Человечество пользуется электричеством всего около 100 лет. За этот короткий исторический период оно изменило облик цивилизации навсегда. Без электричества не было бы ни промышленной революции, ни современных технологий. Мы так привыкли к нему в повседневной жизни, что редко задумываемся, насколько недавно оно появилось — всего лишь в течение одного процента истории Homo Sapiens.
Следующим важным шагом после открытия электричества стало открытие сверхпроводимости. Это явление связано с полным исчезновением электрического сопротивления и вытеснением магнитных полей при охлаждении определённых материалов до критической температуры.
С момента своего открытия в начале XX века сверхпроводимость прошла долгий путь. В 1987 году она была удостоена Нобелевской премии по физике.
Сегодня сверхпроводимость находит всё больше практических применений. Как когда-то электричество изменило мир, так и технологии, основанные на сверхпроводимости, могут привести к новой технологической революции.
10. ITER — реактор будущего
Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER) строится во Франции и объединяет усилия семи государств. Это один из самых дорогостоящих научных проектов в истории. Его цель — доказать, что управляемый термоядерный синтез возможен, а энергии при этом выделяется больше, чем затрачивается.
ITER будет крупнейшим в мире токамаком — установкой, использующей мощные магнитные поля для удержания плазмы в форме тора. Температура внутри реактора достигнет 150–300 миллионов градусов Цельсия. На таких температурах изотопы водорода, например дейтерий, соединяются и превращаются в плазму — четвёртое агрегатное состояние вещества.
Для создания магнитных полей необходимы крупные сверхпроводящие катушки. Однако на пути ITER стоит множество вызовов: существуют и альтернативные способы синтеза, и конкуренты. Например, компании General Fusion и Lockheed Martin стремятся вывести термоядерную энергию на коммерческий рынок раньше, чем заработает сам ITER — ориентировочно в конце 2020-х годов.
9. Квантовый поезд: транспорт без трения
Магнитная левитация (маглев) активно внедряется в транспортной отрасли, но далеко не все проекты используют сверхпроводящие технологии. Самые перспективные варианты основаны на эффекте Мейснера — сверхпроводник вытесняет магнитные поля, что позволяет поезду буквально парить над рельсами.
В Японии разрабатывается поезд на основе высокотемпературной сверхпроводимости (HTSM), способный достигать 600 км/ч. Однако его стоимость очень высока: проект между Токио и Нагоей обойдётся более чем в $200 миллиардов.
Более доступной альтернативой стал проект квантового поезда, предложенный в Нидерландах. Он предполагает модернизацию существующих железных дорог и использование вакуумных труб, что позволит снизить затраты и достичь скорости свыше 3000 км/ч.
8. МРТ: точная диагностика без излучения
Сверхпроводимость лежит в основе технологии магнитно-резонансной томографии (МРТ). Эти аппараты создают изображения внутренних органов при помощи мощных магнитных полей и радиоволн, не подвергая пациента ионизирующему излучению.
Магнитные катушки в МРТ охлаждаются жидким гелием, чтобы достичь сверхпроводящего состояния. Благодаря этим технологиям МРТ используется по всему миру для диагностики рака, болезней сердца, психических расстройств и других заболеваний. Без сомнения, это одно из самых значимых применений сверхпроводимости, которое уже спасло миллионы жизней.
7. Сверхпроводящие двигатели
Обычные электродвигатели потребляют много энергии и изготовлены из меди и других материалов. В отличие от них, двигатели на базе высокотемпературной сверхпроводимости (HTS) значительно эффективнее.
Ранее сверхпроводники требовали охлаждения жидким гелием при температуре близкой к абсолютному нулю. Сейчас HTS-материалы работают при температуре около 70 К, и их можно охлаждать более дешёвым жидким азотом.
ВМС США уже начали внедрение HTS-двигателей на кораблях. Это повысит эффективность и сократит расходы на топливо.
6. Лифты будущего
Мегаполисы будущего будут включать сверхвысотные здания, где обычные лифты станут неэффективными. Использование сверхпроводящих левитирующих лифтов изменит архитектуру небоскрёбов. Эти лифты смогут двигаться не только вертикально, но и горизонтально.
Благодаря эффекту Мейснера и линейным индукционным двигателям, кабины смогут быстро перемещаться в любом направлении. Такие технологии уже позволяют представить здания высотой более километра — гораздо выше Бурдж-Халифы в Дубае.
5. StarTram — путь в космос
Вывод грузов и людей на орбиту обходится в миллиарды долларов. StarTram предлагает революционное решение: использовать сверхпроводящие капсулы, ускоряемые в вакуумных трубах на скорости свыше 20 Маха.
Идею предложил Джеймс Пауэлл — один из создателей магнитной левитации. StarTram способен доставить полезный груз на низкую околоземную орбиту значительно дешевле. Проект оценивается в $60 миллиардов, и для его реализации потребуется политическая и экономическая координация. Однако его реализация может стать шагом к межзвёздным путешествиям.
4. EM Drive — двигатель без топлива
EM Drive — гипотетическая система тяги без выброса реактивного вещества. Изначально идея вызывала скепсис, поскольку, казалось, она нарушает законы физики. Однако учёные из Китая и NASA в 2010-х годах подтвердили, что устройство действительно создаёт тягу.
Если EM Drive будет объединён с сверхпроводящими материалами, его эффективность увеличится в разы. По расчетам, такие двигатели смогут разгонять корабли до 60% скорости света. В перспективе это может изменить не только космические путешествия, но и транспорт на Земле.
3. Большой адронный коллайдер (БАК)
Один из самых известных проектов современной физики — БАК — открыл бозон Хиггса и приблизил нас к разгадке структуры Вселенной. Без сверхпроводящих катушек, создающих мощные магнитные поля, это было бы невозможно.
В будущем Китай планирует построить ускоритель частиц в три раза больше БАК. Это позволит глубже исследовать природу материи и антиматерии, которая сегодня стоит $62,5 триллиона за грамм.
2. Сверхпроводящие кабели
Сегодня при передаче электроэнергии через медные провода теряется около 6% энергии. В развивающихся странах потери могут достигать 18–30%. Сверхпроводящие кабели на основе HTS обеспечивают передачу без потерь.
Они дешевле, легче и эффективнее. В США и Германии уже реализованы пилотные проекты. Кроме того, такие кабели способны накапливать до 15 тераватт-часов энергии по всему миру, особенно в сочетании с вакуумными транспортными системами.
1. Космическое путешествие на Земле: ET3
Технология ET3 (Транспортные технологии с использованием вакуумных труб) предполагает движение капсул по вакуумным трубам с использованием HTS-сверхпроводников и постоянных магнитов. Каждая капсула охлаждается жидким азотом и может двигаться со скоростью до 4000 км/ч.
Этот проект — альтернатива Hyperloop Илона Маска. Он создаёт на Земле условия, схожие с космосом — почти полное отсутствие воздуха. ET3 может перевозить грузы, людей, энергию и даже данные, обеспечивая мгновенное сообщение между континентами.
Таким образом, сверхпроводимость — это ключ к технологической революции XXI века. От медицины и транспорта до энергетики и освоения космоса — она уже меняет наш мир. И это только начало.
