН СССР, прошла большой путь, вобрав в себя целый ряд других научных учреждений и расширив деятельность на всю отрасль мощного электромашиностроения.

Во втором десятилетии лаборатория стала Всесоюзным научно-исследовательским институтом, который занимается фундаментальными проблемами в области теории и методов расчета электрических машин. На этот институт возложена ответственность за передовой уровень крупных электрических машин, которыми по праву славится отечественная промышленность. От мощных турбо- и гидрогенераторов и высоковольтных линий передач до двигателей на тепловозах и прецизионных систем управления, например, телескопом - вот диапазон разработок этой научной организации.

Чтобы разговор о сверхпроводниках был достаточно полным, нужно вспомнить еще об одной ключевой проблеме физики нашего столетия. Речь идет о создании металлического водорода.

Мы уже говорили, что при глубоком охлаждении ниже 20,3 К, то есть минус 252,7 °С, водород превращается в жидкость. Если же охлаждение продолжать и дальше, то уже при 14 градусах Кельвина, или при минус 259 - по привычной стоградусной шкале Цельсия, полученная жидкость замерзает и превращается в твердый молекулярный водород. Если теперь его подвергнуть огромному давлению в миллионы бар, то мы должны получить совершенно новое и совершенно замечательное вещество с удивительными свойствами - металлический водород. Есть предположения, что этот наиболее распространенный в обозримой вселенной элемент в металлической фазе находится в недрах планет-гигантов- Юпитера, Сатурна, может быть Урана и Нептуна. Физикам-теоретикам давно уже в общем виде (по расчетам) известны структура металлического водорода и его свойства. Причем есть достаточно веские основания предполагать, что именно металлический водород окажется высокотемпературным сверхпроводником с критической температурой 100-200 К (или минус 173, а может быть, даже и просто минус 73 градуса Цельсия). Сумей мы его получить - проблема сверхпроводимости была бы решена.

В чем же дело, почему до сих пор нет у нас этого замечательного материала? Ведь создать необходимое давление в принципе не так уж и сложно. Что же останавливает экспериментаторов?

Оказывается, что пока на Земле не существует материалов, способных выдержать такие давления. В опытах при достижении даже меньших значений начинал деформироваться или "течь" даже алмаз - а уж он ли не Символ, не критерий твердости нашего мира!

Значит, осуществить получение металлического водорода в земных условиях невозможно? Зачем же тогда говорить о нем? Но физики считают, что надежда не окончательно потеряна, что в конце концов будут созданы на основе алмаза такие камеры или "наковальни", которые не потекут при давлениях больше 2-3 миллионов бар. Или, может быть, удастся использовать метод ударных волн, защищая холодный твердый молекулярный водород от нагрева с помощью "магнитных подушек". Академик В. Л. Гинзбург считает, что если в ближайшие годы исследования по созданию металлического водорода почему-либо не будут приостановлены, то имеется основание считать, что металлический водород будет получен и исследован еще в этом веке.

Сегодня к водороду вообще приковано внимание специалистов разных отраслей техники, как к одному из самых перспективных источников энергии. Дейст- вительно, запасы его даже на нашей планете практически неограниченны. А ведь он в единице веса содержит втрое больше тепловой энергии, чем бензин. Более того, широкое применение водорода в качестве энергетического сырья будет способствовать и решению экологической проблемы загрязнения атмосферы, потому что отходами от его сгорания являются лишь пары чистой дистиллированной воды.

Если начать рассматривать водород как топливо, то легко обнаружить массу его достоинств; даже кажущиеся на первый взгляд трудности могут обернуться преимуществами. Скажем, такой вопрос, как транспортировка водорода. Она вполне возможна по обычным трубопроводам. И, согласно расчетам, даже обойдется дешевле, чем передача электроэнергии по проводам мощных ЛЭП. Вы скажете - водород летуч! Правильно, но это означает лишь то, что его надо тщательно хранить. А делать это можно в любых резервуарах, в том числе и в выработках природных газов под землей.

В ракетной технике водородное топливо уже давно вышло из стадии экспериментов. Предстоит переход на него авиации. Испытываются автомобильные двигатели, работающие как на чистом водороде, так и на обычном топливе, обогащенном водородом. И здесь даже 5-10 процентов добавок водорода к бензину, как показывают ходовые испытания, дают 40-45 процентов увеличения коэффициента полезного действия двигателя. И в 100 раз снижают токсичность выхлопных газов. Все это происходит за счет более полного сгорания топлива.

А какие перспективы открывает применение водорода в металлургии! И не только как источника тепла, но и как заменителя угля и кокса в процессе восстановления железа. При этом резко снижаются вредные выбросы газов в атмосферу.

В чем же дело? Почему водородное топливо не шагнуло до сих пор широко в промышленность? Причин несколько. И прежде всего - экономика. Пока еще водород дороже традиционных ископаемых видов топлива. Добыча угля, нефти, газа имеет на Земле большие и старые традиции. Люди, общество привыкли к ним...

Но нам нужно иметь в виду, что с ростом энергонасыщенности нашей жизни, в частности с увеличением количества атомных, солнечных и приливных электростанций, получение водорода будет становиться все дешевле, тогда как ископаемое топливо в связи с оскудением его запасов должно дорожать.

Наконец, преодоление психологического барьера.., Да, жидкий водород сохраняется лишь при температурах ниже минус 253° С, а твердый - ниже минус 259° С. И чтобы сохранить его от испарения, нужна специальная тепловая защита. Сложно! Но ведь мы не задумываемся о сложности, когда берем с собой на работу, или в поездку термос с горячим чаем. Не пугаемся трудностей, прокладывая трубопроводы от тепло-электро-централей с горячей водой и паром. Не шарахаемся от батарей парового отопления у себя дома. А ведь Горячая вода обжигает примерно так же, как и жидкий водород.

Криогенные емкости - те же термосы. Они существуют много лет и прошли всестороннюю проверку. Недавно в секторе механики неоднородных сред АН СССР был проведен такой эксперимент: на серийном микроавтобусе РАФ-2203 в багажнике были установлены два криогенных бака с жидким водородом. Под давлением 1,5 атмосферы водород перекачивался в испаритель, где превращался в газ и по трубке поступал в карбюратор. Здесь, смешиваясь с обычным бензином, он поступал в двигатель. Установка прекрасно работала. "Рафик" бегал куда бодрее, чем на обычном бензине. И при этом "чихал" менее удушливо.

Опытный автолюбитель осторожно спросит: "А если авария?" Ну и что что авария? Жидкий водород выльется из баков на землю и тут же испарится, тогда как бензину при горячем моторе вспыхнуть в сходной ситуации ничего не стоит.

В общем, серьезных недостатков у водородного топлива по сравнению с традиционным нет! Зато какие преимущества! Очень хотелось бы надеяться, что уже в ближайшие годы экологически чистое водородное топливо серьезно потеснит своих ископаемых конкурент тов. И нет сомнения, что развитие этой промышленности продвинет вперед и положение дел с металлической фазой водорода.