Per aspera ad astra

Сверхпроводник — это фаза вещества, возникающая при возникновении силы притяжения между электронами. В то время как сила между электронами всегда отталкивает в вакууме, взаимодействие с конденсированным веществом может вызвать корреляции в движении электронов друг с другом, которые приводят к чистой силе притяжения. Когда это происходит при достаточно низких температурах, связанные электронные партнеры могут впасть в макроскопическое квантовое состояние, в котором становится трудно столкнуть электроны с их пути. Следовательно, электроны не теряют энергии на сопротивление и электрический ток может протекать беспрепятственно. Традиционно сверхпроводимость считается свойством материала, которое можно наблюдать только при совсем низких температурах. Так первое поколение сверхпроводников теряли свои свойства сверхпроводимости при температурах лишь на 30 градусов выше абсолютного нуля ( это не больше −240 градусов Цельсия ). В 80-е годы XX века были обнаружены первые «высокотемпературные сверхпроводники» — керамические материалы на основе смешанного оксида меди. Они теряют сверхпроводимость уже при значительно более высоких температурах, но все ещё заметно ниже комнатной: так, в течение двух десятилетий рекордсменом высокотемпературной сверхпроводимости был купрат состава HgBa2Ca2Cu3O8+x, с температурой перехода −109 градусов Цельсия. Принципиально новый тип высокотемпературных сверхпроводников был открыт в середине 2010-х годов: оказалось, что при экстремально высоких давлениях — более одного миллиона атмосфер — гидриды многих элементов остаются в сверхпроводящем состоянии до очень высоких температур. Так, несколько лет материалом с самой высокой критической температурой был сероводород состава H3S, до последнего момента подтвержденный рекорд перехода — всего −23 градусов Цельсия — принадлежал гидриду лантана LaH10. Тогда следы сверхпроводимости находили и при −13 градусах Цельсия. Однако, в начале 2020-х годов наконец был впервые синтезирован высокотемпературный сверхпроводник, который сохраняет свои свойства вплоть до комнатной температуры. Полученный материал представлял собой кристалл на основе сероводорода и метана с повышенным содержанием водорода. Максимальную критическую температуру для него зарегистрировали при давлении 2,67 миллиона атмосфер — она составила 287,7 кельвина или примерно 15 градусов Цельсия! Для получения и анализа сверхпроводящего углеродсодержащего сероводорода учёные использовали ячейку с алмазной наковальней — камеру с образцом, которая зажимается между гранями двух алмазов и позволяет наблюдать за твердыми материалами при давлениях до нескольких миллионов атмосфер. Известно, что и метан, и сероводород могут образовывать при высоких давлениях устойчивые соединения с водородом, в которых гидрид выступает в роли матрицы, а молекулы водорода — включений внутри неё. Согласно теории Мигдала-Элиашберга, подобные материалы считаются перспективными кандидатами в сверхпроводники при высоких давлениях за счёт сильного электрон-фононного связывания, которое приводит к образованию куперовских пар. При сжатии сам метан разрушается при давлении выше 5 миллионов атмосфер, так и не достигнув сверхпроводящего состояния, однако в тройной системе CH4-H2S-H2 эту проблему удалось решить. В результате учёным удалось получить устойчивое соединение с более высокой критической температурой, чем у бинарного гидрида серы. Необходимый сверхпроводящий материал синтезировали в ходе фотохимической реакции из смеси водорода, сероводорода и метана. Еще при сравнительно низких давлениях за счёт вандерваальсового взаимодействия молекулы метана и сероводорода в такой смеси выстраиваются в цепочки, которые при дальнейшем сжатии образуются структуру типа «хозяин-гость». При давлениях в несколько миллионов атмосфер блоки метана и сероводорода ( поскольку имеют практически одинаковый размер ) формируют единую матрицу, в которой занимают равнозначные положения, а молекулы водорода фактически находятся в порах этой матрицы. Самая высокая температура перехода равняется примерно 287,7 кельвина (это примерно 15 градусов Цельсия ), характерна для фазы при давлении 2,67 миллиона атмосфер, однако сверхпроводящее состояние для такого соединения сохраняется в довольно широком диапазоне давлений: от 1,4 до 2,8 миллиона атмосфер. При увеличении внешнего магнитного поля критическая температура сверхпроводимости снижается и при поле 9 тесла опускается до -5 градусов Цельсия. При этом согласно теоретическим моделям сверхпроводимость этого материала должна сохраняться вплоть до 62 тесла. В последствии, в соединении Li2MgH16 эффекты сверхпроводимости сохранялись вплоть до 200 градусов Цельсия, при давлении в 2,5 миллиона атмосфер. Однако, как и все предыдущие виды высокотемпературных сверхпроводников, всё эти результаты имелись лишь в лабораторных условиях, на деле же они ещё многие десятилетия практически никак не использовались, так как их производство всё ещё было очень трудоёмким и затратным с финансовой точки зрения. Кроме того, эти материалы изначально не были хорошо приспособлены для реальных применений, поскольку они были хрупкими и трудными для работы, как правило, демонстрируя проблемы с закреплением магнитного потока, что делало их не совсем такими устойчивыми, как говорилось. Их первоначальное применение ограничивалось отдельными микромасштабными жесткими компонентами, такими как детекторы магнитного поля. Со временем проблемы изготовления гибких и прочных сверхпроводников работающих при комнатной температуре, конечно же, были решены, однако до этого момента прошло ещё немало времени. Помимо возможности проводить электрический ток без какого-либо сопротивления и леветации ( о которой вероятно знают больше чем о других плюсах этих материалов ), сверхпроводники отличаются и другими полезными для нас особенностями, одной из которых является накопление энергии. Так если из сверхпроводящего материала изготовить петлю, то сверхток сможет течь по ней вечно. В теории смещение линий магнитного потока через сверхпроводник может вызвать некоторое сопротивление, но для сверхпроводников, в которых эти линии магнитного потока либо достаточно сильно закреплены, либо достаточно трудно формируются, сверхток может течь в течение десятков тысяч лет без какого-либо заметного уменьшения мощности тока. Протекающий ток создаст магнитное поле, а магнитные поля содержат энергию. Таким образом, устройство, создающее сильное магнитное поле, будет накапливать большое количество энергии. Наиболее простым способом сделать это — плотно обмотать сверхпроводящую ленту вокруг трубки, чтобы создать электромагнит. Если лента соединена сама с собой из конца в конец, можно создать постоянный сверхток, поддерживающий мощное поле. Если ток прерывается, например, щелчком переключателя для перенаправления тока через нагрузку, индуктивный люфт создаёт скачок напряжения, который будет протаранять ток через нагрузку и питать любое устройство, к которому она подключена. Электродвижущая сила, которая толкает ток, настолько сильна, что для всех практических целей сверхпроводящий соленоид может мгновенно разряжать всю свою энергию, если это будет вам необходимо. С этим подходом связано несколько инженерных проблем. Так если магнитное поле выходит за пределы электромагнита, оно может представлять опасность, когда свободные ферромагнитные объекты сильно ускоряются в направлении электромагнита. Кроме того, вихревые токи в проводящих ( не обязательно ферромагнитных ) близлежащих объектах могут оказывать дополнительное сопротивление, если электромагнит и проводник движутся относительно друг друга. Обычное решение этой проблемы состоит в том, чтобы обернуть сверхпроводящую ленту вокруг Тора ( бублик ), который полностью удерживает магнитное поле внутри Тора. Ещё один вопрос, который необходимо решить, заключается в том, что магнитное поле оказывает воздействие на токи, в том числе и на тот самый ток, который его создал. Эти силы создают напряжение на любом сверхпроводнике, несущем сверхток; если он несёт достаточно тока, напряжение превышает предел прочности материала на растяжение, и сверхпроводник разрывается. Если это происходит, когда он накапливает много энергии, разрыв быстро превращается во взрыв, поскольку электромагнит яростно разрывает себя на части. Сверхпроводники сами по себе не обладают высокой прочностью на растяжение - однако они могут быть подкреплены тканями из углеродных нанотрубок или графеновыми втулками. Это позволяет высокопрочным углеродным материалам принимать напряжение, поэтому устройство может хранить гораздо более высокие энергии, чем при использовании только сверхпроводящей ленты. Поскольку сверхток протекает только по поверхности сверхпроводника, тонкая сверхпроводящая лента может иметь незначительную массу по сравнению с толстой углеродной оболочкой. Именно прочность на растяжение оболочки определяет удельную энергию (энергию на единицу массы) сверхпроводящего соленоида: Удельная энергия (Дж/кг) = предел прочности оболочки (в Паскалях) / плотность массы прибора (в килограммах на кубический метр). Для наноструктурированных углеродных материалов, с прочностью на разрыв порядка 100 ГПа, а плотность около 2000 кг/м^3, это приводит к определённым энергиям мощностью около 50 МДж/кг. Это находится на теоретическом пределе для того, что материя, удерживаемая вместе химическими связями, может выдержать, ни одно другое накопительное устройство энергии, которое полагается на химические связи для получения энергии или поддержки, не может превысить удельную энергию сверхпроводящего тороидального соленоида с углеродной опорой. Плотность энергии ( энергия на единицу объёма ) сверхпроводящего соленоида определяется напряженностью магнитного поля, которое он может поддерживать. Плотность энергии (в джоулях/кубический метр) = 400 000 x (магнитное поле (в Тесле))^2. Поскольку современные сверхпроводники могут выдерживать поля до 700 Тесла, это приводит к плотности энергии 200 ГДж/М^3. Это энергия, накопленная внутри "пустой" трубки Тора, и не включает объем, занимаемый опорной оболочкой. Сравнивая плотность энергии трубки с массой оболочки, мы видим, что одна треть объема хорошо спроектированного сверхпроводящего соленоида-это внутренняя часть трубки, а две трети-окружающая углеродная оболочка. Это приводит к чистой максимальной плотности энергии (накопленной энергии, деленной на общий объем устройства) около 70 ГДж/М^3. По соображениям безопасности сверхпроводящие батареи обычно не заряжаются до максимума, который могут выдержать их сверхпроводники или оболочка. Это чревато небольшими толчками или колебаниями температуры, толкающими материалы за их пределы, что приводит к взрыву соленоида. При типичном запасе прочности сверхпроводящий соленоид будет хранить от 15 до 25 МДж/кг. Как только, ближе к середине двадцать второго века, на сцену вышли недорогие сверхпроводники, соленоиды стали конкурентоспособными с другими формами хранения энергии, которые имеют в качестве своего конечного предела прочность и энергию химических связей, таких как торсионные батареи и маховики. Соленоиды имеют самую высокую удельную электрическую мощность любого накопителя энергии и предпочтительны в приложениях, где требуются импульсы высокой мощности электричества. Поскольку сверхпроводники исключают из своей внутренней среды как электрические, так и магнитные поля, они отражают электромагнитные волны. Пока частота электромагнитных волн не слишком высока, это отражение является почти идеальным. Частота среза примерно там, где энергия на фотон превышает энергию связи электронных пар, или около 10 ТГц ( длина волны 30 мкм ) для сверхпроводников с температурой перехода в 500 К. На более высоких частотах ( или на более коротких длинах волн ) сверхпроводник быстро теряет отражательную способность. Для тех частот, где сверхпроводники являются идеальными отражателями, они обычно используются для резонансных полостей. Это позволяет создавать мощные источники радиоволн, микроволн и дальнего инфракрасного излучения. Они имеют различные области применения - от радиолокационных лучей до лазеров на свободных электронах. Резонатор для электромагнитных волн имеет многие из тех же ограничений, что и соленоид для накопления энергии, который я описывал выше. Если плотность энергии становится слишком высокой, магнитное поле превысит критическое поле для сверхпроводника, и материал потеряет свою сверхпроводимость. Кроме того, излучение, захваченное в полости, оказывает силы на стенки полости, которые имеют тенденцию раздвигать стенки и разрывать полость, если сила превышает предел прочности полости на растяжение. В результате эти резонансные полости могут накапливать то же количество энергии, что и сверхпроводящий соленоид того же размера и веса, и взрываться столь же катастрофически, если они повреждены или перегружены. Однако они имеют тенденцию к утечке и будут терять накопленную энергию в течение нескольких секунд или минут, если не будут непрерывно приводиться в движение внешним источником электромагнитных волн. Их применение заключается в генерации и управлении микроволновыми и дальними инфракрасными лучами, а не в накоплении энергии. Помимо возможности использования сверхпроводников для хранения электроэнергии, левитации или её передачи, их также можно использовать....для строительства. Сверхпроводящие соленоидальные трубки наподобие тех что моли бы использоваться для аккумулирования энергии и состоящие из оболочки с сверхпроводящей плёнкой и внешней оболочки из высокопрочной углеродной подложки, станут жесткими при полной подаче энергии, как если бы магнитное поле оказывало давление на сверхпроводник. Это позволяет проектировать конструкции таким образом, чтобы они полностью находились под напряжением. Сверхпроводник будет как бы "надувать" соленоидальные трубки до тех пор, пока они не станут жесткими, в то время как кабели или углеродные листы могут ограничивать гибкость и протяженность структуры. Вы можете задаться вопросом: зачем же собственно нам это может быть нужно? На самом деле, сохранение структуры полностью под напряжением имеет определённые преимущества - например, при сжатии вам нужны толстые опоры, чтобы противостоять изгибу, в то время как натяжение может поддерживаться тонким кабелем. Кроме того, прочность на растяжение графеноподобного углерода ( включая углеродные нанотрубки ) выше, чем прочность на сжатие самых прочных природных материалов. Использование соленоидальных трубок для структурной поддержки каких-либо конструкций приводит к ряду уникальных атрибутов в тех структурах, которые их используют. Одно из самых драматических заключается в том, что структура может быть обесточена, и она будет сдуваться, легко складываться и упаковываться. При повторном питании структура раздувается и становится упругой, снова готовой к использованию. Кроме того, энергия, накопленная в соленоидальных трубках, может быть использована для питания различных устройств. Поскольку материалы, используемые только для натяжных конструкций, являются гибкими, они, как правило, устойчивы к ударам. Конструкция будет сжиматься и изгибаться от силы удара, а затем отскакивать назад. Это можно использовать для того чтобы снабдить оккупантов подкладкой. Однако трубы, находящиеся под напряжением, представляют дополнительную опасность - при чрезмерном напряжении они могут разорваться, и в результате взрыва конструкция может разлететься на части и поранить жильцов или находящихся поблизости прохожих. Следовательно, как и соленоиды накопления энергии, структурные опорные трубки обычно питаются только до части их максимальной мощности - там, где требуется высокая жесткость, они могут принимать до 1/3-1/2 максимальной энергии, но для применений, где более мягкие структуры допустимы или желательны, могут использоваться гораздо более низкие доли максимальной мощности. Поскольку транспортные средства обычно используют внутренний запас энергии, поскольку они часто перевозят относительно хрупких операторов или пассажиров, и поскольку любая другая форма компактного, высокого удельного накопления энергии имеет аналогичную взрывоопасность, транспортные средства очень часто используют соленоидальные трубки и натяжные кабели/листовые конструкции для большей части своей рамы и кузова. Это приводит к тому, что личный пассажирский транспорт может сдуваться и легко храниться в компактном объеме, что сводит на нет необходимость в просторных парковках и сооружениях. Также одним из наиболее необычных способов использования сверхпроводников является их применение при создании взрывчатых веществ. Так если сверхпроводящий соленоид сломается при переносе сверхтока вблизи предела того, что он может выдержать, он взорвётся, прр том неслабо. По идее сверхпроводящее взрывчатое вещество, заряженное почти до предела в 50 МДж / кг, будет иметь более чем в десять раз большую энергию взрыва, чем эквивалентный вес химического бризантного взрывчатого вещества. Поскольку полностью заряженные сверхпроводящие взрывчатые вещества опасны для транспортировки, они обычно хранятся частично заряженными вместе с заряженной ячейкой хранения. Для того чтобы воспламенить такую взрывчатку, элемент накопления энергии разряжается во взрывчатое вещество. Свойство сверхпроводника становиться упругим под воздействием тока будет чрезвычайно полезным в космическом строительстве - вы можете развернуть солнечный парус размером в несколько километров без труда. Что самое интересное, как по мне, вы можете менять факусное расстояние параболических зеркал, что позволит точно наводить вокус при выпаривающей транспортировке астероидов. Также можно создавать разряженные среды для аэростатов, противостоя атмосферному давлению упругостью проводника, тем самым повышая/понижая объем и регулируя высоту, а возможность взрыва полезна для отстрела монолитных конструкций для создания аварийных систем спасения.