Стратегия высокой температуры

• 
• Генеральный директор компании “СуперОкс” Сергей Самойленков на производстве ВТСП-проводов второго поколения
•  © stimul.online

Одной из компаний, получивших звание национального чемпиона в 2018 году, стала компания «СуперОкс» — разработчик и производитель материалов, обладающих свойствами высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), и изделий на их основе. Это само по себе неординарно, но эта компания вдобавок последние пять лет еще и демонстрирует необычайно высокие темпы роста выручки — 36% в год.

Свою продукцию «СуперОкс» поставляет в 20 стран мира. Основные заказчики компании — крупнейшие технологические корпорации, ведущие университеты и научные центры мира.

На внутреннем рынке «СуперОкс» выступает генеральным подрядчиком проекта установки на электроподстанции «Мневники» первого в стране токоограничивающего устройства на базе ВТСП, предназначенного для защиты электрических сетей от коротких замыканий. Эта работа выполняется по заказу АО «Объединенная энергетическая компания» и является важной частью национального проекта «Разработка и внедрение сверхпроводниковых технологий в топливно-энергетический комплекс Российской Федерации», реализуемого во взаимодействии с Министерством энергетики РФ.

История ВСТП

Основой для открытия явления сверхпроводимости стало развитие технологий охлаждения материалов до сверхнизких температур. В 1877 году французский инженер Луи Кайете и швейцарский физик Рауль Пикте независимо друг от друга охладили кислород до жидкого состояния. В 1883 году Зигмунд Врублевски и Кароль Ольшевски выполнили сжижение азота. В 1898 году Джеймсу Дьюару удалось получить и жидкий водород.

В 1893 году проблемой сверхнизких температур стал заниматься голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес. Десятого июля 1908 года он получил жидкий гелий. Позднее ему удалось довести температуру гелия до 1 °К. Камерлинг-Оннес использовал жидкий гелий для изучения свойств металлов, в частности для измерения зависимости их электрического сопротивления от температуры. Согласно существовавшим тогда классическим теориям, сопротивление должно было плавно падать с уменьшением температуры, однако существовало также мнение, что при слишком низких температурах электроны практически остановятся и совсем перестанут проводить ток. Эксперименты, проводимые Камерлингом-Оннесем со своими ассистентами Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Хольстом, вначале подтверждали вывод о плавном падении сопротивления. Однако 8 апреля 1911 года он неожиданно обнаружил, что при 3 °К электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Следующий эксперимент показал, что резкий скачок сопротивления до нуля происходит при температуре около 4,2 °К. Первое теоретическое объяснение сверхпроводимости было дано в 1935 году Фрицем и Хайнцем Лондонами. Более общая теория была построена в 1950 году Л. Д. Ландау и В. Л. Гинзбургом. Она получила широкое распространение и известна как теория Гинзбурга—Ландау. Однако эти теории имели феноменологический характер и не раскрывали детальные механизмы сверхпроводимости. Впервые сверхпроводимость получила объяснение на микроскопическом уровне в 1957 году в работе американских физиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера.

Позднее было установлено, что сверхпроводники делятся на два больших семейства: сверхпроводники первого типа (к ним, в частности, относится ртуть) и второго типа (которыми обычно являются сплавы разных металлов). В открытии сверхпроводимости второго типа значительную роль сыграли работы Л. В. Шубникова в 1930-е годы и А. А. Абрикосова в 1950-е.

Для практического применения в мощных электромагнитах большое значение имело открытие в 1950-х годах сверхпроводников, способных выдерживать сильные магнитные поля и пропускать большие плотности тока. Так, в 1960 году под руководством Дж. Кюнцлера был открыт материал Nb₃Sn, проволока из которого способна при температуре 4,2 °К, находясь в магнитном поле величиной 8,8 Тл, пропускать ток плотностью до 100 кА/см².

В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных. В начале 1987 года было показано, что соединения лантана, стронция, меди и кислорода (La—Sr—Cu—O) испытывают скачок проводимости практически до нуля при температуре 36 °К. В начале марта 1987 года был впервые получен сверхпроводник при температуре, превышающей температуру кипения жидкого азота (77,4 °К): было обнаружено, что таким свойством обладает соединение иттрия, бария, меди и кислорода (Y—Ba—Cu—O). Температура перехода у самых высокотемпературных из ВТСП сегодня составляет 136 °К (при атмосферном давлении). Это уже на 60 градусов выше, чем температура кипения жидкого азота.

Работы по сверхпроводимости отмечены большим количеством Нобелевских премий. В 1972 году ее получили Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер, в 1973-т — Лео Эсаки, Ивар Джиавер и Брайан Джозефсон, в 1987 году — Георг Беднорц и Карл Мюллер, в 2003-м — Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург. А Лев Ландау получил ее за теорию конденсированных сред, в особенности жидкого гелия, которая легла в основу объяснения явлений сверхпроводимости.

В настоящее время в мире уже есть несколько компаний, занимающихся промышленным производством изделий на основе ВТСП: в США, Южной Корее, Японии.

В России кроме компании «СуперОкс» есть группы, которые занимались развитием технологии ВТСП в госкорпорации «Росатом»: в Высокотехнологическом научно-исследовательском институте неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара, НИИ технической физики и автоматизации, НИИ электрофизической аппаратуры. Они создали опытные промышленные технологические линии, на которых ведутся эксперименты. Но на рынок они не вышли. Действующая линия по изготовлению ВТСП-проводов второго поколения есть также в Курчатовском институте.

С увеличением объемов производства и ростом спроса, к 2025 году, ожидается значительное снижение стоимости высокотемпературных сверхпроводников. По оценкам экспертов, стоимость ВТСП к этому времени снизится до уровня, сопоставимого со стоимостью меди в традиционных силовых кабелях.

«СуперОкс»: истоки

В Советском Союзе сразу же после открытия ВТСП была организована программа сверхпроводимости, которую курировал председатель Совета Министров СССР Николай Рыжков. Начался проект «Дракон» по развитию химических технологий для ВТСП. Многие группы, занимающиеся ВТСП в России, выросли из этого проекта.

«Связано это в первую очередь с тем, — пояснил генеральный директор компании „СуперОкс“ Сергей Самойленков, — что даже низкотемпературная сверхпроводимость, а практичные материалы для НТСП на основе ниобия появились в 60-х годах, сильно изменила наш мир. Появились устройства, в которых они применяются с большой пользой. Появились томографы, это полностью изменило медицину. Появились ускорители и коллайдеры. Например, Большой адронный коллайдер работает на НТСП-магнитах и охлаждается сверхтекучим гелием, при температуре 1,9 градуса Кельвина. ВТСП не требуют такого охлаждения и открыли дорогу к применению в целом ряде новых отраслей. Например, ВТСП можно применять для изготовления оборудования, работающего в сетях переменного тока».

С точки зрения нашей истории интерес представляет то, что в 1993 году молодые химики из МГУ Евгений Антипов и Сергей Путилин с коллегами открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников с общей формулой HgBa₂Ca_n-1Cu_nO_2n+2+у, один из которых до сих пор имеет наибольшее известное значение критической температуры при нормальном давлении (135 °К).

Поэтому неслучайно, хотя ВТСП — явление физическое, костяк научной группы компании «СуперОкс» составляют воспитанники кафедры неорганической химии химического факультета МГУ — единственного в России коллектива, развивавшего направление химического газофазного осаждения тонких пленок и покрытий разнообразных сложнооксидных функциональных материалов, в том числе ВТСП. Химфак оканчивал Сергей Самойленков и многие сотрудники компании. Для получения высоких функциональных характеристик ВТСП-материалов необходимо досконально понимать тонкости химии многокомпонентных оксидов. И то, что в российской компании во главе процесса встали химики, стало ее конкурентным преимуществом. Как пояснил Сергей Самойленков, «благодаря этому мы можем предложить свой взгляд на эту технологию, потому что мы более квалифицированные специалисты в области материаловедения, химии, нежели большинство наших конкурентов. Они больше физики или специалисты по вакуумному оборудованию. У нас кругозор шире. Но, конечно, наш коллектив имеет сбалансированный кадровый состав, включая специалистов в самых разнообразных областях знания и техники».

От ВТСП к проводам на их основе

С момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости начались попытки использовать ее для создания практичных сверхпроводящих материалов. Как рассказали в компании, пути создания проводов из хрупкой оксидной керамики, обладающей к тому же сильной анизотропией, искали довольно долго. Первые успехи связаны с разработкой ВТСП-лент в серебряной оболочке на основе сверхпроводника (Ві,Рb)₂Sr₂Сa₂Cu₃O_Х (сокращенное название ВSССО), получивших название ВТСП-проводов первого поколения. Позднее появилась технология производства ВТСП-проводов второго поколения на основе YBa₂Cu₃O₇ (YВСО). Сечение сверхпроводника составляет лишь малую часть общего сечения провода: в лентах первого поколения эта величина обычно не превышает 40%, а в лентах второго поколения и того меньше — 5%. В проводах первого поколения жилы ВТСП заключены в матрицу из серебра или сплава на его основе. ВТСП-провода второго поколения представляют собой многослойные материалы, в которых оксидные слои последовательно нанесены на металлическую ленту-подложку. Для предотвращения химического взаимодействия ВТСП и ленты используют так называемый буферный слой — ключевое звено в этой технологии. Металлический защитный слой (как правило, из серебра) предохраняет ВТСП от взаимодействия с парами воды и СО₂ воздуха, от прямого контакта ВТСП с шунтирующим материалом (упрочненная медь, нержавеющая сталь) и служит защитой от механических повреждений. Преимущества ВТСП-проводов второго поколения — их высокая токонесущая способность в сверхвысоких магнитных полях, при температуре жидкого азота, а также высокая прочность.Компания «СуперОкс» появилась в 2006 году, когда у ее создателей накопился критический багаж знаний для того, чтобы реализовать их в виде продукта. «К 2006 году, — рассказывают они, — мы научно проработали основы технологии производства проводов на основе текстурированных покрытий высокотемпературных сверхпроводников на металлических лентах — ВТСП-проводов второго поколения. За минувшие тринадцать лет мы прошли путь от университетских исследований и научных статей до создания производства на полностью нашей технологии. У нас нет ни одной приобретенной лицензии, ни одной связи с кем бы то ни было извне, кто нам помогает выпускать наш продукт. Мы его самостоятельно развиваем и улучшаем, находясь на самых высоких позициях в мире».

Стратегия технологического отрыва

«Наша стратегия, — объясняет Сергей Самойленков, — заключается в том, чтобы постоянно, благодаря почти тридцатилетнему опыту работы с ВТСП, все время находиться на самых передовых технологических позициях. Ее можно назвать стратегией технологического отрыва, которую нам удается реализовать за счет того, что мы многое сделали на несколько лет и даже десятилетий раньше, чем наши конкуренты. Технология изготовления ВТСП-проводов достаточно сложная, а ее секреты глубоко спрятаны. В первую очередь это технология осаждения разных слоев контролируемого состава и структуры: на каждом из технологических этапов есть какие-то тонкости, которые мало описаны в литературе и которые составляют наши секреты производства».

Кроме того, в компании несколько лет назад помимо самого провода стали заниматься разработкой устройств на основе этих сверхпроводников. В тот момент это оказалось наиболее выгодной бизнес-стратегией: строить вертикально интегрированную компанию, для того чтобы непосредственно взаимодействовать с заказчиками, которые готовы принимать результаты сверхпроводниковых технологий и использовать их в своем бизнесе.

Кроме производства самого ВТСП-провода в компании рассматривают в качестве наиболее перспективных рынки токоограничивающих устройств для электроэнергетики, силовых установок для электрического самолета и электроракетных двигателей для космических аппаратов.

Но уже сейчас «СуперОкс» активно работает на рынке научных мегапроектов. Свои ВТСП-провода компания поставляет, в частности, в CERN, для изготовления магнитов коллайдера с рекордным магнитным полем. Новая компания — спин-офф Массачусетского технологического института разрабатывает прототип термоядерного реактора нового поколения. В основе концепции нового термояда — магнитные поля высокой напряженности (20 Тл), создать которые возможно только с использованием высокотемпературных сверхпроводящих материалов. В перспективе для этого проекта потребуются ВТСП-провода в количестве, многократно превышающем возможности всех мировых производителей вместе взятых, и «СуперОкс» видит в этом большие возможности для перспективного развития.

Идеальное токоограничивающее устройство

Первая разработка такого рода — высоковольтное токоограничивающие устройство (ВТСП ТОУ). Первое такое устройство, рассчитанное на напряжение 220 кВ, компания внедряет уже сейчас на московской подстанции «Мневники» (Объединенная энергетическая компания). Это будет самое мощное сверхпроводниковое токоограничивающее устройство в мире и первое сверхпроводниковое устройство в действующей электрической сети в России. Его применение позволит решить большое количество задач не только в Москве, но и в других мегаполисах, а также в промышленных агломерациях.

Сергей Самойленков рассказывает, как этот проект родился: «Пять лет назад мы пошли к энергетикам, показывали им зарубежные токоограничивающие устройства среднего напряжения. Они смотрели и говорили, что среднее напряжение нас мало волнует, потому что у нас там проблем нет, но у нас есть задачи для этой технологии в высоковольтной сети. Мы стали изучать вопрос, могут ли зарубежные разработчики сделать такое устройство из нашего ВТСП-провода. Везде ответ был один и тот же: дайте нам семь лет, кучу денег и без гарантий. В итоге мы сами нашли лучшие технологические решения, открыли производство, все изготовили и проверили. Сейчас мы имеем фактически самое мощное в мире высоковольтное ВТСП ТОУ, испытанное в международном испытательном центре в Южной Корее».

Принцип действия сверхпроводникового ТОУ достаточно прост и основан на фундаментальных свойствах ВТСП. Сверхпроводник обладает нулевым электрическим сопротивлением вплоть до некоторого критического значения плотности тока, которое составляет для современных проводов при температуре жидкого азота около 500 А/мм². В случае короткого замыкания при превышении этого критического значения происходит переход ВТСП-провода в резистивное состояние. Переход из сверхпроводникового состояния в резистивное (токоограничивающее) не требует измерительных датчиков, обратной связи и исполнительных механизмов. ВТСП ТОУ срабатывает за счет свойств материала и в сто раз быстрее аналогов. После устранения короткого замыкания происходит самовосстановление сверхпроводящих свойств, и ТОУ автоматически возвращается в рабочий режим.

В сложных энергосистемах любое короткое замыкание приводит к тому, что части энергосистемы могут не выдержать. И это может стать причиной каскадных отключений, как было в свое время в Москве при аварии на подстанции «Чагино». В Москве с тех пор очень много сделано для обеспечения надежности электроснабжения. «Но, — как заметил Сергей Самойленков, — возникают новые вызовы, Москва растет и развивается, электропотребление растет на два процента в год, опережая другие показатели. Это приводит к тому, что для построения сети становятся востребованы новые решения. Ряд перспективных задач можно решить и без токоограничивающих устройств, но стоить это будет на 150 миллиардов дороже. И поэтому это очень обоюдовыгодная ситуация: у нас есть решение, у энергетиков есть потребность. Они сэкономят деньги, используя наше решение. Городу это тоже интересно, потому что это и надежность, и качество электроэнергии, и обеспечение перспективы развития на десятилетия вперед. Мы делаем уникальный продукт, который сегодня больше никто сделать не может. Чтобы разработать такое токоограничивающее устройство, например, Siemens, ABB, Toshiba, Mitsubishi, General Electric потребуется несколько лет. Для них это существенный барьер. И в этом наше конкурентное преимущество».

В Москве компания планирует построить примерно десять устройств в ближайшие десять лет, есть спрос и со стороны других мегаполисов. Всего план компании включает примерно 50 устройств в Российской Федерации до 2030 года. «Этого, — говорит Сергей Самойленков, — более чем достаточно для наших масштабов. Тем более что стоимость одного такого устройства сейчас превышает миллиард рублей».

Разновидность токоограничивающего устройства меньшей мощности (15 МВт) компания разработала для железных дорог, для установки на тяговых подстанциях РЖД. Это устройство планируется коммерциализировать в течение ближайших трех лет. В перспективе токоограничивающие устройства планируется вывести еще на один важный рынок — в угледобывающую промышленность. Там они помогут существенно снизить риски взрыва метана в шахтах.

Лайнер на электротяге

«В 2015 году, — рассказывает Сергей Самойленков, — у нас начались контакты с потенциальными заказчиками, которых интересовали электрические двигатели на основе ВТСП». Преимущество ВТСП-электродвигателей в том, что они в несколько раз меньше, чем обыкновенные, и это особенно актуально для авиационной и морской техники. Например, у «Росатома» есть проект «Лидер» — создание перспективных российских атомных ледоколов. У них должно быть по четыре электродвигателя, каждый по 30 МВт. В настоящее время наша промышленность делает двигатели мощностью до 20 МВт, и «даже их, — поясняет Сергей Самойленков, — уже крайне сложно транспортировать, настолько они тяжелые и габаритные. Использование сверхпроводниковых технологий позволяет в несколько раз уменьшить, габариты двигателя. Та же логика применима к ветровым генераторам, так как при увеличении мощности существенно увеличиваются технологические сложности, очень тяжело и дорого поднимать тяжелые генераторы на мачты».

Как считают в компании, самый перспективный рынок для ВТСП-электродвигателей — гражданская авиация, которая в мире растет быстрее остальной экономики.

Прогноз объема рынка самолетов до 2035 года — более пяти триллионов долларов. Причем самая высокая потребность приходится не на те лайнеры, которые сейчас в основном используются: Airbus A320, Boeing 737, а на меньшие по вместимости узкофюзеляжные самолеты. Потому что более популярным, более востребованным, становится региональное передвижение. Но чем меньше расстояния, тем менее эффективны самолеты.

Еще в 2007 году эксперты NASA опубликовали результаты пятилетнего исследования, где признали ВТСП перспективной системой для создания лайнеров на электротяге. Расчеты, проведенные НИЦ «Институт имени Н. Е. Жуковского», с которым сотрудничает компания «СуперОкс», показывают, что сделать такие самолеты эффективными позволяет использование гибридной силовой установки, включающей в себя источник первичной энергии, генератор и электродвигатели, которые оказываются намного более эффективными при использовании технологий ВТСП.Это, в частности, позволяет улучшить и компоновку самолета: расположить источник первичной энергии — самую тяжелую составляющую двигательной установки — в хвосте самолета, где сейчас расположена вспомогательная силовая установка. Она будет работать на генератор, генератор будет вырабатывать электричество. Электричество будет раздаваться по кабельной системе, в том числе на электродвигатели, использующие для обмоток технологии ВТСП. «Все авиакомпании мира: Airbus, Boeing, NASA, JAXA, наши российские коллеги, — рассказывает Сергей Самойленков, — видят будущее в этом. Потому что все посчитали свои feasibility studies, написали свои white papers, и в них однозначно указывается, что потребление топлива в гибридной системе, по самой скромной оценке, будет на 15 процентов меньше. А самая перспективная оценка — на 75 процентов меньше. Сейчас авиаперевозчики страдают от низкой маржинальности перевозок, у некоторых авиакомпаний вообще нет прибыли. расходы на топливо составляют примерно 30 процентов всей стоимости перевозки. То есть, условно говоря, если вы экономите 50 процентов топлива, то маржинальность увеличится с исчезающе малой величины до 15 процентов. Это колоссальный прогресс, тем более на таком зрелом рынке, где уже годами ничего не меняется. Достичь этого невозможно в рамках существующих традиционных технологий. Те двигатели, которые мы разрабатываем уже сейчас в рамках проекта Фонда перспективных исследований, можно будет поставить на самолет на 20 пассажиров, типа L-410. По размерности и весу они уже проходят, и такой самолет становится возможно создать. Сегодня у нас есть технологическое преимущество по этому типу двигателей, что позволяет нам рассчитывать на то, что мы сможем решить задачу создания электрического самолета быстрее, чем конкуренты. Нужно на этот рынок в пять триллионов долларов, из которых примерно три приходится на небольшие самолеты, с нашими решениями вклиниться».

Космический буксир

Сверхпроводники для космических применений почти не используют. В основном потому, что до последнего времени не было хороших, доступных материалов, работающих на азотном уровне температур. Сейчас они появились.

Один из путей применения ВТСП в космосе — создание электрического ракетного двигателя. Если создать двигатель мощностью 100 или 200 кВт, он позволит за два месяца, то есть за разумное время, вывести, например, тяжелый спутник в пять тонн с низкой опорной орбиты до геостационарной орбиты, на высоту 35 тыс. км. Геостационарную орбиту используют в основном в коммерческих целях, в первую очередь для телекоммуникационных спутников.

Сейчас спутники на геостационарную орбиту выводят ракеты типа «Протон» с разгонным блоком «Бриз» или «Фрегат». Причем выводится один спутник за один пуск. «Протон» на низкую опорную орбиту может вывести три спутника, так как на 200-300 километров ракета-носитель выводит порядка 25 тонн, а на геостационарную — только пять тонн. Один запуск «Протона» стоит около 60 млн долларов. «А теперь представьте, — объясняет Сергей Самойленков, — что вы выводите три спутника на низкую опорную орбиту, а затем с помощью космического буксира переводите их на геостационарную. То есть за 60 миллионов долларов выводите сразу три спутника, а не один, цена вопроса при этом — 120 миллионов долларов. Вот почему бизнес интересуется технологиями для космического буксира, это задача самая что ни на есть коммерческая, ведь за год на геостационарную орбиту запускают по десять-двадцать спутников. Космический буксир сможет выполнять и другие задачи. Если бы был буксир, можно было бы подтаскивать спутники к МКС, где космонавты могли бы эти спутники обслуживать, заменяя вышедшее из строя оборудование, и буксир бы их отвозил обратно. Спутник стоит 200-300 миллионов долларов, если вы можете на следующие десять или пятнадцать лет продлить ему жизнь — представьте, какая экономия. Вот почему мы работаем в этой области».

Электрические ракетные двигатели уже существуют, но маленькой мощности. Многие спутники корректируют свою орбиту ионными двигателями, которые делает КБ «Факел» в Калининграде. Но мощность этих двигателей не превышает 10 кВт, а для космического буксира двигатели нужны в десятки раз более мощные. «И такой двигатель, — рассказывает Сергей Самойленков, — можно сделать на основе уже известных решений, используя ВТСП-магнит. Смысл электрического двигателя в том, что берется какое-то рабочее тело, дальше оно ионизируется или превращается в плазму. Электрическим или магнитным полем эта плазма разгоняется и выбрасывается, получается тяга. Плюс всех электрических двигателей в том, что у них удельный импульс, который характеризует эффективность использования топлива, примерно в десять раз выше, чем у химических двигателей. Получается, что для того, чтобы долететь до геостационарной орбиты, вам надо, скажем, не двадцать тонн топлива потратить, а всего две. Но „топливом“, точнее рабочим телом, при этом будет инертный газ.

Существует с десяток разных вариантов, как сделать электрический ракетный двигатель, мы выбрали магнитоплазмодинамический двигатель. Магнитоплазмодинамические двигатели были изобретены в СССР, но у них всегда был маленький ресурс. Нашим инженерам (и не только нашим, как выясняется) пришла в голову идея, что если добавить к этому большое магнитное поле, примерно такой же силы, как в томографах, то ресурс двигателя вырастет в сотни раз, то есть он сможет работать годами. Мы одни из первых, кто сейчас активно развивает эту технологию».

Стать глобальным чемпионом

«СуперОкс» вышел на рынок электроэнергетики и собирается штурмовать рынки перспективной авиации и электрических технологий для космоса. Как отмечают в компании, с развитием этих направлений производство и продажи сверхпроводника будут сильно расти. В компании считают, что пока все идет по плану: ее конкуренты в США, Корее и Японии идут вровень или даже отстают. Если еще недавно перспективы коммерциализации продукции «СуперОкс» были туманны, то завтра они станут очевидны для всех. А сегодня как раз время для тех, кто хочет стать глобальным чемпионом.

Дан Медовников, Александр Механик

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈